一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法

1.本发明属于电力系统规划领域，具体的说是一种含分布式电源配电网三级继保开关布局方法。


背景技术：

2.配电网发生故障时，配电网安装的开关会发生动作，将故障切除，此时将会导致某些非故障区域一同被切除，致使无故障区域内用户停电，降低配电网供电可靠率，合理的开关布局则会减少受故障影响的用户的数量，提高配电网供电可靠率。
3.配电网设置分级开关组成三级继保开关能够实现用户或分支线路发生故障后，相应的用户或分支线路分级开关优先动作切除故障，而出线总开关不动作，从而不会致使全线停电，并且布置分级开关组成三级继保开关，不会发生多级开关跳闸或越级跳闸的现象，故障处理过程简单，瞬时故障恢复时间短。但目前，国内对于配网线路开关分级保护研究和应用较少，现有标准对3～10kv配电网保护配置进行了规定，但均只对涉及出线开关保护的定值进行了原则规定，对于导线上分级开关布局位置设置未提及，分级开关安装主要依靠经验，其合理性和有效性缺乏探究。
4.随着新能源技术的快速发展，配电网中分布式电源的安装规模逐渐扩大，配电网结构日益复杂，传统配电网分级开关安装方案均未将分布式电源纳入考虑范围，无法有效适应未来配电网发展。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法，以期能在考虑分布式电源对配电网分级开关布局影响下，得到分级开关在配电网中的合理布局，从而能减少受故障影响的用户数量以提高配电网供电可靠率，同时能最大化保留故障处理后分布式电源并网容量，进而能提高配电网综合故障处理能力。
6.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.本发明一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法的特点在于，包括以下步骤：
8.s1：构建配电网故障类型的平均修复时间模型；
9.s1-1：根据配电网的运行状态，将配电网故障类型分为两大类故障类型，包括：供电主线路的元件故障，记为第一大类故障，以及与配电变压器相连的接入点线路的元件故障，记为第二大类故障；将两大类故障类型中的任意一种故障类型记为i；
10.s1-2：利用式(1)构建配电网故障类型i的修复时间模型；
[0011][0012]
式(1)中，m表示配电网中任意一种元件；ωm表示不同类型的元件集合；ωe表示所
有配电网的故障类型集合；表示配电网故障类型i下的故障总修复时间；表示元件m故障时的平均修复时间；b
i，m
为二进制变量，表示故障类型i下的元件m是否发生故障，0表示元件m不发生故障，1表示元件m发生故障；
[0013]
s2：根据配电网的运行状态，确定分级开关所有允许安装的位置，以构建分级开关布局规划约束；
[0014]
s2-1：令各个分级开关布置在供电主线路上，其中，0级开关为出线总开关，并固定安装在配电网的首段位置；
[0015]
s2-2：获取配电网的拓扑结构，以获得配电网中各个分级开关所有允许的安装位置，并对分级开关允许安装位置进行区域划分；
[0016]
将各分支线路上的交点作为分级开关允许安装位置，并记为交点集合区域z0；
[0017]
将各分支线路的交点分别至相邻线路的首段之间的区域、将各分支线路的交点分别至相邻线路的末端之间的区域，将各分支线路的交点分别至相邻分支线路的交点之间的区域，分别作为分级开关允许安装区域，从而得到n个分级开关允许安装区域，记为z1～zn；
[0018]
由n个分级开关允许安装区域分别与对应的各分支线路交点组成若干条三级继保开关的安装路径；
[0019]
s2-3：利用式(2)-式(4)构建分级开关布局规划的约束条件：
[0020][0021][0022]
式(2)-式(4)中，c表示配电网中三级继保开关的任意一条安装路径；ωc表示配电网所有安装路径的集合；w表示配电网的安装路径上，任意一个允许安装分级开关的位置；ω
k，c
表示配电网的安装路径c上，所有允许安装分级开关的位置集合；k
c，w
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置w处是否安装分级开关，0表示不安装分级开关，1表示安装分级开关；k0表示配电网的首段是否安装分级开关，1表示安装；q
i，c，w
为二进制变量，其状态受二进制变量k
c，w
约束，表示配电网的安装路径c上的位置w处是否有分级开关能够切除故障类型i，0表示位置w处无论有无分级开关，均不切除故障类型i，1表示位置w处有分级开关，并用于切除故障类型i；
[0023]
s3：构建配电网中故障处理相关约束，以使得故障发生时，配电网能及时切除故障；
[0024]
s3-1：利用式(5)构建第一大类故障处理的相关约束条件，利用式(6)构建第二大类故障处理的相关约束条件；
[0025][0026][0027]
式(5)-式(6)中，ω
i，c
表示配电网的安装路径c上，能切除故障类型i下的位置的集合；v表示主供电线路上断路器的安装位置；ω
e1
表示配电网中第一大类故障的集合；ω
e2
表示配电网中第二大类故障的集合；b
i，c，v
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置v处
断路器对故障类型i的动作状态，0表示闭合，1表示断开；d
i，c，v
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置v处的断路器对故障类型i是否发生拒动，0表示发生拒动，1表示不拒动；
[0028]
s4：利用式(7)构建含分布式电源配电网中三级继保开关布局规划的目标函数
[0029][0030]
式(7)中，表示配电网的供电可靠率，并由式(8)得到；表示故障处理后光伏阵列保留率，并由式(9)得到；α
p
表示的权重系数；β
pv
表示的权重系数；
[0031][0032]
式(8)中，pi表示故障类型i发生的概率；ni表示切除故障类型i时停电的用户数，并由式(11)得到；n
∑
表示配电网总用户数；δ表示配电网运行时间；
[0033][0034]
式(9)中，表示配电网中所有故障类型概率的总和，并由式(10)得到；表示切除故障类型i时同时切除的光伏阵列的容量，并由式(12)得到；表示配电网中光伏阵列的总容量；
[0035][0036][0037]
式(11)中，nk
c，w
表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的用户数；nb
c，v
表示电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的用户数；
[0038][0039]
式(12)中；表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的光伏阵列的容量；表示配电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的光伏阵列的容量；
[0040]
s5：将式(4)构建的逻辑约束转化为线性约束，从而得到式(13)，再调用求解器对所述由式(1)-式(3)、式(5)-式(13)所构成的三级继保开关布局规划模型进行求解，得到考虑分布式电源时的分级开关的安装位置，用于指导含分布式电源配电网的三级继保开关的布局规划。
[0041][0042]
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述三级继保开关布局方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0043]
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述三级继保开关布局方法的步骤。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0045]
1、本发明将提高配电网故障处理后分布式电源保留率和提高配电网供电可靠率作为优化目标，提出了一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法，克服了现有分级开关安装主要依靠经验，且对含高比例分布式电源配电网适应性不足的问题，使得分级开关布局更为合理、有效，并对有分布式电源接入的配电网有较好的适应性。
[0046]
2、本发明将分布式电源纳入分级开关布局考虑中，克服了现有的技术中均未考虑分布式电源对配电网分级开关布局的影响，使得配电网故障处理后能够最大化保留分布式电源并网容量，从而有效提高了配电网综合故障处理能力。
[0047]
3、本发明根据配电网拓扑结构，利用分级开关允许安装位置对配电网进行区域划分，克服了配电网整体建模复杂、求解难度大的问题，从而有效提高了模型求解效率。
附图说明
[0048]
图1a是配电网分级开关传统布局方法示意图；
[0049]
图1b是含分布式电源配电网三级继保开关布局方法示意图；
[0050]
图2是修改后的某地区实际配电网拓扑图示意图；
[0051]
图3是考虑分布式电源时分级开关安装位置示意图；
[0052]
图4是分级开关允许安装位置区域划分示意图；
[0053]
图5是一种含分布式电源配电网三级继保开关布局方法的流程图。
具体实施方式
[0054]
本实施例中，一种含分布式电源配电网三级继保开关布局方法，如图1b所示，是将配电网供电可靠率和分布式电源并网容量一并纳入分级开关布局考虑中，相较于图1a所示的以经验为主的分级开关传统布局方法更为合理，能够提高配电网供电可靠率，并最大化保留分布式电源并网容量，提高了网的实用性与对未来配电网的适应能力。具体的说，如图5所示，该方法包括以下步骤：
[0055]
s1：构建配电网故障类型的平均修复时间模型；
[0056]
s1-1：根据配电网的运行状态，将配电网故障类型分为两大类故障类型，包括：供电主线路的元件故障，记为第一大类故障，以及与配电变压器相连的接入点线路的元件故障，记为第二大类故障；将两大类故障类型中的任意一种故障类型记为i；
[0057]
s1-2：利用式(1)构建配电网故障类型i的修复时间模型；
[0058][0059]
式(1)中，m表示配电网中任意一种元件；ωm表示不同类型的元件集合；ωe表示所有配电网的故障类型集合；表示配电网故障类型i下的故障总修复时间；表示元件m故障时的平均修复时间；b
i，m
为二进制变量，表示故障类型i下的元件m是否发生故障，0表示元件m不发生故障，1表示元件m发生故障；
[0060]
s2：根据配电网的运行状态，确定分级开关所有允许安装的位置，以构建分级开关布局规划约束；
[0061]
s2-1：令各个分级开关布置在供电主线路上，其中，0级开关为出线总开关，并固定
安装在配电网的首段位置；
[0062]
s2-2：获取配电网的拓扑结构，以获得配电网中各个分级开关所有允许的安装位置，并对分级开关允许安装位置进行区域划分，如图4所示，将配电网划分为6个区域与1个交点集合区域；
[0063]
将各分支线路上的交点作为分级开关允许安装位置，并记为交点集合区域z0；
[0064]
将各分支线路的交点分别至相邻线路的首段之间的区域、将各分支线路的交点分别至相邻线路的末端之间的区域，将各分支线路的交点分别至相邻分支线路的交点之间的区域，分别作为分级开关允许安装区域，从而得到n个分级开关允许安装区域，记为z1～zn；
[0065]
由n个分级开关允许安装区域分别与对应的各分支线路交点组成若干条三级继保开关的安装路径；
[0066]
s2-3：利用式(2)-式(4)构建分级开关布局规划的约束条件：
[0067][0068]
k0＝1
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069][0070]
式(2)-式(4)中，c表示配电网中三级继保开关的任意一条安装路径；ωc表示配电网所有安装路径的集合；w表示配电网的安装路径上，任意一个允许安装分级开关的位置；ω
k，c
表示配电网的安装路径c上，所有允许安装分级开关的位置集合；k
c，w
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置w处是否安装分级开关，0表示不安装分级开关，1表示安装分级开关；k0表示配电网的首段是否安装分级开关，1表示安装；q
i，c，w
为二进制变量，其状态受二进制变量k
c，w
约束，表示配电网的安装路径c上的位置w处是否有分级开关能够切除故障类型i，0表示位置w处无论有无分级开关，均不切除故障类型i，1表示位置w处有分级开关，并用于切除故障类型i；
[0071]
s3：构建配电网中故障处理相关约束，以使得故障发生时，配电网能及时切除故障；
[0072]
s3-1：利用式(5)构建第一大类故障处理的相关约束条件，利用式(6)构建第二大类故障处理的相关约束条件；不同配电网故障类型对分级开关布局有不同的影响，第一大类故障发生在供电主线路，故障需要由供电主线路上安装的开关切除，将直接影响分级开关布局，第二大类故障发生在配电变压器相连的接入点线路，此时故障可由接入点线路安装的保护装置切除或供电主线路上安装的开关切除，只有需要供电主线路上安装的开关切除故障时，才会影响分级开关布局；
[0073][0074][0075]
式(5)-式(6)中，ω
i，c
表示配电网的安装路径c上，能切除故障类型i下的位置的集合；v表示主供电线路上断路器的安装位置；ω
e1
表示配电网中第一大类故障的集合；ω
e2
表示配电网中第二大类故障的集合；b
i，c，v
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置v处断路器对故障类型i的动作状态，0表示闭合，1表示断开；d
i，c，v
为二进制变量，表示配电网的
安装路径c上，位置v处的断路器对故障类型i是否发生拒动，0表示发生拒动，1表示不拒动；
[0076]
s4：利用式(7)构建含分布式电源配电网中三级继保开关布局规划的目标函数
[0077][0078]
式(7)中，表示配电网的供电可靠率，并由式(8)得到；表示故障处理后光伏阵列保留率，并由式(9)得到；α
p
表示的权重系数；β
pv
表示的权重系数；
[0079][0080]
式(8)中，pi表示故障类型i发生的概率；ni表示切除故障类型i时停电的用户数，并由式(11)得到；n
∑
表示配电网总用户数；δ表示配电网运行时间；
[0081][0082]
式(9)中，表示配电网中所有故障类型概率的总和，并由式(10)得到；表示切除故障类型i时同时切除的光伏阵列的容量，并由式(12)得到；表示配电网中光伏阵列的总容量；
[0083][0084][0085]
式(11)中，nk
c，w
表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的用户数；nb
c，v
表示电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的用户数；
[0086][0087]
式(12)中；表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的光伏阵列的容量；表示配电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的光伏阵列的容量；
[0088]
s5：将式(4)构建的逻辑约束转化为线性约束，从而得到式(13)，再调用求解器对所述由式(1)-式(3)、式(5)-式(13)所构成的三级继保开关布局规划模型进行求解，得到考虑分布式电源时的分级开关的安装位置，如图3所示，用于指导含分布式电源配电网的三级继保开关的布局规划。
[0089][0090]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述优化服务恢复方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0091]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述优化服务恢复方法的步骤。
[0092]
为使本领域技术人员更好地理解本发明，算例分析包括以下构成：
[0093]
一、算例描述及仿真结果分析：
[0094]
本发明为了验证其有效性，使用了如图2所示的修改后的某地区实际配电网进行算例分析。该算例包含了9个光伏阵列，3段电缆线路，主供电线路共有9个断路器，根据配电网拓扑图，算例考虑的元件故障类型包括：架空线故障、电缆线故障、熔断器拒动、断路器拒动、配电变压器故障；在测试分析的过程中，供电可靠率权重系数α
p
为0.5，光伏阵列保留率权重系数β
pv
为0.5，假设该系统运行时间为1年，δ为8760小时，在这个测试系统中，同类型元件的年故障概率相同。
[0095]
在这个算例中，分级开关允许安装位置为供电主线路上的杆塔处；第一大类故障将直接影响分级开关布局，第二大类故障中，单独的配电变压器故障会由与其相连的断路器或熔断器切除故障，不会影响主线路上分级开关的布局，所构建算法考虑第二大类中影响分级开关布局的故障情况。运用本发明所提的含分布式电源配电网三级继保开关布局方法对算例进行求解，得到各分级开关安装位置；以求解结果指导安装分级开关，运行1年时，配电网供电可靠率和故障处理后光伏阵列保留率相关数据如表1所示。
[0096]
仿真程序在windows11，intel(r)core(tm)i5-10210u cpu@1.60ghz 2.11ghz，8gb内存的计算机中的matlab环境下实现。
[0097]
表1
[0098][0099]
由表1和图5可知，按发明所提方法设置分级开关后配电网供电可靠率为99.826％，达到了较高水平，且故障处理后平均光伏阵列保留率仍能达到61.304％，由此可见，发明所提出的含分布式电源配电网三级继保开关布局方法能够合理布局分级开关安装位置，使得配电网具有较高的供电可靠率，同时能够使故障处理后分布式电源并网容量最大化。
[0100]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
[0101]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

技术特征：
1.一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：构建配电网故障类型的平均修复时间模型；s1-1：根据配电网的运行状态，将配电网故障类型分为两大类故障类型，包括：供电主线路的元件故障，记为第一大类故障，以及与配电变压器相连的接入点线路的元件故障，记为第二大类故障；将两大类故障类型中的任意一种故障类型记为i；s1-2：利用式(1)构建配电网故障类型i的修复时间模型；式(1)中，m表示配电网中任意一种元件；ω
m
表示不同类型的元件集合；ω
e
表示所有配电网的故障类型集合；表示配电网故障类型i下的故障总修复时间；表示元件m故障时的平均修复时间；b
i,m
为二进制变量，表示故障类型i下的元件m是否发生故障，0表示元件m不发生故障，1表示元件m发生故障；s2：根据配电网的运行状态，确定分级开关所有允许安装的位置，以构建分级开关布局规划约束；s2-1：令各个分级开关布置在供电主线路上，其中，0级开关为出线总开关，并固定安装在配电网的首段位置；s2-2：获取配电网的拓扑结构，以获得配电网中各个分级开关所有允许的安装位置，并对分级开关允许安装位置进行区域划分；将各分支线路上的交点作为分级开关允许安装位置，并记为交点集合区域z0；将各分支线路的交点分别至相邻线路的首段之间的区域、将各分支线路的交点分别至相邻线路的末端之间的区域，将各分支线路的交点分别至相邻分支线路的交点之间的区域，分别作为分级开关允许安装区域，从而得到n个分级开关允许安装区域，记为z1～z
n
；由n个分级开关允许安装区域分别与对应的各分支线路交点组成若干条三级继保开关的安装路径；s2-3：利用式(2)-式(4)构建分级开关布局规划的约束条件：k0＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(2)-式(4)中，c表示配电网中三级继保开关的任意一条安装路径；ω
c
表示配电网所有安装路径的集合；w表示配电网的安装路径上，任意一个允许安装分级开关的位置；ω
k,c
表示配电网的安装路径c上，所有允许安装分级开关的位置集合；k
c,w
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置w处是否安装分级开关，0表示不安装分级开关，1表示安装分级开关；k0表示配电网的首段是否安装分级开关，1表示安装；q
i,c,w
为二进制变量，其状态受二进制变量k
c,w
约束，表示配电网的安装路径c上的位置w处是否有分级开关能够切除故障类型i，0表示位置w处无论有无分级开关，均不切除故障类型i，1表示位置w处有分级开关，并用于切除故障类型i；s3：构建配电网中故障处理相关约束，以使得故障发生时，配电网能及时切除故障；
s3-1：利用式(5)构建第一大类故障处理的相关约束条件，利用式(6)构建第二大类故障处理的相关约束条件；障处理的相关约束条件；式(5)-式(6)中，ω
i,c
表示配电网的安装路径c上，能切除故障类型i下的位置的集合；v表示主供电线路上断路器的安装位置；ω
e1
表示配电网中第一大类故障的集合；ω
e2
表示配电网中第二大类故障的集合；b
i,c,v
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置v处断路器对故障类型i的动作状态，0表示闭合，1表示断开；d
i,c,v
为二进制变量，表示配电网的安装路径c上，位置v处的断路器对故障类型i是否发生拒动，0表示发生拒动，1表示不拒动；s4：利用式(7)构建含分布式电源配电网中三级继保开关布局规划的目标函数s4：利用式(7)构建含分布式电源配电网中三级继保开关布局规划的目标函数式(7)中，表示配电网的供电可靠率，并由式(8)得到；表示故障处理后光伏阵列保留率，并由式(9)得到；α
p
表示的权重系数；β
pv
表示的权重系数；式(8)中，p
i
表示故障类型i发生的概率；n
i
表示切除故障类型i时停电的用户数，并由式(11)得到；n
∑
表示配电网总用户数；δ表示配电网运行时间；式(9)中，表示配电网中所有故障类型概率的总和，并由式(10)得到；表示切除故障类型i时同时切除的光伏阵列的容量，并由式(12)得到；表示配电网中光伏阵列的总容量；总容量；式(11)中，nk
c,w
表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的用户数；nb
c,v
表示电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的用户数；式(12)中；表示配电网的安装路径c上，位置w处的分级开关断开时切除的光伏阵列的容量；表示配电网的安装路径c上，位置v处的断路器断开时切除的光伏阵列的容量；s5：将式(4)构建的逻辑约束转化为线性约束，从而得到式(13)，再调用求解器对所述由式(1)-式(3)、式(5)-式(13)所构成的三级继保开关布局规划模型进行求解，得到考虑分布式电源时的分级开关的安装位置，用于指导含分布式电源配电网的三级继保开关的布局
规划。2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述三级继保开关布局方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述三级继保开关布局方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种含分布式电源配电网的三级继保开关布局方法，包括：1根据配电网实际运行状态，构建配电网故障类型的平均修复时间模型；2根据配电网的运行状态，确定分级开关所有允许安装的位置，并对分级开关所有允许安装的位置进行区域划分，按照配电网三级继保开关安装路径构建分级开关布局规划约束条件；3构建配电网故障处理相关约束，保证任意故障发生时，配电网安装的开关都能够及时切除故障；4构建一种含分布式电源配电网三级继保开关布局优化目标函数，并将提高故障处理后分布式电源保留率和提高配电网供电可靠率作为优化目标，以提高配电网综合故障处理能力。以提高配电网综合故障处理能力。以提高配电网综合故障处理能力。


技术研发人员：李自豪 杨晓东 刘奇 吴红斌 李雅楠 赵爽 杨之青
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/20