汪沨等

摘要：分布式電源接入配電網(wǎng)后，孤島運(yùn)行可以作為一種新的故障恢復(fù)方式，保障重要負(fù)荷的供電.本文提出了一種基于距離權(quán)重搜索孤島的啟發(fā)式孤島劃分方法，以恢復(fù)的重要負(fù)荷最多為主要目標(biāo)，充分考慮孤島安全運(yùn)行的約束條件，計及不可控負(fù)荷的影響，引入距離權(quán)重來表征負(fù)荷與當(dāng)前孤島的距離遠(yuǎn)近，決定負(fù)荷并入孤島的先后順序.在先形成僅含分布式電源和相連支路的初始孤島后，按負(fù)荷重要程度，依次并入距離當(dāng)前孤島最近的負(fù)荷，最后對劃分好的孤島進(jìn)行安全校驗(yàn)和優(yōu)化.仿真結(jié)果表明了該方法能在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，動態(tài)劃分合理的孤島范圍.

關(guān)鍵詞：計劃孤島；分布式電源；配電網(wǎng)；距離權(quán)重

中圖分類號：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A Heuristic Islanding Algorithm of Distribution

System with Distributed Generation

WANG Feng1， ZENG Yeyun1， CHEN Chun1， LIU Bei1， DONG Xuzhu2

（1.College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha，Hunan410082，China；

2.Electric Power Research Institute， CSG， Guangzhou，Guangdong510000， China）

Abstract：With plenty of distributed generators connected to distribution system， island operation can be used as a new fault recovery approach to ensure the power supply of critical loads. A heuristic islanding algorithm based on distanceweight was proposed， taking the maximum recovered critical load as the main target， considering the pact of various operation constraints and uncontrolled loads of the distribution networks， introducing distanceweight which represents the distance between the objective load and the island to find out which load is the nearest to the current island and should be recovered first. The initial island is composed of all the DGs and some branches between them， and then enlarged by merging the nearest load among all the considered loads. Finally， it will get security assessment and be regulated. Simulation results have demonstrated that the proposed algorithm can generate a reasonable islanding scheme after a fault occurs.

Key words：intentional islanding； distributed generation； distribution system； distanceweight

智能電網(wǎng)的建設(shè)鼓勵分布式電源 （Distributed Generation， DG）的大量接入和充分利用，以減少環(huán)境污染，提高供電可靠性[1].孤島運(yùn)行是配電網(wǎng)接入DG后的一種新的非常態(tài)運(yùn)行方式，在與主網(wǎng)分離后，配電網(wǎng)絡(luò)中的部分用戶僅由DG獨(dú)立進(jìn)行供電[2-4].為了提高DG利用率，IEEE std.1547-2003支持供電方和用戶通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行[5].

計劃孤島（Intentional Islanding）是指當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生上級電網(wǎng)故障、頻率電壓越限或振蕩失步等情況時，根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、DG位置和發(fā)電容量等，將配電網(wǎng)解列成一個或幾個孤立的子網(wǎng)，維持全部或部分負(fù)荷的供電，并通過制定有效的控制策略，確保孤島的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6].

目前，國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)對如何搜索配電網(wǎng)孤島進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[7]提出了基于有根樹和深度優(yōu)先搜索的孤島劃分方法，但其將重要負(fù)荷和一般負(fù)荷同等處理，不能優(yōu)先保障重要負(fù)荷的供電.

文獻(xiàn)[8]通過源點(diǎn)單元和負(fù)荷單元的不斷融合，迅速得出可行的孤島劃分方案.文獻(xiàn)[9]對配電網(wǎng)中的負(fù)荷進(jìn)行0-1編碼，利用二進(jìn)制組合變異粒子群算法搜索最優(yōu)解，但是速度較慢.文獻(xiàn)[8-9]均將所有負(fù)荷視為不可控負(fù)荷，未考慮負(fù)荷的可控性對孤島劃分結(jié)果的影響.

由圖2可知，配電網(wǎng)簡化圖包含三種類型的節(jié)點(diǎn)：1）母線節(jié)點(diǎn)；2）負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；3）DG節(jié)點(diǎn).其中，母線節(jié)點(diǎn)是連通圖的內(nèi)點(diǎn)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和DG節(jié)點(diǎn)是葉節(jié)點(diǎn).配電網(wǎng)簡化圖包含兩種類型的邊：1）母線節(jié)點(diǎn)與母線節(jié)點(diǎn)相連的邊（樹干）；2）母線節(jié)點(diǎn)與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)或DG節(jié)點(diǎn)相連的邊（樹枝）.

1.2孤島劃分的目標(biāo)

優(yōu)化的孤島劃分方案既要盡量使停電造成的損失最小，又要使劃分的孤島易于恢復(fù).因此，應(yīng)該考慮以下3個目標(biāo)：

1）恢復(fù)最多的重要負(fù)荷

電力系統(tǒng)中，不同等級的負(fù)荷對供電可靠性的要求不同，在與系統(tǒng)解列后，孤島應(yīng)優(yōu)先保障重要負(fù)荷的供電，因此，劃分的孤島應(yīng)最大限度地包含一、二類負(fù)荷.

2）恢復(fù)盡可能多的負(fù)荷

為減少負(fù)荷損失量，充分發(fā)揮DG的作用，在優(yōu)先保障重要負(fù)荷供電，并且孤島尚有功率余量的情況下，應(yīng)將盡可能多的三類負(fù)荷并入孤島內(nèi).

3）易于系統(tǒng)解列與恢復(fù)

系統(tǒng)的解列點(diǎn)和切除負(fù)荷個數(shù)越少，劃分的孤島數(shù)目越少，越有利于快速實(shí)現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式的轉(zhuǎn)換.

1.3 約束條件

為保證孤島的安全穩(wěn)定運(yùn)行，孤島須滿足以下幾個約束條件：

1）孤島內(nèi)有功功率平衡，即孤島內(nèi)的DG出力必須大于孤島內(nèi)負(fù)荷需求的有功功率.

2）為維持孤島內(nèi)電壓與頻率的穩(wěn)定，每個孤島應(yīng)至少含有一個具有V/f控制模式或下垂控制模式的分布式電源.

3）線路電流不過載.

4）母線電壓不越限.

5）配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)始終呈輻射狀.

2 距離權(quán)重的引入

2.1 相關(guān)名詞說明

為了方便闡述問題，將本文中用到的一些名詞分別加以說明如下：

可控負(fù)荷：調(diào)度部門可以直接控制其切除或并入電網(wǎng)的負(fù)荷.

不可控負(fù)荷：調(diào)度部門不能直接控制，只要其相連母線與電源（變電站或DG）連通，就會被供電的負(fù)荷[14].

孤島網(wǎng)絡(luò)：由母線節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、DG節(jié)點(diǎn)及其相連支路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，是孤島的簡化圖表示.

源內(nèi)節(jié)點(diǎn)：孤島網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的母線節(jié)點(diǎn).

源外節(jié)點(diǎn)：孤島網(wǎng)絡(luò)外的母線節(jié)點(diǎn).

供電路徑CRL：連接孤島和負(fù)荷L的最短線路，包括中間的母線節(jié)點(diǎn)及其相連支路.

2.2距離權(quán)重的定義

在孤島網(wǎng)絡(luò)合并負(fù)荷的過程中，負(fù)荷的并入順序直接影響到劃分的孤島能否恢復(fù)最多的重要負(fù)荷及解列操作的便利性.

對于待恢復(fù)的兩個同等重要的負(fù)荷，孤島網(wǎng)絡(luò)的并入順序?yàn)椋?）先考慮并入供電路徑上額外有功損耗較少的負(fù)荷，以減少有功消耗來恢復(fù)更多的重要負(fù)荷；2）在有功損耗相等的情況下，優(yōu)先合并對應(yīng)切除負(fù)荷個數(shù)較少的負(fù)荷，以易于實(shí)現(xiàn)孤島的解列與并網(wǎng)操作.

定義距離權(quán)重DWL：當(dāng)前孤島恢復(fù)負(fù)荷L的供電需要花費(fèi)一定的代價.該代價包括：1）孤島須額外消耗的有功功率；2）需要切除的連接在供電路徑CRL上的負(fù)荷個數(shù).距離權(quán)重越小，表示該負(fù)荷距離當(dāng)前孤島“越近”.

恢復(fù)目標(biāo)負(fù)荷L，連接在供電路徑CRL上的負(fù)荷也會得到恢復(fù).為保障有足夠的功率余量恢復(fù)目標(biāo)負(fù)荷，CRL上消耗的有功應(yīng)越少越好.考慮到連接在CRL上的可控負(fù)荷可以進(jìn)行切除，從而，在忽略線路損耗的情況下，給目標(biāo)負(fù)荷L送電，當(dāng)前孤島至少須額外消耗的有功功率等于連接在CRL上的不可控負(fù)荷值.

因此，衡量距離權(quán)重（代價）的2個因素分別可以用以下2個因子等效：1）功率因子PFL：連接在供電路徑CRL上的所有不可控負(fù)荷的有功功率之和；2）可控因子CFL：連接在供電路徑CRL上的可控負(fù)荷個數(shù).

2.3 距離權(quán)重的比較原則

對于2個待恢復(fù)的負(fù)荷U和W，其距離權(quán)重的具體比較原則為：

1）若負(fù)荷U和W均連接在源內(nèi)節(jié)點(diǎn)上，則DWU=DWW；

2）若負(fù)荷U連接在源內(nèi)節(jié)點(diǎn)上，而負(fù)荷W連接在源外節(jié)點(diǎn)上，則DWU

3）若負(fù)荷U和W均連接在源外節(jié)點(diǎn)上，則PF值小者距離權(quán)重小；

4）若負(fù)荷U和W均連接在源外節(jié)點(diǎn)上且PF值相等，則CF值小者距離權(quán)重小.

如圖3所示，黑色圓圈P表示源內(nèi)節(jié)點(diǎn)，A～H均為連接在源外節(jié)點(diǎn)上的待恢復(fù)負(fù)荷.其中，A，C，E，F(xiàn)，H為重要負(fù)荷，B，D，G為一般負(fù)荷，且A，B，D為不可控負(fù)荷，其余負(fù)荷是可控的.

比較5個待恢復(fù)重要負(fù)荷的距離權(quán)重知：DWA

3啟發(fā)式孤島劃分方法

在孤島劃分前，應(yīng)先從SCADA系統(tǒng)讀取所需的實(shí)時數(shù)據(jù)，確定故障隔離后從大電網(wǎng)分離的配電網(wǎng)區(qū)域，并以此作為孤島劃分的范圍，然后將配電網(wǎng)實(shí)際拓?fù)鋱D簡化為無向圖表示.

孤島搜索過程實(shí)際上就是孤島網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大的過程，最終形成的孤島就是連通圖的子圖.孤島網(wǎng)絡(luò)的形成過程包括2種類型的操作：1）添加樹枝：并上負(fù)荷和投入DG；2）添加樹干：將連接兩母線節(jié)點(diǎn)的支路加入孤島網(wǎng)絡(luò).

本文提出的啟發(fā)式孤島搜索方法包括三個階段：1）投入DG：從所有DG出發(fā)，找出連接路徑，形成初始孤島網(wǎng)絡(luò)；2）并上負(fù)荷：對于待恢復(fù)的負(fù)荷，按重要程度，及與當(dāng)前孤島網(wǎng)絡(luò)由近到遠(yuǎn)的順序依次考察，將滿足孤島有功平衡條件的負(fù)荷并入孤島網(wǎng)絡(luò)；3）優(yōu)化孤島：評估初步劃分的孤島是否滿足安全運(yùn)行的要求，對不符合約束條件的孤島作相應(yīng)處理和優(yōu)化，最終得到可行的孤島方案.

算法具體步驟為：

Step1：投入所有DG，形成初始孤島網(wǎng)絡(luò).

1）從隔離區(qū)域內(nèi)的DG節(jié)點(diǎn)出發(fā)，確定兩DG節(jié)點(diǎn)之間的連接路徑，形成僅含DG節(jié)點(diǎn)及其相連支路的初始網(wǎng)絡(luò)，計算所有DG的出力之和PS.

2）遍歷所有連接在該初始網(wǎng)絡(luò)上的不可控負(fù)荷，計算不可控負(fù)荷總量PUL.

3）若PUL

Step2：按負(fù)荷等級由高到低的順序，優(yōu)先考慮恢復(fù)一類負(fù)荷的供電，根據(jù)其到當(dāng)前孤島網(wǎng)絡(luò)由近到遠(yuǎn)的順序依次并入孤島，擴(kuò)大孤島網(wǎng)絡(luò).

1）孤島網(wǎng)絡(luò)內(nèi)：遍歷所有連接在源內(nèi)節(jié)點(diǎn)上的一類負(fù)荷，按其有功值從小到大依次考察，若PLi

2）孤島網(wǎng)絡(luò)外：遍歷所有連接在源外節(jié)點(diǎn)上的一類負(fù)荷，并比較其距離權(quán)重，找出距離當(dāng)前孤島網(wǎng)絡(luò)最近的負(fù)荷，選定該負(fù)荷為待恢復(fù)的目標(biāo)負(fù)荷.

3）確定目標(biāo)負(fù)荷與孤島之間的供電路徑，并計算恢復(fù)目標(biāo)負(fù)荷的供電，孤島至少會減少的有功功率Ploss.Ploss等于目標(biāo)負(fù)荷的有功功率加上供電路徑上連接的不可控負(fù)荷.

4）若Ploss

5）將目標(biāo)負(fù)荷加入禁忌表，不再參與下次遍歷.重復(fù)步驟2）-4），直到找不出可以并入孤島的一類負(fù)荷.

Step3：參照一類負(fù)荷的并入流程，將二類負(fù)荷并入孤島，進(jìn)一步擴(kuò)大孤島網(wǎng)絡(luò).

Step4：按類似的方法并入三類負(fù)荷，且在步驟2）后增加判斷條件，如果選定的目標(biāo)三類負(fù)荷連接的源外節(jié)點(diǎn)不是與孤島網(wǎng)絡(luò)直接相鄰，則進(jìn)入下一步.

因?yàn)樵诒Ｕ现匾?fù)荷的供電后，為了使孤島易于并網(wǎng)恢復(fù)，切除的負(fù)荷個數(shù)應(yīng)盡可能的少，而并入離孤島較遠(yuǎn)的負(fù)荷可能需要切除多個負(fù)荷，且三類負(fù)荷對供電可靠性無過高要求，因此，加入此判斷條件不僅有利于孤島的解列和并網(wǎng)操作，同時孤島還有更多的功率余量保障重要負(fù)荷的供電.

Step5：孤島校驗(yàn)和優(yōu)化.對劃分得到的初始孤島進(jìn)行潮流計算，檢驗(yàn)其是否滿足安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，即母線電壓是否越限，線路是否過載.

1）若母線電壓越限，可通過分布式電源調(diào)壓，或在母線處投切電容器進(jìn)行調(diào)節(jié).

2）若線路過載，則切除過載線路下游的部分重要程度較低的可控負(fù)荷，由于切除部分負(fù)荷后，孤島可能有較多的富余功率為配電網(wǎng)中其他未恢復(fù)的負(fù)荷供電，為充分利用DG發(fā)電能力，重復(fù)Step2-Step5，并入尚未恢復(fù)的負(fù)荷，直到孤島滿足所有約束條件.由線路過載而切除的負(fù)荷不參與之后的負(fù)荷并入操作.

算法流程圖如圖4所示.孤島搜索結(jié)束后，執(zhí)行下面的操作可得到最終的孤島方案：1）斷開解列點(diǎn)的開關(guān)（連接源外節(jié)點(diǎn)與源內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的樹干上的開關(guān)）；2）切除負(fù)荷：（連接在源內(nèi)節(jié)點(diǎn)上且未并入孤島的負(fù)荷）.

4算例分析

用本文提出的方法對含DG的7節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行孤島劃分和校驗(yàn)，可得到如圖1虛線框所示的孤島.其中，所有的重要負(fù)荷都已恢復(fù)，三類負(fù)荷恢復(fù)47.6%.孤島網(wǎng)絡(luò)的具體形成過程見表3.配電網(wǎng)因上級電網(wǎng)發(fā)生故障與輸電網(wǎng)分離后，斷開開關(guān)B3，切除負(fù)荷L10，孤島內(nèi)的DG能保障孤島內(nèi)其余負(fù)荷的持續(xù)供電.

圖1為典型的含DG的7節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，負(fù)荷的相關(guān)信息如表2所示.DG1和DG2的容量分別為2.0 MW，3.0 MW，且都有V/f控制模式.

圖5為在美國PG&E69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)的部分母線上接入DG，詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)[15].為便于比較，算例中的DG接入位置、容量以及負(fù)荷的重要程度設(shè)置均與文獻(xiàn)[9]相同.DG具體參數(shù)見表4，其中DG1，DG2，DG3，DG7具有V/f或下垂控制模式.母線節(jié)點(diǎn)6，19，28，29，50連接的負(fù)荷為不可控負(fù)荷，其余負(fù)荷均可控.

假設(shè)外部電網(wǎng)故障，用提出的啟發(fā)式孤島劃分算法可得到如圖5所示的孤島方案，孤島由斷開邊25-26，36-37和68-69，切除節(jié)點(diǎn)21，24，53，57和60連接的負(fù)荷形成.

本文方法使用C++語言在Intel Core i5 2.30 GHz微機(jī)上實(shí)現(xiàn).以美國PG&E 69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為算例，算法執(zhí)行50次，其平均搜索時間約為22.7 ms，符合實(shí)際運(yùn)行要求.

5結(jié)語

計劃孤島為含DG的配電網(wǎng)提供了一種很好的故障處理手段，在故障隔離后，可以保障重要負(fù)荷的持續(xù)供電，提高配電網(wǎng)的供電可靠性，又通過制定有效的控制策略，避免DG給配電網(wǎng)安全運(yùn)行造成不利影響.

算例分析表明本文算法能在故障發(fā)生后，及時制定一個優(yōu)化的孤島方案，保障重要負(fù)荷和盡可能多的負(fù)荷的供電，而且形成孤島需要操作開關(guān)和切除負(fù)荷個數(shù)較少，易于迅速實(shí)現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式之間的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了本文方法的優(yōu)越性和實(shí)用性.

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