直流配電網故障恢復方法分析

韓玘桓 陳羽 孫永健 史建海

摘 要：隨著柔性直流輸電技術的發展，直流配電技術在配電網中的應用越來越廣泛，直流配電線路接入交流配電網以及直流配電線路中接入分布式電源和直流負荷，會提高配電網的供電效率，交直流混合配電網將是未來配電網研究和發展的趨勢。因此，本文對交直流混合配電網的故障恢復方法進行研究，通過仿真驗證方法的可行性。

關鍵詞：交直流配電網；直流配電線路；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.139

0 引言

配電網中的故障恢復問題，是指配電網故障發生以后，經過故障定位和隔離，將故障排除，然后采用一系列的故障恢復策略，對配電網的聯絡開關及分段開關進行操作，將失電負荷轉移到其他饋線或其他供電區域進行供電，快速有效的尋找到非故障區斷的最佳恢復供電路徑，完成配電網故障恢復的任務。配電網故障恢復是一個多目標、多維數、多約束、多時段非線性的組態優化問題，是配電網故障自愈中的重要一環[1]。

傳統的交流配電網故障恢復問題是在系統允許的操作條件及電氣約束下，利用網絡重構將停電區域的失電負荷轉供到正常供電線路上，恢復非故障區段的供電。實際上，配電網調度員不僅需要快速有效的恢復供電，而且需要考慮開關操作壽命及有限的人力資源，要求開關操作次數盡量少。

目前國內外對故障恢復策略的研究主要針對交流配電網以及含有分布式電源的交流配電網，對含有直流配電線路的故障恢復研究還很少。因此，本文提出含有直流配電線路的配電網故障恢復方法。

1 交流配電網故障恢復

圖1是交流配電網的部分線路結構圖，圖中母線節點處連接4個變電站，圖中cs1、cs2、cs3為聯絡開關，正常運行時處于常開狀態；s1-s10為該段線路的分段開關，運行時處于閉合狀態。由于配電網具有閉環結構開環運行的特點，所以，開關的運行狀態滿足配電網運行要求。

根據圖1線路結構圖，對交流配電網的故障恢復方法進行分析，假設s5-s6區段線路發生永久性故障，需要以下四步進行故障恢復處理：

（1）當線路發生永久性故障后，出線斷路器立刻跳閘，系統根據SCADA的報警信息、饋線終端以及互感器采集到的線路信息，定位故障區段并發出指令，斷開分段開關s5和s6，隔離故障區段。

（2）故障隔離后，分段開關s5下游s5-cs1區段以及s5-cs2區段負荷失電，其他負荷正常運行。此時，通過改變線路之間的聯絡開關，將失電負荷轉移到其他線路上，恢復非故障區的供電。

（3）對配電網進行網絡拓撲結構分析并采集配電網的潮流數據，包括有功功率、無功功率、電壓、電流及線路的容量裕度，根據采集到的數據，制定對失電負荷的恢復供電方案，根據線路容量裕度盡可能多的恢復供電。恢復方案可能有多個，進行比較后選出最優方案。s5-cs1區段以及s5-cs2區段失電負荷有兩種方案恢復：第一種閉合cs1，利用變電站1供電線路恢復失電負荷；第二種閉合cs2，利用變電站2供電線路恢復失電負荷。

（4）以網損最小為指標進行方案比較。故障恢復后的配電網在滿足電壓電流等約束條件的基礎上，計算兩種恢復方案的網絡損耗，選取網絡損耗低的作為配電網恢復方案，完成故障恢復任務。

2 直流配電網故障恢復

當直流配電網出現故障時，故障處理方式與交流配電網一致，需要經過故障定位和故障隔離來消除故障對系統的影響。但因為直流配電技術的制約，直流斷路器無法同交流斷路器一樣進行消弧，所以故障恢復困難，現階段的處理方式是將故障點下游的負荷切除，隨后恢復直流側其他負荷供電，這種處理方法可以使直流側大部分負荷穩定運行，但失電負荷被切除后，無法再進行并網運行，使失電負荷區域處于停電狀態，若失電負荷等級較高，對社會的影響是無法預料的。這里，本文提出利用直流配電網中分布式電源進行孤島運行，恢復直流側失電負荷。

3 目標函數和約束條件

故障恢復的數學模型主要包括兩方面：目標函數與約束條件。其中，故障恢復的目標函數主要是系統網絡損耗最小、最大限度地恢復失電負荷量、開關動作次數最少、各饋線負荷均衡等。約束條件通常包括：輻射狀運行的網絡約束、電壓約束、支路容量約束等。

本文以系統網絡損耗最小為目標函數：

式中：M為配電網中的支路總數；為支路j的末端電壓；為支路j的電阻量；、分別為流過支路j的有功功率和無功功率；表示支路j上開關的狀態，斷開為0、閉合為1。

4 仿真驗證

本文利用DIgSILENT/PowerFactory軟件對改進的IEEE 123節點進行仿真。

對于含有DG的交直流混合配電網故障恢復，假設改進的IEEE 123節點配電系統中交流側線路18-21處發生永久性故障，按本文算法與策略進行故障恢復。在保護動作隔離故障后，配電網中的分布式電源、儲能電池因故障切除，恢復時將其視為恒定電流源，輸出穩定的有功功率。故障恢復前后的配電網參數及恢復結果見表1。

假設改進的IEEE 123節點配電系統中直流側線路60-620處發生永久性故障，可將負荷62-66與風機1、風機2、光伏1組成計劃孤島，一旦線路60-620或其上游線路出現故障導致負荷62-66停止供電，便可啟動孤島運行模式，故障恢復前后的配電網參數及恢復結果見表2。

直流側故障時，考慮計劃孤島運行，風機1、風機2和光伏1恒定輸出2000kW的功率，所以，利用分布式電源與負荷62-66組成孤島，恢復負荷62-66的供電。

5 總結

本文主要利用DIgSILENT/powerfacotoy軟件進行交流側和直流側的故障恢復仿真及驗證，主要提出了交流側的故障恢復策略，根據場景中線路的開關狀態，有功功率，無功功率，電壓計算目標函數值，通過比較目標函數值選擇最優策略。其次，提出了直流側的故障恢復考慮，充分利用分布式電源的優勢，對負荷等級高的直流負荷采用計劃孤島進行故障恢復。

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作者簡介：韓玘桓（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統及其自動化。