Optimal Load Distribution of Urban High-voltage Distribution Network Considering Short-term Emergency Loading of Transformer

WANG Qianggang; GUO Yingfei; MO Fuxue; ZHOU Niancheng; LEI Chao

doi:10.7500/AEPS20230203004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Optimal Load Distribution of Urban High-voltage Distribution Network Considering Short-term Emergency Loading of Transformer

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Optimal Load Distribution of Urban High-voltage Distribution Network Considering Short-term Emergency Loading of Transformer
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 19, Pages: 106-115(2023)
- 作者机构：
  
  1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆市 400044
  2.国网重庆市电力公司市北供电分公司,重庆市 401147
  3.香港理工大学电机电子工程系,香港 999077
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China-State Grid Joint Fund for Smart Grid(U1866603)
- DOI：10.7500/AEPS20230203004
  CLC：
- Received：03 February 2023，
  
  Revised：2023-06-26，
  
  Published Online：06 September 2023，
  
  Published：10 October 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
王强钢,郭莹霏,莫复雪等.计及变压器短期急救负载的城市高压配电网负荷优化分配[J].电力系统自动化,2023,47(19):106-115.

WANG Qianggang,GUO Yingfei,MO Fuxue,et al.Optimal Load Distribution of Urban High-voltage Distribution Network Considering Short-term Emergency Loading of Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(19):106-115.
王强钢,郭莹霏,莫复雪等.计及变压器短期急救负载的城市高压配电网负荷优化分配[J].电力系统自动化,2023,47(19):106-115. DOI： 10.7500/AEPS20230203004.

WANG Qianggang,GUO Yingfei,MO Fuxue,et al.Optimal Load Distribution of Urban High-voltage Distribution Network Considering Short-term Emergency Loading of Transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(19):106-115. DOI： 10.7500/AEPS20230203004.

摘要

为深度挖掘变压器在

-1故障短时过载工况下的紧急支撑能力，保障城市电网在该工况下的供电可靠性，提出一种计及变压器短期急救负载的城市高压配电网负荷优化分配模型。首先，推导变压器的绕组热点温度、顶层油温参数计算式。在此基础上，引入变压器短期急救负载耐受时间及约束，构建短期急救负载下以负载系数、耐受时间为决策变量的变压器过载能力非线性约束，利用凸包方法将其线性化。结合高压配电网典型拓扑约束、有功功率平衡约束等组成约束集，以变压器短期急救负载耐受时间和最大、110 kV线路开关操作次数及220 kV变压器有功切负荷量最小为目标函数，提出计及变压器短期急救负载的城市高压配电网负荷优化分配模型。该模型为混合整数线性规划问题，采用Cplex工具箱进行求解。最后，通过实际220 kV/110 kV城市电网仿真分析，验证了所提模型的有效性。

Abstract

To deeply excavate the emergency support capacity of the transformer under

-1 fault short-term overload conditions and ensure the power supply reliability of urban power grids

an optimal load distribution model of urban high-voltage distribution network considering short-term emergency loading of the transformer is proposed. First

the calculation formulas of winding hot spot temperature and top oil temperature parameters of the transformer are derived. On this basis

the tolerance time and constraints of short-term emergency loading of the transformer are introduced

and the nonlinear constraints of transformer overload capacity under short-term emergency loading are constructed with load coefficient and tolerance time as decision variables

and linearized by the convex hull method. Combining the topology constraints and active power balance constraints of a high-voltage distribution network to form a constraint set

an optimal load distribution model of urban high-voltage distribution network considering the short-term emergency loading of transformers is proposed with the objective function of the maximum tolerance time of short-term emergency loading of the transformer

the minimum number of switching operations of 110 kV lines

and the minimum active load shedding of 220 kV transformers. The model is formulated as a mixed-integer linear programming problem and is solved using the Cplex toolbox. Finally

the validity of the proposed model is verified by the simulation analysis conducted on an actual 220 kV/110 kV urban power grid.

关键词

Keywords

references

楼奕轩，孙磊，丁明 . 计及 N -1安全约束和系统恢复能力的发输电拓展规划［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 23 ）： 41 - 50 .

LOU Yixuan ， SUN Lei ， DING Ming . Generation and transmission expansion planning considering N -1 security constraints and system resilience ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 23 ）： 41 - 50 .

WILLIS H L . Power distribution planning reference book ［M］. Boca Raton， USA ： CRC Press ， 2004 .

朱柳慧 . 变压器过载能力优化及运行风险评估方法［D］. 上海：上海交通大学， 2013 .

ZHU Liuhui . Transformer overload capacity optimization and operation risk assessment method ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2013 .

池源，郭莹霏，孟庆昊，等 . 主动配电网储能应用新形态：虚拟配电变压器与馈线［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 12 ）： 163 - 175 .

CHI Yuan ， GUO Yingfei ， MENG Qinghao ， et al . New form of energy storage application in active distribution network： virtual distribution transformers and feeders ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 12 ）： 163 - 175 .

周念成，谷飞强，雷超，等 . 考虑合环电流约束的主动配电网转供优化模型［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 15 ）： 3281 - 3291 .

ZHOU Niancheng ， GU Feiqiang ， LEI Chao ， et al . A power transfer optimization model of active distribution networks in consideration of loop closing current constraints ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 15 ）： 3281 - 3291 .

张曦，刘友波，吕林，等 . 计及高压配电网负荷转供的城市220 kV片区电网供电能力分析［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 5 ）： 1612 - 1620 .

ZHANG Xi ， LIU Youbo ， LÜ Lin ， et al . Total supply capability analysis of urban 220 kV area power system considering load transfer capability of HV distribution network ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 5 ）： 1612 - 1620 .

张国驹，裴玮，杨鹏，等 . 中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术综述［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 6 ）： 18 - 29 .

ZHANG Guoju ， PEI Wei ， YANG Peng ， et al . Review on circuit topology and control technology of flexible interconnection devices for medium-voltage distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 6 ）： 18 - 29 .

柳轶彬，梁得亮，王宇珩，等 . 混合式配电变压器的动态模型与内环控制系统［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 7 ）： 1537 - 1546 .

LIU Yibin ， LIANG Deliang ， WANG Yuheng ， et al . Dynamic model and inner loop control system of hybrid distribution transformer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 1537 - 1546 .

李振生，孙佳龙，杜剑行，等 . 高压配电网剩余供电能力计算及应用［J］. 电气技术， 2021 ， 22 （ 7 ）： 78 - 82 .

LI Zhensheng ， SUN Jialong ， DU Jianxing ， et al . Calculation method of residue supply capability for high-voltage distribution system and its application ［J］. Electrical Engineering ， 2021 ， 22 （ 7 ）： 78 - 82 .

ALVAREZ D L ， RIVERA S R ， MOMBELLO E E . Transformer thermal capacity estimation and prediction using dynamic rating monitoring ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 1695 - 1705 .

陈强，王建，熊小伏，等 . 考虑设备动态过载能力的风电送出通道紧急过载运行策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 15 ）： 163 - 171 .

CHEN Qiang ， WANG Jian ， XIONG Xiaofu ， et al . Emergency overload operation strategy for sending transmission channel of wind power considering dynamic overload capability of equipment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 15 ）： 163 - 171 .

LI J W ， SHANG J N ， SONG Y H . Research on relationship of leakage defects and temperature of EHV power transmission and transformation equipment ［C］// 3rd IEEE International Conference on Computer and Communications （ICCC）， December 13-16 ， 2017 ， Chengdu， China ： 2837 - 2841 .

章禹，何迪，许奕斌，等 . 计及综合风险的油浸式变压器短期增容决策方法［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 13 ）： 86 - 91 .

ZHANG Yu ， HE Di ， XU Yibin ， et al . Short-term capacity increasing decision method for oil-immersed transformer considering comprehensive risk ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 13 ）： 86 - 91 .

张波 . 计及设备时变状态和负载能力的变电站风险评估研究［D］. 重庆：重庆大学， 2021 .

ZHANG Bo . Study on risk assessment of substation considering time-varying state and load capacity of equipment ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2021 .

谢裕清，李琳，宋雅吾，等 . 油浸式电力变压器绕组温升的多物理场耦合计算方法［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 21 ）： 5957 - 5965 .

XIE Yuqing ， LI Lin ， SONG Yawu ， et al . Multi-physical field coupled method for temperature rise of winding in oil-immersed power transformer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 21 ）： 5957 - 5965 .

董旭柱，张琛，阮江军，等 . 油浸式电力变压器动态载荷评估技术研究与应用［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 6 ）： 1959 - 1968 .

DONG Xuzhu ， ZHANG Chen ， RUAN Jiangjun ， et al . Research and practices of dynamic thermal rating for oil-immersed power transformer ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 6 ）： 1959 - 1968 .

DOROSTKAR-GHAMSARI M R ， FOTUHI-FIRUZABAD M ， SAFDARIAN A ， et al . Improve capacity utilization of substation transformers via distribution network reconfiguraion and load transfer ［C］// IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering （EEEIC）， June 7-10 ， 2016 ， Florence， Italy .

刘畅，黄杨，杨昕然，等 . 计及储能及负荷转供协同调度的城市电网弹性运行策略［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 6 ）： 56 - 66 .

LIU Chang ， HUANG Yang ， YANG Xinran ， et al . Flexible operation strategy of an urban transmission network considering energy storage systems and load transfer characteristics ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 6 ）： 56 - 66 .

张曦，吕林，金勇，等 . 基于高压配电网变电单元分组重构的城市电网输电阻塞管控模型及算法［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 20 ）： 5403 - 5413 .

ZHANG Xi ， LÜ Lin ， JIN Yong ， et al . Congestion mitigation model and algorithm for urban power grids considering reconfigurability of high-voltage distribution transformer unit groups ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 20 ）： 5403 - 5413 .

周念成，兰雪珂，莫复雪，等 . 计及线路接头温升约束的受端电网转供优化模型［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3237 - 3249 .

ZHOU Niancheng ， LAN Xueke ， MO Fuxue ， et al . A power transfer optimization model of receiving-end power systems considering line joint temperature rise constraints ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3237 - 3249 .

王强钢，李钰双，雷超，等 . 计及主变上层油温约束的受端电网转供优化模型［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 16 ）： 4747 - 4758 .

WANG Qianggang ， LI Yushuang ， LEI Chao ， et al . A power transfer optimization model of receiving-end power systems considering transformer top-oil temperature constraints ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 16 ）： 4747 - 4758 .

周念成，莫复雪，肖舒严，等 . 计及多电压等级配电网拓扑约束的协调转供优化［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3106 - 3120 .

ZHOU Niancheng ， MO Fuxue ， XIAO Shuyan ， et al . Coordinated power transfer optimization of multi-voltage-level distribution network considering topology constraints ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3106 - 3120 .

赖胜杰，夏成军，纪焕聪，等 . 计及负荷等值阻抗的配电网合环转供电分析模型［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 11 ）： 2859 - 2868 .

LAI Shengjie ， XIA Chengjun ， JI Huancong ， et al . An analysis model for power transfer from loop closing in distribution network considering load equivalent impedance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 11 ）： 2859 - 2868 .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 电力变压器第7部分：油浸式电力变压器负载导则： GB/T 1094.7—2008 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2009 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Power transformers Part 7 loading guide for oil-immersed power transformers ： GB/T 1094.7—2008 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2009 .

IEEE guide for determination of hottest-spot temperature in dry-type transformers： IEEE C57.134—2000 ［S］. New York， USA ： Institute of Electrical and Electronics Engineers ， 2000 .

SUSA D ， LEHTONEN M ， NORDMAN H . Dynamic thermal modelling of power transformers ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2005 ， 20 （ 1 ）： 197 - 204 .

DJAMALI M ， TENBOHLEN S . Malfunction detection of the cooling system in air-forced power transformers using online thermal monitoring ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 2 ）： 1058 - 1067 .

International Electrotechnical Commission . Transformers—Part 7 loading guide for oil-immersed transformers ： IEC 60076-7—2018 ［S］. Geneve， Switzerland ： International Electrotechnical Commission ， 2018 .

ZHOU S Y ， WANG M X ， WANG J H ， et al . Time-process power flow calculation considering thermal behavior of transmission components ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 4232 - 4250 .

DING S G ， NIE X L ， QIAO H ， et al . A fast algorithm of convex hull vertices selection for online classification ［J］. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems ， 2018 ， 29 （ 4 ）： 792 - 806 .

徐俊俊，陈洪凯，张腾飞，等 . 需求响应视角下有源配电网分层分区切负荷方法［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 7 ）： 244 - 252 .

XU Junjun ， CHEN Hongkai ， ZHANG Tengfei ， et al . Hierarchical and partitioned load shedding method of active distribution network in demand response perspective ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 7 ）： 244 - 252 .

常延朝 . 数据驱动的受端电网紧急切负荷优化研究［D］. 济南：山东大学， 2022 .

CHANG Yanchao . Research on data-driven optimization of emergency load shedding in receiving power grid ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2022 .

WANG J ， WAN Y ， XIONG Z M ， et al . Cooperative overload control strategy of power grid-transformer considering dynamic security margin of transformer in emergencies ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2022 ， 140 ： 108098 .

JIA Y B ， DONG Z Y ， SUN C Y ， et al . Cooperation-based distributed economic MPC for economic load dispatch and load frequency control of interconnected power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 5 ）： 3964 - 3966 .

程维杰，刘金生，张俊芳，等 . 基于网荷智能互动的精准切负荷策略［J］. 南方电网技术， 2022 ， 16 （ 7 ）： 84 - 91 .

CHENG Weijie ， LIU Jinsheng ， ZHANG Junfang ， et al . Precise load shedding strategy based on grid-load intelligent interaction ［J］. Southern Power System Technology ， 2022 ， 16 （ 7 ）： 84 - 91 .

胡国，颜云松，吴海，等 . 基于主配协同的配电网紧急负荷控制策略及终端实现［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 2 ）： 180 - 187 .

HU Guo ， YAN Yunsong ， WU Hai ， et al . Emergency load control strategy and terminal implementation for distribution network based on collaboration of main grid and distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 2 ）： 180 - 187 .

LEI C ， BU S Q ， WANG Q G ， et al . Load transfer optimization considering hot-spot and top-oil temperature limits of transformers ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 2194 - 2208 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

基于转供逻辑约束的城市电网运行阻塞控制模型

基于公共信息模型对象聚合的高压配电网功能单元信息模型

火电机组有偿调峰与无偿调峰划分方法探讨

Related Author

REN Hongyu

JIN Yong

WANG Peng

ZHANG Lingling

LIANG Lin

LIU Hanwei

Related Institution

State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University)

School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University

North China Electric Power University

North China Bureau of State Electricity Regulatory Commission

⁰