智能配电系统的安全运行范围与能力极限研究

It is a basic scientific problem to describe the feasible operating range and determine the capability limit of a system, which involves two most concerned objects: security and efficiency. This project will solve this basic problem in smart distribution grid for the first time. Firstly, we will propose the definitions, mathematical models and algorithms of the security boundary and power supply and DG integration capability considering the new components and mechanism of smart grid. Secondly, the visualization and observation methods as well as mathematic reasoning will be developed to obtain the geometrical characteristics of the security region and capability curves. Finally, the affective mechanism of the network topology, load/DG match and new components on the Distribution Systems Security Region (DSSR) and the Total Supply Capacity (TSC) will be studied. A large number of achievements have been obtained in the traditional distribution network security analysis in the years after the DSSR and TSC are proposed. Smart Grid will totally upgrade the traditional distribution networks, which makes the problems much more complicated and difficult. This project is not only the expansion but also the re-innovation of the existing TSC/DSSR theory, which will build up comprehensive security boundary theory for smart distribution grid. This new theory will help to create new ideas and approaches to deal with present focus planning and operation problems in smart distribution grid.

刻画系统运行的允许范围和确定其能力极限是研究一个系统最基本的科学问题，涉及到安全和效率这两个最令人关心的指标，本项目将首次针对智能配电系统，尝试解决这一基本问题。首先，提出考虑智能配电网各种新元件新机制的安全边界与供电消纳能力的定义、模型与算法，并揭示问题的数学本质；其次，设计可视化观测手段结合数学推导得到安全域和能力曲线的几何性质；最后，揭示配电网络、新元件、负荷DG时空匹配对边界性质和能力极限的影响机理。自配电网安全域DSSR和最大供电能力TSC提出后的数年中，在传统配电网安全分析中已取得大量成果。智能电网彻底改变了传统配电功能，问题的复杂度和难度都大大增加。本项目是现有DSSR/TSC理论的扩展和再创新，将全面建立智能配电系统的安全边界理论，为新一代配电网的规划建设、改造升级与安全高效运行提供理论支撑，并可能给出解决可再生能源消纳等热点问题的新途径。

刻画系统运行的允许范围和确定其能力极限是研究一个系统最基本的科学问题。本项目针对智能配电系统，首次系统地建立了配电系统安全域（DSSR）理论和最大供电能力（TSC）理论，解决该领域的定义、指标、模型、计算、性质、机理等基本科学问题。代表成果如下：.1. 提出了智能配电系统DSSR的数学模型与算法，包括：(1)N-0安全的城市配电网安全域模型；(2)有源网的全象限DSSR模型与算法；(3)计及分布式电源与需求响应的DSSR模型与算法；(4)柔性配电网的DSSR模型与算法；(5)考虑灵活资源的DSSR模型与算法；(6)基于容量边界与电压边界的潮流模型选择方法；(7)配电网维度的定义与计算方法。.2. 提出了TSC/TSC曲线的数学模型与算法，包括：(1)N-0安全的城市配电网最大供电能力；(2)TSC规范化名词术语；(3)考虑双向能量交换型负荷的TSC模型与算法；(4)有源配电网的TSC曲线和消纳能力TAC曲线。.3. 揭示了DSSR的拓扑性质和机理，包括：(1)DSSR的全维直接观测；(2)DSSR的二维图谱；(3)DSSR的凹凸性与特殊图像；(4)DSSR的表面积、体表比及圆润度；(5)有源配电网的安全域体积。.4. 揭示了TSC曲线的性质和机理，包括：(1)TSC曲线的数学模型与下降机理；(2)配电网最大供电能力的判定定理；(3)馈线联络对配电网最大供电能力的影响。.5. 基于DSSR/TSC曲线指标提出了新的配电网规划运行方法，包括：(1)基于DSSR的配网安全性态势感知方法；(2)基于安全边界几何观测的配电网改造规划实用方法；(3)DG接入城市配电网的综合匹配评价与改善方法。.6. 将DSSR和TSC理论扩展到天然气网、综合能源系统、交通网、一般网络领域，最早发现并提出了天然气管网系统安全域与输气能力曲线；揭示了DSSR/TSC的网络流本质，提出了一般网络的临界流和运行边界。.后续是面向实际应用完善安全边界理论，已获得国家自然科学基金面上项目（52177105）支持，体现了本项目良好的研究前景。