基于BGA的配電網可靠性自恢復方法

吳爭榮, 包新曄, 尹立彬, 梁耀文

(1. 中國南方電網有限責任公司 生產技術部, 廣州 510623; 2. 南方電網數字電網研究院有限公司 智能輸配電與智慧能源事業部, 廣州 510130)

隨著我國電力系統規模的日益擴大,電力系統中配電網的網絡結構也越趨復雜,配電網的停電故障時有發生,對我國電力系統的穩定運行提出了巨大挑戰.故障自恢復功能是配電網所具備的一種自我調節功能,當配電網支路發生故障時,配電網的故障自恢復功能可以有效提升系統供電的可靠性[1-2].傳統配電網結構一般為單向輻射型網絡,當網絡某支路產生故障情況時,首先對網絡故障點進行精準定位并快速隔離故障;然后迅速恢復非故障位置的支路網絡供電,防止由于部分支路故障造成配電網總體網絡的停電[3-5].

針對配電網故障自恢復問題,目前已有較多的相關研究成果.易海川等[6]將開關對執行的開閉操作定義為一個階段,將配電網故障后自恢復的網絡重構視為一種涵蓋多個階段的決策問題.楊麗君等[7]研究得到一種優化后的配電網支路交換方法,利用配電網在實際負荷電流與理想負荷電流之間的差值來確定工作的分段開關,可以同時在一次操作中動態調節數個獨立拓撲網絡,有效提升了運算效率.Chen等[8]提出一種高效的配電網支路交換方法,通過確定配電網最優轉移負荷電流的符號及幅值可實現最大降損的開關組合,且在配電網的重構階段無需采取潮流運算,有效提升了運算速度.Capitanescu等[9]將BPSO算法與DPSO算法相結合,提出了混合PSO算法,顯著減少了無效粒子的生成幾率.Li等[10]構建了多目標約束條件下的配電網重構優化模型,通過設定不同情況下的收斂指標,有效提升了退火算法的運算速度.但隨著當前可再生能源技術的不斷興起與蓬勃發展,分布式電源(distributed generators,DG)開始大規模并網,其所占的發電比例越來越高,使得配電網的網絡拓撲結構產生了大幅變化.這不但有效提升了配電網供電效率,也使得傳統配電網的可靠性自恢復算法不再適用于此類分布式配電網,從而對配電網可靠性自恢復研究提出了新的挑戰[11-12].

本文針對現有的分布式配電網結構,提出一種新型的配電網網絡支路分組算法(branch grouping algorithm,BGA),旨在有效提升配電網可靠性自恢復能力.將該算法在IEEE-33節點配電系統中進行仿真實驗測試與數據分析,從而有針對性地獲取到有效的配電網供電恢復策略.

1 配電網可靠性自恢復目標與約束

配電網可靠性自恢復問題有多種解決算法,如神經網絡算法[13]、遺傳算法[14]和模糊邏輯算法[15]等.這些方法廣泛應用于配電網供電恢復過程中,盡管這些算法可以解決供電恢復的問題,但大多仍需要遵循相似的目標與約束條件.

本文在利用BGA實現配電網可靠性自恢復時,主要基于以下兩個目標:

1) 恢復斷開負載最大化.這一主要目標是最大化恢復配電網網絡中斷開的負載.

2) 交換次數最小化.由于配電網網絡支路的頻繁交換可能會導致斷電,同時也會影響開關使用壽命,因此將最小交換次數設定為目標.

除了考慮配電網可靠性自恢復目標外,在解決供電恢復問題時還需考慮一些約束條件,約束條件包括:1)限制線路電流.配電網網絡中的每個支路電流幅值均不應超過線路的電流幅值限制.2)線路容量限制.供電恢復后的網絡支路視在功率不應超過所允許的上限.3)節點電壓限制.為保障供電可靠性,根據系統節點電壓規定,必須設定滿足供電需要的最小節點電壓.4)配電網結構限制.為了保證分布式電源并網后電網的安全、穩定運行,配電應當采取輻射型結構.

2 配電網可靠性自恢復方法

2.1 BGA原理

本文針對配電網網絡支路故障,引入了支路分組處理,旨在有效減少供電恢復處理時間.對配電網網絡拓撲結構相似支路進行分組,對同一分組中的所有支路均可采用相似的供電恢復方案.因此,一個單一支路故障的計算對于同組中的其他支路同樣有效.基于這一假設,只需對網絡單支路故障進行M次運算即可,傳統的N節點配電系統通常需要N-1次運算.在方法應用過程中,讀取與保存輸入數據后,輸入母線和支路數據,然后將配電網支路分成不同分組.考慮到配電網的拓撲結構,分組內任一支路的線路故障恢復策略都可與同組內的其他支路故障恢復策略相同.算法在執行過程中,需要考慮各支路相關的母線.根據潮流方向,將支路相關的母線定義為輸入母線與輸出母線.BGA流程如圖1所示.

圖1 BGA流程圖

算法具體步驟如下:

1) 將配電網中母線、支路與聯絡線的潮流數據變為mat文件格式導入到MATLAB中進行讀取.

2) 讀取配電網故障時的母線與聯絡線數據.

3) 根據輸入文件中讀取的母線類型,將直接與分布式電源或變電站連接母線相連的支路劃分為饋線組.

4) 對其余的支路進行分組,在默認情況下考慮的支路是與饋線組直接相連的支路,分組時需要注意以下特殊情況:

① 第2個分組應包含具有合并或分離輸出母線所直接連接的兩個及兩個以上支路.若其中一條支路與其他饋線組支路直接相連,則分組終止,該分組不包含該支路.

② 若輸出母線僅有一條相連支路,且該支路不與饋線組直接相連,則可以與未分組的相鄰輸出母線劃分為一組.

③ 若支路均不屬于上述兩種情況,則將相鄰兩支路劃分為一組,分組方式秉持就近且不唯一原則.

分組后,可以求解每個支路發生故障時的自恢復策略.找到共同的自恢復策略后,當恢復發生時,分組內的支路可以采用相同的供電恢復操作.

2.2 潮流計算

為了找到最優自恢復策略,需要引入牛頓法與聯絡線.若某些聯絡線直接連接到組內,則使用牛頓法比較聯絡線以解決潮流;若沒有直接的聯絡線連接到該組,則考慮最近的聯絡線以進行下一步的分組.本文僅針對單支路故障情況的單開關進行操作,若未有直接連接到該組的聯絡線,考慮引入最近的聯絡線進行分組劃分.此時配電網自恢復的潮流約束條件[16]為

∑Fij=-ui

(1)

∑Fij≤Ci

(2)

式中:Fij為支路第i條母線流向第j條母線的功率,且滿足條件Fij=-Fji;ui為第i個負荷節點的負荷量;Ci為第i個電源節點的容量.

同時設定饋線容量約束為

-xmPmax≤Fij≤xmPmax

(3)

式中:Pmax為第m條支路最大的載流量;xm為支路通斷狀態,通常用1表示通路,用0表示斷路.xm可表示為

xm=∑Wim+∑Wjm

(4)

式中,Wim與Wjm分別為以第i條母線和第j條母線作為輸入母線與輸出母線,且流經第m條支路的供電支路狀態.支路狀態可分為通斷兩種,在輻射型配電網中,可以將式(4)簡寫為

(5)

式中:M為配電網所包含的支路總數;N為配電網網絡中的母線總數;NC為電源節點的數量.潮流約束條件設定后,可逐步斷開網絡中的支路.

3 實驗驗證

本文將基于BGA的配電網可靠性自恢復方法應用于IEEE-33節點配電系統,基于配電網的網絡結構,根據分組原則對網絡中的支路進行分組.理論上配電網網絡結構中應當包括1條或2條聯絡線,且確保配電網具有的拓撲結構.此外,由于配電網在支路故障自恢復過程中靠近供電電源端的一些節點可能會產生電壓較低的情況,這需要對供電支路總長度進行約束,因此,需要斷開部分聯絡線.圖2給出了本文采用的IEEE-33節點配電系統結構,圖中虛線表示聯絡線.網絡支路無故障條件下的默認最小節點電壓為0.910 75 p.u.,默認線損為208.459 2 kW.支路分組結果如表1所示.

表1 IEEE-33節點配電系統支路分組結果

圖2 IEEE-33節點配電系統

對各支路故障情況進行分析,結果如圖3所示.

圖3 IEEE-33節點配電系統不同情況下節點電壓

1) 當支路1發生故障時,若配電網網絡中不包含分布式電源,則唯一不能帶故障運行的支路為1號支路.若1號節點上只有一條饋線,將1號支路隔離作為孤島,則無法實現供電恢復.而其他支路發生故障時,則幾乎都可以求解得到全部或部分供電恢復策略.

2) 當支路2～5發生故障時,則需要多根聯絡線執行多次支路交換,因為單次開關操作無法恢復下游部分網絡供電.

3) 當支路8發生故障并進行單次開關操作以恢復供電負荷時,由圖3b可以看出,有23個節點電壓在限制范圍內,其他母線未有潮流,因此不作考慮.

4) 當支路22、23發生故障時,某些節點的母線最低電壓不在限制范圍內.支路交換后系統網絡上游運行受所連接的斷電區域影響,導致出現潮流減小的情況,如圖3c所示.

5) 當支路29、30發生故障時,該分組支路應盡量避免與聯絡線相連.因為當第36號聯絡線供電恢復時會降低其他組節點的電壓,則第37條聯絡線的連接會在系統中形成一個閉環.若不使用聯絡線,支路故障發生時,第29、30號節點的母線電壓仍在限制范圍內.圖3d中總計有30個節點數據,這是由于此時第31～33號節點的母線電壓不滿足電壓限制.

表2是利用聯絡線實現單分支故障恢復的仿真結果.在未有分布式電源的配電網中,由于支路1是上游供電支路,因此支路1發生故障時不可能恢復;支路2～5處發生故障可能無法僅通過一根聯絡線實現故障恢復,至少應涉及兩次或更多的切換操作;支路8、支路22和支路23故障僅能有23個節點實現自恢復,其余10個節點將斷開供電,因此還應引入至少2條聯絡線,才能夠實現恢復多條或全部受支路故障影響的母線;支路18、支路29、支路30和支路31在恢復供電時,僅用單根聯絡線無法使部分節點實現故障自恢復,應當引入兩條聯絡線使所有節點恢復供電.

表2 IEEE-33節點配電系統支路故障仿真結果

在表2的第4列中,給出了配電系統的最小節點電壓.在大多數故障情況下,故障支路的母線電壓仍能保持在0.9 p.u.以上.第5列表示支路故障發生后與系統原始功率損耗相比減少的功率損耗.

當配電系統中支路30發生故障時,需要由支路38作為聯絡線連接到支路32.由于分布式電源的引入,表1中的第13組需要被拆分為3組:1)第13組,包含支路29與支路31;2)第14組,包含支路32;3)第15組,包含支路38.

相比之下,原有配電系統的最小節點電壓為0.910 75 p.u.,節點所在支路的功率損耗為208.459 2 kW;而含分布式電源的配電系統最小節點電壓為0.934 8 p.u.,節點所在支路的功率損耗為119.973 6 kW.

當支路30發生故障時,可以不使用聯絡線即實現30個節點的供電恢復;而含分布式電源的配電系統則需引入第36號聯絡線,恢復所有節點供電.圖4給出了當支路30發生故障時,原有配電系統與含分布式電源的配電系統節點電壓恢復情況.在支路30發生故障后采用BGA對系統支路進行重新分組,其中第8組被擴充,并且包含支路15、支路16、支路17、支路32和支路36,第14組所包含的支路從支路32更改為支路38.

圖4 支路30故障恢復后配電系統各節點電壓

此處以支路30故障恢復后,支路14再次發生故障為例進行分析.分布式電源的存在使得系統可能形成孤島,然而第34號聯絡線的引入使得系統的多數節點電壓得到提升,如圖5所示.若支路14形成孤島,則配電系統的最小節點電壓為0.944 4 p.u.,功率損耗為114.395 0 kW.而聯絡線的引入將配電系統最小節點電壓提高到0.959 7 p.u.,并將功率損耗降低到98.357 8 kW.第二次故障后,BGA對系統進行重新分組,第7組不再包含支路14,而支路34加入到第8組.

圖5 含有分布式電源的配電系統各節點電壓

由以上分析可知,當采用BGA后,IEEE-33節點配電系統有62.5%的支路可以完全恢復供電,僅需單個聯絡開關執行一次操作即可.有21.875%的支路可以實現部分恢復供電,其余支路根據故障情況的不同,可以通過多種分組方式執行供電恢復.

4 結 論

為了有效實現配電網可靠性自恢復,本文提出一種新的支路分組算法.主要通過執行支路故障的離線求解過程,對一個平衡系統中具有恒定負載的不同支路分組應用預定義的解決方案.這確保了可以使用最小數量的開關操作最快實現配電網供電恢復,有效提升了故障發生時系統的恢復能力.該方法在IEEE-33節點系統上進行測試,主要目標是恢復最小節點電壓以滿足用戶需求,多數的恢復結果均是通過聯絡線的引入進行實現的.同時該方法可以根據分布式電源的功率大小與位置改變恢復分組,減少尋找解決方案所需的計算時間,然后將解決方案存儲在系統中,并在發生故障時采用相應的解決方案.下一步,將把該方法在更大規模的配電系統中進行應用,并考慮引入智能算法提升分組效率.