配電網(wǎng)供電優(yōu)化恢復(fù)策略

文/張衡

1 配電網(wǎng)的特點(diǎn)及供電恢復(fù)的目的

1.1 配電網(wǎng)的特點(diǎn)

配電網(wǎng)是電力網(wǎng)中不可或缺的重要組成部分之一，主要承擔(dān)著電能分配的任務(wù)。由發(fā)電廠生產(chǎn)出來(lái)的電能會(huì)傳給配電網(wǎng)，通過(guò)配電網(wǎng)中的相關(guān)設(shè)施，可對(duì)這部分電能進(jìn)行就地分配，或是按照電壓等級(jí)進(jìn)行逐級(jí)分配，供給各類電力用戶。我國(guó)的配電網(wǎng)基本上采用的都是閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行的模式，其結(jié)構(gòu)呈輻射狀。配電網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：電壓等級(jí)多、設(shè)備類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)面廣、安全環(huán)境較差等等。正因如此，使得配電網(wǎng)的故障發(fā)生率相對(duì)較高。大體上可將配電網(wǎng)的故障分為以下兩種類型：一種是瞬時(shí)故障，另一種是永久故障，配電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)瞬時(shí)故障，那么線路中的自動(dòng)重合閘裝置會(huì)自行啟動(dòng)，完成對(duì)故障的處理。由于自動(dòng)重合閘無(wú)法消除永久故障，所以當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)永久故障時(shí)，需要根據(jù)故障情況，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決處理，從而使配電網(wǎng)在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電。

1.2 供電恢復(fù)的目的

配電網(wǎng)中的永久故障必須及時(shí)進(jìn)行處理，否則會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。因此，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)中出現(xiàn)永久故障后，需要對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行快速、準(zhǔn)確定位，并將故障附近的開關(guān)關(guān)閉，將故障區(qū)段從配電線路中隔離出去，隨后對(duì)開關(guān)關(guān)斷引起的非故障停電區(qū)域進(jìn)行搜索，依據(jù)失電區(qū)域最小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)的原則，找出開關(guān)動(dòng)作方案，據(jù)此完成供電恢復(fù)，確保非故障區(qū)域的供電可靠性。對(duì)于配電網(wǎng)而言，重構(gòu)是提高供電可靠性、降低線路損耗、改善供電質(zhì)量的有效技術(shù)措施之一，可將重構(gòu)分為兩種情況，一種是優(yōu)化重構(gòu)，另一種是恢復(fù)重構(gòu)，前者是優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，后者則是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方法，獲得配電網(wǎng)故障后，非故障失電區(qū)域的供電恢復(fù)方案。在配電網(wǎng)中通常會(huì)設(shè)置支路分段和聯(lián)絡(luò)開關(guān)，一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)開關(guān)的關(guān)斷，可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而快速將故障點(diǎn)從配電線路中隔離出去，達(dá)到恢復(fù)非故障區(qū)域供電的目的，確保配電網(wǎng)作用的發(fā)揮。

2 配電網(wǎng)供電優(yōu)化恢復(fù)策略

在整個(gè)電力網(wǎng)中，配電網(wǎng)的作用和重要性不言而喻，其運(yùn)行穩(wěn)定與否直接關(guān)系到供電可靠性。然而，由于受到人為因素和自然災(zāi)害的影響，使得配電網(wǎng)故障率呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，給電力企業(yè)帶來(lái)巨大的損失，隨著供電可靠性的降低，電力用戶的正常用電也隨之受到影響。同時(shí)，配電網(wǎng)中大量分布式電源的接入，使供電恢復(fù)難度進(jìn)一步增大，為提高配電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，必須采取合理可行的供電恢復(fù)策略，在供電恢復(fù)策略制定的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)分布式電源的影響進(jìn)行充分考慮。

圖1：配電網(wǎng)中骨干通道的恢復(fù)流程示意圖

2.1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)供電恢復(fù)的影響

分布式電源簡(jiǎn)稱DG，是一種與環(huán)境兼容性非常高的獨(dú)立式電源，能夠?yàn)樨?fù)荷進(jìn)行可靠供電，安裝地點(diǎn)多為用戶側(cè)，輸出功率在50MW以下。當(dāng)DG接入主網(wǎng)后，可與主網(wǎng)一起為電力用戶提供所需的電能。配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在供電恢復(fù)的過(guò)程中，由于DG的接入，會(huì)對(duì)供電恢復(fù)產(chǎn)生一些影響，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）隨著DG的接入，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)隨之變得復(fù)雜化，潮流方向也發(fā)生改變，在這一前提下，使配電網(wǎng)故障的約束條件出現(xiàn)變化。

（2）在對(duì)配電網(wǎng)供電恢復(fù)模型進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，需要綜合考慮DG的具體類型、容量大小以及接入的位置等情況，并且還要考慮DG自身缺陷對(duì)供電恢復(fù)的影響，如發(fā)電間歇性對(duì)供電恢復(fù)的影響，發(fā)電波動(dòng)性對(duì)供電恢復(fù)的影響等。

（3）DG能夠?qū)﹄妷杭邦l率進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后，以并網(wǎng)的方式運(yùn)行時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出孤島運(yùn)行的狀態(tài)。因此，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障問題后，通過(guò)對(duì)DG的利用，可以形成孤島，借此為停電負(fù)荷進(jìn)行供電，能夠達(dá)到降低故障停電損失的目的。

2.2 構(gòu)建供電恢復(fù)優(yōu)化模型

2.2.1 劃分恢復(fù)階段

配電網(wǎng)是電力網(wǎng)中的一個(gè)系統(tǒng)，如果配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行造成不利影響，所以快速排除故障，使供電恢復(fù)正常顯得尤為重要。對(duì)于配電網(wǎng)而言，供電恢復(fù)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)優(yōu)化問題，前提是滿足相關(guān)的約束條件，據(jù)此對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。當(dāng)配電網(wǎng)中的某條線路發(fā)生故障后，通過(guò)故障定位的方法，能夠?qū)收宵c(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，并將故障點(diǎn)從線路中有效隔離出去，然后進(jìn)行第一階段的供電恢復(fù)，即以確保線路中重要負(fù)荷的供電可靠性為前提條件，對(duì)重要負(fù)荷進(jìn)行供電恢復(fù)，隨后進(jìn)行第二階段的供電恢復(fù)，即對(duì)重要負(fù)荷以外的其余負(fù)荷進(jìn)行供電恢復(fù)。

（1）第一階段的供電恢復(fù)策略。在第一階段，需要對(duì)重要負(fù)荷進(jìn)行供電恢復(fù)，即對(duì)配電網(wǎng)中的骨干通道進(jìn)行恢復(fù)。在該階段，可以借助廣度優(yōu)先算法，對(duì)接入配電網(wǎng)中具有黑啟動(dòng)能力的分布式分電源進(jìn)行搜索，并以此為重要負(fù)荷進(jìn)行供電。若是配電網(wǎng)中并未接入分布式電源，或是通過(guò)分布式電源無(wú)法實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷供電，則可借助饋線的轉(zhuǎn)供能力，為重要負(fù)荷進(jìn)行供電。

（2）第二階段的供電恢復(fù)策略。當(dāng)配電網(wǎng)中的重要負(fù)荷恢復(fù)供電之后，需要對(duì)其余的負(fù)荷進(jìn)行供電恢復(fù)，在該階段，可借助相關(guān)算法找出配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，能夠進(jìn)行自動(dòng)閉合的聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)，盡可能多地恢復(fù)剩余負(fù)荷的供電，從而最大限度降低配電網(wǎng)的功率損失。

2.2.2 供電恢復(fù)模型

根據(jù)上文分析可知，對(duì)于配電網(wǎng)故障的供電恢復(fù)問題，需要重點(diǎn)考慮的目標(biāo)函數(shù)有三個(gè)，即重要負(fù)荷的優(yōu)先恢復(fù)、剩余負(fù)荷的快速恢復(fù)以及降低配電網(wǎng)的功率損失。與這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）重要負(fù)荷優(yōu)先恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型如下：

在上式當(dāng)中，C1和C2代表配電網(wǎng)中故障引起斷電區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)集合；Li和Lj代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷量。

（2）剩余負(fù)荷恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型如下：

在上式當(dāng)中，N1和N2代表配電網(wǎng)故障引起失電區(qū)域的集合；Si和Sj代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電荷狀態(tài)（在帶電的前提條件下，取值為0；在不帶電的情況下，取值為1）。

（3）降低配電網(wǎng)功率損失的數(shù)學(xué)模型如下：

在上式當(dāng)中，n代表配電網(wǎng)故障后系統(tǒng)中閉合的支路數(shù)量；k代表支路的編號(hào)；Ik代表從支路k中流過(guò)的總電流；Rk代表支路k的電阻。

最終形成的配電網(wǎng)供電恢復(fù)優(yōu)化方案，需要滿足如下約束條件：

（1）不含分布式電源的輻射狀網(wǎng)絡(luò)約束；

（2）線路容量約束；

（3）節(jié)點(diǎn)電壓約束。

2.3 供電恢復(fù)優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 骨干通道供電恢復(fù)策略的實(shí)現(xiàn)

目前，國(guó)內(nèi)大部分配電網(wǎng)采用的都是輻射狀網(wǎng)絡(luò)或是樹狀網(wǎng)絡(luò)，由于廣度優(yōu)先算法能夠?qū)錉顖D進(jìn)行遍歷，整個(gè)過(guò)程不但全面而且準(zhǔn)確。所以，在配電網(wǎng)供電恢復(fù)優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)中，可以采用廣度優(yōu)先算法，借此來(lái)搜索配電網(wǎng)故障后引起的停電區(qū)域、重要負(fù)荷及其附近具有黑啟動(dòng)能力的分布式電源和與該電源相連接的饋線余量。據(jù)此，對(duì)配電網(wǎng)中重要的電力用戶進(jìn)行快速供電恢復(fù)。具體的恢復(fù)流程如圖1所示。

由于廣度優(yōu)先算法能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)中故障點(diǎn)至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面遍歷，進(jìn)而搜索到其中重要的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，所以能夠使整個(gè)分析過(guò)程得以簡(jiǎn)化。不僅如此，還能計(jì)算出潮流節(jié)點(diǎn)的分布順序，這樣可以使骨干通道恢復(fù)的時(shí)效性得到保障。

2.3.2 剩余負(fù)荷供電恢復(fù)策略的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)骨干通道恢復(fù)之后，便需要對(duì)配電網(wǎng)中剩余負(fù)荷的供電進(jìn)行恢復(fù)，此時(shí)可以先更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)負(fù)荷量進(jìn)行恢復(fù)，隨后對(duì)配電系統(tǒng)內(nèi)沒有自動(dòng)閉合，且具有黑啟動(dòng)能力的分布式電源進(jìn)行搜索，并將其閉合。同時(shí)，檢驗(yàn)剩余負(fù)荷是否恢復(fù)供電，若是仍然存在尚未恢復(fù)供電的剩余負(fù)荷，則可在滿足約束條件的前提下，選取最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，恢復(fù)剩余負(fù)荷供電。

3 結(jié)論

綜上所述，配電網(wǎng)在運(yùn)行中受到一些因素的影響，常常會(huì)出現(xiàn)各種故障問題。同時(shí)，隨著大量分布式電源的接入，使得配電網(wǎng)故障后的供電恢復(fù)難度有所增大。為了解決這一問題，本文提出一種分階段供電恢復(fù)的策略，借助先進(jìn)的廣度優(yōu)先算法，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，對(duì)供電恢復(fù)策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行分析論述。結(jié)果表明，該策略合理可行，能夠在配電網(wǎng)故障后，快速恢復(fù)供電，這對(duì)于配電網(wǎng)作用的發(fā)揮和供電可靠性的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。