分布式發電條件下孤島劃分及運行控制的研究

王杰，張振

（1.廣州市供電局，廣東廣州510620；2.廣東省電力設計研究院，廣東廣州510000）

分布式發電系統(DGS)日漸成為滿足負荷增長需求、減少環境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的一種有效途徑。現行的分布式發電(DG)并網規程不允許孤島運行，要求擾動時將DG迅速退出[1]。這在一定程度上保證了電力系統的安全性，卻破壞了DG的正常運行，損害了DG發電商的利益，不利于DG技術的發展[2-3]。

計劃孤島運行是根據分布式電源容量和本地負荷的大小，事先確定合理的孤島區域和孤島運行控制方法，在與系統斷開后，能夠保證小系統的穩定運行[4]。計劃孤島運行是分布式發電系統的一種非常好的故障處理方式，它既充分利用分布式發電對提高供電可靠性的積極作用，又通過合理的規劃和有效的控制避免了分布式發電對電力系統安全穩定的不利影響，可以使電力系統更加高效、可靠地運行。其作為一種提高供電可靠性的重要方式，得到了人們越來越多的關注。

現有的孤島劃分和孤島搜索方式中，文獻[5]主要考慮孤島內功率平衡，而沒有考慮到如何保證孤島內的負荷供電質量；文獻[4]事先的規劃無法預知孤島發生的時間和區域，當孤島發生時，計劃好的孤島區域可能已經偏離了規劃時的情況；文獻[6]提出的基于有根樹的分布式發電孤島搜索，只能應用于輻射狀結構的中低壓配網中，不能適應網絡結構比較復雜的高壓配網和輸電網中；文獻[7-9]則介紹了一種基于有序二元決策技術，分階段在線搜索孤島區域的方法，但輸電網和配電網只在特定地點安裝有解列和同期合閘裝置。

從工程角度系統地討論了孤島劃分及運行控制研究過程中應當解決的關鍵問題，重點介紹了基于預先規劃，動態劃分和多級孤島相結合的孤島劃分控制算法，指出了該方法在計算、求解和運行過程中實際解決的問題，明確地提出了孤島運行安全性評估標準。當DG的比重高時，所提出的算法不僅能使孤島區域內的大部分負荷得到正常供電，而且可以最大限度的保證孤島區域的電能質量和穩定性。在預先規劃和動態劃分中不需要在所有的地方安裝解列和同期合閘裝置。IEEE118配電系統仿真結果證明算法是有效的，能保證孤島系統安全穩定的持續運行，能最大限度保證供電范圍。

1 孤島劃分決策過程

1.1 孤島劃分的關鍵問題

孤島劃分及運行控制是一個非常復雜的綜合性課題，它幾乎涉及到電力系統穩定控制和電力系統繼電保護領域內的所有研究方向。電力系統中，實現孤島運行首先要滿足4個必要條件：（1）電力平衡約束，即島內功率基本平衡；（2）傳輸線和變壓器安全約束，即島內各線路及設備的負荷應在穩態安全約束范圍內；（3）母線電壓不越限，即孤島內母線電壓應該在限定范圍內；（4）切除的負載個數最少，即如果孤島功率不平衡，需切除負載個數應該最少。

電力系統中需要形成孤島的原因有重要輸電線跳閘，重要的發電設備故障，系統內受到大的擾動等。如1965年至2003年發生在北美大停電事故，多數是由上述原因造成的。當DG容量較大，而公共電網容量裕度不足，難以為全部失電區恢復供電時，DG在給當地用戶供電的基礎上，還可根據自身的容量裕度給饋線上的其他負荷供電。為了便于大容量的DG在孤島情況下給公共電網供電，大容量的DG應該裝設在高壓配網或者輸電網，小容量的DG可以采用就近原則，靠近負載安裝。為提高供電可靠性，DG應帶起盡可能多的負荷。同時故障時形成的孤島數目越少，越便于操作，有利于故障恢復。所以為了提高供電可靠性，解列時應形成最大范圍的DG孤島。

文獻[10]中介紹了3種典型的孤島運行模式，其中最經濟的是多用戶孤島運行模式。該模式的核心思想是：故障發生后，DG在給當地用戶供電的基礎上，還可根據自身的容量裕度給饋線上的其他負荷供電。

輸電網是220kV以上，主要采用網狀結構；高壓配電網是110kV，主要采用網狀和輻射狀結構；中壓配網35～10kV和低壓配網0.4kV，主要采用輻射狀結構。在配電網和輸電網中，不是所有線路和裝置上都安裝有解列和同期合閘裝置，單一的孤島動態劃分，不利于孤島同期并網。配網中調頻和調壓能力有限，以中低壓配網形成的孤島不能保證系統穩定運行和提供符合用戶要求電能。

由此可見對于孤島劃分，不能采用單一的動態劃分方法和只以中低壓配網形成孤島，需要采用多種劃分方式和保證系統穩定可靠運行，盡最大可能提供用戶高質量的電能。

1.2 孤島劃分的求解思路

本文介紹的孤島劃分控制算法是基于預先規劃，動態劃分和多級孤島相結合的一種孤島劃分方法。該思路在求解過程中分為2個階段，第1階段即預先規劃，在系統正常運行的情況下，主要對網絡運行數據，采用穩定分析結果和圖論方法，確定將來系統發生故障后孤島的邊界點，希望得到最大范圍的孤島和后續的動態劃分時切除最少的負荷。第2階段即動態劃分，系統需要在孤島狀態下運行時，主要分析潮流計算結果，采用負荷節點賦權方法，找到合適的減載點或切DG點，希望解決孤島內功率不平衡、線路設備過載和母線電壓越限等問題，為用戶提供可靠的電能。這種思路第1階段主要采用離線計算，它是對系統的規劃，可以采用任何可行的電力網絡模型描述方法，充分利用現有豐富的圖論算法，在計算速度上并不影響后續動態孤島劃分。第2階段主要采用在線計算，采用現有的各種快速潮流計算方法加速搜索速度，可以將第2階段的計算開銷降低到一個完全可以接受的水平上。

采用離線和在線相結合的劃分方法，盡量地縮小孤島劃分決策的時間和縮小搜索空間。

2 孤島運行安全性評估標準

（1）孤島內功率平衡

這一約束要求解列后形成的孤島必須滿足發電和負荷的基本平衡。系統中無功不允許長距離傳輸，線路上無功的傳輸，會增加有功的損耗，無功一般都是在本地進行補償。孤島劃分時只考慮有功平衡，因此在孤島內（Gi∈V）發電機發出的有功必須大于孤島內（Lj∈V）負荷需求的有功：

式中：PGi是發電量；PLj是負載的用電量。

（2）線路和變壓器負載電流不越限

這一約束要求解列后形成的孤島必須滿足線路和變壓器負載電流不超過設備的額定電流，孤島中為了帶起盡可能多的負荷，有功功率的余額很小。任何一條線路和一臺變壓器上流過電流超過額定電流，都有可能引起保護的動作把線路和設備退出運行，該線路的潮流將由其他支路分流，可能引起線路和變壓器的級聯跳閘事故和孤島系統功率的再次不平衡。

式中：Imax是線路和變壓器上的最大電流；Irated是線路和變壓器上的額定電流。

（3）母線電壓不越限

電壓過高時，對長期帶電的繼電器、指示燈容易過熱或損壞。電壓過低時，可能造成開關、保護的動作不可靠。允許范圍一般是±10%。6kV母線電壓過低會使接在該母線的電動機電流增大，使電動機繞組發熱，溫度上升，如果電壓嚴重過低，會使電流劇烈上升，導致繞組嚴重過熱而燒毀電動機。文中允許范圍是±5%，如下式所示：

式中：Vi是母線實時電壓；Vrated是母線額定電壓。

（4）切除的負載個數最少

為提高供電可靠性，DG應帶起盡可能多的負荷，并保證孤島內功率平衡。切除的負載個數最少，希望使DG給電網反饋電能，能有更多的用戶的在孤島狀態時仍然能正常工作。此外切除的負載個數越少，越有助于系統故障排除后，孤島同期并網和切除的負載重新供電。采用負荷節點賦權方法，其中權值主要有停電損失度參數，負荷等級屬性，負荷節點功率大小情況綜合求出，依此找到合適的減載點。

式中：系統中有i=1，…，n個負載點；若第i個點保留，則令fi=0；若第i個點切除，則fi=1。

（5）易于恢復

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孤島運行是一種非正常狀態的系統運行方式，系統解列的方式必須易于系統的恢復，應選取那些形成孤島數目比較少，越便于操作，有利于故障恢復。在配電網和輸電網中，不是所有線路和裝置上都安裝有同期合閘裝置，選擇安裝有同期合閘裝置的線路作為孤島的邊界點，這樣有利于系統故障排除后，能快速的并網。

3 孤島劃分算法和運行控制流程

3.1 預先規劃（預先設定區域邊界）

通過對配電系統的數學建模，很多電力系統問題都可以轉化為數學優化問題。孤島劃分是一個帶有約束條件的組合優化問題。提出的孤島劃分算法，其中的預先規劃基于全網的系統信息，采用N-1故障分析和圖論算法，得到主要的區域邊界點和區域劃分方案。算法具體描述如下：

（1）首先采集系統信息，進行潮流計算，得到全系統的電壓，潮流分布，負荷等信息。

（2）利用系統信息，進行N-1分析，找到當故障時系統中會過載的主要線路，形成一個N-1過載線路列表。

（3）根據過載線路列表，并結合圖論算法，找出以過載線路為主的區域邊界點。選取列表中的一條線路，以此線路為核心，尋找那些斷開線路最少，就可以把系統分成互不關聯的兩部分（這樣的獨立部分，本文稱為區域，和本文的孤島是不同的）。這樣形成的一組線路稱為一個割集。

（4）重復執行步驟（3），直至搜索完過載線路列表中所有線路。形成一個割集列表。

（5）按割集列表中的所有割集，形成所有可能的劃分方案。把這些方案按區域個數升序排列。

（6）依次選取步驟（5）中的方案，根據區域中發電機額定容量和負荷平均值，計算各區域中的功率缺額，如果功率缺額大于設定值，則重新選擇步驟（5）中的劃分方案。如果功率缺額小于設定值，則執行步驟（7）。

（7）保存選則的區域劃分方案，最終確定預先規劃策略。

執行完以上算法，最終形成的區域劃分方案，就是電網故障后的孤島預先規劃策略。在系統需要在孤島狀態下運行時，可以有選擇的斷開預先設定好的邊界點，不需要斷開所有的邊界點，這樣可以保證孤島的數目在特定的故障情況下是最少的。

雖然是預先規劃，不需要在所有線路上裝設解列和同期合閘裝置，但是當需要和條件允許的情況下，也就是在系統中可以多裝設解列和同期合閘裝置時，可以根據不同的運行情況設置多套邊界點方案。比如在夏季用電高峰期設置一套方案，在冬季設置另一套方案。這樣兩套方案可以滿足由于負荷和發電量發生變化的情況，邊界設置點不夠靈活的缺點。

采用此方法確定區域邊界的優點在于：（1）不需要在所有線路上裝設解列和同期合閘裝置；（2）確保孤島數目最少；（3）系統需要在孤島狀態下運行時，可以根據預先設定好的邊界點解列，保證了速動性。

3.2 動態劃分

基于預先劃分后設置的區域邊界，在系統需要孤島狀態下運行時，有選擇的解列系統形成孤島。得到的孤島其中功率不平衡和運行狀態很不穩定，在此就要采用動態的孤島劃分方法，對孤島進行運行控制。如何切除多余的負載是保證孤島內功率平衡的關鍵問題。算法具體描述如下：

（1）檢測系統情況。控制中心對系統運行狀態進行評估，如果必要，則采取孤島運行方案。如需孤島運行，則繼續執行步驟（2）（由于篇幅有限，具體對系統的評估方法，并不是本文討論的重點）。

（2）根據控制中心的評估，確定故障的情況。在確定好預先規劃策略中尋找合適的區域組合形成孤島。其中主要是以故障區域單獨形成孤島，故障區域以外，可以連通形成其他孤島運行。

（3）依次確定由步驟（2）形成每個孤島的運行控制策略。

（4）選擇步驟（3）中的一個孤島，按實時信息計算孤島內的功率缺額；按式（5）計算孤島內所有負荷的權值，并按降序排列。

式中：i*是所要求的負載點；arg max表示尋找具有最大評分的參量；Li是負荷的大小，大的負荷優先被切除，主要是因為保證切除的負荷個數最少，利于故障恢復后的并網；αi是負荷i的負荷等級屬性，本文中把負荷等級分為第一、二、三類對應值為1，10，100，負荷等級越低，被切除的優先級越高；βi是停電損失度參數，對不同等級的負荷單元區分度越大，越能體現重要負荷在權值函數中的重要性。

（5）在孤島中按權值從大到小選擇負荷作為減載點，直至△P為負。

（6）檢驗孤島中是否滿足線路約束和母線電壓是否越限。如果不滿足，則重新執行步驟（5）。

（7）檢查是否完成所有孤島的運行策略，如果沒有全部完成，則再次執行步驟（4）。

（8）最終確定全部孤島運行控制策略。

在本文中不考慮孤島內發電機發出的有功功率大于負荷消耗的有功功率，因為這種情況可以使用上述方法同樣處理。

用此方法進行動態劃分的優點在于：（1）切除負載的個數最少，利于故障恢復后的并網；（2）切除等級最低的負荷，保證重要負荷的供電；（3）進行潮流計算，校驗孤島內的電氣量，保證孤島的可靠運行。

3.3 多級孤島

以上述3.1形成的孤島稱為一級孤島。在硬件設備允許的條件下，可以在采用3.1中所述的方法預先設定的孤島邊界點內，再次使用3.1中的方法設定新的更小范圍的孤島邊界點，這樣形成的孤島稱為二級孤島。在每一個二級孤島中可以使用3.2介紹的方法，對孤島運行進行控制，保證孤島運行的可靠性和供電質量。根據系統的規模，如果需要，可以按此方法形成多級嵌套的孤島。對于復雜和規模比較大的網絡來說，多級孤島可以有效的保證系統的運行可靠性和靈活性。

孤島劃分及運行控制流程見圖1。

4 仿真算例

對于規模比較大的電網，會發生很多偶然性的故障，但其中只有很小部分嚴重故障會引起系統需要在孤島情況下運行。文獻[11]中定義了13種嚴重故障，會引起系統的級聯故障，最終可能導致系統的大范圍停電。由于篇幅有限，本文只選取其中的2例。

IEEE118節點測試系統，主要用于測試系統的級聯故障，其中一共有118條母線，179條支路，平衡節點為母線69。在IEEE118系統中本來就有小容量的發電機，可以把他們作為接入系統的DG，作為算例來驗證本文孤島劃分及運行控制方法。DG接入點和容量如表1所示。按照4.1的方法，得到預先設定的邊界點如表2所示，把整個電網劃分為A，B，C三個區域（見圖2）。

表1 DG接入點和容量

表2 IEEE118預先設定的邊界點

4.1 線路26-30斷開

在區域A中，線路26-30傳輸了大量的功率，當線路26-30斷開后，線路上的功率將靠相鄰的其他線路來傳輸。線路22-23，23-24，23-25，25-26，25-27將用來分流線路26-30斷開前傳輸的功率。其中線路23-25和線路25-26上流過的負荷電流達到額定電流的118%，這會使得繼保設備動作切除這兩條線路，繼而引起區域A大面積停電。在這種情況下采取孤島運行，A區作為單獨的一個孤島，B-C區連接起來作為另一個孤島運行。A區中發出的有功大于系統中負荷消耗的有功，孤島A能夠穩定運行；孤島B-C中發出的有功為3307MW，消耗的有功為3393 .1MW，按照4.2介紹的方法切除母線49處的負荷87MW，孤島A和孤島B-C都能穩定運行，并且所有節點電壓不越限。對于整個系統，減載率只有2.01%，形成孤島只有2個，斷開線路4條，相對原來會引起區域A停電來說，孤島運行可以帶起盡可能多的負荷，將損失降低到最小。

4.2 線路64-65斷開

在區域B中，線路64-65傳輸了大量的功率，當線路64-65斷開后，線路上的功率將靠相鄰的其他線路來傳輸，這也是系統所有線路中，斷開后影響最大的一條支路。線路37-38，38-65，49-50，49-66，50-57，62-66，62-67，65-68，66-67，68-69將用來分流線路64-65斷開前傳輸的功率。其中6條線路將超過額定電流，線路37-38上流過的負荷電流達到額定電流的110%，線路49-51和62-66上流過的負荷電流達到額定電流的111%，線路65-68上流過的負荷電流達到額定電流的118%，線路66-67上流過的負荷電流達到額定電流的115%，線路68-69上流過的負荷電流達到額定電流的125%，這會使得繼保設備動作切除這6條線路，繼而引起整個系統的面積停電。把區域A，B，C獨立開來，作為3個孤島運行，其中孤島A和孤島C中發出的有功大于系統中負荷消耗的有功，能夠穩定運行。孤島B中發出的有功為1689MW，消耗的有功為2033.1MW，按照4.2介紹的方法切除母線59處的負荷277MW和母線62處的負荷77MW，孤島A，B，C都能穩定運行，并且所有節點電壓不越限。對于整個系統，減載率只有8.05%，形成孤島有3個，斷開線路9條，相對原來會引起整個系統停電來說，孤島運行可以帶起盡可能多的負荷，將損失降低到最小。

5 結束語

合理的計劃孤島可以充分地利用DG的發電能力，實現孤島模式與并網模式間的無縫轉換，提高供電可靠性。本文根據不同等級的電網結構特點，從工程角度系統地討論了孤島劃分及運行控制研究過程中應當解決的關鍵問題，重點介紹了基于預先規劃，動態劃分和多級孤島相結合的孤島劃分控制算法，指出了該方法在計算、求解和運行過程中實際解決的問題，明確地提出了孤島運行安全性評估標準。在預先規劃過程中，保證孤島的數目在特定的故障情況下是最少的，也不需要在所有線路上裝設解列和同期合閘裝置；在動態劃分過程中，保證重要負荷的供電和切除負載的個數最少。孤島劃分算法及運行控制方法，能適應更復雜的網絡結構。以預先規劃和動態劃分相結合，可以適應時變的系統運行情況。最終用的校驗方法可保證用戶得到高質量的電能。根據文中方法確定多用戶孤島的范圍，是以最小的代價換取了孤島系統的穩定運行。

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