智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)自愈技術(shù)

李 冰，韓天博，何瑞文

（1.廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000）；2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510000）

0 引言

電網(wǎng)自愈的概念最早出自美國(guó)電科院（EPRI）與美國(guó)能源部于1999 年啟動(dòng)的“復(fù)雜互動(dòng)系統(tǒng)”研究計(jì)劃。1999年，清華大學(xué)提出“數(shù)字電力系統(tǒng)”概念，此為智能電網(wǎng)的雛形，也為自愈技術(shù)打下了仿真技術(shù)的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[1]以“2-3-6”為框架敘述自愈控制的概念和體系；文獻(xiàn)[2]提出了適用于實(shí)時(shí)控制的配電網(wǎng)供電恢復(fù)計(jì)算方法；文獻(xiàn)[3]提出了采用自愈速度和供電自愈率指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)配電網(wǎng)的自愈能力。

珠海供電局的琴韻變電站將作為廣東電網(wǎng)的“3C 綠色電網(wǎng)”建設(shè)試點(diǎn)，其220 kV/20 kV 電壓等級(jí)是本地區(qū)首次引入20 kV 中壓等級(jí)，同時(shí)也是珠海智能配電網(wǎng)發(fā)展的重要契機(jī)。

1 智能配電網(wǎng)的自愈技術(shù)的技術(shù)需求分析

自愈技術(shù)是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的重要手段，目前對(duì)電網(wǎng)自愈的研究分成輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)兩部分內(nèi)容。由于發(fā)揮的作用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式等有著很大的差異，輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)對(duì)自愈功能要求也不同。本論文主要針對(duì)智能配電網(wǎng)自愈進(jìn)行研究。

表1 智能化的輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)比較

由上述比較可以看出智能配電網(wǎng)區(qū)別于輸電網(wǎng)有兩大特點(diǎn)：一是采用輻射型供電方式，二是在智能化過(guò)程中強(qiáng)調(diào)減少停電時(shí)間、杜絕安全越限。

為了實(shí)現(xiàn)自愈技術(shù)的分布自治性、工況適應(yīng)性和廣域協(xié)調(diào)性，智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程由響應(yīng)層、協(xié)調(diào)層和決策層組成，單向流程如圖1。反應(yīng)時(shí)間都在秒級(jí)或者微秒級(jí)，非常迅速。這就需要自愈過(guò)程有固定的算法植入到快速仿真中，以決策出最佳的自愈方案。

圖1 智能配電網(wǎng)自愈單向邏輯流程

滿足智能配電網(wǎng)的兩大特點(diǎn)和自愈技術(shù)的要求即為本論文的研究目標(biāo)。

2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)

自愈技術(shù)的重要目標(biāo)之一是故障隔離與恢復(fù)。而供電恢復(fù)是一個(gè)帶約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題，在故障隔離后，分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的重新配合可看做對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能發(fā)生多種變化，快速地選擇其中一種結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)方案，能為智能配電網(wǎng)自愈技術(shù)發(fā)展提供有力的支持。圖2 為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)初始圖：含六條饋線的配網(wǎng)接線。

圖2 含六饋線的配電網(wǎng)絡(luò)圖

為了簡(jiǎn)略起見，圖2中簡(jiǎn)略了各母線。

圖2中編號(hào)1～10為分段開關(guān)，一般情況下位于閉合狀態(tài)。

編號(hào)＜1>～＜5>為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，一般情況下處于開斷狀態(tài)。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的自愈過(guò)程而言，優(yōu)化目標(biāo)有兩個(gè)。一是盡量減少開關(guān)的操作。因?yàn)椴僮鞯拇螖?shù)增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱，且可能延誤恢復(fù)時(shí)間，不利于迅速恢復(fù)供電；二是恢復(fù)對(duì)最多的失電負(fù)荷，所謂恢復(fù)是指正常供電，即不存在電流越限和電壓越限[4]。

當(dāng)1和2之間出現(xiàn)了故障，自愈系統(tǒng)會(huì)很快做出反應(yīng)，在短時(shí)間斷開分段開關(guān)1和2。

在故障隔離的一瞬間，分段2、3、4、7、9五個(gè)開關(guān)全部失電。自愈的目標(biāo)是盡量用最優(yōu)化的方法恢復(fù)供電。

基于以上的優(yōu)化目標(biāo)，確定自愈系統(tǒng)的評(píng)定體系中含有以下兩個(gè)因素：

（1）開關(guān)的操作次數(shù)，用CZ來(lái)表示；

（2）未失電區(qū)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量，用ZY 來(lái)表示，意義為負(fù)荷的轉(zhuǎn)移量與失電總負(fù)荷的比值表示。

本論文含有三個(gè)重要的指標(biāo)，會(huì)在自愈過(guò)程中出現(xiàn)，現(xiàn)闡述如下。

（2）可轉(zhuǎn)移負(fù)荷IK，即分段開關(guān)可向該聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)移的負(fù)荷量。就圖3而言，對(duì)于分段開關(guān)5而言，可以向聯(lián)絡(luò)開關(guān)＜1>轉(zhuǎn)移的負(fù)荷量是其下游母線集（粗線部分）的負(fù)荷總量。

圖3 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的概念闡述圖

圖4 有/無(wú)電流越限情況的網(wǎng)絡(luò)圖

（3）聯(lián)絡(luò)開關(guān)與發(fā)生電壓越限（即超出電壓允許值范圍）的母線之間的電氣距離ZL。需要注意的是，當(dāng)電壓越下限的時(shí)候，某一聯(lián)絡(luò)開關(guān)的ZL應(yīng)該取電氣距離中的最小值。這是因?yàn)榇酥档脑O(shè)定是為了運(yùn)用此指標(biāo)對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行排序，選擇閉合合適的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，消除電壓越限。取最小值可以防止電氣距離較小的母線在聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合后越上限。

3 自愈過(guò)程的方案選取

第一步是選擇閉合適當(dāng)?shù)穆?lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)對(duì)失電區(qū)的供電。

候選開關(guān)應(yīng)該首先考慮支持饋線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。對(duì)于饋線F1 來(lái)說(shuō)，饋線F2、F3 和F4 是支持饋線。而饋線F5、F6都是下一級(jí)饋線。當(dāng)分段開關(guān)1、2之間發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)斷開1、2進(jìn)行故障隔離。由圖4 中可以看到滿足要求的只有饋線F2、F3、F4。計(jì)算三者的最大備用容量IM。由圖4 中可知IM.max=IM.1，其次是開關(guān)＜2>。即聯(lián)絡(luò)開關(guān)＜1>的最大備用容量最大。于是選擇閉合＜1>來(lái)恢復(fù)供電。若出現(xiàn)電流越限，將＜2>也閉合。

第二步是如果以上方案無(wú)電壓越限情況，選擇合適的分段開關(guān)并斷開。

因?yàn)樵冢?>、＜2>閉合之后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生了變化，不再呈現(xiàn)輻射型供電。這里的分段開關(guān)選擇原則如下。

（1）閉合的聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間的分段開關(guān)，變?yōu)槁?lián)絡(luò)開關(guān)，這樣可以保證仍然能是輻射型供電。滿足條件的只有分段開關(guān)4、7。

圖5 分段開關(guān)7的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

第三步是如果出現(xiàn)了電壓越限，對(duì)通過(guò)最大/最小電氣距離選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)。如果開關(guān)＜1>合上之后出現(xiàn)了電壓越限的現(xiàn)象，那么用ZL對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行排序。如果電壓越下限，即出現(xiàn)值過(guò)小的情況時(shí)，將ZL.min（假設(shè)是＜4>）對(duì)應(yīng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合。若無(wú)越限，再斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)向失電區(qū)方向的第一個(gè)分段開關(guān)，以此重回輻射拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第四步，總結(jié)經(jīng)過(guò)搜索后的候選方案的集合并選擇最優(yōu)解。

本實(shí)例中可能出現(xiàn)下列幾種方案：閉合開關(guān)＜1>，斷開開關(guān)4；閉合開關(guān)＜1>，斷開開關(guān)7；閉合開關(guān)1和2，斷開開關(guān)4；閉合開關(guān)1和2，斷開開關(guān)7；閉合開關(guān)＜4>，斷開開關(guān)9。

這里注意，若此實(shí)例中存在電流和電壓同時(shí)越限的情況，那么可能需要下一級(jí)饋線F3/F5 供電，即考慮閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)＜3>/＜5>。

方案選擇及其條件如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方案的選擇原則

若有發(fā)生條件相近，出現(xiàn)n 個(gè)解的情況，選擇操作次數(shù)較少的方案為最優(yōu)解，以提高恢復(fù)供電可靠性。本例并未出現(xiàn)這種情況。

4 小結(jié)

本論文采用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的思想對(duì)有故障的電網(wǎng)進(jìn)行自愈控制。在三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的約束下搜索出最好的恢復(fù)供電的方法，最終通過(guò)信息采集確定得到的是最優(yōu)解。算法可由快速仿真軟件進(jìn)行，在這個(gè)過(guò)程中可以快速實(shí)現(xiàn)最初的優(yōu)化目標(biāo)：即減少操作次數(shù)和恢復(fù)更多的失電負(fù)荷。

［1］郭志忠.電網(wǎng)自愈控制方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（10）：85-88.

［2］楊明皓，黃單舸.配電網(wǎng)供電恢復(fù)決策的實(shí)時(shí)計(jì)算方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000（3）：45-49.

［3］李天友，徐丙垠.智能配電網(wǎng)自愈功能與評(píng)價(jià)指標(biāo)［J］.電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制，2010，38（22）：105-108.

［4］萬(wàn)秋蘭.大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈的理論［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（17）：29-33.