分布式配電網故障停電快速恢復方法研究

張昌俊，王海生，邱劍洪，李琳瑋，呂懿

（海南電網有限責任公司，海南 海口 570100）

隨著我國經濟社會的不斷進步，人們對電力環境提出了更高要求。以往居民或企業供電均使用不可再生能源，導致電價較高，影響了人們的正常用電［1］。隨著可再生能源發電模式的推廣，家家戶戶有電可用已成為現實。在此大環境下，集中發電已經不能滿足電網的電力供應需求。因此，分布式配電網的出現在電力企業供電中起到了至關重要的作用［2］。

分布式配電網是將集成分配的電力轉變為單獨使用的電網，將配電網進行區域劃分，從而實現單獨供電的目標。此種方式最大的優勢在于當區域內配電網出現故障時，將不會影響大面積停電，其他區域的電力供給仍可以繼續，這大大降低了停電發生的幾率［3］。但分布式配電網的發展時間較短，配電網運行環境較為復雜，導致外界干擾因素眾多，而使分布式配電網發生故障導致停電不可避免。為此，該領域研究者針對停電故障恢復進行了很多的研究。但傳統配電網故障停電恢復方法，停電檢修時間較長，恢復時間較為緩慢，無法有效地保證居民的用電質量。

基于此，本文研究了分布式配電網故障停電快速恢復方法，旨在縮短配電網故障恢復時間，實現快速恢復用電，為居民與企業用電提供保證。

1 分布式配電網故障停電快速恢復方法設計

1.1 分布式配電網故障特征分析

分布式配電網具有不同的特性，其故障特征也不同。在配電網出現故障時，配電網會出現短暫的隔離現象。分布式配電網會在此階段向外持續供電，直至電能消失［4］。在此過程中，分布式配電網的故障特征可由專業檢修人員進行判斷，但普遍會出現可控性差、輸出波動較小等缺點。當失去配電網的支持后，電網電能供給質量將會出現問題，并容易造成居民用電的安全事故或檢修人員的觸電事故。此外，分布式配電網在隔離時，電能供給的管理能力會出現下降，會脫離電網監控范圍，從而難以維持電力供給。本文在提取分布式配電網故障特征的過程中認為，配電網具有靈活性特征、空間分布特征、區域供電便利條件特征等。

一般情況下，為了保證配電網正常運行，會在電網與母線之間安裝斷路開關，通過斷開電網母線節點，將電網負荷進行切除，從而保證電網的安全檢修［5］。而此種方式在操作的過程中，可以保證母線在斷開電路后正常使用。因此，配電網的內部結構不會被打亂，從而提高分布式配電網的恢復靈活性。

1.2 配電網故障停電快速恢復流程優化

為了保證配電網故障停電快速恢復效果，本文在確定了分布式配電網故障特征的基礎上，對配電網故障停電恢復流程進行優化［6］。

首先，提取出分布式配電網供電數據，各個分布區域的負荷量與電荷容量均需要精準把控，由此得出各個區域的實際電壓情況，并最大限度地縮小配電網故障范圍。其次，利用等效負荷簡化模塊，處理分布式配電網的相關數據，標記故障停電區域，在確定各個節點負荷與容量符合標準的前提下，對各個節點的負荷環境進行重新規劃，從而縮短故障停電時間。最后，通過查找停電區域是否具有分布式配電網，進一步縮小停電區域，對于停電未恢復的區域需要重新規劃，按照分布式配電網的接入規則，將斷路開關進行接入，以最少的負荷提供最大的供電輸出，保證停電后恢復電能可以正常使用。對于停電恢復供電來講，配電網始終會遭受到較大的損害，本文以最小損害為設計目標，對停電后配電網負荷進行簡化，得出理想輸出負荷公式如下：

式（1）中，Alood為理想輸出負荷，Upower為停電時配電網的負荷，U0為配電網的初始負荷，Renergy為停電時配電網的輸出能量。

通過簡化配電網的停電負荷，在停電過程中形成一個負荷約束支路，在此支路中，可以不斷調試恢復供電的最佳方案，從而縮短故障停電時間。

1.3 配電網故障恢復模型構建

在分布式配電網的接入過程中，電網節點較多，各個支路之間的負荷配置情況存在較大的差距，也就導致停電故障恢復后電力供給失調的問題［7］。配電網故障恢復的措施主要包括：在容易出現故障區域安裝斷路開關；增加配電網供電節點接入容量；減少配電網供電節點接入容量；緩解停電負荷節點能量；增加停電負荷功率；減少停電負荷功率等。在以上恢復措施中，傳統方式缺乏大量的實際數據，恢復供電的速度始終較為緩慢。

本文考慮到分布式配電網的復雜情況，將電網故障數據進行重新界定，通過精準的數據測量結果，將配電網故障恢復模型進行重新設定。該模型的具體簡化圖如圖1所示。

圖1 配電網故障恢復簡化模型

如圖1所示，M與N分別為模型中的配電網故障的兩個節點，本文截取M與N節點為例，將故障類型進行劃分，并計算每個配電網節點恢復供電所需要的能量。計算公式如下：

式（2）中，Spower為配電網節點恢復供電所需要的能量，為A支路上需要消耗的最大容量，為A支路上需要消耗的最小容量。本文通過配電網故障恢復簡化模型，將故障節點中恢復所需能量進行計算，從而為電網恢復提供更加精準的數據。

1.4 分布式配電網故障停電快速恢復的實現

為了實現分布式配電網故障停電快速恢復，本文以縮短停電時間為研究目標，通過優化流程與簡化模型，對分布式配電網進行深化分析。由于電力恢復過程中，根據電力恢復效果，可以將負荷分為三個等級。一級負荷故障為最嚴重的故障，會造成人員傷亡。二級負荷故障會對經濟造成較大的損失。三級負荷故障會影響正常居民或企業的用電［8］。本文通過簡化配電網故障模型，將配電網停電恢復過程中需要的負荷進行重新劃分，減少各個支路上消耗的容量，從而減少恢復電能所需要的負荷。在本文設計的方法中，分布式配電網與停電故障的區域會形成一個閉環，此環以電網突發故障為運行信號，在不同的支路中存在較多的能量分解元素，可以減少配電網故障檢修出現觸電事故的幾率。為了縮短配電網的恢復時間，本文在閉環中的各個支路均設置了斷路開關，可以在配電網發生故障的第一瞬間，移除殘余能量，從而快速地恢復供電，保證居民與企業的正常用電。

2 實驗分析

為了驗證本文設計的方法是否具有實用效果，本文以X配電網為例，采用對比實驗方式，將傳統配電網快速恢復方法與本文所設計的配電網快速恢復方法進行對比，通過不同恢復措施進行實驗，以確保實驗數據的準確性。

2.1 實驗過程

X配電網中包含較多網絡節點，外部配電網存在較多等效節點，因此，該區域的配電網總負荷為3362kW＋kc614kVar。為了保證該區域的配電網可以安全運行，區域內的配電電壓會固定在13.12kV左右。實驗開始前，本文在電網中分布式發電部分，分別接入5、10、20個節點，節點為5時，容量為700kW，功率因素為0.9；節點為10時，容量為5000kW，功率因素為1.0；節點為 20時，容量為 700kW，功率因素為0.9。在配電網快速恢復的過程中，斷開開關是最主要的恢復方式。X配電網存在S1－35個配電開關，本文將 S4、S8、S16、S20、S24、S28、S32 等開關進行斷開，并將停電負荷節點數設置為24個，保證停電過程中，配電網負荷總功率在460kW以內，從而實現配電網故障的最快恢復效果。

此外，本文考慮到配電網負荷等級，將本次實驗分為三個階段，在第一階段，將電網負荷節點設置為2，此時的負荷等級為4，負荷量200kW；在第二階段，將電網負荷節點設置為4，此時的負荷等級為2，負荷量160kW；在第三階段，將電網負荷節點設置為12，此時的負荷等級為4，負荷量100kW，則能保證總負荷在460kW左右，最大限度地保證配電網的負荷情況。

2.2 實驗結果分析

在上述實驗環境下，本文將傳統配電網快速恢復方法的恢復時間，與本文設計的配電網快速恢復方法的恢復時間進行對比，實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

如表1所示，本文將恢復措施分為重置開關、增加節點接入容量、減少節點接入容量、停電負荷節點、增加停電負荷功率、減少停電負荷功率等6部分。其中，減少節點接入容量與減少停電負荷功率的措施，恢復時間較長。傳統配電網快速恢復方法恢復時間均超過0.1s，故障停電快速恢復效果不佳，影響人們的用電正常生活。而本文設計的配電網快速恢復方法恢復時間均能保證在0.1s以內，故障停電快速恢復效果較好，驗證了本文方法的有效性。

3 結論

近年來，我國電力事業正處于蓬勃發展態勢，可再生能源發電為電力事業提供了保障，推進了電力市場的進一步發展。隨著人們用電量的增加，配電系統越加復雜，配電網停電故障現象頻發。基于此，本文研究了分布式配電網故障停電快速恢復方法，旨在減少配電網故障，縮短故障停電時間，為人們生活提供更好服務。