基于BGA的配电网可靠性自恢复方法

吴争荣, 包新晔, 尹立彬, 梁耀文

(1. 中国南方电网有限责任公司 生产技术部, 广州 510623; 2. 南方电网数字电网研究院有限公司 智能输配电与智慧能源事业部, 广州 510130)

随着我国电力系统规模的日益扩大,电力系统中配电网的网络结构也越趋复杂,配电网的停电故障时有发生,对我国电力系统的稳定运行提出了巨大挑战.故障自恢复功能是配电网所具备的一种自我调节功能,当配电网支路发生故障时,配电网的故障自恢复功能可以有效提升系统供电的可靠性[1-2].传统配电网结构一般为单向辐射型网络,当网络某支路产生故障情况时,首先对网络故障点进行精准定位并快速隔离故障;然后迅速恢复非故障位置的支路网络供电,防止由于部分支路故障造成配电网总体网络的停电[3-5].

针对配电网故障自恢复问题,目前已有较多的相关研究成果.易海川等[6]将开关对执行的开闭操作定义为一个阶段,将配电网故障后自恢复的网络重构视为一种涵盖多个阶段的决策问题.杨丽君等[7]研究得到一种优化后的配电网支路交换方法,利用配电网在实际负荷电流与理想负荷电流之间的差值来确定工作的分段开关,可以同时在一次操作中动态调节数个独立拓扑网络,有效提升了运算效率.Chen等[8]提出一种高效的配电网支路交换方法,通过确定配电网最优转移负荷电流的符号及幅值可实现最大降损的开关组合,且在配电网的重构阶段无需采取潮流运算,有效提升了运算速度.Capitanescu等[9]将BPSO算法与DPSO算法相结合,提出了混合PSO算法,显著减少了无效粒子的生成几率.Li等[10]构建了多目标约束条件下的配电网重构优化模型,通过设定不同情况下的收敛指标,有效提升了退火算法的运算速度.但随着当前可再生能源技术的不断兴起与蓬勃发展,分布式电源(distributed generators,DG)开始大规模并网,其所占的发电比例越来越高,使得配电网的网络拓扑结构产生了大幅变化.这不但有效提升了配电网供电效率,也使得传统配电网的可靠性自恢复算法不再适用于此类分布式配电网,从而对配电网可靠性自恢复研究提出了新的挑战[11-12].

本文针对现有的分布式配电网结构,提出一种新型的配电网网络支路分组算法(branch grouping algorithm,BGA),旨在有效提升配电网可靠性自恢复能力.将该算法在IEEE-33节点配电系统中进行仿真实验测试与数据分析,从而有针对性地获取到有效的配电网供电恢复策略.

1 配电网可靠性自恢复目标与约束

配电网可靠性自恢复问题有多种解决算法,如神经网络算法[13]、遗传算法[14]和模糊逻辑算法[15]等.这些方法广泛应用于配电网供电恢复过程中,尽管这些算法可以解决供电恢复的问题,但大多仍需要遵循相似的目标与约束条件.

本文在利用BGA实现配电网可靠性自恢复时,主要基于以下两个目标:

1) 恢复断开负载最大化.这一主要目标是最大化恢复配电网网络中断开的负载.

2) 交换次数最小化.由于配电网网络支路的频繁交换可能会导致断电,同时也会影响开关使用寿命,因此将最小交换次数设定为目标.

除了考虑配电网可靠性自恢复目标外,在解决供电恢复问题时还需考虑一些约束条件,约束条件包括:1)限制线路电流.配电网网络中的每个支路电流幅值均不应超过线路的电流幅值限制.2)线路容量限制.供电恢复后的网络支路视在功率不应超过所允许的上限.3)节点电压限制.为保障供电可靠性,根据系统节点电压规定,必须设定满足供电需要的最小节点电压.4)配电网结构限制.为了保证分布式电源并网后电网的安全、稳定运行,配电应当采取辐射型结构.

2 配电网可靠性自恢复方法

2.1 BGA原理

本文针对配电网网络支路故障,引入了支路分组处理,旨在有效减少供电恢复处理时间.对配电网网络拓扑结构相似支路进行分组,对同一分组中的所有支路均可采用相似的供电恢复方案.因此,一个单一支路故障的计算对于同组中的其他支路同样有效.基于这一假设,只需对网络单支路故障进行M次运算即可,传统的N节点配电系统通常需要N-1次运算.在方法应用过程中,读取与保存输入数据后,输入母线和支路数据,然后将配电网支路分成不同分组.考虑到配电网的拓扑结构,分组内任一支路的线路故障恢复策略都可与同组内的其他支路故障恢复策略相同.算法在执行过程中,需要考虑各支路相关的母线.根据潮流方向,将支路相关的母线定义为输入母线与输出母线.BGA流程如图1所示.

图1 BGA流程图

算法具体步骤如下:

1) 将配电网中母线、支路与联络线的潮流数据变为mat文件格式导入到MATLAB中进行读取.

2) 读取配电网故障时的母线与联络线数据.

3) 根据输入文件中读取的母线类型,将直接与分布式电源或变电站连接母线相连的支路划分为馈线组.

4) 对其余的支路进行分组,在默认情况下考虑的支路是与馈线组直接相连的支路,分组时需要注意以下特殊情况:

① 第2个分组应包含具有合并或分离输出母线所直接连接的两个及两个以上支路.若其中一条支路与其他馈线组支路直接相连,则分组终止,该分组不包含该支路.

② 若输出母线仅有一条相连支路,且该支路不与馈线组直接相连,则可以与未分组的相邻输出母线划分为一组.

③ 若支路均不属于上述两种情况,则将相邻两支路划分为一组,分组方式秉持就近且不唯一原则.

分组后,可以求解每个支路发生故障时的自恢复策略.找到共同的自恢复策略后,当恢复发生时,分组内的支路可以采用相同的供电恢复操作.

2.2 潮流计算

为了找到最优自恢复策略,需要引入牛顿法与联络线.若某些联络线直接连接到组内,则使用牛顿法比较联络线以解决潮流;若没有直接的联络线连接到该组,则考虑最近的联络线以进行下一步的分组.本文仅针对单支路故障情况的单开关进行操作,若未有直接连接到该组的联络线,考虑引入最近的联络线进行分组划分.此时配电网自恢复的潮流约束条件[16]为

∑Fij=-ui

(1)

∑Fij≤Ci

(2)

式中:Fij为支路第i条母线流向第j条母线的功率,且满足条件Fij=-Fji;ui为第i个负荷节点的负荷量;Ci为第i个电源节点的容量.

同时设定馈线容量约束为

-xmPmax≤Fij≤xmPmax

(3)

式中:Pmax为第m条支路最大的载流量;xm为支路通断状态,通常用1表示通路,用0表示断路.xm可表示为

xm=∑Wim+∑Wjm

(4)

式中,Wim与Wjm分别为以第i条母线和第j条母线作为输入母线与输出母线,且流经第m条支路的供电支路状态.支路状态可分为通断两种,在辐射型配电网中,可以将式(4)简写为

(5)

式中:M为配电网所包含的支路总数;N为配电网网络中的母线总数;NC为电源节点的数量.潮流约束条件设定后,可逐步断开网络中的支路.

3 实验验证

本文将基于BGA的配电网可靠性自恢复方法应用于IEEE-33节点配电系统,基于配电网的网络结构,根据分组原则对网络中的支路进行分组.理论上配电网网络结构中应当包括1条或2条联络线,且确保配电网具有的拓扑结构.此外,由于配电网在支路故障自恢复过程中靠近供电电源端的一些节点可能会产生电压较低的情况,这需要对供电支路总长度进行约束,因此,需要断开部分联络线.图2给出了本文采用的IEEE-33节点配电系统结构,图中虚线表示联络线.网络支路无故障条件下的默认最小节点电压为0.910 75 p.u.,默认线损为208.459 2 kW.支路分组结果如表1所示.

表1 IEEE-33节点配电系统支路分组结果

图2 IEEE-33节点配电系统

对各支路故障情况进行分析,结果如图3所示.

图3 IEEE-33节点配电系统不同情况下节点电压

1) 当支路1发生故障时,若配电网网络中不包含分布式电源,则唯一不能带故障运行的支路为1号支路.若1号节点上只有一条馈线,将1号支路隔离作为孤岛,则无法实现供电恢复.而其他支路发生故障时,则几乎都可以求解得到全部或部分供电恢复策略.

2) 当支路2～5发生故障时,则需要多根联络线执行多次支路交换,因为单次开关操作无法恢复下游部分网络供电.

3) 当支路8发生故障并进行单次开关操作以恢复供电负荷时,由图3b可以看出,有23个节点电压在限制范围内,其他母线未有潮流,因此不作考虑.

4) 当支路22、23发生故障时,某些节点的母线最低电压不在限制范围内.支路交换后系统网络上游运行受所连接的断电区域影响,导致出现潮流减小的情况,如图3c所示.

5) 当支路29、30发生故障时,该分组支路应尽量避免与联络线相连.因为当第36号联络线供电恢复时会降低其他组节点的电压,则第37条联络线的连接会在系统中形成一个闭环.若不使用联络线,支路故障发生时,第29、30号节点的母线电压仍在限制范围内.图3d中总计有30个节点数据,这是由于此时第31～33号节点的母线电压不满足电压限制.

表2是利用联络线实现单分支故障恢复的仿真结果.在未有分布式电源的配电网中,由于支路1是上游供电支路,因此支路1发生故障时不可能恢复;支路2～5处发生故障可能无法仅通过一根联络线实现故障恢复,至少应涉及两次或更多的切换操作;支路8、支路22和支路23故障仅能有23个节点实现自恢复,其余10个节点将断开供电,因此还应引入至少2条联络线,才能够实现恢复多条或全部受支路故障影响的母线;支路18、支路29、支路30和支路31在恢复供电时,仅用单根联络线无法使部分节点实现故障自恢复,应当引入两条联络线使所有节点恢复供电.

表2 IEEE-33节点配电系统支路故障仿真结果

在表2的第4列中,给出了配电系统的最小节点电压.在大多数故障情况下,故障支路的母线电压仍能保持在0.9 p.u.以上.第5列表示支路故障发生后与系统原始功率损耗相比减少的功率损耗.

当配电系统中支路30发生故障时,需要由支路38作为联络线连接到支路32.由于分布式电源的引入,表1中的第13组需要被拆分为3组:1)第13组,包含支路29与支路31;2)第14组,包含支路32;3)第15组,包含支路38.

相比之下,原有配电系统的最小节点电压为0.910 75 p.u.,节点所在支路的功率损耗为208.459 2 kW;而含分布式电源的配电系统最小节点电压为0.934 8 p.u.,节点所在支路的功率损耗为119.973 6 kW.

当支路30发生故障时,可以不使用联络线即实现30个节点的供电恢复;而含分布式电源的配电系统则需引入第36号联络线,恢复所有节点供电.图4给出了当支路30发生故障时,原有配电系统与含分布式电源的配电系统节点电压恢复情况.在支路30发生故障后采用BGA对系统支路进行重新分组,其中第8组被扩充,并且包含支路15、支路16、支路17、支路32和支路36,第14组所包含的支路从支路32更改为支路38.

图4 支路30故障恢复后配电系统各节点电压

此处以支路30故障恢复后,支路14再次发生故障为例进行分析.分布式电源的存在使得系统可能形成孤岛,然而第34号联络线的引入使得系统的多数节点电压得到提升,如图5所示.若支路14形成孤岛,则配电系统的最小节点电压为0.944 4 p.u.,功率损耗为114.395 0 kW.而联络线的引入将配电系统最小节点电压提高到0.959 7 p.u.,并将功率损耗降低到98.357 8 kW.第二次故障后,BGA对系统进行重新分组,第7组不再包含支路14,而支路34加入到第8组.

图5 含有分布式电源的配电系统各节点电压

由以上分析可知,当采用BGA后,IEEE-33节点配电系统有62.5%的支路可以完全恢复供电,仅需单个联络开关执行一次操作即可.有21.875%的支路可以实现部分恢复供电,其余支路根据故障情况的不同,可以通过多种分组方式执行供电恢复.

4 结 论

为了有效实现配电网可靠性自恢复,本文提出一种新的支路分组算法.主要通过执行支路故障的离线求解过程,对一个平衡系统中具有恒定负载的不同支路分组应用预定义的解决方案.这确保了可以使用最小数量的开关操作最快实现配电网供电恢复,有效提升了故障发生时系统的恢复能力.该方法在IEEE-33节点系统上进行测试,主要目标是恢复最小节点电压以满足用户需求,多数的恢复结果均是通过联络线的引入进行实现的.同时该方法可以根据分布式电源的功率大小与位置改变恢复分组,减少寻找解决方案所需的计算时间,然后将解决方案存储在系统中,并在发生故障时采用相应的解决方案.下一步,将把该方法在更大规模的配电系统中进行应用,并考虑引入智能算法提升分组效率.