基于雙重故障模式的微型電網(wǎng)電壓自愈控制方法研究

胡曉娟，周 珊，陳 鐵

（1.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，石家莊 050043；2.河北軌道運輸職業(yè)技術(shù)學院鐵道運輸系，石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043）

微型電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中的重要構(gòu)成部分，其電壓的穩(wěn)定程度直接影響區(qū)域供電情況[1]。由于微型電網(wǎng)本身容量較小且運行模式多變，負荷變化較快且易出現(xiàn)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，故在電網(wǎng)運行時需要預(yù)留一定的負荷裕度以應(yīng)對負荷的快速變化[2]，微型電網(wǎng)電壓自愈控制方法是維持微型電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵。內(nèi)部故障嚴重影響著微型電網(wǎng)的自愈控制效果，因自身的小規(guī)模與小容量導致缺少補償功率，電壓不穩(wěn)定[3]。

有學者對電網(wǎng)的自愈控制與故障檢測進行了相關(guān)研究。程宏波等[4]以圖論為基礎(chǔ)，提出一種基于容錯思想的智能配電網(wǎng)自愈控制方法。該研究有效利用了配電網(wǎng)冗余資源，可保障成本較低的同時實現(xiàn)配電網(wǎng)自愈控制。張安龍等[5]研究了關(guān)聯(lián)子圖的計算方法，提出了基于動態(tài)拓撲分析的電網(wǎng)自愈控制方法，可以一定程度上提高配電網(wǎng)保護控制的靈活性[6-7]。但若只研究單一故障模式其調(diào)節(jié)能力，不能滿足負荷過載負荷裕度較小，造成微型電網(wǎng)內(nèi)因負荷過大引起電壓變化或電網(wǎng)崩潰。

因此，本文提出基于雙重故障模式的微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)。在雙重故障模式下，利用供電路徑得到其傳輸功率，依據(jù)功率可實時監(jiān)控微型電網(wǎng)內(nèi)負荷，避免負荷過載而導致電壓不穩(wěn)；可以實現(xiàn)在微型電網(wǎng)中隔離故障，確保發(fā)電功率超出負荷功率，提高負荷裕度并確保負荷裕度分布均衡；采取切負荷措施恢復(fù)微型電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，實現(xiàn)微型電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

1 微型電網(wǎng)電壓自愈控制的傳輸功率與隔離故障

1.1 建立供電路徑、傳輸功率計算

雙重故障模式依據(jù)各階段的特點，可將連鎖故障分解為源發(fā)性故障階段和連續(xù)故障階段。首先對微型電網(wǎng)進行等效處理，通過有向圖路徑矩陣及其關(guān)聯(lián)矩陣確定負荷節(jié)點與電機節(jié)點之間的輸電通道，即確定供電路徑[8]。等效無損網(wǎng)的具體計算公式為式中：為下一級線路的實際等效損耗；Pi，i+1為下一級線路的實際功率；Pi-1，i為上一級線路的實際功率；ΔPi-1，i為上一級線路的實際損耗；為上一級線路的實際等效損耗[9]。有向圖關(guān)聯(lián)矩陣A 是n×n 的方陣，該關(guān)聯(lián)矩陣的有向圖路徑矩陣可以表示為

式中，i、j 代表節(jié)點。當A（i，j）=1 時，存在由節(jié)點i 到節(jié)點j 的邊；當A（i，j）=0 時，不存在由節(jié)點i 到節(jié)點j 的邊。假設(shè)供電路徑第l 條中共有m 個節(jié)點，計算供電路徑的實際傳輸功率。具體計算公式為

式中：Pl為供電路徑的實際傳輸功率；PG為發(fā)電機節(jié)點實際注入功率；Pi，l+1為節(jié)點l+1 與節(jié)點i 間的實際功率；為注入負荷節(jié)點的實際總功率；PLm為負荷節(jié)點實際輸出功率；為節(jié)點i 中注入的實際總功率。

1.2 故障定位與隔離

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)與拓撲矩陣，通過矩陣運算實現(xiàn)故障定位與隔離，從而在微型電網(wǎng)中準確及時地隔離故障。設(shè)gi表示第a 個測量點對應(yīng)的方向與故障電流信息。當故障過流情況被檢測到且其方向是正向時gi取1；故障過流情況被檢測到且其方向是負向時gi取-1；當故障過流情況未被檢測到的時gi的值則取0。當聯(lián)絡(luò)開關(guān)未運行時，只需區(qū)分反向故障與正向故障。此時首先需要對gi實施修正，具體公式為

式（4）的運算是把取值是0 和-1 的元素修正成0。修正后的gi對故障信息矩陣G 進行構(gòu)造，即利用修正后的gi構(gòu)造一個階數(shù)是1×m 的一維向量。通過該向量與支路節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣相乘，獲得與線路故障對應(yīng)的信息向量，具體表示為

式中：P 為線路故障對應(yīng)的信息向量；F 為支路-節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣?？紤]F 為7×7 的向量，將其表示為

當P 中有元素值是1 時，其對應(yīng)區(qū)段就是故障區(qū)段，從而實現(xiàn)故障定位。線路-開關(guān)關(guān)聯(lián)矩陣Q 類似于支路-節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣F，是一個階數(shù)為m×m 的方陣，對其中的元素進行定義，得到線路-開關(guān)關(guān)聯(lián)矩陣Q 為

將線路-開關(guān)關(guān)聯(lián)矩陣Q 與向量P 相乘，獲得開關(guān)跳閘向量D，表示為

當D 中有元素值是1 時，其對應(yīng)開關(guān)就是要跳開的開關(guān)，從而實現(xiàn)故障的隔離。

1.3 微型電網(wǎng)電壓自愈控制

根據(jù)故障定位與隔離的結(jié)果，以圖論法為依據(jù)，制定微型電網(wǎng)電壓自愈控制策略。通過采取切負荷的措施來恢復(fù)微型電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，則有

式中：p 為微型電網(wǎng)的實際負荷裕度；pcr為微型電網(wǎng)產(chǎn)生電壓失穩(wěn)現(xiàn)象時的負荷臨界裕度。通過減少發(fā)電機節(jié)點對應(yīng)有功出力，得到切除的供電路徑末尾負荷節(jié)點的無功功率，基于其有功功率計算得到

式中：Q0為供電路徑末尾負荷節(jié)點的對應(yīng)初始無功功率；P0為供電路徑末尾負荷節(jié)點的對應(yīng)初始有功功率；ΔQ 為切除的負荷節(jié)點的無功功率；ΔP 為切除的負荷節(jié)點的有功功率。根據(jù)傳輸功率對路徑從大到小實施排序，對其中首個供電路徑尾部負荷節(jié)點的無功功率與有功功率進行切除，并減少發(fā)電機節(jié)點對應(yīng)有功出力；判斷該節(jié)點實際電壓是否低于低壓減載裝置實際整定值，如高于低壓減載裝置實際整定值，則通過二分法對切負荷量進行逐漸降低，直到其滿足終止判據(jù)。

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)計

為驗證設(shè)計的基于雙重故障模式的微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)性能，對其進行實驗分析。實驗所用的微型電網(wǎng)是一種嵌套類型的微型電網(wǎng)，如圖1 所示，該微型電網(wǎng)處于雙重故障模式下。

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的聯(lián)接方式也會給現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行和控制帶來巨大的變化。由于無電源配電網(wǎng)絡(luò)中增加了分布式電源，需要在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)DMS 系統(tǒng)中增加相應(yīng)的管理和控制功能，即增加微型電網(wǎng)管理系統(tǒng)來監(jiān)控微型電網(wǎng)的運行。圖1中分布式電源的具體參數(shù)如表1 所示。實驗微型電網(wǎng)的負荷等級和可控類型具體如表2 所示。故障前后實驗微型電網(wǎng)的電壓變化如圖2 所示。

圖1 實驗微型電網(wǎng)模型Fig.1 Model of experimental microgrid

表1 實驗微型電網(wǎng)中分布式電源的具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of distributed generations in experimental microgrid

表2 實驗微型電網(wǎng)的負荷等級和可控類型Tab.2 Levels and controllable types of load in experimental microgrid

圖2 實驗微型電網(wǎng)故障前后的電壓變化Fig.2 Voltage variation of experimental microgrid before and after fault

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 負荷裕度提升值

利用本文設(shè)計的基于雙重故障模式的微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)進行實驗，獲取30 個節(jié)點范圍內(nèi)的負荷裕度提升值。同樣，利用基于動態(tài)拓撲的微型電網(wǎng)電壓自愈控制方法，獲取30 個節(jié)點范圍內(nèi)的負荷裕度提升值作為對比實驗數(shù)據(jù)。3 種方法的實驗數(shù)據(jù)如表3 所示，表中，本文方法是指基于雙重故障模式的微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)方法，基于容錯思想方法是指基于容錯思想的微型電網(wǎng)電壓自愈控制方法，基于動態(tài)拓撲方法是指基于動態(tài)拓撲的微型電網(wǎng)電壓自愈控制方法。

根據(jù)表3 的實驗數(shù)據(jù)可知，在30 個節(jié)點范圍內(nèi)，本文方法的微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)負荷裕度提升值明顯高于基于容錯思想方法和基于動態(tài)拓撲方法，這是由于本文所提系統(tǒng)能夠準確、及時地隔離微型電網(wǎng)中的故障，避免了故障對電網(wǎng)運行造成的影響，提升了負荷裕度。

表3 負荷裕度提升值實驗數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of experimental data of load margin improvement valueMW

2.2.2 節(jié)點負荷裕度分布

當負荷裕度分布不均時，即使電網(wǎng)的總體負荷裕度充足，在部分時段節(jié)點仍存在負荷裕度不足的問題，故需要考察節(jié)點負荷裕度分布狀況。以30 個節(jié)點作為研究對象，測試1～10 h 內(nèi)的運行負荷裕度，得到不同控制方法的分布結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 負荷裕度分布結(jié)果Fig.3 Distribution result of load margin

由圖3 可以看出，基于容錯思想方法和基于動態(tài)拓撲方法的節(jié)點負荷裕度在時間和空間（不同節(jié)點）上，都存在分布不均的現(xiàn)象，而本文所提系統(tǒng)的節(jié)點具有較高的負荷裕度且分布均衡，這主要是因為本文系統(tǒng)通過二分法對切負荷量進行逐漸降低，從而使得電網(wǎng)節(jié)點具有穩(wěn)定的負荷裕度。

2.2.3 緊急負荷補償能力

電網(wǎng)在運行過程中若受到故障干擾，易導致負荷損失。實際運行中需要經(jīng)常補充發(fā)電負荷缺額，補償額度不超過電網(wǎng)自身的最大放電功率。以負荷補償為節(jié)點作為研究對象來測試1～10 h 內(nèi)的運行負荷裕度，得到不同自愈控制方法的緊急負荷補償能力，對比結(jié)果如圖4 所示。

緊急負荷補償缺額可以評價負荷補償能力的優(yōu)劣，避免過補充和資源浪費。由圖4 可見，本文系統(tǒng)存在一定的過補償現(xiàn)象，但不存在補償缺額；而其他兩種方法在3～5 h 的時段存在一定的補償缺額，表明這兩種方法的緊急負荷補償不足。結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)急負荷補償能力高，應(yīng)急負荷補償缺額減少，微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性提高，明顯優(yōu)于其他兩種方法。

圖4 緊急負荷補償缺額對比結(jié)果Fig.4 Result of comparison of emergency load compensation gap

3 結(jié)語

本文考慮雙重故障模式進行了微型電網(wǎng)電壓自愈控制系統(tǒng)設(shè)計。通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)與拓撲矩陣，準確、及時地實現(xiàn)故障定位與隔離，采取切負荷措施恢復(fù)故障下微型電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，利用節(jié)點電壓提升策略補償實際發(fā)電負荷差額。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文系統(tǒng)的緊急負荷補償能力較高，負荷裕度的分布較為均衡，可以保障電網(wǎng)負荷運行的穩(wěn)定性。但個別時段出現(xiàn)了過補充，這將是后續(xù)研究的重點，以避免資源浪費。本文所提出的自愈控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)負荷裕度損失較小的條件下微型電網(wǎng)電壓自愈控制的目的，有效維持電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。