复杂运行环境下配电系统的安全域理论与方法

The operating conditions of future distribution systems will be more complicated, which challenges the security analysis method. As verifying operating points one by one under the N-1 guideline, the existing point-by-point simulation method results in a low computing speed and local security information of partly operating points, especially in the security warning, prevention and control aspects. However this project will form the theory of distribution system security region (DSSR) by describing the overall operating points as a region. Firstly, this project will combine the "security boundary" phenomenon with theoretical derivation to demonstrate the existence of DSSR. Then, this project will give the definition, model and boundary analysis algorithm of DSSR. And then, by researching the DSSR topology, this project will reveal the influence law and function mechanism of various factors on DSSR. At last, this project will propose a new security analysis method based on DSSR. As the DSSR method can describe the security boundary of distribution systems in a global prospective, it will be better than the point-by-point simulation method. This project is a fundamental and original work for DSSR theory. Polit work about DSSR has been proposed by applicants first in domestic and international mainstream journals, and domestic and international patents have also been applied.

未来配电系统运行环境非常复杂，这对安全分析方法提出了挑战。现有逐点仿真法需对每个工作点进行逐个元件N-1安全校验仿真，计算速度慢且仅给出状态空间中部分工作点的局部安全信息，尤其在安全预警和预防控制上缺乏有效手段。本项目将所有安全工作点的集合描述为一个域，建立配电系统安全域(Distribution System Security Region, DSSR)理论。首先，从仿真发现的"安全分界"现象出发，结合理论推导证实DSSR的存在。其次，建立DSSR的定义、数学模型和边界解析算法。然后，研究DSSR的拓扑性质，揭示各因素对DSSR的影响规律与作用机理。最后，提出基于DSSR的安全分析新方法，能从全局描述配电网整个状态空间内的完整安全边界，因此比仿真法具有明显优势。项目是建立配电安全域理论的基础性和原创性工作，目前国内外公开发表的关于DSSR的前期研究都是申请人首先提出并申请国内国际专利。

配电系统是城市的基础设施，未来配电系统运行环境复杂，对现有的N-1安全分析方法提出了挑战。本项目从N-1安全仿真发现的“安全分界”现象出发，首次系统地建立了配电系统安全域(DSSR)理论体系，解决该领域的基本科学问题：(1)DSSR的存在性证明、数学模型与算法；(2)DSSR性质的观测归纳与机理分析；(3)DSSR的应用：新的配电网规划运行方法；(4)DSSR与其他网络理论的交叉研究。代表研究成果如下：.1. 从观测、推导和实证3条途径证明了DSSR的存在性，包括：(1)提出了基于仿真分析的观测DSSR的通用方法；(2)DSSR存在性的数学推导与证明；(3)实际大规模配电网DSSR实证研究。.2. 提出DSSR的数学模型与算法，包括：(1)DSSR的数学定义与问题规模(维度)；(2)基于馈线互联关系的DSSR模型与算法；(3)基于交流潮流的DSSR模型与算法；(4)DG和微网的运行域模型与算法；(5)能得到完整N-1仿真结果的改进DSSR法；(6)有源配电网的全象限DSSR模型；(7)柔性配电网的DSSR模型 (8)部分元件N-1的DSSR模型与算法。.3. 观察归纳DSSR的性质并揭示机理，包括：(1)提出DSSR体积的计算方法；(2)通过二维观察，分析归纳DSSR的拓扑性质，区别了严格和非严格安全边界类型；(3)分析归纳DSSR边界的产生机理 (4)提出了DSSR的全维几何观测方法.4. 提出了新的规划运行方法，包括：(1)提出安全距离的概念与计算方法；(2)基于DSSR的配网安全高效运行新模式；(3)基于DSSR的配电网重构模型及策略； (4)基于DSSR几何观测的配电网观察新视角和规划方案比较方法；(5)高渗透率可再生能源场景下基于安全边界的规划方法。.5. DSSR与其他网络理论的交叉研究，包括：(1)提出一般复杂网络安全域的存在性与模型；(2)网络的安全域方法及与抗毁性的对比验证；(3)提出交通网络的安全域。.此外，除原计划内容，在最大供电能力TSC和DSSR交叉研究时，发现了配电网的供电能力曲线首次完整地刻画了配电网的供电能力，对规划和运行都具有重要意义。能力极限和运行范围是系统的基本属性，具有天然的科学联系，后续的研究工作已获得国家自然科学基金面上项目（51877144）支持，体现了本项目良好的研究前景。