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第41卷第12期2013年6月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.41NO.12Jun.16,2013基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用张伟,冷永杰,闰剑锋,姚德鹏(积戍电子股份有限公司,山东济南25O100)方法摘要:为解决配电网运行综合状态评估问题,提出了最小配电子岛与最小配电子网的概念给出了一种包含五种等级的最小配电子网运行状态划分方法,并分析了各个状态的特点。以最小配电子网为基准,提出了子网中各个状态的指标评分具体方法,并给出了相应公式。按照谨慎原则,以指标评分最差配电子网的运行状态作为整个配电网络的运行状态。基于改进雷达图分析法,给出了一种描述五种状态等级的同心圆绘制方法。并根据当前状态评估指标、15min后状态评估指标、60min后状态评估指标,结合雷达图面积与周长,给出了三种配电网综合状态评估指标,并结合实例分析了三种指标的特性。实例分析表明所提方法能够清晰反应配电网的综合运行状态,为配电网的实时运行提供可靠依据,具有较好的实用化意义。关键词:配电网;综合状态评估;最小配电子网;最小配电子岛;雷达图Apracticalmethodofdistributionnetworkcomprehensivestatusassessmentbasedonimprovedradarchart—ZHANGWei,LENGYong ̄ie,YANJianfeng,YAODe-peng(JichengElectronicsCorporation,Jinan250100,China)Abstract:Tosolvetheissueofdistributionnetworkoperationcomprehensivestatusassessment,theconceptsofminimumdistributionislandandminimumdistributionsubnetareproposed.Fivelevelsofminimumdistributionsubnetoperationstatearegiven.Adetailedanalysisofthecharacteristicsofeachstateismade.Basedonminimumdistributionsubnet,indexscoreofeachstateinthesubnetandthecorrespondingformulaaregiven.Inaccordancewiththeprecautionaryprinciple,therunningstateandindexscoreoftheworstdistributionsubnetareregardedastheentiredistributionnetworkoperationsandindexscore.Basedonimprovedradarchartanalysis,adescriptionofthefivestatelevelsofconcentriccirclesdrawnisgiven.Inaccordancewiththecurrentstatusassessmentindicator,15minutesstatusassessmentindicatorand60minutesstatusassessmentindicator,combinedwiththeradarchartareaandperimeter,threedistributionnetworkstatusassessmentindicatorsarepresented.Thecharacteristicsofthethreeindicatorsareanalyzedwithanexample.Theexampleanalysisshowsthattheproposedmethodisfeasible.Thecaseresearchshowsthattheproposedmethodcarlclearlyreflectthereactionoperatingstatusofthedistributionnetwork.Itprovidesareliablebasisfor—realtimeoperationofthedistributionnetwork,andhasgoodpracticalsignificance.Keywords:distributionnetwork;comprehensivestatusassessment;minimumdistributionsubnet;minimumdistributionisland;radarchart中图分类号:TM732文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2Ol3)12.0117060引言电网运行状态评估系统是智能电网的重要组成部分,对提高调度效率,避免故障发生与扩大,提高供电可靠性具有重要意义【l~11。目前对电网的状态评估多集中在输电网领域,且主要是风险评估,其通过电网中主要设备故障发生风险概率给出一定的评分指标,采取的方法主要有枚举法、蒙特卡洛法、遗传算法、粒子群算法、基于事故随机性分析法、基于事故模糊性与随机性综合分析法等lJJ。配电网作为电力输送的终端网络,较之输电网,其网络结构更复杂,所含设备数量更庞大,电网运行状态更加难以确定。同时,由于配电网中分布式电源、微网及储能设备的接入,使得智能配电网的运行方式更加多样化,安全状态评估难度更”大-。配电网的综合状态评估是描述配电网一段时间内电网安全程度的重要指标,其不仅与配电网当前时刻的运行状态有关,与一段时问内未来时刻的运行状态也具有相关性。因此,建立一种融合配电网当前运行状态评估一118一电力系统保护与控制与未来运行状态评估的综合状态评估方法,并简单直观方便地给予展示,具有重要现实意义。本文结合配电网特点,给出了一种最小配电子网划分方法,提出了一种包含紧急状态、异常状态、警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态五种等级的最小配电子网状态评估方法,并以子网最差原则描述了整个配电网的状态评估。运用雷达图对五种状态进行了分级显示,并运用雷达图面积与周长对配电网当前运行状态、15rain后状态、60min后状态进行了整合,给出了三种描述配电网综合状态评估的方法。1最小配电子网将相互连通的若干馈线段组成的子网络称为配电区域u引。如果某区域至少含有一电源点,边界节点为联络开关或末梢节点,且内点皆为分段开关,则称该区域为最小配电子岛。将具有相同联络开关的两最小配电子岛称为相邻最小配电子岛,两配电子岛的电源点称为该联络开关的相邻电源点。将具有连通关系的所有相邻最小配电子岛组成的区域称为最小配电子网。≠≠如图1所示配电网络,}1、}2为母线,S1~S5为变电站出线开关,A ̄M为分段开关,N ̄P为联络开关。图1一个典型的开环配电网—Fig.1Atypicalopenloopdistributionnetwork按照所述原则,其可划分为5个最小配电子岛,2个最小配电子网,具体如表1所示。表1图1中最小配电子网划分Table1TheminimumdistributionsubnetinFig.1最小配电子岛1最小配电子岛2最小配电子岛3最小配电Sl、A、B、C、D、S2、E、F、G、NS3、H、I、O子网1O、N最小配电S4、J、K、PS5、L、M、P子网22配电网运行状态评估指标最小配电子网按电网运行安全程度由高到低可以划分为经济安全状态、非经济安全状态、警戒状态、异常状态、紧急状态五种等级。分别对应模糊评价中的优、良、中、差、最差五种情况ll。可以用最差配电子网的运行状态描述整个配电网的运行状态。为使配电子网五种状态直观清晰,运行百分制对五种等级进行描述:(90,loo)分为经济安全状态,表示子网运行在网损小,网架结构安全的优质的状态;(80,90)分非经济安全状态,表示子网运行在网架结构安全但网损较大的良好状态;(60,80)分为警戒状态,表示子网网损大,负荷不平衡,部分设备运行在越限边缘,但网架结构整体安全的中等状态;(30,60)分为异常状态,表示馈线电源开关发生故障后,其下游负荷无法全部转移的情况。正常情况下馈线电源开关发生故障后,对端馈线应能转带所有故障负荷,但当馈线过载时,将无法转带所有负荷,需做甩负荷处理。(0,30]分为紧急状态,表示子网发生故障,部分负荷失电的最差情况。配电网一般运行在前三种状态,每个状态的评分指标如下所述。只要有故障发生,最小配电子网即进入紧急状态。其状态评估指标具体描述为s瑚c(7/喜㈩其中:MDS(Minimumdistributionsubnet)为最小配电子网运行状态指标评分;LC(Lossofcurrent)为故障隔离后的失电负荷电流总量;』v为最小配电子网所含最小配电子岛数;为第i个最小配电子岛电源开关额定电流。当对最小配电子岛中的设备进行AL1静态安全分析时,若某一变电站出线开关发生故障,其下游负荷在不考虑网架结构的前提下能够完全转移而不失电,则子岛是安全的;若故障影响负荷无法完全转移,需做甩负荷处理,则称该最小配电子岛处于异常状态,所甩负荷称为子岛AL1极限失电负荷。Ⅳ其与故障影响总负荷的比值定义为子岛-1极限失电率。只要最小配电子网中有子岛的JV1极限失电率大于0,子网即进入异常状态。其状态评估指标具体描述为S=30+3o(1一)(2)Ⅳ其中,舭(一1limitlossofpowerrate)为最小配电子Ⅳ网_l极限失电率,其是所含最小配电子岛1极Ⅳ限失电率的最大值,最小配电子岛一l极限失电率MNL(MinimumdistributionsubnetA71limitlossofpowerrate)描述为张伟,等基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用方法-1l9一MNL.=∑∑一——旦1.一(3)S/,一…Ⅳ其中:f,,==I,2,,为最小配电子网包含的子岛数;为流过第i个最小配电子岛电源开关的负荷电流。若MNL为负值表示l极限失电负荷为0,Ⅳ子网发生_1故障时是安全的,子网将不进入异常状态。为保证图模的统一性,目前配电网模型多为GIS导出,各种馈线段、配变设备参数不全,为保证系统的适用性,只考虑开关设备的负载情况。只要有开关负荷重载,则最小配电子网即进入警戒状态。其状态评估指标具体描述为—lD:60+201-M—LOR1一其中:为开关负荷重载率限值,可根据经验获取;MLOR(Minimumdistributionsubnetloadoverloadingrate)为最小配电子网负荷重载率,是最小配电子网中所有开关负荷重载率的最大值。开关负荷重载率为流过开关的负荷电流与开关额定电流的比值。若只有子网负荷均衡率超过一定限值,无其他异常,则子网进入非经济安全运行状态。其状态评估指标具体描述为MDS=80+10C/ ̄BR(5)其中,C为子网负荷均衡率限值,可按经验获取。MLBR(Minimumdistributionsubnetloadbalancingrate)为子网负荷均衡率,其是子网内所含联络开关负荷均衡率的最大值。联络开关负荷均衡率CSLBR(Contactswitchloadbalancingrate)描述为CSLBRi=min[LT ̄,1其中,I,三为联络开关所关联两相邻电源点的归一化负荷,是流过变电站出线开关的负荷电流与其额定电流的比值。若子网负荷均衡率小于限值,且无任何其他异常,则子网进入经济安全运行状态。其状态评估指标具体描述为—D:90+lOC-M—LBRC一1当子网运行情况同时满足几种运行状态的评定标准时,以最差运行状态表示当前子网的运行状态。整个配电网的状态指标是所含最小配电子网运行状态指标的最小值,具体为…ⅣDNRS=min[MDS1,MDS2,,MDS](8)其中,DNRS(Distributionnetworkrunningstatus)为配电网运行状态指标评分,JV为配电网所含最小配电子网数。3配电网综合状态评估指标配电网的综合状态评估是电网一段时间内运行状态安全程度的综合描述,其不只与当前电网运行状态有关,与未来一段时间内的电网运行状态也有关系。由文献[14],可用10~60min的超短期负荷预测值进行电网预防控制和紧急状态处理。分别取15rain、60min后的开关超短期负荷预测值计算各自的运行状态评估指标。取配电网当前运行状态评估指标、15min后运行状态评估指标、60min后运行状态评估指标,运用雷达图分析法对配电网综合状态评估进行描述。雷达图分析法是基于一种形似导航雷达显示屏上的图形而构建的一种多变量对比分析技术。其不仅能在同一平面上清晰直观的展示多维数据,而且能对多变量进行整合,达到综合评判的目的【l"J。如图2改进后雷达图所示,同心圆A15分别表示配电网的紧急状态、异常状态、警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态;轴x、Y、z分别表示当前状态、15min后状态、60min后状态;0为同心圆圆点。为确保三种状态指标对配电网综合状态评估指标的影响相同,XYZ三轴之间需间隔相同的角度,为120。。图2配电网综合状态评估雷达图Fig.2Distributioncomprehensivestatusassessmentradarchart电力系统保护与控制因配电网多运行在非经济安全状态与经济状态,为方便展示及观察,A1~A4各个同心圆的半径分别为4R、7/2R、3R、2R。其中,R为圆A5的半径。以x、Y、z轴与圆A1的交点为各轴的原点,如图2中X。、Y。、Z。所示;以同心圆点O作为三轴的顶点。各轴变量与顶点0之间的距离称为状态距离,状态距离越小表示该时刻的状态评估指标越高。XYZ轴为状态距离轴,其与各个同心圆交点之问的距离表示不同的分值。各单位分值在各个状态区域中代表的距离也不同。圆A1A2之间的距离R/2表示0~30分,单位分值的距离为R/60;圆A2A3之间的距离R/2表示30~60分,单位分值距离为R/60;圆A3A4之间的距离为R表示60~80分,单位分值距离为R/20 ̄圆A4A5之间的距离为R表示80~90分,单位分值距离为R/IO;圆A5与O之间的距离为表示90~l00分,单位距离分值为R/IO。故此,状态距离可以看做状态评分映射到XYZ轴上的坐标点与顶点O之间的长度。设配电网状态评估指标评分为S(DNRS),其状态距离D描述为D=≤R-R(S-90)/IO90<S1002R-R(s-80)/1080<S90—3RR(S一60)/2060<S80(9)≤7R/2一R(S一30)/6030<S604尺一RS/600S30如图2中阴影所示,某时刻X、Y、Z三轴变量X、Y、Z将围成一封闭三角区域,极限状态下,当各轴状态距离为4R时,所围区域为一最大等边三角;当各轴状态距离为0时,所围区域为一点。用三角形xyz面积所占最大等边三角形X。Y。Z。面积的比例描述配电网综合状态评估指标,称为第一综合状态评估指标,具体描述如下DNCS=100(1一S/sxoYozo)(10)DNC&(Distributionnetworkcomprehensivestatus)为配电网第一综合状态评估指标,为三角形xyz面积,。。为三角形Xoy。Z。面积。具体描述为…ISxyZ=sinoe(DxDy+DyDz+J[)D)/2、…I=sin・3・(4R)/2、其中,为各轴之间夹角,为120。;D、D、D为各轴的状态距离。设A=DxDy+DyD+DxD,公式(10)可以化简为DNCS=lOO(1一A/48R)(12)若用三角形xyz周长所占最大等边三角形Xoy。z。周长的比例描述配电网综合状态评估指标,称为第二综合状态评估指标,具体描述如FDNCS2:1oo(1~Cxy/)03)其中:DNCS2为配电网第二综合状态评估指标;Cx为三角形xyz周长;ov。。为三角形Xoy。z。周长。具体描述为√fcyZ=+D2++—{ffDZ—y+D ̄+DyDz+(4)【:12,f3R若用三角形xyz面积与周长的均方根所占最大等边三角形X。Y。z。面积与周长的均方根比例描述配电网综合状态评估指标,称为第三综合状态评估指标DNCS3,具体描述如下√DNCSs100(1一,Is/xoyozo)(15)4实例如图1所示配电网络,s1~s5电源开关额定电流为1250A,其他开关额定电流为630A。表2为当前状态、15rain后状态、60min后电网状态的情况描述。设开关负荷重载限值为0.8,负荷均衡率限值为1.25。表2图1配电网状态描述Table2DistributionnetworkstatusdescriptioninFig.1状态最小配电子网状态描述根据第2节所述,当前电网处于非经济安全状态,最小配电子网1、2的评分分别为89.87、8833,根据最差原则,当前电网状态评分为88.33分;15rain后电网处于警戒状态,最小配电子网l、2的评张伟,等基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用方法分分别为64.76、74.28,根据最差原则,15min后电网状态评分为64.76分;60min后电网处于经济安全状态,最小配电子网1、2的评分分别为98.62、97.89,根据最差原则,60min后电网状态评分为97.89分。具体如表3所示。表3图1配电网状态评分状态最小配电子网MDSDNRSDNCSIDNCS2DNCS3当前状态子网189・8788_33子网288.3315min后予网164・7664.769】.5663.】882.37子网274.286Omin后子网198・6297.89子网297.89根据第3节所述,配电网第一综合状态评估指标为91.56分,配电网第二综合状态评估指标为63.18分,配电网第三综合状态评估指标为82.37分,有此可知,第一综合状态评估指标相较其他两种指标具有趋好的特性,第二综合状态评估指标相较其他两种指标具有趋差特性,第三综合状态评估指标相交其他两种评估指标具有趋中特性。5结论提出了最小配电子网与最小配电子岛的概念,并给出了相应的划分方法;基于最小配电子网,提出了最小配电子网的紧急状态、异常状态、警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态五种状态等级,并给出了各个运行状态的评估指标。基于子网最差原则,给出了配电网某一时刻的状态评估指标。依靠改进雷达图分析法,给出了一种描述五种状态等级的同心圆绘制方法,并根据当前状态评估指标、15rain后状态评估指标、60min后状态评估指标,结合雷达图面积与周长,给出了三种配电网综合状态评估指标,并结合实例分析了三种综合状态指标的特性。参考文献[1]黄殿勋,张文,郭萍,等.发输电系统可靠性评估的蒙特卡洛改进算法[J】.电力系统保护与控制,2010,—38(21、:179183.—HUANGDianxun,ZHANGWen,GUOPing,eta1.TheMonteCarloimprovedmethodforreliabilityevaluationofgenerationandtransmissionsystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(21):179-183.[2]孙羽,王秀丽,王建学,等.电力系统短期可靠性评估—综述[JJ.电力系统保护与控制,2011,39(8):143154.——SUNYu,WANGXiuli,WANGJianxue,eta1.An—overviewoftheshorttermreliabilityevaluationofpowersystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39f81:143-154.[3]赵渊,周家启,周念成.大电力系统可靠性评估的解析计算模型[JJ.中国电机工程学报,2006,26(5):19-24.——ZHAOYuan,ZHOUJiaqi,ZHOUNiancheng.Ananalyticalapproachforbulkpowersystemsreliabilityassessment[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(5):—1924.[4]王秀丽,罗沙,谢绍宇,等.基于最小割集的含环网配电系统可靠性评估[J].电力系统保护与控制,2011,—39(9):5258.—WANGXiuli,LUOSha,XIEShao-yu,eta1.Reliabilityevaluationofdistributionsystemswithmeshednetwork—basedontheminimumcutset[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(9):52-58.[5]姜文,严正.含风电场的发输电组合系统可靠性评估[J].电力系统自动化设备,2010,30(4):5-9.JIANGWen,YANZheng.Reliabilityassessmentofcompositegenerationandtransmissionsystemwithwindfarms[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2010,30(4):5-9.[6]张焰.电网规划中的模糊可靠性评估方法[J】.中国电机工程学报,2000,20(11):77.80.ZHANGYan.Theevaluationmethodoffuzzyreliabilityinelectricpowernetwork[J].ProceedingsoftheCSEE,2000,20(11):77-80.[7]MeloACGPereiraMVFSensitivityanalysisofreliabilityindiceswithrespecttoequipmentfailureandrepairrates[J].IEEETransonPowerSystems,1995,1O(2):1014-1021.[8]MeloACG'LicioRAraujoJLR,eta1.Sensitivities—ofmultiareareliabilityindiceswithrespecttovariationsofequipmentfailureandrepairrates-ananalyticalapproach[J].ElectricalPower&EnergySystems,1998,20(2):153-159.[9]别朝红,李更丰,王锡凡.含微网的新型配电系统可靠性评估综述[J】.电力系统自动化设备,2011,31(1):1.6.——BIEZhaohong,LIGeng・feng,WANGXifan.Reviewonreliabilityevaluationofnewdistributionsystemwith—microgrid[J].ElectricPowerAutomationEquipment,122.电力系统保护与控制’20l1,3l(1):l6.[1O]刘健,司玉芳.考虑负荷变化的配电网架安全评估及—其应用【J】.电力系统自动化,2011,35(23):7075.—LIUJian,SIYufang.Safetyevaluationanditsapplicationsindistributionnetworksconsideringloadvariation[J].AutomationofElectricPowerSystems,20l1,—35(23):7075.[¨]魏远航,刘思革,苏剑.基于枚举抽样法的城市电网—风险评估[J].电网技术,2008,32(18):6266.——WEIYuanhang,LIUSige,SUJian.Theriskassessmentofurbanpowergridbasedonsamplingandenumeration[J].PowerSys 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