一種智能配電網(wǎng)安全運(yùn)行控制方法

陳 春 汪 沨 劉 蓓 曹一家 劉 瑋

一種智能配電網(wǎng)安全運(yùn)行控制方法

陳 春1汪 沨1劉 蓓2曹一家1劉 瑋3

（1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410082 2. 江西省電力科學(xué)研究院 南昌 330096 3. 廣東電網(wǎng)公司 廣州 510082）

分布式電源（DGs）高滲透率接入，將改變配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及潮流分布，需要對(duì)傳統(tǒng)電壓與負(fù)載率的控制方法進(jìn)行改進(jìn)。本文通過(guò)分析分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)電壓及負(fù)載率的影響，提出了一種基于靈敏度分析的多階段決策的節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率實(shí)時(shí)控制方法，有機(jī)融合了調(diào)節(jié)分布式電源出力、調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償裝置、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以及切負(fù)荷等控制手段，各階段根據(jù)指標(biāo)函數(shù)值判斷是否執(zhí)行。以改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為算例，仿真一天內(nèi)負(fù)荷及分布式電源出力的變化，對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率越過(guò)限值時(shí)刻給出相應(yīng)的控制措施，結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的正確性。

分布式電源 節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率 多階段決策 靈敏度分析

1 引言

能源枯竭、能源安全以及環(huán)境危機(jī)，促使以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電趨勢(shì)不可阻擋[1]。分布式電源作為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的重要利用形式，必將逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，高滲透率化[2-3]。

風(fēng)速以及光照強(qiáng)度皆具有很強(qiáng)的不確定性，加上配電網(wǎng)負(fù)荷也具有一定的隨機(jī)性，使得配電網(wǎng)的潮流分布頻繁變化，節(jié)點(diǎn)電壓幅值以及線路負(fù)載率不斷改變。線路過(guò)載會(huì)引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)導(dǎo)致發(fā)生停電事故[4]，節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)給用電設(shè)備帶來(lái)安全隱患。潮流分布的不確定性，致使對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓越過(guò)限值的情況，若按照傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)變壓器分接頭方法則不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)；對(duì)于線路過(guò)載的情況，若都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)進(jìn)行解決，則開關(guān)的動(dòng)作過(guò)于頻繁[5]。本文通過(guò)對(duì)分布式電源進(jìn)行主動(dòng)控制和管理，調(diào)節(jié)分布式電源出力實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)潮流的優(yōu)化，達(dá)到控制配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率的目的[6]。

電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷與節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系是多元的、非線性的，配電網(wǎng)的電壓控制是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)建立無(wú)功優(yōu)化的非線性多約束數(shù)學(xué)模型，以分布式電源出力以及無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切作為變量，利用智能算法進(jìn)行求解。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到滿足一定目標(biāo)的無(wú)功優(yōu)化方案，缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不適應(yīng)于實(shí)時(shí)控制。文獻(xiàn)[9-11]提出基于靈敏度分析的電壓控制方法，通過(guò)計(jì)算分布式電源注入節(jié)點(diǎn)的有功與無(wú)功功率關(guān)于節(jié)點(diǎn)電壓的靈敏度，針對(duì)性地改變分布式電源注入節(jié)點(diǎn)的功率值，以滿足電壓幅值要求。在分布式電源滲透率較小的情況下，已有方法沒(méi)有考慮只通過(guò)調(diào)節(jié)分布電源出力與投切無(wú)功補(bǔ)償裝置不能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓要求的情況，也沒(méi)有考慮在線路過(guò)載的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)分布式電源出力來(lái)減小線路負(fù)載率。

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是配電網(wǎng)重要控制手段之一，通過(guò)切換聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)故障后非故障停電區(qū)域的快速?gòu)?fù)電；線路過(guò)載時(shí)均衡線路負(fù)荷減小線路負(fù)載率；節(jié)點(diǎn)電壓越限時(shí)改善電壓分布。分布式電源的接入提高了配電網(wǎng)重構(gòu)可行解數(shù)量，降低了重構(gòu)優(yōu)化解對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，優(yōu)化了配電網(wǎng)運(yùn)行[12]?？紤]分布式電源出力不確定性對(duì)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的影響，文獻(xiàn)[13]利用負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，給出未來(lái)一天的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。文獻(xiàn)[14]考慮負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分布特點(diǎn)，以及負(fù)荷間的相關(guān)系數(shù)，利用啟發(fā)式優(yōu)化算法計(jì)算出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案。文獻(xiàn)[15]以網(wǎng)絡(luò)損耗最小以及改善電壓分布為目標(biāo)，利用和聲算法求解網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)洌⒗渺`敏度分析確定分布式電源的最優(yōu)位置。

針對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行中節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題，本文提出了基于靈敏度分析的多階段決策分析方法，仿真一天內(nèi)負(fù)荷及分布式電源出力的變化，在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓或者線路負(fù)載率越限的時(shí)刻，給出相應(yīng)控制措施。

2 電壓與負(fù)載率控制數(shù)學(xué)模型

根據(jù)智能配電網(wǎng)的斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)潮流，若系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓或者線路負(fù)載率越過(guò)限值，則通過(guò)生成相應(yīng)簡(jiǎn)單有效的控制方案，迅速消除系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率的控制目標(biāo)為系統(tǒng)所有的節(jié)點(diǎn)電壓幅值偏移量的最大值Vidx與線路負(fù)載率的最大值Sjdx皆在安全限值以內(nèi)，即滿足指標(biāo)函數(shù)值δ1=δ2=0，具體計(jì)算式為

式中，N為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Nb為系統(tǒng)的支路數(shù)目；Vi為節(jié)點(diǎn)i的線電壓幅值；Si為流過(guò)線路i的當(dāng)前視在功率；Simax為支路可載容量的最大值。

風(fēng)機(jī)以及光伏出力具有很強(qiáng)的不確定性，實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，若一旦指標(biāo)函數(shù)值不滿足安全運(yùn)行要求，就立刻采取控制措施，則會(huì)導(dǎo)致控制措施執(zhí)行過(guò)于頻繁。在假設(shè)負(fù)荷以及分布式電源出力可預(yù)測(cè)前提下（每15min一個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)），計(jì)算相對(duì)于當(dāng)前時(shí)刻的未來(lái)15min斷面潮流，若其節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率依然不滿足安全運(yùn)行的要求，則執(zhí)行當(dāng)前控制方案，否則不執(zhí)行。

配電網(wǎng)安全運(yùn)行約束條件包括:

（1）等式約束條件。即系統(tǒng)潮流約束為

（2）分布式電源出力大小的限制為

式中，PG、QG為調(diào)節(jié)后的分布式電源有功及無(wú)功出力；Qmax、Qmin分別為分布式電源無(wú)功出力可調(diào)節(jié)的最大值與最小值；Pmax、Pmin分別為分布式電源有功出力可調(diào)節(jié)的最大值與最小值。

（3）補(bǔ)償設(shè)備容量約束為式中，Qci為第i個(gè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功容量，kci為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的檔位，Qci_min、Qci_max分別為第i個(gè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功容量的最小值與最大值。

（4）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束。不考慮分布式電源，配電網(wǎng)重構(gòu)前后始終為放射狀，即

式中，gk為重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；G為所有可行的輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的集合。

系統(tǒng)若同時(shí)出現(xiàn)線路過(guò)載與節(jié)點(diǎn)電壓越限，則優(yōu)先處理線路過(guò)載。整個(gè)控制過(guò)程參考先易后難，多階段決策，逐步實(shí)現(xiàn)。①階段一。根據(jù)線路過(guò)載與節(jié)點(diǎn)電壓越限兩種不同情況，分別計(jì)算出相應(yīng)的靈敏度值，確定分布式電源出力的調(diào)節(jié)順序；②階段二。通過(guò)階段一的控制，若依然不滿足安全運(yùn)行的約束條件，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；③階段三。通過(guò)上述兩個(gè)階段的控制都無(wú)法消除節(jié)點(diǎn)電壓越限或者線路過(guò)載，則通過(guò)切除部分非關(guān)鍵負(fù)荷使其滿足配電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 480—2010[20]規(guī)定，分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%。假設(shè)單條饋線上分布式電源有功出力小于饋線負(fù)荷總有功的50%，滿足這一假設(shè)前提下的控制流程如圖1所示。

圖1 控制流程圖Fig.1 Flow chart of the control

3 基于靈敏度分析的節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載控制

3.1節(jié)點(diǎn)電壓控制

對(duì)于輸電網(wǎng)，忽略電阻與電抗的比值，可近似認(rèn)為電壓只與無(wú)功功率相關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)注入節(jié)點(diǎn)的無(wú)功出力增大時(shí)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值也增大。但是對(duì)于配電網(wǎng)而言，電阻與電抗的比值不可忽略，故若要通過(guò)控制分布式電源的出力來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓，需要同時(shí)考慮分布式電源的有功功率與無(wú)功功率。

按照注入到節(jié)點(diǎn)的功率的類型，分布式電源主要分為四類[16]:①類型1。只注入有功功率P，如光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃料電池；②類型2。只注入無(wú)功功率Q，如燃?xì)馔秸{(diào)相機(jī)，甚至無(wú)功補(bǔ)償裝置可以當(dāng)作離散出力的分布式電源；③類型3。同時(shí)注入有功功率P與無(wú)功功率Q，利用同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)都屬于這種類型；④類型4。注入有功功率P，同時(shí)消耗無(wú)功功率Q，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

圖2所示為接有分布式電源的配電網(wǎng)接線示意圖。圖中Vi表示節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)電壓值，Vij表示支路ij的電壓降。

圖2 接有分布式電源的配電網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution system with DGs

不考慮分布式電源的情況下，節(jié)點(diǎn)3處的節(jié)點(diǎn)電壓為

式中，I03、R03、X03分別為電流、電阻以及電抗；φ03為功率因數(shù)；Ploss、Qloss分別為有功功率與無(wú)功功率損耗。

所以對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)m，其節(jié)點(diǎn)電壓為

式中，Gf為節(jié)點(diǎn)0與節(jié)點(diǎn)m之間的關(guān)聯(lián)拓?fù)洹?/p>

接入分布式電源后，節(jié)點(diǎn)m的電壓幅值Vm為

由式（11）可知，在一定范圍內(nèi)增大分布式電源的出力，能夠有效地改善節(jié)點(diǎn)電壓。若系統(tǒng)接有M個(gè)分布式電源，則節(jié)點(diǎn)m的節(jié)點(diǎn)電壓與M個(gè)分布式電源的有功以及無(wú)功出力大小有關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)M個(gè)分布式電源的有功以及無(wú)功出力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)m處的節(jié)點(diǎn)電壓的控制。節(jié)點(diǎn)m的節(jié)點(diǎn)電壓變化量ΔVm關(guān)于M個(gè)分布式電源的有功以及無(wú)功出力的改變量（ΔP, ΔQ）的靈敏度為

式中，SP、SQ分別為節(jié)點(diǎn)電壓Vm關(guān)于分布式電源功率注入節(jié)點(diǎn)i的有功功率與無(wú)功功率靈敏度，其值為負(fù)數(shù)[8]，求解推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄。當(dāng)節(jié)點(diǎn)m的電壓值越下限時(shí)，向節(jié)點(diǎn)i中增大注入功率ΔPi、ΔQi（ΔPi＜0，ΔQi＜0），ΔVm＞0，調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)電壓升高；反之，減小注入功率ΔPi、ΔQi（ΔPi＞0，ΔQi＞0），調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)m電壓減小。靈敏度矩陣反映了節(jié)點(diǎn)電壓V關(guān)于節(jié)點(diǎn)注入功率的變化率，即節(jié)點(diǎn)電壓變化量對(duì)功率變化量的靈敏程度。通過(guò)控制變量注入功率P與Q就可以調(diào)節(jié)電壓V。通過(guò)計(jì)算電壓越限節(jié)點(diǎn)的電壓幅值相對(duì)分布式電源與無(wú)補(bǔ)償裝置節(jié)點(diǎn)的注入功率的靈敏度，根據(jù)靈敏度值確定分布式電源以及無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率注入順序，依次注入功率，直到越限節(jié)點(diǎn)的電壓值滿足安全運(yùn)行要求，節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)步驟如下:

Step 1:利用牛拉法計(jì)算系統(tǒng)潮流，確定電壓越限最大值的節(jié)點(diǎn)編號(hào)a，幅值Va，越上限還是下限，以及靈敏度矩陣SP，SQ。

Step 2:根據(jù)靈敏度的值確定分布式電源出力的調(diào)節(jié)順序。

Step 3:假設(shè)電壓越下限，對(duì)于確定進(jìn)行調(diào)節(jié)的分布式電源，首先假設(shè)該裝置的剩余功率全部投入，計(jì)算投入后Va是否滿足，若Va越下限則投入下一個(gè)分布式電源；若Va越上限，則改投原來(lái)無(wú)功功率的1/2，若依然越上限則再減為原來(lái)1/2，直到滿足約束條件；若改為投原來(lái)無(wú)功功率的1/2后Va越下限，則增加投入剩余功率的1/2，直到滿足約束條件。越上限則恰好相反。

Step 4:當(dāng)系統(tǒng)中分布式電源的功率全部投入，或者系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)電壓都滿足運(yùn)行條件約束時(shí)，輸出電壓控制方案。

3.2線路負(fù)載率控制

按照單條饋線上分布式電源有功出力小于饋線負(fù)荷總有功50%的假設(shè)，對(duì)于輻射狀配電網(wǎng)，其線路負(fù)載率最大的支路依然為饋線首段支路，如圖2中的支路1-2。所以只要首段支路的負(fù)載率不越限，則輻射狀配電網(wǎng)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載率越過(guò)限值的線路。設(shè)首段線路的電流為I，其允許通過(guò)的最大電流為Imax，線路的負(fù)載率為ρ，則

接入分布式電源后，首段線路的負(fù)載率為

由式（14）可知，在一定范圍內(nèi)增大分布式電源的出力，首段線路的負(fù)載率會(huì)隨著分布式電源出力的增大而減小。

線路負(fù)載率控制是指針對(duì)當(dāng)前斷面數(shù)據(jù)，存在電流越上限的支路i，其值為Ii，通過(guò)改變注入節(jié)點(diǎn)j所安裝的分布式電源的ΔS，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流Ii的控制。設(shè)功率流出節(jié)點(diǎn)為正，即式中，iI′為調(diào)節(jié)分布式電源出力后支路i的電流，?|Ii|/?|Sj|為支路電流Ii關(guān)于功率注入節(jié)點(diǎn)j的靈敏度，ΔSj為節(jié)點(diǎn)j的功率注入量。靈敏度矩陣?|Ii|/?|Sj|反映了支路電流I關(guān)于節(jié)點(diǎn)注入功率ΔS的變化率。首段電流I關(guān)于功率注入節(jié)點(diǎn)i的注入功率Si= (PGi-PLi)+j(QGi-QLi)的靈敏度為?|I|/?|Si|，即

式中，?e1/?QGi、?e2/?QGi、?f1/?QGi、?f2/?|QGi可以通過(guò)潮流計(jì)算獲得，?PGi/?QGi可由分布式電源的功率因數(shù)值求得；e1、e2、f1、f2的值可從潮流計(jì)算結(jié)果中獲取。線路負(fù)載率控制步驟如下:

Step 1:利用牛拉法計(jì)算系統(tǒng)潮流，確定靈敏度矩陣?e1/?QGi，?e2/?QGi，?f1/?QGi，?f2/?QGi的值。

Step 2:根據(jù)靈敏度?|I|/?|Sj|的值確定分布式電源出力的調(diào)節(jié)順序。

Step 3:當(dāng)系統(tǒng)中分布式電源的功率全部投入，或者系統(tǒng)中的線路負(fù)載率都滿足運(yùn)行條件約束時(shí)，輸出分布式電源的投入順序。

4 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與切負(fù)荷操作

4.1網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)數(shù)學(xué)模型與求解

輻射運(yùn)行的配電網(wǎng)中，閉合任一聯(lián)絡(luò)開關(guān)都會(huì)構(gòu)成一個(gè)回路，斷開回路中的任一分段開關(guān)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又恢復(fù)輻射狀。定義由一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)與若干分段開關(guān)組成的回路稱之為基本環(huán)路，基本環(huán)路的數(shù)目與配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)開關(guān)的數(shù)目相等。在聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)為n，基本環(huán)路包含的最大分段開關(guān)數(shù)為m的輻射狀配電網(wǎng)中，定義矩陣M=(mij)n×m，其中，mij為第i個(gè)基本環(huán)路的第j個(gè)分段開關(guān)編號(hào)，矩陣M的生成算法參考文獻(xiàn)[17]。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問(wèn)題最優(yōu)解即為搜索矩陣M中每一基本環(huán)路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)的最優(yōu)組合，同時(shí)保證重構(gòu)前后系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持輻射狀。

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)為

式中，α、β為系數(shù)。其中，α+β=1，本文取α=β= 0.5。約束條件見(jiàn)式（4）、式（8）。

組合編碼的形式為

式中，xi為第i個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的狀態(tài)，用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，0表示斷開，1表示閉合；SSi表示第i個(gè)分段開關(guān)編號(hào)。按照文獻(xiàn)[17]的步驟生成新解，能夠有效地避免重構(gòu)中產(chǎn)生不滿足放射狀拓?fù)浼s束的新解。利用具有編碼簡(jiǎn)單、且能快速實(shí)現(xiàn)全局收斂的和聲算法進(jìn)行求解。

4.2切負(fù)荷操作

當(dāng)調(diào)節(jié)分布式電源出力與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)不能消除線路過(guò)載或電壓越限時(shí)，在搜索到最優(yōu)解基礎(chǔ)上進(jìn)行切負(fù)荷，恢復(fù)配電網(wǎng)安全運(yùn)行。切負(fù)荷操作的原則為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件下，所切的負(fù)荷盡量小，步驟簡(jiǎn)述如下:

Step 1:將經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)分布式電源出力與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)處理后得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，從電源點(diǎn)開始將支路進(jìn)行分層，最接近電源點(diǎn)的所有支路為第一層支路，沿輻射網(wǎng)絡(luò)向線路末端進(jìn)行搜索，依次得到其余各層。

Step 2:按層進(jìn)行遍歷，從層數(shù)最大的開始。搜索到某一層中某條支路有過(guò)載的情況時(shí)，確定過(guò)載的視在功率ΔS。

Step 3:從過(guò)載支路向輻射狀的末端開始搜索，將搜索到的負(fù)荷按負(fù)荷等級(jí)分為三類:一級(jí)負(fù)荷；二級(jí)負(fù)荷；三級(jí)負(fù)荷。首先從三級(jí)負(fù)荷開始切除，選擇切除負(fù)荷的組合，使所切的負(fù)荷量大于等于ΔS，且保證該組合切負(fù)荷最?。蝗糁磺腥?jí)負(fù)荷就能滿足要求，則該過(guò)載支路處理完畢，繼續(xù)遍歷其他支路，若三級(jí)負(fù)荷全部切除完，也不能滿足所切負(fù)荷量大于等于ΔS，則切二級(jí)負(fù)荷，切除的原則與切三級(jí)負(fù)荷一致，以此類推，到一級(jí)負(fù)荷。

Step 4:繼續(xù)按層搜索支路，若存在過(guò)載支路，按上一步方法切負(fù)荷。直至網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有過(guò)載線路或所有線路遍歷完畢。

5 算例分析

編程仿真環(huán)境如下:系統(tǒng)軟件Window XP，內(nèi)存1.9G，Pentium雙核，2.60GHz，編程語(yǔ)言Matlab 2009b。和聲算法參數(shù)初始化，記憶庫(kù)大小HM=8，HMCR=0.9，PAR=0.2，NI=300。算例為IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，母線的額定電壓為12.66kV，有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，37條支路，接線圖如圖3所示，其中聯(lián)絡(luò)支路5條，系統(tǒng)總負(fù)荷為3 802.19+j2 694.6kV·A。假設(shè)線路允許通過(guò)的最大負(fù)荷為6 000kV·A，詳細(xì)線路參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參考文獻(xiàn)[18]。Vci=3m/s，Vr=14m/s，Vco=25m/s，其中假設(shè)風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)恒定，取PF=0.9，輸出的有功功率Pw與吸收的無(wú)功功率Qw的計(jì)算式為

圖3 IEEE 33節(jié)點(diǎn)接線圖Fig.3 IEEE 33-node distribution system

分布式電源的接入情況見(jiàn)表1，分布式電源容量的有功部分占負(fù)荷的47.34%，滿足單條饋線上分布式電源的總有功出力小于饋線負(fù)荷總有功功率50%的假設(shè)，無(wú)功補(bǔ)償裝置的接入情況見(jiàn)表2。

表1 DG安裝位置與容量Tab.1 Position and capacity of DGs

表2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝位置與容量Tab.2 Position and capacity of capacitors

考慮一天內(nèi)負(fù)荷、分布式電源出力的變化，對(duì)智能配電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行模擬，針對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率越限的情況產(chǎn)生相應(yīng)的控制策略。設(shè)置仿真周期為24h，仿真步長(zhǎng)為1h，系統(tǒng)負(fù)荷以及風(fēng)速、光伏出力的變化曲線如圖4所示，其中風(fēng)速的基準(zhǔn)值取20m/s，系統(tǒng)負(fù)荷的基準(zhǔn)值取值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]，光伏電池的基準(zhǔn)出力取表1中的400kW，各時(shí)刻的實(shí)際值為基準(zhǔn)值乘以圖4中各時(shí)刻的系數(shù)。初始狀態(tài)為儲(chǔ)能（BES）、燃?xì)廨啓C(jī)（MT）、電容器組皆未投入運(yùn)行。

圖4 風(fēng)速、光伏出力、負(fù)荷波動(dòng)曲線Fig.4 Volatility curve of wind speed, PV output and load

（1）仿真場(chǎng)景1。仿真內(nèi)容:隨著一天內(nèi)風(fēng)速、負(fù)荷以及光伏出力的變化，按照本文控制方法如何給出相應(yīng)控制措施，并驗(yàn)證所提出的多階段決策控制方法的有效性。

圖5中黑色曲線為24個(gè)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)電壓最小值分布曲線；圖6中黑色曲線為24個(gè)時(shí)刻線路負(fù)載率最大值分布曲線。由上述兩曲線可知，斷面8、9、10、11、15、16、17、18、19、21共10個(gè)斷面的節(jié)點(diǎn)電壓最低值都在0.95以下，皆越下限，并且斷面19的線路負(fù)載率越限，其值大于0.9。

圖5 控制前后各時(shí)間斷面的電壓最小值分布曲線Fig.5 Maximin of each section nodal voltage

圖6 各次控制執(zhí)行后各斷面的線路負(fù)載率Fig.6 Line loading rate profile after each section control

時(shí)刻1～7，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率均滿足安全運(yùn)行要求。時(shí)刻8，滿足δ1=1，δ2=0（節(jié)點(diǎn)電壓越下限，負(fù)載率不越限，假設(shè)其未來(lái)15min斷面亦不滿足安全運(yùn)行條件），按照多階段決策控制的流程，首先調(diào)節(jié)分布式電源出力或者投切無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)潮流計(jì)算，確定節(jié)點(diǎn)電壓最低點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)18，其值為U18=0.944 2，計(jì)算節(jié)點(diǎn)18關(guān)于分布式電源以及無(wú)功補(bǔ)償裝置的靈敏度，確定的投入順序?yàn)?儲(chǔ)能、燃?xì)廨啓C(jī)、C2，C1，投入儲(chǔ)能后系統(tǒng)的電壓即滿足安全運(yùn)行條件。其靈敏度的計(jì)算如下。

投入儲(chǔ)能后的節(jié)點(diǎn)18的電壓增量為

調(diào)節(jié)后的電壓為

計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)投入后的系統(tǒng)潮流，得到節(jié)點(diǎn)18的電壓值為0.954 2，兩者相差很小，可見(jiàn)利用靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)的誤差較小。

時(shí)刻8調(diào)節(jié)后，再次計(jì)算24個(gè)斷面的潮流分布，得到圖5藍(lán)色曲線所示各時(shí)刻斷面的節(jié)點(diǎn)電壓最低值分布，圖6藍(lán)色曲線所示為線路負(fù)載率最大值分布。可見(jiàn)，時(shí)刻9依然滿足δ1=1，δ2=0（節(jié)點(diǎn)電壓越下限，負(fù)載率不越限，假設(shè)其未來(lái)15min斷面亦不滿足安全運(yùn)行條件），觸發(fā)生成分布式電源與無(wú)功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)方案，按照靈敏度大小確定調(diào)節(jié)順序，但是當(dāng)所有的分布式電源與無(wú)功補(bǔ)償都投入后，節(jié)點(diǎn)33的值最低為0.947 1，線路負(fù)載率的最大值為0.432 5，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓依然不滿足指標(biāo)要求，接著觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方案見(jiàn)表3。通過(guò)上述一系列控制后，整個(gè)24個(gè)斷面的節(jié)點(diǎn)電壓最低值分布如圖5紅色曲線所示，線路負(fù)載率的最大值分布如圖6紅色曲線所示。此后，時(shí)刻9～17，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載率皆滿足安全運(yùn)行的要求。

表3 時(shí)刻9的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案Tab.3 Network reconfiguration schemes of moment time 9

到時(shí)刻18時(shí)，滿足δ1=1，δ2=0（節(jié)點(diǎn)電壓越下限，負(fù)載率不越限，假設(shè)其未來(lái)15min斷面亦不滿足安全運(yùn)行條件），此時(shí)觸發(fā)生成控制方案，因分布式電源與無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)全部投入，此時(shí)在時(shí)刻9已改變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，觸發(fā)生成網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，重構(gòu)方案見(jiàn)表4。方案執(zhí)行后，24個(gè)時(shí)刻斷面的最低點(diǎn)電壓分布如圖5綠色曲線所示，線路負(fù)載率的最大值分布如圖6中的綠色曲線所示?？梢?jiàn)執(zhí)行時(shí)刻18的重構(gòu)方案后，斷面19至斷面24都滿足安全運(yùn)行的要求。

表4 時(shí)刻18的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案Tab.4 Network reconfiguration schemes of moment time 18

（2）仿真場(chǎng)景2。為了展示分布式電源的注入對(duì)線路負(fù)載率的影響，取第一個(gè)斷面的風(fēng)速、光伏系數(shù)值保持不變，將負(fù)荷的系數(shù)值改為1.25，致使系統(tǒng)的線路過(guò)載，節(jié)點(diǎn)電壓越下限（即δ1=1，δ2=1）。

根據(jù)多階段決策的流程，首先觸發(fā)生成分布式電源與無(wú)功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)方案，通過(guò)靈敏度分析，確定DGs與電容器組的投入順序?yàn)?C1，燃?xì)廨啓C(jī)，儲(chǔ)能，C2。依次投入后線路負(fù)載率的變化曲線如圖7所示，線路負(fù)載率滿足了要求，但是節(jié)點(diǎn)電壓不滿足，按照上述控制邏輯，則會(huì)生成重構(gòu)方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后節(jié)點(diǎn)電壓滿足要求，重構(gòu)方案見(jiàn)表5，電壓分布曲線如圖8所示。

圖7 依次執(zhí)行控制措施后各支路的負(fù)載率變化曲線Fig.7 Line loading rate curve after control

表5 場(chǎng)景2的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案Tab.5 Network reconfiguration schemes of scenario 2

圖8 依次執(zhí)行控制措施后各節(jié)點(diǎn)的電壓幅值變化曲線Fig.8 The nodal voltage curve after control

6 結(jié)論

本文提出了一種智能配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓與線路負(fù)載的實(shí)時(shí)控制方法，有效融合了調(diào)節(jié)分布式電源與無(wú)功補(bǔ)償裝置，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，以及切除部分非關(guān)鍵負(fù)荷的控制措施，通過(guò)算例仿真結(jié)果得出以下結(jié)論:

（1）DGs的廣泛接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響，使得調(diào)節(jié)分布式電源的出力成為控制配電網(wǎng)、優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)的重要手段。

（2）通過(guò)靈敏度分析確定DGs與電容器組的投切順序，使得配電網(wǎng)的電壓與負(fù)載率控制更加具有針對(duì)性，調(diào)節(jié)誤差小，有利于實(shí)現(xiàn)以最小的控制代價(jià)達(dá)到最好的控制效果。

（3）本文通過(guò)對(duì)一天內(nèi)負(fù)荷、風(fēng)速以及光伏出力波動(dòng)性變化的仿真，仿真結(jié)果有效驗(yàn)證了控制方案的正確性。

（4）風(fēng)機(jī)、光伏、負(fù)荷皆具有很強(qiáng)的不確定性，預(yù)測(cè)誤差相對(duì)較大，本文在假設(shè)預(yù)測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確的前提下，計(jì)算未來(lái)15min的斷面潮流作為判斷是否執(zhí)行當(dāng)前方案標(biāo)準(zhǔn)，研究尚存在一定問(wèn)題，探索更佳的辦法是后續(xù)研究重點(diǎn)。

附錄

1.節(jié)點(diǎn)電壓控制靈敏度推導(dǎo)

根據(jù)式（11），得

假設(shè)調(diào)節(jié)分布式電源出力時(shí)，負(fù)荷功率不變，則節(jié)點(diǎn)m的電壓幅值Um為關(guān)于系統(tǒng)所接分布式電源PDGk以及QDGk的函數(shù)，即

改變分布式電源的功率大小后，節(jié)點(diǎn)m的電壓變化為

對(duì)于包含N個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，寫成矩陣形式為上式可簡(jiǎn)化為

式中，SP為注入有功功率靈敏度；SQ為注入無(wú)功功率靈敏度。

利用直角坐標(biāo)系進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，潮流計(jì)算方程為

令

所以

令

調(diào)節(jié)分布式電源出力時(shí)，不考慮負(fù)荷變化，則有ΔPDG=ΔP，ΔQDG=ΔQ。根據(jù)式（3）、式（4）、式（7）得

2. 線路負(fù)載率控制靈敏度推導(dǎo)

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A Method of Safe Operation Control of Smart Distribution System

Since the installation of distributed generators(DGs) with high penetration, the configuration and power flow profile of distribution system will be changed, and it is necessary to reform the control methods of nodal voltage and line loading rate. A multi-stage decision of sensitivity analysis method is presented in this paper to control the moment time of nodal voltage and line loading rate, and it is organic integration of regulation of output for distributed generators and reactive power compensation device, network reconfiguration, and load shedding. Whether the stage is executed or not based on the value of state function. The variation of load and DGs output within a day is simulated to generate the corresponding control measures of nodal voltage and line loading rate over the limit. The effectiveness of the propose approach is demonstrated by simulations on the improved IEEE 33-nodes systems.

Distributed generations, nodal voltage and line loading rate, multi-stage decision, sensitivity analysis

TM46

陳 春 男，1987年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化控制。

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA05A114）。

2014-10-13 改稿日期 2015-02-03

Chen Chun1 Wang Feng1 Liu Bei1 Cao Yijia1 Liu Wei3

（1. College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China 2. Jiangxi Electric Power Research Institute Nanchang 330096 China 3. Guangdong Power Grid Corporation CSG. Guangzhou 510080 China）

汪 沨 男，1972年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦唠妷航^緣及氣體放電。