一種含分布式電源配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃方法

摘要：分布式電源的接入是傳統(tǒng)配電網(wǎng)從無源網(wǎng)絡(luò)變成了有源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或有計(jì)劃?rùn)z修時(shí)配電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的各類孤島，對(duì)配電生產(chǎn)的設(shè)備安全和人生安全提出了很大的挑戰(zhàn)。本文就是基于上述考慮，研究含分布式電源配電網(wǎng)的計(jì)劃孤島解列和組合原則，提出計(jì)劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃計(jì)劃方法，形成計(jì)劃孤島的組合步驟，其基本思想是基于負(fù)荷保障率約束、功率約束及單元聯(lián)通性約束，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的有序解列和組合，保證了配電網(wǎng)孤島解列和組合的平穩(wěn)性，有助于提高配電網(wǎng)的供電可靠性，最大限度地提供了分布式電源的利用效率。

關(guān)鍵詞：分布式電源、配電網(wǎng)，計(jì)劃孤島;孤島解列;孤島組合

Abstract：DG"is"the"traditional"distribution"network"into"active"network"from"the"passive"network，when"a"fault"occurs"in"distribution"networks"or"plan"maintenance"of"distribution"network"is"generated"when"various"islands，great"challenges"equipment"safety"and"life"safety"of"the"power"distribution"production.This"paper"is"based"on"the"above"considerations，the"research"with"distributed"power"distribution"network"planning"Island"splitting"and"combination"principle，put"forward"the"optimization"planning"method"of"planned"islanding，the"combination"step"formed"in"the"planned"islanding，the"basic"idea"is"to"load"guarantee"rate"constraint，power"constraint"and"single"element"connectivity"constraints"based"on"columns"and"orderly"combination，solution"of"distribution"network"planned"Island，ensure"stable"distribution"network"islanding"solution"column"and"combined，help"to"improve"the"power"supply"reliability"of"distribution"network，to"provide"maximum"efficiency"using"distributed"power"supply.

Key"words：The"distributed"power"supply，power"distribution"network，planned"Island，Island"combination，Island"separation;

0引言

近年來，隨著分布式電源的快速發(fā)展，分布式電源并網(wǎng)數(shù)量和容量的不斷增大，導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)從無源網(wǎng)絡(luò)變成有源網(wǎng)絡(luò)，給配電網(wǎng)的日常運(yùn)行管理帶來了很大的難度。分布式電源的接入，一方面可以為重要負(fù)荷提供備用支撐電源，減少了重要負(fù)荷的停電概率和時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性;但另一方面，一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，局部故障切除很有可能導(dǎo)致分布式電源帶著一部分負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行，而且有可能會(huì)運(yùn)行比較長(zhǎng)一段時(shí)間，這就給配電網(wǎng)的故障恢復(fù)和檢修帶來了極大的安全隱患。

國(guó)內(nèi)外以往的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，則需要立即跳開接入該區(qū)域的所有分布式電源，防止故障恢復(fù)時(shí)的非同期合閘或者帶電檢修線路。但是隨著分布式電源并網(wǎng)容量和運(yùn)行能力的不斷提高，這樣以簡(jiǎn)單切除的方式帶來了供電可靠性的降低、供電能力的損失。設(shè)想，如果能夠通過合理規(guī)劃，有計(jì)劃的形成各種運(yùn)行性能比較好的獨(dú)立運(yùn)行區(qū)域，這樣既避免了對(duì)分布式電源的影響，又可以改善配電網(wǎng)的供電能力[1-3]。

這就引入了計(jì)劃孤島的概念。就是根據(jù)分布式電源的容量和故障前的運(yùn)行狀態(tài)、本地負(fù)荷的大小，事先確定合理的孤島區(qū)域，在與主系統(tǒng)斷開后，能夠保證小系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，稱為計(jì)劃孤島。若是選擇功率平衡點(diǎn)附近作為斷開點(diǎn)，與大系統(tǒng)斷開后，小系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，就可以比較平滑的過渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這樣就可以很好地保障孤島解列和組合過程中的平滑過渡。

孤島問題一直是電力系統(tǒng)專業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文就是基于上述考慮，研究含分布式電源配電網(wǎng)的計(jì)劃孤島解列和組合原則，提出計(jì)劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃計(jì)劃方法，形成計(jì)劃孤島的組合步驟，為含分布式電源的配電網(wǎng)孤島管理提供實(shí)用化的方法[4-8]。

1孤島解列組合準(zhǔn)則

孤島運(yùn)行又稱為孤島效應(yīng)，定義為與主系統(tǒng)分離的一部分配電網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)或多個(gè)DG獨(dú)立供電，以一定的電壓頻率繼續(xù)運(yùn)行。孤島和孤島運(yùn)行是有區(qū)別的，孤島不一定形成孤島運(yùn)行。孤島運(yùn)行的必要條件為當(dāng)線路故障或維修而導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)的開關(guān)跳開時(shí)，分布式發(fā)電裝置提供的有功、無功功率與所帶負(fù)荷相匹配，此時(shí)小系統(tǒng)內(nèi)電壓、頻率變化并不大，都在允許范圍內(nèi)，DG能夠繼續(xù)向負(fù)荷供電。按是否經(jīng)過預(yù)先規(guī)劃，孤島運(yùn)行可分為計(jì)劃孤島運(yùn)行和非計(jì)劃孤島運(yùn)行。

DG"接入系統(tǒng)以后，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘，這時(shí)，有可能形成DG"單獨(dú)帶負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，我們稱之為非計(jì)劃孤島。如下圖中的zone1，zone2，zone3，即是不同的斷路器跳閘以后形成的幾個(gè)不同的孤島區(qū)域。

圖1"非計(jì)劃孤島示意圖

Fig1：Schematic"diagram"of"non"planned"Island

這種運(yùn)行狀態(tài)由于是偶然的，不確定性的，很有可能由于功率不平衡，引起頻率的變化，孤島崩潰，進(jìn)而給系統(tǒng)帶來極大的危險(xiǎn)。所以目前在國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)DG"并網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)程中都要求：在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，要盡快把DG"切除，退出運(yùn)行，以保證系統(tǒng)的安全。但是這樣對(duì)DG"的運(yùn)營(yíng)商來說是極不公平的，也有違我們接入DG"的初衷。

所以，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，我們引進(jìn)了另外一種類型的孤島，稱之為計(jì)劃孤島，即這種孤島運(yùn)行是根據(jù)分布式電源的容量和故障前的運(yùn)行狀態(tài)，本地負(fù)荷的大小，事先確定合理的孤島區(qū)域，而制定的一種穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，在這種運(yùn)行狀態(tài)下不但不會(huì)引起系統(tǒng)崩潰，而且還可以繼續(xù)向一些負(fù)荷供電，減小了停電范圍，保證了供電的可靠性。

計(jì)劃孤島的劃分是一個(gè)多目標(biāo)、多組合、多約束的非線性優(yōu)化問題，確定孤島方案時(shí)要考慮以下原則：

（1）孤島內(nèi)負(fù)荷容量與發(fā)電容量的匹配關(guān)系，在不造成DG過負(fù)荷下，使孤島中的DG能充分發(fā)揮供電能力。

（2）計(jì)及電力系統(tǒng)對(duì)各等級(jí)負(fù)荷供電可靠性的不同要求，使孤島方案能夠保證重要負(fù)荷優(yōu)先供電。

（3）開關(guān)操作次數(shù)盡可能少，提高系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)效性。

（4）計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)，對(duì)之前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動(dòng)盡量少，有利于網(wǎng)絡(luò)能盡快恢復(fù)原來的供電結(jié)構(gòu)。

（5）計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)，允許存在暫時(shí)性的環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，但要避免孤島系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備過載或者電壓異常。

2計(jì)劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃方法

2.1計(jì)劃孤島中重要單元的劃分

對(duì)計(jì)劃孤島進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃時(shí)，需要對(duì)兩類重要單元進(jìn)行劃分，其中一類是負(fù)荷單元，另一類是電源單元，它們是組成計(jì)劃孤島的兩類重要元素。

負(fù)荷單元（CL）由負(fù)荷、負(fù)荷的接入點(diǎn)及連接線構(gòu)成;電源單元（CS）反映各電源向電網(wǎng)的注入功率，由電源、電源的接入點(diǎn)及連接線構(gòu)成。

電源單元和負(fù)荷單元有2個(gè)共同的屬性，即節(jié)點(diǎn)屬性和功率屬性。節(jié)點(diǎn)屬性由單元邊界與連接線相交的節(jié)點(diǎn)集合構(gòu)成，負(fù)荷單元功率屬性的功率值（PL）為負(fù)實(shí)數(shù)，即負(fù)荷單元向電網(wǎng)吸收功率（電源輸出負(fù)功率）。功率屬性由單元內(nèi)的功率值和其正負(fù)性構(gòu)成（PS）。圖2所示系統(tǒng)簡(jiǎn)化單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果如圖3所示。圓圈內(nèi)的區(qū)域表示1個(gè)單元，正負(fù)號(hào)表示單元功率的正負(fù)性，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示單元的序號(hào)，圓周上的數(shù)值表示單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

圖2"配電網(wǎng)接入DG結(jié)構(gòu)

Fig2：The"structure"of"distribution"network"DG"access

圖3"計(jì)劃孤島中簡(jiǎn)化單元?jiǎng)澐?/p>

Fig3：Simplified"unit"division"plan"Island

2.2計(jì)劃孤島單元的劃分組合方法

1、劃分組合約束函數(shù)

（1）負(fù)荷保障率（Λmax）目標(biāo)函數(shù)為：

（1）

式中：m為單個(gè)孤島集合（Gi）內(nèi)負(fù)荷單元的個(gè)數(shù);n為配電網(wǎng)內(nèi)Gi的總個(gè)數(shù);CLj為形成Gi的負(fù)荷子單元，PLj為負(fù)荷單元的有功功率值;λLj為負(fù)荷等級(jí)屬性對(duì)應(yīng)的負(fù)荷重要性，第一、二和三級(jí)負(fù)荷單元對(duì)應(yīng)的值分別為1、0.1和0.01。發(fā)生故障后，在滿足約束條件下，劃分組合使所有孤島集合中的負(fù)荷單元的負(fù)荷加權(quán)和最大，即恢復(fù)負(fù)荷供電率最高。

（2）功率約束為："（2）

式（2）表示各個(gè)Gi內(nèi)的功率平衡關(guān)系，孤島集合內(nèi)的電源單元（CSj）的功率值（PSj）、負(fù)荷單元（CLj）的功率值（PLj）滿足式（2）時(shí)，表示該孤島集合內(nèi)的電源單元能夠支持其中的所有負(fù)荷單元安全可靠運(yùn)行。

3）單元聯(lián)通性約束為：

（3）

式中：Cj、Cj+1為將要形成Gi的任意相鄰兩個(gè)電源單元或負(fù)荷單元。式（3）表明單元是相互聯(lián)通的，不存在孤立單元。

2、單元處理

（1）單元搜索編號(hào)。配電網(wǎng)一般處于輻射型結(jié)構(gòu)，按照配電網(wǎng)分支線末端到源點(diǎn)所經(jīng)歷的分支數(shù)目對(duì)分支線進(jìn)行分層標(biāo)號(hào)。假設(shè)主饋線的層次為1，從饋線上引出的分支線層次為2，從層次2的分支線上再引出的分支線層次為3，以此類推，從第k-1層分支線上引出的所有分支線為k層分支線，如圖4所示。單元搜索編號(hào)后，首先在k層分支線上單元組合，在本層組合完畢后，繼續(xù)向k-1層組合，以此類推，逐步向根層次組合靠近，保證單元組合的有序性。

圖4"廣度優(yōu)先搜索比編號(hào)

Fig4：search"the"identifier"with"the"breadth"first

（2）局部單元組合。組合是相鄰的單元合并為1個(gè)新單元，新單元功率屬性等于組合前各單元功率屬性之和，其端點(diǎn)屬性包括組合前各單元的端點(diǎn)屬性中除公共端點(diǎn)以外的互不相同的端點(diǎn)。（PS+PL）成為新單元的功率值，節(jié)點(diǎn)集合ES和EL進(jìn)行融合，形成新的單元邊界節(jié)點(diǎn)集合，組合過程如圖5所示。單元（8）和單元（10）形成新單元，其邊界端點(diǎn)融合成新單元的端點(diǎn)，其功率值為參與組合的2個(gè)單元功率值的代數(shù)和。

3計(jì)劃孤島劃分組合步驟

步驟1，將系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定性電源和隨機(jī)性電源區(qū)分處理。

步驟2，以各一級(jí)負(fù)荷單元和隨機(jī)性的電源單元為出發(fā)點(diǎn)，隨機(jī)聯(lián)接到附近的某一穩(wěn)定性電源單元，計(jì)算并比較每個(gè)聯(lián)接路徑上經(jīng)過的所有負(fù)荷單元和值，取和值絕對(duì)值最小的那條路徑為該一級(jí)負(fù)荷單元聯(lián)接到該電源單元的組合路徑。在n條支路路徑上形成的Gi內(nèi)，所有CLj的負(fù)荷功率和為：

（4）

步驟3，重復(fù)步驟2確定每個(gè)一級(jí)負(fù)荷單元、隨機(jī)性電源單元與相應(yīng)的穩(wěn)定性電源單元的聯(lián)接路徑。

步驟4，計(jì)算每個(gè)穩(wěn)定性電源單元上由步驟2、3確定的總路徑（共k條干路）上總負(fù)荷值;并驗(yàn)證式（2）是否都成立。若某一穩(wěn)定性電源單元不成立，調(diào)整該一級(jí)負(fù)荷單元或隨機(jī)性電源單元的聯(lián)接路徑，選擇次要路徑聯(lián)接到尚有裕量的穩(wěn)定性電源單元上。

步驟5，將未連接的二級(jí)負(fù)荷單元仿照步驟2～4的過程，進(jìn)行聯(lián)接處理。

步驟6，經(jīng)過步驟2～5，系統(tǒng)內(nèi)的一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷以及它們到各自穩(wěn)定性電源單元聯(lián)接路徑上的三級(jí)負(fù)荷都聯(lián)接組合完畢，形成初步孤島集合。

步驟7，若以上初步孤島方案還有多余的供電能力，則將三級(jí)負(fù)荷單元也加入相應(yīng)的孤島集合。

圖5"計(jì)劃孤島中的單元組合過程

Fig5：The"process"of"plan"isolated"unit"combination

步驟8，若得到的孤島集合有相交部分，則這2個(gè)孤島集合可以聯(lián)接成更大規(guī)模的孤島集合。

通過以上步驟，即可形成配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的解列和組合。

4結(jié)語(yǔ)

本論文旨在提供一種含分布式的配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的解列和組合方法，其基本思想是基于負(fù)荷保障率約束、功率約束及單元聯(lián)通性約束，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的有序解列和組合，保證了配電網(wǎng)孤島解列和組合的平穩(wěn)性，有助于提高配電網(wǎng)的供電可靠性，最大限度地提供了分布式電源的利用效率。

隨著分布式電源接入配電網(wǎng)的滲透率越來越高，配電網(wǎng)計(jì)劃孤島的解列和組合將成為常態(tài)。配電網(wǎng)孤島的管理將需要更加注重計(jì)劃孤島內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡問題，同時(shí)孤島供電能力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是下一步需要繼續(xù)深化的研究方向。

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作者簡(jiǎn)介：

王庭華，江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇"南京，210008

王庭華（1967—），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理工作

李"妍，江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇"南京，210008

李"妍（1981—），女，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理工作