考虑负荷响应的主动配电网孤岛划分

刘 舒,张益飞,程浩忠,谢 潜,肖远兵

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院,上海 2OO437；2.上海电力学院电气工程学院,上海 2OOO9O；3.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 （上海交通大学）,上海 2OO24O）

文章编号：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO23-O7 文献标志码：A 中图分类号：TM7l5

考虑负荷响应的主动配电网孤岛划分

刘 舒1,张益飞2,程浩忠3,谢 潜3,肖远兵2

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院,上海 2OO437；2.上海电力学院电气工程学院,上海 2OOO9O；
3.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 （上海交通大学）,上海 2OO24O）

0 引 言

当前主动配电网（Active Distribution Network,ADN）发展趋于成熟,故障时允许在主动管理系统协调控制下继续给非故障区域的重要负荷供电［1 2］,即计划孤岛运行（Intentional Islanding）。当分布式电源（Distributed Generation,DG）发电容量占总容量比重较大时,孤岛运行非但不能很好地利用DG的发电能力,还会引起共模跳闸,降低配电网供电可靠性和用户满意度,有损DG发电商利益［3］。

我国居民电力消费结构也更加多样化,为供给空调、电热水器等峰荷耗费的单位电源建设费远高于基荷,设备利用率有所下降。在此背景下学者提出负荷友好的概念,它是需求侧响应（Demand Response,DR）的一种。其本质是用户与供电商签订协议,允许供电商对负荷进行主动调控达到调峰调频的效果,而用户可以从中获得一笔可观收益,以达到双赢。

综上所述,在ADN大背景下为减少用户停电时间、频率及损失,提高供电可靠性,充分利用DG出力形成孤岛供电,需要展开基于需求侧响应的配电网孤岛划分研究。

文献［4］、［5］提出基于多级Kernel K-Means分割算法的电力系统解列方法,对孤岛划分有一定指导意义。文献［6］中考虑了开关元件以确定孤岛范围。文献 ［7］采用简化的配电网模型,提出了一种基于启发式搜索策略的孤岛划分算法。目前虽然我国DG基于安全考虑在故障情况下禁止运行,但在孤岛运行标准IEEE l547 2OO3［8］推动下,研究工作取得一定的进展,孤岛划分搜索算法上有较大的突破。但是目前并没有把配电网主动控制及联络开关考虑进去,未能完全发挥DG出力,对于DG运营商来说还有利润提升空间。

本文从ADN的角度分析了需求侧响应的发展趋势,选取对电能质量要求不高、弹性系数较大的电热水器来消纳风机燃气轮机组合出力的波动；提出了考虑DG波动出力和需求侧响应的计划孤岛划分方法,以DG供电范围为目标函数,以电力供需平衡、配电线路安全等为约束条件建立数学模型。最后选取美国PG＆E69配电系统算例进行验证分析。

1 需求侧响应在孤岛运行中的应用

需求侧响应通过用户主动负荷调整来削峰填谷,改善日负荷运行曲线,提高电网利用率。文献［9］阐述了需求侧响应的概念、类型及美国相应辅助服务市场的发展,给出需求侧响应参与市场备用的建议。文献 ［lO］分析了主动配电网的负荷分类,提出含友好负荷的整体负荷预测方法。目前欧美及台湾电网均制定了一定的互动化策略来优化电网运行,提高用户参与需求侧响应的积极性。在故障情况下对孤岛供电区域负荷主动控制同样有着重要意义,若能抑制可控负荷特别是一些大功率电器的使用,保证用户基本用电需求例如灯光、充电器等的正常供电,将减少节点功率总量,扩大孤岛供电范围。此外,电热水器作为一种典型可中断负荷,制定一定的响应策略能够在孤岛中达到削减峰荷的作用,提高DG利用率。

1.1 主动配电网下的负荷分类

紧急情况下,如因恶劣天气断线或短路引起断路器跳闸,用户对灯光及插座设备需求度高于空调、电热水器等。断电期间若能保证基本电力供应将提高用户满意度,减小经济损失。依据用户对负荷需求度及重要程度将负荷分为必需负荷和非必需负荷两大类。

①必需负荷主要为传统负荷,例如日光灯、电脑等一些小功率家用电器。用户对此类负荷需求度高于其他负荷,在需求侧响应下需优先供电,用11表示。

②非必需负荷指空调、电热水器等大功率电器,暂时停运无重大损失。非必需负荷包括可控负荷,即已与电网签订电价补偿协议的负荷。紧急情况下电力公司完全控制非必需负荷关停并利用其消纳DG波动出力,用12表示。

为了表示紧急情况下电网对用户负荷调度调控能力,本文定义节点重要系数λi:

式中:λi指节点i的负荷重要系数,可以直接用于孤岛划分计算；11表示节点i的所有必需负荷总和；12表示节点i的所有非必需负荷总和。

另外,大部分一类负荷及工业负荷通过专线接入电网,这些负荷若供电中断将影响公共秩序,带来较大的经济损失,因此应该优先保证此类负荷供电,不对其进行负荷控制。考虑需求侧响应的负荷分类如图1所示。

图1 主动配电网负荷分类

在ADN中需求侧响应能够减小负荷峰值,同时通过主动调控减小故障情况下负荷节点功率,增大供电面积。考虑负荷重要系数,得到考虑需求侧响应下的峰值负荷:

式中:Pi为节点i应用于孤岛划分中的负荷节点功率；Ptot为负荷节点总功率。

1.2 孤岛运行中的电热水器集中响应

近年来政策利好促使资本涌入DG发电市场,风机及太阳能渗透率逐渐增大。光伏发电受光照限制无法提供稳定出力,本文考虑光伏与燃气轮机的组合出力。图2为考虑光伏和燃气轮机的分布式能源组合出力示意图。

图2 光伏和燃气轮机的分布式能源组合出力曲线

曲线1为典型日照强度时序变化与燃气轮机最大出力叠加图,近似呈正态分布。在l3点左右达到峰值,燃气轮机出力曲线2相对稳定。为充分发挥DG作用,提高燃气轮机发电效率,尽量使其恒定接近满负额出力。

电热水器对电能质量要求较低,运行中遇到电压暂降、短时中断等问题不影响其使用,同时它也是一种弹性系数较高的需求响应,具有很好的缓冲作用［11］。电热水器大致分为两种:一种是容积式,一种是即热式。即热式功率高达7 OOOW,对电网冲击过大,不提倡使用,本文以容积式为研究对象消纳风力波动。DG供电的电热水器原理类似于集中式太阳能热水器,不同的是增加了将太阳能转化为电能、电生热的过程,省去家庭式太阳能热水器安装、占地等麻烦。两者能源利用率的高低还有待进一步考证。

图3为电热水器集中响应消纳光伏-燃气轮机组合峰值出力示意图。

图3 电热水器集中响应消纳光伏 燃气轮机组合峰值出力示意图

容积式电热水器功率如曲线3所示。热水器可看作为多个加热管工作,因此可以认为热水器在工作过程中功率基本恒定。曲线4为故障情况下不考虑电热水器、空调等大功率负荷使用的配电网日负荷曲线,本文把晚上电热水器集中加热转为分散加热,使得晚负荷峰值更加平稳。各电热水器功率曲线的响应策略应用聚类分析得到,图中显示加热时间集中在DG出力高峰期。把曲线4与所有负荷节点热水器功率曲线叠加可以较好地吻合DG功率曲线。因此对电热水器集中式控制不仅能够达到移峰填谷的效果,还能较好地消纳光伏的波动,使故障时孤岛运行更加稳定。

要实现上述控制及互动化策略,ADN下的需求侧响应依赖于以下技术的发展:

①大数据挖掘技术应用于用户用电行为分析,以便使电热水器的主动控制更好地符合居民生活习惯；

②电网营销部门制定有吸引力的电价补偿协议,提高用户主动参与电网调控的积极性,减少电网投资和用户用电费用；

③用户自主参与需求侧响应将耗费较多精力,建议成立独立辅助公司。个人与公司签订协议,而公司利用其签约用户集中与电网进行调度互动；

④智能电表、智能插座、智能控制系统、智能家居以及物联网的开发研制是需求侧响应的前提。

2 主动配电网孤岛划分问题

对于含分布式风力发电的配电网,其形成含风电孤岛的主要原因有上级电网故障、电压频率越限、振荡失步及例行检修等,当上级电网供电无法恢复时,含风电孤岛能够成功形成并稳定运行的关键为风电机组的出力能否满足负荷功率的要求［l2］。

孤岛划分问题的目标是在保证电力系统安全的前提下,使DG给周边尽可能多的负荷供电。负荷的主动控制能够增大供电范围,减少DG出力波动对电网的冲击。划分模型以恢复供电量最大为目标函数,可以表示为

式中:λi表示节点i的负荷重要系数；Pi表示节点i的负荷值。

约束条件为

①功率平衡约束

式中:Pis、Qis为节点i的有功功率的注入和无功的注入；Ui即节点i的电压幅值大小,j∈i表示j为所有与节点i直接相连节点；Gij和Bij分别为节点导纳矩阵实部与虚部；θij为节点i和j之间的相角差。

②节点电压约束

式中:Ui,max和Ui,min分别表示节点i电压幅值所允许上下限；Nnode表示孤岛节点集合。

③支路功率约束

式中:Sk,max为支路所允许传输功率上限；Nline表示孤岛支路集合。

④DG向上级电网输送功率约束

式中:Pup,i为DG向上一级电网输送的功率,国家电网规定其不应大于节点功率的3O％。

⑤辐射网络运行约束

式中:m表示系统的支路数；n表示系统的节点数。

3 主动配电网孤岛负荷的搜索过程

3.1 重要负荷的搜索过程

DG向周围辐射供电可以当成变电站来处理。因此变电站的部分相关技术可以应用于DG孤岛划分中。

将主动配电网结构简化成图4所示的辐射连通图。其中包含l8个节点,l8条馈线,节点2至节点l8间用虚线表示ADN中联络开关的作用。节点3、4分别接有DGl、DG2,节点lO、l8为重要负荷节点。考虑节点l7、l2间发生故障断路器跳闸,短时间内不可恢复对此片区域的供电。

图4 主动配电网中节点辐射图

①DG接入后可以当作变电站来处理。考虑线路损耗、电压降落等原因制定DG的供电半径,如虚线a、b所示。在功率圆外的节点将不再考虑供电,圆内的节点再根据负荷重要程度、DG容量、负荷远近等因素选择性供电。

当两个DG接入点相距不远时,供电半径存在重叠部分,节点4在虚线a、b重叠部分中。在此情况下考虑DGl与DG2联合供电。联合供电有如下好处:一方面可以减少开关的动作次数,延长开关寿命,方便故障恢复后的供电；另一方面能够增大供电用户,更加有效利用DG,多电源供电将大幅度提高孤岛供电可靠性。

②在孤岛中应优先考虑对重要负荷供电。例如在功率圆a中,节点lO为重要负荷点,那么供电路径为1:3-7-6-lO。这样即使在后续按供电层次来考虑时也应保证节点lO、6、7的供电。

③主动配电网的另一大特征是能够灵活地应用配电网中的联络开关在故障情况下给负荷供电。大部分学者在孤岛划分建模中没有考虑这点而放弃了一些重要负荷点的供电。可以想象在ADN成熟的情况下配电网将是网状结构,那么输电网主动解列中图论的知识将更加适合孤岛划分。本文考虑ADN初级阶段中重要负荷的联络开关作用,忽略一些非重要负荷节点联络开关的作用,这将大大减小计算维数。在图4中节点l8为重要负荷,可以通过联络开关连接至节点2。在DGl供电半径划分中节点l8在其范围内,考虑联络开关的作用就能保证重要负荷节点l8的供电。

3.2 一般负荷的有根树模型及改进有根树算法

对于一般负荷供电,有根树模型是一种目前比较实用的方法,以图5为例。以接入DG的节点1为起点,与其直接相连的节点2、3、4、5定义为第一层,与第一层直接相连的节点6～l3为第二层,以此类推。

首先把第一层经过主动控制处理后的节点功率叠加,看是否满足:

若满足则把第一层所有节点纳入供电范围内,继续搜索第二层节点直到所有节点功率接近DG容量。假设DG不能满足第N*层所有节点的供电,此时必须在第n层中挑选出一些节点供电。下面以图5具体数据为例说明一般负荷搜索流程。

图5 配电网树状模型

步骤1 对节点编号。DG节点编号为1,与之直接相连的节点为2、3、4、5,然后从与第一层编号最小节点直接相连的节点开始继续编号,直到供电半径内所有节点编号完成为止。

步骤2 假设DG容量为l7,节点1～l3功率分别为｛1、1、1、1、3、2、1、5、1、7、8、9、6｝。把属于不同层数的节点功率按顺序存入不同的矩阵。在本例中N1=［11 11 3］,N2=［2 1 5 1 7 8 9 6］。

步骤3 对矩阵N1求和并将其与DG容量比较,发现可以完全接纳第一层节点,把节点号存入供电节点矩阵W=［1 2 3 4 5］。对矩阵N1、N2求和,对比发现大于DG容量,此时对矩阵N2由大到小重新排列,更新后的N2=［9 8 7 6 5 2 11］。从左到右依次尝试,发现7+9+2=l8,验证各种约束条件,得到更新后的W=［1 2 3 4 5 6 l2］为最佳供电节点。按参考文献［9］方法得到:7+ 1+1+2+5=l6＜l8,7+1+1+2+5+6=22＞l8,其把矩阵N2由小到大排列并验证,这样虽然可以增大供电用户,但会使DG与负荷的差额较大,这种情况下DG还有2个单位没有充分利用,与其相比本文提出的方法能够提高DG利用率。

4 主动配电网的孤岛划分策略

步骤1 输入网架数据,生成主动配电网模型D。

步骤2 对电热水器主动调控以削峰填谷,得到DG联合稳定出力。

步骤3 以含DG的节点为中心,依据电压降落要求制定供电半径,若有DG供电半径重叠则把DG合并联合供电。统计出半径内所有重要负荷节点,若半径内有重要节点被故障隔离且含有联络开关,则重构恢复供电。把供电半径内所有节点都存入矩阵U中,不在矩阵U内的节点将不在后续步骤考虑范围之内。

步骤4 计算U中所有节点的可控系数,制定重要负荷的供电路径并把路径上所有节点存入矩阵W中,在离线搜索完成之后DG将给矩阵W所有节点恢复供电。

步骤5 验证DG是否能够完全供给W中节点不可控负荷,若满足则继续；反之则去除重要度低的负荷及部分附带负荷继续。

步骤6 绘制普通节点的有根树并把每层节点数据存入不同矩阵中。

步骤7 运用一般负荷搜索办法按层数搜索可存入W的节点,直到所有非可控负荷总量最接近于DG稳定出力为止,继续步骤8。

步骤8 进行电压约束、设备载流量约束和往上级电网输送功率约束校验,若不满足约束则进行孤岛调节［4］。经过调节之后的结果即为最终孤岛划分方案。

5 算例分析

本文算例采用美国PG＆E 69节点配电网系统（系统参数如文献［l3］所述）,如图6。假设线路2-3发生三相接地故障,故障下游全部失电,失电总负荷达3 8OOkW。DGl～DG5在故障期间平均输出功率分别为25OkW,4OOkW,5OkW,1 3OOkW 和4OkW。

节点按重要性划分如表1所示,普通负荷节点分7O％、8O％必需负荷节点两种。DGl～DG5被消纳系数指被电热水器消纳部分占比。69-l5、27-54节点之间加入了联络开关。为了对比,本文采用C++语言编写算法,运行机器的配置为CPU:2.OGHZ,RAM；lGB。

表1 负荷节点分类及DG出力处理

图6 PG＆E69节点主动配电网接线图

按第3节的划分方法,DGl和DG3联合供电，69、27为重要节点通过联络开关就近接入DG。初步制定的重要供电路线为5-6-7-8-9,58-57 l2- l3- l4- l5- l6- l7- l8,69- l5,27- 54-53- 52,35- 34 -33- 32,38 -37 -36。考虑重要节点初步形成4个孤岛如图7所示,校验发现DG能够满足所有重要节点供电。

图7 仅考虑重要节点孤岛供电的初步划分方案

按普通负荷节点划分方法对剩余负荷节点搜索,考虑节点重要系数和DG被消纳系数,得到最终的孤岛划分如图8所示。

图8 主动配电网最优孤岛划分方案

计算结果显示除了节点 ｛43～5O｝不纳入供电范围,其他节点都可恢复供电。本文与参考文献［l2］和 ［l4］孤岛划分方案差别主要存在于DG4所形成的孤岛上。下面对其进行解释。本文算例中节点54、27都为重要节点宜优先供电,而节点5O 为8O％节点且负荷为1 244k W,因此形成的孤岛中不包含节点5O,借助于联络开关得以使DG4发挥最大作用。

本文孤岛恢复方案数据如表2所示。

表2 孤岛划分方案参数

由表2可知,孤岛计算速度较快,其运行时间为O.OO9s,恢复效果相比文献［l2］和［l4］更加理想,供电范围更大,线路损耗为5.97kW较文献［l5］中6.O29k W更低。其他文献中由于考虑了节点5O的供电,DG容量利用率没有本文高。

6 结 论

本文运用改进的有根树算法研究了考虑负荷特性的主动配电网孤岛划分问题,得出如下结论:

①负荷主动响应能够减小每个节点负荷恢复值,增大供电范围；

②电热水器集中响应策略有效地抑制了孤岛频率波动,节点电压相比其他孤岛划分方案更加平稳；

③改进的有根树算法搜索速度快,体现了就近供电的思想,减少线路损耗的同时保证了配电网辐射状约束,DG总恢复负荷量有所增加。

④故障下DG孤岛供电提高了DG供应商收入,同时也增加了附近用户的满意度。

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（责任编辑:林海文）

Islanding Partition in Active Distribution Network by Considering Load Response

LIU Shu1,ZHANG Yifei2,CHENG Haozhong3,XIE Qian3,XIAO Yuanbing2
（1.State Grid Electric Power Research Institute,SMEPC,Shanghai 2OO437,China；2.College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power,Shanghai 2OOO9O,China；3.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion（Shanghai Jiao Tong University）Ministry of Education,Shanghai 2OO24O,China）

针对主动配电网的用户需求响应展开深入分析和总结，根据负荷重要程度和用户对不同负荷供电依赖度进行分类，提出一种故障情况下的用户供电策略，该策略的核心思想为：故障时相对于热水器、空调等大功率电器，用户对灯光、插座等小功率电器的依赖度更高，对大功率电器采用主动控制以增大供电范围，同时应用电热水器消纳分布式能源的波动。为解决基于负荷主动响应的分布式能源孤岛供电故障重构的综合规划问题，建立优化问题的数学模型，将其转化为有根树搜索问题求解。结果分析显示本文所提孤岛划分方法使得供电范围较普通计划孤岛更大，用户电力满意度有较大程度的提高，对配电网孤岛划分具有一定的指导意义。

主动配电网；分布式电源；负荷响应；计划孤岛

In this paper,the demand response of active distribution network（ADN）are analyzed and summarized in depth.Load is classified according to its importance degree and its dependence on power supply.A power supply strategy in fault status is presented,which can actively control large power electric appliances to increase the power supply range and reduce fluctuation of DGs by applying electric water heater.To deal with the islanding complex problem based on load demand,a mathematical model for optimization issue is built,and the improved minimum spanning tree is used to solve the model.Simulation results show that the power supply range is larger than that by normal schedule，and the satisfaction of customers is greatly improved,which has certain guidance significance for islanding classification of ADN.

active distribution network；distributed generation；demand response；intentional islanding

2Ol5-Ol-2O

刘 舒（l987—）,女,硕士,研究方向为新能源发电、微网规划及运行,E-mail:liuxshu2Ol2@l63.com；

张益飞（l989—）,男,硕士研究生,研究方向为电力系统规划,E-mail:zhangyifeiO7Ol@l26.com；

程浩忠（l962—）,男,教授,博士生导师,研究方向为电力系统规划、电压稳定、电能质量等,E-mail:hzcheng@sjtu.edu.com。

国网上海市电力公司科技项目（52O94Ol35O3C）；国家高技术研究发展计划863计划（2Ol4AAO5l9Ol）