肖 峻，李承晉，焦 衡

（智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072）

0 引言

智能配電系統(tǒng)包含分布式發(fā)電（distributed generation，DG）、儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）、需求響應（demand response，DR）、微電網(wǎng)（microgrid，MG）、智 能 軟 開 關（soft open point，SOP）等新元件［1］。系統(tǒng)潮流由單向變?yōu)殡p向［2］，系統(tǒng)功能由單純供電變?yōu)楣╇姾虳G 消納［3-4］，且系統(tǒng)中可控資源更豐富，由負荷剛性用電和DG 被動限制變?yōu)樨摵扇嵝杂秒姡?-6］和DG 主動管理［7-8］等。配電網(wǎng)的安全分析方法面臨新的挑戰(zhàn)。

安全分析是配電網(wǎng)分析的基本內(nèi)容［9］，相關研究也包括建立在N-1 安全準則上的配電網(wǎng)安全域［10］和供電能力［11］研究。考慮智能配電系統(tǒng)新元件后，該領域已取得一定成果。文獻［4］提出一種集合的方法評估間歇性DG 的不確定性可接受邊界。文獻［2］考慮雙向潮流，建立了含DG 有源配電網(wǎng)的全象限安全域。文獻［12］刻畫了配電網(wǎng)DG 在不同控制策略下的注入可行域。文獻［13］提出一種計及N-1 安全的配電網(wǎng)與分布式儲能聯(lián)合規(guī)劃方法，考慮了儲能充放電支持配電網(wǎng)轉供。文獻［14］研究了計及雙向能量交換型負荷的配電網(wǎng)最大供電能力。文獻［15］建立了含SOP 柔性配電網(wǎng)的N-0 安全域模型，分析了SOP 的功率靈活傳輸能力對安全域的作用。上述研究僅考慮了單一類型新元件的影響。

最新的安全分析研究開始同時考慮多種新元件。文獻［16］嚴格證明了含DG、ESS、主動負荷等多種分布式能源的配電系統(tǒng)安全域的存在性。文獻［17］建立了計及DG 和DR 的配電系統(tǒng)安全域，并綜合分析二者的作用機理。文獻［18］提出主動配電網(wǎng)靜態(tài)安全分析方法，考慮負荷與風光DG、ESS 形成孤島及平移負荷等主動管理，但未考慮可控DG、ESS 的產(chǎn)權歸屬等，建模時可能會引起某個節(jié)點是用戶需求還是調(diào)控措施的誤判［19］。文獻［19］建立了含ESS 有源配電網(wǎng)的N-0 安全域模型，計及了ESS 的接入電壓等級與產(chǎn)權歸屬，考慮了ESS 與負荷DR、DG 主動管理的配合。分析已有文獻（詳見附錄A）可知，現(xiàn)有智能配電系統(tǒng)安全分析研究計及的新元件多為1～2 種，最多3 種，尚無計及完整新元件的配電網(wǎng)安全分析的文獻報道。

為此，本文對含完整新元件的智能配電系統(tǒng)開展安全性研究?？紤]到新元件在網(wǎng)絡拓撲上主要體現(xiàn)為接入中壓側的注入或流出節(jié)點，因此建立各新元件的節(jié)點模型。本文計及了DG、ESS、DR、MG、SOP 這5 類新元件，同時計及線路、負荷、網(wǎng)絡開關等傳統(tǒng)元件。模型考慮了各類元件在中低壓側的不同組合，區(qū)分間歇性DG 和可控DG，考慮了ESS 的產(chǎn)權以及是否允許倒送的調(diào)度規(guī)則。

在安全性建模中，新元件的調(diào)節(jié)能力是一個關鍵因素，現(xiàn)有研究分析了單一或幾個新元件的功率可調(diào)節(jié)特性［14-15，17-19］，但尚未從對配電網(wǎng)整體安全性貢獻的角度統(tǒng)一不同元件的可調(diào)節(jié)特性。本文將其統(tǒng)一為安全服務能力（security service capability，SSC），提出了基于SSC 的安全分析新方法。SSC反映了各類新元件體現(xiàn)在配電網(wǎng)側可服務于配電網(wǎng)安全性的實時功率調(diào)節(jié)能力。最后，通過算例驗證了模型與方法的有效性。

1 基于SSC 的安全分析方法

1.1 邊界條件

本文以城市中壓（10 kV）配電網(wǎng)為研究對象，計及低壓側負荷、DG 和儲能等的接入，饋線中各新元件具有數(shù)據(jù)采集與通信能力。實際中配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)連接，穩(wěn)定性問題一般在上級220 kV 以上主網(wǎng)或輸電網(wǎng)中考慮。本文主要針對N-0 和N-1安全下的靜態(tài)安全，考慮正常運行和單一元件退出后的元件容量過載和節(jié)點電壓越限。

本文規(guī)定節(jié)點流出功率為正、注入功率為負。

1.2 安全問題

定義安全問題為主變壓器饋線等容量越限、節(jié)點電壓越限等威脅配電網(wǎng)安全運行的事故，記為χ。

定義安全事件為引起安全問題的預想事件。其中，N-0 安全事件包括負荷大幅變化和DG 出力劇烈波動等；N-1 安全事件包括主變壓器N-1 和饋線N-1 等。

1.3 安全需求

安全事件后出現(xiàn)安全問題，系統(tǒng)產(chǎn)生安全需求。定義安全需求為配電網(wǎng)為保持安全運行對中壓側節(jié)點提出的功率調(diào)節(jié)要求，相關定義如下：

1）安全需求方向

安全需求方向是指配電網(wǎng)需要中壓側節(jié)點功率調(diào)節(jié)的方向，包括減小流出功率、減小注入功率、增大流出功率、增大注入功率4 個方向。

不同運行場景下，配電網(wǎng)的安全需求方向不同，應分別分析。按照支路的功率方向，劃分供電、倒送兩種運行場景。供電場景下發(fā)生安全事件，將出現(xiàn)或接近正向容量越界和電壓越下限，安全需求方向為減小流出、增大注入；倒送場景下發(fā)生安全事件，將出現(xiàn)或接近反向容量越界和電壓越上限，安全需求方向為減小注入、增大流出。

對于一回饋線，若饋線出口為正向潮流，則認為饋線整體處于供電場景；反之饋線整體處于倒送場景。需要指出的是，實際中也存在整體和局部運行場景不一致的情況：整體供電場景下某些局部倒送，整體倒送場景下某些局部正向供電。當整體和局部的運行場景不一致時，應按各局部的場景來分析安全需求方向。

2）安全需求量

安全需求量是指配電網(wǎng)為恢復安全，所有與當前安全問題相關的中壓側節(jié)點按安全需求方向，相對當前狀態(tài)的功率調(diào)節(jié)總量。安全問題χ的安全需求量記為Δ。

安全需求量的精確值需通過潮流計算迭代逼近求得，工程實際中可估算。例如，饋線過載了ΔS的功率，可按式（1）估算安全需求量：

式中：r為網(wǎng)損率；M為裕度系數(shù)。

式（1）的物理意義是，過載饋線潮流恢復正常所需減少的量，且留有一定裕度。

3）安全需求時間

安全需求時間是指配電網(wǎng)需要中壓側節(jié)點功率調(diào)節(jié)并需維持的最短時間，記為ΔTS。用戶需求響應、儲能等需要用到安全需求時間。

1.4 安全服務

安全問題發(fā)生后，需要配電系統(tǒng)提供安全服務以滿足安全需求。應優(yōu)先考慮倒閘操作等傳統(tǒng)安全措施，當其不能完全滿足安全需求時，再調(diào)動可控DG、儲能等各類靈活資源提供安全服務。

靈活資源的安全服務是指中壓側節(jié)點接受配電網(wǎng)調(diào)度或簽署了協(xié)議，從而做出有利于安全運行的功率調(diào)節(jié)。文獻［19］定義了分布式儲能的SSC，本文進一步定義的SSC 是當前時刻按安全需求方向，節(jié)點、饋線和整個配電網(wǎng)的最大功率調(diào)節(jié)量。

SSC 有6 個 相 關 定 義。定 義1、2、3 分 別 為 節(jié)點、饋線、全網(wǎng)3 個層級的SSC，為調(diào)度員提供SSC在全網(wǎng)不同層級的分布，它們與運行時的安全問題無關。而針對某個具體安全問題，實際能起作用的SSC 定義為可用SSC，即定義4。此外，定義5 和定義6 是2 個與SSC 相關的重要數(shù)據(jù)，即服務后功率和服務后功率極值。

1）定義1：節(jié)點SSC

節(jié)點SSC 是指中壓側節(jié)點按安全需求方向，在當前功率基礎上所能做的最大功率調(diào)節(jié)量。

t時刻節(jié)點i的SSC 記為Ci(t)，如式（2）所示。

式中：Si(t)為節(jié)點i在t時刻的功率；Slimi(t')為節(jié)點i在t時刻安全服務后t'時刻能達到的功率極值。

從上述定義和計算公式可知，Ci(t)具有以下特征：Ci(t)是一個非負數(shù)，為0 表示該節(jié)點不參加或不能提供安全服務；Ci(t)由節(jié)點實時運行狀態(tài)決定，計算Ci(t)無須對節(jié)點功率預測，也不受預測中可再生能源、負荷不確定性和隨機性等的影響；Ci(t)不是固定的，而是實時變化的。原因主要有以下3 點：（a）受安全需求方向影響，只有符合需求方向的功率調(diào)節(jié)才是SSC，而安全需求方向與運行場景有關；（b）受用戶需求響應影響，用戶需求響應與協(xié)議、用戶響應意愿和實時電價等有關[20-22]；（c）受儲能的荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）狀態(tài)影響，儲能的SOC 是時變的[19]。

2）定義2：饋線SSC

饋線SSC 是指饋線上所有節(jié)點的SSC 之和。

t時 刻 饋 線Fi的SSC 記 為CFi(t)。

式中：j∈Fi表示節(jié)點j在饋線Fi上。

3）定義3：全網(wǎng)SSC

全網(wǎng)SSC 是指配電網(wǎng)中所有饋線的SSC 之和。

t時刻配電網(wǎng)的SSC 記為CDN(t)。

式中：Fi∈DN表示饋線Fi包含于所研究配電網(wǎng)DN。

其中，饋線與其各節(jié)點SSC 的關系、全網(wǎng)與其各饋線SSC 的關系，嚴格意義上由潮流計算確定。本文從實用角度出發(fā)，將其簡化定義為線性求和，便于運行人員實際使用。本文方法所得結果與潮流計算所得結果誤差較小，算例結果對比詳見附錄B表B1。

4）定義4：可用SSC

若中壓側節(jié)點i按安全需求方向調(diào)節(jié)功率后，對安全問題χ有改善，則稱節(jié)點i與安全問題χ相關。與安全問題χ相關節(jié)點的集合記為ΧN。

可用SSC 是指配電網(wǎng)中所有與安全問題χ相關的節(jié)點SSC 之和。t時刻，對安全問題χ的可用SSC記為Cχ(t)：

式中：i∈XN表示節(jié)點i與安全問題χ相關。

5）定義5：安全服務后功率

安全服務后功率是指中壓側節(jié)點在安全服務后t'時刻的視在功率，節(jié)點i安全服務后功率記為Si(t')，其功率范圍計算如式（6）所示。

供電場景下，安全需求方向為減小流出、增大注入，服務后功率能從Si(t)減小直至Ci(t)完全發(fā)揮；倒送場景下，安全需求方向為減小注入、增大流出，服務后功率能從Si(t)增大直至Ci(t)完全發(fā)揮。

6）定義6：服務后功率極值

服務后功率極值是指中壓側節(jié)點在t時刻安全服務后t'時刻能達到的功率極值，即式（2）的(t')。

1.5 安全分析

配電網(wǎng)安全分析比優(yōu)化調(diào)度能獲得更多的安全信息。優(yōu)化調(diào)度一般在N-0 約束內(nèi)尋找最優(yōu)解；而安全分析通常計及N-0 和N-1 約束，對預想安全事件進行掃描分析，評估運行點的安全水平，獲得越界量、越界元件及運行點到安全邊界的距離（安全或不安全的程度）［23］，以便采取預防性控制措施。運行點是能反映當前配電系統(tǒng)安全狀態(tài)的獨立變量向量［10，17，19］，t時刻的運行點記為W(t)。

本文在SSC 和元件模型基礎上，考慮各類新元件提出了新的安全分析方法。方法原始數(shù)據(jù)包括：1）配電網(wǎng)拓撲與線路參數(shù)；2）當前時刻的節(jié)點功率；3）各元件功率的上下限、功率因數(shù)；4）當前時刻需求響應負荷的可削減負荷比例αi和可增長負荷比例βi；5）儲能的能量容量、充放電效率、SOC 上下限、當前時刻的SOC；6）安全需求時間。

方法步驟如下：

1）元件建模，重點是利用已知信息實時計算節(jié)點SSC。

2）安全需求分析。發(fā)生安全事件后，判斷配電網(wǎng)是否有安全問題χ。確定安全需求方向，估算安全需求量Δ。

3）SSC 與安全需求量匹配。先采用安全問題χ所在饋線的SSC 估算。饋線SSC 大于安全需求量Δ，饋線上的靈活資源安全服務才有可能解決安全問題χ。再進行可用SSC 精算，找出與安全問題χ相關的節(jié)點，即確定集合ΧN，得到ΧN內(nèi)節(jié)點SSC。計 算 可 用SSC，即Cχ(t)。比 較Cχ(t) 和Δ，若Cχ(t)≥Δ，則相關節(jié)點安全服務能解決安全問題χ；反之不能，需考慮除節(jié)點安全服務外的其他措施。

4）生成可選控制方案。對節(jié)點i∈ΧN，比較Ci(t)和Δ，若Ci(t)≥Δ，則節(jié)點i安全服務能解決χ；若Δ＞Ci(t)＞0，則節(jié)點i能緩解χ但不足以解決，需考慮ΧN內(nèi)的其他節(jié)點，或多節(jié)點配合解決χ。此時，按盡量減小對用戶影響和減少操作數(shù)量的原則安排控制方案。

2 智能配電系統(tǒng)的典型結構

本文構造含完整新元件且拓撲結構滿足N-1安全的中壓配電網(wǎng)簡單算例，如圖1 所示。圖中：間歇性DG 指風機和光伏；“+DR”代表參與需求響應，參與DR 的間歇性DG 出力可削減；可控DG 指燃氣輪機、生物質(zhì)能等，其出力上下可調(diào)。圖1 算例包含兩回饋線，通過SOP 互聯(lián)?！暗顾汀惫?jié)點4、5、12的負荷較小，DG 可倒送；節(jié)點2 負荷較大，DG 就地消納。

圖1 含完整新元件的中壓配電網(wǎng)簡單算例Fig.1 Simple case of medium-voltage distribution network with complete new components

從對配電網(wǎng)安全性貢獻的角度，儲能分類如下［19］。節(jié)點6、14 儲能產(chǎn)權歸屬用戶，前者僅作為用戶需求而不參與安全服務，后者與配電網(wǎng)簽訂了安全協(xié)議，系統(tǒng)需要時服從調(diào)度，參與安全服務；節(jié)點7 儲能是產(chǎn)權歸屬配電系統(tǒng)運營商的公共儲能，服從調(diào)度，參與安全服務；節(jié)點11、13 內(nèi)部也含有儲能，前者受微電網(wǎng)內(nèi)部控制，融入微電網(wǎng)模型中，后者是新能源場站的自配儲能，用于平滑DG 出力，融入DG 模型中。

在配電網(wǎng)安全分析中，對各類新元件的建模結果體現(xiàn)為中壓側的節(jié)點模型。圖1 進行中壓側等效，各節(jié)點呈現(xiàn)為流出或注入功率，見附錄C 圖C1。

3 面向安全分析的元件建模

3.1 安全性角色類型

傳統(tǒng)按流出/注入功率劃分節(jié)點類型不能反映節(jié)點在配電網(wǎng)安全中的需求-服務關系，本文將節(jié)點在安全性中的角色劃分為以下3 種類型：

1）需求型節(jié)點（node of demand，ND）是單純向配電網(wǎng)提出流出/注入功率需求，不提供安全服務的節(jié)點，如不參與需求響應的普通負荷和DG 等。此類節(jié)點僅作為配電網(wǎng)中的被服務對象。建模應掌握其功率范圍。

2）服務型節(jié)點（node of service，NS）是能提供安全服務，且安全服務時沒有流出/注入功率需求的節(jié)點，如公共儲能等。此類節(jié)點在配電網(wǎng)需要時是安全服務的靈活資源。建模應掌握其SSC。

3）混合型節(jié)點（node of mixture，NM）是能提供安全服務，但安全服務時仍存在流出/注入功率需求的節(jié)點，如參與需求響應的負荷、間歇性DG 等。此類節(jié)點可作為“有條件的”安全服務資源，在配電網(wǎng)需要時可調(diào)節(jié)功率做出相應讓步，但仍存在一定流出/注入功率的需求。建模應掌握其功率范圍和SSC。

3.2 安全性角色分析

為建立節(jié)點模型，先分析各節(jié)點在安全性中的角色、安全服務方式和限制情況?？紤]各種元件不同組合、儲能產(chǎn)權以及是否允許倒送，生成15 種節(jié)點，其分析結果如表1 所示。

表1 智能配電系統(tǒng)元件在安全性中的角色Table 1 Roles of components in security of smart distribution system

表1 中，變電站10 kV 母線的角色是平衡節(jié)點，不屬于3 類節(jié)點中的任何一類，既不提出流出/注入功率的需求，也不接受配電網(wǎng)調(diào)度或簽署協(xié)議參與安全服務，而是自動平衡功率。

表1 最后1 列明確了此節(jié)點是否作為運行點變量。將需求型節(jié)點和混合型節(jié)點的t時刻節(jié)點功率歸入運行點，反映實時需求；服務型節(jié)點功率不作為運行點，但作為運行參數(shù)，在建模、計算SSC 和安全分析時也需要。

3.3 元件建模

針對表1 中的元件，建立在配電網(wǎng)安全分析中的數(shù)學模型。建模時，需要考慮節(jié)點功率上下限，以及節(jié)點的安全服務。本文模型的特點和關鍵在于：為便于配電網(wǎng)安全分析，在反映元件運行機理［24］的基礎上，用SSC 來統(tǒng)一描述不同元件可調(diào)節(jié)特性對配電網(wǎng)安全性的貢獻。

模型包括原始模型和等效模型。原始模型是計及中低壓的詳細模型，體現(xiàn)中低壓元件原始的參數(shù)和約束；等效模型是等效到中壓側的模型，由原始模型推導得到，完全通過中壓側的等效流出或注入功率來描述。等效模型便于安全分析直接應用。本文以表1 第9 個元件含倒送間歇性DG 的負荷+DR 為例，展示從原始模型到等效模型的完整建模過程。所有元件的建模過程和模型如附錄D 所示[25-34]。

含倒送間歇性DG 的負荷+DR 通過需求響應增減負荷、減小DG 出力以提供安全服務。等效到中壓側是一個混合型可調(diào)流出/注入節(jié)點。

原始模型整體如式（7）—式（18）所示。其中，式（7）—式（10）描述內(nèi)部負荷、DG 的功率范圍；式（11）表示節(jié)點凈功率大小不超配電變壓器容量；式（12）表示存在時刻t功率倒送；式（13）、式（14）為供電場景的安全服務，不能要求間歇性DG 出力增大，只能削減負荷；式（15）—式（18）是倒送場景的安全服務，減小DG 出力，引導負荷增大。供電和倒送場景的公式是“或”的關系。

供電場景：

倒送場景：

可削減負荷比例αi、可增長負荷比例βi應實時計算。根據(jù)DR 協(xié)議，考慮響應成本、響應收益、未響應懲罰、響應時段電價及用戶意愿等因素，可建立以用戶總效益最大（或總損失最?。槟繕说腄R 模型［20-22，26］。計算用戶響應量，轉換為可削減/增長負荷再與響應前負荷做比值。本文參考文獻［20］方法計算αi和βi。

可見，原始模型體現(xiàn)了低壓側元件原始的參數(shù)和約束。首先，描述內(nèi)部負荷；然后，描述內(nèi)部DG；再考慮容量約束、功率倒送條件；最后，分別描述不同場景的安全服務。

等效模型是流出/注入功率Si，滿足式（19）—式（26）。其中，式（19）描述了Si的構成，它不超出配電變壓器容量；式（20）、式（21）描述了Si的范圍，決定于內(nèi)部負荷、DG；式（22）表示存在時刻t功率Si倒送；式（23）、式（24）描述供電場景的安全服務，SSC 是可削減負荷全部削減，不能要求DG 增大出力；式（25）、式（26）描述倒送場景的安全服務，SSC是可增長負荷全部增長、DG 減到最小。

供電場景：

倒送場景：

4 算例分析

4.1 算例概況

以圖1 算例為例驗證本文模型和方法。線路單位阻抗為(0.08+j0.09) Ω/km，各饋線段長度設為1 km，饋線容量取5 MV·A。負荷最小功率、DG 最小出力取0 MV·A。設需求響應負荷4、5、9、11 是可中斷負荷［17，20］，可削減負荷比例αi和可增長負荷比例βi見附錄E 第E4.1、E5.1、E9.1、E11.1 節(jié)。儲能能量容量取2 MW·h，功率因數(shù)為0.95，充放電效率為0.95，SOC 上、下限分別取100%、25%，安全需求時間ΔTS=1 h。SOP 端口容量取4.50 MV·A，功率因數(shù)為1.00。節(jié)點基礎數(shù)據(jù)如表2 所示。其中，節(jié)點1、8、15、16 沒有表中數(shù)據(jù)。除基礎數(shù)據(jù)，一些節(jié)點還需已知典型日01：00—24：00 實時運行數(shù)據(jù)，詳見附錄E。

表2 節(jié)點基礎數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of nodes

4.2 建模過程

本文以具有代表性的節(jié)點4 為例給出建模過程，其他節(jié)點的建模過程見附錄E。

節(jié)點4 是含倒送間歇性DG 的負荷+DR。先由式（19）—式（22）計算節(jié)點功率上下限為［-1.09，2.50］ MV·A；再分別計算供電場景和倒送場景的SSC。

4.2.1 供電場景

20：00 時刻，運行點為W(t20)，此時節(jié)點4 在中壓側體現(xiàn)為1.96 MV·A 的流出功率。供電場景下發(fā)生安全事件，配電網(wǎng)對節(jié)點4 的安全需求方向是減小流出。

24 h 內(nèi)節(jié)點4 的可削減負荷比例α4見附錄E 表E1，20：00 時刻其值等于18.27%。

由式（23）—式（24）計算SSC 如下：

可知，節(jié)點4 在t20時刻的SSC 為0.40 MV·A，此時節(jié)點4 參與安全服務，中壓側的流出功率最多能從1.96 MV·A 削減到1.56 MV·A。

0.40 MV·A 的SSC 在節(jié)點內(nèi)部實現(xiàn)為需求響應削減負荷；DG 為間歇性，故不能要求其出力增大。

4.2.2 倒送場景

03：00 時刻，運行點為W(t3)，此時節(jié)點4 在中壓側體現(xiàn)為0.34 MV·A 的注入功率。倒送場景下發(fā)生安全事件，配電網(wǎng)對節(jié)點4 的安全需求方向是減小注入。

24 h 內(nèi)節(jié)點4 的可增長負荷比例β4見附錄E 表E1，03：00 時刻其值等于29.59%。

由式（25）、式（26）計算SSC 如下：

-0.33 MV·A ≤S4(t'3)≤0.67 MV·A （32）

可知，節(jié)點4 在t3時刻的SSC 為1.00 MV·A，此時，節(jié)點4 參與安全服務，中壓側功率最多能從0.33 MV·A 的注入減少并變?yōu)?.67 MV·A 的流出。

1.00 MV·A 的SSC 在節(jié)點4 內(nèi)部實現(xiàn)為DG 出力減小直至0 MV·A，需求響應增大負荷。

4.2.3 結果匯總

24 h 節(jié)點4 的SSC 如表3 所示。由表3 可以看出：1）不同場景有不同的安全需求方向和安全服務方式，05：00—24：00 供電場景的安全服務是減小流出功率，其中，05：00 由流出功率轉為注入，01：00—04：00 倒送場景的安全服務是減小注入功率轉為流出；2）節(jié)點的SSC 是時變的，節(jié)點4 的SSC 在供電場景下在0.27～0.44 MV·A 范圍內(nèi)變化，倒送場景下在0.81～1.00 MV·A 范圍內(nèi)變化。

表3 24 h 節(jié)點4 能提供的安全服務Table 3 Security services provided by node 4 in 24 hours

決定SSC 大小的機理在不同場景下不同。供電場景下，根據(jù)式（27），節(jié)點4 的SSC 來自需求響應削減負荷。因此，可削減負荷比例α4和原負荷越大，SSC 越大。倒送場景下，根據(jù)式（30），SSC 來自DG 減小到0 和需求響應增大負荷。因此，原DG 出力越大，可增長負荷比例β4和原負荷越大，SSC越大。

綜上，在安全分析中，節(jié)點4 中壓側等效模型是流出/注入功率S4，它滿足：1）節(jié)點功率上下限，即-1.09 MV·A ≤S4≤2.50 MV·A；2）安全服務時，節(jié)點4 的實時SSC 以及服務前后的功率變化范圍如圖2 所示。

圖2 節(jié)點4 的SSC 及服務前后功率變化范圍Fig.2 SSC and power change range before and after services of node 4

4.3 建模結果

首先匯總各節(jié)點中壓側等效模型，SSC 是模型中最重要的結果，故詳細分析節(jié)點SSC，并進一步得到饋線SSC 和全網(wǎng)SSC。

4.3.1 模型匯總

算例各節(jié)點的等效模型匯總如表4 所示。表4匯總了配電網(wǎng)中各類元件或元件組合的安全分析模型，本文的模型具有以下特點：

表4 算例的元件模型結果匯總Table 4 Summary of component model results for case

1）劃分了不同的安全性角色；

2）描述了元件正常運行時配電網(wǎng)的“感受”，可呈現(xiàn)為負荷、DG 或儲能，SOP 的2 個端口呈現(xiàn)為2 個儲能節(jié)點；

3）描述了服務型、混合型節(jié)點在安全服務時配電網(wǎng)的“感受”，可呈現(xiàn)為負荷削減、DG 出力增大或儲能增大/減小充/放電；

4）SSC 量化了安全服務，是模型中最重要數(shù)據(jù)，以下詳細分析。

4.3.2 SSC

在配電網(wǎng)運行中實時計算節(jié)點SSC、饋線SSC和全網(wǎng)SSC。

1）節(jié)點SSC

本文給出節(jié)點4 的24 h 的SSC，如圖3 所示。其他節(jié)點SSC 見附錄F。

圖3 24 h 節(jié)點4 的SSCFig.3 SSC of node 4 in 24 hours

由圖3 可見，節(jié)點SSC 實時變化。在倒送場景、供電場景下相差較大，原因是不同場景安全服務方式不同。本文還分析了SOP 端口的SSC。對比它們的SSC 與互聯(lián)饋線的負荷裕度數(shù)據(jù)，部分時刻數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 SOP 端口SSC 和互聯(lián)饋線的負荷裕度對比Table 5 Comparison between SSC of SOP port and load margins of interconnection feeder

由表5 可知，各時刻SOP 兩個端口的SSC 均等于互聯(lián)饋線的負荷裕度。特別地，20：00 時刻，饋線F1過載，負荷裕度為負，F(xiàn)2不能通過SOP 從互聯(lián)饋線F1獲得功率支援，對應的C16為0 MV·A?？梢?，SOP 端口SSC 來自互聯(lián)饋線的負荷裕度。

2）饋線SSC

由式（3）計算饋線F1和F2的SSC。24 h 內(nèi)，CF1∈[2.85，7.11] MV·A，CF2∈[1.35，7.56] MV·A，實時變化如圖4 所示。通過圖4，調(diào)度人員能夠直觀地掌握各饋線實時的SSC。

圖4 饋線SSCFig.4 Feeder SSC

3）全網(wǎng)SSC

由 式（4） 計 算 全 網(wǎng) SSC。 24 h 內(nèi) ，CDN∈[4.63，13.71] MV·A，實 時 變 化 見 附 錄G 圖G1。通過圖G1，調(diào)度人員能夠直觀地掌握該配電網(wǎng)整體的SSC。

4.4 安全分析

基于4.3 節(jié)所得各節(jié)點模型，對算例進行安全分析，驗證模型的正確性和便利性。本文以供電場景22：00 時刻為例。

4.4.1 運行點數(shù)據(jù)及安全事件

運 行 點W(t22)=[S2，…，S6，S9，…，S13]=[1.82，-0.90，1.37，1.37，0.41，1.82，-0.82，1.37，1.37，-0.43] MV·A。該時刻各節(jié)點SSC 已實時計算得到，標注在圖5 上。圖中：黑色正體數(shù)字為節(jié)點中壓側功率，紅色數(shù)字為節(jié)點SSC，單位為MV·A。

圖5 運行點W (t22)以及故障位置Fig.5 Operation point W (t22) and fault location

安全事件是F1，4發(fā)生故障，下游經(jīng)SOP 由F2轉帶。以下按1.5 節(jié)步驟進行安全分析。

4.4.2 安全需求分析

安全問題χ是N-1 轉帶后F2出口容量越限ΔS=0.09 MV·A。由于是供電場景下容量越限，故安全需求方向為減小流出、增大注入。網(wǎng)損率r取2%，裕度系數(shù)M取1.05，由式（1）計算安全需求量Δ=M(1 +r)ΔS= 1.05 × 1.02 × 0.09 ≈0.10 MV·A。

4.4.3 SSC 與安全需求量匹配

首先，先用饋線SSC 估算。22：00 時χ相關饋線F1和F2的SSC 在安全事件發(fā)生前已由式（3）實時計算得到，分別為3.29 MV·A 和2.59 MV·A。累加這兩回饋線的SSC，得到5.88 MV·A。N-1 轉帶后SOP 所有端口均在一回饋線的供電區(qū)域內(nèi)，根據(jù)附錄D 第D15 節(jié) 所 述SOP 模 型 特 點，SOP 端 口SSC為0。因此，在5.88 MV·A 基礎上扣除SOP 的SSC后得到2.35 MV·A，其大于安全需求量0.10 MV·A，得出結論：饋線F1、F2的安全服務有可能解決安全問題χ。

其次，精算可用SSC，即Cχ(t22)?？紤]安全問題χ的位置，找出與之相關的節(jié)點。N—1 轉帶后，F(xiàn)2出 口 下 游 的 節(jié) 點 與χ相 關，即XN={N9，N10，N11，N12，N13，N14，N7，N6，N5}。由 式（5）計算χ的可用SSC，即Cχ(t22)為1.97 MV·A，比估算結果2.35 MV·A 少了0.38 MV·A，原因是估算中沒有計及節(jié)點4 不能參與轉帶。因此，Cχ(t22)≥ΔSdχ，得出結論如下：節(jié)點5 至7、節(jié)點9 至14 安全服務能解決安全問題χ。

4.4.4 生成安全服務控制方案

XN中節(jié)點6、12 是需求型節(jié)點，SSC 為0，不參與安全服務?？紤]混合型節(jié)點5、9、10、11、13 和服務型節(jié)點7、14，生成可選控制方案：

方案1：C5(t22)=1.11 MV·A ≥Δ。令節(jié)點5的流出功率從1.37 MV·A 減小到1.27 MV·A，發(fā)揮其SSC 的9.01%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方案2：C9(t22)=0.27 MV·A ≥Δ。令節(jié)點9的流出功率從1.82 MV·A 減小到1.72 MV·A，發(fā)揮其SSC 的37.04%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方 案3：C11(t22)=0.39 MV·A ≥Δ。令 節(jié) 點11 的流出功率從1.37 MV·A 減小到1.27 MV·A，發(fā)揮其SSC 的25.64%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方 案4：C14(t20)=0.16 MV·A ≥Δ。令 節(jié) 點14 的注入功率從0.11 MV·A 增大到0.21 MV·A，發(fā)揮其SSC 的62.5%，可消除饋線F2出口的容量越限。

采取上述任何一個方案后，系統(tǒng)都將回到安全狀態(tài)，因此W(t22)的N-1 安全性結果是安全的。

按盡量減小對用戶影響和減少操作數(shù)量的原則安排控制方案。方案1、2、3 中混合型節(jié)點5 是含DG 的需求響應負荷，節(jié)點9 是需求響應負荷，節(jié)點11 是微電網(wǎng)，安全服務以限制負荷或DG 為代價；方案4 中服務型節(jié)點14 是儲能，安全服務不影響用戶，故優(yōu)先考慮方案4。

需要指出，上述情況中單一靈活資源參與安全服務即可解決安全問題；若饋線過載更嚴重，需安排多個節(jié)點不同類型靈活資源安全服務，優(yōu)先次序仍可采用對用戶影響最小和減少操作數(shù)量的原則。此外，在目前中國配電網(wǎng)運行的大多數(shù)場景下，傳統(tǒng)調(diào)度措施就能解決安全問題，無需靈活資源參與。需要靈活資源提供安全服務的場景是夏季冬季高峰負荷局部重載的配電網(wǎng)發(fā)生N-1 后。

4.5 與現(xiàn)有方法比較

傳統(tǒng)安全方法主要考慮N-1 后的開關操作，一些研究也考慮了智能電網(wǎng)新元件［18］?，F(xiàn)有方法［18］對W(t22)安全分析也得到相同結果，其過程如下：

F1，4發(fā) 生N-1 后，下 游 經(jīng)SOP 由 饋 線F2轉 帶，F(xiàn)2出口發(fā)生0.09 MV·A 的容量越限?？紤]下游節(jié)點功率的調(diào)節(jié)，節(jié)點6、12、15、16 功率不可調(diào)節(jié)，故只考慮節(jié)點5、7、9、10、11、13、14。

對節(jié)點5，需減小流出功率。首先，依據(jù)需求響應協(xié)議、用戶響應意愿、實時電價等負荷響應約束計算可削減負荷［20］為0.38 MV·A；然后，計算可控DG出力能上調(diào)0.73 MV·A，見附錄H 第H1 節(jié)。共可減少流出功率1.11 MV·A，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點5 作用能消除F2出口容量越限。

對節(jié)點7，需增大注入功率。依據(jù)儲能功率約束、SOC 約束計算公共儲能最多能增大放電功率0.04 MV·A［19］，見附錄H第H2節(jié)，該值小于0.09 MV·A，故節(jié)點7 作用不能消除饋線F2出口容量越限。

對節(jié)點9，需減小流出功率。與節(jié)點5 相同，計算可削減負荷［20］為0.27 MV·A，見附錄H 第H3 節(jié)。該值大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點9 作用能消除饋線F2出口容量越限。

對節(jié)點10、13，需增大注入功率，但間歇性DG出力不可向上調(diào)節(jié)。因此，節(jié)點10、13 不起作用。

對節(jié)點11，需減小流出功率。首先，與節(jié)點5 相同，計算可削減負荷［20］為0.38 MV·A；然后，與節(jié)點7 相同，計算儲能最多能增大放電功率0.01 MV·A，見附錄H 第H4 節(jié)，共可減少流出功率0.39 MV·A，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點11 作用能消除F2出口容量越限。

對節(jié)點14，需增大注入功率。與節(jié)點7 相同，計算儲能最多能增大放電功率0.16 MV·A，見附錄H第H5 節(jié)，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點14 作用能消除饋線F2出口容量越限。

與上述過程對比，本文方法具有如下優(yōu)勢：

1）更簡單。由于節(jié)點模型實時計算SSC，在發(fā)生安全事件前已預先得到了節(jié)點SSC，將其匯總后與安全需求量比較就能判斷能否解決安全問題。而現(xiàn)有方法未得到SSC，對各節(jié)點都需詳細計算（如節(jié)點4 需要臨時用需求響應模型計算）才能做出判斷。

2）本文方法實時掌握SSC，當安全問題發(fā)生時，立刻利用SSC 進行安全分析，更為方便快速。

3）更利于協(xié)調(diào)優(yōu)化不同類型靈活資源。已知節(jié)點的安全性角色和節(jié)點SSC 后，為組合優(yōu)化靈活資源參與安全服務提供了關鍵數(shù)據(jù)。

需要指出，本文也需要現(xiàn)有方法對各節(jié)點的仿真計算過程，只是放到SSC 計算中提前得到并存儲在節(jié)點模型中，運行時安全分析可直接采用。

5 結語

智能配電系統(tǒng)包含分布式發(fā)電、儲能、需求響應、微電網(wǎng)、SOP 等新元件。本文較全面和系統(tǒng)地建立了安全分析的元件模型，并提出了新的安全分析方法。本文主要貢獻如下：

1）提出了配電系統(tǒng)SSC 的概念及基于SSC 的安全分析新方法。SSC 定義包括節(jié)點、饋線、全網(wǎng)層面以及面向具體安全問題的可用SSC。

2）提出了各類元件不同組合下的中壓側節(jié)點模型，考慮了各類元件的安全性角色、安全服務形式以及產(chǎn)權等實際條件。

3）通過算例驗證了本文模型以及建立在模型基礎上的安全分析方法，相比現(xiàn)有方法更為便捷。

本文元件模型為智能配電系統(tǒng)的安全分析奠定了基礎；SSC 為調(diào)度人員提供了安全服務資源的功率調(diào)節(jié)能力關鍵數(shù)據(jù)。本文也存在不足，后續(xù)將詳細研究電動汽車的影響。本文SSC 僅針對有功功率調(diào)節(jié)，還需研究無功調(diào)壓的SSC 等，以及考慮多個關聯(lián)安全問題等更復雜場景；研究多種靈活資源協(xié)調(diào)的安全服務優(yōu)化控制方法，并與現(xiàn)有調(diào)度措施有機結合且保證調(diào)度操作不能過于復雜。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。