肖 峻，李承晉，焦 衡

（智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

智能配電系統(tǒng)包含分布式發(fā)電（distributed generation，DG）、儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）、需求響應(yīng)（demand response，DR）、微電網(wǎng)（microgrid，MG）、智 能 軟 開 關(guān)（soft open point，SOP）等新元件［1］。系統(tǒng)潮流由單向變?yōu)殡p向［2］，系統(tǒng)功能由單純供電變?yōu)楣╇姾虳G 消納［3-4］，且系統(tǒng)中可控資源更豐富，由負荷剛性用電和DG 被動限制變?yōu)樨摵扇嵝杂秒姡?-6］和DG 主動管理［7-8］等。配電網(wǎng)的安全分析方法面臨新的挑戰(zhàn)。

安全分析是配電網(wǎng)分析的基本內(nèi)容［9］，相關(guān)研究也包括建立在N-1 安全準(zhǔn)則上的配電網(wǎng)安全域［10］和供電能力［11］研究?？紤]智能配電系統(tǒng)新元件后，該領(lǐng)域已取得一定成果。文獻［4］提出一種集合的方法評估間歇性DG 的不確定性可接受邊界。文獻［2］考慮雙向潮流，建立了含DG 有源配電網(wǎng)的全象限安全域。文獻［12］刻畫了配電網(wǎng)DG 在不同控制策略下的注入可行域。文獻［13］提出一種計及N-1 安全的配電網(wǎng)與分布式儲能聯(lián)合規(guī)劃方法，考慮了儲能充放電支持配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供。文獻［14］研究了計及雙向能量交換型負荷的配電網(wǎng)最大供電能力。文獻［15］建立了含SOP 柔性配電網(wǎng)的N-0 安全域模型，分析了SOP 的功率靈活傳輸能力對安全域的作用。上述研究僅考慮了單一類型新元件的影響。

最新的安全分析研究開始同時考慮多種新元件。文獻［16］嚴(yán)格證明了含DG、ESS、主動負荷等多種分布式能源的配電系統(tǒng)安全域的存在性。文獻［17］建立了計及DG 和DR 的配電系統(tǒng)安全域，并綜合分析二者的作用機理。文獻［18］提出主動配電網(wǎng)靜態(tài)安全分析方法，考慮負荷與風(fēng)光DG、ESS 形成孤島及平移負荷等主動管理，但未考慮可控DG、ESS 的產(chǎn)權(quán)歸屬等，建模時可能會引起某個節(jié)點是用戶需求還是調(diào)控措施的誤判［19］。文獻［19］建立了含ESS 有源配電網(wǎng)的N-0 安全域模型，計及了ESS 的接入電壓等級與產(chǎn)權(quán)歸屬，考慮了ESS 與負荷DR、DG 主動管理的配合。分析已有文獻（詳見附錄A）可知，現(xiàn)有智能配電系統(tǒng)安全分析研究計及的新元件多為1～2 種，最多3 種，尚無計及完整新元件的配電網(wǎng)安全分析的文獻報道。

為此，本文對含完整新元件的智能配電系統(tǒng)開展安全性研究?？紤]到新元件在網(wǎng)絡(luò)拓撲上主要體現(xiàn)為接入中壓側(cè)的注入或流出節(jié)點，因此建立各新元件的節(jié)點模型。本文計及了DG、ESS、DR、MG、SOP 這5 類新元件，同時計及線路、負荷、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)等傳統(tǒng)元件。模型考慮了各類元件在中低壓側(cè)的不同組合，區(qū)分間歇性DG 和可控DG，考慮了ESS 的產(chǎn)權(quán)以及是否允許倒送的調(diào)度規(guī)則。

在安全性建模中，新元件的調(diào)節(jié)能力是一個關(guān)鍵因素，現(xiàn)有研究分析了單一或幾個新元件的功率可調(diào)節(jié)特性［14-15，17-19］，但尚未從對配電網(wǎng)整體安全性貢獻的角度統(tǒng)一不同元件的可調(diào)節(jié)特性。本文將其統(tǒng)一為安全服務(wù)能力（security service capability，SSC），提出了基于SSC 的安全分析新方法。SSC反映了各類新元件體現(xiàn)在配電網(wǎng)側(cè)可服務(wù)于配電網(wǎng)安全性的實時功率調(diào)節(jié)能力。最后，通過算例驗證了模型與方法的有效性。

1 基于SSC 的安全分析方法

1.1 邊界條件

本文以城市中壓（10 kV）配電網(wǎng)為研究對象，計及低壓側(cè)負荷、DG 和儲能等的接入，饋線中各新元件具有數(shù)據(jù)采集與通信能力。實際中配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)連接，穩(wěn)定性問題一般在上級220 kV 以上主網(wǎng)或輸電網(wǎng)中考慮。本文主要針對N-0 和N-1安全下的靜態(tài)安全，考慮正常運行和單一元件退出后的元件容量過載和節(jié)點電壓越限。

本文規(guī)定節(jié)點流出功率為正、注入功率為負。

1.2 安全問題

定義安全問題為主變壓器饋線等容量越限、節(jié)點電壓越限等威脅配電網(wǎng)安全運行的事故，記為χ。

定義安全事件為引起安全問題的預(yù)想事件。其中，N-0 安全事件包括負荷大幅變化和DG 出力劇烈波動等；N-1 安全事件包括主變壓器N-1 和饋線N-1 等。

1.3 安全需求

安全事件后出現(xiàn)安全問題，系統(tǒng)產(chǎn)生安全需求。定義安全需求為配電網(wǎng)為保持安全運行對中壓側(cè)節(jié)點提出的功率調(diào)節(jié)要求，相關(guān)定義如下：

1）安全需求方向

安全需求方向是指配電網(wǎng)需要中壓側(cè)節(jié)點功率調(diào)節(jié)的方向，包括減小流出功率、減小注入功率、增大流出功率、增大注入功率4 個方向。

不同運行場景下，配電網(wǎng)的安全需求方向不同，應(yīng)分別分析。按照支路的功率方向，劃分供電、倒送兩種運行場景。供電場景下發(fā)生安全事件，將出現(xiàn)或接近正向容量越界和電壓越下限，安全需求方向為減小流出、增大注入；倒送場景下發(fā)生安全事件，將出現(xiàn)或接近反向容量越界和電壓越上限，安全需求方向為減小注入、增大流出。

對于一回饋線，若饋線出口為正向潮流，則認為饋線整體處于供電場景；反之饋線整體處于倒送場景。需要指出的是，實際中也存在整體和局部運行場景不一致的情況：整體供電場景下某些局部倒送，整體倒送場景下某些局部正向供電。當(dāng)整體和局部的運行場景不一致時，應(yīng)按各局部的場景來分析安全需求方向。

2）安全需求量

安全需求量是指配電網(wǎng)為恢復(fù)安全，所有與當(dāng)前安全問題相關(guān)的中壓側(cè)節(jié)點按安全需求方向，相對當(dāng)前狀態(tài)的功率調(diào)節(jié)總量。安全問題χ的安全需求量記為Δ。

安全需求量的精確值需通過潮流計算迭代逼近求得，工程實際中可估算。例如，饋線過載了ΔS的功率，可按式（1）估算安全需求量：

式中：r為網(wǎng)損率；M為裕度系數(shù)。

式（1）的物理意義是，過載饋線潮流恢復(fù)正常所需減少的量，且留有一定裕度。

3）安全需求時間

安全需求時間是指配電網(wǎng)需要中壓側(cè)節(jié)點功率調(diào)節(jié)并需維持的最短時間，記為ΔTS。用戶需求響應(yīng)、儲能等需要用到安全需求時間。

1.4 安全服務(wù)

安全問題發(fā)生后，需要配電系統(tǒng)提供安全服務(wù)以滿足安全需求。應(yīng)優(yōu)先考慮倒閘操作等傳統(tǒng)安全措施，當(dāng)其不能完全滿足安全需求時，再調(diào)動可控DG、儲能等各類靈活資源提供安全服務(wù)。

靈活資源的安全服務(wù)是指中壓側(cè)節(jié)點接受配電網(wǎng)調(diào)度或簽署了協(xié)議，從而做出有利于安全運行的功率調(diào)節(jié)。文獻［19］定義了分布式儲能的SSC，本文進一步定義的SSC 是當(dāng)前時刻按安全需求方向，節(jié)點、饋線和整個配電網(wǎng)的最大功率調(diào)節(jié)量。

SSC 有6 個 相 關(guān) 定 義。定 義1、2、3 分 別 為 節(jié)點、饋線、全網(wǎng)3 個層級的SSC，為調(diào)度員提供SSC在全網(wǎng)不同層級的分布，它們與運行時的安全問題無關(guān)。而針對某個具體安全問題，實際能起作用的SSC 定義為可用SSC，即定義4。此外，定義5 和定義6 是2 個與SSC 相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，即服務(wù)后功率和服務(wù)后功率極值。

1）定義1：節(jié)點SSC

節(jié)點SSC 是指中壓側(cè)節(jié)點按安全需求方向，在當(dāng)前功率基礎(chǔ)上所能做的最大功率調(diào)節(jié)量。

t時刻節(jié)點i的SSC 記為Ci(t)，如式（2）所示。

式中：Si(t)為節(jié)點i在t時刻的功率；Slimi(t')為節(jié)點i在t時刻安全服務(wù)后t'時刻能達到的功率極值。

從上述定義和計算公式可知，Ci(t)具有以下特征：Ci(t)是一個非負數(shù)，為0 表示該節(jié)點不參加或不能提供安全服務(wù)；Ci(t)由節(jié)點實時運行狀態(tài)決定，計算Ci(t)無須對節(jié)點功率預(yù)測，也不受預(yù)測中可再生能源、負荷不確定性和隨機性等的影響；Ci(t)不是固定的，而是實時變化的。原因主要有以下3 點：（a）受安全需求方向影響，只有符合需求方向的功率調(diào)節(jié)才是SSC，而安全需求方向與運行場景有關(guān)；（b）受用戶需求響應(yīng)影響，用戶需求響應(yīng)與協(xié)議、用戶響應(yīng)意愿和實時電價等有關(guān)[20-22]；（c）受儲能的荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）狀態(tài)影響，儲能的SOC 是時變的[19]。

2）定義2：饋線SSC

饋線SSC 是指饋線上所有節(jié)點的SSC 之和。

t時 刻 饋 線Fi的SSC 記 為CFi(t)。

式中：j∈Fi表示節(jié)點j在饋線Fi上。

3）定義3：全網(wǎng)SSC

全網(wǎng)SSC 是指配電網(wǎng)中所有饋線的SSC 之和。

t時刻配電網(wǎng)的SSC 記為CDN(t)。

式中：Fi∈DN表示饋線Fi包含于所研究配電網(wǎng)DN。

其中，饋線與其各節(jié)點SSC 的關(guān)系、全網(wǎng)與其各饋線SSC 的關(guān)系，嚴(yán)格意義上由潮流計算確定。本文從實用角度出發(fā)，將其簡化定義為線性求和，便于運行人員實際使用。本文方法所得結(jié)果與潮流計算所得結(jié)果誤差較小，算例結(jié)果對比詳見附錄B表B1。

4）定義4：可用SSC

若中壓側(cè)節(jié)點i按安全需求方向調(diào)節(jié)功率后，對安全問題χ有改善，則稱節(jié)點i與安全問題χ相關(guān)。與安全問題χ相關(guān)節(jié)點的集合記為ΧN。

可用SSC 是指配電網(wǎng)中所有與安全問題χ相關(guān)的節(jié)點SSC 之和。t時刻，對安全問題χ的可用SSC記為Cχ(t)：

式中：i∈XN表示節(jié)點i與安全問題χ相關(guān)。

5）定義5：安全服務(wù)后功率

安全服務(wù)后功率是指中壓側(cè)節(jié)點在安全服務(wù)后t'時刻的視在功率，節(jié)點i安全服務(wù)后功率記為Si(t')，其功率范圍計算如式（6）所示。

供電場景下，安全需求方向為減小流出、增大注入，服務(wù)后功率能從Si(t)減小直至Ci(t)完全發(fā)揮；倒送場景下，安全需求方向為減小注入、增大流出，服務(wù)后功率能從Si(t)增大直至Ci(t)完全發(fā)揮。

6）定義6：服務(wù)后功率極值

服務(wù)后功率極值是指中壓側(cè)節(jié)點在t時刻安全服務(wù)后t'時刻能達到的功率極值，即式（2）的(t')。

1.5 安全分析

配電網(wǎng)安全分析比優(yōu)化調(diào)度能獲得更多的安全信息。優(yōu)化調(diào)度一般在N-0 約束內(nèi)尋找最優(yōu)解；而安全分析通常計及N-0 和N-1 約束，對預(yù)想安全事件進行掃描分析，評估運行點的安全水平，獲得越界量、越界元件及運行點到安全邊界的距離（安全或不安全的程度）［23］，以便采取預(yù)防性控制措施。運行點是能反映當(dāng)前配電系統(tǒng)安全狀態(tài)的獨立變量向量［10，17，19］，t時刻的運行點記為W(t)。

本文在SSC 和元件模型基礎(chǔ)上，考慮各類新元件提出了新的安全分析方法。方法原始數(shù)據(jù)包括：1）配電網(wǎng)拓撲與線路參數(shù)；2）當(dāng)前時刻的節(jié)點功率；3）各元件功率的上下限、功率因數(shù)；4）當(dāng)前時刻需求響應(yīng)負荷的可削減負荷比例αi和可增長負荷比例βi；5）儲能的能量容量、充放電效率、SOC 上下限、當(dāng)前時刻的SOC；6）安全需求時間。

方法步驟如下：

1）元件建模，重點是利用已知信息實時計算節(jié)點SSC。

2）安全需求分析。發(fā)生安全事件后，判斷配電網(wǎng)是否有安全問題χ。確定安全需求方向，估算安全需求量Δ。

3）SSC 與安全需求量匹配。先采用安全問題χ所在饋線的SSC 估算。饋線SSC 大于安全需求量Δ，饋線上的靈活資源安全服務(wù)才有可能解決安全問題χ。再進行可用SSC 精算，找出與安全問題χ相關(guān)的節(jié)點，即確定集合ΧN，得到ΧN內(nèi)節(jié)點SSC。計 算 可 用SSC，即Cχ(t)。比 較Cχ(t) 和Δ，若Cχ(t)≥Δ，則相關(guān)節(jié)點安全服務(wù)能解決安全問題χ；反之不能，需考慮除節(jié)點安全服務(wù)外的其他措施。

4）生成可選控制方案。對節(jié)點i∈ΧN，比較Ci(t)和Δ，若Ci(t)≥Δ，則節(jié)點i安全服務(wù)能解決χ；若Δ＞Ci(t)＞0，則節(jié)點i能緩解χ但不足以解決，需考慮ΧN內(nèi)的其他節(jié)點，或多節(jié)點配合解決χ。此時，按盡量減小對用戶影響和減少操作數(shù)量的原則安排控制方案。

2 智能配電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)造含完整新元件且拓撲結(jié)構(gòu)滿足N-1安全的中壓配電網(wǎng)簡單算例，如圖1 所示。圖中：間歇性DG 指風(fēng)機和光伏；“+DR”代表參與需求響應(yīng)，參與DR 的間歇性DG 出力可削減；可控DG 指燃氣輪機、生物質(zhì)能等，其出力上下可調(diào)。圖1 算例包含兩回饋線，通過SOP 互聯(lián)?！暗顾汀惫?jié)點4、5、12的負荷較小，DG 可倒送；節(jié)點2 負荷較大，DG 就地消納。

圖1 含完整新元件的中壓配電網(wǎng)簡單算例Fig.1 Simple case of medium-voltage distribution network with complete new components

從對配電網(wǎng)安全性貢獻的角度，儲能分類如下［19］。節(jié)點6、14 儲能產(chǎn)權(quán)歸屬用戶，前者僅作為用戶需求而不參與安全服務(wù)，后者與配電網(wǎng)簽訂了安全協(xié)議，系統(tǒng)需要時服從調(diào)度，參與安全服務(wù)；節(jié)點7 儲能是產(chǎn)權(quán)歸屬配電系統(tǒng)運營商的公共儲能，服從調(diào)度，參與安全服務(wù)；節(jié)點11、13 內(nèi)部也含有儲能，前者受微電網(wǎng)內(nèi)部控制，融入微電網(wǎng)模型中，后者是新能源場站的自配儲能，用于平滑DG 出力，融入DG 模型中。

在配電網(wǎng)安全分析中，對各類新元件的建模結(jié)果體現(xiàn)為中壓側(cè)的節(jié)點模型。圖1 進行中壓側(cè)等效，各節(jié)點呈現(xiàn)為流出或注入功率，見附錄C 圖C1。

3 面向安全分析的元件建模

3.1 安全性角色類型

傳統(tǒng)按流出/注入功率劃分節(jié)點類型不能反映節(jié)點在配電網(wǎng)安全中的需求-服務(wù)關(guān)系，本文將節(jié)點在安全性中的角色劃分為以下3 種類型：

1）需求型節(jié)點（node of demand，ND）是單純向配電網(wǎng)提出流出/注入功率需求，不提供安全服務(wù)的節(jié)點，如不參與需求響應(yīng)的普通負荷和DG 等。此類節(jié)點僅作為配電網(wǎng)中的被服務(wù)對象。建模應(yīng)掌握其功率范圍。

2）服務(wù)型節(jié)點（node of service，NS）是能提供安全服務(wù)，且安全服務(wù)時沒有流出/注入功率需求的節(jié)點，如公共儲能等。此類節(jié)點在配電網(wǎng)需要時是安全服務(wù)的靈活資源。建模應(yīng)掌握其SSC。

3）混合型節(jié)點（node of mixture，NM）是能提供安全服務(wù)，但安全服務(wù)時仍存在流出/注入功率需求的節(jié)點，如參與需求響應(yīng)的負荷、間歇性DG 等。此類節(jié)點可作為“有條件的”安全服務(wù)資源，在配電網(wǎng)需要時可調(diào)節(jié)功率做出相應(yīng)讓步，但仍存在一定流出/注入功率的需求。建模應(yīng)掌握其功率范圍和SSC。

3.2 安全性角色分析

為建立節(jié)點模型，先分析各節(jié)點在安全性中的角色、安全服務(wù)方式和限制情況?？紤]各種元件不同組合、儲能產(chǎn)權(quán)以及是否允許倒送，生成15 種節(jié)點，其分析結(jié)果如表1 所示。

表1 智能配電系統(tǒng)元件在安全性中的角色Table 1 Roles of components in security of smart distribution system

表1 中，變電站10 kV 母線的角色是平衡節(jié)點，不屬于3 類節(jié)點中的任何一類，既不提出流出/注入功率的需求，也不接受配電網(wǎng)調(diào)度或簽署協(xié)議參與安全服務(wù)，而是自動平衡功率。

表1 最后1 列明確了此節(jié)點是否作為運行點變量。將需求型節(jié)點和混合型節(jié)點的t時刻節(jié)點功率歸入運行點，反映實時需求；服務(wù)型節(jié)點功率不作為運行點，但作為運行參數(shù)，在建模、計算SSC 和安全分析時也需要。

3.3 元件建模

針對表1 中的元件，建立在配電網(wǎng)安全分析中的數(shù)學(xué)模型。建模時，需要考慮節(jié)點功率上下限，以及節(jié)點的安全服務(wù)。本文模型的特點和關(guān)鍵在于：為便于配電網(wǎng)安全分析，在反映元件運行機理［24］的基礎(chǔ)上，用SSC 來統(tǒng)一描述不同元件可調(diào)節(jié)特性對配電網(wǎng)安全性的貢獻。

模型包括原始模型和等效模型。原始模型是計及中低壓的詳細模型，體現(xiàn)中低壓元件原始的參數(shù)和約束；等效模型是等效到中壓側(cè)的模型，由原始模型推導(dǎo)得到，完全通過中壓側(cè)的等效流出或注入功率來描述。等效模型便于安全分析直接應(yīng)用。本文以表1 第9 個元件含倒送間歇性DG 的負荷+DR 為例，展示從原始模型到等效模型的完整建模過程。所有元件的建模過程和模型如附錄D 所示[25-34]。

含倒送間歇性DG 的負荷+DR 通過需求響應(yīng)增減負荷、減小DG 出力以提供安全服務(wù)。等效到中壓側(cè)是一個混合型可調(diào)流出/注入節(jié)點。

原始模型整體如式（7）—式（18）所示。其中，式（7）—式（10）描述內(nèi)部負荷、DG 的功率范圍；式（11）表示節(jié)點凈功率大小不超配電變壓器容量；式（12）表示存在時刻t功率倒送；式（13）、式（14）為供電場景的安全服務(wù)，不能要求間歇性DG 出力增大，只能削減負荷；式（15）—式（18）是倒送場景的安全服務(wù)，減小DG 出力，引導(dǎo)負荷增大。供電和倒送場景的公式是“或”的關(guān)系。

供電場景：

倒送場景：

可削減負荷比例αi、可增長負荷比例βi應(yīng)實時計算。根據(jù)DR 協(xié)議，考慮響應(yīng)成本、響應(yīng)收益、未響應(yīng)懲罰、響應(yīng)時段電價及用戶意愿等因素，可建立以用戶總效益最大（或總損失最?。槟繕?biāo)的DR 模型［20-22，26］。計算用戶響應(yīng)量，轉(zhuǎn)換為可削減/增長負荷再與響應(yīng)前負荷做比值。本文參考文獻［20］方法計算αi和βi。

可見，原始模型體現(xiàn)了低壓側(cè)元件原始的參數(shù)和約束。首先，描述內(nèi)部負荷；然后，描述內(nèi)部DG；再考慮容量約束、功率倒送條件；最后，分別描述不同場景的安全服務(wù)。

等效模型是流出/注入功率Si，滿足式（19）—式（26）。其中，式（19）描述了Si的構(gòu)成，它不超出配電變壓器容量；式（20）、式（21）描述了Si的范圍，決定于內(nèi)部負荷、DG；式（22）表示存在時刻t功率Si倒送；式（23）、式（24）描述供電場景的安全服務(wù)，SSC 是可削減負荷全部削減，不能要求DG 增大出力；式（25）、式（26）描述倒送場景的安全服務(wù)，SSC是可增長負荷全部增長、DG 減到最小。

供電場景：

倒送場景：

4 算例分析

4.1 算例概況

以圖1 算例為例驗證本文模型和方法。線路單位阻抗為(0.08+j0.09) Ω/km，各饋線段長度設(shè)為1 km，饋線容量取5 MV·A。負荷最小功率、DG 最小出力取0 MV·A。設(shè)需求響應(yīng)負荷4、5、9、11 是可中斷負荷［17，20］，可削減負荷比例αi和可增長負荷比例βi見附錄E 第E4.1、E5.1、E9.1、E11.1 節(jié)。儲能能量容量取2 MW·h，功率因數(shù)為0.95，充放電效率為0.95，SOC 上、下限分別取100%、25%，安全需求時間ΔTS=1 h。SOP 端口容量取4.50 MV·A，功率因數(shù)為1.00。節(jié)點基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2 所示。其中，節(jié)點1、8、15、16 沒有表中數(shù)據(jù)。除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一些節(jié)點還需已知典型日01：00—24：00 實時運行數(shù)據(jù)，詳見附錄E。

表2 節(jié)點基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of nodes

4.2 建模過程

本文以具有代表性的節(jié)點4 為例給出建模過程，其他節(jié)點的建模過程見附錄E。

節(jié)點4 是含倒送間歇性DG 的負荷+DR。先由式（19）—式（22）計算節(jié)點功率上下限為［-1.09，2.50］ MV·A；再分別計算供電場景和倒送場景的SSC。

4.2.1 供電場景

20：00 時刻，運行點為W(t20)，此時節(jié)點4 在中壓側(cè)體現(xiàn)為1.96 MV·A 的流出功率。供電場景下發(fā)生安全事件，配電網(wǎng)對節(jié)點4 的安全需求方向是減小流出。

24 h 內(nèi)節(jié)點4 的可削減負荷比例α4見附錄E 表E1，20：00 時刻其值等于18.27%。

由式（23）—式（24）計算SSC 如下：

可知，節(jié)點4 在t20時刻的SSC 為0.40 MV·A，此時節(jié)點4 參與安全服務(wù)，中壓側(cè)的流出功率最多能從1.96 MV·A 削減到1.56 MV·A。

0.40 MV·A 的SSC 在節(jié)點內(nèi)部實現(xiàn)為需求響應(yīng)削減負荷；DG 為間歇性，故不能要求其出力增大。

4.2.2 倒送場景

03：00 時刻，運行點為W(t3)，此時節(jié)點4 在中壓側(cè)體現(xiàn)為0.34 MV·A 的注入功率。倒送場景下發(fā)生安全事件，配電網(wǎng)對節(jié)點4 的安全需求方向是減小注入。

24 h 內(nèi)節(jié)點4 的可增長負荷比例β4見附錄E 表E1，03：00 時刻其值等于29.59%。

由式（25）、式（26）計算SSC 如下：

-0.33 MV·A ≤S4(t'3)≤0.67 MV·A （32）

可知，節(jié)點4 在t3時刻的SSC 為1.00 MV·A，此時，節(jié)點4 參與安全服務(wù)，中壓側(cè)功率最多能從0.33 MV·A 的注入減少并變?yōu)?.67 MV·A 的流出。

1.00 MV·A 的SSC 在節(jié)點4 內(nèi)部實現(xiàn)為DG 出力減小直至0 MV·A，需求響應(yīng)增大負荷。

4.2.3 結(jié)果匯總

24 h 節(jié)點4 的SSC 如表3 所示。由表3 可以看出：1）不同場景有不同的安全需求方向和安全服務(wù)方式，05：00—24：00 供電場景的安全服務(wù)是減小流出功率，其中，05：00 由流出功率轉(zhuǎn)為注入，01：00—04：00 倒送場景的安全服務(wù)是減小注入功率轉(zhuǎn)為流出；2）節(jié)點的SSC 是時變的，節(jié)點4 的SSC 在供電場景下在0.27～0.44 MV·A 范圍內(nèi)變化，倒送場景下在0.81～1.00 MV·A 范圍內(nèi)變化。

表3 24 h 節(jié)點4 能提供的安全服務(wù)Table 3 Security services provided by node 4 in 24 hours

決定SSC 大小的機理在不同場景下不同。供電場景下，根據(jù)式（27），節(jié)點4 的SSC 來自需求響應(yīng)削減負荷。因此，可削減負荷比例α4和原負荷越大，SSC 越大。倒送場景下，根據(jù)式（30），SSC 來自DG 減小到0 和需求響應(yīng)增大負荷。因此，原DG 出力越大，可增長負荷比例β4和原負荷越大，SSC越大。

綜上，在安全分析中，節(jié)點4 中壓側(cè)等效模型是流出/注入功率S4，它滿足：1）節(jié)點功率上下限，即-1.09 MV·A ≤S4≤2.50 MV·A；2）安全服務(wù)時，節(jié)點4 的實時SSC 以及服務(wù)前后的功率變化范圍如圖2 所示。

圖2 節(jié)點4 的SSC 及服務(wù)前后功率變化范圍Fig.2 SSC and power change range before and after services of node 4

4.3 建模結(jié)果

首先匯總各節(jié)點中壓側(cè)等效模型，SSC 是模型中最重要的結(jié)果，故詳細分析節(jié)點SSC，并進一步得到饋線SSC 和全網(wǎng)SSC。

4.3.1 模型匯總

算例各節(jié)點的等效模型匯總?cè)绫? 所示。表4匯總了配電網(wǎng)中各類元件或元件組合的安全分析模型，本文的模型具有以下特點：

表4 算例的元件模型結(jié)果匯總Table 4 Summary of component model results for case

1）劃分了不同的安全性角色；

2）描述了元件正常運行時配電網(wǎng)的“感受”，可呈現(xiàn)為負荷、DG 或儲能，SOP 的2 個端口呈現(xiàn)為2 個儲能節(jié)點；

3）描述了服務(wù)型、混合型節(jié)點在安全服務(wù)時配電網(wǎng)的“感受”，可呈現(xiàn)為負荷削減、DG 出力增大或儲能增大/減小充/放電；

4）SSC 量化了安全服務(wù)，是模型中最重要數(shù)據(jù)，以下詳細分析。

4.3.2 SSC

在配電網(wǎng)運行中實時計算節(jié)點SSC、饋線SSC和全網(wǎng)SSC。

1）節(jié)點SSC

本文給出節(jié)點4 的24 h 的SSC，如圖3 所示。其他節(jié)點SSC 見附錄F。

圖3 24 h 節(jié)點4 的SSCFig.3 SSC of node 4 in 24 hours

由圖3 可見，節(jié)點SSC 實時變化。在倒送場景、供電場景下相差較大，原因是不同場景安全服務(wù)方式不同。本文還分析了SOP 端口的SSC。對比它們的SSC 與互聯(lián)饋線的負荷裕度數(shù)據(jù)，部分時刻數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 SOP 端口SSC 和互聯(lián)饋線的負荷裕度對比Table 5 Comparison between SSC of SOP port and load margins of interconnection feeder

由表5 可知，各時刻SOP 兩個端口的SSC 均等于互聯(lián)饋線的負荷裕度。特別地，20：00 時刻，饋線F1過載，負荷裕度為負，F(xiàn)2不能通過SOP 從互聯(lián)饋線F1獲得功率支援，對應(yīng)的C16為0 MV·A。可見，SOP 端口SSC 來自互聯(lián)饋線的負荷裕度。

2）饋線SSC

由式（3）計算饋線F1和F2的SSC。24 h 內(nèi)，CF1∈[2.85，7.11] MV·A，CF2∈[1.35，7.56] MV·A，實時變化如圖4 所示。通過圖4，調(diào)度人員能夠直觀地掌握各饋線實時的SSC。

圖4 饋線SSCFig.4 Feeder SSC

3）全網(wǎng)SSC

由 式（4） 計 算 全 網(wǎng) SSC。 24 h 內(nèi) ，CDN∈[4.63，13.71] MV·A，實 時 變 化 見 附 錄G 圖G1。通過圖G1，調(diào)度人員能夠直觀地掌握該配電網(wǎng)整體的SSC。

4.4 安全分析

基于4.3 節(jié)所得各節(jié)點模型，對算例進行安全分析，驗證模型的正確性和便利性。本文以供電場景22：00 時刻為例。

4.4.1 運行點數(shù)據(jù)及安全事件

運 行 點W(t22)=[S2，…，S6，S9，…，S13]=[1.82，-0.90，1.37，1.37，0.41，1.82，-0.82，1.37，1.37，-0.43] MV·A。該時刻各節(jié)點SSC 已實時計算得到，標(biāo)注在圖5 上。圖中：黑色正體數(shù)字為節(jié)點中壓側(cè)功率，紅色數(shù)字為節(jié)點SSC，單位為MV·A。

圖5 運行點W (t22)以及故障位置Fig.5 Operation point W (t22) and fault location

安全事件是F1，4發(fā)生故障，下游經(jīng)SOP 由F2轉(zhuǎn)帶。以下按1.5 節(jié)步驟進行安全分析。

4.4.2 安全需求分析

安全問題χ是N-1 轉(zhuǎn)帶后F2出口容量越限ΔS=0.09 MV·A。由于是供電場景下容量越限，故安全需求方向為減小流出、增大注入。網(wǎng)損率r取2%，裕度系數(shù)M取1.05，由式（1）計算安全需求量Δ=M(1 +r)ΔS= 1.05 × 1.02 × 0.09 ≈0.10 MV·A。

4.4.3 SSC 與安全需求量匹配

首先，先用饋線SSC 估算。22：00 時χ相關(guān)饋線F1和F2的SSC 在安全事件發(fā)生前已由式（3）實時計算得到，分別為3.29 MV·A 和2.59 MV·A。累加這兩回饋線的SSC，得到5.88 MV·A。N-1 轉(zhuǎn)帶后SOP 所有端口均在一回饋線的供電區(qū)域內(nèi)，根據(jù)附錄D 第D15 節(jié) 所 述SOP 模 型 特 點，SOP 端 口SSC為0。因此，在5.88 MV·A 基礎(chǔ)上扣除SOP 的SSC后得到2.35 MV·A，其大于安全需求量0.10 MV·A，得出結(jié)論：饋線F1、F2的安全服務(wù)有可能解決安全問題χ。

其次，精算可用SSC，即Cχ(t22)?？紤]安全問題χ的位置，找出與之相關(guān)的節(jié)點。N—1 轉(zhuǎn)帶后，F(xiàn)2出 口 下 游 的 節(jié) 點 與χ相 關(guān)，即XN={N9，N10，N11，N12，N13，N14，N7，N6，N5}。由 式（5）計算χ的可用SSC，即Cχ(t22)為1.97 MV·A，比估算結(jié)果2.35 MV·A 少了0.38 MV·A，原因是估算中沒有計及節(jié)點4 不能參與轉(zhuǎn)帶。因此，Cχ(t22)≥ΔSdχ，得出結(jié)論如下：節(jié)點5 至7、節(jié)點9 至14 安全服務(wù)能解決安全問題χ。

4.4.4 生成安全服務(wù)控制方案

XN中節(jié)點6、12 是需求型節(jié)點，SSC 為0，不參與安全服務(wù)?？紤]混合型節(jié)點5、9、10、11、13 和服務(wù)型節(jié)點7、14，生成可選控制方案：

方案1：C5(t22)=1.11 MV·A ≥Δ。令節(jié)點5的流出功率從1.37 MV·A 減小到1.27 MV·A，發(fā)揮其SSC 的9.01%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方案2：C9(t22)=0.27 MV·A ≥Δ。令節(jié)點9的流出功率從1.82 MV·A 減小到1.72 MV·A，發(fā)揮其SSC 的37.04%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方 案3：C11(t22)=0.39 MV·A ≥Δ。令 節(jié) 點11 的流出功率從1.37 MV·A 減小到1.27 MV·A，發(fā)揮其SSC 的25.64%，可消除饋線F2出口的容量越限。

方 案4：C14(t20)=0.16 MV·A ≥Δ。令 節(jié) 點14 的注入功率從0.11 MV·A 增大到0.21 MV·A，發(fā)揮其SSC 的62.5%，可消除饋線F2出口的容量越限。

采取上述任何一個方案后，系統(tǒng)都將回到安全狀態(tài)，因此W(t22)的N-1 安全性結(jié)果是安全的。

按盡量減小對用戶影響和減少操作數(shù)量的原則安排控制方案。方案1、2、3 中混合型節(jié)點5 是含DG 的需求響應(yīng)負荷，節(jié)點9 是需求響應(yīng)負荷，節(jié)點11 是微電網(wǎng)，安全服務(wù)以限制負荷或DG 為代價；方案4 中服務(wù)型節(jié)點14 是儲能，安全服務(wù)不影響用戶，故優(yōu)先考慮方案4。

需要指出，上述情況中單一靈活資源參與安全服務(wù)即可解決安全問題；若饋線過載更嚴(yán)重，需安排多個節(jié)點不同類型靈活資源安全服務(wù)，優(yōu)先次序仍可采用對用戶影響最小和減少操作數(shù)量的原則。此外，在目前中國配電網(wǎng)運行的大多數(shù)場景下，傳統(tǒng)調(diào)度措施就能解決安全問題，無需靈活資源參與。需要靈活資源提供安全服務(wù)的場景是夏季冬季高峰負荷局部重載的配電網(wǎng)發(fā)生N-1 后。

4.5 與現(xiàn)有方法比較

傳統(tǒng)安全方法主要考慮N-1 后的開關(guān)操作，一些研究也考慮了智能電網(wǎng)新元件［18］。現(xiàn)有方法［18］對W(t22)安全分析也得到相同結(jié)果，其過程如下：

F1，4發(fā) 生N-1 后，下 游 經(jīng)SOP 由 饋 線F2轉(zhuǎn) 帶，F(xiàn)2出口發(fā)生0.09 MV·A 的容量越限?？紤]下游節(jié)點功率的調(diào)節(jié)，節(jié)點6、12、15、16 功率不可調(diào)節(jié)，故只考慮節(jié)點5、7、9、10、11、13、14。

對節(jié)點5，需減小流出功率。首先，依據(jù)需求響應(yīng)協(xié)議、用戶響應(yīng)意愿、實時電價等負荷響應(yīng)約束計算可削減負荷［20］為0.38 MV·A；然后，計算可控DG出力能上調(diào)0.73 MV·A，見附錄H 第H1 節(jié)。共可減少流出功率1.11 MV·A，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點5 作用能消除F2出口容量越限。

對節(jié)點7，需增大注入功率。依據(jù)儲能功率約束、SOC 約束計算公共儲能最多能增大放電功率0.04 MV·A［19］，見附錄H第H2節(jié)，該值小于0.09 MV·A，故節(jié)點7 作用不能消除饋線F2出口容量越限。

對節(jié)點9，需減小流出功率。與節(jié)點5 相同，計算可削減負荷［20］為0.27 MV·A，見附錄H 第H3 節(jié)。該值大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點9 作用能消除饋線F2出口容量越限。

對節(jié)點10、13，需增大注入功率，但間歇性DG出力不可向上調(diào)節(jié)。因此，節(jié)點10、13 不起作用。

對節(jié)點11，需減小流出功率。首先，與節(jié)點5 相同，計算可削減負荷［20］為0.38 MV·A；然后，與節(jié)點7 相同，計算儲能最多能增大放電功率0.01 MV·A，見附錄H 第H4 節(jié)，共可減少流出功率0.39 MV·A，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點11 作用能消除F2出口容量越限。

對節(jié)點14，需增大注入功率。與節(jié)點7 相同，計算儲能最多能增大放電功率0.16 MV·A，見附錄H第H5 節(jié)，大于0.09 MV·A。因此，節(jié)點14 作用能消除饋線F2出口容量越限。

與上述過程對比，本文方法具有如下優(yōu)勢：

1）更簡單。由于節(jié)點模型實時計算SSC，在發(fā)生安全事件前已預(yù)先得到了節(jié)點SSC，將其匯總后與安全需求量比較就能判斷能否解決安全問題。而現(xiàn)有方法未得到SSC，對各節(jié)點都需詳細計算（如節(jié)點4 需要臨時用需求響應(yīng)模型計算）才能做出判斷。

2）本文方法實時掌握SSC，當(dāng)安全問題發(fā)生時，立刻利用SSC 進行安全分析，更為方便快速。

3）更利于協(xié)調(diào)優(yōu)化不同類型靈活資源。已知節(jié)點的安全性角色和節(jié)點SSC 后，為組合優(yōu)化靈活資源參與安全服務(wù)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

需要指出，本文也需要現(xiàn)有方法對各節(jié)點的仿真計算過程，只是放到SSC 計算中提前得到并存儲在節(jié)點模型中，運行時安全分析可直接采用。

5 結(jié)語

智能配電系統(tǒng)包含分布式發(fā)電、儲能、需求響應(yīng)、微電網(wǎng)、SOP 等新元件。本文較全面和系統(tǒng)地建立了安全分析的元件模型，并提出了新的安全分析方法。本文主要貢獻如下：

1）提出了配電系統(tǒng)SSC 的概念及基于SSC 的安全分析新方法。SSC 定義包括節(jié)點、饋線、全網(wǎng)層面以及面向具體安全問題的可用SSC。

2）提出了各類元件不同組合下的中壓側(cè)節(jié)點模型，考慮了各類元件的安全性角色、安全服務(wù)形式以及產(chǎn)權(quán)等實際條件。

3）通過算例驗證了本文模型以及建立在模型基礎(chǔ)上的安全分析方法，相比現(xiàn)有方法更為便捷。

本文元件模型為智能配電系統(tǒng)的安全分析奠定了基礎(chǔ)；SSC 為調(diào)度人員提供了安全服務(wù)資源的功率調(diào)節(jié)能力關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文也存在不足，后續(xù)將詳細研究電動汽車的影響。本文SSC 僅針對有功功率調(diào)節(jié)，還需研究無功調(diào)壓的SSC 等，以及考慮多個關(guān)聯(lián)安全問題等更復(fù)雜場景；研究多種靈活資源協(xié)調(diào)的安全服務(wù)優(yōu)化控制方法，并與現(xiàn)有調(diào)度措施有機結(jié)合且保證調(diào)度操作不能過于復(fù)雜。

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