交直流混合配电网韧性提升关键技术（2023）

交直流混合配电网韧性提升关键技术 SEE 报告人：张璐副教授/博导 中国电机工程学会报告人单位：中国农业大学 CHINESESOCIETYFORELECTRICALENGINEERING 00背景 中国电机工程学会 交直流混合配电网发展驱动因素 供电能力不足 ·城市配电网负荷密集而供电走廊有限，对供电可靠性与电能质量的要求不断提高。 乡村电网负荷分散供电半径大，周期性与偶发性的功率波动明显。 电动汽车的大规模并网需要进一步提升配电网供电能力。 调控能力不足 分布式光伏大规模并网，导致功率返送与电压越限等问题。部分台区未端午间过电压，夜晚欠电压。传统配网调控手段局限性强。台区改造周期长，对于负荷小用户少的台区不经济，难以实现灵活调控。配电线路或台区负载不均衡但功率转移困难 新型直流源、荷增多 分布式光伏、电动汽车快充桩。 00背景中国电机工程学会 单相线路—三框线路 负梯点 重过载缓解投资 电压合格率提升效果 光伏消纳能力提升 经济驱动力 满足配电系统在极端天气下的需求 00背景 1.找准应用场景，精准投资差异化调控 2.结合实际需求，挖掘潜力提高利用率 在中压利用直源战路·交直流台区 中国电机工程学会 中压配电网工 中压配电网Ⅲ 1直流源荷接入：2偏远地区供电 直流变压器关键词：高效 10kV特线 HH 10kV钱线●交直流台区互联 变电站变电站1功率转供：2故障支援 关键词：互联 要 ●中低压交直流混合配电网 10kV货线1满足多层级光伏接入的需求； 交电动2灵活性提升； 关键词：协调 台区I中低压交直流 配电网协调调控 ●区域柔性配网 要1满足清洁能源从周边送入核心区； 442负荷与分布式电源的大时空匹配 台区Ⅱ关键词：互济 唐巍，张起铭张璐等新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向[].电力系统自动化,2023,47(06):2-17 00背景中国电机工程学会 1.找准应用场景，精准投资差异化调控 2.结合实际需求，挖掘潜力提高利用率 配电网面临越来越多的极端灾害影响，重要负荷保供电需求日益提升。 城市电网重要负荷多，乡村电网更易遭受自然灾害影响导致长时间失电。 配电网受闭环设计开环运行方式影响，故障恢复能力有限。 配电网地理环境复杂，故障停电检修时间较长。 交直流混合配电网韧性提升 [1]L.Zhang,C.Wang,J.Liang,M.Z.Wu,B.ZandW.Tang*,“ACoordinatedRestorationMethodofHybridAC/DCDistributionNetworkforResilienceEnhancement,"IEEETrans.SmartGrid,vol.14,no.1,pp.112-125,Jan.2023 [2]张博，马梓耀，王辰，张璐*，唐巍.含光储充一体化电站的城市交直流混合配电网韧性提升策略.电力系统自动化(录用)。 00背景 台风 2021年，台风“雷伊”导致 菲律宾大规模停电。极端事件具有小概率-高损失特点 2021年7月，郑州暴雨导致全灾害难以预测，易导致过度投资 中国电机工程学会 城停电，电力设备受损，影响如何有效均衡经济性与韧性，揭示韧性提升的投 473个小区。 2021年2月中旬，美国得州遭 资边际？ 遇长时间寒潮导致部分风电停如何充分发挥交直流混合配电网优势，提升配电 止供电。 2022年 南网冰灾10kV- 网韧性，保障生命线负荷持续供电？ 暴雨/寒潮220kV架空线路严重覆冰。 自况然灾害与极端工 2022四川成都限电 Grearertranamissoncapacin 极端工况Pexiblaenaravsatder F(t) Hybrid 2015年乌克兰电网遭受黑ACDC 客拒绝式服务攻击攻击，造成 停电。post- 蓄意攻 2019年委内瑞拉网络攻击 网络攻击2022年俄乌冲突，变电站遭 restorativestate estorationrecoveryACsyste statestate 击受人为网络袭击。--- 6 Time 汇报提纲中国电机工程学会 兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术 面向韧性提升的交直流混合配电网多元资源协调优化策略 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术SEE中国电机工程学会 >极端事件发生的概率较小且难以估计，预测误差大。 >极端事件下生命线负荷停电损失极大，后果难以量化估计。 >传统基于概率与后果的风险计算方法计算误差过大，存在不可用的问题。 韧性 均衡经济性 韧性与经济性具有不同的时间尺度与量纲，在 概率、量级方面差异巨大，变化趋势相悸 张璐，黄睿，王照琪.唐巍*陈颖.考虑恢复力与经济性均衡的配电网移动储能优化配置策略.电力系统自动化，2020.44(21）：23-31. 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术中国电机工程学会 【实施方案】 （1）数据机理融合的风涝灾害下配电网灾损建模 小概率高损失的极端事件：1数据债乏：2机理失准：3复用性差：4经验有限 立足于负荷失电链条与因果关系 数据驱动：机理驱动： >输入：极端事件历史气象数据（https:/l>输入：规划期极端事件气象要素时空分 www.typhoon.org.cn/)》布概率密度函数 输出：规划期极端事件气象要素时空分布概输出：配电网元件损坏概率、各节点负 率密度函数荷失电概率 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术SEE 中国电机工程学会 【实施方案】 气象数据分析 （1）数据机理融合的风涝灾害下配电网灾损建模 >利用高斯混合模型（GMM）表征具有非高斯特性的气象数据及多维气象数据之间的相关性，如风涝灭害持续时间、瞬时风速、瞬时降雨强度等 >GMM被定义为多个高斯分布函数的凸组合，确定GMM的参数集是一个典型的参数估计问题，可 以采用基于极大似然估计技术的期望最大化算法（EM）求解。 线性变换不变性 GMM>性质 3.51"Component 28dComponent 3.0 2.5 3Component qComponent 边缘概率不变性 条件概率不变性 1.5优势 1.0 刻画非高斯变量 表征多维变量相关性 0.10.30.4 0.50.60.70.80.9 Value 10 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术中国电机工程学会 【实施方案】 故障机理分析 （1）数据机理融合的风涝灾害下配电网灾损建模 》杆塔、架空线： 以高风速为例，瞬时的高风速对杆塔和架空线产生过大的风荷载，进而导致其截面弯矩超过抗 弯强度，引发倒杆、断线。由于配电网相邻杆塔距离较近、架空线弧垂较小，倒杆概率远大于断线， 所以《66kV及以下架空电力线路设计规范》按照杆塔抗弯强度提供设计风速。 >配电变压器： 以强降雨为例，持续的强降雨对配电变压器产生过大的雨荷载，进而导致其绝缘油火花放电 油浸纸被击穿，引发配电变压器绝缘失效。由于绝缘油和油浸纸发生绝缘故障为独立事件，且二者 发生概率不存在明显的数量级差异，所以选取二者中的较小值作为配电网临界降雨量。 11 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术中国电机工程学会 【实施方案】 算法流程GMM （1）数据机理融合的风涝灾害下配电网灾损建模 Algorithm1：数据机理融台的两阶段配电网故障率评估算法 数据驱动Step1(）Z（）台风持续时间 F(Vwia(t),Vma(+)ZoN(Vwina(t),Vma(t+t);μ,m)瞬时台风风速 F(ma(t),V()2(Vwa(t),V();,))瞬时降雨强度 机理驱动Step2.V,←2Va.A,←min（Ag,Ag2）临界风速 Pine+ZP(Vwina(t)dt≥V,),Puans-P(fVan(0)dt≥A) 倒杆/断线概率 绝缘失效概率 Step3.Pia←1-(1-xePkn）+Puans考虑元件故障影响范围的失电概率 returnPload(i=1,2,..,N)得到各节点负荷失电概率 12 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术GEE 中国电机工程学会 【实施方案】 博奔论方法 （2）韧性和经济效益均衡的配电网灾前综合资源配置 》原理：将多目标转化为博奔问题中的不同参与主体进行商 》优势：能够保证各子目标的量纲、量级及物理含义维持不变 单主体决策 多主体决策 单阶段决策 单阶段优化 静态博奔 多阶段决策 多阶段优化 动态博奔 连续决策 最优控制 微分博奔 信息 行动次序静态动态 完全信息Nash均衡子博奔精炼Nash均衡 不完全信息Bayesian均衡精炼Bayesian均衡 13 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术SEE 中国电机工程学会 【实施方案】 多目标Nash均衡 （2）韧性和经济效益均衡的配电网灾前综合资源配置 >利用Nash均衡保证各子自标的量纲、量级及物理含义维持不变 >以双边博奔为例，任何一个博奔参与方均沿着自身利益增加的方向给出博奔策略，直至双方不能 继续妥协，此时二者的综合利益最大化。 max(u(x)-d)(u,(x)-d,) xeX 》性质>优势 Nash均衡存在性定理将多目标转化为单目标 线性变换无关性维持各子目标的物理含义 Z.Q,Wang.L.Zhang*W.Tang,Y.ChenandC.Shen,“EquilibriumAllocationStrategyofMultipleESSsConsideringtheEconomicsand14 RestofationCapabilitymDNsAppliedEnergy,vol.306,PartA,pp.1.15,Jan.2022 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术 中国电机工程学会 【实施方案】 配电网均衡规划双层优化模型 （2）韧性和经济效益均衡的配电网灾前综合资源配置 max(u(x)-d)(u,(x)-d) min drde (d-(d-F) 韧性子目标：停电损失最小 恢复期 TR 韧性子目标 负荷节点数 负荷重要程度 是否有应急电源 minFr=R n/ZCpia(1p)dt =1 仿真周期内台风次数负荷失电概率负荷功率需求 15 01兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术 【实施方案】 算例：均衡规划方案 （2）韧性和经济效益均衡的配电网灾前综合资源配置 》规划期：多类型应急供电资源数量配置方案Case2-1：滴权法，按照场景概率加权（5，360） Case2-2：摘权法，设置平均权重（0.5.0.5） Case2-3:Nash均衡 Case2-4：改变投资边际 随着固定储能装置占比不断下降，韧性的提升速度与经济性下降速度之间的比值呈现先增大后减小的趋势，拐点即为所求均衡规划方案。 Case23>均衡规划方案能够保证在95%以上极端场景下减少 超过56%的停电损失：通过减少40.4万元投资成本 ，获得相近的极端灾害停电损失削减效果。 Economics×10? Z.Q.Wang.L.Zhang*W.Tang,Y.ChenandC.Shen,“EquilibriumAllocationStrategyofMultipleESSsConsideringtheEconomicsand16 RestorationCapabilityinDNs"AppliedEnergy,vol.306,PartA,pp.1-.15,Jan.2022 汇报提纲中国电机工程学会 兼顾经济性与韧性的配电网均衡优化技术 面向韧性提升的交直流混合配电网多元资源协调优化策略 17 02面向韧性提升的交直流混合配电网多元资源协调优化策略GEE中国电机工程学会 【直流配电对韧性提升的价值挖掘】 如何充分发挥柔性设备和直流配电网的能力与优势？如何充分挖掘多元资源的韧性提升能力？ 扰动事件发生恢复措施 初始运行状态 抵御与吸收恢复 Resist&absorb 最终运行状态 损失速度 系准备与预防响应与适应 Response&adapt Recover 恢复速度 损失