一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法与流程

1.本发明涉及配电网拓扑评估技术领域，特别涉及一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法。


背景技术：

2.随着新能源电力逐步接入配电网和电力电子技术的发展，直流输配电技术的优势不断突出。传统交流输电的形式仍将长期存在，交直流混联配电网已经成为当前配电网发展的趋势。配电网拓扑评估是配电网规划建设的重要手段。通过对配电网拓扑形态的评估，可以合理选择配网中的电力电子设备及配电网网架形态，以提升整个配电网的经济性和可靠性。特别在交直流混联配电网成为未来配电网发展趋势的下，根据目前的负荷和电源类型，选择合适的交直流混联配电网连接形态，以减小因为交直流变流器带来的损耗具有重要的意义。
3.现有技术中，因直流负荷的接入使得交直流混联网络的网损也与纯交流的配电网不同，目前的混联网络大多以负荷类型作为网架选择的依据。没有从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标。
4.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于vsc-hvdc系统的交直流混联电网负荷恢复方法及系统”，其公告号：cn109038546a，其申请日：2018年07月10日，该发明实现了负荷的精准控制，将电力用户的损失降至最小，有效降低了电力用户的损失，但是存在没有从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术没有从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标的不足，本发明提出了一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法，能从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标，并根据综合评估指标选择规划方案。
6.以下是本发明的技术方案，一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法，包括以下步骤：
7.s1：获取配电网的基础数据，基础数据包括变流器数据、线路数据和可靠性数据；
8.s2：基于变流器数据建立变流器转换损耗评估指标并计算得到变流器评估值，基于线路数据建立线路损耗评估指标并计算得到线路评估值，基于可靠性数据建立可靠性评估指标并计算得到可靠性评估值；
9.s3：基于变流器转换损耗评估指标、线路损耗评估指标和可靠性评估指标建立拓扑综合评估指标，计算拓扑综合评估指标得到综合评估值；
10.s4：基于综合评估值、变流器评估值、线路评估值和可靠性评估值制定规划方案，基于规划方案进行配电网规划。
11.本方案中，能从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标，并根据综合评估指标选择规划方案。
12.作为优选，变流器数据包括配电网换流站效率、中压侧逆变器效率、中压侧整流器效率、低压侧逆变器效率、低压侧整流器效率和直流变压器效率；线路数据包括配电网线路总数、配电网供给功率、中压直流负载的线路个数、中压交流负载的线路个数、低压负载的线路个数、线路电流和线路电阻；可靠性数据包括用户数、年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间。
13.本方案中，基础数据包括变流器数据、线路数据和可靠性数据。变流器数据包括配电网换流站效率、中压侧逆变器效率、中压侧整流器效率、低压侧逆变器效率、低压侧整流器效率和直流变压器效率，用于建立交直流混联配电网因交直流变流器转换而产生的损耗评估指标，即变流器转换损耗评估指标。线路数据包括配电网线路总数、配电网供给功率、中压直流负载的线路个数、中压交流负载的线路个数、低压负载的线路个数、线路电流和线路电阻，用于建立交直流混联配电网的线路损耗评估指标。可靠性数据包括用户数、年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，用于建立交直流混联配电网考虑年故障率和年停电时间的可靠性评估指标。
14.作为优选，低压负载的线路个数包括低压a类负载的线路个数、低压b类负载的线路个数和低压c类负载的线路个数。
15.本方案中，低压负载的线路个数包括低压a类负载的线路个数、低压b类负载的线路个数和低压c类负载的线路个数，低压负载分为低压a类负载、低压b类负载和低压c类负载。其中，低压a类负载为以直流电形式工作的低压负载，直流配电网可直接为其供电，例如微波炉、洗衣机、打印机、变频空调、冰箱、计算机等；低压b类负载为必须以交流电形式工作的低压负载，交流配电网可直接为其供电，例如交流电机、电扇等；低压c类负载为既可以交流电形式又可以直流电形式工作的低压负载，交流配电网和直流配电网都可直接为其供电，例如白炽灯、电水壶、咖啡机等。
16.作为优选，基于变流器数据建立变流器转换损耗评估指标并计算得到变流器评估值，主要步骤如下：
17.s211：获取变流器转换效率；
18.s212：根据负载类型将负载分为中压负载和低压负载；
19.s213：根据不同负荷类型建立变流器转换损耗评估指标ce，计算方式如下：
[0020][0021]
式中，ce为变流器转换损耗评估指标，η
mda
为中压侧逆变器效率，η
lda
为低压侧逆变器效率，η
dt
为直流变压器效率，η
dcs
为直流配电网换流站效率，n1为中压直流负载的线路个数，n2为中压交流负载的线路个数，n3为低压a类负载的线路个数，n4为低压b类负载的线路个数，n5为低压c类负载的线路个数；
[0022]
s214：计算变流器转换损耗评估值。
[0023]
本方案中，根据配电网换流站效率、中压侧逆变器效率、中压侧整流器效率、低压侧逆变器效率、低压侧整流器效率和直流变压器效率等数据，建立交直流混联配电网因交
直流变流器转换而产生的损耗评估指标并得到变流器转换评估值。
[0024]
作为优选，基于线路数据建立线路损耗评估指标并计算得到线路评估值，主要步骤如下：
[0025]
s221：计算配电网的线路损耗功率，计算方式如下：
[0026][0027]
式中，p
loss
为线路损耗功率，n为交直流混联配电网线路总数，in为各线路电流，rn为各线路电阻值；
[0028]
s222：根据线路损耗功率和配电网供给功率建立线路损耗评估指标，计算方式如下：
[0029][0030]
式中，c
l
为线路损耗评估指标，p
loss
为线路损耗功率，ps代表配电网供给功率；
[0031]
s223：计算线路损耗评估值。
[0032]
本方案中，根据配电网线路总数、配电网供给功率、中压直流负载的线路个数、中压交流负载的线路个数、低压负载的线路个数、线路电流和线路电阻等数据，建立交直流混联配电网的线路损耗评估指标并得到线路损耗评估值。
[0033]
作为优选，基于可靠性数据建立可靠性评估指标并计算得到可靠性评估值，主要步骤如下：
[0034]
s231：使用最小割集法计算负荷点的供电可靠性，计算方式如下：
[0035][0036]
式中，u
p
、λ
p
和r
p
分别是并联系统的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，ui和ri分别是元件i的年平均停电时间和平均停电持续时间；
[0037]
s232：对于含双电源供电系统，考虑二阶最小割集，计算方式如下：
[0038][0039]
式中，u
′j、λ
′j和r
′j分别表示二阶最小割集的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，λ1、r1、和λ2、r2分别是元件1与元件2的平均故障率和平均停电持续时间；
[0040]
s233：得到负荷点的一阶割集和二阶割集，由于系统中割集与割集为串联关系，可靠性指标计算公式如下：
[0041][0042]
式中，us、λs和rs分别是串联系统的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，λi和ri分别是元件i的故障率和平均停电持续时间；
[0043]
s234：根据负荷点的可靠性指标建立系统的可靠性指标，计算方式如下：
[0044][0045]
式中，u
lpi
、λ
lpi
和n
lpi
分别为负荷点lpi的年平均停电时间、故障率和用户数，saifi、saidi分别为系统年均停电频率和年均停电持续时间；
[0046]
s235：根据系统的可靠性指标建立可靠性评估指标：
[0047]cξ
＝α
·
saifi β
·
saidi
[0048]
式中，c
ξ
为可靠性评估指标，saifi、saidi分别为系统年均停电频率和年均停电持续时间，α和β分别为引入的权重因子；
[0049]
s236：计算可靠性评估值。
[0050]
本方案中，最小割集法通过搜索各负荷点的最小割集，可将复杂的配电网结构转换为元件的串并联关系计算系统的等值可靠性指标，根据用户数、年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，用于建立交直流混联配电网考虑年故障率和年停电时间的可靠性评估指标并计算可靠性评估值，α,β》0。
[0051]
作为优选，基于变流器转换损耗评估指标、线路损耗评估指标和可靠性评估指标建立拓扑综合评估指标，计算方式如下：
[0052][0053]
式中，ce为变流器转换损耗评估指标，c
l
为线路损耗评估指标，c
ξ
为可靠性评估指标，μ、ρ和σ分别为权重因子。
[0054]
本方案中，根据变流器转换损耗评估指标、线路损耗评估指标和可靠性评估指标建立拓扑综合评估指标并求取综合评估指标值，针对不同的使用场景引入不同权重因子，提高适用性，μ,ρ,σ》0。
[0055]
作为优选，规划方案由综合方案、变流器方案、线路方案和可靠性方案组成。
[0056]
本方案中，规划方案由四个部分组成，分别是综合方案、变流器方案、线路方案和可靠性方案。
[0057]
作为优选，综合方案的获取方法为：将连续的综合评估值范围划分成若干个区域，
每个区域制定一套综合方案，将综合评估值和综合评估值区域进行匹配进而得到对应的综合方案；变流器方案、线路方案和可靠性方案获取方法和综合方案的获取方法相同。
[0058]
本方案中，将连续的综合评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套综合方案，将综合评估值和综合评估值区域进行匹配进而得到对应的综合方案。将连续的变流器评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套变流器方案，将变流器评估值和变流器评估值区域进行匹配进而得到对应的变流器方案。将连续的线路评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套线路方案，将线路评估值和线路评估值区域进行匹配进而得到对应的线路方案。将连续的可靠性评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套可靠性方案，将可靠性评估值和可靠性评估值区域进行匹配进而得到对应的可靠性方案。
[0059]
作为优选，综合评估值范围、变流器评估值范围、线路评估值范围和可靠性评估值范围划分的区域数量相等或不等。
[0060]
本方案中，综合评估值范围、变流器评估值范围、线路评估值范围和可靠性评估值范围划分的区域数量相等或不等，提高适用性。
[0061]
本发明的有益效果是：能从交直流变流器转换而产生的损耗、线路损耗和可靠性的角度建立针对交直流混联配电网拓扑的综合评估指标，并根据综合评估指标选择规划方案。
附图说明
[0062]
图1本发明一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法的流程图。
[0063]
图2本发明一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法的交直流混联两端供电型拓扑示意图。
[0064]
图3本发明一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法的规划方案和评估值匹配示意图。
具体实施方式
[0065]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0066]
实施例：如图1所示，一种考虑交直流混联系统拓扑的评估方法，包括以下步骤：
[0067]
s1：获取配电网的基础数据，基础数据包括变流器数据、线路数据和可靠性数据；
[0068]
s2：基于变流器数据建立变流器转换损耗评估指标并计算得到变流器评估值，基于线路数据建立线路损耗评估指标并计算得到线路评估值，基于可靠性数据建立可靠性评估指标并计算得到可靠性评估值；
[0069]
s3：基于变流器转换损耗评估指标、线路损耗评估指标和可靠性评估指标建立拓扑综合评估指标，计算拓扑综合评估指标得到综合评估值；
[0070]
s4：基于综合评估值、变流器评估值、线路评估值和可靠性评估值制定规划方案，基于规划方案进行配电网规划。
[0071]
s1：获取配电网的基础数据，基础数据包括变流器数据、线路数据和可靠性数据。
[0072]
具体的，基础数据包括变流器数据、线路数据和可靠性数据。变流器数据包括配电网换流站效率、中压侧逆变器效率、中压侧整流器效率、低压侧逆变器效率、低压侧整流器效率和直流变压器效率。用于建立交直流混联配电网因交直流变流器转换而产生的损耗评
估指标，即变流器转换损耗评估指标。线路数据包括配电网线路总数、配电网供给功率、中压直流负载的线路个数、中压交流负载的线路个数、低压负载的线路个数、线路电流和线路电阻，其中，低压负载的线路个数包括低压a类负载的线路个数、低压b类负载的线路个数和低压c类负载的线路个数。用于建立交直流混联配电网的线路损耗评估指标。可靠性数据包括用户数、年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间。用于建立交直流混联配电网考虑年故障率和年停电时间的可靠性评估指标。
[0073]
s2：基于变流器数据建立变流器转换损耗评估指标并计算得到变流器评估值，基于线路数据建立线路损耗评估指标并计算得到线路评估值，基于可靠性数据建立可靠性评估指标并计算得到可靠性评估值。
[0074]
具体的，建立交直流混联配电网因交直流变流器转换而产生的损耗评估指标，即变流器转换损耗评估指标，主要实施步骤如下：
[0075]
s211：分析目前交直流混联系统中所使用的交直流变流器转换效率，包括中压侧逆变器效率η
mda
，中压侧整流器效率η
mad
，低压侧逆变器效率η
lda
，低压侧整流器效率η
lad
，直流变压器效率η
dt
，直流配电网换流站效率η
dcs
等；
[0076]
s212：根据目前负载类型，将其分为中压负载和低压负载。中压负载分为中压直流负载和中压交流负载。低压负载分为低压a类负载、低压b类负载和低压c类负载。其中，低压a类负载为以直流电形式工作的低压负载，直流配电网可直接为其供电，例如微波炉、洗衣机、打印机、变频空调、冰箱、计算机等；低压b类负载为必须以交流电形式工作的低压负载，交流配电网可直接为其供电，例如交流电机、电扇等；低压c类负载为既可以交流电形式又可以直流电形式工作的低压负载，交流配电网和直流配电网都可直接为其供电，例如白炽灯、电水壶、咖啡机等。
[0077]
s213：根据交直流混联网络中不同负荷类型，建立交直流混联配电网因交直流变流器转换而产生的损耗评估指标ce，ce计算方式如下：
[0078][0079]
式中，ce为变流器转换损耗评估指标，η
mda
为中压侧逆变器效率，η
lda
为低压侧逆变器效率，η
dt
为直流变压器效率，η
dcs
为直流配电网换流站效率，n1为中压直流负载的线路个数，n2为中压交流负载的线路个数，n3为低压a类负载的线路个数，n4为低压b类负载的线路个数，n5为低压c类负载的线路个数。
[0080]
s214：计算变流器转换损耗评估值。如图2所示的交直流混联两端供电型拓扑为例计算该拓扑下因交直流变流器转换而产生的损耗评估指标ce，ce计算为0.887812。其中，各类交直流换流器效率如表1所示。
[0081]
表1各类交直流换流器效率。
[0082][0083]
建立交直流混联配电网的线路损耗评估指标，主要实施步骤如下：
[0084]
s221：分析交直流混联配电网线路类型，在已知配电网运行状况下，计算交直流混联配电网的线路损耗功率p
loss
：
[0085][0086]
式中，p
loss
为线路损耗功率，n为交直流混联配电网线路总数，in为各线路电流，rn为各线路电阻值。
[0087]
s222：根据线路损耗功率和配电网供给功率，建立线路损耗评估指标c
l
，计算方式如下：
[0088][0089]
式中，c
l
为线路损耗评估指标，p
loss
为线路损耗功率，ps代表配电网供给功率。
[0090]
s223：计算线路损耗评估值。如图2所示的交直流混联两端供电型拓扑为例计算该拓扑下损耗评估指标c
l
，c
l
为0.8547598。
[0091]
建立交直流混联配电网考虑年故障率和年停电时间的可靠性评估指标，具体实现步骤如下：
[0092]
s231：使用最小割集法计算系统负荷点的供电可靠性。最小割集法通过搜索各负荷点的最小割集，可将复杂的配电网结构转换为元件的串并联关系计算系统的等值可靠性指标。由单电源供电系统仅考虑一阶最小割集。对于各个割集，内部的各个元件可以视为并联关系，相关可靠性评估指标计算公式如下：
[0093][0094]
式中，u
p
、λ
p
和r
p
分别是并联系统的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，ui和ri分别是元件i的年平均停电时间和平均停电持续时间。
[0095]
s232：对于含双电源供电系统，考虑二阶最小割集。在该种情况下，两故障设备只是简单的并联关系，其可靠性参数计算公式如下：
[0096][0097]
式中，u
′j、λ
′j和r
′j分别表示二阶最小割集的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间。λ1、r1、和λ2、r2分别是元件1与元件2的平均故障率和平均停电持续时间。
[0098]
s233：在得到负荷点在系统中所有一阶割集和二阶割集之后，由于系统中割集与割集为串联关系，可以计算系统的可靠性指标计算公式如下：
[0099][0100]
式中，us、λs和rs分别是串联系统的年平均停电时间、平均故障率和平均停电持续时间，ui、λi和ri分别是元件i的年平均停电时间、故障率和平均停电持续时间。
[0101]
s234：在计算出负荷点的可靠性指标之后，系统的可靠性指标计算公式如下：
[0102][0103]
式中，u
lpi
、λ
lpi
和n
lpi
分别为负荷点lpi的年平均停电时间、故障率和用户数，saifi、saidi分别为系统年均停电频率和年均停电持续时间。
[0104]
s235：将系统的多个可靠性指标转化为可靠性评估指标c
ξ
：
[0105]cξ
＝α
·
saifi β
·
saidi
[0106]
式中，c
ξ
为可靠性评估指标，saifi、saidi分别为系统年均停电频率和年均停电持续时间，α和β分别为引入的权重因子，且α,β》0。
[0107]
s236：计算可靠性评估值。如图2所示的交直流混联两端供电型拓扑为例，计算该拓扑下可靠性评估指标。交直流混联电网可靠性计算结果如表2所示。
[0108]
表2交直流混联电网可靠性计算结果表。
[0109][0110]
其中，u是年平均停电时间(小时/年)，r是故障平均停电持续时间(小时/年)，λ是平均故障率(年/次)。系统年均停电频率saifi为2.210662[次/(户
·
年)]和年均停电持续时间saidi为13.075734[小时/(户
·
年)]。取α为15，β为1，计算得到在图2所示拓扑下的可靠性评估指标c
ξ
为46.235664。
[0111]
s3：基于变流器转换损耗评估指标、线路损耗评估指标和可靠性评估指标建立拓扑综合评估指标，计算拓扑综合评估指标得到综合评估值。
[0112]
具体的，根据交直流混联配电网变流器转换损耗评估指标，线路损耗评估指标和可靠性评估指标，建立交直流混联配电网拓扑综合评估指标，建立交直流混联配电网拓扑综合评估指标c：
[0113][0114]
式中，ce为变流器转换损耗评估指标，c
l
为线路损耗评估指标，c
ξ
为可靠性评估指标，μ、ρ和σ分别为引入的权重因子，且μ,ρ,σ》0。
[0115]
根据上述计算，因交直流变流器转换而产生的损耗评估指标ce为0.887812，线路损耗评估指标c
l
为0.8547598，可靠性评估指标c
ζ
为46.235664。取μ、ρ和σ分别为0.7、0.5、0.01，则交直流混联配电网拓扑综合评估指标c为2.2715。其中，μ、ρ和σ为不同指标的权重因子，在实际工程中因根据实际需要调整权重因子的大小，并在相同权重因子下对不同拓扑结构进行评估。
[0116]
s4：基于综合评估值、变流器评估值、线路评估值和可靠性评估值制定规划方案，基于规划方案进行配电网规划。
[0117]
具体的，如图3所示，规划方案由四个部分组成，分别是综合方案、变流器方案、线路方案和可靠性方案。将连续的综合评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套综合方案，将综合评估值和综合评估值区域进行匹配进而得到对应的综合方案。将连续的变流器评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套变流器方案，将变流器评估值和变流器评估值区域进行匹配进而得到对应的变流器方案。将连续的线路评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套线路方案，将线路评估值和线路评估值区域进行匹配进而得到对应的线路方案。将连续的可靠性评估值范围划分成若干个区域，每个区域制定一套可靠性方案，将可靠性评估值和可靠性评估值区域进行匹配进而得到对应的可靠性方案。综合评估值范围、变流器评估值范围、线路评估值范围和可靠性评估值范围划分的区域数量相等或不等。得到完整的规划方案后，根据规划方案对配电网进行规划。