基于多種故障場景的柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究

摘""要：在現(xiàn)代電力系統(tǒng)體系中，低壓配電網(wǎng)作為市場電力供應(yīng)的主體，保障其運行穩(wěn)定性尤為重要。但是，受到內(nèi)外部因素影響，低壓配電網(wǎng)運行期間可能會產(chǎn)生各類故障情況，如變壓器故障、線路故障等等，嚴(yán)重影響電力供應(yīng)質(zhì)量和可靠性。為了保障配電網(wǎng)故障的恢復(fù)能力，柔性互聯(lián)技術(shù)應(yīng)運而生。通過分析柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)的含義，提出了故障恢復(fù)技術(shù)原理與模型算法，并探究在多故障場景下柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)措施，包括變壓器N-1故障場景、線路故障場景、分布式電源故障場景等，旨在保障低壓配電網(wǎng)運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：多故障場景""柔性互聯(lián)網(wǎng)""低壓配電網(wǎng)""故障恢復(fù)

中圖分類號：TM73

Research"on"the"Application"of"Fault"Recovery"Technology"for"Flexible"Interconnected"Low-Voltage"Distribution"Network"Based"on"Multiple"Fault"Scenarios

WANG"Haifeng

Yizhuang"Power"Supply"Company"of"State"Grid"Beijing"Electric"Power"Company，"Beijing，""100176"China

Abstract："In"the"modern"power"system，"the"low-voltage"distribution"network，"as"the"main"body"of"market"power"supply，"ensuring"its"operationalnbsp;stability"is"particularly"important."However，"due"to"internal"and"external"factors，"various"types"of"faults"may"occur"during"the"operation"of"low-voltage"distribution"networks，"such"as"transformer"faults，"line"faults，"etc.，"seriously"affecting"the"quality"and"reliability"of"power"supply."In"order"to"ensure"the"recovery"ability"of"distribution"network"faults，"flexible"interconnection"technology"has"emerged."By"analyzing"the"meaning"of"flexible"interconnected"low-voltage"distribution"network，"this"paper"proposes"the"principles"and"model"algorithms"of"fault"recovery"technology，"and"explores"the"fault"recovery"measures"of"flexible"interconnected"low-voltage"distribution"network"in"multiple"fault"scenarios，"including"transformer"N-1"fault"scenario，"line"fault"scenario，"distributed"power"supply"fault"scenario，"etc.，"aiming"to"ensure"the"reliability"of"low-voltage"distribution"network"operation.

Key"Words："Multiple"fault"scenarios;"Flexible"Internet;"Low-voltage"distribution"network;"Fault"recovery

在當(dāng)今社會，電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性對于各行各業(yè)的正常運轉(zhuǎn)以及人們的日常生活至關(guān)重要。低壓配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的最后一環(huán)，直接與用戶相連，其運行狀況直接影響著用戶的用電體驗。然而，由于各種內(nèi)外部因素，低壓配電網(wǎng)可能會遭遇多種故障，如短路、斷路、設(shè)備老化等，這些故障不僅會影響電力的正常供應(yīng)，還可能對電力設(shè)備造成嚴(yán)重損壞。為了應(yīng)對這些故障，提高低壓配電網(wǎng)的恢復(fù)能力，柔性互聯(lián)技術(shù)逐漸成為研究的熱點。

1""柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)相關(guān)闡述

柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)是指將傳統(tǒng)剛性連接轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活可控的電力互聯(lián)方法的新型配電網(wǎng)架構(gòu)。系統(tǒng)主要采用了智能軟開關(guān)（Soft"Open"Point，SOP）等電力電子變流器設(shè)備，從而精準(zhǔn)控制、靈活調(diào)配電力潮流[1]。相比傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)，柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)具有諸多優(yōu)勢，其主要表現(xiàn)為以下幾點：（1）可快速實現(xiàn)無功率補償，保障電能供給質(zhì)量，降低電壓波動與閃變概率；（2）通過靈活調(diào)控有功功率，有效降低網(wǎng)絡(luò)損耗系數(shù)，讓能源利用率得到進一步提升；（3）面對故障情況時，其具備的快速功率轉(zhuǎn)移、負荷均衡能力可縮短停電所需時間，讓供電可靠性得到進一步提升。

2""故障恢復(fù)技術(shù)原理與模型算法

2.1""恢復(fù)技術(shù)原理

電力電子變流器的快速響應(yīng)、智能監(jiān)測與診斷以及優(yōu)化控制策略的協(xié)同作用，柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)能夠在故障發(fā)生后迅速、準(zhǔn)確地進行恢復(fù)，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性。

2.1.1""電力電子變流器快速響應(yīng)

以SOP為例，該設(shè)備采用了IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的變流器結(jié)構(gòu)。一旦產(chǎn)生故障問題，IGBT可在非常短的時間內(nèi)完成開關(guān)動作，實現(xiàn)輸出電壓、電流的快速調(diào)節(jié)。例如：在低壓配電網(wǎng)中發(fā)生了短路故障，此時電流瞬間增大超過正常電流的數(shù)倍，"SOP可在"50"ms內(nèi)做出響應(yīng)，啟動開關(guān)限制輸出電流，將其降至安全范圍內(nèi)，以免故障問題進一步擴大[2]。

2.1.2""智能監(jiān)測與診斷

在配電網(wǎng)中布置相應(yīng)的傳感器，如電流互感器、電壓互感器、智能電表等，從而實時監(jiān)測電網(wǎng)運輸數(shù)據(jù)信息，如電壓、電流、功率因數(shù)等等，采樣頻率可達到每秒千百次。在監(jiān)測系統(tǒng)中，目前新型的電流互感器測量精度可達到0.5級，即便是微小的電流變化也可以被檢測。將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給中央控制單元，借助智能數(shù)據(jù)分析算法，如深度學(xué)習(xí)故障診斷模型，實時分析和處理數(shù)據(jù)。將實時采集數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行對比，系統(tǒng)可在幾毫秒內(nèi)判斷故障的具體位置和類型。例如：某個智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)對100個節(jié)點低壓配電網(wǎng)實時監(jiān)測，僅10"ms就診斷出線路絕緣老化造成的間歇性短路問題。

2.1.3""優(yōu)化控制策略

一旦低壓配電網(wǎng)發(fā)生故障情況后，系統(tǒng)綜合各類因素提出控制策略，包括設(shè)備容量、電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)、負荷情況、系統(tǒng)優(yōu)先級等，從而得出最佳功率轉(zhuǎn)移路徑、負荷恢復(fù)順序。例如某個低壓配電網(wǎng)中包含多個電源以及復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)，一旦某個區(qū)域因為系統(tǒng)故障導(dǎo)致停電問題，控制策略會率先評定每個電源剩余容量、供電距離，并根據(jù)負荷重要性確定恢復(fù)順序、制定功率分配方案，如醫(yī)院、通信基站的優(yōu)先恢復(fù)權(quán)重就很高。假設(shè)某個場景中因為系統(tǒng)故障造成500"kW負荷停電，通過對控制策略展開優(yōu)化，可在1"min內(nèi)恢復(fù)400"kW重要負荷供電，并在之后的5"min逐步恢復(fù)其余的負荷供電，最大程度上減少故障問題帶來的影響。

2.2""故障恢復(fù)模型與算法

2.2.1""建立故障恢復(fù)模型

建立故障恢復(fù)模型主要考慮恢復(fù)供電的快速性、可靠性、經(jīng)濟性等因素?？煽啃苑矫?，以最大化恢復(fù)負荷量為指標(biāo)，如某個小型低壓配電網(wǎng)總負荷量為1"000"kW，則故障恢復(fù)目標(biāo)為至少恢復(fù)80%負荷，也就是在800"kW以上?？焖傩灾饕w現(xiàn)為最短時間內(nèi)完成目標(biāo)恢復(fù)，如要求在30"min內(nèi)完成負荷恢復(fù)。經(jīng)濟性是指降低功率損耗、減少設(shè)備操作次數(shù)等，如SOP每次操作都會產(chǎn)生成本，因此要限制其操作次數(shù)[3]。

此外，模型還要眾多約束條件，如設(shè)備參數(shù)、拓撲結(jié)構(gòu)、負荷特性等方面。如線路傳輸功率限制，某條線路最大傳輸功率為200"kW，因此不得超過該限制參數(shù)。還包括SOP容量約束、電壓約束等等。

2.2.2""求解算法

啟發(fā)式算法在故障恢復(fù)模型中有著廣泛應(yīng)用，包括蟻群算法等。例如：某低壓配電網(wǎng)有50個節(jié)點，采用蟻群算法可以模擬螞蟻路徑上釋放信息素的方式尋求最優(yōu)解。在數(shù)據(jù)生成之處，隨機生成一組可恢復(fù)方案，根據(jù)方案綜合效益對其信息濃度更新，在多次迭代后，將算法逐步收斂成為較為優(yōu)秀的解。在應(yīng)用當(dāng)中，一旦超過100次迭代即可找到滿足大部分約束條件的解，可恢復(fù)目標(biāo)負荷量且恢復(fù)時間不會很長。

啟發(fā)式算法，如粒子群優(yōu)化算法，是模擬鳥類覓食行為，在解空間中由離子搜索的方式獲取最優(yōu)解（或較為優(yōu)秀的解）。對于多個分布式電源的低壓配電網(wǎng)，粒子群優(yōu)化算法可以快速找到功率分配的最優(yōu)方案。

精準(zhǔn)算法，如混合整數(shù)線性規(guī)劃可確保找到最優(yōu)解，但該方法計算周期更長，在規(guī)模小的電網(wǎng)中更加適用。如某個低壓配電網(wǎng)有20個節(jié)點，使用"MILP"求解故障恢復(fù)模型，在計算機性能較好的情況下，可能需要幾分鐘甚至幾十分鐘才能得到最優(yōu)解，但該解能夠在滿足所有約束條件的前提下，實現(xiàn)最大的負荷恢復(fù)量和最小的恢復(fù)時間[4]。

2.2.3""模型驗證與改進

為了提高模型的準(zhǔn)確性和實用性，還需要通過實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)或仿真實驗對建立的模型和算法進行驗證。例如：利用實際的故障記錄和電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)對模型進行測試，對比模型預(yù)測的恢復(fù)方案與實際采取的恢復(fù)措施，不斷調(diào)整和優(yōu)化模型的參數(shù)和算法。

3""故障恢復(fù)措施

3.1""變壓器N-1故障場景

N-1故障是指某一臺變壓器產(chǎn)生故障問題后，直接影響配電網(wǎng)正常運行。在此情況下，無故障的變壓器可能會存在過載運行風(fēng)險，威脅到電網(wǎng)運行可靠性。采用柔性互聯(lián)技術(shù)，如采用SOP重新分配功率，即可將部分負荷轉(zhuǎn)移給其他區(qū)域，避免為故障變壓器運載負擔(dān)過大。

例如：某個柔性互聯(lián)臺區(qū)有2個變壓器，在正常運行中B1和B2變壓器分別承擔(dān)50%的電網(wǎng)負荷。一旦B1出現(xiàn)故障情況，即可通過控制SOP的方式將B1供電部分負荷轉(zhuǎn)移給B2所在區(qū)域或者其他與SOP連接的區(qū)域。具體要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行約束、SOP容量、各區(qū)域負荷重要性等因素確定轉(zhuǎn)移負荷量。

3.2""變壓器N-2故障場景

相比N-1情況，N-2故障則更為嚴(yán)重，即2臺變壓器出現(xiàn)故障情況。在此故障情況下，僅憑借傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)、備用變壓器手段已經(jīng)無法滿足負荷供電需求，此時就提出了柔性互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，通過合理協(xié)調(diào)SOP和配電站內(nèi)母聯(lián)開關(guān)動作，即可調(diào)配大范圍功率[5]。

例如：某配電網(wǎng)由多個臺區(qū)通過柔性互聯(lián)構(gòu)成，即便其中有2個臺區(qū)變壓器產(chǎn)生故障無法運行，也可借助SOP和其他臺區(qū)變壓器，優(yōu)先恢復(fù)故障臺區(qū)重要負荷。同時，根據(jù)負荷優(yōu)先級、可中斷性，科學(xué)制定負荷削減方案，從而保障配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

3.3""線路故障場景

線路故障也會導(dǎo)致部分區(qū)域停電，影響供電的可靠性。借助柔性互聯(lián)技術(shù)，改變SOP功率輸出從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)潮流分布、繞過故障線路、停電區(qū)域恢復(fù)供電等目標(biāo)。

例如：配電網(wǎng)中某條線路產(chǎn)生永久性故障，借助SOP可增加與故障線路并聯(lián)的其他線路功率傳輸，為停電區(qū)域提供電能。也可以調(diào)節(jié)和故障區(qū)域連接的其他線路潮流，為受到線路故障影響的區(qū)域提供電能輸送。假設(shè)某柔性互聯(lián)配電網(wǎng)中包含10條線路，其中某一條線路故障導(dǎo)致500"kW負荷停電，通過調(diào)節(jié)SOP的方法增加相鄰線路功率400"kW，并結(jié)合其他區(qū)域功率調(diào)配，從而恢復(fù)450"kW負荷供電，將停電損失降低。

3.4""分布式電源故障場景

近些年分布式電源接入數(shù)量逐年增多，其故障問題對配電網(wǎng)產(chǎn)生了更大的影響。分布式電源故障可能會造成局部功率缺額。采用柔性互聯(lián)技術(shù)即可對其他區(qū)域功率輸入、SOP輸出進行快速調(diào)節(jié)，彌補分布式電源故障造成的功率缺失，保持系統(tǒng)功率的平衡性。

例如：某柔性互聯(lián)配電網(wǎng)中接入了多個分布式電源，其中某個300"kW分布式電源產(chǎn)生了故障，此時SOP快速響應(yīng)，增加從其他區(qū)域輸入的200"kW功率，對周邊分布式電源出力進行調(diào)節(jié)，有效補充了系統(tǒng)功率缺額，確保負荷供電的穩(wěn)定性[6]。

3.5""多重故障場景

在配電網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)多種故障類型，供電恢復(fù)難度非常大。采用柔性互聯(lián)技術(shù)在一定程度上可解決此類問題。通過協(xié)調(diào)SOP、母聯(lián)開關(guān)、分布式電源等設(shè)備，制訂更具針對性的故障恢復(fù)策略方案。

例如：在一個既有變壓器"N-1"故障又有某條線路故障的場景中，首先根據(jù)變壓器故障情況進行負荷轉(zhuǎn)移和調(diào)整，然后針對線路故障，利用"SOP"和其他正常線路進行再分配。通過這種協(xié)同恢復(fù)策略，最大限度地減少停電范圍和時間，提高系統(tǒng)的整體恢復(fù)效果。

4""結(jié)語

綜上所述，基于多種故障場景的柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)技術(shù)是提高配電網(wǎng)供電可靠性的有效手段，靈活應(yīng)用該技術(shù)可應(yīng)對多種故障場景下的各類故障情況。未來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，SOP"等柔性互聯(lián)設(shè)備的性能將進一步提升，成本也將逐漸下降。同時，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用將為故障恢復(fù)策略的優(yōu)化提供更強大的支持，實現(xiàn)更加智能、快速和準(zhǔn)確的故障恢復(fù)。

參考文獻

[1]"沈興杰，陳沛，高群，等.考慮多種故障場景的柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法[J].機械與電子，2024，42（3）："17-25.

[2]"梅軍，張丙天，朱鵬飛，等.基于故障電流主動控制的柔性直流配電網(wǎng)故障定位方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（24）：133-141.

[3]"黃代雄，汪志軍，袁俑斌，等.考慮多源協(xié)同的主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略[J].高壓電器，2024，60（2）："210-215，222.

[4]"徐展鵬，梁遠升，李海鋒，等.柔性互聯(lián)配電網(wǎng)故障恢復(fù)的云邊協(xié)同優(yōu)化算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2023，47（18）：171-184.

[5]"李佳林.柔性直流電網(wǎng)線路故障限流及恢復(fù)方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

[6]"陳瑋.新能源背景下的主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2020.