基于運行韌性評價的配電網電壓暫降治理評估

徐 悅，李 博，孫建軍，丁 凱，李 偉

（1.武漢大學電氣與自動化學院,湖北省武漢市430072；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院,湖北省武漢市430077）

0 引言

現代制造產業逐漸發展為自動化、集成化和精密化的加工模式,相比于傳統負荷,自動化生產線上精密控制元件、可編程控制器、程控繼電器、變頻器等敏感設備,對電壓暫降的耐受度較低,容易造成過程中斷［1］,持續時間為毫秒級的電壓暫降都會導致敏感設備宕機。據報道,在影響芯片制造良率的電能質量問題中,電壓暫降占比為90%以上,單次電壓暫降事件便會帶來數萬美元的損失。短路故障、雷擊、電動機啟動、變壓器及電容器組的投切等均會引起電壓暫降現象［2-3］。電壓暫降造成的影響是系統性問題,與配電網規劃設計是否合理、運行管理是否科學、設備選型是否恰當等密切相關。因此,綜合考慮用戶受電壓暫降的影響程度和經濟投入,評估配電網持續供電能力,進而選擇有效、經濟的治理方案,有著重要的理論和實踐意義。

國際電氣與電子工程師協會（IEEE）將電壓暫降定義為下降到額定值的10%至90%,其典型持續時間為0.5個周期至1 min［4］,而可靠性評估時計入的停電時間一般在5 min以上［5］,評估指標主要考慮系統穩態運行狀態和停電頻次,無法計入電壓暫降事件。為了更全面地評估系統在擾動中的狀態,有學者提出計入電壓暫降影響的可靠性評估改進算法［6-10］,這些算法中電壓暫降特征量的生成方式和指標計入方法各異,但修正后的指標差異較小,作為運行調控或治理方案評價不夠直觀。

電力系統在韌性方面的研究多側重于自然災害中系統的支撐力和恢復能力,一般首先對災害影響進行建模,其次選取不同指標對配電網的受災影響及恢復速率進行評價［11-14］,評價考慮因素各有側重,或在恢復手段中納入配電網重構方法［15］,或加入分布式電源出力的影響［16］。文獻［17］總結了目前電力系統中韌性的研究情況與評估提升方法,指出在配電網中應將關鍵負荷耐受能力作為韌性的研究方向,并未提出明確的評估方法。評估指標構建方面,現有的配電網綜合評價方法一般采用層次分析法對多重指標進行分類分層［18-19］或使用熵權法對最終指標進行權重計算［20］,對于運行韌性的指標體系構建有一定的參考意義。

針對以上問題,本文從敏感負荷耐受力的角度定義了配電網運行韌性,通過建立運行韌性評價體系為電壓暫降治理評估提供量化參考,并以含不同敏感負荷的IEEE 33節點系統為對象進行了應用,驗證了在不同治理條件下所提評估方法的可行性和有效性。

1 配電網運行韌性

1.1 配電網運行韌性定義

韌性衡量了系統在不同程度擾動或故障下,是否可以改變自身狀態以減少故障過程系統損失,并在故障結束后盡快恢復到原有正常狀態的能力［21-23］。韌性電網具有抵御各種程度的沖擊,保障電網安全、可靠、優質、經濟運行的能力［24-25］。配電網運行韌性主要衡量配電網在運行中受到擾動時保障敏感負荷持續供電的能力,側重于發生頻率高、程度小的擾動（雷擊、外力破壞、大負荷啟動等）作用下的電壓暫降事件,并將負荷中對于電壓暫降耐受力較差的敏感負荷及其造成的損失作為主要衡量因素。

如圖1所示,可以將運行韌性視為配電網韌性框架下的一類特定屬性,現有的韌性研究一般特指恢復韌性,描述受到無法抵御的災難沖擊后電網對關鍵負荷的支撐和恢復能力,而運行韌性是指一般擾動前后系統的支撐力。運行韌性評價也可以看成韌性范疇下以敏感負荷耐受力為約束的一種可靠性評價。

圖1 配電網韌性分類Fig.1 Classification of distribution network resilience

1.2 恢復韌性、運行韌性與可靠性概念對比

配電網中可靠性并不能代替韌性,一個可靠性很高的配電網,其韌性并不一定很高［24］。例如可靠性很高的系統可能自動化程度很高,但極端災害中系統無法完成調度和控制,此時恢復韌性偏低。同樣的,恢復韌性無法代替運行韌性,提高運行韌性需要提高系統在頻繁擾動中保障敏感負荷持續供電的能力。這需要系統具有合理的運行管理手段降低電壓暫降發生頻次,且具有有效的技術手段使得敏感負荷持續運行,減少其經濟損失。

表1從內涵、關注時間尺度、特征指標及故障特點4個方面進行了概念比較。3種概念描述的內涵有顯著的不同,可靠性描述的是系統長期無故障運行的能力,一般以年為觀測尺度,計入一年中的停電頻率或設備在一年內的停運次數、運行壽命等；恢復韌性描述的是系統在極端情況下的恢復能力,以災害的持續時間為準,例如颶風、洪水等影響,通常在1至幾十個小時之內；運行韌性則著重描述系統的持續供電能力,關注的時間尺度是毫秒級。

表1 可靠性、恢復韌性、運行韌性概念對比Table 1 C oncept comparison of reliability,restoration resilience and operation resilience

2 配電網運行韌性的評估方法

2.1 運行韌性評估指標選取原則

現有配電網韌性評價中,作為規劃方案與調度策略的評價標準,其評價指標多數集中在用戶側的特征描述,如負荷需求、負荷供電率、設備停運率等。

類比韌性評估指標通過系統運行結果表征故障或沖擊影響的選取宗旨,本文運用魚骨圖分析法列舉運行韌性的影響因素,進而選取適合運行韌性的評價指標,如圖2所示。

圖2 配電網運行韌性影響因素Fig.2 Influence factors of operation resilience in distribution network

1）在運行管理方面,對運行韌性的影響主要體現在故障預防、線路巡檢等降低電壓暫降發生頻次的管理手段。

2）在網架結構方面,影響體現在2個方面:①是否通過網絡重構、負荷轉供等調控手段均衡電壓水平,降低電壓暫降特征值；②合理規劃敏感負荷的接入位置,減少受電壓暫降影響的風險。

3）在負荷水平方面,線路負載率是配電網的一種基本屬性,負載率不同時系統承受沖擊的支撐能力不同,造成的敏感負荷停運概率不同。

4）在運行調控方面,治理手段、綜合自動化等故障限制措施覆蓋率越高的配電網對敏感負荷的支撐能力更強。

通過圖2中的因素分析可知,影響配電網運行韌性水平的因素可分為2個方面:一方面反映系統側影響,選擇敏感負荷運行狀態的特征指標,計入電壓暫降的事件影響,且考慮網絡結構水平及裝備技術水平,因此納入負載水平、電壓暫降影響指標；另一方面反映用戶側影響,計入運行成本、治理成本投入、負荷經濟損失等因素,將其納入經濟性指標。

2.2 運行韌性綜合評價指標

在確定指標選取原則后,本文類比彈性系數定義提出運行韌性綜合評價指標。在量化彈簧的彈性強弱時物理學提出了彈性系數的概念,描述單位形變量時所產生彈力的大小,彈性系數k值越大,說明單位長度形變需要的力越大,彈簧的韌性越強。

彈性系數的計算公式為:

式中:G為線材的剛性模數；d為彈簧線徑；Dm為彈簧中徑；Nc為有效圈數；k為彈性系數,反映了彈簧的固有屬性,即反映了彈簧的韌性。

本文定義運行韌性系數Rop描述配電網在故障擾動下對各類負荷的支撐力。根據2.1節中選取的評價指標,將與運行韌性正相關的指標置于分子,負相關的指標置于分母,得到運行韌性系數為:

式中:μcost為系統經濟性指標,類比彈性系數中線徑與中徑比例部分,定義為經濟損失與投入成本的比；λ為網絡負荷水平指標,類比彈性系數中的剛性模數的倒數,衡量配電網的負荷水平,反映配電網的基本屬性；Asag為電壓暫降影響指標,類比彈性系數中的有效圈數Nc,反映電壓暫降的影響情況。

電壓暫降影響指標Asag越大,Rop值越小,表明該網絡的運行韌性越差；網絡負荷水平特征值λ越高,配電網對于敏感符合的支撐能力越差,運行韌性越低；當治理前后系統經濟損失之差大于治理投入成本時則表明系統運行更具經濟性,Rop值越大,配電網運行韌性越高。3個子指標的變化趨勢均可以對應在運行韌性綜合評價系數的數值變化中。

2.2.1 電壓暫降影響指標Asag

系統側網絡結構、裝備技術水平、擾動類型、運行管理的效果均反映在電壓暫降特征量的變化中。因此,電壓暫降特征量的分析計算是配電網運行韌性評估的基礎。

傳統使用的蒙特卡洛法仿真抽樣生成電壓暫降數據庫的方式計算量大、計算速度慢,本文在評估過程中采用場景法對敏感用戶及系統造成的影響提供電壓暫降特征數據。首先利用Wasserstein概率距離指標,將日負荷情況轉換為概率分布曲線,并將電路阻抗轉化為含概率信息的最優分位點,隨段內采用基于改進的K-medoids并行聚類算法［26］進行消減,段間進行場景融合,通過迭代消減、融合運算,形成覆蓋不同故障類型的典型場景集,得到的場景集特征如表2所示。

表2 電壓暫降典型場景集特征Table 2 C haracteristics of typical scenario sets for voltage sag

場景集特征表包括電壓暫降時間序號i（n為暫降特征量編號數）,如暫降持續時間為0～100 ms的行編號為1,暫降持續時間為100～200 ms的行編號為2；同時包括電壓暫降深度序號j,如暫降深度為0.1～0.2（標幺值）的列編號為1,暫降深度為0.2～0.3的列編號為2。對應單元格的電壓暫降即為（i,j）型場景,該特征下場景發生概率為E（i,j）。

此時,對于單個節點使用平均系統電壓暫降時間指標（ASIDI）計算電壓暫降事件對于敏感負荷的影響,即

此時由單個節點的ASIDI結果定義計算整個網絡的電壓暫降影響指標Asag,即

式中:nd為負荷節點數；Sb為節點b上的連接容量。

2.2.2 網絡負荷水平指標λ

網絡負荷水平指標λ定義為:

式中:ll,avg為網絡中線路l的平均負載；li,max為線路l的最大負載；nl為網絡線路數。

2.2.3 系統經濟性指標μcost系統電壓暫降經濟性指標μcost可表示為:

式中:ΔCloss為進行電壓暫降治理前后電壓暫降經濟損失的差；Ccost為系統經濟成本投入,包含系統運行中的經濟成本及電壓暫降治理的經濟投入等,如果系統未進行電壓暫降治理則經濟性指標視為1。

在計算負荷損失Closs時,首先要判斷敏感負荷在每種電壓暫降場景下的停運情況,需要確定設備的失效概率及網絡中的負荷敏感區域。失效概率計算方法見附錄A。將（i,j）型場景的特征量對應至累積分布模型即可確定（i,j）型場景下該負荷的失效概率P（i,j）。此時對于負荷經濟損失,計算方法如下。

式中:Pbk（i,j）為節點b上k類型敏感設備的停運概率,由所有典型場景的累加得到；m為網絡節點個數；Ck,loss為k類型設備停運后造成的經濟損失,估算方式如式（9）所示。

式中:Cl為單位停電直接經濟損失；Cin為間接經濟損失,計算方式見附錄B,則有

式中:Ck,loss1為治理前系統電壓暫降經濟損失；Ck,loss2為治理后系統電壓暫降經濟損失。

系統經濟投入成本主要包括運行成本Cop、重啟動成本Cre、治理設備投入成本Cim,計算方式見附錄B。

2.3 運行韌性的評價流程

在確定運行韌性評價指標及電壓暫降特征量生成方法后,本文采用的運行韌性系數的評估方法流程如圖3所示。

方法首先確認用戶側接入的敏感設備類型及設備數量,并明確和統計該用戶的接入位置,同時記錄該位置治理設備的接入情況。對于不同的敏感設備查閱設備出廠資料,確定其電壓耐受曲線,以便于下一步進行設備失效判斷。

圖3 運行韌性評估流程圖Fig.3 Flow chart of operation resilience assessment

其次,選取一種運行方式下的目標網絡,形成覆蓋該網絡的電壓暫降典型場景集,不同場景的特征量及發生概率應用于不同設備的敏感不確定區域即可得到敏感負荷的失效率。

通過負荷失效率對不同場景影響進行累加,計算得到Asag的值；同時由設備失效率可計算得到經濟損失Closs,結合網絡的投入成本得到經濟性指標μcost；計算網絡負載率λ,得到此種運行策略下的運行韌性綜合評價系數,此時更換運行策略返回場景生成步驟再次進行評價,最終比較各個運行策略,選取最優運行策略作為評價結果,Rop值越大則說明該網絡運行韌性越強。

3 算例分析

本文使用的算例對象基于IEEE 33節點系統修改而成,如圖4所示。

圖4 由IEEE 33節點系統修改的算例網絡Fig.4 Example network modified for IEEE 33-bus system

在原系統的基礎上在節點1接入包含敏感設備的負荷類型,負荷類型設置為某芯片生產工廠生產流水線,可編程邏輯控制器（PLC）接有工業流水線傳感器,PLC失效將導致生產線停運。其中包含敏感設備類型為:5臺PLC、35臺電腦（PC）。同時為挖掘該配電網最優運行狀態進行運行韌性評估,本文選取了5種聯絡開關連接方式作為5種運行方式。方式1網絡中所有聯絡開關保持斷開,方式2至方式5的聯絡開關連接位置如圖4所示,表3對不同聯絡開關關斷狀態進行了詳細記錄。其中,方式1及方式3無分段開關斷開；方式2斷開節點8及節點9分段開關；方式4斷開節點5及節點6分段開關；方式5斷開節點28及節點29分段開關。

表3 不同運行方式下聯絡開關分合狀態Table 3 S witch state of interconnection switches in different operation modes

在網絡中模擬短路故障后生成各類電壓暫降場景集,進行場景聚類及消減后可以得到每種運行策略下的典型場景集及各場景的發生概率。采用得到的電壓暫降特征量（見附錄C表C1）,將各場景進行綜合得到2種敏感設備在不同運行方式下的失效率,如表4所示。

表4 不同設備的停運概率Table 4 O utage probability of different equipment

此時計算電壓暫降影響系數,對于不同設備恢復時間選取PC的恢復時間為T1,PLC的恢復時間為T2,最終得到不同運行策略下系統電壓暫降影響系數見附錄C表C2。

對于經濟性指標,治理方式選取2種,治理方式1選擇提高電網管理水平進行治理,主要措施為定期巡檢、設置防雷接地措施、優化重合閘判據提高復電效率等,治理方式的結果體現在指標中為電壓暫降時間發生概率變小、設備恢復時間降低等。治理方式2為接裝動態電壓補償器（DVR）對節點1電壓暫降治理:本文假定DVR可以補償文中各場景下的電壓暫降事件,對于DVR治理設備查詢得到某型號DVR造價成本為8萬元/臺,考慮人工安裝成本估算節點1治理成本C1k為8.4萬元,不同治理方式下的經濟性指標見附錄C表C3。

同樣地,通過設備失效率可對配電網負荷損失進行計算,得到各運行方式下經濟性指標μcost,同時計算IEEE 33節點系統各線路負載率,最終得到負載率λ為6.12%。

根據得到的運行韌性系數得到該網絡的運行韌性評估結果,繪制柱狀圖如圖5所示。由圖5可以看到,不同運行方式下的運行韌性指標差別并不大,但其中運行方式3下配電網電壓水平較好,因此其運行韌性較好。對比不同的治理方式可以看到,2種治理方式都可以提高網絡的運行韌性值,且在敏感負荷點加裝DVR可以顯著提高該網絡的運行韌性,可見,通過采取合理的治理手段降低敏感負荷的停運損失雖然會增加成本投入,但總體經濟性好。

圖5 運行韌性評價結果Fig.5 Evaluation results of operation resilience

同樣的,將相同的電壓暫降特征值引入至該目標網絡年內可靠性評價,得到該網絡的可靠性指標在不同的治理方式下得到的平均供電可用度指標（ASAI）如圖6所示。

圖6 可靠性評價結果Fig.6 Evaluation results of reliability

從評估結果可以看出,不同運行方式及不同治理方式的因素對于ASAI的影響非常小,甚至一些評價指標幾乎一樣。同時可以看出,電壓暫降治理仍可以小幅提高系統可靠性指標,說明系統可靠性與運行韌性并非不相關,提升運行韌性會對系統的可靠性產生有利影響。

4 結語

1）本文考慮對敏感負荷持續供電能力提出配電網運行韌性的概念,將其與相似概念進行類比并進行闡述,對運行韌性的評價指標體系和評估方法提出了構想,評估指標可以綜合反映電壓暫降影響程度、經濟性、負荷水平及網架結構對于系統運行韌性的影響,可以更清晰地反映不同治理措施的改善水平。

2）結合評估結果分析,提升配電網運行韌性的方法和手段應從網架規劃、運行調控技術和設備提升等方面綜合考慮,同時使用不同指標可以為不同類型負荷治理的經濟收益進行參考。

3）本文提供的運行韌性評估方法尚未將分布式能源接入、系統自動化水平等因素納入評估體系,應在之后的工作中進行完善。