一种含分布式电源配电网计划孤岛的优化规划方法

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  摘要:分布式电源的接入是传统配电网从无源网络变成了有源网络,当配电网发生故障或有计划检修时配电网时产生的各类孤岛,对配电生产的设备安全和人生安全提出了很大的挑战。本文就是基于上述考虑,研究含分布式电源配电网的计划孤岛解列和组合原则,提出计划孤岛的优化规划计划方法,形成计划孤岛的组合步骤,其基本思想是基于负荷保障率约束、功率约束及单元联通性约束,实现配电网计划孤岛的有序解列和组合,保证了配电网孤岛解列和组合的平稳性,有助于提高配电网的供电可靠性,最大限度地提供了分布式电源的利用效率。
  关键词:分布式电源、配电网,计划孤岛;孤岛解列;孤岛组合
  Abstract:DG is the traditional distribution network into active network from the passive network,when a fault occurs in distribution networks or plan maintenance of distribution network is generated when various islands,great challenges equipment safety and life safety of the power distribution production.This paper is based on the above considerations,the research with distributed power distribution network planning Island splitting and combination principle,put forward the optimization planning method of planned islanding,the combination step formed in the planned islanding,the basic idea is to load guarantee rate constraint,power constraint and single element connectivity constraints based on columns and orderly combination,solution of distribution network planned Island,ensure stable distribution network islanding solution column and combined,help to improve the power supply reliability of distribution network,to provide maximum efficiency using distributed power supply.
  Key words:The distributed power supply,power distribution network,planned Island,Island combination,Island separation;
  0引言
  近年来,随着分布式电源的快速发展,分布式电源并网数量和容量的不断增大,导致传统配电网从无源网络变成有源网络,给配电网的日常运行管理带来了很大的难度。分布式电源的接入,一方面可以为重要负荷提供备用支撑电源,减少了重要负荷的停电概率和时间,提高了系统的可靠性;但另一方面,一旦配电网发生故障,局部故障切除很有可能导致分布式电源带着一部分负荷继续运行,而且有可能会运行比较长一段时间,这就给配电网的故障恢复和检修带来了极大的安全隐患。
  国内外以往的经验,当配电网发生故障时,则需要立即跳开接入该区域的所有分布式电源,防止故障恢复时的非同期合闸或者带电检修线路。但是随着分布式电源并网容量和运行能力的不断提高,这样以简单切除的方式带来了供电可靠性的降低、供电能力的损失。设想,如果能够通过合理规划,有计划的形成各种运行性能比较好的独立运行区域,这样既避免了对分布式电源的影响,又可以改善配电网的供电能力[1-3]。   这就引入了计划孤岛的概念。就是根据分布式电源的容量和故障前的运行状态、本地负荷的大小,事先确定合理的孤岛区域,在与主系统断开后,能够保证小系统的稳定运行,称为计划孤岛。若是选择功率平衡点附近作为断开点,与大系统断开后,小系统内部功率平衡,就可以比较平滑的过渡到新的稳定运行状态。这样就可以很好地保障孤岛解列和组合过程中的平滑过渡。
  孤岛问题一直是电力系统专业的研究热点。本文就是基于上述考虑,研究含分布式电源配电网的计划孤岛解列和组合原则,提出计划孤岛的优化规划计划方法,形成计划孤岛的组合步骤,为含分布式电源的配电网孤岛管理提供实用化的方法[4-8]。
  1孤岛解列组合准则
  孤岛运行又称为孤岛效应,定义为与主系统分离的一部分配电网络,由一个或多个DG独立供电,以一定的电压频率继续运行。孤岛和孤岛运行是有区别的,孤岛不一定形成孤岛运行。孤岛运行的必要条件为当线路故障或维修而导致电网侧的开关跳开时,分布式发电装置提供的有功、无功功率与所带负荷相匹配,此时小系统内电压、频率变化并不大,都在允许范围内,DG能够继续向负荷供电。按是否经过预先规划,孤岛运行可分为计划孤岛运行和非计划孤岛运行。
  DG 接入系统以后,当有故障发生时,保护动作,断路器跳闸,这时,有可能形成DG 单独带负荷运行的状态,我们称之为非计划孤岛。如下图中的zone1,zone2,zone3,即是不同的断路器跳闸以后形成的几个不同的孤岛区域。
  图1 非计划孤岛示意图
  Fig1:Schematic diagram of non planned Island
  这种运行状态由于是偶然的,不确定性的,很有可能由于功率不平衡,引起频率的变化,孤岛崩溃,进而给系统带来极大的危险。所以目前在国内外的大多数DG 并网的运行规程中都要求:在系统发生故障的时候,要尽快把DG 切除,退出运行,以保证系统的安全。但是这样对DG 的运营商来说是极不公平的,也有违我们接入DG 的初衷。
  所以,在分布式发电系统中,我们引进了另外一种类型的孤岛,称之为计划孤岛,即这种孤岛运行是根据分布式电源的容量和故障前的运行状态,本地负荷的大小,事先确定合理的孤岛区域,而制定的一种稳定的运行状态,在这种运行状态下不但不会引起系统崩溃,而且还可以继续向一些负荷供电,减小了停电范围,保证了供电的可靠性。
  计划孤岛的划分是一个多目标、多组合、多约束的非线性优化问题,确定孤岛方案时要考虑以下原则:
  (1)孤岛内负荷容量与发电容量的匹配关系,在不造成DG过负荷下,使孤岛中的DG能充分发挥供电能力。
  (2)计及电力系统对各等级负荷供电可靠性的不同要求,使孤岛方案能够保证重要负荷优先供电。
  (3)开关操作次数尽可能少,提高系统的动作时效性。
  (4)计划孤岛运行时,对之前的网络结构变动尽量少,有利于网络能尽快恢复原来的供电结构。
  (5)计划孤岛运行时,允许存在暂时性的环网运行,但要避免孤岛系统运行中设备过载或者电压异常。
  2计划孤岛的优化规划方法
  2.1计划孤岛中重要单元的划分
  对计划孤岛进行优化规划时,需要对两类重要单元进行划分,其中一类是负荷单元,另一类是电源单元,它们是组成计划孤岛的两类重要元素。
  负荷单元(CL)由负荷、负荷的接入点及连接线构成;电源单元(CS)反映各电源向电网的注入功率,由电源、电源的接入点及连接线构成。
  电源单元和负荷单元有2个共同的属性,即节点属性和功率属性。节点属性由单元边界与连接线相交的节点集合构成,负荷单元功率属性的功率值(PL)为负实数,即负荷单元向电网吸收功率(电源输出负功率)。功率属性由单元内的功率值和其正负性构成(PS)。图2所示系统简化单元划分结果如图3所示。圆圈内的区域表示1个单元,正负号表示单元功率的正负性,括号内的数值表示单元的序号,圆周上的数值表示单元节点编号。
  图2 配电网接入DG结构
  Fig2:The structure of distribution network DG access
  图3 计划孤岛中简化单元划分
  Fig3:Simplified unit division plan Island
  2.2计划孤岛单元的划分组合方法
  1、划分组合约束函数
  (1)负荷保障率(Λmax)目标函数为:
  (1)
  式中:m为单个孤岛集合(Gi)内负荷单元的个数;n为配电网内Gi的总个数;CLj为形成Gi的负荷子单元,PLj为负荷单元的有功功率值;λLj为负荷等级属性对应的负荷重要性,第一、二和三级负荷单元对应的值分别为1、0.1和0.01。发生故障后,在满足约束条件下,划分组合使所有孤岛集合中的负荷单元的负荷加权和最大,即恢复负荷供电率最高。
  (2)功率约束为: (2)
  式(2)表示各个Gi内的功率平衡关系,孤岛集合内的电源单元(CSj)的功率值(PSj)、负荷单元(CLj)的功率值(PLj)满足式(2)时,表示该孤岛集合内的电源单元能够支持其中的所有负荷单元安全可靠运行。
  3)单元联通性约束为:
  (3)
  式中:Cj、Cj+1为将要形成Gi的任意相邻两个电源单元或负荷单元。式(3)表明单元是相互联通的,不存在孤立单元。   2、单元处理
  (1)单元搜索编号。配电网一般处于辐射型结构,按照配电网分支线末端到源点所经历的分支数目对分支线进行分层标号。假设主馈线的层次为1,从馈线上引出的分支线层次为2,从层次2的分支线上再引出的分支线层次为3,以此类推,从第k-1层分支线上引出的所有分支线为k层分支线,如图4所示。单元搜索编号后,首先在k层分支线上单元组合,在本层组合完毕后,继续向k-1层组合,以此类推,逐步向根层次组合靠近,保证单元组合的有序性。
  图4 广度优先搜索比编号
  Fig4:search the identifier with the breadth first
  (2)局部单元组合。组合是相邻的单元合并为1个新单元,新单元功率属性等于组合前各单元功率属性之和,其端点属性包括组合前各单元的端点属性中除公共端点以外的互不相同的端点。(PS+PL)成为新单元的功率值,节点集合ES和EL进行融合,形成新的单元边界节点集合,组合过程如图5所示。单元(8)和单元(10)形成新单元,其边界端点融合成新单元的端点,其功率值为参与组合的2个单元功率值的代数和。
  3计划孤岛划分组合步骤
  步骤1,将系统内稳定性电源和随机性电源区分处理。
  步骤2,以各一级负荷单元和随机性的电源单元为出发点,随机联接到附近的某一稳定性电源单元,计算并比较每个联接路径上经过的所有负荷单元和值,取和值绝对值最小的那条路径为该一级负荷单元联接到该电源单元的组合路径。在n条支路路径上形成的Gi内,所有CLj的负荷功率和为:
  (4)
  步骤3,重复步骤2确定每个一级负荷单元、随机性电源单元与相应的稳定性电源单元的联接路径。
  步骤4,计算每个稳定性电源单元上由步骤2、3确定的总路径(共k条干路)上总负荷值;并验证式(2)是否都成立。若某一稳定性电源单元不成立,调整该一级负荷单元或随机性电源单元的联接路径,选择次要路径联接到尚有裕量的稳定性电源单元上。
  步骤5,将未连接的二级负荷单元仿照步骤2~4的过程,进行联接处理。
  步骤6,经过步骤2~5,系统内的一级和二级负荷以及它们到各自稳定性电源单元联接路径上的三级负荷都联接组合完毕,形成初步孤岛集合。
  步骤7,若以上初步孤岛方案还有多余的供电能力,则将三级负荷单元也加入相应的孤岛集合。
  图5 计划孤岛中的单元组合过程
  Fig5:The process of plan isolated unit combination
  步骤8,若得到的孤岛集合有相交部分,则这2个孤岛集合可以联接成更大规模的孤岛集合。
  通过以上步骤,即可形成配电网计划孤岛的解列和组合。
  4结语
  本论文旨在提供一种含分布式的配电网计划孤岛的解列和组合方法,其基本思想是基于负荷保障率约束、功率约束及单元联通性约束,实现配电网计划孤岛的有序解列和组合,保证了配电网孤岛解列和组合的平稳性,有助于提高配电网的供电可靠性,最大限度地提供了分布式电源的利用效率。
  随着分布式电源接入配电网的渗透率越来越高,配电网计划孤岛的解列和组合将成为常态。配电网孤岛的管理将需要更加注重计划孤岛内的动态平衡问题,同时孤岛供电能力的实时监测也是下一步需要继续深化的研究方向。
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  作者简介:
  王庭华,江苏省电力公司经济技术研究院,江苏 南京,210008
  王庭华(1967—),男,高级工程师,主要从事电网设计与管理工作
  李 妍,江苏省电力公司经济技术研究院,江苏 南京,210008
  李 妍(1981—),女,高级工程师,主要从事电网设计与管理工作
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