考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究.pdf

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考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究1 考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究2 考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究3 考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究4 考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究5
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第39卷第17期2011年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.39NO.17Sept.1,2011考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究赵晶晶,杨秀,符杨(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海200090)摘要:鉴于传统的配电网供电恢复算法都没考虑分布式发电孤岛运行产生的影响,提出考虑DG孤岛运行方式下的智能配电网供电恢复算法。当配电网发生严重故障引起大面积停电时,对DG进行孤岛划分,DG按孤岛划分方案转入孤岛运行模式维持对孤岛内重要负荷供电。采用基于二进制粒子群优化算法的供电恢复算法对孤岛外非故障停电区域进行供电恢复,在维持孤岛内重要负荷供电的前提下最大限度地对孤岛外停电区域恢复供电。最后将该算法应用到33节点测试系统,仿真结果验证了该算法的有效性。关键词:智能配电网;分布式发电;供电恢复;孤岛运行;粒子群优化算法SmartdistributionsystemservicerestorationusingdistributedgenerationislandingtechniqueZHAOJing-jing,YANGXiu,FUYangfDepartmentofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)Abstract:InviewoftheconventionaldistributionsystemservicerestorationmethodsIgnoringthe1nfluenceofthedistributedgeneration(DG)islanding,asmartdistributionsystemservicerestorationmethodusingDGislandingtechniqueisproposed.First,whenseriousfailuresresultinlargeareapowerblackout,DGswitchestotheislandingoperationmodeusingislandingalgorithmtomaintainthepowersupplyfortheimportantload.Second,aservicerestorationmethodbasedonthebinaryparticleswarmoptimiz ̄ionisproposedtorestorenon-failurepowerblackoutareaoutsidetheislanding.Onthepremiseofmaintainingtheimportantloadsintheislanding,thismethodrestorestheloadsoutsidetheislandingtothemaximaldegree.Atlast,theservicerestorationmethodiSexertedon33.nodefeedegandthesimulmionresultsdemonstratethevalidityofthemethod.Keywords:smartdistributionsystem;distributedgener ̄ion(DG);servicerestoration;islandingoperation;particleswarmoptimization中图分类号:TM711:TM72文献标识码:A———文章编号:16743415(2011)170045050引言面对国际国内经济形势、能源形势的变化,根据我国能源结构情况,从发展清洁能源、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长的需要,国家电网公司提出了建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网的战略目标。智能电网具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征,包含发电、“基金项目:上海市教育委员会和上海市教育发展基金会晨”“”光计划资助项目(10CG58);上海教委优青资助项目(sdll0030);上海市教委重点学科建设项目资助(J51303);上海市科委科研计划资助项目(091605016O0)输电、变电、配电、用电和调度各个环节lJ七J。其中智能配电应综合应用各种先进自动化技术、通信技术、信息技术,实现具备自愈能力、更高的安全性、电能质量、支持分布式电源的大量接入和对配电网及其设备实现可视化管理的目的。自愈能力主要是以保障供电不间断为目标,在故障发生后的短时间内及时发现并自动隔离故障,防止大面积停电,并快速从紧急状态恢复到正常状态。分布式发电(DistributedGeneration,DG)是指分散配置在用户附近的几十kw到几十Mw的小规模发电装置,如燃气轮机、内燃机以及以太阳能光伏电池、燃料电池、风能为能源的新型发电装置qJ。由于DG能提高能源利用效率、节能、多样化地利用各种清洁和可再生能源,DG在未来的智能电网中的电力系统保护与控制应用将会越来越广泛。DG通常直接接入配电系统,具有并网运行和孤岛运行两种运行模式。并网运行模式是指DG接入电网后与原有系统一起向负荷供电的运行模式;孤岛运行模式是指电网发生故障后,DG和主电网分离,对停电区域负荷独立供电的运行模式L5J。国际能源机构提出:当电网的部分线路因故障或维修而停电时,停电线路由所连的并网发电装置继续供电,并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛现象,这种现象叫做DG的孤岛效应。随着DG在配电网中数量不断增加,在电网输配电系统发生故障时,利用DG孤岛效应,继续保持为重要负荷供电,从而提高系统供电可靠性,为智能电网应对电网大面积停电提供了一种新措施。配电网供电恢复是在配电网发生故障后,通过网络重构在确保系统运行安全的条件下,快速恢复对非故障停电区域失电负荷的供电。目前已有大量文献对供电恢复算法进行了研究,如采用启发式搜索法,模糊数学法,遗传算法,模拟退火算法等来寻找最优恢复方案L8引。DG并网后,配电网结构和运行控方式都将发生巨大改变,DO孤岛的形成使传统配电网供电恢复算法不再符合新的要求D3)。因此,研究电网大面积停电后,利用DG孤岛效应,维持重要负荷供电的前提下最大限度地对非故障停电区域恢复供电,提高电力系统抗灾防御能力具有重要的意义。本文根据DG并网后的运行特性,提出了利用DG孤岛效应的配电网供电恢复算法。故障发生后,首先检查故障支路下游是否包含DG,如果包含DG,按预先制定的孤岛划分方案将DG转化为孤岛模式运行,维持孤岛内重要负荷的供电。然后,将开关转换次数最少作为目标函数,并综合考虑网络拓扑结构、DG容量、节点电压安全、支路功率等约束,采用基于二进制粒子群优化算法(BinaryParticleSwarmOptimization,BPSO)的供电恢复算法,最大限度地对孤岛外的非故障停电区域恢复供电。1配电网供电恢复数学模型配电网供电恢复是一个多约束的非线性优化问题。本文将开关转换次数最少作为目标函数,并综合考虑网络拓扑结构、DG容量、节点电压安全、支路功率等约束,具体数学模型如下:①目标函数开关转换次数最少w∑minS=lS-SDJ(1)i=1式中:S为开关转换次数,为第i个开关的开、关状态,分别用0和1表示,为第i个开关的初始状态。②约束条件1)DG注入功率不应超过DG最大容量;2)节点电压应保持在允许电压范围内,即电压介于最大和最小值之间;3)支路功率不超过最大功率约束;4)供电恢复过程中,配电网络结构应保持呈辐射状;有孤岛形成后,配电网中与根节点相连接部分网络也应呈辐射状。2含DG孤岛的配电网供电恢复算法2.1BPSO概述BPSO是Kennedy博士和Eberh博士为解决离散空间的优化问题于1997年提出TBPSO算法引。Ⅳ优化过程为随机初始化粒子群,第f个粒子用雠向量和分别表示其位置和速度,将其代入优化目标函数得出适应值,更新粒子速度和位置,通过迭代寻求最优解。粒子速度和位置的更新方程为:=+q,;0一)+(一一)(2)式中:第i个粒子用雠向量表示和分别为粒子i在第k次迭代时的第d维速度和位置;为惯性权重系数;C、C,为加速系数,分别调节向全局最优粒子和个体最优粒子方向飞行的步长;、为[0,1】之问的随机数;P为粒子i第摊个体最优点的位置;g为整个群在第摊全局最优点的位置。粒子i的位置取值为0或1,速度越大表示位置取值为1的概率越大。为【0,1】之间的随机数,S=1/(1十e)。为防止)函数饱和,可将粒子速度设定在卜.4_,41内。2,2基于BPSO的配电网供电恢复算法配电网供电恢复算法是配电网故障后通过改变网络开关状态,在满足网络安全运行的条件下,调整网络结构,将非故障停电区域内负荷转移到正常供电区域,达到缩小停电范围,快速恢复供电的目的。本文将开关状态变量作为基本粒子,分别用0、】表示断开和闭合状态,按BPSO算法求解。供电恢复过程中,每次开关状态更新后都要对配电网进行~次潮流计算,确定粒子更新位置的适应值[15】。<>一k=ll●●,,(l赵晶晶,等考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究.47.BPSO供电恢复算法流程如下:①输入配电网络初始信息,确定可操作分段开关和联络开关位置,确定基本粒子维数。②Ⅳ设定粒子群规模,惯性权重系数,加速系数c,迭代次数f等参数。③随机初始化粒子群,得到个可行解。④对每个粒子进行粒子的速度和位置更新。⑤进行潮流计算,计算粒子更新位置后的适应tness=F(x)。⑥如果达到最大迭代次数,则停止计算,否④则返回第步。2.3DG孤岛划分算法确定孤岛划分方案时应考虑以下两方面的原则:①孤岛内负荷容量与DG总发电容量应达到功率平衡,负荷容量超过DG总发电容量将导致系统频率降低,对系统运行和设备安全都带来严重的危害。②电力系统中按负荷重要程度的不同分为等级高低的负荷,孤岛划分方案应保证重要负荷优先供电。本文对DG进行动态孤岛划分,孤岛划分的目标是使孤岛内所包含负荷点的等值有效负荷之和最大。以DG所在馈线的负荷点为圆心,沿着网络拓扑方向,以DG的额定容量为半径搜索负荷,该圆内包含的负荷点集合称为功率圆,并采用广度优先搜索来确定功率圆的范围。从DG所在馈线的负荷点出发,首先访问与负荷点相连的所有支路,然后访问下层支路,在孤岛对区域D连通性条件下,遍历功率圆图,直至目标函数达到最大值。执行这种搜索算法,就可以得到配电网故障后的最优孤岛划分方案。这个孤岛的端点是孤岛划分方案执行时需要跳开的节点,即分段开关的配置位置。2.4含DG孤岛的配电网供电恢复算法流程含DG孤岛的配电网供电恢复流程如下:①按DG的安装位置和容量确定故障后DG的孤岛划分方案,确定孤岛划分方案执行时需要断开的分段开关配置位置。②故障发生后,检查故障支路下游是否包含DG,如果包含DG,DG转入孤岛运行。③查找DG孤岛形成时需断开的分段开关和停电区域支路分段开关位置。④调整故障后配电网络结构信息,寻找非故障停电区域可恢复路径,确定可操作分段开关和联络开关数,确定基本粒子向量。⑤根据孤岛形成后配电网拓扑结构变化,调整潮流计算程序中网络结构信息。对潮流计算程序中的支路矩阵,节点矩阵、发电机矩阵数据进行调整。⑥②⑥执行BPSO供电恢复算法流程~。⑦寻找系统中是否存在未被恢复区域,如果有无法恢复的的非故障停电区域,进行切负荷处理。3算例分析本文采用文献[15]中的33节点系统作为算例。该系统共有37条支路,5个联络开关,分别是¥33、¥34、¥35、¥36、¥37,假设每条支路都设置有一个分段开关。总负荷为3715kW+j2265kvar,额定电压为12.66kV,该系统结构见图1。DG2图133节点测试系统Fig.133Nodetestfeeder本文在测试系统中接入了4个DG,假设DG的安装位置和容量在DG规划阶段根据重要负荷分布情况进行了优化分配,具体安装位置和容量见表1。表1DG安装位置和容量Tab.1LocationandcapabilityoftheDG本文设定惯性权重系数CO=0.8,加速系数c1:c2=2.0,并设定BPSO算法中粒子数N=20,迭代次数为100次。本文对2种故障情况进行了分析,验证了本文算法的有效性。文中假设供电恢复前,已完成故障..48..电力系统保护与控制检测与隔离操作,非停电支路的DG保持并网运行。故障1:在支路9、22处同时发生永久性故障,对故障点隔离。支路9下层支路中包含DG2,支路22下层支路中包含DG3,因此对DG2、DG3进行孤岛划分,孤岛划分方案见表2。表2DG。孤岛划分方案Tab.2IslandingschemeoftheDG3由表2可见断开分段开关S12、S15后形成由DG2、支路13、14组成的孤岛2;断开分段开关S22后,形成由DG3、支路23、24组成的孤岛3,分别对孤岛内负荷供电。由图1可见,故障后,故障支路9、22断开,孤岛2、3形成后,支路23、24、12、13、14、15,n配电网分离,联络开关s34、¥37连接节点14、24分别包含在孤岛2、3内不可用,可用联络开关为S33、¥35、¥36。从配电网中去掉故障支路、孤岛划分配置支路和不可用联络开关支路后,配电网变为27节点、27条支路系统,此时,配电网中只包含DG1和DG4。配电网结构调整后可操作分段开关和联络开关数为27,设定基本粒子维数为27。在潮流计算程序中修改配电网结构信息,对节点矩阵、支路矩阵、发电机矩阵重新排序编号。最后按照BPSO算法求解孤岛外非故障停电区域的配电网供电恢复方案。供电恢复后系统参数见表3。由表3可见,为对非故障停电区域恢复供电,联络开关¥35、¥36闭合,¥35闭合后支路10、11恢复供电,¥36闭合后为支路15、l6恢复了供电。系统供电恢复后,开关转换次数为3,节点15为电压最低点0.937p-u.。该算法实现了故障】发生后对孤岛外所有非故障停电区域的供电恢复。表3供电恢复结果1'ab-3Resultsofservicerestoration3O下层支路中包含DG4,因此对DG1、DG2、DG4进行孤岛划分,孤岛划分方案见表4。表4DG、DG、DG孤岛划分方案Tab.4IslandingschemeoftheDG1,DG2andDG4由表4可见断开分段开关s5、s8、¥25后将形成由DG、支路6、支路7组成的孤岛1:断开分段开关S12、S15后将形成由DG2、支路l3、l4组成的l孤岛2;断开分段开关¥30后将形成由DG4、支路31、32组成的孤岛4,分别对孤岛内负荷供电。孤岛形成后,孤岛外支路9、10、11、12、15、16、17、26,27、128,29成为非故障停电区域,按照本文提出的BPSO算法对孤岛外非故障停电区域进行供电恢复,供电恢复后系统参数见表5。表5供电恢复结果Tab.5Resultsofservicerestoration由表5可见,为对非故障停电区域恢复供电,联络开关¥35、¥37闭合,¥35闭合后对支路9、1011恢复供电,¥37闭合后对支路26、27、28、29恢复供电。系统供电恢复后,开关转换次数为2,节点25为电压最低点D.937p.u.。由于支路】6、17无可恢复路径无法恢复供电,对支路16、l7进行切负荷处理。由上述两种供电恢复结果数据可见,由于供电恢复和网络结构、故障位置和转换开关位置密切相关,因此,供电恢复算法主要目标是找到一系列开关动作组合,实现最大限度地对非故障停电区域恢复供电。4结论陪肇网后墓鼋凳嚣蓄言三慧曩障点隔离。支路6下层支路中包含DG、DG:,支路模芋旨雯螽赵晶晶,等考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究..49..引起大面积停电状况下的供电恢复算法。该算法利用DG的孤岛效应,大面积停电后,在维持孤岛内重要负荷供电要求前提下最大程度的对孤岛外非故障停电区域恢复供电。本文算法建立在孤岛动态划分和配电网自动化控制基础上,对自然灾害造成的配电网严重受损后的灾区电力恢复提供了有效的参考方案。随着微网技术的发展,如何利用由分布式电源、负荷和储能装置形成的微网孤岛运行方式的智能配电网供电恢复将是下一步将研究的内容。参考文献[1]刘振亚.智能电网技术【M】.北京:中国电力出版社,20l0.[2]肖世杰.构建中国智能电网技术思考【JJ.电力系统自动化,2009,33(9):1-4.XIAOShi-jie.ConsiderationofthetechnologyforconstructingChinesesmartgrid[J].AutomationofElectricPowerSystems,2009,33(9):1-4.[3]张立梅,唐巍,赵云军,等.分布式发电对配电网影响的综合评估[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):—132135,140.—ZHANGLimei,TANGWei,ZHAOYun-jun,eta1.Theintegratedevaluationofimpactofdistributedgenerationondistributionnetwork[J].PowerSystemProtectionand—Control,2010,38(21):132135,140.[4]王建,李兴源,邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化,2005,29(24):90.97.WANGJian,LIXing-yuan,QIUXiao-yan.Powersystemresearchondistributedgenerationpenetration[J].AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(24):—9097.[5]崔金兰,刘天琪,李兴源.含有分布式发电的配电网重构研究[J1.电力系统保护与控制,2008,36(15):37-40.49.—CUlJin-lan,LIUTian-qi,LIXingyuan.Networkreconfigurationatthedistributionsystemwithdistributedgeneration[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(15):37-40,49.[6]周卫,张尧,夏成军,等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J1.电力系统保护与控制,2010,38(3):1-5,10.ZHOUWei,ZHANGYao,XIACheng-jun,eta1.Effectofdistributedgenerationonrelayprotectionofdistributedsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(3):1-5,10.[7]唐斐,陆于平.分布式发电系统故障定位新算法[J】.电力系统保护与控制,2010,38(20):62-68.TANGFei,LUYu-ping.Newfaultlocationalgorithmfordistributedgenerationsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(20):62-68.18jHsuYYKuoHC.Aheuristicbasedfuzzyreasoningapproachfordistributionsystemservicerestoration[J].IEEETransonPowerDelivery,1994,9(2):948-953.E93ZhouQ,ShirmohammadiD,LiuWHE.Distributionfeederreconfigurationforservicerestorationandloadbalancing[J].IEEETransactionsonPowerSystems,1997,—l2(2):724730.[10]卢志刚,董玉香.基于改进二进制粒子群算法的配电—网故障恢复【J]_电力系统自动化,2006,30(24):3944.LUZhi-gang,DONGYu-xiang.Distributionsystemrestorationbasedonimprovedbinaryparticleswarnloptimization【J].AutomationofElectricPowerSystems,—2006,30(24):3944.[¨]李海锋,张尧,钱国基,等.配电网故障恢复重构算法—研究【J】.电力系统自动化,2001,25(8):3437.—LIHaifeng,ZHANGYao,QIANGuoqi,eta1.Studyonthealgorithmforservicerestorationreconfigurationindistributionnetworks[J].AutomationofElectricPower—Systems,2001,25(8):3437.[12]卢志刚,董玉香.含分布式电源的配电网故障恢复策…略[电力系统自动化,2007,3):89・94.LUZhi-gang,DONGYu-xiang.ServicerestorationatrategyforthedistributionsystemwithDGs[J].AutomationofElectricPowerSystems,2007,3l(1):89.94.[13]KennedyJ,EberhartR.Adiscretebinaryversionoftheparticleswarmalgorithm[C】.//ProceedingoftheWorld—MulticonferenceonSystemics,CyberneticsandInformatics.Piscataway,NJ,1997.[14]易新,陆于平.分布式发电条件下的配电网孤岛划分—算法[J】_电网技术,2006,30(7):5054.YIXin,LUYu-ping.IslandingalgorithmofdistributionnetworkswithdistributedgeneratorsfJ】.PowerSystemTechnology,2006,30(7):50-54.[15]BaranME,WuFF.Networkreconfigurationindistributionsystemsforlossreductionandloadbalancing[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1989,4(2):1401-1407.—收稿日期;201卜1216:修回日期:201卜O卜3O作者简介:赵晶晶(1980-),女,博士,讲师,主要研究方向为—配网优化运行、风力发电并网;Email:jjzhao—sh@163.com杨秀(1972-),男,博士,教授,主要研究方向为智能电网,微电网;符杨(1968-),男,博士,教授,主要研究方向为电力系统规划,风力发电。
陌南尘
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