专家团队！城市电网供电能力的深度挖掘-北极星输配电网

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城市电网是包括了220kV电压等级的输电网及110kV高压配电网及以下电压等级配电网的电力系统。由于服务范围广,负荷分布的空间差异大,负荷高峰时期局部220kV系统易出现阻塞情况。由于在110kV高压配电网中建设大量了的备供线路,源荷关系灵活多样,且10kV馈线容量小,转供半径较短,难以实现大范围的潮流转移,因此在工程上调度员常常通过改变110kV供电路径的主备供关系,甚至将站内主变分列运行,将潮流引向负载率较轻的线路,以缓解输电阻塞。因此在分析城市片区电网供电能力时,有必要计及高压配电网重构能力对于腾挪供电空间、挖掘供电潜能的积极作用。

目前已有众多学者提出了多种供电能力分析模型和方法。文献[1-6]主要从中压配电网层面提出计及10kV馈线联络容量及主变容量约束下局部地区的最大供电能力分析方法,但未能从更高电压等级关注城市220kV片区电网最大供电能力。文献[7]采用信赖域法评估城市220kV片区电网供电能力充裕度,计及线路稳定、变压器容量及节点电压,引入交流潮流算法,计算结果更为准确,但并未进行N-1校验。文献[8-9]提出计及高压配电网转供能力的城市电网供电能力分析模型,但文中高压配电网模型较为简单,每个110kV负荷点只有一条备供路径,实际上由于网络中丰富的站间联络及站内多样的运行方式,220kV输电网与高压配电网存在更为多样的源荷关系。文献[10]考虑静态N-1安全约束,将220kV片区电网与完整电网解耦,提出完整电网与片区电网交替迭代的供电能力计算模型,在提高计算精度的同时有效减少计算时间,但并未考虑片区间110kV高压配电网重构对腾挪负载、疏导供电空间的积极作用,因此所求结果仍有进一步提升空间。

针对上述问题,本文首先根据高压配电网拓扑特点及输配网间源荷关系,构建基于变电单元组表达的高压配电网简化模型。其次筛选变电单元组拓扑状态,保留可行解,进而构建基于变电单元组可行状态选择的高压配电网转供模型。将高压配电网转供模型嵌入城市220kV片区电网供电能力分析模型中,采用量子粒子群优化算法求得最大供电能力。转供模型以单元组可行拓扑状态选择变量代替传统开关0-1状态建模,有效降低问题求解维度,对单元组拓扑状态的筛选剔除了全部无效解,提高了计算效率。以某城市电网算例验证了本文方法的有效性。

1 基于变电单元分组可行状态选择的高压配电网重构模型

1.1 基本定义

由于高压配电网负荷转供并非针对所有开关设备,因此需对网络元件进行适度聚合[13-14],以简化网络结构,突出源荷关系。

定义1变电单元：110kV系统中,将电能从高压侧传递至低压侧的设备组,包括110kV主变、高压侧断路器及低压侧断路器,以字母U表示。

定义2电源点：作为电能的供给方为下级电网提供电能,文中表示220kV变电站出线端,以字母S表示。

定义3变电单元组：由110kV变电单元构成的集合,集合内任意两变电单元之间至少存在一条可达路径,且该路径不经过220kV变电站,以字母J表示。

1.2 基于变电单元组的110kV网架拓扑表达

110kV变电站主要由2~3卷容量为30~60MVA

的变压器组成,站内典型接线方式主要有单母分段、内桥及其与线变组的T接组合几种[11-14]。由于站内高压侧母联开关开断状态决定了主变与220kV电源点的连接关系,因此以变电单元及高压侧开关状态来表达110kV高压配电网拓扑结构,如图1所示。图1中K表示高压侧断路器,圆点U即变电单元。S表示电源点,虚线框表示变电单元组。其中,U7作为“线变组”,由于其转供能力有限,故本文不予考虑。

1.3 变电单元组可行拓扑状态选择

由于高压配电网辐射状运行的要求,单元组拓扑结构往往呈现由某一中心点出发,向四周延伸至220kV电源点的特征,因此基本的单元组拓扑结构

图1 110kV网架拓扑简化

可抽象为“一”型、“Π”型或“星”型3种结构,其他复杂结构均可由这3种基本结构组合而成。为便于分析,本文将这一中心点定义为“星点”,在单元组拓扑简化图中表示节点度数大于2的点。对于“一型”结构,其节点度数均≤2,可将任意度数为2的点作为星点,将其视为特殊的“星”型结构。对于Π型结构,可视为是由多个星型结构由“桥”连接而成,所谓“桥”是指两个“星点”间的可达路径。当“桥”处于连通状态时,该Π型结构可等效为一个“星型”结构;当“桥”处于断开状态时,该Π型结构则等效为两个“星型”结构,如图2、3所示。

星型结构

图2 星型结构

π型结构

图3 Π型结构

将星点到末端的支路定义为“瓣”。对于瓣来说,瓣内所有开关状态组合构成了瓣的状态。当所有开关都处于闭合状态时,该瓣处于连通态;若存在开关处于断开状态,则该瓣处于断开态。桥的连通态及断开态与瓣相同,所有“桥”与“瓣”的状态组合则构成了单元组内全部拓扑状态。

由于单元组内不能出现220kV-110kV-220kV环网及变电单元失电状态,对于星型结构的单元组(Π型结构可拆解为星型结构),包含电源点的瓣成为连通态的个数最多只有一个。又因为单元组内不能出现孤岛,应至少有一个包含电源点的瓣成为连通态,不包含电源点的瓣只能成为连通态,且任意一个瓣或桥的断开态,有且仅有一个开关断开;对于包含电源点的瓣而言,其断开态最多只能有一个开关断开。综上分析,一个单元组可行拓扑状态应满足以下3个条件：

1）任一星型结构中有且仅有一个包含电源点的瓣成为连通态;

2）任意一个瓣或桥的断开态,有且仅有一个开关断开。

3）不包括电源点的瓣只有连通态。

以图1为例,J1为“一型”结构,以U6为“星点”,分为两瓣,则满足条件1）2）3）的可行拓扑状态数为：1×2+1=3种。J2为“星型”结构,共3瓣,满足条件的拓扑状态总数为：2×3+2×3+3×3=21种,同理J3为“Π型”结构,共41种可行拓扑状态。受篇幅所限,图1中3个单元组可行拓扑状态见附录A。以连续正整数变量z表示单元组内部可行拓扑状态编号,z的取值为[1,zmax],其中zmax表示单元组可行状态总数,则高压配电网重构问题即转化为从单元组可行拓扑状态空间中选择一种合适的拓扑状态,以满足某项网络性能指标。

原标题：【好文推荐】四川大学刘俊勇等：城市电网供电能力的深度挖掘

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