一種含分布式電源配電網(wǎng)計劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃方法

摘要：分布式電源的接入是傳統(tǒng)配電網(wǎng)從無源網(wǎng)絡變成了有源網(wǎng)絡，當配電網(wǎng)發(fā)生故障或有計劃檢修時配電網(wǎng)時產(chǎn)生的各類孤島，對配電生產(chǎn)的設備安全和人生安全提出了很大的挑戰(zhàn)。本文就是基于上述考慮，研究含分布式電源配電網(wǎng)的計劃孤島解列和組合原則，提出計劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃計劃方法，形成計劃孤島的組合步驟，其基本思想是基于負荷保障率約束、功率約束及單元聯(lián)通性約束，實現(xiàn)配電網(wǎng)計劃孤島的有序解列和組合，保證了配電網(wǎng)孤島解列和組合的平穩(wěn)性，有助于提高配電網(wǎng)的供電可靠性，最大限度地提供了分布式電源的利用效率。

關鍵詞：分布式電源、配電網(wǎng)，計劃孤島;孤島解列;孤島組合

Abstract：DG"is"the"traditional"distribution"network"into"active"network"from"the"passive"network，when"a"fault"occurs"in"distribution"networks"or"plan"maintenance"of"distribution"network"is"generated"when"various"islands，great"challenges"equipment"safety"and"life"safety"of"the"power"distribution"production.This"paper"is"based"on"the"above"considerations，the"research"with"distributed"power"distribution"network"planning"Island"splitting"and"combination"principle，put"forward"the"optimization"planning"method"of"planned"islanding，the"combination"step"formed"in"the"planned"islanding，the"basic"idea"is"to"load"guarantee"rate"constraint，power"constraint"and"single"element"connectivity"constraints"based"on"columns"and"orderly"combination，solution"of"distribution"network"planned"Island，ensure"stable"distribution"network"islanding"solution"column"and"combined，help"to"improve"the"power"supply"reliability"of"distribution"network，to"provide"maximum"efficiency"using"distributed"power"supply.

Key"words：The"distributed"power"supply，power"distribution"network，planned"Island，Island"combination，Island"separation;

0引言

近年來，隨著分布式電源的快速發(fā)展，分布式電源并網(wǎng)數(shù)量和容量的不斷增大，導致傳統(tǒng)配電網(wǎng)從無源網(wǎng)絡變成有源網(wǎng)絡，給配電網(wǎng)的日常運行管理帶來了很大的難度。分布式電源的接入，一方面可以為重要負荷提供備用支撐電源，減少了重要負荷的停電概率和時間，提高了系統(tǒng)的可靠性;但另一方面，一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，局部故障切除很有可能導致分布式電源帶著一部分負荷繼續(xù)運行，而且有可能會運行比較長一段時間，這就給配電網(wǎng)的故障恢復和檢修帶來了極大的安全隱患。

國內(nèi)外以往的經(jīng)驗，當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，則需要立即跳開接入該區(qū)域的所有分布式電源，防止故障恢復時的非同期合閘或者帶電檢修線路。但是隨著分布式電源并網(wǎng)容量和運行能力的不斷提高，這樣以簡單切除的方式帶來了供電可靠性的降低、供電能力的損失。設想，如果能夠通過合理規(guī)劃，有計劃的形成各種運行性能比較好的獨立運行區(qū)域，這樣既避免了對分布式電源的影響，又可以改善配電網(wǎng)的供電能力[1-3]。

這就引入了計劃孤島的概念。就是根據(jù)分布式電源的容量和故障前的運行狀態(tài)、本地負荷的大小，事先確定合理的孤島區(qū)域，在與主系統(tǒng)斷開后，能夠保證小系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，稱為計劃孤島。若是選擇功率平衡點附近作為斷開點，與大系統(tǒng)斷開后，小系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，就可以比較平滑的過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。這樣就可以很好地保障孤島解列和組合過程中的平滑過渡。

孤島問題一直是電力系統(tǒng)專業(yè)的研究熱點。本文就是基于上述考慮，研究含分布式電源配電網(wǎng)的計劃孤島解列和組合原則，提出計劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃計劃方法，形成計劃孤島的組合步驟，為含分布式電源的配電網(wǎng)孤島管理提供實用化的方法[4-8]。

1孤島解列組合準則

孤島運行又稱為孤島效應，定義為與主系統(tǒng)分離的一部分配電網(wǎng)絡，由一個或多個DG獨立供電，以一定的電壓頻率繼續(xù)運行。孤島和孤島運行是有區(qū)別的，孤島不一定形成孤島運行。孤島運行的必要條件為當線路故障或維修而導致電網(wǎng)側(cè)的開關跳開時，分布式發(fā)電裝置提供的有功、無功功率與所帶負荷相匹配，此時小系統(tǒng)內(nèi)電壓、頻率變化并不大，都在允許范圍內(nèi)，DG能夠繼續(xù)向負荷供電。按是否經(jīng)過預先規(guī)劃，孤島運行可分為計劃孤島運行和非計劃孤島運行。

DG"接入系統(tǒng)以后，當有故障發(fā)生時，保護動作，斷路器跳閘，這時，有可能形成DG"單獨帶負荷運行的狀態(tài)，我們稱之為非計劃孤島。如下圖中的zone1，zone2，zone3，即是不同的斷路器跳閘以后形成的幾個不同的孤島區(qū)域。

圖1"非計劃孤島示意圖

Fig1：Schematic"diagram"of"non"planned"Island

這種運行狀態(tài)由于是偶然的，不確定性的，很有可能由于功率不平衡，引起頻率的變化，孤島崩潰，進而給系統(tǒng)帶來極大的危險。所以目前在國內(nèi)外的大多數(shù)DG"并網(wǎng)的運行規(guī)程中都要求：在系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，要盡快把DG"切除，退出運行，以保證系統(tǒng)的安全。但是這樣對DG"的運營商來說是極不公平的，也有違我們接入DG"的初衷。

所以，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，我們引進了另外一種類型的孤島，稱之為計劃孤島，即這種孤島運行是根據(jù)分布式電源的容量和故障前的運行狀態(tài)，本地負荷的大小，事先確定合理的孤島區(qū)域，而制定的一種穩(wěn)定的運行狀態(tài)，在這種運行狀態(tài)下不但不會引起系統(tǒng)崩潰，而且還可以繼續(xù)向一些負荷供電，減小了停電范圍，保證了供電的可靠性。

計劃孤島的劃分是一個多目標、多組合、多約束的非線性優(yōu)化問題，確定孤島方案時要考慮以下原則：

（1）孤島內(nèi)負荷容量與發(fā)電容量的匹配關系，在不造成DG過負荷下，使孤島中的DG能充分發(fā)揮供電能力。

（2）計及電力系統(tǒng)對各等級負荷供電可靠性的不同要求，使孤島方案能夠保證重要負荷優(yōu)先供電。

（3）開關操作次數(shù)盡可能少，提高系統(tǒng)的動作時效性。

（4）計劃孤島運行時，對之前的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變動盡量少，有利于網(wǎng)絡能盡快恢復原來的供電結(jié)構(gòu)。

（5）計劃孤島運行時，允許存在暫時性的環(huán)網(wǎng)運行，但要避免孤島系統(tǒng)運行中設備過載或者電壓異常。

2計劃孤島的優(yōu)化規(guī)劃方法

2.1計劃孤島中重要單元的劃分

對計劃孤島進行優(yōu)化規(guī)劃時，需要對兩類重要單元進行劃分，其中一類是負荷單元，另一類是電源單元，它們是組成計劃孤島的兩類重要元素。

負荷單元（CL）由負荷、負荷的接入點及連接線構(gòu)成;電源單元（CS）反映各電源向電網(wǎng)的注入功率，由電源、電源的接入點及連接線構(gòu)成。

電源單元和負荷單元有2個共同的屬性，即節(jié)點屬性和功率屬性。節(jié)點屬性由單元邊界與連接線相交的節(jié)點集合構(gòu)成，負荷單元功率屬性的功率值（PL）為負實數(shù)，即負荷單元向電網(wǎng)吸收功率（電源輸出負功率）。功率屬性由單元內(nèi)的功率值和其正負性構(gòu)成（PS）。圖2所示系統(tǒng)簡化單元劃分結(jié)果如圖3所示。圓圈內(nèi)的區(qū)域表示1個單元，正負號表示單元功率的正負性，括號內(nèi)的數(shù)值表示單元的序號，圓周上的數(shù)值表示單元節(jié)點編號。

圖2"配電網(wǎng)接入DG結(jié)構(gòu)

Fig2：The"structure"of"distribution"network"DG"access

圖3"計劃孤島中簡化單元劃分

Fig3：Simplified"unit"division"plan"Island

2.2計劃孤島單元的劃分組合方法

1、劃分組合約束函數(shù)

（1）負荷保障率（Λmax）目標函數(shù)為：

（1）

式中：m為單個孤島集合（Gi）內(nèi)負荷單元的個數(shù);n為配電網(wǎng)內(nèi)Gi的總個數(shù);CLj為形成Gi的負荷子單元，PLj為負荷單元的有功功率值;λLj為負荷等級屬性對應的負荷重要性，第一、二和三級負荷單元對應的值分別為1、0.1和0.01。發(fā)生故障后，在滿足約束條件下，劃分組合使所有孤島集合中的負荷單元的負荷加權和最大，即恢復負荷供電率最高。

（2）功率約束為："（2）

式（2）表示各個Gi內(nèi)的功率平衡關系，孤島集合內(nèi)的電源單元（CSj）的功率值（PSj）、負荷單元（CLj）的功率值（PLj）滿足式（2）時，表示該孤島集合內(nèi)的電源單元能夠支持其中的所有負荷單元安全可靠運行。

3）單元聯(lián)通性約束為：

（3）

式中：Cj、Cj+1為將要形成Gi的任意相鄰兩個電源單元或負荷單元。式（3）表明單元是相互聯(lián)通的，不存在孤立單元。

2、單元處理

（1）單元搜索編號。配電網(wǎng)一般處于輻射型結(jié)構(gòu)，按照配電網(wǎng)分支線末端到源點所經(jīng)歷的分支數(shù)目對分支線進行分層標號。假設主饋線的層次為1，從饋線上引出的分支線層次為2，從層次2的分支線上再引出的分支線層次為3，以此類推，從第k-1層分支線上引出的所有分支線為k層分支線，如圖4所示。單元搜索編號后，首先在k層分支線上單元組合，在本層組合完畢后，繼續(xù)向k-1層組合，以此類推，逐步向根層次組合靠近，保證單元組合的有序性。

圖4"廣度優(yōu)先搜索比編號

Fig4：search"the"identifier"with"the"breadth"first

（2）局部單元組合。組合是相鄰的單元合并為1個新單元，新單元功率屬性等于組合前各單元功率屬性之和，其端點屬性包括組合前各單元的端點屬性中除公共端點以外的互不相同的端點。（PS+PL）成為新單元的功率值，節(jié)點集合ES和EL進行融合，形成新的單元邊界節(jié)點集合，組合過程如圖5所示。單元（8）和單元（10）形成新單元，其邊界端點融合成新單元的端點，其功率值為參與組合的2個單元功率值的代數(shù)和。

3計劃孤島劃分組合步驟

步驟1，將系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)定性電源和隨機性電源區(qū)分處理。

步驟2，以各一級負荷單元和隨機性的電源單元為出發(fā)點，隨機聯(lián)接到附近的某一穩(wěn)定性電源單元，計算并比較每個聯(lián)接路徑上經(jīng)過的所有負荷單元和值，取和值絕對值最小的那條路徑為該一級負荷單元聯(lián)接到該電源單元的組合路徑。在n條支路路徑上形成的Gi內(nèi)，所有CLj的負荷功率和為：

（4）

步驟3，重復步驟2確定每個一級負荷單元、隨機性電源單元與相應的穩(wěn)定性電源單元的聯(lián)接路徑。

步驟4，計算每個穩(wěn)定性電源單元上由步驟2、3確定的總路徑（共k條干路）上總負荷值;并驗證式（2）是否都成立。若某一穩(wěn)定性電源單元不成立，調(diào)整該一級負荷單元或隨機性電源單元的聯(lián)接路徑，選擇次要路徑聯(lián)接到尚有裕量的穩(wěn)定性電源單元上。

步驟5，將未連接的二級負荷單元仿照步驟2～4的過程，進行聯(lián)接處理。

步驟6，經(jīng)過步驟2～5，系統(tǒng)內(nèi)的一級和二級負荷以及它們到各自穩(wěn)定性電源單元聯(lián)接路徑上的三級負荷都聯(lián)接組合完畢，形成初步孤島集合。

步驟7，若以上初步孤島方案還有多余的供電能力，則將三級負荷單元也加入相應的孤島集合。

圖5"計劃孤島中的單元組合過程

Fig5：The"process"of"plan"isolated"unit"combination

步驟8，若得到的孤島集合有相交部分，則這2個孤島集合可以聯(lián)接成更大規(guī)模的孤島集合。

通過以上步驟，即可形成配電網(wǎng)計劃孤島的解列和組合。

4結(jié)語

本論文旨在提供一種含分布式的配電網(wǎng)計劃孤島的解列和組合方法，其基本思想是基于負荷保障率約束、功率約束及單元聯(lián)通性約束，實現(xiàn)配電網(wǎng)計劃孤島的有序解列和組合，保證了配電網(wǎng)孤島解列和組合的平穩(wěn)性，有助于提高配電網(wǎng)的供電可靠性，最大限度地提供了分布式電源的利用效率。

隨著分布式電源接入配電網(wǎng)的滲透率越來越高，配電網(wǎng)計劃孤島的解列和組合將成為常態(tài)。配電網(wǎng)孤島的管理將需要更加注重計劃孤島內(nèi)的動態(tài)平衡問題，同時孤島供電能力的實時監(jiān)測也是下一步需要繼續(xù)深化的研究方向。

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作者簡介：

王庭華，江蘇省電力公司經(jīng)濟技術研究院，江蘇"南京，210008

王庭華（1967—），男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)設計與管理工作

李"妍，江蘇省電力公司經(jīng)濟技術研究院，江蘇"南京，210008

李"妍（1981—），女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)設計與管理工作