分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)方法研究

張昌俊，王海生，邱劍洪，李琳瑋，呂懿

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 ?？?570100）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)電力環(huán)境提出了更高要求。以往居民或企業(yè)供電均使用不可再生能源，導(dǎo)致電價(jià)較高，影響了人們的正常用電［1］。隨著可再生能源發(fā)電模式的推廣，家家戶戶有電可用已成為現(xiàn)實(shí)。在此大環(huán)境下，集中發(fā)電已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)的電力供應(yīng)需求。因此，分布式配電網(wǎng)的出現(xiàn)在電力企業(yè)供電中起到了至關(guān)重要的作用［2］。

分布式配電網(wǎng)是將集成分配的電力轉(zhuǎn)變?yōu)閱为?dú)使用的電網(wǎng)，將配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)供電的目標(biāo)。此種方式最大的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，將不會(huì)影響大面積停電，其他區(qū)域的電力供給仍可以繼續(xù)，這大大降低了停電發(fā)生的幾率［3］。但分布式配電網(wǎng)的發(fā)展時(shí)間較短，配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，導(dǎo)致外界干擾因素眾多，而使分布式配電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致停電不可避免。為此，該領(lǐng)域研究者針對(duì)停電故障恢復(fù)進(jìn)行了很多的研究。但傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障停電恢復(fù)方法，停電檢修時(shí)間較長(zhǎng)，恢復(fù)時(shí)間較為緩慢，無(wú)法有效地保證居民的用電質(zhì)量。

基于此，本文研究了分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)方法，旨在縮短配電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)用電，為居民與企業(yè)用電提供保證。

1 分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)方法設(shè)計(jì)

1.1 分布式配電網(wǎng)故障特征分析

分布式配電網(wǎng)具有不同的特性，其故障特征也不同。在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，配電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)短暫的隔離現(xiàn)象。分布式配電網(wǎng)會(huì)在此階段向外持續(xù)供電，直至電能消失［4］。在此過(guò)程中，分布式配電網(wǎng)的故障特征可由專業(yè)檢修人員進(jìn)行判斷，但普遍會(huì)出現(xiàn)可控性差、輸出波動(dòng)較小等缺點(diǎn)。當(dāng)失去配電網(wǎng)的支持后，電網(wǎng)電能供給質(zhì)量將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，并容易造成居民用電的安全事故或檢修人員的觸電事故。此外，分布式配電網(wǎng)在隔離時(shí)，電能供給的管理能力會(huì)出現(xiàn)下降，會(huì)脫離電網(wǎng)監(jiān)控范圍，從而難以維持電力供給。本文在提取分布式配電網(wǎng)故障特征的過(guò)程中認(rèn)為，配電網(wǎng)具有靈活性特征、空間分布特征、區(qū)域供電便利條件特征等。

一般情況下，為了保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行，會(huì)在電網(wǎng)與母線之間安裝斷路開關(guān)，通過(guò)斷開電網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)，將電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行切除，從而保證電網(wǎng)的安全檢修［5］。而此種方式在操作的過(guò)程中，可以保證母線在斷開電路后正常使用。因此，配電網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)被打亂，從而提高分布式配電網(wǎng)的恢復(fù)靈活性。

1.2 配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)流程優(yōu)化

為了保證配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)效果，本文在確定了分布式配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)故障停電恢復(fù)流程進(jìn)行優(yōu)化［6］。

首先，提取出分布式配電網(wǎng)供電數(shù)據(jù)，各個(gè)分布區(qū)域的負(fù)荷量與電荷容量均需要精準(zhǔn)把控，由此得出各個(gè)區(qū)域的實(shí)際電壓情況，并最大限度地縮小配電網(wǎng)故障范圍。其次，利用等效負(fù)荷簡(jiǎn)化模塊，處理分布式配電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，標(biāo)記故障停電區(qū)域，在確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷與容量符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷環(huán)境進(jìn)行重新規(guī)劃，從而縮短故障停電時(shí)間。最后，通過(guò)查找停電區(qū)域是否具有分布式配電網(wǎng)，進(jìn)一步縮小停電區(qū)域，對(duì)于停電未恢復(fù)的區(qū)域需要重新規(guī)劃，按照分布式配電網(wǎng)的接入規(guī)則，將斷路開關(guān)進(jìn)行接入，以最少的負(fù)荷提供最大的供電輸出，保證停電后恢復(fù)電能可以正常使用。對(duì)于停電恢復(fù)供電來(lái)講，配電網(wǎng)始終會(huì)遭受到較大的損害，本文以最小損害為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)停電后配電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出理想輸出負(fù)荷公式如下：

式（1）中，Alood為理想輸出負(fù)荷，Upower為停電時(shí)配電網(wǎng)的負(fù)荷，U0為配電網(wǎng)的初始負(fù)荷，Renergy為停電時(shí)配電網(wǎng)的輸出能量。

通過(guò)簡(jiǎn)化配電網(wǎng)的停電負(fù)荷，在停電過(guò)程中形成一個(gè)負(fù)荷約束支路，在此支路中，可以不斷調(diào)試恢復(fù)供電的最佳方案，從而縮短故障停電時(shí)間。

1.3 配電網(wǎng)故障恢復(fù)模型構(gòu)建

在分布式配電網(wǎng)的接入過(guò)程中，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)較多，各個(gè)支路之間的負(fù)荷配置情況存在較大的差距，也就導(dǎo)致停電故障恢復(fù)后電力供給失調(diào)的問(wèn)題［7］。配電網(wǎng)故障恢復(fù)的措施主要包括：在容易出現(xiàn)故障區(qū)域安裝斷路開關(guān)；增加配電網(wǎng)供電節(jié)點(diǎn)接入容量；減少配電網(wǎng)供電節(jié)點(diǎn)接入容量；緩解停電負(fù)荷節(jié)點(diǎn)能量；增加停電負(fù)荷功率；減少停電負(fù)荷功率等。在以上恢復(fù)措施中，傳統(tǒng)方式缺乏大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，恢復(fù)供電的速度始終較為緩慢。

本文考慮到分布式配電網(wǎng)的復(fù)雜情況，將電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行重新界定，通過(guò)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，將配電網(wǎng)故障恢復(fù)模型進(jìn)行重新設(shè)定。該模型的具體簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)故障恢復(fù)簡(jiǎn)化模型

如圖1所示，M與N分別為模型中的配電網(wǎng)故障的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，本文截取M與N節(jié)點(diǎn)為例，將故障類型進(jìn)行劃分，并計(jì)算每個(gè)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)供電所需要的能量。計(jì)算公式如下：

式（2）中，Spower為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)供電所需要的能量，為A支路上需要消耗的最大容量，為A支路上需要消耗的最小容量。本文通過(guò)配電網(wǎng)故障恢復(fù)簡(jiǎn)化模型，將故障節(jié)點(diǎn)中恢復(fù)所需能量進(jìn)行計(jì)算，從而為電網(wǎng)恢復(fù)提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1.4 分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)，本文以縮短停電時(shí)間為研究目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化流程與簡(jiǎn)化模型，對(duì)分布式配電網(wǎng)進(jìn)行深化分析。由于電力恢復(fù)過(guò)程中，根據(jù)電力恢復(fù)效果，可以將負(fù)荷分為三個(gè)等級(jí)。一級(jí)負(fù)荷故障為最嚴(yán)重的故障，會(huì)造成人員傷亡。二級(jí)負(fù)荷故障會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)造成較大的損失。三級(jí)負(fù)荷故障會(huì)影響正常居民或企業(yè)的用電［8］。本文通過(guò)簡(jiǎn)化配電網(wǎng)故障模型，將配電網(wǎng)停電恢復(fù)過(guò)程中需要的負(fù)荷進(jìn)行重新劃分，減少各個(gè)支路上消耗的容量，從而減少恢復(fù)電能所需要的負(fù)荷。在本文設(shè)計(jì)的方法中，分布式配電網(wǎng)與停電故障的區(qū)域會(huì)形成一個(gè)閉環(huán)，此環(huán)以電網(wǎng)突發(fā)故障為運(yùn)行信號(hào)，在不同的支路中存在較多的能量分解元素，可以減少配電網(wǎng)故障檢修出現(xiàn)觸電事故的幾率。為了縮短配電網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間，本文在閉環(huán)中的各個(gè)支路均設(shè)置了斷路開關(guān)，可以在配電網(wǎng)發(fā)生故障的第一瞬間，移除殘余能量，從而快速地恢復(fù)供電，保證居民與企業(yè)的正常用電。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法是否具有實(shí)用效果，本文以X配電網(wǎng)為例，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)方式，將傳統(tǒng)配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法與本文所設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)不同恢復(fù)措施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

X配電網(wǎng)中包含較多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，外部配電網(wǎng)存在較多等效節(jié)點(diǎn)，因此，該區(qū)域的配電網(wǎng)總負(fù)荷為3362kW＋kc614kVar。為了保證該區(qū)域的配電網(wǎng)可以安全運(yùn)行，區(qū)域內(nèi)的配電電壓會(huì)固定在13.12kV左右。實(shí)驗(yàn)開始前，本文在電網(wǎng)中分布式發(fā)電部分，分別接入5、10、20個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)為5時(shí)，容量為700kW，功率因素為0.9；節(jié)點(diǎn)為10時(shí)，容量為5000kW，功率因素為1.0；節(jié)點(diǎn)為 20時(shí)，容量為 700kW，功率因素為0.9。在配電網(wǎng)快速恢復(fù)的過(guò)程中，斷開開關(guān)是最主要的恢復(fù)方式。X配電網(wǎng)存在S1－35個(gè)配電開關(guān)，本文將 S4、S8、S16、S20、S24、S28、S32 等開關(guān)進(jìn)行斷開，并將停電負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為24個(gè)，保證停電過(guò)程中，配電網(wǎng)負(fù)荷總功率在460kW以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的最快恢復(fù)效果。

此外，本文考慮到配電網(wǎng)負(fù)荷等級(jí)，將本次實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段，在第一階段，將電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)置為2，此時(shí)的負(fù)荷等級(jí)為4，負(fù)荷量200kW；在第二階段，將電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)置為4，此時(shí)的負(fù)荷等級(jí)為2，負(fù)荷量160kW；在第三階段，將電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)置為12，此時(shí)的負(fù)荷等級(jí)為4，負(fù)荷量100kW，則能保證總負(fù)荷在460kW左右，最大限度地保證配電網(wǎng)的負(fù)荷情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，本文將傳統(tǒng)配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法的恢復(fù)時(shí)間，與本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表1所示，本文將恢復(fù)措施分為重置開關(guān)、增加節(jié)點(diǎn)接入容量、減少節(jié)點(diǎn)接入容量、停電負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、增加停電負(fù)荷功率、減少停電負(fù)荷功率等6部分。其中，減少節(jié)點(diǎn)接入容量與減少停電負(fù)荷功率的措施，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法恢復(fù)時(shí)間均超過(guò)0.1s，故障停電快速恢復(fù)效果不佳，影響人們的用電正常生活。而本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)快速恢復(fù)方法恢復(fù)時(shí)間均能保證在0.1s以內(nèi)，故障停電快速恢復(fù)效果較好，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

3 結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)電力事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，可再生能源發(fā)電為電力事業(yè)提供了保障，推進(jìn)了電力市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著人們用電量的增加，配電系統(tǒng)越加復(fù)雜，配電網(wǎng)停電故障現(xiàn)象頻發(fā)?；诖?，本文研究了分布式配電網(wǎng)故障停電快速恢復(fù)方法，旨在減少配電網(wǎng)故障，縮短故障停電時(shí)間，為人們生活提供更好服務(wù)。