考虑智能软开关电压支撑的城市配电网弹性提升方法_赵晶晶.pdf

第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:国家自然科学基金面上项目(52177098)考虑智能软开关电压支撑的城市配电网弹性提升方法赵晶晶，李梓博，刘帅，马闻鹤，邵阳(上海电力大学电气工程学院，上海市 200090)摘要:近年来台风、暴雨等极端天气对电力系统的安全造成巨大影响，电力系统的弹性成为人们关注的热点。配电系统弹性是系统应对极端事件的预防、抵御、响应及快速恢复供电的能力。提出了一种考虑智能软开关(soft openpoint，SOP)和分布式电源(distributed generation，DG)的配电系统弹性提升方法，在多阶段弹性提升过程中考虑了 DG规划、主动孤岛运行、SOP 快速故障隔离和供电恢复。首先建立了 SOP 数学控制模型和考虑 SOP 的配电网供电恢复模型;然后提出了多阶段弹性评估指标和方法，建立了含 SOP 的多阶段混合整数线性规划模型，并考虑了每个阶段的网络拓扑和操作约束;最后在 IEEE 33 标准算例上进行分析计算，验证了所提弹性提升方法的有效性。关键词:极端天气;智能软开关(SOP);配电网弹性;主动孤岛;电压支撑esilience Lifting Method of Urban Distribution NetworkConsidering Soft Open Point Voltage SupportZHAO Jingjing，LI Zibo，LIU Shuai，MA Wenhe，SHAO Yang(College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China)ABSTACT:In recent years，extreme weather events，such as typhoons and rainstorms，have greatly impacted the securityof power systems，and the resilience of power systems has gradually become the focus of attention The resilience of adistribution system is its ability to prevent，resist，respond to，and quickly restore power supply in response to extremeevents This paper proposes a method to improve the resilience of a distribution system by considering the soft open point(SOP)and distributed generation(DG)The DG planning，active islanding，SOP fast fault isolation，and power supplyrecovery capability are considered in the multi-stage power supply recovery process First，an SOP mathematical controlmodel and a distribution network fault recovery model considering the SOP are established Second，a multi-stage resilienceevaluation index and method are proposed，a multistage mixed integer linear programming model with SOP is established，and the network topology and operation constraints of each stage are considered Finally，the effectiveness of the proposedresilient lifting method is verified using the IEEE 33 standard exampleThis work is supported by National Natural Science Foundation of China(No 52177098)KEYWODS:extreme weather;soft open point(SOP);resilience of distribution network;active islanding;voltage support中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0077 10DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.0090引言近年来，世界上多个国家都因为极端天气如台风、暴雨、地震等的影响造成电力系统大停电，比如2019 年伦敦大停电事故、2015 年乌克兰大停电事故、2018 年巴西大停电事故等，停电时间长达数小时1-3。2019 年 8 月超级台风“利奇马”袭击我国东南沿海一带，在浙江、上海等地造成 4 000 多条线路故障、676.95 万用户停电4。因此电力系统弹性(resilience)受到了国内外研究者广泛的关注5。配电系统作为电力系统直接面向用户的一环，国际联邦能源管理委员会(Federal Energy egulatoryCommission，FEC)给出的配电系统弹性定义为:配电系统承受和减少破坏性事件持续时间的能力，包括预测、抵御、适应和快速恢复此类事件的能力6。提升配电系统弹性的方法主要从故障前规划阶电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn段或故障后恢复阶段来增强配电系统抵御极端事件和从极端事件中快速恢复的能力，主要分为规划和运行措施两类。在电网规划阶段，配电系统弹性提升方法主要有对系统薄弱点进行加固、配置分布式电源(distributed generation，DG)、储能(energy storagesystem，ESS)和远程控制开关(remote controlledswitch，CS)等7-12。文献 13 综合考虑线路加固、安装 DG 与 ESS 等方法来提升配电系统弹性。文献 14 通过配置远程控制开关可以远程快速切换线路以实现快速供电恢复。在电网运行阶段，配电系统弹性提升方法主要有孤岛划分、网络重构等15-17。文献 18 通过分布式电源孤岛划分与网络重构形成最优孤岛供电区域，提高故障后负荷恢复水平。文献 19 提出了一种优化模型，将配电系统划分为多个微电网，使用网络重构在极端事件后最大限度地恢复负载。目前关于弹性提升方法主要考虑故障发生到供电恢复过程中源 荷有功功率匹配问题，均未考虑供电恢复区域中线路上的电压问题。在供电恢复过程中，由于分布式电源提供的电压支撑能力有限，可能造成线路电压降落过多，从而导致孤岛内负荷无法恢复供电。因此有必要综合考虑配电网供电恢复过程中的有功功率平衡和无功电压控制问题。近年来，智能软开关(soft open point，SOP)在配电网中得到了广泛的应用。SOP 是一种新型智能配电装置，它可以很好地取代传统联络开关，并且 SOP的功率控制更加安全可靠。在故障情况下，由于 SOP的故障隔离作用，能够有效阻断故障电流。在供电恢复过程中，能够为故障侧提供电压支撑，从而恢复负荷，扩大供电恢复范围。SOP 不但可以替代传统的联络开关实现线路的投切，避免开关操作可能带来的安全隐患，还可以作为无功电源为系统提供无功支撑，SOP 的应用将极大地提高配电系统运行的灵活性和可控性20-22，通过 SOP 可以很好地解决配电网供电恢复过程中的有功功率平衡和无功电压控制问题。国内外已有学者对 SOP 在配电网供电恢复中的应用开展了初步研究23-26，但关于 SOP 对配电系统弹性提升方面的研究较少涉及。文献 27 提出用两端 SOP 代替联络开关，综合考虑 SOP 和网络重构能提高配电系统供电恢复能力。文献 28考虑 DG、ESS 和负荷特性，建立了基于 SOP 的配电系统时序孤岛划分模型，提高系统负荷恢复水平。配电系统的弹性取决于故障发生到供电恢复过程的多个阶段系统功能，具体包括 4 个阶段:主动防御、故障识别、故障隔离和供电恢复阶段。文献 29提出了一种考虑多阶段的弹性提升方法，在多阶段供电恢复过程考虑了主动孤岛和 CS 的快速故障隔离和供电恢复能力。文献 30提出了一种协调 DG、CS 等多种资源以应对极端事件下的供电恢复的多阶段弹性提升方法。以上文献分别对利用 SOP、DG等资源以应对极端事件下的弹性提升方法进行了研究，但同时考虑 SOP、DG 规划和配电网运行的多阶段弹性提升方法还未见研究。本文提出一种综合考虑 DG 规划和主动孤岛，SOP 快速故障隔离和供电恢复的多阶段弹性提升方法。在主动防御阶段，规划分布式电源并采用主动孤岛策略提升系统弹性;在故障识别和隔离阶段，通过SOP 进行快速故障隔离;在供电恢复阶段，结合 SOP电压支撑以及网络重构提高供电恢复水平。本文方法结合 DG 孤岛运行能力、SOP 快速故障隔离和无功电压支撑能力，能够有效提升配电系统的弹性。1含 SOP 的配电网弹性提升方法1.1配电网弹性基于配电网弹性的定义，将配电网发生极端事件后弹性的变化分为 4 个阶段:灾前阶段、故障识别阶段、故障隔离阶段、供电恢复阶段。图 1 所示为多阶段供电恢复过程的弹性曲线。T1为系统开始发生抵御的时刻，T2、T3分别为系统故障隔离阶段进行的始末时刻，T4为气象灾害停止对电力系统影响的时刻。图 1配电网弹性曲线Fig.1Distribution network resilient curve具体来说，要提高电力系统弹性就要提前在灾害还没有来临时实施措施来应对(T0，T1)中的极端事件。当极端事件袭击配电系统，电源中断，导致长时间停电。系统需要在(T1，T2)中识别故障，以便在(T2，T3)阶段快速将故障隔离开来。最后选取供电恢复措施来提高(T3，T4)中的系统弹性水平。本文提出了一种综合弹性增强方法，该方法综合考虑了(T0，T4)4 个阶段的措施。1.2SOP 的基本结构和控制模式SOP 的实现主要基于全控型电力电子器件，本87第 7 期赵晶晶，等:考虑智能软开关电压支撑的城市配电网弹性提升方法http:/www cepc com cn文采用背靠背型电压源换流器(back-to-back voltagesource converter，B2B-VSC)分析故障条件下 SOP 的优化模型，其结构如图 2 所示。图 2SOP 结构Fig.2SOP structure双端背靠背型电压源换流器的基本结构是由 2个换流器通过交直交的形式构成。2 个换流器根据系统运行情况的不同，选择合适的控制方式保证系统安全可靠运行。SOP 在不同系统运行状况下的控制模式如表 1 所示。正常运行时采用控制模式 1 和 2，2 个 VSC 中的任意一个对功率传输进行调节，即采用 PQ 控制;另一个 VSC 则保证直流母线电压的稳定，即采用 VdcQ 控制。发生故障时则采用控制模式3 和 4，将故障侧的 PQ 控制模式切换为 Vf 控制，没有故障的一侧采用 VdcQ 控制以此来维持电压频率稳定，同时为其连接区域持续通电。表 1SOP 控制模式Table 1Control mode of SOP1.3含 SOP 的供电恢复模型故障发生情况下 SOP 的