基于BGA的配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)方法

吳爭榮, 包新曄, 尹立彬, 梁耀文

(1. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部, 廣州 510623; 2. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司 智能輸配電與智慧能源事業(yè)部, 廣州 510130)

隨著我國電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大,電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越趨復(fù)雜,配電網(wǎng)的停電故障時有發(fā)生,對我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了巨大挑戰(zhàn).故障自恢復(fù)功能是配電網(wǎng)所具備的一種自我調(diào)節(jié)功能,當(dāng)配電網(wǎng)支路發(fā)生故障時,配電網(wǎng)的故障自恢復(fù)功能可以有效提升系統(tǒng)供電的可靠性[1-2].傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般為單向輻射型網(wǎng)絡(luò),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某支路產(chǎn)生故障情況時,首先對網(wǎng)絡(luò)故障點進(jìn)行精準(zhǔn)定位并快速隔離故障;然后迅速恢復(fù)非故障位置的支路網(wǎng)絡(luò)供電,防止由于部分支路故障造成配電網(wǎng)總體網(wǎng)絡(luò)的停電[3-5].

針對配電網(wǎng)故障自恢復(fù)問題,目前已有較多的相關(guān)研究成果.易海川等[6]將開關(guān)對執(zhí)行的開閉操作定義為一個階段,將配電網(wǎng)故障后自恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)視為一種涵蓋多個階段的決策問題.楊麗君等[7]研究得到一種優(yōu)化后的配電網(wǎng)支路交換方法,利用配電網(wǎng)在實際負(fù)荷電流與理想負(fù)荷電流之間的差值來確定工作的分段開關(guān),可以同時在一次操作中動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)個獨立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),有效提升了運(yùn)算效率.Chen等[8]提出一種高效的配電網(wǎng)支路交換方法,通過確定配電網(wǎng)最優(yōu)轉(zhuǎn)移負(fù)荷電流的符號及幅值可實現(xiàn)最大降損的開關(guān)組合,且在配電網(wǎng)的重構(gòu)階段無需采取潮流運(yùn)算,有效提升了運(yùn)算速度.Capitanescu等[9]將BPSO算法與DPSO算法相結(jié)合,提出了混合PSO算法,顯著減少了無效粒子的生成幾率.Li等[10]構(gòu)建了多目標(biāo)約束條件下的配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化模型,通過設(shè)定不同情況下的收斂指標(biāo),有效提升了退火算法的運(yùn)算速度.但隨著當(dāng)前可再生能源技術(shù)的不斷興起與蓬勃發(fā)展,分布式電源(distributed generators,DG)開始大規(guī)模并網(wǎng),其所占的發(fā)電比例越來越高,使得配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生了大幅變化.這不但有效提升了配電網(wǎng)供電效率,也使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性自恢復(fù)算法不再適用于此類分布式配電網(wǎng),從而對配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)研究提出了新的挑戰(zhàn)[11-12].

本文針對現(xiàn)有的分布式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu),提出一種新型的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)支路分組算法(branch grouping algorithm,BGA),旨在有效提升配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)能力.將該算法在IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實驗測試與數(shù)據(jù)分析,從而有針對性地獲取到有效的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略.

1 配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)目標(biāo)與約束

配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)問題有多種解決算法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[13]、遺傳算法[14]和模糊邏輯算法[15]等.這些方法廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)供電恢復(fù)過程中,盡管這些算法可以解決供電恢復(fù)的問題,但大多仍需要遵循相似的目標(biāo)與約束條件.

本文在利用BGA實現(xiàn)配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)時,主要基于以下兩個目標(biāo):

1) 恢復(fù)斷開負(fù)載最大化.這一主要目標(biāo)是最大化恢復(fù)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中斷開的負(fù)載.

2) 交換次數(shù)最小化.由于配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)支路的頻繁交換可能會導(dǎo)致斷電,同時也會影響開關(guān)使用壽命,因此將最小交換次數(shù)設(shè)定為目標(biāo).

除了考慮配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)目標(biāo)外,在解決供電恢復(fù)問題時還需考慮一些約束條件,約束條件包括:1)限制線路電流.配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個支路電流幅值均不應(yīng)超過線路的電流幅值限制.2)線路容量限制.供電恢復(fù)后的網(wǎng)絡(luò)支路視在功率不應(yīng)超過所允許的上限.3)節(jié)點電壓限制.為保障供電可靠性,根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點電壓規(guī)定,必須設(shè)定滿足供電需要的最小節(jié)點電壓.4)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制.為了保證分布式電源并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,配電應(yīng)當(dāng)采取輻射型結(jié)構(gòu).

2 配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)方法

2.1 BGA原理

本文針對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)支路故障,引入了支路分組處理,旨在有效減少供電恢復(fù)處理時間.對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似支路進(jìn)行分組,對同一分組中的所有支路均可采用相似的供電恢復(fù)方案.因此,一個單一支路故障的計算對于同組中的其他支路同樣有效.基于這一假設(shè),只需對網(wǎng)絡(luò)單支路故障進(jìn)行M次運(yùn)算即可,傳統(tǒng)的N節(jié)點配電系統(tǒng)通常需要N-1次運(yùn)算.在方法應(yīng)用過程中,讀取與保存輸入數(shù)據(jù)后,輸入母線和支路數(shù)據(jù),然后將配電網(wǎng)支路分成不同分組.考慮到配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分組內(nèi)任一支路的線路故障恢復(fù)策略都可與同組內(nèi)的其他支路故障恢復(fù)策略相同.算法在執(zhí)行過程中,需要考慮各支路相關(guān)的母線.根據(jù)潮流方向,將支路相關(guān)的母線定義為輸入母線與輸出母線.BGA流程如圖1所示.

圖1 BGA流程圖

算法具體步驟如下:

1) 將配電網(wǎng)中母線、支路與聯(lián)絡(luò)線的潮流數(shù)據(jù)變?yōu)閙at文件格式導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行讀取.

2) 讀取配電網(wǎng)故障時的母線與聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù).

3) 根據(jù)輸入文件中讀取的母線類型,將直接與分布式電源或變電站連接母線相連的支路劃分為饋線組.

4) 對其余的支路進(jìn)行分組,在默認(rèn)情況下考慮的支路是與饋線組直接相連的支路,分組時需要注意以下特殊情況:

① 第2個分組應(yīng)包含具有合并或分離輸出母線所直接連接的兩個及兩個以上支路.若其中一條支路與其他饋線組支路直接相連,則分組終止,該分組不包含該支路.

② 若輸出母線僅有一條相連支路,且該支路不與饋線組直接相連,則可以與未分組的相鄰輸出母線劃分為一組.

③ 若支路均不屬于上述兩種情況,則將相鄰兩支路劃分為一組,分組方式秉持就近且不唯一原則.

分組后,可以求解每個支路發(fā)生故障時的自恢復(fù)策略.找到共同的自恢復(fù)策略后,當(dāng)恢復(fù)發(fā)生時,分組內(nèi)的支路可以采用相同的供電恢復(fù)操作.

2.2 潮流計算

為了找到最優(yōu)自恢復(fù)策略,需要引入牛頓法與聯(lián)絡(luò)線.若某些聯(lián)絡(luò)線直接連接到組內(nèi),則使用牛頓法比較聯(lián)絡(luò)線以解決潮流;若沒有直接的聯(lián)絡(luò)線連接到該組,則考慮最近的聯(lián)絡(luò)線以進(jìn)行下一步的分組.本文僅針對單支路故障情況的單開關(guān)進(jìn)行操作,若未有直接連接到該組的聯(lián)絡(luò)線,考慮引入最近的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行分組劃分.此時配電網(wǎng)自恢復(fù)的潮流約束條件[16]為

∑Fij=-ui

(1)

∑Fij≤Ci

(2)

式中:Fij為支路第i條母線流向第j條母線的功率,且滿足條件Fij=-Fji;ui為第i個負(fù)荷節(jié)點的負(fù)荷量;Ci為第i個電源節(jié)點的容量.

同時設(shè)定饋線容量約束為

-xmPmax≤Fij≤xmPmax

(3)

式中:Pmax為第m條支路最大的載流量;xm為支路通斷狀態(tài),通常用1表示通路,用0表示斷路.xm可表示為

xm=∑Wim+∑Wjm

(4)

式中,Wim與Wjm分別為以第i條母線和第j條母線作為輸入母線與輸出母線,且流經(jīng)第m條支路的供電支路狀態(tài).支路狀態(tài)可分為通斷兩種,在輻射型配電網(wǎng)中,可以將式(4)簡寫為

(5)

式中:M為配電網(wǎng)所包含的支路總數(shù);N為配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的母線總數(shù);NC為電源節(jié)點的數(shù)量.潮流約束條件設(shè)定后,可逐步斷開網(wǎng)絡(luò)中的支路.

3 實驗驗證

本文將基于BGA的配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù)方法應(yīng)用于IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng),基于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),根據(jù)分組原則對網(wǎng)絡(luò)中的支路進(jìn)行分組.理論上配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)包括1條或2條聯(lián)絡(luò)線,且確保配電網(wǎng)具有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).此外,由于配電網(wǎng)在支路故障自恢復(fù)過程中靠近供電電源端的一些節(jié)點可能會產(chǎn)生電壓較低的情況,這需要對供電支路總長度進(jìn)行約束,因此,需要斷開部分聯(lián)絡(luò)線.圖2給出了本文采用的IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),圖中虛線表示聯(lián)絡(luò)線.網(wǎng)絡(luò)支路無故障條件下的默認(rèn)最小節(jié)點電壓為0.910 75 p.u.,默認(rèn)線損為208.459 2 kW.支路分組結(jié)果如表1所示.

表1 IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)支路分組結(jié)果

圖2 IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)

對各支路故障情況進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示.

圖3 IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)不同情況下節(jié)點電壓

1) 當(dāng)支路1發(fā)生故障時,若配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中不包含分布式電源,則唯一不能帶故障運(yùn)行的支路為1號支路.若1號節(jié)點上只有一條饋線,將1號支路隔離作為孤島,則無法實現(xiàn)供電恢復(fù).而其他支路發(fā)生故障時,則幾乎都可以求解得到全部或部分供電恢復(fù)策略.

2) 當(dāng)支路2～5發(fā)生故障時,則需要多根聯(lián)絡(luò)線執(zhí)行多次支路交換,因為單次開關(guān)操作無法恢復(fù)下游部分網(wǎng)絡(luò)供電.

3) 當(dāng)支路8發(fā)生故障并進(jìn)行單次開關(guān)操作以恢復(fù)供電負(fù)荷時,由圖3b可以看出,有23個節(jié)點電壓在限制范圍內(nèi),其他母線未有潮流,因此不作考慮.

4) 當(dāng)支路22、23發(fā)生故障時,某些節(jié)點的母線最低電壓不在限制范圍內(nèi).支路交換后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上游運(yùn)行受所連接的斷電區(qū)域影響,導(dǎo)致出現(xiàn)潮流減小的情況,如圖3c所示.

5) 當(dāng)支路29、30發(fā)生故障時,該分組支路應(yīng)盡量避免與聯(lián)絡(luò)線相連.因為當(dāng)?shù)?6號聯(lián)絡(luò)線供電恢復(fù)時會降低其他組節(jié)點的電壓,則第37條聯(lián)絡(luò)線的連接會在系統(tǒng)中形成一個閉環(huán).若不使用聯(lián)絡(luò)線,支路故障發(fā)生時,第29、30號節(jié)點的母線電壓仍在限制范圍內(nèi).圖3d中總計有30個節(jié)點數(shù)據(jù),這是由于此時第31～33號節(jié)點的母線電壓不滿足電壓限制.

表2是利用聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)單分支故障恢復(fù)的仿真結(jié)果.在未有分布式電源的配電網(wǎng)中,由于支路1是上游供電支路,因此支路1發(fā)生故障時不可能恢復(fù);支路2～5處發(fā)生故障可能無法僅通過一根聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)故障恢復(fù),至少應(yīng)涉及兩次或更多的切換操作;支路8、支路22和支路23故障僅能有23個節(jié)點實現(xiàn)自恢復(fù),其余10個節(jié)點將斷開供電,因此還應(yīng)引入至少2條聯(lián)絡(luò)線,才能夠?qū)崿F(xiàn)恢復(fù)多條或全部受支路故障影響的母線;支路18、支路29、支路30和支路31在恢復(fù)供電時,僅用單根聯(lián)絡(luò)線無法使部分節(jié)點實現(xiàn)故障自恢復(fù),應(yīng)當(dāng)引入兩條聯(lián)絡(luò)線使所有節(jié)點恢復(fù)供電.

表2 IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)支路故障仿真結(jié)果

在表2的第4列中,給出了配電系統(tǒng)的最小節(jié)點電壓.在大多數(shù)故障情況下,故障支路的母線電壓仍能保持在0.9 p.u.以上.第5列表示支路故障發(fā)生后與系統(tǒng)原始功率損耗相比減少的功率損耗.

當(dāng)配電系統(tǒng)中支路30發(fā)生故障時,需要由支路38作為聯(lián)絡(luò)線連接到支路32.由于分布式電源的引入,表1中的第13組需要被拆分為3組:1)第13組,包含支路29與支路31;2)第14組,包含支路32;3)第15組,包含支路38.

相比之下,原有配電系統(tǒng)的最小節(jié)點電壓為0.910 75 p.u.,節(jié)點所在支路的功率損耗為208.459 2 kW;而含分布式電源的配電系統(tǒng)最小節(jié)點電壓為0.934 8 p.u.,節(jié)點所在支路的功率損耗為119.973 6 kW.

當(dāng)支路30發(fā)生故障時,可以不使用聯(lián)絡(luò)線即實現(xiàn)30個節(jié)點的供電恢復(fù);而含分布式電源的配電系統(tǒng)則需引入第36號聯(lián)絡(luò)線,恢復(fù)所有節(jié)點供電.圖4給出了當(dāng)支路30發(fā)生故障時,原有配電系統(tǒng)與含分布式電源的配電系統(tǒng)節(jié)點電壓恢復(fù)情況.在支路30發(fā)生故障后采用BGA對系統(tǒng)支路進(jìn)行重新分組,其中第8組被擴(kuò)充,并且包含支路15、支路16、支路17、支路32和支路36,第14組所包含的支路從支路32更改為支路38.

圖4 支路30故障恢復(fù)后配電系統(tǒng)各節(jié)點電壓

此處以支路30故障恢復(fù)后,支路14再次發(fā)生故障為例進(jìn)行分析.分布式電源的存在使得系統(tǒng)可能形成孤島,然而第34號聯(lián)絡(luò)線的引入使得系統(tǒng)的多數(shù)節(jié)點電壓得到提升,如圖5所示.若支路14形成孤島,則配電系統(tǒng)的最小節(jié)點電壓為0.944 4 p.u.,功率損耗為114.395 0 kW.而聯(lián)絡(luò)線的引入將配電系統(tǒng)最小節(jié)點電壓提高到0.959 7 p.u.,并將功率損耗降低到98.357 8 kW.第二次故障后,BGA對系統(tǒng)進(jìn)行重新分組,第7組不再包含支路14,而支路34加入到第8組.

圖5 含有分布式電源的配電系統(tǒng)各節(jié)點電壓

由以上分析可知,當(dāng)采用BGA后,IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)有62.5%的支路可以完全恢復(fù)供電,僅需單個聯(lián)絡(luò)開關(guān)執(zhí)行一次操作即可.有21.875%的支路可以實現(xiàn)部分恢復(fù)供電,其余支路根據(jù)故障情況的不同,可以通過多種分組方式執(zhí)行供電恢復(fù).

4 結(jié) 論

為了有效實現(xiàn)配電網(wǎng)可靠性自恢復(fù),本文提出一種新的支路分組算法.主要通過執(zhí)行支路故障的離線求解過程,對一個平衡系統(tǒng)中具有恒定負(fù)載的不同支路分組應(yīng)用預(yù)定義的解決方案.這確保了可以使用最小數(shù)量的開關(guān)操作最快實現(xiàn)配電網(wǎng)供電恢復(fù),有效提升了故障發(fā)生時系統(tǒng)的恢復(fù)能力.該方法在IEEE-33節(jié)點系統(tǒng)上進(jìn)行測試,主要目標(biāo)是恢復(fù)最小節(jié)點電壓以滿足用戶需求,多數(shù)的恢復(fù)結(jié)果均是通過聯(lián)絡(luò)線的引入進(jìn)行實現(xiàn)的.同時該方法可以根據(jù)分布式電源的功率大小與位置改變恢復(fù)分組,減少尋找解決方案所需的計算時間,然后將解決方案存儲在系統(tǒng)中,并在發(fā)生故障時采用相應(yīng)的解決方案.下一步,將把該方法在更大規(guī)模的配電系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用,并考慮引入智能算法提升分組效率.