程林，王旭，黃俊輝，李琥，常垚

(1．清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100084；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京市 210009)

基于配網(wǎng)重構(gòu)的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可靠性分析

程林1，王旭1，黃俊輝2，李琥2，常垚1

(1．清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100084；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京市 210009)

傳統(tǒng)10 kV等級(jí)供電區(qū)域?yàn)殚_環(huán)運(yùn)行，并且區(qū)域之間聯(lián)絡(luò)開關(guān)都處于冷備用狀態(tài)，一旦發(fā)生變壓器故障，在聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合前負(fù)荷供電中斷。同時(shí)變電站的主變?cè)O(shè)備設(shè)計(jì)容量大，主變壓器平均負(fù)載率較低。一種好的解決方法是在傳統(tǒng)10 kV交流配網(wǎng)中加入多端柔性直流互聯(lián)裝置建立交直流混聯(lián)配電網(wǎng)。根據(jù)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種適合于交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方法，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，研究是否可以減小變壓器容量冗余。建立了考慮備用元件的多端柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型，采用支路交換法在變壓器故障時(shí)進(jìn)行配電網(wǎng)重構(gòu)為負(fù)荷恢復(fù)供電。通過(guò)對(duì)加入多端柔性直流互聯(lián)裝置的10 kV配電網(wǎng)算例進(jìn)行可靠性評(píng)估，結(jié)果證明了多端柔性直流互聯(lián)裝置接入配電網(wǎng)后，可以提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)配網(wǎng)重構(gòu)的結(jié)果證明系統(tǒng)主變壓器的設(shè)計(jì)容量可以減小。

交直流混聯(lián)配電網(wǎng)；配網(wǎng)重構(gòu)；可靠性；平均負(fù)載率

0 引 言

我國(guó)10 kV配電網(wǎng)為了防止高低壓電磁環(huán)網(wǎng)大都為環(huán)形結(jié)構(gòu)，但采用開環(huán)運(yùn)行的方式。區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)正常處于斷開狀態(tài)使得10 kV供電區(qū)域的供電來(lái)源單一。一旦發(fā)生變壓器故障(N-1故障)而失去單一電源，在線路聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合之前負(fù)荷就會(huì)失去電源使得該區(qū)域的生產(chǎn)和人們的生活受到影響。同時(shí)傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)為了保證相鄰饋線的主變壓器發(fā)生故障時(shí)可以為該饋線的負(fù)荷供電，變壓器的容量冗余配置較大，造成主變壓器的平均負(fù)載率較低。

柔性直流互聯(lián)裝置可以對(duì)有功功率、無(wú)功功率實(shí)行解耦控制，能夠快速靈活地調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。傳統(tǒng)10 kV交流配電網(wǎng)在加入多端柔性直流互聯(lián)裝置后形成交直流混聯(lián)配電網(wǎng)，多端柔性直流裝置構(gòu)成的直流網(wǎng)絡(luò)可以互聯(lián)多個(gè)饋線，可以顯著提高系統(tǒng)中變壓器“N-1”故障時(shí)的負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力[1-6]。

文獻(xiàn)[7-11]建立了多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性模型，將多端柔性直流互聯(lián)裝置按功能和容量分成各個(gè)子模塊建模，也考慮了各模塊中元件帶有備用的可靠性模型，最后再按子模塊串聯(lián)關(guān)系得到多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性模型。文獻(xiàn)[12]是對(duì)直流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估，文獻(xiàn)[13-16]是對(duì)交流配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估，文獻(xiàn)[17-19]給出了不同的配網(wǎng)重構(gòu)方法。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于在10 kV交流配網(wǎng)中加入多端柔性直流互聯(lián)裝置構(gòu)成的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方面研究較少。鑒于此，本文在參考國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)含多端柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的方法，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，研究是否可以減小變壓器容量冗余。該方法首先對(duì)多端柔性直流互聯(lián)裝置建立可靠性模型，考慮裝置內(nèi)主要元件帶有備用的情況。該方法同時(shí)根據(jù)多端柔性直流互聯(lián)裝置功率可調(diào)的特點(diǎn)，考慮到配電網(wǎng)中主變壓器發(fā)生故障時(shí)，用支路交換法進(jìn)行配網(wǎng)重構(gòu)恢復(fù)負(fù)荷供電，從而可系統(tǒng)地評(píng)估含多端柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到系統(tǒng)饋線變壓器所需備用容量可減少的結(jié)論。

本文第1節(jié)建立考慮備用元件的多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性模型；第2節(jié)闡述本文提出的考慮配網(wǎng)重構(gòu)的一種含多端柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估算法；第3節(jié)通過(guò)算例給出對(duì)本文所提出可靠性計(jì)算方法的演示，說(shuō)明安裝多端柔性直流互聯(lián)裝置在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，可以減小主變壓器設(shè)計(jì)容量冗余。

1 多端柔性直流互聯(lián)裝置等效建模

1.1 多端柔性直流互聯(lián)裝置子系統(tǒng)劃分

多端柔性直流互聯(lián)裝置的核心元件是換流橋，其通常采用全控電力電子器件構(gòu)成的電壓源換流器(voltage source converter，VSC)，見圖1。主要設(shè)備一般包括：換流橋、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、直流線路和極設(shè)備、控制及保護(hù)系統(tǒng)等。

圖1 柔性直流互聯(lián)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible DC interconnection

為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，根據(jù)文獻(xiàn)[7-11]給出的多端直流互聯(lián)裝置可靠性評(píng)估方法，將多端柔性直流互聯(lián)裝置按照功能和連接關(guān)系劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)[11]。

(1)換流橋子系統(tǒng)：主要有換流閥組、換流閥冷卻設(shè)備及保護(hù)裝置等。換流器采用模塊化多電平電壓源換流器(modular multi-level converter，MMC)。

(2)換流變壓器子系統(tǒng)：?jiǎn)蜗嗳@組換流變壓器、交流側(cè)斷路器等。

(3)交流濾波器子系統(tǒng)：交流側(cè)濾波器、相電抗器等。

(4)控制及保護(hù)子系統(tǒng)。

(5)直流線路子系統(tǒng)：主要有直流斷路器、直流電抗、直流輸電線路。

(6)極設(shè)備子系統(tǒng)：包括中性點(diǎn)接地支路及相關(guān)開關(guān)元件。

1.2 多端柔性直流互聯(lián)裝置子系統(tǒng)可靠性模型

已經(jīng)投入工程應(yīng)用的柔性直流輸電工程，考慮到傳輸容量等影響因素，都采用了雙極兩線制結(jié)構(gòu)，即不采用大地或海水作為回路，因而多端柔性直流互聯(lián)裝置不存在單極運(yùn)行的情況，即運(yùn)行狀態(tài)只有100%容量和0容量2種狀態(tài)。按照容量水平建立子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖，同時(shí)也可將子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖組合成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖[9]。因?yàn)槎喽巳嵝灾绷骰ヂ?lián)裝置及組成原件是可修復(fù)的，且每個(gè)元件的狀態(tài)數(shù)是有限的，主要是運(yùn)行、維修、安裝3種狀態(tài)，并且每個(gè)原件的壽命和修復(fù)時(shí)間都服從指數(shù)分布，所以可將整個(gè)系統(tǒng)看作在空間上具有若干的離散可識(shí)別的狀態(tài)，且在時(shí)間上是連續(xù)的系統(tǒng)，可以用穩(wěn)態(tài)馬爾科夫過(guò)程來(lái)建模[15]。

多端柔性直流互聯(lián)裝置連接主要交流饋線，在變壓器發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，具有重要作用。但多端柔性直流互聯(lián)裝置很多重要設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且維修時(shí)間長(zhǎng)，如果子系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)可能將無(wú)法運(yùn)行，因而一些重要設(shè)備都有備用元件。對(duì)于變壓器、交流濾波器等一次設(shè)備，由于電壓等級(jí)較高一般都采用冷備用方式，而控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備電壓等級(jí)低、便于更換，都采用熱備用[10]。對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)的建模需要考慮到備用的情況。

1.2.1 無(wú)備用元件的可靠性模型

直流線路子系統(tǒng)因?yàn)橹绷骶€路故障后不易更換因而故障后以維修為主，所以本文中采用無(wú)備用元件的可靠性模型。

不考慮元件備用時(shí)，用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)模擬元件的運(yùn)行、維修、安裝3個(gè)隨機(jī)過(guò)程。狀態(tài)空間圖如圖2所示，100%表示100%容量狀態(tài)；λ為元件的故障率，次/a；μ為元件的修復(fù)率，次/a；γ為元件的安裝率，次/a。

圖2 不帶備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.2 State transition diagram of component without spare

根據(jù)圖2狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可列寫無(wú)備用時(shí)，元件的轉(zhuǎn)移概率矩陣A[15]：

(1)

(2)

求解式(2)中的方程組，得到各個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)概率p1,p2,p3。

1.2.2 帶備用元件的可靠性模型

當(dāng)設(shè)備分別帶一個(gè)冷備用元件和2個(gè)冷備用元件時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3和圖4[9]。

換流變壓器子系統(tǒng)、交流濾波器子系統(tǒng)、極設(shè)備子系統(tǒng)中元件電壓等級(jí)高、體積大、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、更換過(guò)程比較費(fèi)時(shí)，本文采用帶一個(gè)冷備用元件的可靠性模型。

圖3 元件帶1個(gè)備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.3 State transition diagram of component with one spare

圖4 元件帶2個(gè)備用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 State transition diagram of component with two spare

1.2.3 帶熱備用元件的可靠性模型

換流橋子系統(tǒng)的主要元件MMC換流閥、控制及保護(hù)子系統(tǒng)中的元件電壓等級(jí)相對(duì)較低、體積較小、易于更換，可以設(shè)置多個(gè)備用元件，所以本文中采用帶熱備用元件的可靠性模型。

MMC換流閥的基本電路單元為子模塊，各相橋臂是通過(guò)具有相同結(jié)構(gòu)的多個(gè)子模塊和1個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成，換流器的電壓由串聯(lián)的子模塊電壓級(jí)聯(lián)組成，因而可以通過(guò)改變橋臂上串聯(lián)的子模塊數(shù)量來(lái)改變換流器的電壓和輸出功率。假設(shè)總共有n個(gè)子模塊，只要有k個(gè)正常運(yùn)行則系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行中的子模塊發(fā)生故障則退出運(yùn)行，由備用的子模塊迅速進(jìn)入工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行不受影響，每個(gè)子模塊都只有故障、正常2種狀態(tài)[5]。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以用k/n(G)模型來(lái)進(jìn)行等效。對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)等同樣具有熱備用的元件，也可以用該方法進(jìn)行等效建模。

假設(shè)n個(gè)元件的壽命都服從指數(shù)分布，故障率為λ，則可靠度為p=e-λt，不可靠度為q=1-e-λt，則換流閥的可靠度函數(shù)[15]為

(3)

換流閥的平均無(wú)故障時(shí)間為

(4)

1.2.4 兩狀態(tài)模型

為了評(píng)估整個(gè)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性，將多端柔性直流互聯(lián)裝置等效為一條輸電線路，需要按100%容量和0容量2種狀態(tài)將各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)合并為兩狀態(tài)等效轉(zhuǎn)移模型，再按子模塊的串并聯(lián)關(guān)系得到多端柔性直流互聯(lián)裝置的兩狀態(tài)等效模型，如圖5所示。

圖5 子模塊的兩狀態(tài)等效模型Fig.5 Equivalent model of sub-module under two states

圖中λeq和μeq分別為狀態(tài)合并后的等效故障率和等效修復(fù)率，計(jì)算方法[10]如下：

(5)

(6)

集合A和B分別為子系統(tǒng)所有運(yùn)行狀態(tài)的集合和所有故障狀態(tài)的集合。以圖3中帶一個(gè)備用的元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖為例，得到：

(7)

(8)

式中pi表示狀態(tài)i的穩(wěn)定概率，可通過(guò)確定元件的可靠性模型后列寫元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，求解式(2)得到。

1.3 柔性直流互聯(lián)裝置系統(tǒng)的可靠性模型

各個(gè)子系統(tǒng)按照上文所述方法建立兩狀態(tài)模型，6個(gè)子系統(tǒng)都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有重要的影響，任一子模塊故障，系統(tǒng)都要退出運(yùn)行狀態(tài)，因此整個(gè)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型可以看作是6個(gè)子系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型串聯(lián)而成，得到整個(gè)系統(tǒng)的模型[9]，如圖6所示。

圖6中λeq和μeq分別是各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)率，求取方法如上文。按照元件串聯(lián)的關(guān)系可以求得整個(gè)柔性直流互聯(lián)裝置的兩狀態(tài)模型和對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

圖6 柔性直流互聯(lián)裝置狀態(tài)空間圖Fig.6 State space diagram of flexible DC interconnection system

2 可靠性評(píng)估算法

在得到多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性模型后，在對(duì)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，可將多端柔性直流互聯(lián)裝置等效為一條線路[7]。

帶有多端柔性直流互聯(lián)裝置的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)，對(duì)負(fù)荷來(lái)說(shuō)相當(dāng)于多電源供電。饋線變壓器發(fā)生故障，系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合，調(diào)整多端柔性直流互聯(lián)裝置流通的有功功率，進(jìn)行配網(wǎng)重構(gòu)來(lái)恢復(fù)負(fù)荷供電。變壓器和多端柔性直流互聯(lián)裝置對(duì)所帶饋線的負(fù)荷相當(dāng)于并聯(lián)關(guān)系，運(yùn)用并聯(lián)公式可求出變壓器、多端柔性直流互聯(lián)裝置組成的等效電源的故障率和每次故障平均停運(yùn)時(shí)間累加到負(fù)荷的可靠性指標(biāo)。

λp=λ1λ2(r1+r2)

(9)

rp=r1r2/(r1+r2)

(10)

Up=λprp

(11)

式中：λi表示元件故障率；ri表示元件每次故障平均停運(yùn)時(shí)間；λp、rp、Up分別表示并聯(lián)系統(tǒng)的故障率、每次故障平均停運(yùn)時(shí)間、年平均停運(yùn)時(shí)間。

由文獻(xiàn)[16]總結(jié)有基本的中壓網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的可靠性參數(shù)計(jì)算方法：

(12)

(13)

式中：λi和Ui分別表示中壓饋線負(fù)荷點(diǎn)的年故障率和年平均停運(yùn)時(shí)間；f表示中壓負(fù)荷點(diǎn)連接的低壓饋線；λj表示低壓饋線的故障率；Λ表示區(qū)域線路發(fā)生故障時(shí)，只有等線路修復(fù)后，負(fù)荷才能恢復(fù)供電；tr為線路修復(fù)時(shí)間；M表示區(qū)域線路發(fā)生故障時(shí)，只需隔離故障線路，在隔離設(shè)備重合閘后就可由主網(wǎng)絡(luò)饋線恢復(fù)負(fù)荷供電；tq為隔離開關(guān)和斷路器設(shè)備重合閘時(shí)間之和；N表示區(qū)域線路故障，負(fù)荷可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)由其他未發(fā)生故障的饋線恢復(fù)供電；tc為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)完成時(shí)間。

以下將介紹本文采用的故障模式下采用支路交換法的配網(wǎng)重構(gòu)。

2.1 故障模式下配網(wǎng)重構(gòu)

城市10kV交流配電網(wǎng)大都采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行的方式，配網(wǎng)重構(gòu)的方式可以選取支路交換法[17]。在10kV輻射狀配電網(wǎng)中，閉合一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)會(huì)形成環(huán)路，為了保持輻射狀結(jié)構(gòu)，需要打開環(huán)路上一個(gè)分段開關(guān)。而對(duì)于輻射狀配電網(wǎng)，饋線越長(zhǎng)，饋線末端負(fù)荷的端電壓越可能不滿足運(yùn)行要求，所以應(yīng)盡量由多端柔性直流互聯(lián)裝置為負(fù)荷恢復(fù)供電，避免其他變壓器所帶饋線過(guò)長(zhǎng)。每當(dāng)通過(guò)支路交換法形成新的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，先檢查是否符合約束條件，如符合約束條件，再計(jì)算系統(tǒng)失負(fù)荷量，選取系統(tǒng)失負(fù)荷量最小的結(jié)構(gòu)為最優(yōu)配網(wǎng)重構(gòu)結(jié)構(gòu)。

配網(wǎng)重構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)為

minLdloss

(14)

式中Ldloss為系統(tǒng)切負(fù)荷量，即負(fù)荷能量損失量或負(fù)荷停電時(shí)間。

配網(wǎng)重構(gòu)要滿足3個(gè)約束條件。

(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束：

gk∈G

(15)

式中：gk為重構(gòu)后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；G為所有可行的輻射狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募稀?/p>

(2)功率約束：

(16)

式中：Sk為電源點(diǎn)能夠提供的復(fù)功率；Sl,i為電源點(diǎn)所在饋線的第i個(gè)負(fù)荷的復(fù)功率；C為電源點(diǎn)所在饋線的負(fù)荷集合。

(3)負(fù)荷端電壓約束和支路電流約束：

(17)

在通過(guò)閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，打開分段開關(guān)形成新的輻射狀配電網(wǎng)拓?fù)涞呐渚W(wǎng)重構(gòu)過(guò)程中，某一饋線可能需要承擔(dān)相鄰饋線的負(fù)荷，導(dǎo)致饋線過(guò)長(zhǎng)，支路末端負(fù)荷端電壓不滿足運(yùn)行約束，此時(shí)需要重新進(jìn)行配網(wǎng)重構(gòu)。即每一電源所帶饋線不能太長(zhǎng)，因?yàn)?0kV輻射狀配電網(wǎng)每一段饋線對(duì)應(yīng)一個(gè)負(fù)荷，所以電源帶負(fù)荷數(shù)有限，得到等效約束條件：

Nk,l≤Nk

(18)

式中：Nk,l為饋線k的負(fù)荷數(shù)；Nk為饋線k最大能帶負(fù)荷數(shù)。

對(duì)于開環(huán)輻射狀配電網(wǎng)，饋線越長(zhǎng)，饋線末端負(fù)荷端電壓下降越多，可能不滿足運(yùn)行約束。配網(wǎng)重構(gòu)，首先增加多端柔性直流互聯(lián)裝置提供的有功功率，由故障變壓器原饋線的多端柔性直流互聯(lián)裝置為負(fù)荷供電。當(dāng)多端柔性直流互聯(lián)裝置提供的功率不足，負(fù)荷再通過(guò)閉合饋線末端聯(lián)絡(luò)開關(guān)向相鄰饋線轉(zhuǎn)移，負(fù)荷轉(zhuǎn)供完畢進(jìn)行約束條件檢查，不符合約束條件，則再次增大多端柔性直流互聯(lián)裝置的輸出功率，檢查約束條件，直到所有饋線都符合約束條件，一次配網(wǎng)重構(gòu)完成。對(duì)重構(gòu)后的配電網(wǎng)系統(tǒng)采取故障模式分析法計(jì)算系統(tǒng)的失負(fù)荷量，并記錄。

2.2 算法步驟

本文提出的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估流程如圖7所示。

圖7 交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估流程Fig.7 Reliability evaluation process for DC/AC hybrid distribution network

(1)通過(guò)深度優(yōu)先搜索算法分析輻射狀配電網(wǎng)的初始化結(jié)構(gòu)。

(2)假定一條線路的主變壓器發(fā)生故障，通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合和調(diào)整多端柔性直流互聯(lián)裝置的有功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)重構(gòu)。

(3)配網(wǎng)重構(gòu)的方式為支路交換法，每閉合一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)形成環(huán)路的同時(shí)，打開環(huán)路上的一個(gè)分段開關(guān)，始終保持配電網(wǎng)的輻射狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)先調(diào)整多端柔性直流互聯(lián)裝置輸出功率恢復(fù)負(fù)荷供電，選取變壓器所帶饋線長(zhǎng)度增加較少的配網(wǎng)重構(gòu)方案。

(4)每當(dāng)形成一個(gè)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行安全校驗(yàn)，如果配網(wǎng)重構(gòu)方案不滿足約束條件，回到步驟(3)重新進(jìn)行配網(wǎng)重構(gòu)。

(5)對(duì)于符合約束條件的配網(wǎng)重構(gòu)方案，計(jì)算系統(tǒng)失負(fù)荷量并記錄方案的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)失負(fù)荷量。

(6)當(dāng)所有開關(guān)交換項(xiàng)執(zhí)行完畢，比較得到的配網(wǎng)重構(gòu)方案的系統(tǒng)失負(fù)荷量，選取系統(tǒng)失負(fù)荷量最小的方案作為該變壓器故障情況下的配網(wǎng)重構(gòu)方案。

(7)當(dāng)所有變壓器故障模式都枚舉完畢，進(jìn)行負(fù)荷損失分析后，就可以計(jì)算得到交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)介紹

本文采用圖8作為算例分析，該系統(tǒng)的參數(shù)如下。

(1)系統(tǒng)中涉及了4臺(tái)變壓器下的中壓配電系統(tǒng)，變壓器容量均為50 MVA。

(2)為了便于說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過(guò)程，圖8中繪出了6條中壓饋線，所有饋線通過(guò)隔離開關(guān)分為3段。

(3)為便于說(shuō)明計(jì)算流程，省略對(duì)系統(tǒng)中其他饋線的建模，這部分饋線的總負(fù)荷在圖8中給出。圖中標(biāo)注負(fù)荷數(shù)值的饋線都和其他饋線通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接，在圖中未畫出。在出現(xiàn)變壓器故障時(shí)標(biāo)注負(fù)荷數(shù)值的饋線不會(huì)出現(xiàn)電壓下降等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)正常的負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

(4)系統(tǒng)中用數(shù)字標(biāo)注的負(fù)荷均為2 MVA。

(5)設(shè)系統(tǒng)中安裝有單端容量為9 MVA的3端柔性直流互聯(lián)裝置。

(6)圖8中聯(lián)絡(luò)開關(guān)N/O正常狀態(tài)是打開的，配網(wǎng)重構(gòu)需要時(shí)閉合。

表1[9]給出了多端柔性直流互聯(lián)裝置中主要組合元件的可靠性原始參數(shù)，線路元件可靠性參數(shù)如表2所示。

圖8 算例模型

表2 交流系統(tǒng)元件的可靠性指標(biāo)Table 2 Reliability indices of AC components

3.2 多端柔性直流互聯(lián)裝置可靠性參數(shù)

根據(jù)本文第1節(jié)的方法，由表1計(jì)算得到的按上文劃分的多端柔性直流互聯(lián)裝置的子模塊等效可靠性參數(shù)如表3所示。

最終得到多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性參數(shù)如表4所示。

3.3 交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估

進(jìn)行評(píng)估時(shí)，首先對(duì)變壓器故障進(jìn)行枚舉，按照第2節(jié)的算法求取每一個(gè)變壓器故障下的系統(tǒng)最佳配電網(wǎng)重構(gòu)方案，得到負(fù)荷在各個(gè)變壓器故障下的狀態(tài)后，就可以計(jì)算得到交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。

表3 柔性直流互聯(lián)子系統(tǒng)等效兩狀態(tài)可靠性參數(shù)
Table 3 Reliability parameters of flexible DC interconnection subsystem under equivalent two states(次·a-1)

表4 柔性直流互聯(lián)裝置可靠性參數(shù)Table 4 Reliability indices of flexible DC interconnection device

例如當(dāng)變壓器2發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后變壓器的帶負(fù)載關(guān)系見表5。

表5 變壓器2故障配網(wǎng)重構(gòu)方案
Table 5 Network reconfiguration scheme for
2nd transformer fault

以負(fù)荷點(diǎn)10為例，該負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間為：

λp=λ1λ2(r1+r2)=2.09×1.2×(11.39+
12)/8 760次/a=6.70×10-3次/a

(19)

rp=r1r2/(r1+r2)=11.39×
12/(11.39+12) h=5.84 h

(20)

式中：λ1、λ2分別為多端柔性直流互聯(lián)裝置故障率、變壓器2故障率；r1、r2分別為多端柔性直流互聯(lián)裝置每次故障平均修復(fù)時(shí)間、變壓器2每次故障平均修復(fù)時(shí)間；λp為等效并聯(lián)電源的故障率，次·a-1;rp為每次故障平均修復(fù)時(shí)間,h。

(21)

式中：λi為給負(fù)荷供電的饋線的故障率；ri為饋線故障的平均修復(fù)時(shí)間；D為對(duì)該負(fù)荷點(diǎn)供電有影響的饋線段集合；U為該負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間，h。

選取平均供電可用率指標(biāo)(average service availability index, ASAI)作為系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(22)

式中：Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時(shí)間；R為系統(tǒng)所有負(fù)荷點(diǎn)的集合。

進(jìn)而得到如表6所示的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。

表6 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)
Table 6 Reliability indices of system %

3.4 柔性直流互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)分析

針對(duì)圖8中的算例進(jìn)行進(jìn)一步的研究，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)行3端柔性直流互聯(lián)具有如下的優(yōu)勢(shì)。

(1)故障狀態(tài)下提高負(fù)荷轉(zhuǎn)供速度，進(jìn)而提升系統(tǒng)可靠性。加入柔性直流互聯(lián)裝置后，變壓器2和變壓器1、3通過(guò)3端柔性直流互聯(lián)裝置連接從而互為備用。一旦變壓器2發(fā)生故障，3端柔性直流互聯(lián)裝置可以立即提高輸送有功功率，由變壓器1、3共同為負(fù)荷平穩(wěn)地供電，不需要閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)沒有開關(guān)操作時(shí)間，有效減小了負(fù)荷停運(yùn)率，縮短了停電時(shí)間。因?yàn)樵到y(tǒng)可靠性已較高，所以提升可靠性難度較高，在 10 kV配電網(wǎng)中加入多端柔性直流互聯(lián)裝置在較高的可靠性水平下進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性，這一配電網(wǎng)設(shè)計(jì)可在一些負(fù)荷大、對(duì)供電要求高的地區(qū)實(shí)行。表6給出的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了上述分析。

(2)降低系統(tǒng)所需備用容量，提高變壓器負(fù)載率。假設(shè)在圖8配電網(wǎng)中沒有安裝多端柔性直流互聯(lián)裝置，聯(lián)絡(luò)開關(guān)可以迅速閉合并且忽略故障，同時(shí)忽略饋線故障。當(dāng)變壓器2發(fā)生故障時(shí)需要閉合變壓器1、2所帶饋線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，變壓器1、2所帶負(fù)荷均由變壓器1供電，變壓器的最小容量至少為50 MVA。變壓器1、2均正常運(yùn)行時(shí)變壓器1的平均負(fù)載率為44%，變壓器2的平均負(fù)載率為56%。有多端柔性直流互聯(lián)裝置時(shí)，當(dāng)變壓器2故障，變壓器1、3可通過(guò)柔性直流互聯(lián)裝置為變壓器2所帶負(fù)荷供電，同時(shí)變壓器3的部分負(fù)荷還可由變壓器4供電，變壓器容量最小都可以取40 MVA。正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)變壓器1、4的平均負(fù)載率是55%，變壓器2、3的平均負(fù)載率是70%。

4 結(jié) 論

本文建立了考慮備用元件的中壓多端柔性直流互聯(lián)裝置的可靠性模型，并提出了考慮多端柔性直流互聯(lián)裝置自身可靠性模型、配電網(wǎng)故障后網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)負(fù)荷供電的交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，并通過(guò)算例驗(yàn)證了方法的有效性。

算例表明，多端柔性直流互聯(lián)裝置接入配電網(wǎng)后，可以通過(guò)提高負(fù)荷轉(zhuǎn)供速度，提供備用容量2方面的作用來(lái)提高系統(tǒng)可靠性，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，還可以降低主變壓器的設(shè)計(jì)容量進(jìn)而顯著提高系統(tǒng)平均負(fù)載率。

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(編輯 張媛媛)

Reliability Analysis of AC/DC Hybrid Distribution Network Based on Network Reconfiguration

CHENG Lin1, WANG Xu1, HUANG Junhui2, LI Hu2, CHANG Yao1

(1.Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. State Grid Jiangsu Economic Research Institute, Nanjing 210009, China)

Traditional 10kV distribution network runs in the open-loop mode and the contact switch between regions is in cold standby state. If a transformer fault occurs, before the contact switch closes, the load is out of power. Meanwhile, the main transformer in substation is designed with large capacity, and the average load rate of the main transformer is low. It’s a good solution to establish AC/DC hybrid distribution network by adding the multi-terminal flexible DC interconnection into the traditional 10kV AC distribution network. According to the characteristics of AC/DC hybrid distribution network, this paper proposes a new reliability evaluation method for AC/DC hybrid distribution network, in order to explore whether the transformer capacity redundancy can be reduced with keeping the reliability of the system. We construct the reliability model of multi-terminal flexible DC interconnection with considering the spare components, and adopt network reconfiguration to restore power to load with using branch exchange method during transformer fault. According to the reliability evaluation of a 10kV distribution network with multi-terminal flexible DC interconnection, the results prove that the reliability of distribution network increases after adding the multi-terminal flexible DC interconnection. Meanwhile, the results of the network reconfiguration prove that the designed capacity of the main transformer can decrease.

AC/DC hybrid distribution network; network reconfiguration; reliability; average load rate

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050102)； 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177078)

TM 732

A

1000-7229(2016)05-0002-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-17

程林(1973)，男，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)可靠性分析、電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)分析等方面的教學(xué)和科研工作；

王旭(1994)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)可靠性分析；

黃俊輝(1965)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及相關(guān)管理工作；

李琥(1979)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究工作；

常垚(1990)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性分析、配電系統(tǒng)規(guī)劃。

Project supported by The National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102)； National Natural Science Foundation of China(51177078)