利用柔性电力电子技术改造的配电网是一个重要趋势,能有效解决传统配电网发展中的一些瓶颈问题。先进的电力电子技术可以构建灵活、可靠、高效的配电网[1],既可提升城市配电系统的电能质量、可靠性与运行效率,还可应对传统负荷以及高比例可再生能源的波动性[2]。
智能柔性开关(也称软开关,包括SNOP,SOP,DCLink)[3-4],是安装于传统联络开关处的一种新型智能电力电子装置,它能使传统闭环设计开环运行的配电网改为柔性闭环运行。传统配电网通过调节开关的开合状态来改变电网拓扑,这种0-1调节模式,能在一定程度上改变潮流分布;安装柔性开关后,能平滑调节馈线间潮流分布,其优势主要体现在以下几方面：1）响应速度更快,潮流调节能力更强[3,5-6];2）降低电网损耗,优化电压分布,提高暂态电压稳定性[7-9];3）提高对分布式电源(distributedgeneration,DG)、波动负荷的消纳能力[4,10-12];4）均衡馈线间负载,提高供电能力[13-14];5）缩小故障停电范围,提高供电可靠性[3]。
文献[13]在研究多端柔性闭环配电网的供电能力时提出了柔性配电网(flexibledistributionnetwork,FDN)概念。本文认为,柔性化是未来配电网的一个重要特征,本文将详细讨论FDN的定义、组网形态与运行方式,并与传统配电网对比。
1、FDN的定义与实现
传统配电网(简称刚性配电网,与柔性配电网相对)由于受短路容量、电磁环网等问题的限制,被迫采取闭环设计开环运行的模式。潮流随网络结构参数以及负荷需求而自然分布,只能通过开关操作的网络重构才能在一定程度上改变潮流分布。开环运行对供电可靠性有负面影响,潮流控制力不强对安全性和供电能力也是不利的。
本文将FDN定义为能实现柔性闭环运行的配电网。FDN有2个特征：第1个特征是闭环,这是因为FDN在闭环点对短路电流具有阻断能力;第2个特征是柔性,即某些节点对所连多个支路的潮流具有多方向连续调控能力,从电网角度看能一定程度改变潮流的自然分布。闭环特征让FDN可能达到更高的供电可靠性,能做到故障或检修时避免短时停电;柔性特征让FDN具备更强大的潮流控制能力,能更快更广地适应负荷与DG的波动。
FDN概念属于智能配电网的子集。智能配电网是新一代配电网的统称,其内涵非常丰富：既有DG、储能等新元件接入,又包括配电网络自身的升级换代。网络换代有2方面内容：1）信息通信技术对二次系统的升级;2）电力电子技术对一次系统的升级。FDN的提出是针对方面2）的。FDN与主动配电网(activedistributionnetwork,ADN)概念不同：ADN针对DG进行主动调度,让其与电网协同工作;FDN针对电网一次系统,让其具备柔性能力。二者也存在联系：柔性化提高了电网潮流转移调节能力,有助于间歇性DG的消纳,对提高整个配电网的主动调节性也是有益的。
在已有电网基础上构建FDN,只需要部分关键节点或支路具有柔性闭环能力,这部分节点/支路称为柔性节点/柔性支路。柔性节点或柔性支路的关键设备是电力电子装置。柔性开关本质上是一种2端电力电子装置,可由背靠背电压源型变流器(voltagesourceconverter,VSC)、统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)、静止同步串联补偿器(staticsynonousseriescompensator,SSSC)等电力电子装置实现。若直接使用柔性开关,通常在馈线联络处替代传统开关(以下称刚性开关,与柔性开关相对),这种情况适合单联络接线的柔性改造。
对于多联络接线,既可采用多台柔性开关,也可采用连接效率更高的多端电力电子装置[8,11]。由于开闭站在现有城市配电网中广泛使用,文献[13]提出的柔性开闭站(flexibleswitchingstation,FSS)是构建FDN的关键设施,具有组网效率高、规模易于伸缩扩展的优点,更能满足大规模复杂FDN的组网需求。FSS的核心是一台多端柔性装置,但从配电网工程师的角度来看,更适合视为由通过母线连接的多个柔性开关构成的开闭站,单台柔性开关也可视为FSS的特例。FSS的概念还利于结合传统刚性开关,采用柔性开关和刚性开关的混合方式,混合FSS对到变电站的主馈线可采用柔性开关连接,对到次级分支线路可采用刚性开关连接。
2、FDN的组网形态
2.1 FDN组网形态的总体思路
一些新的研究探讨了与我国现状不同的组网形态方式,例如网格化组网[15]、利用能量路由器[16]组网等。但由于我国已基本完成了大规模配网建设改造,现有网络规模庞大,已具有超前性。因此必须考虑从现有接线模式向FDN过渡并简化接线。
FDN并非全面替代刚性开关,而是在关键位置采用柔性开关,这是由于柔性开关造价高,即使大规模应用后也会明显高于刚性开关,在设备可靠性和耐久性方面也很难超过刚性开关。因此,部分柔性化改造后会取得性价比更好的结果。
传统配电网的多联络接线比单联络接线具有更高的允许负载率,未来高比例分布式电源需要更灵活畅通的网络结构。因此,本文认为城市配电网采用多端FSS对多回馈线进行组网更为合适。
依据配电网规划技术原则[17],中压配电网中架空网接线模式主要包括辐射和多分段适度联络2种;电缆网主要包括单环和双环2种。以下分为单联络与多联络2类结构讨论如何升级改造为FDN。
2.2 单联络结构的FDN组网形态
架空网单联络通过一个联络开关,将来自不同中压母线的2回馈线连接起来,正常开环运行。任何一个区段故障后,断开分段开关、闭合联络开关,将负荷转带到相邻馈线,完成负荷转带。
升级改造选在联络点安装2端FSS,代替联络开关。改造后任何一个区段故障后,配合更先进的自动化技术可能做到故障点下游连续供电,进一步提高可靠性。具体改造过程如图1所示。图1中：Fi表示馈线;Li,j表示馈线上的负荷。
电缆单环网的升级改造与架空网单联络相似,在环网点安装FSS,并闭合联络开关,如图2所示。图2中：Bi,j表示馈线段;Si表示开关。
2.3 多联络结构的FDN组网形态
架空网以多分段2联络为例,用FSS代替传统的联络开关并改造接线方式,将另外的联络开关闭合,拆除改造后的冗余开关。改造过程如图3所示。
在图3中,用FSS代替联络开关S3并改造接线方式,闭合联络开关S1,拆除冗余开关S2,改造后3回馈线实现柔性闭环运行。
可看出,FSS组网的FDN与传统主备接线模式具有相同拓扑,区别是用柔性开关替代刚性开关,故主备接线能方便地改造为FSS组网的FDN。
电缆网多联络改造以2个单环网为例,见图4。
在图4中,安装FSS后,闭合联络开关S1、S2,改造后的FDN3回馈线将实现柔性闭环运行。
可以看出,一座多端FSS如同集线器Hub,就可以方便地实现多回馈线的环网形式。
2.4 FDN组网形态小结
1）宜基于现有配电网结构形成FDN组网形态,常用的单联络、多分段多联络、主备、双环等接线都能方便地改造为以FSS为核心组网的FDN。
2）FDN宜部分柔性化,即在网络关键位置柔性化改造,而非全面采用柔性开关替代刚性开关。优点是性价比更好。3）馈线间宜通过单座FSS形成多馈线的柔性闭环组网,而不是通过多座FSS互联。优点是简化网络结构、减少FSS个数。
随着FSS端口数的增加,通过FSS互联的典型接线模式还有很多,例如4端互联和6端互联(见附录A)。由于端口数更多的FSS造价更昂贵、控制更复杂,因此,本文不作详细分析,以下重点对2端和3端FSS组网的FDN进行分析。
3、FDN的运行方式及安全分析方法
以3端FSS互联的2个电缆单环网为例说明FDN的工作方式。为方便与刚性配电网对比,采用第2节图4的FDN改造示意图。
3.1 正常运行方式
电缆网多联络改造后的FDN,正常运行如图5所示,在图5中A1、B1、C1表示FSS的3个端口。
实际中负荷一般分布不均衡,但是由于在正常工作状态下,与FSS相联络的3回馈线间的潮流能选择方向平滑地相互支援,故FDN的馈线等效负荷却能做到相对均衡,达到均衡馈线负荷的目的。
以图5为例,3端FSS在正常运行方式下,以均衡馈线负荷为目标,理想的潮流调节策略如下：
FSS调节互联馈线的潮流量为ΔAFjΔAFj,调节后每回馈线等效负荷为,其中：
式中：j、n取值范围为(j,n)={(1,x),(2,y),(3,z)}(j,n)={(1,x),(2,y),(3,z)}
关于馈线j的等效负荷>”问题,当馈线j的总负荷∑i=1nLj,i∑i=1nLj,i小于3回馈线所带负荷的平均值13(∑i=1xL1,i+∑i=1yL2,i+∑i=1zL3,i)13(∑i=1xL1,i+∑i=1yL2,i+∑i=1zL3,i)时,式(1)中取“+”,表示与馈线j相连的端口吸收功率,相对馈线j等效为ΔAFjΔAFj的负荷,故增大了馈线j的负荷;反之,式(1)中取“-”,表示端口输出功率,相对馈线j等效为ΔAFjΔAFj的电源(图5中可以用负的负荷表示),故减小了馈线j的负荷。3端以上FSS潮流调节和上述原理类似。还需指出,柔性直流的FSS可以做到无功独立控制[18]。
3.2 故障运行方式
3.2.1 刚性配电网故障-1
刚性配电网故障后,将通过操作开关进行负荷转带[13]。例如2分段2联络接线中,某馈线出口故障时,首先断开出口开关,再断开故障下游最近开关隔离故障,然后将非故障段的负荷通过闭合联络开关进行负荷转带。如有需要,可先断开某个分段开关将负荷分为2部分,再分别转带给2回馈线。上述过程,总是先断开馈线出口开关,由于开环运行,因此,非故障段用户都会出现短时停电。
3.2.2 FDN故障-1
电缆网多联络FDN的N-1故障见图6,当馈线F1出口发生故障后,先隔离故障,非故障区段由F2、F3供电。由于正常是闭环运行,因此,故障后消除了非故障段短时停电,提高了供电可靠性。
如果仅安装FSS而不配以其他措施,可靠性提升并不能保证,甚至考虑FSS故障率后,整体可靠性反而会下降。因此,过渡到FDN还采取技术措施：1）有选择地将负荷开关升级为断路器;2）保护及自动化升级,实现故障区段瞬时隔离。
图6中3端FSS在N-1故障运行状态下,负荷转带策略以均衡对端互联馈线F2、F3负荷为目标,理想的潮流调节策略如下：
在保证N-1校验通过,将故障馈线F1负荷转出,则与F1相连的FSS端口将输出功率,相对F1等效为ΔAfF1ΔAF1f的电源,其输出功率与F1负荷相等;
与馈线F2、F3相连的FSS端口将吸收功率,相对F2、F3等效为ΔAfF2ΔAF2f、ΔAfF3ΔAF3f的负荷,故增大了F2、F3的负荷。FSS各端口功率如下：
可见,FDN会根据对端馈线负荷裕度高低,以均衡馈线负荷为目标按需连续分配负荷,充分利用了所有联络馈线的裕度,且无需分段开关操作;而刚性配电网故障后,负荷转带是离散的,即负荷按分段开关分为几段或整体转带,可能使部分接受负荷馈线过载。比较看出,FDN提高了系统的安全性。
3.3 检修运行方式
3.3.1 刚性配电网检修-1
刚性配电网改造前如图4所示,假设馈线段B1,2为检修区,检修操作如下[19]：首先,断开分段开关S3,导致下游负荷停电;其次,断开分段开关S4;最后,闭合联络开关S1或S2,目的是为非检修区恢复供电。
馈线段B1,2检修完成后,为避免合环冲击电流过大,一般需要先断开联络开关S1或S2,这样导致非检修区再次短时停电,然后闭合检修区两侧的分段开关S3和S4,使得馈线F1恢复正常运行。
3.3.2 FDN检修-1
检修过程如图7所示,对馈线段B1,2检修时,只需先后断开检修区两侧的分段开关S3和S4即可。
断开检修区两侧分段开关S3、S4后,S3上游的负荷直接由F1转带,分段开关S4下游的负荷由FSS互联F2、F3进行功率支援。
此时FSS以均衡F2、F3负荷为目标,与F1相连的FSS端口将输出功率,相对F1等效为ΔAmF1ΔAF1m的电源,其输出功率与S4下游的负荷相等;与F2、F3相连的FSS端口将吸收功率,相对F2、F3等效为ΔAmF2ΔAF2m、ΔAmF3ΔAF3m的负荷,故增大了F2、F3的负荷。
FSS各端口功率如下：
可看出,刚性配电网在上述检修中,由于不能合环,导致非检修区段2次短时停电;而FDN由于正常情况是柔性闭环运行,故检修时消除了非检修区段的短时停电,提高了用户的供电可靠性。
3.4 安全性分析方法
N-1安全性判据为：N-1故障后,FSS至少存在一种转带策略,使得非故障段负荷得到供电,并满足各种技术要求,则称其N-1安全。技术要求包括：在N-1转带后流过各馈线段的功率不应大于自身馈线段的容量,接受负荷的主变所带负荷不应大于自身主变容量,故FDN的N-1安全校验通过的判据为故障后对任意的馈线段Bi,j、主变Tk都存在：
式中：PBi,jPBi,j为馈线段Bi,j功率;CBi,jCBi,j为馈线段Bi,j容量;PTkPTk为主变Tk负荷;CTkCTk为主变Tk容量。
FSS的一端馈线故障,该馈线负荷通过FSS转带给其他馈线,定义FSS的负荷转带系数为
式中：αi,uαi,u为馈线i发生N-1故障后,通过FSS向联络的馈线u转带负荷的比例系数(取值范围在0~1之间);∑u∈ΩFSSαi,u∑u∈ΩFSSαi,u为馈线i发生N-1故障后,FSS向所有联络的馈线转带负荷的系数之和(和为1);ΩFSSΩFSS为通过FSS与故障馈线i相联络的馈线集合。
3.4.1 FDN的馈线-1校验方法
根据FDN的N-1安全校验判据,得出FDN的馈线N-1校验的步骤如下：
1）馈线N-1故障后,写出含αi,uαi,u系数不等式约束。
2）在已知负荷的情况下,通过步骤1）写出的不等式约束求解出αi,uαi,u的范围。
3）根据αi,uαi,u范围,判断馈线i的N-1校验是否通过：①αi,uαi,u为固定值且满足式(5),则馈线N-1校验临界通过且FSS转带方式唯一。②αi,uαi,u存在区间且满足式(5),则馈线N-1校验通过且FSS转带方式不唯一。③αi,uαi,u的范围存在不满足式(5),则馈线N-1校验不通过。
3.4.2 FDN的主变-1校验方法
在主变N-1校验时,由于主变所带负荷首先通过站内母联开关转带给同站主变,若不能全部转带,则通过联络馈线转带给站外主变,故主变N-1校验时,同样需要用到馈线N-1的校验方法。
因此,在上述馈线N-1安全校验的基础上,主变Tt在发生N-1故障后,N-1安全校验通过的判据为对任意的馈线段Bi,j、主变Tk都满足式(4)。
相比于馈线N-1安全性校验,主变N-1安全性校验只是多了主变校验,增加了主变、馈线等约束,同样通过不等式求解出αi,uαi,u的范围,从而来判断主变N-1校验是否通过。
3.4.3 转带系数确定方法
采用3.4.1节与3.4.2节的校验方法,若N-1校验通过且FSS转带方式不唯一,即转带系数是一个取值区间时,给出以下相对最优转带策略或最优转带系数计算方法：
假设N-1安全校验后得出αi,uαi,u的取值范围为
根据以馈线负载均衡为目标,可以确定相对最优转带策略下,负荷转带系数为(取中位数)：
在转带系数区间取Mαi,uMαi,u值的情况下,可得到N-1故障转带后,负荷相对均衡分布。
4、算例对比分析
4.1 算例概况
刚性配电网采用文献[13]算例,如图8所示。电网包括：2座110kV变电站、4台40MVA变压器、12回8.92MVA馈线、20个等效负荷。
Ai、Bi、Ci(i=1,2,3,4)为柔性升级改造点。连接Ai、Bi、Ci(i=1,4)所在馈线接线相同：F1和F5均为2分段2联络馈线,其余馈线为单联络结构;连接Ai、Bi、Ci(i=2,3)所在馈线均为2分段2联络。
采用4座端口容量均为10MVA的3端FSS改造后的FDN见图9。
4.2 正常运行场景对比
采用系统达到最高效率时来分析正常运行状态。采用文献[13]方法计算图8和图9配电网的最大供电能力(totalsupplycapability,TSC),得到达到TSC时的负荷分布分别如表1和表2所示。
由表1可知,要达到TSC,刚性配电网会出现馈线空载(F1、F5)和满载(F7、F8、F10、F11)很不均衡的情况,在实际中这样的负荷分布很难实现。
可看出,FSS1的A1端口吸收功率,相对F1等效为3.407MVA的负荷,因此增大了F1负荷;而B1、C1输出功率,相对F7、F10分别等效为0.275MVA和3.123MVA的电源,因此减小了F7、F10负荷。FSS13端视在功率和为0,遵守能量守恒。
可见,FDN有较好的均衡负载能力,能在各种负荷分布下达到TSC,真正充分利用了电网容量。
4.3 场景对比
为对比2种电网的N-1安全性,负荷都用FDN在TSC下的负荷分布。刚性配电网的N-1安全校验结果如表4所示。由表4得出馈线N-1校验通过率为66.67%,主变N-1校验通过率为50%。
利用3.4节方法对FDN进行N-1校验,结果均通过。FDN相比刚性配电网馈线N-1校验通过
率提高33.33%,主变N-1校验通过率提高50%。
以安装FSS1前后与之相联络的馈线N-1故障为例说明原因,安装FSS1前如图10所示。
图10中刚性配网F7安全校验时,断开开关S1,此时F7上的负荷通过闭合S2向F1转带,转带后F1负荷为11.892MVA(L1,10、L1,7、L7,1之和),过载2.972MVA,故校验不通过。安装FSS1后见图11。
在图11中F7校验时,断开S1,此时FSS1的A1、C1端口吸收功率LA1、LC1,相对F1、F10均等效为2.973MVA负荷,此时F1与F10所带总负荷均为8.919MVA,小于馈线容量;而B1端口输出功率WB1=LA1+LC1,相对F7等效为5.946MVA电源,发出功率恰好为F7负荷L7,因此F7的N-1校验通过。
综上,N-1发生后,FDN根据对端馈线负荷裕度高低按需连续分配负荷,能更充分利用所有联络馈线的负荷裕度,因此,FDN提高了系统的安全性。
4.4 供电能力对比
2个算例的TSC均为71.35MVA,但FDN能在任意负荷分布下达到TSC,而传统配网只在特定负荷分布下达到TSC,有时会很不均衡,即FDN使TSC在实际中很容易实现,真正提升了供电能力。此外,当多联络馈线容量小于单联络馈线容量时,FDN还会提高TSC,FDN的TSC研究详见文献[13]。
4.5 较大算例验证
本文方法与结论同样适用于较大规模算例。采用IEEERBTSbus4扩展算例分析,柔性化前后电网概况见附录B,分析对比结果见附录C。
5、结论
本文明确了柔性配电网FDN的定义及其特征;提出了以柔性开闭站FSS为核心的多馈线互联组网形态;提出了从现有接线到FDN的过渡方式;提出了FDN的运行方式以及安全性分析方法。与传统刚性配电网对比,发现FDN的优势如下：
1）在正常运行方面,FDN能较好地均衡馈线以及变电站主变的负载,安全裕度更高;而刚性配电网会出现重载或者轻载很不均衡的情况。
2）在N-1安全性方面,由于FSS在多回馈线间具有连续负荷分配能力,能充分利用网络相互支持,安全性更高;而刚性配电网依靠开关重构的负荷转移是离散的,相对FDN安全性更低。
3）在供电能力方面,FDN不仅会提升TSC,并且TSC能在各种负荷分布下达到,在实际中容易实现;而刚性配电网在很多分布下无法实现TSC。
柔性化是配电网发展的一个重要趋势,FDN概念会带来很多令人感兴趣的课题,如柔性化程度如何衡量、如何确定合理的柔性度。后续研究还将提高计算精度,计及损耗和FSS无功输出的独立性,并考虑DG、储能、用户响应等因素,研究FDN对消纳间歇性DG的作用。
必须指出,电力电子器件应用于中压配电网目前还存可靠性、损耗和成本等问题[20],FDN的研究仍处于概念和起步阶段,大规模的推广应用还需要时间。但随着科学技术的发展以及新型可关断器件的出现[20],FDN在未来应具有广阔的前景。
附录A 4端、6端FSS的FDN组网形态
随着FSS端口数的增加，FDN通过FSS互联的典型接线模式还有很多，例如：4端互联和6端互联。4端结构适用于双环和双射，如图A1所示。
6端结构适用于一个双环与一个单环，如图A2所示。
附录B IEEERBTSbus4扩展算例柔性化改造方案
图B1所示为IEEERBTSbus4扩展算例，在原始算例基础上新增加9回馈线，扩展后电网共3座33kV变电站、6台主变、16回10kV馈线。主干线路型号有JKLYJ-150和JKLYJ-1202种，对应额定容量分别为6.91MVA和5.83MVA，主变额定容量有16MVA和10MVA2种。扩展后电网详细数据如表B1所示。
图中：SPi为变电站；Si为主变；Fi为馈线；LPij为馈线上的等效负荷点；TSi为联络开关。
在联络点处安装FSS后，图B1改造后的FDN如图B2所示。图中：Ai，Bi，Ci表示FSS的端口，装置容量为10MVA。
附录C IEEERBTSbus4扩展算例柔性化改造前后对比结果
1）正常运行情况对比。刚性配电网取TSC工作点下的一种负荷分布，FDN取负荷总量等于刚性配电网TSC值的负荷分布。通过计算刚性配电网的TSC，达到TSC时的负荷分布结果见表C1，FDN的等效负荷分布见表C2。
刚性配电网要达到TSC时，会出现馈线空载(F3、F6、F9、F15)和满载(F4、F10)很不均衡的情况，在实际情况中这样的负荷分布很难实现。而表C2显示，达到传统电网TSC时，FDN的实际负荷并不均衡，馈线F5、F7、F11处于轻载状态，甚至出现馈线F2、F8、F9所带的负荷超过了馈线容量，但是通过FSS均衡后，所有馈线的等效负荷均在馈线容量允许范围内，且处于相对均衡的状态，原因如4.2节所述，FSS能达到均衡馈线负荷的目的。对应各FSS潮流调节状态与功率数值见表C3。
2）N1安全性对比。为了对比2种电网的N1安全性，将2种电网的负荷分布都用FDN的负荷总量等于传统配电网TSC值的负荷分布。刚性配电网的N1安全校验结果见表C4。
由表C4得出馈线N-1校验通过率为62.5%，主变N1校验通过率为16.67%。利用3.4节中的N1安全分析方法，对FDN进行N1安全分析，结果表明主变、馈线N1校验均通过。FDN相比刚性配电网馈线N1校验通过率提高37.5%，主变N1校验通过率提高83.33%。原因如4.3节所述，FDN能够有效提高系统的安全性。
3）供电能力对比。扩展算例的TSC为49.82MVA，而改造后的FDN的TSC为53.565MVA，FDN的TSC相对于传统配电网TSC提高了7.52%。除此之外，如4.4所述FDN的TSC下的负荷分布更加均衡，在实际中很容易实现，真正提升了供电能力。
原标题：【热点专题论文】天津大学肖峻等：柔性配电网：定义、组网形态与运行方式
