王學冬，肖 白

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

配電系統(tǒng)處于電力系統(tǒng)的末端，其作用是將電源系統(tǒng)或輸變電系統(tǒng)與用電設備連接起來，是向用戶設施分配、供給電能的重要環(huán)節(jié)[1].配電自動化技術是提高配電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要方法.最近幾年，隨著通訊技術與信息技術的飛速進步，人們對配電自動化的研究越來越深入，使我國的配電自動化技術更加完善、成熟，電氣設施的生產(chǎn)也經(jīng)歷了巨大的變革，這些都為配電自動化的深入發(fā)展提供了很好的基礎[2～3].經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，現(xiàn)已形成一個較為完整的配電自動化系統(tǒng).

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求量越來越大，但是隨之而來的環(huán)境問題也日益嚴峻，因此調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，成為未來電網(wǎng)必須考慮的一個重要問題[4～6].近些年，分布式電源作為一種小型、分散化、靠近用戶端的高效、可靠的發(fā)電單元，得以大量應用到電力系統(tǒng)中，其優(yōu)勢主要在于：可以充分開發(fā)和利用各種能源，尤其是可再生能源，這樣不僅能解決大量的用電需求，還能滿足國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求[7]；分布式電源能夠直接與用戶端相連，減少了長距離輸電過程中傳輸線帶來的損耗，減少運行及維護成本，提高經(jīng)濟效益；分布式電源在用作備用電源進行投切時，操作方便的同時還能保證電力的持續(xù)供應[8].現(xiàn)如今，由于分布式電源被大量投入到電力系統(tǒng)的日常運行，針對分布式電源的故障自愈技術逐漸成為配電網(wǎng)智能化的核心，也是智能配電網(wǎng)建成的重要特征和標志之一[9].

1 智能配電網(wǎng)特點

智能配電網(wǎng)以配電自動化技術為理論研究基礎，結(jié)合了傳感技術、控制科學技術、計算機與網(wǎng)絡通信技術等，在智能開關設備、雙向通信網(wǎng)絡及可視化等軟件技術的支持下，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)在正常的運行狀態(tài)下監(jiān)測、保護和優(yōu)化控制以及在非正常運行狀態(tài)下的自愈保護控制[10～11].

智能配電網(wǎng)和傳統(tǒng)的配電網(wǎng)比較，主要具有以下優(yōu)勢[12]：具有更好的供電可靠性；具有故障自愈能力；具有更高的電能質(zhì)量；具有更好的兼容性；具有更強的互動性；具有更高的電網(wǎng)利用率；具有可視化的管理平臺.

1.1 配電網(wǎng)自愈控制的概念及特點

智能電網(wǎng)中的故障自愈技術是指在電網(wǎng)運行過程中能及時發(fā)現(xiàn)并快速診斷、隔離和調(diào)整電路中故障的技術，消除故障對電力系統(tǒng)運行的不良影響；在故障發(fā)生時，利用先進的科學技術監(jiān)視控制手段在少許或沒有人工控制的情況下，連續(xù)地對電網(wǎng)的安全運行狀態(tài)進行在線自我評估，并且在故障發(fā)生時能夠快速發(fā)現(xiàn)診斷并隔離故障，采取安全有效的預防控制策略，使電網(wǎng)能夠自我控制恢復供電到正常安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，避免發(fā)生大面積事故停電，使事故發(fā)生時幾乎不中斷對用戶負荷的供電服務不影響正常供電，降低用戶遭受的停電風險與影響[13～14].智能配電網(wǎng)的基本構成，如圖1所示.

圖1 智能化配電網(wǎng)的示意圖

1.2 配電網(wǎng)自愈控制模式

1.2.1 分層遞階控制結(jié)構

分層遞階控制結(jié)構分為兩種[15～16]：一種是Villa提出的以數(shù)學解析與知識表述為基礎的兩層遞階控制結(jié)構，另一種是Saridis提出的以IPDO原理與三個控制層為基礎的三級分層遞階控制結(jié)構[12]，如圖2所示.

圖2 分層遞階控制系統(tǒng)三層結(jié)構示意圖

1.2.2 運行狀態(tài)分析

設備運行狀態(tài)分析是根據(jù)系統(tǒng)獲取設備的量測信息，對配電網(wǎng)的分布式電源、變壓器、母線、開關等設施的狀態(tài)作相應的判斷，并對設施的潮流、電壓等作相應的測量，確保系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷的準確性[17～18].

1.2.3 診斷決策框架

對于不同強度的電壓，配電網(wǎng)具有不同的運作方式，因而需要采取的診斷決策措施也有較大的差異.如果配電網(wǎng)的電壓等級為高壓，應當以靈敏度計算為基礎，將規(guī)劃方案結(jié)合起來，給出負荷與電源點調(diào)節(jié)的整體性意見；如果配電網(wǎng)的電壓等級為中壓，應當通過調(diào)整電網(wǎng)的運行方式，實現(xiàn)越限消除與持續(xù)供電[19].

配電網(wǎng)狀態(tài)診斷及控制決策主要包括以下步驟：

(1)配電網(wǎng)監(jiān)測信息的監(jiān)聽和判別；

(2)故障診斷和風險評估；

(3)恢復決策與控制.

2 基于蟻群算法的配電網(wǎng)絡重構

2.1 蟻群算法簡介

蟻群算法的靈感來源于動物界的螞蟻，螞蟻能通過感知其他螞蟻釋放出的路徑信息素的多少以及強度，通過路徑的概率高低搜求食物的所在地，最終形成最短路徑.實際上這一方法是螞蟻通過判斷概率的形式來完成線路的搜索和尋找，蟻群算法有很大的可能會向已經(jīng)成功尋找正確的解集或領域來選擇搜索的方向[20～23].

圖3 配電網(wǎng)重構流程圖

2.2 求解流程

本文結(jié)合蟻群算法分析含分布式電源的配網(wǎng)重構問題，將負荷、變電站、電源都定義為節(jié)點，節(jié)點連接線表示電氣設施中的一對節(jié)點間的相連.螞蟻能自動形成遍歷各個節(jié)點的輻射形態(tài)的網(wǎng)絡，并且可行解可以是算例中的每個解.螞蟻在運動過程中所感知的信息正反饋現(xiàn)象，使得其路徑上螞蟻經(jīng)過的路越來越多，最后選擇這條線路搜索選擇的概率就會增多.對事故停電地區(qū)進行配電網(wǎng)的供用電恢復的重構整體步驟如下：

(1)對整個配電網(wǎng)絡所有節(jié)點和支路進行重新編號，輸入配電網(wǎng)的原始數(shù)據(jù)信息，形成包含所有聯(lián)絡開關的連通圖G，可操作開關集，設定m為螞蟻在蟻群的總數(shù)目，初始化“信息素”密度τij(0)=const，設定Nma為最大迭代次數(shù)，ρ為信息素的揮發(fā)率，β為期望的啟發(fā)式因子，信息素強度Q，以及α為信息的啟發(fā)式因子等參數(shù)的數(shù)據(jù)[20]；

(2)初始化蟻群，運用潮流計算，計算初始網(wǎng)損值fbest=f(0)，開關轉(zhuǎn)換次數(shù)minSw=Sw(0)，負荷平衡minLBsys=LBsys(0)；記錄形成的重構方案Amax；

(3)設定迭代次數(shù)N為0，k=1，2，…，m；

(5)調(diào)用潮流程序計算每只螞蟻的配電網(wǎng)重構所設定的目標函數(shù)值f、Sw、LBsys；對于滿足符合設定約束條件的，找出其中的最小值fmin、Swmin、LBsysmin及重構方案Amin并與目標函數(shù)比較，若其值小于目標函數(shù)則其值代替初始值，否則對 “信息素”進行更新；

(6)迭代次數(shù)N=N+1，判斷迭代次數(shù)是否小于Nma，若是則返回步驟(4)，否則進行下一步；

(7)輸出fbest，minSbest，LBsysbest以及重構方案Abest.配電網(wǎng)重構流程圖，如圖3所示.

圖4 含分布式電源DG的14節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

2.3 算例分析

引用IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)絡算例[24～26]，應用Matlab編程軟件對基于蟻群算法的配網(wǎng)重構問題進行仿真模擬分析，其中有16條支路、3個聯(lián)絡開關、13個分段開關、1個電源網(wǎng)絡基準電壓23 kV、三相功率準值取100 MVA、整個網(wǎng)絡總負荷為28.7 MW+j7.75 MVAR.當主網(wǎng)與配電網(wǎng)絡相連接的線路因發(fā)生事故故障而停電，那么整個電網(wǎng)就形成一個失電區(qū)域，我們需要尋求新的供電運行方式以及路徑信息來對停電的地方進行供電恢復，如圖4所示.

兩臺分布式電源DG接入配電網(wǎng)絡中，分布式電源的容量詳見表1所示，配電網(wǎng)中含有三條聯(lián)絡開關分別是S15、S16、S17，需控制聯(lián)絡開關的閉合來進行重構.

表1 DG安裝位置和容量

根據(jù)蟻群算法，將電源、變電站、負荷都定義為節(jié)點，邊表示電氣設施中的一對節(jié)點間的連接.對整個配電網(wǎng)絡所有節(jié)點和支路進行編號，輸入配電網(wǎng)的原始數(shù)據(jù)信息，形成包含所有聯(lián)絡開關的連通圖G，可操作開關集，依據(jù)蟻群算法設定螞蟻數(shù)量等于節(jié)點數(shù)量，均為14.

圖5 配電網(wǎng)重構后的優(yōu)化結(jié)構圖

通過以上算法驗證了蟻群算法在含分布式電源的配網(wǎng)重構中的應用，該實例也說明了本方法的有效性.

3 結(jié) 論

配電網(wǎng)故障處理是配電自動化系統(tǒng)的核心技術以及智能配電網(wǎng)自愈控制的基礎應用中的重要一環(huán).本文闡述了智能配電網(wǎng)自愈控制的基本概念和理論，分析智能配電網(wǎng)自愈控制框架，并闡述了相關控制模式.利用蟻群算法解決離散型問題的優(yōu)勢對含分布式電源的配電網(wǎng)進行故障后配電網(wǎng)重構處理，對整個配電網(wǎng)絡所有節(jié)點和支路進行編號，輸入原始信息形成連通圖，通過Matlab編程進行信息素更新迭代，計算最小網(wǎng)損值，從而降低網(wǎng)絡損耗，提高電壓水平及平衡負荷，進行供電恢復的配電網(wǎng)重構.結(jié)合配電網(wǎng)案例進行仿真分析，驗證蟻群算法在含分布式電源的配電網(wǎng)自愈控制應用中的有效性，實現(xiàn)配電網(wǎng)快速的恢復供電.