文摘

基于复杂网络的结构分析理论被认为是有前途的电网的安全问题。同时,现代配电网络有更多的分布式代(DGs)和能源存储系统(ESS)已经在操作和安全问题更多的挑战。提出了一种专用的度量称为Power-Supply-Ability基于net-ability配电网络。DGs的特殊功能,如关系能力,有效供给区域的识别,并限制在连续供电,被认为是在定义。此外,提出了一种新颖的观点,在一定程度上改善的操作和安全通过添加DGs还取决于原始结构的分销网络。这是一个固有能力的原始网络,可以定量分析。通过案例研究,这种方法已经被证明是有效地识别潜在的结构性弱点的分销网络;尤其是DGs在安全的影响进行了研究。此外,它可以帮助在选址DGs通过提供不同优先级的位置与其他作品的结果。这可以帮助补充其他方法构建一个更全面的方法通过考虑方面的安全,经济,和质量。

1。介绍

电力系统的网络,也命名为电网,是一个重要的基础设施在现代社会生活1]。严重的电力系统中断会影响整个社会(2,3]。例如,最近停电发生在美国和欧洲直接造成损失多达数十亿美元(4]。这些严重的后果引起了关注电气安全问题如意外或故意攻击(4,5]。

然而,随着电网规模和复杂性的增加(6),以及增加消费的权力和其他社会发展,它变得更加困难和复杂的分析整个电力系统大规模和复杂的互连排除了我们从理解和评估整个电力系统(6]。复杂网络理论是一个流行的方法来分析网络系统的一组线与连接节点和幸运的是最近的研究发现,几个性质的复杂网络(CN),如小世界(7)和无标度的表征(8),是关系到电网。然后,它允许通过纯粹的电网拓扑结构分析指标和带来了一种新的分析方法来克服上述问题[9,10]。CN理论,全球效率是一个度量来衡量顶点之间的网络信息传输的效率(10),后来普遍被认为在评估电网的脆弱性(5,11- - - - - -15]。此外,考虑电气工程的具体特性,这是更新net-ability评估电力传输网络(2,4]。基于复杂网络的概念,net-ability分析传输网络的性能通过考虑额外的物理特性,如功率流限制,电气距离,和贡献的所有涉及到的传输路径。

尽管net-ability有效地分析电力传输网络,传输中由于不同的结构特点和现代分销网络,它不能直接用于现代分销网络。在传统的分销网络,传输网络的主要区别是电阻率径向拓扑和阻抗。但它不是一个问题对于复杂网络理论来分析任何网络结构包括径向拓扑,它不是一个问题适应net-ability以适当的阻抗模型。然而,在现代配电网络,分布式发电(DG)和能源存储设备可能会增加其复杂性。DGs,简单地定义为小规模发电在分销网络或客户端的网络,目前正在越来越多来缓解环境问题,如温室气体从传统发电(16- - - - - -23]。有各种类别的DGs,如光伏电池安装在房屋或风力涡轮机在农场土地。虽然这些DGs可以改善当地负荷供电,相比传统的一代,他们是高度依赖于气候或天气和无法提供持续的电力16,17]。所以电池储能系统(贝丝)也可以被广泛应用于提高电力稳定和需求/供给平衡(17]。

到目前为止,我们最好的知识,很少有论文考虑了直接应用复杂网络的方法来分析现代分销网络,特别是包括来自DG和贝丝的影响。通过比较与传统配电站,24,25)考虑DG有关小容量和负荷节点被放置。文献[24)指出,DG的电源性能应与距离的增加迅速降低。基于复杂网络的概念,他们提出一些指标来反映,DG性能会下降迅速增加的距离。指标用指数形式表明DG贡献更多力量相对本地负荷需求和更少的远程加载,但指数形式不能完全合理和具体的电气特性,如阻抗、功率容量不同的设备,和贡献不同的路径,没有充分考虑。本文主要从影响DG对分销网络结构分析是根据信道容量,提供距离以及间歇性和波动的主要能源。这些部分将详细讨论2和3。

剩下的纸是组织如下:全球效率和net-ability将与他们讨论了分销网络应用的局限性2。节3的新概念Power-Supply-Ability (PSA)及其应用在评估配电网络将提议。节4小说看来将讨论评估的内在能力通过添加DGs原网络结构得到改善。仿真和结果的应用PSA部分所示5一些例子和部分6包含了一些结论。

2。从全球Net-Ability效率

全球效率从CN理论最初是由Latora [2,4,10),后来被广泛用于评估网络的性能,如漏洞评估或关键部件的位置(4,26]。也用于分析级联故障评估电力系统(27- - - - - -29日]。定义为全球效率可以写成

最短路径的距离(长度)的一对节点之间的 和节点 ,和 是网络中所有节点的数量。这个公式是针对测量网络的信息传输效率考虑到一对节点之间发送信息的效率 和 他们的测地距离的倒数成正比。获取整个网络的总体效率,每一对节点之间的性能应该评估来计算平均值。

然而,当应用这个指标来评估电网、距离的原始概念(1)不是有意义的电气工程2,4,30.]。距离电网应调整的能力克服困难对发电机节点之间的传输功率 和负载节点 。通过考虑经济和技术方面,电力传输困难应该都取决于功率流容量和阻抗。根据电路理论,总线之间的等效阻抗 和公交 可以表示为 , ,和 是相应的网络的阻抗矩阵的元素。

此外,最大电流限制 来 也应该考虑,可以计算吗

generator-load之间的电力传输容量( - - - - - -d)对。 所有线路连接的集合吗 和 ; 最高功率流的能力行吗 ; 电力传输和分布因子(PTDF)当转移权力从公共汽车 来 。PTDF有克服转移的假设物理量只有通过最短路径在全球效率。因此,新定义的距离在电网和考虑功率流量PTDF, net-ability输电网络被定义为(3,4,9]

和 分别是发电机的集汽车和负载的公交车。 是发电机的数量的公共汽车和 是加载公共汽车的数量。

随着智能电网技术的迅猛发展,分销网络和DGs贝丝研究和工程中已成为一个热门话题。然而,到目前为止,纯粹的结构分析还很少被应用于这一领域。事实上,供电安全的评估与DGs的渗透和贝丝很有意义和必要的;和站点配置DGs和贝丝从结构的角度也可以导致真正的系统规划和操作。

虽然net-ability已经应用于评估结构输电网络的漏洞是一种有效的方法,是不合理直接应用现代分销网络。

首先,只有能力的任何一对发电机总线和负载之间的传输通道总线被认为是,因为net-ability只有目标特性的网络,不考虑发电机和负荷作为一个网络的一部分。然而,电源和负载的功率能力可能会影响最终的电源性能如果他们不同于通道的能力,尤其是对分销网络电源的能力与传输网络没有可比性。因此,结构分析的内涵不应局限于纯拓扑特性但还应该包括一些静态设备的物理特性,如电源和贝丝的能力。

其次,net-ability的定义,所有发电机公交车应该具有支持长距离大容量传输,所以任何发电机可以任何负载的电源总线在同一个网络。然而,在分销网络,大多数DGs较小的功率容量,可能只是有效的一系列局部负载电源。因此,DGs不能视为平等的电源组 与其他传统来源,不能有效的对任何负载电源总线网络中。

第三,大多数DGs可再生发电、风能或太阳能等。这种电源的输出功率很大程度上取决于主要能源的可用性。因此,间歇性和波动,这些能源就不能充分供应连续额定输出功率为任何所需的时间。类似的问题存在贝丝,在充电和放电模式,不能供应连续完整的额定功率所需的时间。这些特性可以严重影响供电性能的分销网络,他们不应该被忽视的结构分析。

3所示。Power-Supply-Ability对分销网络

为了解决上述问题,一种新的衡量标准命名为Power-Supply-Ability (PSA)致力于基于net-ability提出分销网络。

为了解决第一个问题中提到的部分2,电源的容量与传输信道的容量定义在(3),最低一个将被应用在评估Power-Supply-Ability:

如果电源的容量小于信道容量,这意味着不能充分利用信道容量的电源,所以它不能直接用于评价Power-Supply-Ability。

至于第二个问题2可再生能源技术的发展,关注环保能源,和需求/供给平衡,DG的新一代技术,如风力发电和储能逐渐被认为是在分销网络17,31日,32]。然而,根据他们共同的小能力(32,33)和发电效率,他们不应该直接评为高于常规能源。所以在PSA的定义,DGs只会被视为备份或辅助电源提高供电可靠性和质量,这不能被认为是一对源装载平均计算,但是,正如一个额外赔偿一双传统源装载。因此,net-ability可以扩展 在哪里 公交车的DG哪些是有效的负载电源总线 。和 DG的能力在公共汽车吗 ; 电力传输容量从公共汽车 加载 ,它也可以计算(3)。 之间的等效阻抗吗 和提供的负载总线 。net-ability计算平均网络性能指标的所有可能的(代+负载)对。PSA考虑电源布局的主要电源+负载+辅助来源和计算平均功率供应所有可能的电源布局的性能。这意味着,当考虑一对电源( - d从当地电力供应),额外的电源(DGs)负载 也被认为是提高供应的性能。

(DGs以来6)被认为有小能力,这意味着DGs不能提供任何网络中负载像传统的电源。然后需要一个方法来识别有效的DG电源 对总线负载 。从另一个角度来看,我们可以说,我们需要一个方法来识别DG的有效供给区域公共汽车 。然后 公交车的DG的供应地区包括负载吗 。当考虑有效供给面积DGs,大意是,相同的阻抗,提高供电能力增加有效供给区域;用相同的供电能力,迫切减少有效提供较高的地区。这时,一个标准来确定有效供给区域提出了DG总线

所有DGs 满足标准 和 。具体标准是满意时,这意味着总干事有能力向负载供电d与可接受的电能质量。 意味着,当分析功率提供给负载 ,任何DG直接安装在负载总线 不会被评估。原因是PSA本文评估分销网络;一旦DGs放在总线负载 ,在某种程度上,他们不能被认为是网络的一部分,因为他们的交互是不通过网络框架,和这些DGs的供电负荷 应该被认为是一个内部供应,这是独立于整个系统的性能。此外,γ是一个参数来定义DG供应区域,它应该是一个价值基于统计分析和仿真。

图1是一个草图的意思解释有效供给区域和电源布局。主电源G和总线负载D可以被认为是一代+负载。有三种不同的DGs在图中。每个DG可以被认为是一个圆的半径的中心γ。圆可以被视为每个DG的有效面积。圈内的负载总线D DG1和DG2但DG3圈之外的。这意味着DG1和DG2都有效的辅助源D和应该被包括在 。DG3并不是一个有效的辅助源D;它不应该被包括在 。所以相应的电源布局(G + D + DG1 + DG2)。


图1
素描DGs的有效供给区域。

为了解决第三个问题中提到的部分2,一些可再生DGs和贝丝不能供应连续完整的额定功率,电源因素是介绍:

DG或贝丝与额定功率 ,假设,在一个计算周期 ,积累的能量输出 ;然后在额定功率相当于供应时间在此期间可以计算的

这是一个方法统一所有主要能源,DGs和贝丝系统。例如,对于主电源 ,如配电变电站有能力供应额定功率所需的时间期间,相应的电力供应因素 = 1。这不会影响net-ability的计算。但是对于一些DGs和贝丝,这个电源因素需要根据统计数据计算。风力发电机和光伏面板,这就需要选择一个长期期与相应的气象信息和实际产出能源统计数据。对于贝丝,系统需要特定的时间充电,然后使放电一段时间。电力供应的因素应该是基于平均充电和放电周期计算的。

此外,电力供应因素是一个指标来反映电源的能力使连续额定电源但不描述实际操作状态。例如,主电源(配电变电站)可能电源1倍意义额定功率供给能力所需的时间,但这并不意味着它总是运行在额定功率。

这个电源因素,PSA终于可以定义为

net-ability相似计算,PSA的相对变化后的组件可以帮助显示目标分销网络的最重要的组件: 在哪里 代表了分销网络的Power-Supply-Ability一个组件后,删除 PSA是PSA规范化的相对下降 确定网络的关键组件。更高的价值 PSA意味着该组件是更多的关键和删除可能会导致强烈的负面影响。因此,这个组件需要更多的保护。

4所示。DG集成网络的整体能力

在复杂网络领域,它已被广泛承认,网络基础设施的性能和漏洞是原始拓扑和结构紧密相关。此外,在分析电网的性能和安全问题,拓扑和扩展的结构性因素,如代的位置和负载巴士,输电线路的能力和贡献在电力传输的路径已经被考虑。然而,到目前为止,很少有研究考虑DGs的职位和能力尽可能结构性因素和评估他们的贡献在改善网络性能和安全性。这是最初的动机提出PSA。

然而,重要的是要指出,这些改进原始之间的双向交互网络和集成的DGs。因此,最终的效果可能不仅取决于DGs的特点,但也在一些原始网络的固有特性。在这些固有特性、拓扑和结构性因素的原始网络是非常重要的。因此,应该有两个不同的角度考虑问题集成DGs的分销网络。第一个观点是在地方和个人观点的DGs讨论可能的最优DGs的部署和操作与结构性因素给定的条件。第二个观点应该在全球层面,从原始网络的整体的观点来讨论网络固有的潜在的能力可以提高他们的性能和安全性如何DGs的渗透。也就是说,相同的区段DG的渗透,改善的程度不同的分销网络可能不同,由于其固有的特点,如拓扑和结构。到目前为止,大多数存在的DGs来自第一视角相关工作;一些作品被从第二个角度来看,甚至意识到它的存在。在这篇文章中,我们将提出的方法基于PSA评估和比较这固有的潜在的网络从第二个角度来看。

改进网络固有的潜在能力被DG渗透与两方面有关,也就是说,网络性能和安全性。第一个问题是讨论如何提高网络静态性能相同程度的DG渗透。第二个问题是讨论如何减少网络的漏洞DGs的渗透。

对于第一个问题,做出综合评价,可以考虑两个网络,最初的网络 和修改网络 。在 ,我们假设所有的公交车 与相同的电源连接到DGs因素和能力;然后添加这些前后PSA DGs的方差可以用来评估其固有的原始系统结构提高DGs的能力。

或者,我们可以假设一个独特DG与给定的电源连接到每个总线的因素和能力 反过来,PSA的增加对应于每个总线可以用来评估可能是最好的哪一个位置安装一个DG。但是,此外,我们也可以计算出平均值增加PSA的公交车统筹评估网络的固有能力。

这两种方法都可以应用共同表明网络的固有能力。前一个是主要从整体和累积的观点;第二个主要从平均的观点。

对于第二个问题,原网络的脆弱性可以以PSA(计算的相对下降11);然后网络的脆弱性 可以被定义为

最关键的线 可以确定为对应于最大PSA下降(12)。类似于前的想法,DGs相同电源因素和能力可以被添加到所有公共汽车的网络 ,可以表示为哪一个 。在 ,我们也可以计算它的最大的PSA下降(12)。这的方差PSA下降能反映原始网络的整体能力得到改善通过添加DGs的安全。

给更详细的信息,DGs的添加可以根据执行的重要性顺序一步一步公交车。重要性的顺序是不同的顺序从大到小的PSA ( )。这可能给直接表达DGs在不同位置的安全的影响。

对于给定的网络,这些方法可以共同评估和发现他们的潜在能力的差异提高DG渗透。这可以帮助分析和总体规划和投资决策相关DG渗透。应用这些方法可能是DG的有限的资源时,如果一个分销网络需要从两个或多个候选网络选择安装这些DG资源,这些方法可以帮助确定哪一个是最好的选择根据他们的原始结构特点。此外,这也可以帮助识别结构在DG分销网络发展的瓶颈。

5。案例研究

在本节中,PSA应用于UKGDS_86 IEEE-33-bus系统和一个真正的分销网络。UKGDS_86最初是没有DGs,评估测试来比较和分析相应的电源性能通过PSA。的初始PSA UKGDS_86没有DGs计算

当从UKGDS_86删除一个分支,可以评估通过电源的性能 指标和相对下降ΔPSA可以用来排名关键线路。

是在表1一旦删除一个分支,它可能导致PSA下降。为了更好的视觉效果,排名在图所示2。

表1
关键的树枝在UKGDS_86排名。

图2
排名UKGDS_86的分支。

红圈中的红色数字代表五个分支会导致显著的PSA下降一旦删除,需要更多的保护。5所示,这些分支主要发生接近发电站。看来分支附近电站电力供应中扮演重要的角色;删除它们会影响整个系统的性能更严重,为电网安全需要更多的保护。分支用蓝色,贴切地远离发电厂和负荷附近,将导致更少的消极后果时删除。

当添加相同的DGs每个总线,这意味着现在完全16 DGs在网络这个新网格的PSA值增加到62.721。类似于上述分析,该网格的分支是排名和标签如图3。


图3
排名在UKGDS_86 DGs的分支。

作为显示在图3比较与前传统的网没有DGs,删除分支导致类似的排名。只有分支2 - 3和分支4 - 5交换,它会被标在图3前,但他们仍然保持前五位。所以安装DGs可以提高电源性能的网络但不改变分支太多的保护性能。分支配电车站附近仍然需要更多的关注安全。

定量识别哪些公交车DG的最佳网站安装,可以安装在一个DG每个总线,相应的增加了PSA如图4。


图4
公益广告添加一个DG在不同的公共汽车。

这表明总线4是最好的位置定位DG和公交12是贴切地糟糕。在此基础上,第一个DG应该建议位于巴士4,然后第二个总线将增加5。通过考虑整体性能,总线与糟糕的PSA 12 = 57.19将最后计划添加DG。

基于图的次序4,DGs添加进一步的观察DG的影响。5所示,最初没有DG;根据订单在图3,第一个DG将被添加到总线4,然后添加第二个DG总线5。添加DGs上面的建议下一个接一个订单并记录相对PSA下降(ΔPSA) (12)在DG添加过程。

从数据2和3、分支2 - 4是最关键的,最需要保护。因此,选择这个分支图5观察在不同数量的DGsΔPSAs。


图5
2 - 4不同DGs PSA的分支。

图5表明,增加的DGs,他们通常减少ΔPSA;换句话说,除了当地的电源可以提高电网性能和减少关键线路的脆弱性。起初,曲线是陡峭,表明添加DGs的开始可以明显减少系统漏洞。然而,末尾的曲线,它变得平坦,表明添加DGs的影响变得软弱的一步一步。

此外,理想的小规模发电与供电因子1是用来测试IEEE-33-bus系统和比较分析方法(早些时候报道34通过考虑改进的电压概要和减少损失。

在图6, 设在排名代表DG安装、性能的最低数量意味着最佳性能,最大数量意味着最糟糕的表现。例如,在紫色的线,当DG位置是5,其优先级排名是1,这意味着安装DG总线位置5会提高性能。


图6
公益广告安装DGs在不同的公共汽车。

图中有三行6,蓝线是PSA的排名结果指标,基于结构分析。而电压稳定指数和详尽的负载流量的方法(精灵)34- - - - - -36)是基于详细的功率流计算,包括详细的负载电压、发电机电压和负载电流。这些方法认为添加DGs可能增加实权回流系统,然后导致电压升高或可能增加无功功率跟随到支线,然后导致电压下降(34- - - - - -36]。因此,减少损失,旨在最小化总功率损失和电压稳定的提高,这些方法的主要目的是考虑DG的最佳位置。在某种程度上,方法基于国家更加关注经济和质量,而基于结构分析的PSA方法侧重于总体性能和安全性。

换句话说,分析基于操作状态不能考虑所有可能的系统操作通过计算和他们主要关注经济有限的情况下。然而,安全分析应注意等紧急情况下故意攻击,不常见的条件。因此,安全分析和经济分析以上矛盾。

自分析方面的三种方法是不同的,有差异的排名在图6。然而,仍然有一些安装位置与贴切地小优先级方差。对于这些地方,它们包含两个方面的安全、经济和质量方面,更有意义。

在图7总线位置25 5和26有很高的排名从经济视角,质量和安全,应首先建议安装DGs在总线位置13日14日和21日低性能从三个视角,不得添加DGs推荐。也有不一致的地方,如总线位置6,9,10,28。这意味着评估通过有限的运营状态不能确定可能的安全问题分析的贡献本文的测量。


图7
类似的三种方法之间的排名。

6。结论

基于复杂网络的结构分析理论被认为是有前途的分析电网的安全问题。然而,“结构”的含义通常仅限于拓扑连接或网络的一些相关的物理特征。事实上,在广义上说,一些静态物理特性相关的组件也可能与网络性能的关系紧张,如能力、有效供给区域,或间歇性的发电机。许多复杂网络的有效度量是基于统计评估。和这些静态物理特性也可以从统计角度提供巨大的有价值的信息。因此,这是不可避免的,这些静态特性与网络结构集成目标问题时更具体和专业。

同时,智能电网技术的快速发展,现代配电网络有更多的DGs和贝丝已经在操作和安全问题更多的挑战。前的考虑一些具体缺陷度量对于分销网络和DGs,有必要进一步更新相关的方法,一些重要而特殊的功能扩展结构分析的意义。提出了一种专用的度量称为Power-Supply-Ability配电网络基于net-ability曾应用于电力传输网络。三个缺陷的识别与DGs的net-ability申请分销网络。基于解决这些缺陷,net-ability更新和完善Power-Supply-Ability分销网络。此外,指出这是一个固有的能力取决于最初的网络结构来提高其性能和安全性相同程度的DG渗透。通过案例研究,这种方法已经被证明是有效的分销网络识别潜在的结构性弱点。此外,它可以帮助网站分配DGs和补充其他方法只是基于有限状态的分析。DG计划和操作的分析和判断应考虑经济视角,质量和安全。这个指标可以帮助建立一个更全面的方法。 In the future, this method will try to be applied to real world systems in decision of DG allocation for further development and analysis.

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作已经由国投白银支持风力发电有限公司,有限公司,通过联合研究项目“Energy-Internet-Oriented微型电网关键技术研究”。