含分布式電源的配電網(wǎng)啟發(fā)式孤島劃分方法

汪沨等

摘要：分布式電源接入配電網(wǎng)后，孤島運行可以作為一種新的故障恢復方式，保障重要負荷的供電.本文提出了一種基于距離權重搜索孤島的啟發(fā)式孤島劃分方法，以恢復的重要負荷最多為主要目標，充分考慮孤島安全運行的約束條件，計及不可控負荷的影響，引入距離權重來表征負荷與當前孤島的距離遠近，決定負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，按負荷重要程度，依次并入距離當前孤島最近的負荷，最后對劃分好的孤島進行安全校驗和優(yōu)化.仿真結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.

關鍵詞：計劃孤島；分布式電源；配電網(wǎng)；距離權重

中圖分類號：TM734 文獻標識碼：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].孤島運行是配電網(wǎng)接入DG后的一種新的非常態(tài)運行方式，在與主網(wǎng)分離后，配電網(wǎng)絡中的部分用戶僅由DG獨立進行供電[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手段實現(xiàn)孤島運行[5].

計劃孤島（Intentional Islanding）是指當配電網(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)結構、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)定運行[6].

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

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

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

1.2孤島劃分的目標

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.因此，應該考慮以下3個目標：

1）恢復最多的重要負荷

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

2）恢復盡可能多的負荷

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

3）易于系統(tǒng)解列與恢復

系統(tǒng)的解列點和切除負荷個數(shù)越少，劃分的孤島數(shù)目越少，越有利于快速實現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式的轉換.

1.3 約束條件

為保證孤島的安全穩(wěn)定運行，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)絡結構始終呈輻射狀.

2 距離權重的引入

2.1 相關名詞說明

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：

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

不可控負荷：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，就會被供電的負荷[14].

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

源內(nèi)節(jié)點：孤島網(wǎng)絡內(nèi)的母線節(jié)點.

源外節(jié)點：孤島網(wǎng)絡外的母線節(jié)點.

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

2.2距離權重的定義

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

對于待恢復的兩個同等重要的負荷，孤島網(wǎng)絡的并入順序為：1）先考慮并入供電路徑上額外有功損耗較少的負荷，以減少有功消耗來恢復更多的重要負荷；2）在有功損耗相等的情況下，優(yōu)先合并對應切除負荷個數(shù)較少的負荷，以易于實現(xiàn)孤島的解列與并網(wǎng)操作.

定義距離權重DWL：當前孤島恢復負荷L的供電需要花費一定的代價.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上的負荷個數(shù).距離權重越小，表示該負荷距離當前孤島“越近”.

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

因此，衡量距離權重（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上的可控負荷個數(shù).

2.3 距離權重的比較原則

對于2個待恢復的負荷U和W，其距離權重的具體比較原則為：

1）若負荷U和W均連接在源內(nèi)節(jié)點上，則DWU=DWW；

2）若負荷U連接在源內(nèi)節(jié)點上，而負荷W連接在源外節(jié)點上，則DWU

3）若負荷U和W均連接在源外節(jié)點上，則PF值小者距離權重小；

4）若負荷U和W均連接在源外節(jié)點上且PF值相等，則CF值小者距離權重小.

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

比較5個待恢復重要負荷的距離權重知：DWA

3啟發(fā)式孤島劃分方法

在孤島劃分前，應先從SCADA系統(tǒng)讀取所需的實時數(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)實際拓撲圖簡化為無向圖表示.

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

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；2）并上負荷：對于待恢復的負荷，按重要程度，及與當前孤島網(wǎng)絡由近到遠的順序依次考察，將滿足孤島有功平衡條件的負荷并入孤島網(wǎng)絡；3）優(yōu)化孤島：評估初步劃分的孤島是否滿足安全運行的要求，對不符合約束條件的孤島作相應處理和優(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.

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

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

3）若PUL

Step2：按負荷等級由高到低的順序，優(yōu)先考慮恢復一類負荷的供電，根據(jù)其到當前孤島網(wǎng)絡由近到遠的順序依次并入孤島，擴大孤島網(wǎng)絡.

1）孤島網(wǎng)絡內(nèi)：遍歷所有連接在源內(nèi)節(jié)點上的一類負荷，按其有功值從小到大依次考察，若PLi

2）孤島網(wǎng)絡外：遍歷所有連接在源外節(jié)點上的一類負荷，并比較其距離權重，找出距離當前孤島網(wǎng)絡最近的負荷，選定該負荷為待恢復的目標負荷.

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

4）若Ploss

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

Step3：參照一類負荷的并入流程，將二類負荷并入孤島，進一步擴大孤島網(wǎng)絡.

Step4：按類似的方法并入三類負荷，且在步驟2）后增加判斷條件，如果選定的目標三類負荷連接的源外節(jié)點不是與孤島網(wǎng)絡直接相鄰，則進入下一步.

因為在保障重要負荷的供電后，為了使孤島易于并網(wǎng)恢復，切除的負荷個數(shù)應盡可能的少，而并入離孤島較遠的負荷可能需要切除多個負荷，且三類負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荷的供電.

Step5：孤島校驗和優(yōu)化.對劃分得到的初始孤島進行潮流計算，檢驗其是否滿足安全運行標準的要求，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荷，由于切除部分負荷后，孤島可能有較多的富余功率為配電網(wǎng)中其他未恢復的負荷供電，為充分利用DG發(fā)電能力，重復Step2-Step5，并入尚未恢復的負荷，直到孤島滿足所有約束條件.由線路過載而切除的負荷不參與之后的負荷并入操作.

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

4算例分析

用本文提出的方法對含DG的7節(jié)點配電系統(tǒng)進行孤島劃分和校驗，可得到如圖1虛線框所示的孤島.其中，所有的重要負荷都已恢復，三類負荷恢復47.6%.孤島網(wǎng)絡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B3，切除負荷L10，孤島內(nèi)的DG能保障孤島內(nèi)其余負荷的持續(xù)供電.

圖1為典型的含DG的7節(jié)點配電系統(tǒng)，負荷的相關信息如表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)點配電系統(tǒng)的部分母線上接入DG，詳細參數(shù)見文獻[15].為便于比較，算例中的DG接入位置、容量以及負荷的重要程度設置均與文獻[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6，19，28，29，50連接的負荷為不可控負荷，其余負荷均可控.

假設外部電網(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21，24，53，57和60連接的負荷形成.

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

5結語

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，保障重要負荷和盡可能多的負荷的供電，而且形成孤島需要操作開關和切除負荷個數(shù)較少，易于迅速實現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式之間的轉換，驗證了本文方法的優(yōu)越性和實用性.

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