智能配電網的網絡重構自愈技術

李 冰，韓天博，何瑞文

（1.廣東電網公司珠海供電局，廣東珠海 519000）；2.廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510000）

0 引言

電網自愈的概念最早出自美國電科院（EPRI）與美國能源部于1999 年啟動的“復雜互動系統”研究計劃。1999年，清華大學提出“數字電力系統”概念，此為智能電網的雛形，也為自愈技術打下了仿真技術的基礎。

文獻[1]以“2-3-6”為框架敘述自愈控制的概念和體系；文獻[2]提出了適用于實時控制的配電網供電恢復計算方法；文獻[3]提出了采用自愈速度和供電自愈率指標來評價配電網的自愈能力。

珠海供電局的琴韻變電站將作為廣東電網的“3C 綠色電網”建設試點，其220 kV/20 kV 電壓等級是本地區首次引入20 kV 中壓等級，同時也是珠海智能配電網發展的重要契機。

1 智能配電網的自愈技術的技術需求分析

自愈技術是電網實現智能化的重要手段，目前對電網自愈的研究分成輸電網與配電網兩部分內容。由于發揮的作用、網絡結構與運行方式等有著很大的差異，輸電網與配電網對自愈功能要求也不同。本論文主要針對智能配電網自愈進行研究。

表1 智能化的輸電網和配電網比較

由上述比較可以看出智能配電網區別于輸電網有兩大特點：一是采用輻射型供電方式，二是在智能化過程中強調減少停電時間、杜絕安全越限。

為了實現自愈技術的分布自治性、工況適應性和廣域協調性，智能配電網實現過程由響應層、協調層和決策層組成，單向流程如圖1。反應時間都在秒級或者微秒級，非常迅速。這就需要自愈過程有固定的算法植入到快速仿真中，以決策出最佳的自愈方案。

圖1 智能配電網自愈單向邏輯流程

滿足智能配電網的兩大特點和自愈技術的要求即為本論文的研究目標。

2 網絡重構的優化目標

自愈技術的重要目標之一是故障隔離與恢復。而供電恢復是一個帶約束的多目標優化問題，在故障隔離后，分段開關與聯絡開關的重新配合可看做對電力網絡的重構，由于網絡拓撲結構可能發生多種變化，快速地選擇其中一種結構作為最優方案，能為智能配電網自愈技術發展提供有力的支持。圖2 為網絡重構初始圖：含六條饋線的配網接線。

圖2 含六饋線的配電網絡圖

為了簡略起見，圖2中簡略了各母線。

圖2中編號1～10為分段開關，一般情況下位于閉合狀態。

編號＜1>～＜5>為聯絡開關，一般情況下處于開斷狀態。

對于整個系統的自愈過程而言，優化目標有兩個。一是盡量減少開關的操作。因為操作的次數增加會導致系統穩定性減弱，且可能延誤恢復時間，不利于迅速恢復供電；二是恢復對最多的失電負荷，所謂恢復是指正常供電，即不存在電流越限和電壓越限[4]。

當1和2之間出現了故障，自愈系統會很快做出反應，在短時間斷開分段開關1和2。

在故障隔離的一瞬間，分段2、3、4、7、9五個開關全部失電。自愈的目標是盡量用最優化的方法恢復供電。

基于以上的優化目標，確定自愈系統的評定體系中含有以下兩個因素：

（1）開關的操作次數，用CZ來表示；

（2）未失電區負荷的轉移量，用ZY 來表示，意義為負荷的轉移量與失電總負荷的比值表示。

本論文含有三個重要的指標，會在自愈過程中出現，現闡述如下。

（2）可轉移負荷IK，即分段開關可向該聯絡開關轉移的負荷量。就圖3而言，對于分段開關5而言，可以向聯絡開關＜1>轉移的負荷量是其下游母線集（粗線部分）的負荷總量。

圖3 可轉移負荷的概念闡述圖

圖4 有/無電流越限情況的網絡圖

（3）聯絡開關與發生電壓越限（即超出電壓允許值范圍）的母線之間的電氣距離ZL。需要注意的是，當電壓越下限的時候，某一聯絡開關的ZL應該取電氣距離中的最小值。這是因為此值的設定是為了運用此指標對聯絡開關進行排序，選擇閉合合適的聯絡開關，消除電壓越限。取最小值可以防止電氣距離較小的母線在聯絡開關閉合后越上限。

3 自愈過程的方案選取

第一步是選擇閉合適當的聯絡開關恢復對失電區的供電。

候選開關應該首先考慮支持饋線的聯絡開關。對于饋線F1 來說，饋線F2、F3 和F4 是支持饋線。而饋線F5、F6都是下一級饋線。當分段開關1、2之間發生故障，系統會斷開1、2進行故障隔離。由圖4 中可以看到滿足要求的只有饋線F2、F3、F4。計算三者的最大備用容量IM。由圖4 中可知IM.max=IM.1，其次是開關＜2>。即聯絡開關＜1>的最大備用容量最大。于是選擇閉合＜1>來恢復供電。若出現電流越限，將＜2>也閉合。

第二步是如果以上方案無電壓越限情況，選擇合適的分段開關并斷開。

因為在＜1>、＜2>閉合之后，網絡拓撲發生了變化，不再呈現輻射型供電。這里的分段開關選擇原則如下。

（1）閉合的聯絡開關之間的分段開關，變為聯絡開關，這樣可以保證仍然能是輻射型供電。滿足條件的只有分段開關4、7。

圖5 分段開關7的可轉移負荷

第三步是如果出現了電壓越限，對通過最大/最小電氣距離選擇聯絡開關。如果開關＜1>合上之后出現了電壓越限的現象，那么用ZL對聯絡開關進行排序。如果電壓越下限，即出現值過小的情況時，將ZL.min（假設是＜4>）對應的聯絡開關閉合。若無越限，再斷開聯絡開關向失電區方向的第一個分段開關，以此重回輻射拓撲結構。

第四步，總結經過搜索后的候選方案的集合并選擇最優解。

本實例中可能出現下列幾種方案：閉合開關＜1>，斷開開關4；閉合開關＜1>，斷開開關7；閉合開關1和2，斷開開關4；閉合開關1和2，斷開開關7；閉合開關＜4>，斷開開關9。

這里注意，若此實例中存在電流和電壓同時越限的情況，那么可能需要下一級饋線F3/F5 供電，即考慮閉合聯絡開關＜3>/＜5>。

方案選擇及其條件如表2所示。

表2 網絡重構的方案的選擇原則

若有發生條件相近，出現n 個解的情況，選擇操作次數較少的方案為最優解，以提高恢復供電可靠性。本例并未出現這種情況。

4 小結

本論文采用網絡重構的思想對有故障的電網進行自愈控制。在三個關鍵參數的約束下搜索出最好的恢復供電的方法，最終通過信息采集確定得到的是最優解。算法可由快速仿真軟件進行，在這個過程中可以快速實現最初的優化目標：即減少操作次數和恢復更多的失電負荷。

［1］郭志忠.電網自愈控制方案［J］.電力系統自動化，2005，29（10）：85-88.

［2］楊明皓，黃單舸.配電網供電恢復決策的實時計算方法［J］.電力系統自動化，2000（3）：45-49.

［3］李天友，徐丙垠.智能配電網自愈功能與評價指標［J］.電力系統運行與控制，2010，38（22）：105-108.

［4］萬秋蘭.大電網實現自愈的理論［J］.電力系統自動化，2009，33（17）：29-33.