含風力發(fā)電的配電網(wǎng)計劃孤島搜索方法

尹 專，劉天琪，江東林，晏小彬，周曉燕

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

含風力發(fā)電的配電網(wǎng)計劃孤島搜索方法

尹 專，劉天琪，江東林，晏小彬，周曉燕

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

為解決含風力發(fā)電配電網(wǎng)故障時的孤島劃分問題，實行離線制定重要負荷備選供電路徑與在線搜索孤島相結(jié)合的孤島劃分策略。在備選供電路徑時考慮儲能電池以確保形成孤島時對重要負荷持續(xù)穩(wěn)定地供電；在線搜索時則結(jié)合備選路徑與風機實時出力情況，搜索形成的孤島能夠滿足功率約束并最大程度保證負荷供電，減少停電損失。搜索模型求解中利用易于編程的生成最小樹算法，最后通過美國PG&E69節(jié)點系統(tǒng)進行分析，結(jié)果證明該方法可行有效。

配電網(wǎng)；分布式電源；風力發(fā)電；計劃孤島；儲能電池

分布式電源DG（distributed generation）具有能源利用率高、環(huán)境友好及能利用可再生能源的優(yōu)點[1]，隨著其相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，分布式發(fā)電技術(shù)正得到越來越廣泛的應用。含分布式電源的配網(wǎng)已經(jīng)開始發(fā)展，將分布式電源作為支撐，在孤島運行時保證負荷供電，提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、可靠性和安全性[2-5]。

根據(jù)IEEE1547-2003標準中鼓勵供電方和用戶方通過技術(shù)手段實現(xiàn)計劃孤島[6-7]，提高系統(tǒng)供電可靠性。計劃孤島即是在配電網(wǎng)故障且DG無法完全滿足當?shù)刎摵尚枨蟮那闆r下，根據(jù)當前DG的可調(diào)度功率及負荷工況，將配電網(wǎng)劃分成可獨立運行的單/多個孤島，以保證部分當?shù)刎摵傻某掷m(xù)供電，其具有提高DG利用率、改善供電可靠性等優(yōu)點。

目前配網(wǎng)孤島劃分的研究多集中于孤島形成后根據(jù)穩(wěn)定輸出的DG制定孤島計劃或在線搜索。而且常用的算法如Kruskal算法、Prim算法、破圈法，但這三種算法需要判斷圈或者構(gòu)造邊割。這些算法簡單明了，通俗易懂但通常用來直接在圖上作業(yè)，不易于編程。基于Dijkstra的算法可用于求取大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的最小生成樹，缺點是計算過程復雜，效率低[18]。

文獻[8]在簡化配電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，提出了能反映負荷重要等級的孤島劃分原則，在DG由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運行過程中能夠保證孤島內(nèi)部的有功平衡；文獻[9]根據(jù)配電網(wǎng)的輻射狀特點，給負荷及供電支路均分配權(quán)重，使搜索供電范圍的過程能朝特定方向進行；文獻[10]則采用較完善的負荷權(quán)重評價方法，其基于優(yōu)化算法的劃分方法適于復雜配電網(wǎng)且能保證重要負荷的優(yōu)先供電。文獻[11]提出了計劃孤島劃分，在劃分中對穩(wěn)定性DG和隨機性DG區(qū)分處理。

本文立足于風機在配電網(wǎng)中的發(fā)展，提出了離線制定備選路徑與在線搜索相結(jié)合的孤島劃分方法，快速進行孤島劃分。并結(jié)合新的最小樹算法[18]對一般負荷進行在線搜索，過程簡單，易于編程，搜索速度快。

1 風機和儲能電池的協(xié)調(diào)配合

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是其主要利用形式。風力是一種間歇性能源，且風速難以預測，影響著風力發(fā)電機的出力，使得風機輸出功率不穩(wěn)定[12]。

在孤島運行條件下，由于缺少外部電網(wǎng)的支撐，如果只有風機作為孤島內(nèi)的供電電源，將不能保證供電的可靠性和電能質(zhì)量[7]。

而電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中不僅可以用于電力調(diào)峰，向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應等輔助服務(wù)功能，還能在孤島運行條件下為孤島供電。減少風電場輸出波動對電網(wǎng)的影響，改善并網(wǎng)風電的穩(wěn)定性，同時在孤島中作為穩(wěn)定輸出的電源，保證了重要負荷的供電，保證供電質(zhì)量[13-14]。

因此，風機這種隨機性電源在孤島中只能依托孤島中配備的儲能電池，一起對孤島進行供電。儲能電池在微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)時可以采用V-f控制[15-16]，在孤網(wǎng)時提供全網(wǎng)電壓和頻率支撐。 這樣既可以保證重要負荷的供電，又可以根據(jù)風機實時出力擴大孤島劃分范圍，在保證供電質(zhì)量的同時，劃分出最大范圍的孤島。

由于儲能電池的容量和出力約束是確定的，而風機的出力是隨機的，根據(jù)實際情況可將含分布式電源的配電網(wǎng)的孤島劃分分為離線制定孤島計劃和在線孤島搜索。

離線制定孤島計劃時只考慮儲能電池對重要負荷供電，在儲能電池有功出力的約束下制定重要負荷備選供電路徑。

2 孤島運行的穩(wěn)定問題

對于含分布式風力發(fā)電的配電網(wǎng)，其形成含風電孤島的主要原因有上級電網(wǎng)故障、電壓頻率越限、振蕩失步及例行檢修等，當上級電網(wǎng)供電無法恢復時，含風電孤島能夠成功形成并穩(wěn)定運行的關(guān)鍵即風電機組的出力能否滿足負荷功率的要求。

當孤島內(nèi)出現(xiàn)功率缺額且風電機組已達當前最大出力時，僅能通過低周減載的動作來抑制頻率下降，本文根據(jù)負荷性質(zhì)及可操作性且暫時不考慮頻率、設(shè)備載流量約束以及網(wǎng)損的影響，建立了簡化的含DG的配電網(wǎng)孤島劃分模型為

式中：fi為切除負載個數(shù)；V為孤島i所含的DG、儲能電池、負荷集合；Gi為孤島內(nèi)DG和儲能電池集合；Li為負荷集合；PG，i為分布式電源的有功出力，其值為正；PL，i為負荷有功功率，其值為負；Urated，i為網(wǎng)絡(luò)電壓限值；Ui為網(wǎng)絡(luò)實時電壓。選擇這樣的目標函數(shù)保證了切除負荷個數(shù)最少，最大范圍對電網(wǎng)供電，并便于操作易于系統(tǒng)恢復。

3 重要負荷搜索過程

本文首先通過離線制定重要負荷備選供電路徑配合在線搜索確定供電的重要負荷及路徑，再根據(jù)當前的風機機組出力確定對一般負荷的供電范圍，由此組成的含風電孤島在運行時如遇功率缺額，可通過低周減載切除部分一般負荷，從而確保對重要負荷的持續(xù)供電并增加風力發(fā)電的利用率。

3.1 備選供電路徑離線制定

對重要負荷的供電應符合由物理路徑?jīng)Q定的先近后遠的特性，那么為某一重要負荷供電則該重要負荷與儲能電池之間的供電路徑上的所有負荷（重要負荷及一般負荷）都必須供電（見圖1）。

根據(jù)上述原則，將為保證某一重要負荷供電而必須保證其供電的一般負荷定義為附帶負荷，如圖2所示。

節(jié)點2是重要負荷節(jié)點，節(jié)點14是儲能電池，為了給重要負荷供電，節(jié)點5、節(jié)點6、節(jié)點7都必須供電，這些節(jié)點就是附帶負荷。

圖1 備選供電路徑示意Fig.1 Schematic of alternative power supply path

圖2 典型供電路徑Fig.2 Typical power supply path

將配電網(wǎng)接線圖簡化成由節(jié)點和支路組成的圖論模型，假設(shè)一含m個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接入有t臺儲能電池，對每一重要負荷節(jié)點i確定t條備選的供電路徑，并用Nri1～Nrit依次記錄t條供電路徑各自所連通的節(jié)點號（包括節(jié)點i及儲能電池接入點）。如圖1所示，重要負荷節(jié)點2僅存一條備選供電路徑，即Nr21*={2，5，6，7，14}；而重要負荷節(jié)點9則存在兩條備選供電路徑，分別為 Nr91*= {8，9，14}、Nr92*={9，15}。對于某一Nrij，若其含有兩個及以上的儲能電池接入點，則將該Nrij刪除。重要負荷4有備選供電路徑Nr41*={4，7，14，8，9，15}，路徑中含有兩個儲能電池，根據(jù)就近原則刪掉儲能電池15及負荷8、9。

3.2 供電路徑在線搜索

在確定合理的備選供電路徑之后，即可開始供電路徑搜索，由上述的Nrij可形成各儲能電池的重要負荷備選供電節(jié)點集合Q1～Qt，如圖1所示，本文中有Q1={1，2，4，9}、Q2={9，11，12}，即Q1可選擇為節(jié)點1、2、4、9上的負荷供電，Q2可選擇為節(jié)點9、11、12上的負荷供電。搜索過程以t個儲能電池接入點為起始點，并用F1～Ft分別記錄搜索過程中依次被各儲能電池搜索到的重要負荷節(jié)點及附帶負荷節(jié)點。

搜索過程中，每次從Qi選擇權(quán)重最大的一重要負荷節(jié)點j（j∈Qt）并入其所形成孤島，并進行如下操作。

重要負荷節(jié)點j的權(quán)重計算式為

式中：P*（j）和P*（k）分別為重要負荷節(jié)點j和負荷k的負荷有功功率期望；R*為常系數(shù)，其值等于重要負荷節(jié)點j的備選供電路徑條數(shù)。

這樣確定重要負荷節(jié)點權(quán)重，是為了保證選擇并入的重要負荷節(jié)點并入孤網(wǎng)后將最大程度方便連接下一個重要負荷，備選供電路徑越多，則通過它對其他重要負荷供電可能性越大，更加充分利用儲能電池對重要負荷供電。

若Qi、Qd在搜索過程中同時或先后均搜索到重要負荷節(jié)點j，那么用Qi∪Qd代替Qi和Qd、用Fi∪Fd代替F1和Fd，由此將Qi和Qd形成的兩孤島合二為一后繼續(xù)搜索。

4 一般負荷搜索過程

4.1 建立有根樹模型及新的最小有根樹算法

配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲呈輻射狀，接入DG和儲能電池后只是在原拓撲結(jié)構(gòu)中增加了具有電源性質(zhì)的節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓撲依然是輻射狀。以圖3為例。

圖3 配電網(wǎng)樹狀形狀Fig.3 Tree structure of distribution system

式中：P*max為孤島形成時一般負荷節(jié)點中的最大有功功率（瞬時值），P*L，j為一般負荷節(jié)點j在孤島形成時的有功功率。圖3中，Bus1為根節(jié)點，權(quán)值為零，Bus2至Bus7的負荷分別為20 kW、20 kW、30 kW、40 kW、30 kW、50 kW，權(quán)值分別為0.4、0.4、0.6、0.8、0.6、1.0

步驟3 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系及各節(jié)點權(quán)值建立權(quán)矩陣，由此可以形成一個7×7的權(quán)矩陣A。元

步驟1 對網(wǎng)絡(luò)拓撲中的節(jié)點進行編號。

步驟2 計算節(jié)點的權(quán)值，權(quán)值表達式素Aij表示第i個節(jié)點和第j個節(jié)點的相連的邊，如果相連權(quán)值為j節(jié)點的負荷權(quán)值，如果不連權(quán)值為零。對角線元素Aii=0。所以建立的矩陣為

步驟4 從根節(jié)點出發(fā)搜索最小樹。按行搜索權(quán)值最小的非零元數(shù)，若某行中有幾個非零最小元，則任取其一。記錄該行的非零最小元及其腳標Aij，將原權(quán)矩陣中對應的該元素賦值為0。判斷是否同時存在Aij和Aji，同時存在說明重復選擇，去掉一種一個，然后從剛才選入的Aij的腳標確定下次將第j行，再從第j行和之前選擇過的所有行中選取非零最小元，至到完成最小樹選擇。

按照規(guī)則依次選擇1-2-3-2-4-2-5-2-6-4-7，去掉重復的節(jié)點依次選擇的節(jié)點順序為1-2-3-4-5-6-7。

4.2 一般負荷的搜索方法

步驟1 先定義一般負荷節(jié)點的權(quán)重表達式為

式中：P*max為孤島形成時一般負荷節(jié)點中的最大有功功率（瞬時值）；P*L，j為一般負荷節(jié)點j在孤島形成時的有功功率。

步驟2 對節(jié)點依次編號，包括對DG節(jié)點。

步驟3 建立權(quán)矩陣，將已確定的對重要負荷供電的路徑上所有節(jié)點標識為已選節(jié)點，按照上述尋找最小樹方法從DG開始搜索一般負荷，每搜索到一個新的節(jié)點并入孤島。

步驟4 校驗孤島內(nèi)風電出力是否大于負荷總量，如大于則更繼續(xù)并入下一個一般負荷節(jié)點并校驗，反之，則從孤島內(nèi)去掉該一般負荷節(jié)點并結(jié)束搜索過程。

5 孤島劃分流程

本文動態(tài)重構(gòu)步驟如下所述。

步驟1 輸入原始數(shù)據(jù)。

步驟2 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、負荷數(shù)據(jù)、負荷分類及儲能電池容量和出力，離線制定出合理的重要負荷備選供電路徑Nrij*。

步驟3 設(shè)定終止重要負荷搜索過程的合理條件。

步驟4 運用第3.2節(jié)搜索方法按輪次搜索需并入孤島的重要負荷及附帶負荷。

步驟5 判斷是否搜索完所有重要負荷搜索，如果未搜索完，返回步驟4；反之，繼續(xù)步驟6。

步驟6 校驗是否滿足對重要負荷及附帶負荷的供電要求。

步驟7 若滿足要求，則繼續(xù)步驟8；反之，去除該孤島最后一輪并入的重要負荷及附帶負荷，返回步驟6。

步驟8 運用第4節(jié)一般負荷的搜索方法并入一般負荷節(jié)點，未達終止條件則繼續(xù)搜索，反之則繼續(xù)步驟9。

步驟9 檢驗各孤島形成時，風電出力和儲能電池出力是否大于負荷總和，若小于則去除該孤島最后一輪并入的一般負荷；反之，進行步驟10。

步驟10 確定各孤島的具體劃分方案。

6 算例分析

本文采用美國PG&E69節(jié)點配節(jié)點（見圖4）算例進行驗證，原系統(tǒng)參數(shù)見參考文獻[17]。節(jié)點10、14、16、41、43、58為重要負荷。在節(jié)點9和節(jié)點12分別接入儲能電池，儲能電池容量分別為300kW·h和600 kW·h，最大出力為100 kW和210 kW，在節(jié)點5、19、32、36、52、65分別接入DG，故障時的出力分別為250 kW、200 kW、40 kW、50 kW、1300 kW、100 kW。線路2-3處發(fā)生三相接地故障，經(jīng)故障隔離，故障下游的系統(tǒng)失電，不同的是本文接入了儲能電池且DG3只有200 kW。

圖4 含分布式發(fā)電的69節(jié)點配電系統(tǒng)Fig.4 Sixty-nine-bus distribution system integrated with DGs

重要負荷數(shù)據(jù)如表1所示。按照算法實施分配后的孤島如圖5所示。該孤島方案將配電系統(tǒng)劃分為3個孤島。

按照第3.1節(jié)的離線制作備選路徑選擇規(guī)則選出了5條備選路徑，分別為9-10，9-42-43，12-13-14，12-13-14-15-16，12-57-58。

在離線制作備選路徑后，根據(jù)第3.2節(jié)所示方法進行在線搜索，6個重要負荷中4個被選中直接通過儲能電池供電，在儲能電源供電范圍內(nèi)節(jié)點負荷41和58因權(quán)重較小而未被劃分入孤島，若對它們進行供電孤島內(nèi)部將不滿足功率約束。

表1 重要負荷數(shù)據(jù)Tab.1 Data of the important load

圖5 含分布式電源的配電系統(tǒng)故障后的孤島方案Fig.5 Islanding scheme of distribution system with DGs after fault

而之后的一般負荷劃分中，利用第4.2節(jié)的一般負荷搜索方法，再次將節(jié)點負荷41和58選中恢復供電。在算例中，對不同權(quán)值的負荷進行了不同處理，并保證所有重要負荷供電，大部分一般負荷恢復了供電。兩個相鄰孤島在搜索過程中合并為一個孤島，最終形成了3個孤島。

利用文獻[8]算法進行孤島劃分，劃分結(jié)果如圖6所示，和本文算法劃分結(jié)果對比，對一般負荷恢復供電數(shù)一樣多（負荷為零節(jié)點不計入一般負荷節(jié)點），但本文的算法保證了全部重要負荷供電，利用文獻[8]的算法進行孤島劃分，41、43兩個重要負荷不能被選中供電。可見，本文算法更能保證重要負荷供電而且不會減少對一般負荷供電，能最大范圍恢復孤網(wǎng)中的負荷供電。

圖6 利用文獻[8]得到的孤島方案Fig.6 Islanding scheme formed by the method of Ref.[8]

7 結(jié)論

（1）本文在進行孤島劃分時根據(jù)實際情況，將負荷化為重要負荷和一般負荷，對重要負荷，離線制定重要負荷備選路徑，在線對其進行校核。

（2）利用一種基于權(quán)矩陣的最小生成樹算法，對一般負荷進行搜索，使整個孤島搜索算法的計算效率得到明顯的提高，并且這種算法簡單明了，搜索快速，便于編程。

（3）依托儲能電池對重要負荷進行供電，有力保證了重要負荷的供電穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。

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Search Method for Intentional Islanding of Distribution Network with Wind Power Generation

YIN Zhuan，LIU Tian-qi，JIANG Dong-lin，YAN Xiao-bin，ZHOU Xiao-yan
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

To deal with the islanding problem of distribution network which contains wind turbine generation，the method which establishes alternative paths offline combing with online islanding search is proposed.The battery energy storage system is considered in the intentional islanding scheme，which can guarantee the persistence of power supply to significant load.Combined with optional path and real-time output situation of the air blower，online islanding search can satisfy the power constraint and guarantee load power supply，reducing the loss of power.Solving the model of search makes use of the easily programmed minimum spanning tree，and effectiveness of the proposed method is validated by studying the PG&E69-bus test system at last.

distribution network；distributed generation；wind power generation；intentional islanding；battery energy storage

TM470

A

1003-8930（2013）01-0142-06

尹 專（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與計算。Email：327240724@163．com

2011-10-19；

2011-11-24

劉天琪（1962—），女，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析計算與穩(wěn)定控制、高壓直流輸電與調(diào)度自動化。Email：tianqiliu@sohu．com

江東林（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與計算。Email：717598146@qq．com