基于可信性理论的主动配电网运行风险动态评估

周毅， 杨镜非， 王钰楠

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)



基于可信性理论的主动配电网运行风险动态评估

周毅， 杨镜非， 王钰楠

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

主动配电网中的分布式电源、储能系统、灵活负荷等新技术有着不确定性和间歇性等特点，对主动配电网的安全运行构成了一定的威胁。提出一种基于风险理论的动态方法来评估主动配电网的安全水平。提出了失负荷风险、过电压风险、低电压风险、失风力发电风险几项风险指标多角度的评估主动配电网的安全状态。将方法应用于由IEEE33节点配电网系统修改的主动配电网系统，算例结果反映了不同场景下主动配电网的运行风险状况，证实了提出的各项风险指标的有效性。

主动配电网；运行风险；可信性理论；失风力发电风险；动态评估

0 引 言

随着分布式电源渗透率的日益增长，传统配电网的管理模式、运行模式和控制模式受到了巨大的影响。为此传统的配电网从被动的、单向的、单电源的电网转变为主动的、多向的多电源配电网络，即主动配电网。然而主动配电网的间歇性和不确定性给电力系统的安全运行带来了新的威胁。文献[1-3]提出了利用可信性理论解决电力系统运行风险评估的必要性并采用随机模糊变量的期望值表示全系统的运行风险指标。文献[4]在考虑配电网结构灵活这一特性的基础上提出了配电网静态安全分析与输电网安全分析的区别，并利用风险理论从不同侧面评估配电网的静态安全。文献[5]提出了基于风险理论的电力系统元件评估方法。文献[6]对比了确定性安全分析方法与不确定性风险评估方法研究高风电渗透率下的输电网运行安全状况的优劣。然而上述研究忽视了主动配电网和输电网之间的差别以及主动配电网引入的新风险，因此针对主动配电网提出有效的风险指标对于主动配电网的安全稳定运行将是一项十分有意义的工作。

本文提出了一种基于可信性理论的动态风险评估方法量化主动配电网的运行风险。系统的运行风险水平由基于失负荷、电压偏移、可再生能源利用等不同角度定义的风险指标来反映。将此方法应用于修改后的IEEE33节点主动配电网系统，验证了所提方法及风险指标的有效性。

1 基于可信性测度的运行风险

1.1 运行风险

运行风险评估的定义是，当电力系统面临不确定性因素时，给出可能性与严重性的综合量度。最早将风险理论引入电力系统研究的Vittal工作组给出了运行风险的数学表达式[1]2：

Risk(Xt,f)=

(1)

Xt,f是t时刻的运行方式，Xt,j是第j种可能的负荷水平。Pr(Xt,j|Xt,f)是Xt,f运行方式下出现Xt,j负荷水平的概率。Ei是第i种不确定性因素，所有的不确定性因素构成了系统的不确定性扰动集合。Pr(Ei)是此不确定性因素出现的概率。Sev(Ei,Xt,j)是系统在负荷水平Xt,j下出现不确定性扰动Ei后受到的损失严重程度。

主动配电网中带有时间属性的主要是灵活负荷和储能元件。整个周期内，供给到灵活负荷的总能量必须满足其该周期用电的总需求，但对于用电周期内的每一个时间段，供给到该灵活的功率是一个可控变量。在主动配电网中，储能元件的作用可理解为连接在时间域上分开的节点并在时间域上进行能量的传递。因此需要从整个研究周期评估不同运行方式下主动配电网的运行风险，在时间域上对风险值进行求和。引入四种运行风险指标多角度反映主动配电网遭受的后果：失负荷风险(LOLI)，节点过电压风险(NOI)，节点低电压风险(NUI)，失风力发电风险(LOWGI)。

(2)

Pr(Et,i)为t时刻第i种不确定性事故，Lt,j为t时刻在节点j的失负荷值。Dt,j为t时刻节点j的重要度指标。Tt,j,loss为t时刻节点j失负荷的时长。

(3)

Pr(Et,i)为t时刻第i种不确定性事故，Ut,o为t时刻节点过电压的阈值，Ut,j为t时刻第j个超过过电压阈值的节点电压。

(4)

Pr(Et,i)为t时刻第i种不确定性事故，Ut,u为t时刻节点低电压的阈值。Ut,j为t时刻第j个低于低电压阈值的节点电压。

风能是否得到充分利用是需要被重视的。如果风电的预测出力小于实际出力， 需要进行弃风限电。并根据事先签订的合同对风电场进行经济补偿。如果风电的预测出力大于实际出力，缺额的发电量需要电网从价格较高的备用市场购买，此时电网也需要额外支付一部分费用。根据电网需要额外支付的费用来评估由于风电预测误差造成的损失：

Risk(LOWGI)=

(5)

(6)

Pr(Et,i)为t时刻第i种不确定性事故，Pt,aj是t时刻第j个风电场的实际出力，Pt,ej是t时刻第j个风电场的预测出力。Ft,o是t时刻当预测出力小于实际出力时单位弃风能需要支付风电场的费用。Fu是当预测出力大于实际出力时需要从备用市场购买电能的费用。

1.2 可信性理论

主动配电网的不确定性包括随机性和模糊性两方面，然而概率论和模糊论在基础数学上是互相独立的。模糊论是建立在非公理化体系下的数学理论，自身存在着不相容性的问题。可信性测度，即置信度在模糊论中的作用相当于概率测度在概率论体系中的作用[2]4。这里给出计算置信度的核心公式：

(7)

上式中Cr为置信度，ξ为模糊变量或随机模糊变量。Bc为集合B的对立集合，sup指取上确界。

2 主动配电网不确定性模型

2.1 风电出力预测误差模型

本文在风电预测误差的隶属度μw服从柯西分布的模型上进行可信性建模：

(8)

(9)

εw为风电的预测误差百分数。Ew+和Ew-分别为风电出力预测误差正误差和负误差的统计平均值。σ为权重柯西分布中的权重。Pa为风电实际出力，Pe为风电预测出力。将风电出力预测误差隶属度的柯西分布函数带入置信度的计算公式可得：

(10)

Cr(ξ≤εw)为风电预测误差的置信度，该变量相当于在概率论中的概率测度如图1所示。

图1 风电预测误差可信性分布函数及隶属度函数

2.2 灵活负荷模型

在整个研究时间周期中，供给到灵活负荷的总能量必须满足其该周期用电的总需求，但是对于用电周期中的每一个时间段，供给到灵活负荷的功率是一个可控制的变量：

(11)

(12)

2.3 储能元件模型

储能元件是主动配电网中另一种具有时间属性的技术。储能元件起到在时间域上连接着节点传输能量的效果。变量SOC将被用来跟踪储能元件当前的容量：

(13)

3 算法流程

本章介绍提出算法的实现流程。

(1) 确定算例的不确定性事故集。(2) 输入随机模糊变量的原始数据，包括线路强迫停运率模糊范围，风电预测误差模糊分布参数。(3) 确定主动配电网待评估的运行方式及负荷水平。(4) 求取随机模糊变量的置信度分布。(5) 输入研究周期内每个时段各节点负荷大小(包括普通负荷及灵活负荷)、网络电源参数(包括普通电源及分布式电源)、储能设备参数、线路参数等。(6) 进行预想事故模拟，针对预想事故集中每一项不确定性事件发生后的算例网络进行潮流计算，得出该时段下该预想事故发生后节点电压偏移大小、失负荷大小、失风力发电大小。(7) 综合预想事故发生可能性及其严重度函数得出该时段每项预想事故的单一风险。(8) 遍历事故集中每一项预想事故，返回步骤(2)，重复上述潮流计算过程求和得到当前时段下、当前负荷水平下、当前运行方式下主动配电网的各项运行风险指标。(9)针对研究周期内的每一个时段重复上述风险指标计算过程，求和得出研究周期内各项总运行风险指标。改变分布式电源容量、可控负荷运行方式、储能元件的运行方式，进行多场景下整个研究周期内总运行风险指标的求取及比较。

4 算例分析

本文在修改后的IEEE33节点配电网系统上进行主动配电网动态运行风险的计算。

图2中风电场和储能元件接入于节点18，电动汽车负荷主要接入于节点25和33。研究周期为一天，每小时为一个基本时间段。算例仿真中不确定性事故集包含：主动配电网中所有线路的故障停运；离散简化后的四种风电出力预测误差(包含-20%,-10%,10%，20%)；线路故障率用三角形模糊数(0.005,0.01,0.015)表示。算例仿真中考虑五种场景对比不同运行方式下主动配电网动态运行风险：场景一：风电场容量为1 MW。电动汽车负荷采取策略一充电；场景二：风电场容量为2 MW。电动汽车负荷采取策略一充电；场景三：风电场容量为3 MW。电动汽车负荷采取策略一充电；场景四：风电场容量为2 MW。电动汽车负荷采取策略二充电；场景五：风电场容量为2 MW。电动汽车负荷采取策略一充电。储能元件接入到节点18。

图2 修改后的IEEE 33节点主动配电网算例

图3 场景一、二、三失负荷风险对比图

图4 场景一、二、三过电压风险对比图

图5 场景一、二、三低电压风险对比图

4.1 不同风电场装机容量对比

对场景一、二、三计算对比四种运行风险，结果参见图3～图6。

图3中的三条曲线是重合的，由于该33节点系统配有6个联络开关，发生断线可进行负荷转供，失负荷风险由故障点后接入负荷大小及转供时间决定，不受风电场容量的影响。图4、图5中可得，节点过电压风险随着风电场容量的增加而增加，节点低电压风险随着风电场容量的增加而减少。因为在电网中，电源的接入将使该节点及周围节点的电压升高。接入电源的容量越大，局部电压的提升也越大。图6中失风力发电风险随着风电场容量的增加而增加。因为在同等预测误差百分数下，风电场的容量越大，产生的冗余或者不足的风力发电量也就越大，由此产生的风力发电带来的损失也越大，失风力发电风险也越大。

4.2 电动汽车、储

能元件策略对比

对场景二、场景四、场景五计算对比四种风险指标，结果参见表1。

针对不同电动汽车的策略，场景二的失负荷风险大于场景四。这是由于高峰时段负荷的转移，使得全天失负荷总风险减少。高峰时段负荷的转移，使得线路潮流有所降低，对应的线路故障概率也有所减小，而在额定潮流及以下运行时，线路强迫停运率基本不变，因此全天失负荷风险在峰谷差减小时有所减少。场景四的低电压全天风险值小于场景二。由此可见电动汽车有序充电后，用电高峰时段压力减小，线路低电压的状况也有所缓解，而对过电压的情况影响不大。电动汽车充电策略对风电的利用情况影响不大。

图6 场景一、二、三失风力发电风险对比图

针对不同储能的策略，两种场景下前三种风险指标值的差距不大。算例中储能元件的作用是平滑风电出力使其更加接近预测出力。但即使没有储能接入，电网也会通过弃风或者从备用电市场购电来解决这一问题，因此电网的潮流分布变化不大，前三种风险受到的影响不大。场景五的失风力发电风险明显小于场景二，这是由于储能元件的接入减少了弃风和额外的购电，使系统由于风电出力预测误差承受的损失减小。

表1 多场景全天风险指标对比表

5 结束语

本文提出了一种基于可信性理论的住的主动配电网动态运行风险评估方法。通过四种风险指标的建立，从不同的角度有效反映了主动配电网的运行风险。算例中通过不同风电装机容量、不同电动汽车充电策略、储能元件接入与否的对比，反映了不同场景下主动配电网动态运行风险的状况，并从理论和实验结果上分析了风电装机容量、电动汽车充电策略、储能元件接入状况对系统运行风险的影响，为今后主动配电网新技术运行方式的确定提供了有效的指导意见。

[1] 冯永青，张伯明．基于可信性理论的电力系统运行风险评估(一)运行风险的提出与发展[J]．电力系统自动化，2006，31(1)：17-22．

[2] 冯永青，张伯明．基于可信性理论的电力系统运行风险评估(二)理论基础[J]．电力系统自动化，2006，30(2)：11-15．

[3] 冯永青，张伯明．基于可信性理论的电力系统运行风险评估(三)应用与工程实践[J]．电力系统自动化，2006，30(3)：11-16．

[4] 刘若溪, 张建华.基于风险理论的配电网静态安全性评估指标研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(15): 89-95.

[5] 王博，游大海，尹项根,等.基于多因素分析的复杂电力系统安全风险评估体系[J]．电网技术，2011，55(1)：40-45．

[6] 杨高峰，康重庆.电网规划方案的适应性与风险评估[J]．电力系统保护与控制，2008，36(23):1-7．

Dynamic Assessment of Operational Risks of Active Distribution Networks Based on Credibility Theory

Zhou Yi, Yang Jingfei, Wang Yunan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The uncertain and intermittent nature of such new technologies as distributed generation, energy storage system and flexible load in the active power distribution network threatens its operational security to some extent. This paper presents a dynamic approach based on risk theory to assess the security level of the active distribution network. Several risk indexes such as lost load risk, over-voltage risk, low-voltage risk and lost wind generation risk are set to evaluate the security level of the active distribution network under different scenarios. The proposed approach is applied to an active distribution network modified by the IEEE 33-node distribution network to demonstrate its effectiveness. The example results reflect operational risks of the active distribution network under different sceneries and verify the effectiveness of various risk indexes proposed.

active distribution network; operational risk; credibility theory; lost wind generation risk; dynamic assessment

所属课题编号：2014AA051901(863计划)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.016

TM712

A

1000-3886(2016)03-0047-03

周毅(1991-)，男，江苏人，硕士，研究方向为智能电网。 杨镜非(1974-)，女，北京人，副教授，研究方向为智能电网。 王钰楠(1992-)，女，上海人，硕士，研究方向为智能电网。

定稿日期: 2015-11-28

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

摘 要： 主动配电网中的分布式电源、储能系统、灵活负荷等新技术有着不确定性和间歇性等特点，对主动配电网的安全运行构成了一定的威胁。提出一种基于风险理论的动态方法来评估主动配电网的安全水平。提出了失负荷风险、过电压风险、低电压风险、失风力发电风险几项风险指标多角度的评估主动配电网的安全状态。将方法应用于由IEEE33节点配电网系统修改的主动配电网系统，算例结果反映了不同场景下主动配电网的运行风险状况，证实了提出的各项风险指标的有效性。