含有分布式電源的智能配電網(wǎng)孤島劃分策略

1、含分布式電源的智能配電網(wǎng)孤島劃分策略*王振浩 1 ，李秉書 1，任強(qiáng) 2，李國(guó)慶 1（ 1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012 ；2.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030 ）摘要： 為保證智能配電網(wǎng)的高速可靠運(yùn)行，研究了基于 Prim智能算法的含分布式電源的智能配電網(wǎng)孤島劃分策略，該算法以求取連通圖的最小生成樹的方法，求解智能配電網(wǎng)的孤島劃分問題，在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)制定最優(yōu)的孤島劃分策略，有利于縮小電網(wǎng)故障恢復(fù)的停電區(qū)域范圍和停電時(shí)間。本文將該算法應(yīng)用于IEEE33 節(jié)點(diǎn)含分布式電源的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)中，驗(yàn)證了該智能算法的有效性。關(guān)鍵詞 ：智能配電網(wǎng)；分布式電源；DG

2、；孤島劃分；Prim 算法；最小生成樹中圖分類號(hào)：TM732文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-1390（ 2014 ）00-0000-00Island Division Strategies for the Smart Distribution Network withDistributed Power SupplyWANG Zhen-hao 1， LI Bing-shu 1 ， REN Qiang 2 ， LI Guo-qing 1（ 1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012,J

3、ilin,China.2. Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, Heilongjiang,China)Abstract: To ensure the high-speed and reliable operation of the intelligent distribution network, the paper studied island division strategies for the intelligent distribution network with distributed po

4、wer supply basedon the Prim intelligent algorithm.By means of the method of obtaining the minimum spanning tree oftheconnected graph, the algorithmsolvedthe island divisionissues of the intelligentdistributionnetwork.When there was something wrongwiththe distribution network,the algorithmcouldformul

5、atetimely theoptimal island division strategy, whichwas propitious to reduce the blackout area and outage time of thefault restoration of the powergrid.Inthis paper, the algorithmwas applied tothe intelligent distributionnetwork with distributed power supply with IEEE33 nodes, and the effectiveness

6、of the intelligent algorithmwas verified.Key words: intelligent distribution network, distributed power supply, DG, islanddivision, Prim algorithm,minimum spanning tree0 引言目前，被人們關(guān)注眾多的分布式電源(Distributed Generation ，DG) 成為了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，它是一種利用多樣化發(fā)電資源的發(fā)電形式。按其所用的能源能否再生的情況分為兩部分： （ 1）利用包括風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、海洋能發(fā)電以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電

7、等的可再生能源的 DG ；（ 2）利用包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃動(dòng)機(jī)、熱電* 基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（2012515 ）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20130206038GX ）聯(lián)產(chǎn)、內(nèi)燃機(jī)等的不可再生能源的DG 。而配電網(wǎng)由于 DG 的接入形成了單電源與多電源模式的轉(zhuǎn)換， DG 所在的位置、其包含的容量以及運(yùn)行方式都會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的線路潮流、節(jié)點(diǎn)電壓、網(wǎng)絡(luò)損耗都產(chǎn)生較大影響 1-4 。根據(jù) DG 與公共電網(wǎng)的關(guān)系，其運(yùn)行模式可以分為兩類： （ 1）孤島運(yùn)行模式：DG獨(dú)立運(yùn)行單獨(dú)向附近的用戶供電；（ 2）并網(wǎng)運(yùn)行模式：DG并入電網(wǎng)，與之一同向用戶供電，該種模式又分9-1013 。從而為 DG

8、 與電網(wǎng)并行但不輸出電能于電網(wǎng)中、DG與電網(wǎng)并行但輸出電能于電網(wǎng)兩種。伴隨著DG系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，可能出現(xiàn)的孤島效應(yīng)問題越來越受到人們的關(guān)注。孤島現(xiàn)象的定義是當(dāng)大電網(wǎng)因?yàn)榫S修或發(fā)生故障， 和負(fù)載的連接斷開，但 DG系統(tǒng)沒有檢測(cè)到其停電，繼續(xù)與負(fù)載相連，給負(fù)載供電，因此使DG 裝置與周邊的負(fù)載形成一個(gè)自供給供電孤島5-6 。為實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的供電可靠性和快速自愈，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者就智能配電網(wǎng)最優(yōu)孤島劃分，以及含分布式電源的電力孤島對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的影響7 進(jìn)行了深入研究但也存在一些問題。如：文獻(xiàn)8 采用廣度優(yōu)先、深度優(yōu)先的搜索方法建立孤島劃分策略，但是對(duì)于含多個(gè)DG 的復(fù)雜配電網(wǎng)計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)

9、算復(fù)雜并且實(shí)用性低。文獻(xiàn)采用啟發(fā)式的搜索策略根據(jù)孤島內(nèi)功率平衡約束條件，實(shí)現(xiàn)尋求孤島的最優(yōu)解，而沒有考慮到如何在故障排除后快速?gòu)墓聧u模式恢11復(fù)到并網(wǎng)模式。文獻(xiàn)提出了一種主動(dòng)孤島運(yùn)行的方法，它是通過提前規(guī)劃好孤島劃分區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的，但是由于其不能預(yù)知孤島的發(fā)生時(shí)間，實(shí)文中提出了基于 Prim 的智能算法求解， 其優(yōu)勢(shì)是可以應(yīng)用于配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，避免了一般方法只能自上而下搜索求解，該算法最大范圍的形成 DG 供電的孤島形成全局最優(yōu)解，可保證盡可能多的負(fù)荷恢復(fù)供電。本算法深入研究分析了含分布式電源的智能配電網(wǎng)孤島劃分策略，把智能配電網(wǎng)孤島劃分方案轉(zhuǎn)化為求取連通圖的最小生成樹問題，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的劃分

10、策略。當(dāng)智能配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，該算法不僅能在孤島模式中為盡可能多的負(fù)荷供電，而且有利于在故障排除后快速的在孤島與并網(wǎng)模式的無縫轉(zhuǎn)換，使配電網(wǎng)停電損失最小。1 孤島劃分意義與原則IEEE Std.1547 不再禁止有意識(shí)的孤島存在，而是鼓勵(lì)供電方和用戶盡可能地通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的孤島運(yùn)行，并在經(jīng)濟(jì)方面達(dá)成共識(shí)12 。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)迅速做好故障定位與隔離故障區(qū)域，根據(jù)故障前運(yùn)行狀態(tài)、分布式電源與負(fù)荷的容量和大小按預(yù)先制定的控制策略，有計(jì)劃地進(jìn)行孤島劃分，當(dāng)出現(xiàn)主電網(wǎng)的容量不足，DG容量較大能夠滿足本地用戶的供電需求，應(yīng)該根據(jù)自身的容量向系統(tǒng)中的其他負(fù)荷提供電力支持，為了提升供電的穩(wěn)定性和可靠性，

11、DG應(yīng)該發(fā)揮其最大能力，最大化的給負(fù)荷供電大大減小停電帶給配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)損失，這就需要有計(jì)劃地科學(xué)合理的為智能配電網(wǎng)進(jìn)行快速最優(yōu)的孤島劃分，以滿足智能配電網(wǎng)的無縫自愈。計(jì)劃孤島的劃分是一個(gè)多目標(biāo)、多組合、多約束的非線性優(yōu)化問題，確定孤島方案時(shí)要考慮以下原則14-16 ： 孤島內(nèi)負(fù)荷容量與發(fā)電容量的匹配關(guān)系，在不造成 DG 過負(fù)荷下，使孤島中的 DG 能充分發(fā)揮供電能力； 計(jì)及電力系統(tǒng)對(duì)各等級(jí)負(fù)荷供電可靠性的不同要求，使孤島方案能夠保證重要負(fù)荷優(yōu)先供電； 開關(guān)操作次數(shù)盡可能少， 提高系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)效性； 計(jì)劃孤島運(yùn)行時(shí)， 對(duì)之前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動(dòng)盡量少，有利于網(wǎng)絡(luò)能盡快恢復(fù)原來的供電結(jié)構(gòu)； 計(jì)劃孤島運(yùn)行

12、時(shí)， 允許存在暫時(shí)性的環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，但要避免孤島系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備過載或者電壓異常。2 孤島劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型我國(guó)配電網(wǎng)一般都采用環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行特點(diǎn)的接線方式， 整個(gè)配電網(wǎng)可以簡(jiǎn)化成由邊、節(jié)點(diǎn)組成的連通圖，成輻射狀結(jié)構(gòu)。其中配電網(wǎng)的每一條供電路徑，就相當(dāng)于連通圖的一條邊，每一個(gè)負(fù)荷就相當(dāng)于連通圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中配電變壓器、變電站母線、饋線、 DG、斷路器、分段開關(guān)和負(fù)荷構(gòu)成了整個(gè)配電網(wǎng)的連通圖。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，就需要對(duì)整個(gè)含有 DG 的智能配電網(wǎng)進(jìn)行孤島劃分，從而實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式。（ 1 ） 目標(biāo)函數(shù)：以盡可能地使負(fù)荷恢復(fù)的最多而建立目標(biāo)函數(shù)：nF max f ( xi )(1)i 1

13、式中 n 聯(lián)絡(luò)元件數(shù)；f ( xi ) 計(jì)算元件 i 加載的負(fù)荷量。（ 2 ） 孤島劃分的約束條件如下： 孤島內(nèi)功率要平衡孤島劃分時(shí)，無功功率一般作用于就地進(jìn)行17 。該算補(bǔ)償，而孤島內(nèi)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率必須大于負(fù)荷所需要的有功，只考慮有功功率的平衡約束即：nkPGiPLi0(2)i1j 1nkQGiQL i0(3)i 1j1nn式中PGi 、QGi 孤島范圍內(nèi)所有DG 發(fā)電i1i 1的有功和無功容量；kkPLi 、QL i 孤島范圍內(nèi)所有負(fù)載的有j1j1功和無功容量。 變壓器和線路上的負(fù)載電流不能過載由于需要孤島運(yùn)行以維持更多的負(fù)荷供電，電網(wǎng)中有功功率的余額變小，為了不引起保護(hù)動(dòng)作，所以任

14、意一個(gè)變壓器上流過的電流，和任意一條線路上流過的電流不能超過額定電流，否則會(huì)使線路和設(shè)備退出運(yùn)行，從而引起的孤島范圍內(nèi)功率不平衡。發(fā)電機(jī)的功率差額最小的劃分方案。nminf i(6)i1式中有 i1,., n 個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)， 如果保留第i 個(gè)點(diǎn)，則令 fi0 ；如果切除第i 個(gè)點(diǎn)，則 fi1 。3 求解算法和步驟3.1 孤島劃分問題求解方法文中提出了一種基于Prim 算法的智能算法，解決含有 DG 的智能配電網(wǎng)孤島劃分策略。 Prim 算法是一種求取連通圖最小生成樹的算法，其目的是以最小的代價(jià)連通圖中所有的節(jié)點(diǎn)法可以用來對(duì)孤島劃分的路徑進(jìn)行搜索，并可以維持重要負(fù)荷的持續(xù)供電，以最大范圍的劃分孤島

15、，盡可能地切除整個(gè)配電網(wǎng)最少數(shù)量的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)孤島區(qū)域與停電區(qū)域快速并網(wǎng)有利于故障后的恢復(fù)供電。文中根據(jù)孤島劃分實(shí)際情況制定負(fù)荷搜索路線，備選路徑應(yīng)滿足先近后遠(yuǎn)的原理，將配電網(wǎng)連線圖簡(jiǎn)化成為由支路和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的圖論模型。從連通圖T(V , E) 的某負(fù)荷節(jié)點(diǎn)出發(fā)，選擇與I max ijI Nij(4)這一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)相連權(quán)值最小的邊(u0 , ) ，將這一式中 I max ij 線路與變壓器上所流過的最大電流；I Nij 線路和變壓器上的額定電流。 母線上的電壓不能越限一般母線上電壓限制的范圍是 ±5% 。電壓過高會(huì)使長(zhǎng)期帶電的設(shè)備，過熱或損壞；電壓過低可能導(dǎo)致開關(guān)和保護(hù)動(dòng)作，是不可靠的。0

16、.95U N U i 1.05U N(5)式中 U i 母線上實(shí)際電壓；U N 母線上額定電壓。 易于恢復(fù)孤島的運(yùn)行是一種非正常狀態(tài)下電網(wǎng)的運(yùn)行方式，配電網(wǎng)系統(tǒng)解列應(yīng)該選取孤島的數(shù)目最少，操作方便，開關(guān)跳閘最少，有利于配電網(wǎng)故障恢復(fù)的方式。切除的負(fù)荷數(shù)量最少，孤島中負(fù)荷和個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)加入到生成樹節(jié)點(diǎn)的集合U 中。以后每往下一步的邊都要選擇包含一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在集合U 中而另一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不在集合U 中，并選擇其中權(quán)值最小的邊(u,) ，把它的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)都加入到集合 U 中，最后，一直到路徑中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，都加入到生成樹負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合U 中結(jié)束， 這樣就展示出了一個(gè)最小生成樹的模型。在智能配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)權(quán)值計(jì)算公

17、式為：PL*j(7)W( j )Pmax*式中 Pmax* 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在孤島形成時(shí)最大的有功功率； PL*j 負(fù)荷節(jié)點(diǎn) j 在孤島形成時(shí)的有功功率。A8C7B597515ED689F11G圖 1配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the distribution network假設(shè)圖 1 為智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，DG從節(jié)點(diǎn) D 接入，其余的字母代表負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，邊代表其線路的路徑，數(shù)字代表其權(quán)值。圖 2 中整個(gè)配電網(wǎng)以負(fù)荷節(jié)點(diǎn)D 為搜索開始起點(diǎn)。可選擇的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)A、B、E 和 F 都通過單條邊與 D 相連為可選擇的搜索路徑。與D相連邊權(quán)值最小是負(fù)荷節(jié)點(diǎn)A ，所以搜索路徑為從A至 D

18、 節(jié)點(diǎn)。 這樣賦予邊的權(quán)值可以讓邊具有方向性，在進(jìn)行搜索時(shí)， 能夠搜索到權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)，從而最大范圍的形成 DG 供電的孤島。下一節(jié)點(diǎn)包含 A 與 D 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的邊權(quán)值最小的是負(fù)荷節(jié)點(diǎn) F。可選擇的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為B 、E、F，比較邊的權(quán)值分別是7 、 9、 15、 6，所以選擇權(quán)值最小的邊 6，所在搜索的路徑就成為AD、DF圖 2（ a）所示。整體配電網(wǎng)應(yīng)用Prim 算法對(duì)負(fù)荷的搜索路徑選擇直至結(jié)束如圖2（ a）（ f ）所示。最后圖2（ f）中所有紅色部分所展示的就是整個(gè)配電網(wǎng)的最小生成樹，其權(quán)值之和為39。7B8CA975A5DA5DA5DA5D796796796796B87158F11(c)

19、B87158F11(d)B87158F11(e)B87158F 11(f)C5E9GC5E9GC5E9GC5E9G515ED689F11G(a)A8C7B597515ED689F11G圖 2 Prim 算法流程Fig.2 The procedure of Prim algorithm3.2 求解流程求解流程如圖3 所示。(b)開始輸入全網(wǎng)各個(gè)分量的原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與故障信息把配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為帶有權(quán)值的連通圖T母線搜索確定 DG 安裝位置和容量記錄所有節(jié)點(diǎn)負(fù)荷與支路根據(jù)孤島劃分約束條件制定負(fù)荷搜索路徑當(dāng)發(fā)生永久性故障的是支路7 8、29 30 處，支路 7 8、29 30 斷開，對(duì)故障點(diǎn)隔離， 有 DG

20、2 、DG 4 存在于故障點(diǎn)下游。根據(jù) Prim 算法， 尋找最優(yōu)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行孤島劃分，形成以DG 2、DG4 為主的孤島區(qū)域（一）和（二）如圖5 所示的圓所畫出的部分。DG 322S3729DG423 2432302526 27 2831S36S34選擇權(quán)值最小的支路不是最小1346791011 1213加入到集合U 中是最小值輸出最小負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、邊與權(quán)值停止搜索優(yōu)化生成最小生成樹形成孤島劃分方案圖 3求解流程圖Fig.3 Solution flowchart4 算例分析文中采用33 節(jié)點(diǎn)的含有分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)作為算例， 來驗(yàn)證基于Prim 智能算法的孤島劃分策略最優(yōu)的正確性。該系統(tǒng)額定

21、電壓為12.66kV ，總共有 5個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)、37 條支路，系統(tǒng)中還含有 32個(gè)分段開關(guān)。總負(fù)荷為6965kW+j4427kVar ，該配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。DG 3聯(lián)絡(luò)開關(guān) ：S3722232429DG 43230252627 28S3431S3613467910111213025DG 18DG2 14 15 16 17S33S3518192021圖 433 節(jié)點(diǎn)的含 DG 的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram for the 33-node distribution networksystem with DG表 1DG 安裝位置和容量Tab.1 DG installation lo

22、cation and capacity節(jié)點(diǎn)位置分布式電源容量 /kW功率因數(shù)6DG 114000.813DG 210000.924DG 319000.8531DG 416500.80258DG2 1415 16 17S33DG 1S35181920 21聯(lián)絡(luò)開關(guān) ：故障支路：孤島劃分區(qū)域：圖 533 節(jié)點(diǎn)含 DG 的配電網(wǎng)孤島劃分后系統(tǒng)圖Fig.5 Diagram for the33-node distributionnetwork system with DG after islanding連接孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)不可使用，孤島所在區(qū)域最終形成孤島內(nèi)負(fù)荷供電區(qū)域并與主網(wǎng)分離。故障恢復(fù)后，需要

23、利用具有檢同期合閘功能的斷路器將DG 孤島并網(wǎng)運(yùn)行。如圖5 所示。5 結(jié)束語文中闡述了孤島劃分原則，建立了含分布式電源的智能配電網(wǎng)孤島劃分的數(shù)學(xué)模型，并提出了一種基于 Prim 的智能算法的劃分策略。 該策略能夠有效的快速的對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行孤島劃分，使其在電網(wǎng)故障時(shí)維持孤島范圍內(nèi)負(fù)荷的持續(xù)供電，并且劃分范圍盡可能的大。能夠進(jìn)行孤島運(yùn)行模式減小停電損失，并與智能配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)含分布式電源的智能配電網(wǎng)故障的無縫自愈。參考文獻(xiàn)1 馮慶東. 分布式發(fā)電及微網(wǎng)相關(guān)問題研究J. 電測(cè)與儀表, 2013, 50(2): 54-59.FENG Qing-dong. A Review of

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