一种主动配电网运行风险评估方法与流程

本发明涉及一种配电网运行风险评估方法。特别是涉及一种多类型分布式资源广泛接入的主动配电网运行风险评估方法。

背景技术：

配电网是联系电源与用户的重要环节，承担着向用户输送、分配电能的任务。据统计，电力系统中80％的用户停电事件是由配电网故障引起的，这些突发的停电事件给国民经济和人民生活带来了重大损失。配电网是供电部门管理的重点，对其进行风险评估可以指导配电网的改造，提高供电可靠性[1]。与可靠性相比，风险内容更为丰富，不但考虑到危险的可能性，也考虑到危险的后果。其不但能够找出既有电网运行的薄弱环节，还可以为配电网规划提供目标依据，降低规划电网可能存在的运行风险。风险评估的结果也可作为多个规划方案比选的依据。风险大小直接影响着城市经济的发展，所以关于该领域的研究是十分重要的。

随着配电管理和配电自动化系统的不断完善，使得配电网具有了主动性的特征。主动配电网(activedistributionnetwork，adn)是一种新型的、区别于微网的大规模分布式电源接入配电网的方式，既可以实现对分布式电源、柔性负载和储能等可控资源的主动控制，又可以利用灵活的网络拓扑结构实现潮流的有效管理，并在合理的监管和接入准则基础上，使分布式资源对配电系统提供一定的支撑作用。2010年cigre提出了将主动配电网作为未来配网发展的主要技术方向之一。主动配电网的定义是由cigre的c6.11工作组提出的[2]，包括：

●能够根据实时的量测信息，主动地控制配网中的der(包括：分布式电源,负荷以及ess等)的运行状态；

●配电网运营商(distributionnetworkoperator,dno)可以通过改变网络拓扑结构来控制网内潮流；

●能够使der融合到配电网中而不是简单的连接到配电网络，在适当的监管和协议下der可以承担系统支持/管理的责任。

配电网可靠性评估包括确定性方法和概率性方法。确定性方法是安全性评估最早采用的方法，对电力系统的安全性进行评估己经很成熟。关于在线安全评估方面的研究，概率性方法相比于确定性方法，能够对故障可能性及故障后果的严重程度的概率进行衡量，能够综合衡量不确定性因素给电力系统带来的影响，有助于电力学者们认识和解决电网所面临的困难和潜在问题。

国内外关于电力系统安全性领域研究的发展，大致可以概括为：从确定性评估方法到概率评估方法的过渡以及从概率评估方法到风险评估方法的过渡。文献[3]提出了一种求解城市电网最大供电能力指标的模型，该模型是一种基于直流潮流的线性规划模型。文献[4]从网损、短路电流、电压波动和可靠性4个方面建立指标体系；采用相对值的方法确定各个指标的计算方法；确定指标权重和评价标准，形成完整的评价体系，提出了一套科学全面的新能源最优接入评价方法。文献[5]研究时序模拟技术对农村配电系统可靠性成本、包括风力发电替代供应的价值评估。文献[6]研究嵌入式发电机对11kv线路的升压影响。文献[7]研究含分布式电源的潮流损耗。文献[8]建立电压损耗和功率损耗的简化模型。

现有的配电系统风险评估多着重于从系统或负荷等单一方面考虑风险，未能将元件、系统以及负荷风险进行综合考虑，形成源—网—荷一体化的风险评估。同时目前尚未能针对分布式电源渗透率较高的主动配电系统进行风险评估的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过分析主动配电网运行风险，从元件运行风险、系统运行风险以及用户运行风险三个维度构建运行风险评估指标体系的主动配电网运行风险评估方法。

本发明所采用的技术方案是：一种主动配电网运行风险评估方法，包括如下步骤：

1)根据配电网运行风险以及主动配电网的特点构建主动配电网运行风险评估指标体系，即表征主动配电网运行风险的各项指标，包括：期望缺供电量eens，母线电压越限风险指标r，以及缺电时间期望lole；

2)提出主动配电网运行风险综合评估方法。

步骤1)所述的期望缺供电量eens，是指架空线路风险和变压器风险，使用元件发生故障退出运行后，损失的电量作为元件风险定量衡量指标，采用如公式计算：

式中eens表示期望缺供电量，单位kwh；p表示状态发生的概率；c表示故障后产生的损失电量，单位kw；t表示故障持续时间，单位h；l表示架空线路长度，单位m；λ表示架空线路单位长度故障率；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；ti表示发生故障的时刻；j表示第j个发生故障的元件，n代表元件的总数量。

步骤1)所述的母线电压越限风险指标r，是采用如下公式得到：

式中，sov表示母线电压越限所对应的风险值；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；ti表示发生故障的时刻；ki表示发生母线电压越限而产生的惩罚系数；vi表示母线电压值；vmax和vmin分别表示母线电压的上、下限值。

步骤1)所述的缺电时间期望lole，是指用户平均停电次数、用户停电持续时间以及用户缺电时间期望，是采用如下公式得到：

式中p表示状态发生概率；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；i表示系统状态，系统正常运行为1，系统发生切负荷故障为0；l表示负荷容量大小，单位mw；g表示发电容量，单位mw。

步骤2)所述的主动配电网运行风险综合评估方法，是使用层次分析法、熵权法进行权重分配得到主动配电网承载能力的综合评分。

本发明的一种主动配电网运行风险评估方法，针对未来存在高渗透率分布式电源的主动配电系统提出源—网—荷一体化的风险评估方法，具有一定的可行性和有效性。本发明基于n-1可靠性准则，在配电网模型的基础上，运用风险理论和层次分析法的思想，着重分析事故的严重程度，根据各风险指标之间的关系，建立了三级智能配电网风险评估指标体系。从元件风险、运行风险、用户风险三个方面建立了五个底层评估指标，定量评估线路风险、变压器风险、线路过载风险、母线电压越限风险和用户停电风险。建立了完整有层次的智能配电网风险评估指标体系。

本发明既可以用于配电网运行安全的实时在线监测系统，为配电网的运行提供实时的风险指导方案；也可以作为离线计算平台，利用配电网运行的历史数据以及预测的负荷水平，离线计算出配电网的运行风险，以指导配电网的运行以及短期规划。

附图说明

图1是线路过载运行风险图；

图2是电压越限风险图；

图3是ieee33节点配电网拓扑图；

图4是初始算例潮流分布图；

图5是负荷变化后潮流分布图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种主动配电网运行风险评估方法做出详细说明。

本发明的一种主动配电网运行风险评估方法，通过分析主动配电网运行风险，从元件运行风险、系统运行风险以及用户运行风险三个维度构建运行风险评估指标体系。本发明介绍了引入层次分析法和熵权评估工程风险的理论，对智能配电网风险评估体系进行综合分析，客观地衡量各指标的权重，进一步基于正理想点和负理想点，运用贴近度指标衡量比较各个配电网的风险大小。

最后选用改进的ieee33节点配电网进行主动配电网风险评估的算例分析，并设计模拟设备发生老化现象的方案1和模拟负荷曲线中峰值时间段的方案2。基于matlab实验平台，分别从元件运行风险、系统运行风险、用户运行风险三个方面计算ieee33节点配电网两个方案的风险大小。验证所提出的风险评估指标体系和评估方法。通过本文风险评估方法获得的计算结果与实际情况基本符合，证明本发明的智能配电网风险评估模型具有一定的可行性和有效性。

本发明的一种主动配电网运行风险评估方法，包括如下步骤：

1)根据配电网运行风险以及主动配电网的特点构建主动配电网运行风险评估指标体系，即表征主动配电网运行风险的各项指标，包括：期望缺供电量eens，母线电压越限风险指标r，以及缺电时间期望lole；其中，

(1)智能配电网元件风险包括架空线路风险、变压器风险、断路器风险、电缆风险等，由于断路器操作频繁，发生故障的概率高但是成本低，体积小，易于更换，变压器的成本高，数量少，备用设备少，通常接入网络运行后很少进行调整操作，电缆线路的可靠性很高，发生故障概率极小，远距离架空线路的故障率比电缆线路高，且后果影响较大，所以本文主要考虑架空线路风险和变压器风险。本发明中所述的期望缺供电量eens，是指架空线路风险和变压器风险，使用元件发生故障退出运行后，损失的电量作为元件风险定量衡量指标，采用如公式计算：

式中eens表示期望缺供电量，单位kwh；p表示状态发生的概率；c表示故障后产生的损失电量，单位kw；t表示故障持续时间，单位h；l表示架空线路长度，单位m；λ表示架空线路单位长度故障率；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；i表示发生故障的时刻；j表示第j个发生故障的元件，n代表元件的总数量。

(2)对于母线电压越限风险指标r要考虑：

母线电压应当控制在合适的范围内，对于35kv以下配电网而言，母线电压的允许值不得超过±5％。高于或低于允许范围都会对用户正常生产、生活产生不利影响和损失。电压过高时，设备可能会发生绝缘老化，大大缩短设备寿命，电流也会随着电压的升高而增大，大电流造成的热效应可能会烧坏线路或零部件。而电压过低也是设备运行不允许的，低压可能会使部分正在运行的设备无法正常运行，或者停止的设备无法启动。以电动机为例，高压会引起电枢绕组过热，电枢绕组会发生绝缘老化甚至直接烧断、线圈绝缘受损会发生短路故障；端电压过低，电机可能无法启动，正在运行的电机转速会下降、电流增大。这些都是电机运行不允许发生的。

本发明中是考虑母线电压越限风险指标r，是指线路失负荷风险、线路过载风险以及母线电压越限风险，是考虑在故障时间内电压越限积累的损失值，采用如下公式得到：

式中，sov表示母线电压越限所对应的风险值；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；ti表示发生故障的时刻；ki表示发生母线电压越限而产生的惩罚系数；vi表示母线电压值；vmax和vmin分别表示母线电压的上、下限值。

k为惩罚系数，电压超过允许的最大电压可能造成设备老化、绝缘破坏，是不可逆的破坏，而电压略低于允许的最小允许电压，一般设备运行受到影响，但很少造成永久性故障，一旦电压回到允许运行的电压范围，设备仍然正常工作。所以给与过压和低压不同的惩罚系数。

母线投入运行多年后，即使没有发生大型故障，室外的母线经过日晒雨淋，室内的母线也会由于长期的高压电晕现象性能受到影响，导致母线也会出现老化现象。老化的母线路发生电压越限现象时，比正常母线更容易发生意想不到的故障，如绝缘损坏、击穿、大量发热、老化速度更快等，为了区别正常线路和老化线路，通常认为老化母线发生高压过载现象时，具有更高的惩罚系数。

(3)负荷停电损失模型反应电力供应不完全可靠时，造成的各类用户的停电损失。停电损失主要包括经济损失和社会损失，又分为直接损失和间接损失。

停电损失与用户的类别、停电发生的时间、停电持续的时间、停电容量、停电频率等因素密切相关。停电损失的主要影响因素有：

●用户类别

●停电发生时间

●停电容量

●停电频率

●停电持续时间

保证用户可靠用电是配电网的基本要求。停电可能会对用户造成经济、社会等多方面损失，停电的时间越长，停电电量越大，负荷等级越高，停电造成的损失就越严重。

本发明中所述的缺电时间期望lole，是指用户平均停电次数、用户停电持续时间以及用户缺电时间期望，是采用如下公式得到：

式中p表示状态发生概率；t表示系统在状态i下持续的时间，单位h；i表示系统状态，系统正常运行为1，系统发生切负荷故障为0；l表示负荷容量大小，单位mw；g表示发电容量，单位mw。

2)提出主动配电网运行风险综合评估方法，是使用层次分析法、熵权法进行权重分配得到主动配电网承载能力的综合评分。

选定风险评估指标之后，需要对评估指标进行综合决策，得到它们的权重矩阵。本发明使用层次分析法、熵权法进行权重分配得到主动配电网承载能力的综合评分。

一个体现对n个评价对象的m个评价指标计算风险值大小的评估矩阵为：

由于各个指标的评价标准不同，指标风险值不能直接地比较和使用，需将原始风险矩阵进行标准化处理：

将风险评估矩阵规范化处理得r＝(rij)m×n

在信息论中，根据申农对层次分析法的定义，在(m，n)的风险评估问题当中，第i个评价指标的熵定义为：

其中

对于fij＝0的情况，发现上述公式数学无意义。数学理论中通常补充定义：若rij＝0且fij＝0，对于ln0＝∞，重新定义fij*lnfij＝0。在主动配电网风险评估问题中，本发明对上述公式进行调整，以便更符合配电网风险要求。

其中n表示修正fij时的精确度，10^-n定义得太大会对fij造成较大的误差影响，10^-n可能起不到应有的修正作用，仍然可能出现fij≈0的情况，本发明选择用10^-4进行修正，使得修正后的fij一方面在[0，1]数学范围内有意义，另一方面10^-4在物理上对最后结果的误差影响可以接受。

在(m，n)风险评估问题中，在层次分析法定义的基础上，第i个评估指标的熵权被定义为

由上式可知，如果指标的熵值w接近1时会出现如下情况，即使各指标的hi相互间存在微小的差别，也会给各指标对应的熵权带来成倍数的变化。例如:当某方案两个指标的熵值几乎相同并且都接近1时，那么它们对应的熵权数值会很接近。但是，往往会出现熵权跳跃现象，即根据传统熵权计算公式得出的权重系数会出现成倍变化问题。

修正后的熵权公式：

本发明提出的智能配电网风险评估指标体系由三级评估指标构成，第一级、第二级评估指标可以通过次级评估指标的熵值和熵权计算获得。在评估各个算例的综合风险时，通过熵权的形式，为不同的风险指标赋予相应的权重或者隶属度，定义配电网各级指标的模糊风险评估矩阵公式为：

bi＝ω·ri

其中模糊风险评估相量为

定义各个系统的配电网整体风险评估向量s计算公式：

s＝ω·b

由各个评估对象组成的的各级模糊风险评估矩阵终，每一个指标一定都存在最大值和最小值，由每一个指标最大值组成的向量为评估矩阵的理想点，相反，由各个指标的最小值组成的向量为负理想点，由于智能配电网风险是一种损失性风险，也就是说风险值越大，越是不希望看到的结果，风险值越小，越是所追求的安全电网。正理想点和负理想点分别定义如下：

p*＝(p*1,p*2,...,p*m)^t

其中

在归一化处理后的电力系统风险评估矩阵中，风险值是非负的，所以可得到负理想点为p*＝(0,0,...,0)^t。

另外，每一个系统与理想点之间相差的距离有大有小，这里希望对各个系统和理想点之间的距离进行一个排序，以便从中了解哪些系统风险更低，哪些系统风险大，因此定义综合风险距理想点的贴近度为：

易知0≤dj≤1,j＝1,2,...n，我们可以根据贴近度对各个电网进行简单的风险排序，以期对每个配电网运行方式进行定性风险判断。由于主动配电网风险评估是一种损失性评估方案，所以风险值越大，配电网运行越容易出现故障，是不可靠的。所以在不影响最终结论的前提下，这里对贴近度(23)进行简化处理：

dj＝bj^tp^*

对各个系统按照贴近度大小排序，贴近度越大，主动配电网风险越高，贴近度越小，则风险越低，同时，值得指出来的是，贴近度d＝0，不代表这个系统没有风险，只是在待比较的几个系统中，风险值最低。

下面给出具体实例：

本发明的实例采用的是如图3所示的改进的ieee33节点配电网，该配电网电压等级为12.66kv，合计32条线路，5条联络线路，配电网最左端为电源。网络正常运行时为开式网络，当线路发生故障时，可以控制联络开关，启动转供方案，保证供电可靠性，尽量避免切负荷，减少用户停电损失。本发明应用此网络来检验风险评估方法的可行性与可靠性。

设定系统中所以输电线路和变压器为两状态独立停运模型，即有且仅有运行、停运两个状态，且各元件状态彼此独立。考虑系统中所以32条架空线路和32台变压器的停运故障，共64个一阶失效故障。

算例1：由于配电网属于一次建设，长期使用的工程，一般情况下配电网的元器件寿命较长，但是在服役一定年限后，元器件或多或少会产生一些老化和损耗的现象，线路及变压器的失效率和故障修复时间参数会发生一定的变化，老化的母线在电压高压越限时更容易是受到损坏，智能配电网风险评估需计考虑元件老化导致的风险值增加，元件参数如表2所示。假设老化的变压器位于母线节点4、22、25、31处；老化的母线位于节点4、22、25；架空线路2-3、3-4、2-19、3-23发生老化现象。配电网正常运行时，部分设备老化基本不会影响潮流分布，因此算例1的潮流分布如图4所示，但是系统更容易发生故障造成停电，设备老化现象的具体影响以改变参数的形式表现。

表2配电网设备老化

算例2：分析中，为模拟实际电网中，受到人们生活规律、极端天气及城市建设或者其他因素的影响，负荷会随时间的变化而不断变化。在算例2中我们模拟负荷水平随时间发生变化，配电网中的部分负荷节点模型采用2级负荷水平阶梯型曲线，曲线负荷水平分为初始负荷和过负荷两种状态，各级负荷水平及其对应的年持续时间如表3所示。

表3负荷变化情况

部分节点负荷增加，功率分布和电压分布也会随之发生变化，重新计算配电网潮流，功率和电压分布如图5所示:

各算例的风险指标计算结果如表4所示，当元件发生老化现象时，元件风险增加，运行风险也会增加；负荷随时间发生变化时，潮流、电压越限导致运行风险增加；而两个算例的用户风险均较初始系统有所增加。算例分析结果与实际情况吻合，由此可见使用本文风险评估模型衡量智能配电网风险具有一定的可行性和有效性。

表4三方案风险对比

由于评价指标的度量标准不同，不能直接进行整体评估，标准化处理后得到第三级风险评估矩阵：

风险评估矩阵r的每一行代表各风险指标，每一列代表各算例，由于算例的运行工况不同，所以每一个风险指标都存在最大值和最小值，因此归一化风险矩阵每一行都至少有一个0和一个1，容易知道，正常设备在正常负荷水平下的整体风险会低于备份设备发生老化现象和部分负荷增加情况下的整体风险。

可以得到三个配电网的第三级风险评估指标的熵值和熵权相量分别为：

h＝[0.61160.59720.59020.55490.6553]

ω＝[0.19510.20230.20590.22360.1731]

层次分析法可以度量某个系统不确定性或者紊乱程度，在智能配电网风险评估模型中，层次分析法反应风险指标所能带给决策者的信息量多少，而熵权反映决策过程中，该指标的重要程度，熵权与各个系统的熵值有关。

随后，可以得到第二级智能配电网模糊风险评价矩阵为：

b3＝w3·r3＝0.1731[00.77101]＝[00.16790.2178]

第二级风险评估指标的熵和熵权分别为：

h＝[0.93360.89670.9629]

w＝[0.01960.20110.0167]

由此得到系统整体(第一级)风险评估矩阵为：

根据配电网整体风险评估向量s的计算结果，可以得出各个算例的风险排序结论：算例2>算例1>初始算例。

在配电网风险评估体系的第三级指标的基础上，基于双基点法求取风险评估矩阵的贴近度，可以得到第三级模糊风险评估矩阵l为：

第三级模糊风险评估矩阵l的正理想点为：

p^*＝[0.20330.19840.19610.18440.2178]^t

可以求得配电网风险评估系统的贴近度为：

d＝[00.13770.1807]

根据风险评估理论可以知道，贴近度越大的系统风险越高，因此，根据本文模型可以获得电力系统风险排序：算例2>算例1>初始算例。初始系统贴近度d＝0不代表没有风险，而是在三个系统中风险最小。所得结论与理论分析一致，可以认为本文的模型和算法评估电力系统运行风险具有可行性。

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