智能配電網(wǎng)的故障自愈技術(shù)研究

王學(xué)冬，肖 白

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

配電系統(tǒng)處于電力系統(tǒng)的末端，其作用是將電源系統(tǒng)或輸變電系統(tǒng)與用電設(shè)備連接起來，是向用戶設(shè)施分配、供給電能的重要環(huán)節(jié)[1].配電自動(dòng)化技術(shù)是提高配電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要方法.最近幾年，隨著通訊技術(shù)與信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，人們對(duì)配電自動(dòng)化的研究越來越深入，使我國(guó)的配電自動(dòng)化技術(shù)更加完善、成熟，電氣設(shè)施的生產(chǎn)也經(jīng)歷了巨大的變革，這些都為配電自動(dòng)化的深入發(fā)展提供了很好的基礎(chǔ)[2～3].經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，現(xiàn)已形成一個(gè)較為完整的配電自動(dòng)化系統(tǒng).

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求量越來越大，但是隨之而來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，因此調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，成為未來電網(wǎng)必須考慮的一個(gè)重要問題[4～6].近些年，分布式電源作為一種小型、分散化、靠近用戶端的高效、可靠的發(fā)電單元，得以大量應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，其優(yōu)勢(shì)主要在于：可以充分開發(fā)和利用各種能源，尤其是可再生能源，這樣不僅能解決大量的用電需求，還能滿足國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求[7]；分布式電源能夠直接與用戶端相連，減少了長(zhǎng)距離輸電過程中傳輸線帶來的損耗，減少運(yùn)行及維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；分布式電源在用作備用電源進(jìn)行投切時(shí)，操作方便的同時(shí)還能保證電力的持續(xù)供應(yīng)[8].現(xiàn)如今，由于分布式電源被大量投入到電力系統(tǒng)的日常運(yùn)行，針對(duì)分布式電源的故障自愈技術(shù)逐漸成為配電網(wǎng)智能化的核心，也是智能配電網(wǎng)建成的重要特征和標(biāo)志之一[9].

1 智能配電網(wǎng)特點(diǎn)

智能配電網(wǎng)以配電自動(dòng)化技術(shù)為理論研究基礎(chǔ)，結(jié)合了傳感技術(shù)、控制科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，在智能開關(guān)設(shè)備、雙向通信網(wǎng)絡(luò)及可視化等軟件技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)在正常的運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)、保護(hù)和優(yōu)化控制以及在非正常運(yùn)行狀態(tài)下的自愈保護(hù)控制[10～11].

智能配電網(wǎng)和傳統(tǒng)的配電網(wǎng)比較，主要具有以下優(yōu)勢(shì)[12]：具有更好的供電可靠性；具有故障自愈能力；具有更高的電能質(zhì)量；具有更好的兼容性；具有更強(qiáng)的互動(dòng)性；具有更高的電網(wǎng)利用率；具有可視化的管理平臺(tái).

1.1 配電網(wǎng)自愈控制的概念及特點(diǎn)

智能電網(wǎng)中的故障自愈技術(shù)是指在電網(wǎng)運(yùn)行過程中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速診斷、隔離和調(diào)整電路中故障的技術(shù)，消除故障對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響；在故障發(fā)生時(shí)，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)監(jiān)視控制手段在少許或沒有人工控制的情況下，連續(xù)地對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線自我評(píng)估，并且在故障發(fā)生時(shí)能夠快速發(fā)現(xiàn)診斷并隔離故障，采取安全有效的預(yù)防控制策略，使電網(wǎng)能夠自我控制恢復(fù)供電到正常安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，避免發(fā)生大面積事故停電，使事故發(fā)生時(shí)幾乎不中斷對(duì)用戶負(fù)荷的供電服務(wù)不影響正常供電，降低用戶遭受的停電風(fēng)險(xiǎn)與影響[13～14].智能配電網(wǎng)的基本構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 智能化配電網(wǎng)的示意圖

1.2 配電網(wǎng)自愈控制模式

1.2.1 分層遞階控制結(jié)構(gòu)

分層遞階控制結(jié)構(gòu)分為兩種[15～16]：一種是Villa提出的以數(shù)學(xué)解析與知識(shí)表述為基礎(chǔ)的兩層遞階控制結(jié)構(gòu)，另一種是Saridis提出的以IPDO原理與三個(gè)控制層為基礎(chǔ)的三級(jí)分層遞階控制結(jié)構(gòu)[12]，如圖2所示.

圖2 分層遞階控制系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析是根據(jù)系統(tǒng)獲取設(shè)備的量測(cè)信息，對(duì)配電網(wǎng)的分布式電源、變壓器、母線、開關(guān)等設(shè)施的狀態(tài)作相應(yīng)的判斷，并對(duì)設(shè)施的潮流、電壓等作相應(yīng)的測(cè)量，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性[17～18].

1.2.3 診斷決策框架

對(duì)于不同強(qiáng)度的電壓，配電網(wǎng)具有不同的運(yùn)作方式，因而需要采取的診斷決策措施也有較大的差異.如果配電網(wǎng)的電壓等級(jí)為高壓，應(yīng)當(dāng)以靈敏度計(jì)算為基礎(chǔ)，將規(guī)劃方案結(jié)合起來，給出負(fù)荷與電源點(diǎn)調(diào)節(jié)的整體性意見；如果配電網(wǎng)的電壓等級(jí)為中壓，應(yīng)當(dāng)通過調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)越限消除與持續(xù)供電[19].

配電網(wǎng)狀態(tài)診斷及控制決策主要包括以下步驟：

(1)配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息的監(jiān)聽和判別；

(2)故障診斷和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；

(3)恢復(fù)決策與控制.

2 基于蟻群算法的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

2.1 蟻群算法簡(jiǎn)介

蟻群算法的靈感來源于動(dòng)物界的螞蟻，螞蟻能通過感知其他螞蟻釋放出的路徑信息素的多少以及強(qiáng)度，通過路徑的概率高低搜求食物的所在地，最終形成最短路徑.實(shí)際上這一方法是螞蟻通過判斷概率的形式來完成線路的搜索和尋找，蟻群算法有很大的可能會(huì)向已經(jīng)成功尋找正確的解集或領(lǐng)域來選擇搜索的方向[20～23].

圖3 配電網(wǎng)重構(gòu)流程圖

2.2 求解流程

本文結(jié)合蟻群算法分析含分布式電源的配網(wǎng)重構(gòu)問題，將負(fù)荷、變電站、電源都定義為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連接線表示電氣設(shè)施中的一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的相連.螞蟻能自動(dòng)形成遍歷各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輻射形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，并且可行解可以是算例中的每個(gè)解.螞蟻在運(yùn)動(dòng)過程中所感知的信息正反饋現(xiàn)象，使得其路徑上螞蟻經(jīng)過的路越來越多，最后選擇這條線路搜索選擇的概率就會(huì)增多.對(duì)事故停電地區(qū)進(jìn)行配電網(wǎng)的供用電恢復(fù)的重構(gòu)整體步驟如下：

(1)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行重新編號(hào)，輸入配電網(wǎng)的原始數(shù)據(jù)信息，形成包含所有聯(lián)絡(luò)開關(guān)的連通圖G，可操作開關(guān)集，設(shè)定m為螞蟻在蟻群的總數(shù)目，初始化“信息素”密度τij(0)=const，設(shè)定Nma為最大迭代次數(shù)，ρ為信息素的揮發(fā)率，β為期望的啟發(fā)式因子，信息素強(qiáng)度Q，以及α為信息的啟發(fā)式因子等參數(shù)的數(shù)據(jù)[20]；

(2)初始化蟻群，運(yùn)用潮流計(jì)算，計(jì)算初始網(wǎng)損值fbest=f(0)，開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)minSw=Sw(0)，負(fù)荷平衡minLBsys=LBsys(0)；記錄形成的重構(gòu)方案Amax；

(3)設(shè)定迭代次數(shù)N為0，k=1，2，…，m；

(5)調(diào)用潮流程序計(jì)算每只螞蟻的配電網(wǎng)重構(gòu)所設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)值f、Sw、LBsys；對(duì)于滿足符合設(shè)定約束條件的，找出其中的最小值fmin、Swmin、LBsysmin及重構(gòu)方案Amin并與目標(biāo)函數(shù)比較，若其值小于目標(biāo)函數(shù)則其值代替初始值，否則對(duì) “信息素”進(jìn)行更新；

(6)迭代次數(shù)N=N+1，判斷迭代次數(shù)是否小于Nma，若是則返回步驟(4)，否則進(jìn)行下一步；

(7)輸出fbest，minSbest，LBsysbest以及重構(gòu)方案Abest.配電網(wǎng)重構(gòu)流程圖，如圖3所示.

圖4 含分布式電源DG的14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

2.3 算例分析

引用IEEE14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)算例[24～26]，應(yīng)用Matlab編程軟件對(duì)基于蟻群算法的配網(wǎng)重構(gòu)問題進(jìn)行仿真模擬分析，其中有16條支路、3個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)、13個(gè)分段開關(guān)、1個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓23 kV、三相功率準(zhǔn)值取100 MVA、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷為28.7 MW+j7.75 MVAR.當(dāng)主網(wǎng)與配電網(wǎng)絡(luò)相連接的線路因發(fā)生事故故障而停電，那么整個(gè)電網(wǎng)就形成一個(gè)失電區(qū)域，我們需要尋求新的供電運(yùn)行方式以及路徑信息來對(duì)停電的地方進(jìn)行供電恢復(fù)，如圖4所示.

兩臺(tái)分布式電源DG接入配電網(wǎng)絡(luò)中，分布式電源的容量詳見表1所示，配電網(wǎng)中含有三條聯(lián)絡(luò)開關(guān)分別是S15、S16、S17，需控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合來進(jìn)行重構(gòu).

表1 DG安裝位置和容量

根據(jù)蟻群算法，將電源、變電站、負(fù)荷都定義為節(jié)點(diǎn)，邊表示電氣設(shè)施中的一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的連接.對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行編號(hào)，輸入配電網(wǎng)的原始數(shù)據(jù)信息，形成包含所有聯(lián)絡(luò)開關(guān)的連通圖G，可操作開關(guān)集，依據(jù)蟻群算法設(shè)定螞蟻數(shù)量等于節(jié)點(diǎn)數(shù)量，均為14.

圖5 配電網(wǎng)重構(gòu)后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

通過以上算法驗(yàn)證了蟻群算法在含分布式電源的配網(wǎng)重構(gòu)中的應(yīng)用，該實(shí)例也說明了本方法的有效性.

3 結(jié) 論

配電網(wǎng)故障處理是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù)以及智能配電網(wǎng)自愈控制的基礎(chǔ)應(yīng)用中的重要一環(huán).本文闡述了智能配電網(wǎng)自愈控制的基本概念和理論，分析智能配電網(wǎng)自愈控制框架，并闡述了相關(guān)控制模式.利用蟻群算法解決離散型問題的優(yōu)勢(shì)對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行故障后配電網(wǎng)重構(gòu)處理，對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行編號(hào)，輸入原始信息形成連通圖，通過Matlab編程進(jìn)行信息素更新迭代，計(jì)算最小網(wǎng)損值，從而降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高電壓水平及平衡負(fù)荷，進(jìn)行供電恢復(fù)的配電網(wǎng)重構(gòu).結(jié)合配電網(wǎng)案例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證蟻群算法在含分布式電源的配電網(wǎng)自愈控制應(yīng)用中的有效性，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)快速的恢復(fù)供電.