直流配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法分析

韓玘桓 陳羽 孫永健 史建海

摘 要：隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流配電技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，直流配電線路接入交流配電網(wǎng)以及直流配電線路中接入分布式電源和直流負荷，會提高配電網(wǎng)的供電效率，交直流混合配電網(wǎng)將是未來配電網(wǎng)研究和發(fā)展的趨勢。因此，本文對交直流混合配電網(wǎng)的故障恢復(fù)方法進行研究，通過仿真驗證方法的可行性。

關(guān)鍵詞：交直流配電網(wǎng)；直流配電線路；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.139

0 引言

配電網(wǎng)中的故障恢復(fù)問題，是指配電網(wǎng)故障發(fā)生以后，經(jīng)過故障定位和隔離，將故障排除，然后采用一系列的故障恢復(fù)策略，對配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)及分段開關(guān)進行操作，將失電負荷轉(zhuǎn)移到其他饋線或其他供電區(qū)域進行供電，快速有效的尋找到非故障區(qū)斷的最佳恢復(fù)供電路徑，完成配電網(wǎng)故障恢復(fù)的任務(wù)。配電網(wǎng)故障恢復(fù)是一個多目標(biāo)、多維數(shù)、多約束、多時段非線性的組態(tài)優(yōu)化問題，是配電網(wǎng)故障自愈中的重要一環(huán)[1]。

傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)故障恢復(fù)問題是在系統(tǒng)允許的操作條件及電氣約束下，利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將停電區(qū)域的失電負荷轉(zhuǎn)供到正常供電線路上，恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。實際上，配電網(wǎng)調(diào)度員不僅需要快速有效的恢復(fù)供電，而且需要考慮開關(guān)操作壽命及有限的人力資源，要求開關(guān)操作次數(shù)盡量少。

目前國內(nèi)外對故障恢復(fù)策略的研究主要針對交流配電網(wǎng)以及含有分布式電源的交流配電網(wǎng)，對含有直流配電線路的故障恢復(fù)研究還很少。因此，本文提出含有直流配電線路的配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法。

1 交流配電網(wǎng)故障恢復(fù)

圖1是交流配電網(wǎng)的部分線路結(jié)構(gòu)圖，圖中母線節(jié)點處連接4個變電站，圖中cs1、cs2、cs3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常運行時處于常開狀態(tài)；s1-s10為該段線路的分段開關(guān)，運行時處于閉合狀態(tài)。由于配電網(wǎng)具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)開環(huán)運行的特點，所以，開關(guān)的運行狀態(tài)滿足配電網(wǎng)運行要求。

根據(jù)圖1線路結(jié)構(gòu)圖，對交流配電網(wǎng)的故障恢復(fù)方法進行分析，假設(shè)s5-s6區(qū)段線路發(fā)生永久性故障，需要以下四步進行故障恢復(fù)處理：

（1）當(dāng)線路發(fā)生永久性故障后，出線斷路器立刻跳閘，系統(tǒng)根據(jù)SCADA的報警信息、饋線終端以及互感器采集到的線路信息，定位故障區(qū)段并發(fā)出指令，斷開分段開關(guān)s5和s6，隔離故障區(qū)段。

（2）故障隔離后，分段開關(guān)s5下游s5-cs1區(qū)段以及s5-cs2區(qū)段負荷失電，其他負荷正常運行。此時，通過改變線路之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將失電負荷轉(zhuǎn)移到其他線路上，恢復(fù)非故障區(qū)的供電。

（3）對配電網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析并采集配電網(wǎng)的潮流數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、電壓、電流及線路的容量裕度，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，制定對失電負荷的恢復(fù)供電方案，根據(jù)線路容量裕度盡可能多的恢復(fù)供電?；謴?fù)方案可能有多個，進行比較后選出最優(yōu)方案。s5-cs1區(qū)段以及s5-cs2區(qū)段失電負荷有兩種方案恢復(fù)：第一種閉合cs1，利用變電站1供電線路恢復(fù)失電負荷；第二種閉合cs2，利用變電站2供電線路恢復(fù)失電負荷。

（4）以網(wǎng)損最小為指標(biāo)進行方案比較。故障恢復(fù)后的配電網(wǎng)在滿足電壓電流等約束條件的基礎(chǔ)上，計算兩種恢復(fù)方案的網(wǎng)絡(luò)損耗，選取網(wǎng)絡(luò)損耗低的作為配電網(wǎng)恢復(fù)方案，完成故障恢復(fù)任務(wù)。

2 直流配電網(wǎng)故障恢復(fù)

當(dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，故障處理方式與交流配電網(wǎng)一致，需要經(jīng)過故障定位和故障隔離來消除故障對系統(tǒng)的影響。但因為直流配電技術(shù)的制約，直流斷路器無法同交流斷路器一樣進行消弧，所以故障恢復(fù)困難，現(xiàn)階段的處理方式是將故障點下游的負荷切除，隨后恢復(fù)直流側(cè)其他負荷供電，這種處理方法可以使直流側(cè)大部分負荷穩(wěn)定運行，但失電負荷被切除后，無法再進行并網(wǎng)運行，使失電負荷區(qū)域處于停電狀態(tài)，若失電負荷等級較高，對社會的影響是無法預(yù)料的。這里，本文提出利用直流配電網(wǎng)中分布式電源進行孤島運行，恢復(fù)直流側(cè)失電負荷。

3 目標(biāo)函數(shù)和約束條件

故障恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型主要包括兩方面：目標(biāo)函數(shù)與約束條件。其中，故障恢復(fù)的目標(biāo)函數(shù)主要是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小、最大限度地恢復(fù)失電負荷量、開關(guān)動作次數(shù)最少、各饋線負荷均衡等。約束條件通常包括：輻射狀運行的網(wǎng)絡(luò)約束、電壓約束、支路容量約束等。

本文以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)：

式中：M為配電網(wǎng)中的支路總數(shù)；為支路j的末端電壓；為支路j的電阻量；、分別為流過支路j的有功功率和無功功率；表示支路j上開關(guān)的狀態(tài)，斷開為0、閉合為1。

4 仿真驗證

本文利用DIgSILENT/PowerFactory軟件對改進的IEEE 123節(jié)點進行仿真。

對于含有DG的交直流混合配電網(wǎng)故障恢復(fù)，假設(shè)改進的IEEE 123節(jié)點配電系統(tǒng)中交流側(cè)線路18-21處發(fā)生永久性故障，按本文算法與策略進行故障恢復(fù)。在保護動作隔離故障后，配電網(wǎng)中的分布式電源、儲能電池因故障切除，恢復(fù)時將其視為恒定電流源，輸出穩(wěn)定的有功功率。故障恢復(fù)前后的配電網(wǎng)參數(shù)及恢復(fù)結(jié)果見表1。

假設(shè)改進的IEEE 123節(jié)點配電系統(tǒng)中直流側(cè)線路60-620處發(fā)生永久性故障，可將負荷62-66與風(fēng)機1、風(fēng)機2、光伏1組成計劃孤島，一旦線路60-620或其上游線路出現(xiàn)故障導(dǎo)致負荷62-66停止供電，便可啟動孤島運行模式，故障恢復(fù)前后的配電網(wǎng)參數(shù)及恢復(fù)結(jié)果見表2。

直流側(cè)故障時，考慮計劃孤島運行，風(fēng)機1、風(fēng)機2和光伏1恒定輸出2000kW的功率，所以，利用分布式電源與負荷62-66組成孤島，恢復(fù)負荷62-66的供電。

5 總結(jié)

本文主要利用DIgSILENT/powerfacotoy軟件進行交流側(cè)和直流側(cè)的故障恢復(fù)仿真及驗證，主要提出了交流側(cè)的故障恢復(fù)策略，根據(jù)場景中線路的開關(guān)狀態(tài)，有功功率，無功功率，電壓計算目標(biāo)函數(shù)值，通過比較目標(biāo)函數(shù)值選擇最優(yōu)策略。其次，提出了直流側(cè)的故障恢復(fù)考慮，充分利用分布式電源的優(yōu)勢，對負荷等級高的直流負荷采用計劃孤島進行故障恢復(fù)。

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作者簡介：韓玘桓（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。