一种交直流混合配电网薄弱线路识别方法设计

黄鹏

（国网宁夏电力有限公司，银川 750000）

引言

交直流混合配电网[1,2]具备诸多优势，如高可控性、强潮流调节能力、低网络运行损耗和高能源利用效率等。然而，随着其快速发展，薄弱线路的可靠性成为一个重要关注领域。薄弱线路是指在电力传输和分配过程中存在潜在问题或存在可靠性较低的线路。薄弱线路会由于老化、材料劣质等原因，导致电线的电阻增加、导线质量不良或接触不良频繁发生，影响电力设备的正常运行，甚至导致设备损坏。因此，进行薄弱线路可靠性测试研究十分必要。

金国彬[3]等提出了一种考虑可靠性的交直流混合配电网网架与分布式电源协同优化规划方法。该方法在场景构建阶段考虑了各分布式电源出力和负荷功率的相关性和时序性。在可靠性评估阶段，建立了同时考虑稳态和故障运行下可靠性的综合评估体系，并统一量纲处理可靠性指标和经济性指标之间的联系。使用双层协同优化策略设计了交直流混合配电网网架结构和分布式电源接入容量。仲礼鹏[4]等提出了一种计及可靠性成本的中压交直流混合配电网的混合整数线性规划模型。该模型目标是最小化投资建设成本、运营成本和可靠性成本，对节点建设类型和支路进行规划求解。随后，将得到的交直流混合规划方案与纯交流规划方案和纯直流规划方案进行了比较。最后，分析了换流器故障率对交直流混合配电网规划结果的影响。

目前针对交直流混合配电网中薄弱线路可靠性的研究较少，传统方法单纯以运行状态失效概率为基础，作为供电网络薄弱线路识别的方法，在应用到交直流混合配电网时，面临运行状态特征概率波动，识别过程存在明显误差。因此，本文基于上述文献对交直流混合配电网薄弱线路可靠性测试问题进行研究。通过对薄弱线路进行可靠性研究，可以识别潜在问题、预测故障风险，并采取预防措施，包括线路维护、更换设备、增加容量等，以减少停电事件和故障发生的可能性，并提高配电网的供电可靠性和稳定性。

1 薄弱线路辨识方法设计

在交直流混合配电网中，薄弱线路不仅可能导致停电或供电不稳定，还可能对电网的安全性产生重大影响。因此，通过薄弱线路的辨识，可以评估其运行状态和风险水平，并采取相应的维护和改进措施，以提高配电网的可靠性和稳定性。

从运行状态与拓扑结构[5]两个方面确定该配电网的薄弱线路，兼顾交直流混合配电网线路[6-7]运行状态与固有拓扑结构发生改变后对于电网造成的影响，搭建交直流混合配电网的线路薄弱性评估指标体系。该体系具体如表1 所示。

表1 交直流混合配电网线路薄弱性评估指标体系

1）线路开断凝聚度值越大，表示交直流混合配电网的凝聚度变化越大，即线路越薄弱。

其中线路开断凝聚度的计算可表示为：

式中：

χ(C)—指线路(i，j)断开前交直流混合配电网的凝聚度；

M—交直流混合配电网的节点总数；

K—电网平均距离；

bij—节点i到节点j之间的最短电气距离；

χ'(C)—线路(i，j)断开以后最大连通子网的对应凝聚度。

2）线路电气介数值越大，表示交直流混合配电网[8,9]中线路担负的传输作用越大，该条线路断开后对于电网的影响越大，也就是线路越薄弱。

线路电气介数的计算可表示为：

式中：

fg—全部发电节点集合；

ft—全部负荷节点集合；

Qi—发电节点i的权重；

Qj—负荷节点j的权重；

l ij(α,β)—负荷-发电节点对线路(i，j)加上单位注入电流元以后线路(α,β)上引发的电流值。

3）在第k条线路退出运行以后，当节点电压偏移量的值越大时，表明电网所受影响越大，也就是线路越薄弱[10]。

线路退出以后的电压偏移量的计算可表示为：

式中：

λ—交直流混合配电网[11-13]中的节点数量；

U i'(k)—第k条线路退出运行以后节点i的电压；

U i(k)—第k条线路退出运行以前节点i的电压。

4）线路潮流转移熵的计算可表示为：

式中：

∆δlk—第l条线路分担第k条线路所转移的潮流增量；

Qlk—第k条线路断开后，第l条线路的有功潮流；

Ql0—第l条线路的有功潮流初始值；

P(k)—第k条线路的对应潮流转移熵；

r—线路总数；

χlk—第l条线路对第k条线路的潮流转移冲击率。

接着应用层次分析法计算该交直流混合配电网[14,15]各指标的评分，完成其薄弱线路辨识。

综合上述过程，对线路开断凝聚度、线路电气介数、线路退出以后的电压偏移量这三种正向指标进行评分，可表示为：

式中：

yab'—第a个指标中的第b个数值评分结果，a包括D(i,j)、J(α,β)和O(k)；

yab—第a个指标中的第b个数值的评分结果；

yabmin—yab的最大值；

yabmax—yab的最小值。

当yab越大，即线路开断凝聚度、线路电气介数、线路退出以后的电压偏移量这三种正向指标数值越高，yab'越接近0，表明该线路的综合评分较低，会被辨识为薄弱线路。

对于线路潮流转移熵这种负向指标进行评分，可表示为：

表示当yP(k)越大，即线路潮流转移熵数值越低，y′P(k)越接近低，表明该线路的综合评分较低，会被辨识为薄弱线路。

2 可靠性测试实验

2.1 试验用交直流混合配电网设置

选择一个直流电压等级为±10 k、交流电压等级为10 kV 的交直流混合配电网，该配电网的线路参数如表2所示。

该交直流混合配电网的总无功负荷为5.68Mvar，总有功负荷为9.68 MW。相关的传感器参数设置如表3 所示。传感器产生的波形如图1 所示。

图1 传感器产生的波形

表3 传感器参数设置

利用大功率数字化恒流源与电路老化监测器测试试验交直流混合配电网薄弱线路的老化程度，并根据老化程度定义其可靠性，可表示为：

式中：

ϑ—交直流混合配电网薄弱线路的老化程度；

ξ—交直流混合配电网薄弱线路的可靠性。

在不同接线模式下实施交直流混合配电网薄弱线路的可靠性测试[16]。通过可靠性指标衡量本文方法下的实验结果。

2.2 单辐射接线模式下的薄弱环节可靠性测试

在单辐射接线模式下，利用本文方法对交直流混合配电网的薄弱线路辨识结果如表4 所示。

表4 辨识结果

其可靠性测试结果如图2 所示。

图2 可靠性测试结果

根据图2 的可靠性测试结果，在单辐射接线模式下，薄弱线路均有不同程度的老化，其中薄弱线路4 的可靠性最低，低于30 %，薄弱线路2、6、7、8、9 的可靠性较高，达到（60~90）%，薄弱线路1、3、5 的可靠性最高，高于90 %。

2.3 手拉手接线模式下的薄弱环节可靠性测试

在手拉手接线模式下，利用本文方法对交直流混合配电网的薄弱线路辨识结果如表5 所示。

表5 辨识结果

其可靠性测试结果如图3 所示。

图3 可靠性测试结果

根据图3 的可靠性测试结果，在手拉手接线模式下，薄弱线路10 可靠性最低，低于30 %，薄弱线路1、2、3、4、5、9 的可靠性较高，达到（60~90）%。

2.4 三供一备接线模式下的薄弱环节可靠性测试

在三供一备接线模式下，利用本文方法对交直流混合配电网的薄弱线路辨识结果如表6 所示。

表6 辨识结果

其可靠性测试结果如图4 所示。

图4 可靠性测试结果

根据图4 的可靠性测试结果，在三供一备接线模式下，薄弱线路9 的可靠性最低，低于30 %，薄弱线路1~6、8、10、12 的可靠性较高，达到（60~90）%，不存在可靠性高于90 %的薄弱线路。

3 结束语

通过对交直流混合配电网薄弱线路实施可靠性测试，能够有效获得薄弱线路的可靠性水平，从而针对性地采取解决措施，提升系统的整体可靠性水平。在研究中，主要完成了以下工作：

1）从运行状态与拓扑结构两个方面出发，搭建了交直流混合配电网的线路薄弱性评估指标体系，实现了混合配电网中薄弱线路的辨识。

2）利用传感器实现了交直流混合配电网薄弱线路的老化程度测试，并转化为可靠度作为实验指标。

3）以某交直流混合配电网为例实施了深入分析。