Security Constrained Distributed Optimal Power Flow of Interconnected Power Systems

The security constrained distributed optimal power flow (DOPF) of interconnected power systems is presented. The centralized OPF problem of the multi-area power systems is decom-posed into independent DOPF subproblems, one for each area. The dynamic security region (DSR) to guarantee the transient stability constraints and static voltage stability region (SVSR) constraints, and line current limits are included as constraints. The solutions to the DOPF subproblems of the different areas are coordinated through a pricing mechanism until they converge to the centralized OPF solution. The nonlinear DOPF subproblem is solved by predictor-corrector interior point method (PCIPM). The IEEE three-area RTS-96 system is worked out in order to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

考虑光伏随机性的交直流混合配电网鲁棒机会约束安全域模型

为实现高比例光伏接入下交直流混合配电网的安全评估,构建了交直流混合配电网的鲁棒机会约束安全域模型。首先,提出一种基于区间划分的自适应带宽核密度估计方法,以获取光伏预测误差概率分布,构建光伏出力机会约束不确定集合;其次,采用功率与节点电压幅值比值为状态变量,在已有交流线性化潮流模型的基础上推导一种交直流混合配电网线性化潮流模型;然后,提出交直流混合配电网鲁棒机会约束安全域的概念和模型,结合列与约束生成算法和径向迭代搜索算法生成可观测的鲁棒机会约束安全域空间。最后,算例分析验证了所提模型能够在鲁棒机会约束安全域上准确、直观的反映光伏出力的随机性,进而为交直流混合配电网的准确安全评估提供支撑。

Distributed Robust Optimal Dispatch of Regional Integrated Energy Systems Based on ADMM Algorithm with Adaptive Step Size

This paper proposes a distributed robust optimal dispatch model to enhance information security and interaction among the operators in the regional integrated energy system(RIES).Our model regards the distribution network and each energy hub(EH)as independent operators and employs robust optimization to improve operational security caused by wind and photovoltaic(PV)power output uncertainties,with only deterministic information exchanged across boundaries.This paper also adopts the alternating direction method of multipliers(ADMM)algorithm to facilitate secure information interaction among multiple RIES operators,maximizing the benefit for each subject.Furthermore,the traditional ADMM algorithm with fixed step size is modified to be adaptive,addressing issues of redundant interactions caused by suboptimal initial step size settings.A case study validates the effectiveness of the proposed model,demonstrating the superiority of the ADMM algorithm with adaptive step size and the economic benefits of the distributed robust optimal dispatch model over the distributed stochastic optimal dispatch model.

分布式能源接入的配电网灵活性注入域的评估

为应对分布式能源的接入引起配电网运行复杂化的问题,本文提出考虑分布式能源接入的配电网的安全域刻画方法和相应的灵活性指标。根据分布式能源的历史数据,生成考虑分布式能源间相关性的场景样本,并采用无迭代的潮流计算方法快速筛选不安全场景,最终完成分布式能源注入安全域的刻画及灵活性指标的计算。在改进的IEEE123配电网算例中,对所提方法进行验证,结果表明,所提方法可有效计算配电网安全域和灵活性指标。

Distribution management system framework based on security region for future low carbon distribution systems

In this paper,a new Distribution Management System(DMS)framework based on security region is proposed.First,the concept of Distribution System Security Region(DSSR)is introduced.DSSR is capable to describe the N-1 security boundary of the whole distribution network,including the secure output range of DGs.This new theoretic tool provides a chance for the implementation of real-time security analysis and active controls in DMS.Second,this paper proposes and describes five security states for distribution system.Third,an upgraded DMS enhanced with DSSR is proposed,which consists of advanced security functions such as preventive and predictive control of the trajectory of operating points.Finally,a practical case is presented to simulate the proposed DSSR-enhanced DMS,in which both the security region of network and the output range of DGs are calculated.Typical security functions are also demonstrated.In conclusion,the new DMS framework aims to help operate the system closed to its security boundary in order to improve the efficiency significantly within same security standard.This work is beneficial for future low carbon distribution systems with high penetration rate of DGs.

有源配电网安全域的体积:定义、算法与分析

安全域体积描述了配电网安全运行范围大小,是配电网安全域(distribution system security region,DSSR)的一个重要指标。该文提出了有源配电网N-0(DSSR0)和N-1下安全域体积的定义和新算法。首先,将有源网安全域体积定义为状态空间中的n重积分,与现有无源网安全域体积定义的区别有:1)积分变量不同。无源网采用馈线负荷,有源网采用节点净功率。2)状态空间所在象限不同。无源网安全域位于第一象限,有源网安全域位于全象限。其次,提出了基于拟蒙特卡罗的新算法,适用于有源网和无源网安全域体积计算。相比于现有算法,有更好的精度和速度,且适用于直流潮流和交流潮流的安全域模型。最后,采用算例验证了该文定义和算法。深入分析得到了分布式电源接入位置与渗透率对N-0和N-1下安全域体积的影响规律和原因。

含储能有源配电网的运行域模型、求解及机理分析

储能是影响智能配电网安全运行的重要元件,该文提出了含储能城市有源配电网的运行域模型,刻画了储能参与下系统的安全运行范围。首先,从配电网安全性角度分析了储能的不同角色,定义了安全性服务时间和实时安全性服务能力,能够量化储能对配电网的安全服务。其次,将负荷和分布式发电出力作为安全分析的状态变量,考虑容量和电压约束建立运行域模型。模型表明,引入储能的运行域具有时变性和不确定性的新特征。再次,提出解析-仿真法求解运行域,兼顾了效率和准确度,能求得计及电压约束、网损和储能实时状态的域解析式。最后进行算例分析,以域的形式展现储能对安全性的作用,揭示了储能对运行域的作用机理,展示了运行域的应用,给出了储能宜配置在馈线下游的规划建议。

10kV线路首端负荷安全域边界的估算方法

10 kV线路的主线具有单端注入的母线功能,其末端容易出现低电压问题。将主线压降约束转变为出线负荷约束,可为安全运行与规划提供极大便利,故提出首端负荷安全域边界的估算方法。首先针对沿线众多的台区负荷,基于分段压降特征,提出主线压降快速估算的力矩法;然后将实际台区负荷分布,等效为沿线均衡分布附加若干重载点的特征形式,更加符合实际情况;最后基于力矩法得到线路首端负荷与压降的关系,进而得到首端负荷安全域边界的线性化方程。算例结果表明,力矩法的压降分析和安全域边界分析都能满足工程精度要求。基于首端负荷安全域边界可得到10 kV线路的承载裕度,便于负荷控制和配网滚动规划,具有较好的工程应用价值。

Total Quadrant Security Region for Active Distribution Network with High Penetration of Distributed Generation

The region-based method has been applied in transmission systems and traditional passive distribution systems without power sources. This paper proposes the model of total quadrant security region(TQSR) for active distribution networks(ADN) with high penetration of distributed generation(DG). Firstly, TQSR is defined as a closed set of all the N-1 secure operation points in the state space of ADN. Then, the TQSR is modeled considering the constraints of state space,normal operation and N-1 security criterion. Then, the characteristics of TQSR are observed and analyzed on the test systems with different DG penetrations. TQSR can be located in any quadrant of the state space. For different DG penetrations,the shape and security features of TQSR are also different. Finally, the region map is discovered, which summarizes the features of different types of distribution networks.

配电系统安全域的数学定义与存在性证明

该文从数学上描述了配电系统的N-1安全性,给出了安全域(distribution system security region,DSSR)的严格数学定义,并首次证明DSSR的存在性。首先,从数学上描述了配电系统运行的状态空间与正常运行方式下的约束条件。其次,为描述N-1安全性及安全程度,提出了安全函数的概念,并给出一个具体的安全函数,并证明其具有连续和单调减的重要性质。再从数学上将N-1安全性描述为安全函数满足某个预定临界值的问题。然后,给出了更严格的DSSR数学定义:DSSR是所有安全工作点的集合,该集合具有封闭的边界,边界内部均为安全工作点,外部均为不安全工作点。最后,从数学上证明了对于任意给定配电网,其DSSR一定存在。文中工作对揭示配电网安全域的数学本质具有重要意义,为未来智能配电系统安全高效的运行及规划技术奠定理论基础。

配电网安全域的实证分析

完成了具有一定规模的实际配电网安全域(DSSR)实证研究,并应用于该电网的夏季大负荷分析。首先,简要介绍了现有的DSSR概念和理论,并针对调度部门需求对安全评价方法与安全控制方法进行了实用化改进。其次,在天津市核心城区选择了一个4.82km2的完全配电自动化覆盖的配电网,根据电网数据计算出该电网的安全边界方程,再进一步验证了该安全边界在电网运行中是实际存在的。最后,基于DSSR对夏季大负荷数据进行了安全分析,并将分析结果与已有安全分析报告对比。对比表明,计算得到的安全边界准确地反映了该电网的N-1安全运行范围,对于夏季大负荷的分析结果也与实际情况相符。

配电系统安全域的体积

该文提出了配电系统安全域(distribution system security region,DSSR)体积的概念与算法,分析了DSSR体积对电网的意义。首先,对DSSR体积进行了定义,DSSR描述了配电系统满足N-1安全的运行范围,体积是DSSR大小的度量。其次,提出了DSSR高效运行区的体积定义。再次,提出了基于蒙特卡罗仿真的DSSR体积算法。最后,通过算例验证了体积算法,并进一步研究了体积的用途。DSSR体积能提供一些最大供电能力(total supply capacity,TSC)无法给出的重要信息,选取TSC相同但DSSR体积不同的电网比较,发现体积大的电网具有更好的安全性能,在各个负荷增长方向上的安全裕量更均衡。该文提出的DSSR体积是反映配电网安全性能的新指标,对未来配电网的规划和运行具有重要的应用价值。

配电网安全域法的改进及与N-1仿真法的对比验证

配电系统安全域(DSSR)是一种新的配电网安全评价方法,但是现有DSSR方法尚未给出N-1仿真安全评价法能够得到的所有信息,文中对DSSR法进行改进并与仿真法全面对比。首先,分析了两种方法的原理:N-1仿真法逐个模拟元件故障,通过校验是否满足过负荷等静态安全约束来评价是否安全,并用停电范围和容量裕度来分别衡量不安全和安全的程度;DSSR方法预先根据网络结构和参数计算N-1安全边界,不需要仿真,能够通过判断工作点在安全边界内外快速计算电网是否安全,再依据工作点到安全边界的距离来衡量安全或不安全程度。然后,在此基础上提出了DSSR安全评价的改进方法,使其能够得到仿真法的所有结果,包括按严重程度排序的故障集、过负荷元件集和过负荷的大小。最后,通过算例将两种方法进行对比,验证了改进方法的正确性和快速性。所述工作不仅扩展了DSSR方法的功能,还揭示了DSSR方法与仿真法的关系,解释了DSSR法能够不经过仿真准确得到N-1安全分析结果的原理,为DSSR的实际应用奠定了理论基础。

配电网安全边界的产生机理

该文研究揭示了配电网安全边界的形成机理。首先,定义了元件间的拓扑距离,根据N-X后两馈线是否产生电气连接以及故障后负荷转带路径的不同,将馈线联络关系归纳为3大类:N-1联系、N-2联系和无联系,并细分为7种。其次,在观测馈线来自同一主变和不同主变的两种情况下,分析了斜线边界、直线边界的产生原因,得出边界数量计算公式。最后,总结得到7种网络结构与完整安全边界二维视图的对应表,能无需仿真绘制安全域图像或解析列写边界方程,直接按网络结构查表确定安全边界的基本图像。总结发现了安全边界的形成机理和规律:当且仅当馈线联络为N-1联系时才会出现斜线边界;而直线边界总是存在。边界数由常量和变量两部分构成,斜线数常量随拓扑距离增加而减少,直线数常量则相反。

配电网安全域的全维观测

提出了配电网安全域(DSSR)全维观测的概念与方法。首先,在总结现有2维、3维投影观测不足的基础上提出全维观测的概念。其次,提出一种基于安全距离的全维观测方法。该方法包括以下内容:(1)定义DSSR的等效半径,即原点到所有有效安全边界的距离;(2)通过DSSR半径的折线图和雷达图进行全维可视化,以观察域的特征和凹陷;(3)定义凹陷指标和形状畸变指标量化描述域的凹陷程度和圆润程度;(4)分析凹陷对应的边界表达式,得出凹陷原因及改善方案。最后,进行算例验证并与投影法对比。上述方法能完整地观测高维域的形态,发现投影法难以发现的隐藏缺陷,为安全域信息的深度挖掘提供了新的工具。

主动配电网中分布式电源和微网的运行域

主动配电网以其较强的控制能力可以接纳大量分布式电源(DG),文章在配电系统安全域(distribution system security region,DSSR)的基础上提出了DG及微网的运行域。首先,考虑DG及微网的接入位置、出力大小以及渗透率等因素对配电网的影响,提出了DG及微网运行域的概念:运行域描述了保证配电网安全前提下的DG及微网出力范围,能方便地用于对DG及微网的主动调度。其次,提出了DG及微网运行域的数学模型及计算方法,能计算得到满足电压、潮流等约束下不同类型DG及微网的运行域。最后,利用IEEE 33节点算例,计算得出PQ型和PV型的DG及微网运行域,并与不含DG和微网的负荷运行域进行对比分析,验证了所提方法的有效性。DG或微网的加入导致运行域面积增大,拓扑结构更加复杂;相同条件下,PV型微网比PQ型微网运行域面积更大。

面向智能配电系统的安全域模型

智能配电系统将具备快速的网络转供能力,变电站在下级配电网的支持下能够超越传统导则显著提高满足安全边界的最大负载率,因此,有必要研究能精确计算配电网安全边界的方法。文中将安全域方法应用于配电系统,提出了基于N-1安全性准则的配电系统安全域(DSSR)的概念和模型;定义了运行点相对于DSSR边界距离的计算方法;提出了基于DSSR的安全性评价方法及初步的安全控制方法;通过算例验证了模型及方法的有效性。

基于安全域的配电网重构模型

提出了一种基于配电系统安全域(DSSR)的网络重构新方法。首先,介绍了DSSR的安全裕度指标——安全距离,其含义为配电网满足N?1安全准则的馈线负荷最大可增功率。其次,建立了在优先满足安全约束的条件下以网损最小为目标的网络重构模型,并利用改进的遗传算法进行求解。最后,采用扩展的IEEE RBTS Bus 4算例验证模型的有效性。与经典网损最小模型对比表明,文中重构结果的网损与其接近,但安全裕度明显增加。与负载均衡模型对比,文中的安全裕度和网损均更优,这是由于模型能有效计及电网结构和负载分布不均的自然特性。此外,文中模型还能针对不同馈线设置个性化的安全约束,区别用户对安全性的不同需求。

计及分布式电源与需求响应的智能配电系统安全域

中国城市电网正逐步发展为智能配电网,系统运行环境将更为复杂。配电系统安全域(DSSR)是指导配电网安全运行的新理论,文中考虑智能配电网的2个主要元素--分布式电源(DG)和需求响应(DR),从传统的负荷视角研究DSSR。首先,分析含DG和DR的配电系统安全性特点,给出相应的数学表达式,然后建立考虑DG和DR的DSSR数学模型。其次,通过观测算例电网的DSSR的二维截面图像,分析DG和DR对DSSR的作用机理,并基于此给出系统规划运行的指导建议。提出的DSSR的负荷视角与现有调度人员习惯一致,对于仍以负荷供电为主、以DG和DR服务为辅的城市配电网,可作为实用的安全运行分析工具。

基于馈线互联关系的配电网安全域模型

现有配电网安全域模型都是基于变电站主变互联关系的,且只考虑了主变N?1故障,简化了馈线间的详细拓扑关系,导致所得结果不能完全与N?1仿真一致。为解决这一问题,首先提出了基于馈线互联的配电系统安全域模型,全面计及了主变N?1和线路N?1故障。新模型描述的安全边界可精确到馈线段负荷,并可适用于多联络的复杂配电网。其次,给出了安全域边界的解析算法,边界计算结果为不等式组所形成的超平面表达式。最后,设计了基于N?1仿真的两种验证方法对安全域边界的准确性进行验证。算例表明,该模型能够更准确快速地描述配电网的安全运行区域和N?1安全边界,为安全域方法更精确地指导配电网安全高效运行奠定了理论基础。