（电力系统及其自动化专业论文）含dg的配电网供电恢复问题的研究.pdf

声明尸明 j i l ll lij i ii iiiri ii iiii y 17 8 5 8 4 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包含d g 的配电网供电恢复问题的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麴坠日期：塑坦：f ! 盥 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：奎窒竺导师签名： 日期：丝! ! ：竺口 含壕 ，l 一 ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了包含分布式发电( d g ) 的配电网供电恢复问题。在深入 分析含d g 的配电网的结构及其特点的基础上，提出了分布式电源在配电 网故障后的运行方式。将约束满足问题( c s p ) 模型应用到故障隔离后分 布式电源的孤岛划分中，实现了在线识别孤岛，并实现有效的孤岛划分， 该方法收敛迅速并且孤岛划分结果能够服务于之后的供电恢复过程。在孤 岛划分的基础上，应用多智能体免疫算法进行全局的供电恢复，建立了供 电恢复的多智能体免疫模型并进行了相关的仿真。最后，对供电恢复的多 目标模型应用小生境粒子群算法进行了仿真分析，算例表明了本文算法解 决供电恢复问题的高效性及可行性。 关键词：配电网供电恢复，分布式发电，孤岛划分，多智能体免疫算法， 小生境粒子群算法 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nd i s t r i b u t i o ns e r v i c er e s t o r a t i o nw i t hd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ( d g ) i sm a d e d e e p l yc o n s i d e r i n gt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t l ld g s ， o p e r a t i o no fd g s i nt h ee v e n to ff a u l ti sp r o p o s e d c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ( c s p ) m o d e li sa p p l i e di nt h ed gi s l a n d i n ga f t e rf a u l t t h eo n - l i n ei s l a n dr e c o g n i t i o n a n dd i v i s i o na r er e a l i z e d t h ei s l a n d i n ga l g o r i t h mb a s e do nc s pc o n v e r g e sr a p i d l ya n d t h er e s u l tc o u l dm a k et h eg j o b a lr e s t o r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t b a s e do nt h ei s l a n d i n g o p e r a t i o n , am u l t i - a g e n ti m m b n ea l g o r i t h m ( m 队) i sa p p l i e d t og l o b a ls e r v i c e r e s t o r a t i o na n dt h em i am o d e lo fs e r v i c er e s t o r a t i o ni sp r e s e n t e d a tl a s t ，t h en i c h e p s oi s a p p l i e d o nt h em u l t i o b j e c t i v ed i s t r i b u t i o ns e r v i c er e s t o r a t i o nm o d e l c a l c u l a t i o ne x a m p l em a n i f e s t st h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t y l ix u e d o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns e r v i c er e s t o r a t i o n ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，i s l a n d i n g , m u l t i a g e n ti m m u n ea l g o r i t h m ，n i c h ep s o 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义。1 1 2 包含d g 的配电网供电恢复问题研究现状。2 1 3 论文的主要工作5 第二章包含d g 的配电网简化建模及潮流计算。7 2 1 配电网的基本接线方式7 2 1 1 辐射型接线7 2 1 2 分段联络型接线7 2 1 3 “手拉手”接线8 2 1 4 网格型接线8 2 1 5 环网柜接线9 2 2 配电网的简化建模9 2 3 分布式发电的接入方式1 0 2 4 包含d g 的配电网潮流计算1 2 2 4 1 潮流计算的数学模型1 2 2 4 2 节点支路关联矩阵的生成1 2 2 4 3 辐射状网的潮流计算。1 3 2 4 4 算例分析1 4 第三章基于约束满足问题的分布式发电孤岛划分。1 7 3 1 引言1 7 3 2 分布式发电及其并网技术1 7 3 2 1 几种主要的分布式发电技术。：1 7 3 2 2 分布式发电的并网方式。1 8 3 3 孤岛划分存在的问题1 8 3 4 孤岛划分的目标函数及约束条件1 9 3 5 基于约束满足问题的孤岛划分2 0 华北电力大学硕士学位论文目录 3 5 1 基本的约束满足问题描述。2 0 3 5 2 基于c s p 的孤岛划分模型2 1 3 5 3 离线数据生成2 2 3 5 4 在线搜索最优解。2 2 3 6 算例分析2 3 3 7 本章小结2 5 第四章基于多智能体免疫算法的配电网供电，恢复2 6 4 1 引言。2 6 4 2 包含d g 的配电系统供电恢复模型2 6 4 2 1 网络拓扑的简化2 6 4 2 2 目标函数及约束条件2 6 4 3 多智能体免疫算法。2 7 4 3 1 多智能体免疫算法的提出2 7 4 3 2 多智能体免疫算法的基本结构2 9 4 4 供电恢复问题的多智能体免疫算法。3 0 4 4 1m 认的供电恢复领域模型的建立3 0 4 4 2 初始种群生成3 1 4 4 3 抗原提呈3 2 4 4 4 亲和度计算3 2 4 4 5 亲和度成熟3 3 4 4 6 免疫补充3 3 4 5 算法的具体实现3 4 4 6 算例分析3 5 4 7 本章小结3 8 第五章基于小生境粒子群算法的配电网多目标供电恢复3 9 5 1 弓i 言3 9 5 2 配电网多目标供电恢复的数学模型3 9 5 3p a r e t o 多目标优化技术4 0 5 4 小生境粒子群算法在配电网供电恢复中的应用4 1 5 4 1 基本粒子群算法4 1 5 4 2 多目标小生境粒子群算法4 2 华北电力大学硕士学位论文目录 5 4 3 问题的编码及目标函数的计算4 2 5 4 4 非支配解的选取。4 2 5 4 5 领导粒子的选择。4 2 5 4 6 适应度的计算4 3 5 4 7 粒子的更新及变异4 3 5 4 8 不可行解的修复。4 3 5 4 9 算法的具体实现o 4 5 5 5 算例分析4 6 5 6 本章小结4 8 第六章结论4 9 参考文献5 1 致谢5 5 附录5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况。6 1 m 一- 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 从电力系统的发展历史来看，最早期的电力系统是以分布于各地的零散小系统 的形式存在，它们之间相互独立，电能就地产生并就地消耗。随着社会发展和技术 水平不断提高，人们认识到构建一个互联的电力系统，通过合理的规划和有序的组 织，可以使电力系统更高效的运行。经过几十年的发展，互联的系统范围不断扩大， 电压等级逐渐升高，渐渐形成了现代互联电力系统。由于当今社会对能源与电力供 应的质量与安全可靠性要求越来越高，仅仅依赖大型互联电力系统已不能满足用户 要求。 目前，能源与环境逐渐成为人们关注的焦点，世界各国对能源问题达成了共识， 即应大力推广可再生能源的使用。分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 就是在这种情况下产生的一种新的发电技术，它利用可再生能源进行生产，是一种 清洁的可持续发展的发电方式。分布式发电是指：在大电网供电的基础上，配电系 统在靠近用户侧引入容量不大( 一般小于5 0m w ) 的分布式电源供电，综合利用现 有资源和设备，向用户提供可靠的电能。大电网与分布式发电相结合被世界许多电 力专家认为是2 1 世纪电力工业的发展方向 1 1 0 配电网一般不存在稳定方面的问题，但由于配电网络线路复杂、设备多、容易 受到外界因素的影响，配电网络的故障是难以避免的，而且，配电网的故障，可能 导致配电网的全部或局部停电。研究快速准确的配电网供电恢复算法，对于缩短停 电时间、缩小停电区域、改善服务质量以及提高调度员业务水平具有重要的现实意 义f 2 1 。 当配网发生故障后，调度员必须确定故障发生的位置、隔离故障、并恢复非故 障区的供电。由于配电沿线上设有分段开关，在馈线入口处设有联络开关，使得配 电网在发生故障后可以通过合适的开关操作进行供电的恢复【3 】。为保证大电网的安 全运行，对含有d g 的配电网，现行的d g 并网规程不允许孤岛运行，要求扰动时 将d g 迅速退出。禁止孤岛运行不但不能充分利用d g 的发电能力，还可能引起共 模跳闸。因而包含较高比重d g 的配电系统发生故障后，为了提高供电可靠性并充 分利用d g 的发电能力，分布式电源应先以合理的方式形成单用户孤岛或多用户孤 岛的方式继续供电。分布式电源的孤岛运行方式可以提高系统的供电可靠性，使一 部分可能因故障而断电的负荷可以在孤岛内继续得到持续的电能，提高系统的供电 能力。分布式发电技术的发展与完善，已使孤岛运行成为可能。 华北电力人学硕十学位论文 配电网供电恢复是系统恢复中的重要问题，是配电网运行的重要组成部分。供 电恢复的主要目的是在保证配电网络满足各种约束条件的前提下，通过网络重构将 尽可能多的断电负荷转移到正常供电区域，在全部恢复供电的前提下实现重构后的 网损最小和重构操作的费用最少。通过重构可将负荷转移，以达到平衡负荷，消除 变压器和线路过载，提高供电可靠性和用户的电压质量。 1 2 包含d g 的配电网供电恢复问题研究现状 多年来，国内外许多学者对配电网供电恢复问题做了大量研究。c a s t r o 等人最 早提出了一种基于搜索树的算法，实现了由调度员定义开关操作表。随后，s a r m a 等人于九十年代初提出网络简化法，并在此基础上提出一种树支搜索法【4 1 。经过众 多学者的探索研究，目前求解此类问题的主要思路是应用人工智能与数值计算相结 合的方法，包括：启发式搜索算法、模糊评估算法、遗传算法、专家系统方法等。 对于包含d g 的配电系统，在配电网故障后分布式电源的运行方式确定之后，此时 的供电恢复问题就回到了传统配电网的恢复问题上，可以应用以上提到的算法。 一、启发式搜索算法 启发式搜索算法是建立在对配电网特性具有一定的了解的基础之上的，此方法 在配电网的供电恢复中得到了广泛的应用。启发式搜索以一定的规则指标来限定搜 索的方向，以一定的准则评价可能的解，以此减小搜索空间，提高恢复时间。其应 用范例见文献 5 一1 1 】。 启发式搜索方法的优点是：启发式规则是通用的；使用启发式搜索可有效地减 小解空间：算法实现容易。但通过这类方法所得到的结果的优劣一般与网络结构有 关，算法表现不稳定；目前的启发式规则仍然不是很理想，可行解的数量非常巨大， 计算效率还有待进一步提高。 二、模糊评估算法 在求得多组可行解后，需要用某些评估方法来决定哪个方案最优。为了选出最 优方案，一些约束条件可以适当放宽。因此常将评估规则进行模糊化。用隶属度来 表示诸多模糊子集和总集的关系，是模糊集的一个重要特点。通常考虑的四个隶属 度函数有：开关操作次数的隶属度函数；备用馈线负载程度的隶属度函数；负荷转 移的隶属度函数；事故准备裕度的隶属度函数。模糊推理的一般过程为：按上述隶 属度函数计算各自的隶属度；利用各自的评估规则对方案进行模糊评估；对各项评 估结果加权求和以选取最优方案。其应用范例见文献【1 2 1 及 1 3 】。 模糊理论不依赖于系统的初始状态，可以得到全局最优解，但在一般情况下模 糊评估受限于所得到的搜索方案，而且各指标的模糊化处理和各目标的配合中的参 2 华北电力大学硕十学位论文 数选取非常困难，根据实际情况选取最优方案并非易事。 三、遗传算法 遗传算法是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法，具有较强的鲁棒性和较 好的寻优能力，适用于处理多目标、离散、非线性优化问题。将离散的开关状态或 线路状态用一系n - - 进制串表示，使得遗传算法适用于计算机处理。遗传算法可采 用多点同时搜索，找到全局最优解的可能性比较大。 文献 1 4 】以恢复最多负荷的供电为目标，采用粗粒化并行遗传算法处理配电网 供电恢复问题，算法中的一个染色体表示解空间中的一个搜索点，各分散的子群体 可以划分到几个进程，其中的染色体也可相互交换使用，从而减少了计算时间。文 献【1 5 】在用链图表示配电系统结构基础之上，遗传算法从一个可行解开始，因此以 后遗传因子交叉换位后所得的解也都是可行的，大大减少了不可行解的数量，缩短 了计算时间。文献 1 6 1 通过对配电网进行简化从而缩短染色体的长度、采用以配电 网结构特点为基础的编码方式减少基因操作中不可行解的生成，提高了遗传算法的 搜索效率。 遗传算法从多个初始点开始，沿多条线路搜索，可得到全局最优解，而且算法 的鲁棒性好，对目标函数要求较少，既不要求可微，又不要求连续，可方便地处理 像供电恢复这种离散的非线性优化问题。但是遗传算法的计算速度偏慢，必须有效 地结合问题的特点，才能更好地发挥其优越性。 四i 专家系统方法 专家系统是一种模拟人类专家解决具体领域问题的计算机程序系统。专家系统 使用范围广，能满足实时要求，可用于大规模网络和多故障条件下的恢复，网络变 化后只需要修改相应的知识库。但这种方法处理约束条件比较困难，并且无法保证 找到全局最优方案。 文献【1 7 】采用含有色p e t r i 网络模型的基于规则推理的专家系统来解决配电网供 电恢复问题，在有色p e t r i 网络模型和专家系统的推理机制中，包括供电恢复的操作 规则，因此所得到的开关操作计划是符合操作规程的。并且在有色p e t r i 网络模型中 还包含恢复重要负荷的情况。文献 1 8 】描述了一个1 5 4 k v 配电网的恢复帮助专家系 统，该专家系统采用启发式规则、拓扑辨别规则和搜索规则推理出合理的开关操作 顺序。文献【1 9 】在1 8 0 条恢复规则的基础上又附加了一个新的规则：寻找减小网损 的馈线结构，此条规则需要采用配网负荷潮流计算等式来计算，当然仅需计算由联 络开关连接的一对馈线的潮流。文献 2 0 】在建立了求解供电恢复问题的专家系统时， 运用了数学规划方法。该专家系统将供电恢复分成三步来完成：1 ) 恢复各组的供电； 2 ) 恢复各区域的供电；3 ) 负荷转移，并分别建立了各步的各类规则，缩短了恢复时 华北电力人学硕士学位论文 间，并通过引入“恢复操作代价这个概念来描述供电恢复问题，减少了知识库的 规则数量；文献【2 1 】介绍了一种实用性很强的供电恢复专家系统，可针对不同网络 结构和故障模式来选择合适的恢复方案。 用专家系统方法处理配电网供电恢复问题，能自动生成供电恢复时的开关操作 列表。由于专家系统不能处理在知识获取过程中不曾遇到过的特殊情况，难以覆盖 所有的故障模式和运行方式，知识获取的工作量大，知识库的建立与集成耗时多， 花费大，而且有些知识不易表达成规则形式，不能保证得到最优方案等，这些都使 专家系统的应用受到限制。 五、其他算法 除了上述提到的算法之外，应用于配电系统供电恢复的方法还有模拟退火算 法、基于图论的方法以及混合算法等。 模拟退火法是模拟进化方法的一种，是通过对自然进化过程的模拟与抽象而得 到的一类随机的后自适应的优化算法，它来源于固体退火原理，是基于蒙特卡罗迭 代求解法的一种启发式随机搜索过程。 文献 2 2 】提出一种应用于大规模配电网网络重构的改进模拟退火算法，在搜索 的过程中采用基于统计学并考虑多时段退火进度来提高此算法在解空间的探索能 力和速度，文中提出了。基于拓扑的混合机制可以产生和系统拓扑及温度有关的网络 结构，此机制允许解空间在高温时发生突跳，但在低温时解空间要趋于可行解区域。 同时文中采用带滤波的成本函数，使得模拟退火算法减小陷入局部极小的可能，减 少了模拟退火得到近似最优解的时间。 模拟退火法的优点有：计算没有连续性以及可微性等要求，适用范围广：理论 上能找到全局最优解或者近似全局最优解；算法采用随机搜索技术，属于随机优化 的方法，用概率来指导搜索进程而不像常规方法采用确定性的规则；具有并行处理 能力，易于并行实现。但模拟退火算法也有其本身的缺点：它是按概率来接受可行 解的，因此对于大规模系统，需要进行大量的计算，才可能找到全局最优解或近似 全局最优解；在算法的实现过程中，有可能使算法陷于局部最优解。 文献 2 3 1 提出最小生成树算法，利用s c a d a 系统中的实时信息，能提供最优 解和一系列按优先级排列的次优解组成的多种可行的方案。文献 2 4 结合配电网辐 射状运行结构的特点，引入待恢复树的概念，将供电恢复问题转化为待恢复树切割 问题，此方法保证了恢复后辐射状供电的要求。在考虑电流容量和电压约束时采用 简化的模型，避免了大量的潮流计算，提高了计算效率。尤其当系统发生多重故障 的情况下，此算法可对多个待恢复树并行地进行切割，显示了其在处理供电恢复并 行性的优势。基于图论的搜索最优解方法直观上易于理解，但是其结果受系统的网 4 华北电力大学硕士学位论文 络结构影响很大，不能保证得到最优解。 配电网的供电恢复是一个考虑约束情况下的分阶段、多目标的组合优化问题。 已有文献中，大多是应用一种算法对其进行处理，这样，往往不能克服各种算法本 身的缺点。如果根据故障恢复各阶段的不同特点采用相应合适的算法，可避免某些 算法的缺点，发挥它们的优点，更好地解决故障恢复问题。个别文献已谈到多种算 法相结合的问题，如遗传算法与专家系统相结合，启发式搜索与模糊推理相结合， 专家系统与混合整数规划法相结合等，甚至还建立了故障恢复算法集和模糊专家系 统【2 5 1 。其思想是综合各种算法的数据和方法，系统中的各算法具有不同的隶属度和 统一的调用方式，模糊推理机根据输入的故障信息从算法库中选择与该问题相适应 的算法加以执行，得出的恢复策略( 可能是多个) 送交模糊专家系统校验评估给出 最优解，并将其与故障模式一起保存下来以实现自学习，从而针对不同的网络结构 和故障模式迅速选择出更合适的恢复方案。为了进一步提高恢复效率，缩短恢复时 间，如何采用并行式处理手段，开发出更加全面可靠的综合智能技术也将是新的研 究方向。 m 1 。3 论文的主要工作 本文深入分析了包含d g 的配电网的结构及其特点，确定了系统故障后d g 的 运行方式。当在配电网发生永久性故障时，在完成故障隔离后，将包含d g 的配电 网供电恢复划分为两个阶段。第一阶段是形成合理的孤岛运行模式；第二阶段是在 孤岛划分的基础上，应用多智能体免疫算法搜索出全局最优解。另外，结合电网实 际，研究了多目标供电恢复问题。具体内容如下： 1 对配电网供电恢复的现状进行了详细的分析。结合配电网的结构及其运行特 点，将复杂配电网进行简化，选取了合适的模型表示其网络拓扑结构。对于d g ， 分析比较了各种接入方式，选择了合适的接入模式。 2 分析了各种包含d g 的配电网潮流计算方法，结合供电恢复过程的特点，选 择了一种快速、简单的潮流计算方法。 3 在综合分析d g 的各种运行方式的基础上，确定了d g 在系统故障后的运行 方式。建立了分布式发电孤岛划分的c s p 模型，大大缩短了在线孤岛划分的时间， 提高了d g 的利用率及系统的供电可靠性。 4 建立了包含d g 的配电网供电恢复的多智能体免疫模型，采用随机生成树对 抗体进行编码，杜绝了不可行解；充分利用多a g e n t 信息交互的能力，在寻优过程 中动态地改变抗原，提高算法的收敛速度。 5 建立了包含d g 的配电网多目标供电恢复的小生境粒子群模型，考虑负荷的 5 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章包含d g 的配电网简化建模及潮流计算 2 1 配电网的基本接线方式 6 3 5 k v 配电网应开环运行，分片供电。网络的接线方式应在满足供电可靠性 的前提下力求简洁、灵活，宜标准化、模式化，以便于实现配电网的自动化f 2 6 1 。 2 1 1 辐射型接线 图2 - 1 单电源辐射型接线 单电源辐射型接线，如图2 1 所示，优点是简单实用，配电线路和高压开关柜 的数量少、投资小、经济性好、新增负荷也比较容易。但其缺点也很明显，主要是 故障影响范围较大，供电可靠性较低。当线路发生故障时，会导致部分线路或全线 停电；当电源故障时，将会导致整条线路停电。由于可靠性比较低，这种接线模式 一般只适用于城市非重要负荷架空线和郊区季节性用户。 2 1 2 分段联络型接线 图2 2 分段联络型接线 7 连接到其他线路 华北电力人学硕十学位论文 这种接线模式通过在主干线上加装分段开关将馈线进行适当的分段，并且把各 个分段通过常开联络开关、联络线与相邻其它馈线连接起来，如图2 2 所示。当主 干线中的任何一段发生故障时，断开故障段的分段开关来隔离故障，某些未故障的 分段区域将会失去电源，此时通过操作联络开关，从其它馈线引入电源，对没有故 障的线路段供电。这样使每条线路的故障停电范围尽可能缩小，从而可靠性得到提 高。 2 1 3 “手拉手”接线 图2 3 “手拉手”接线 这种不同母线的环式接线模式( 单联络) 又称为“手拉手 接线，如图2 3 所 示。两个电源可以取自同一变电站的不同母线或不同变电站的母线，线路装设若干 常闭分段开关和一个常开联络开关。它适用于负荷密度较大且供电可靠性要求较高 的地区供电，正常运行时一般都采用开环运行方式。 这种接线的最大优点是可靠性比单电源辐射型接线模式大大提高，接线清晰、 运行方式比较灵活。线路故障或电源故障时，在线路负荷允许的条件下，通过分段 开关和联络开关的操作可以使非故障段恢复供电。但由于考虑了线路的备用容量， 使得线路投资将比单电源辐射型接线稍多而与分段联络型接线相近。 2 1 4 网格型接线 图2 4 网格型接线 华北电力人学硕十学位论文 网格型接线的最大优点就是运行灵活，可靠性很高，如图2 4 所示。但是，由 于这种接线网络过于复杂，保护装置不易设置，配网自动化实现困难，且不易维护， 建设费用较高。 2 1 5 环网柜接线 图2 - 5 环网柜接线 这种接线模式在国外的城区配电网中已有应用。其电源来自两个变电站母线或 者同一变电站的不同母线。每一街区沿线街道敷设中压电缆接入每一栋沿街建筑物 的地下环网柜，正常时开环运行，一侧电源或线路故障时自动切换，整个城网按街 道形成一个个小环网，如图2 5 所示。我国的新工业开发区，住宅小区的供电网络 渐趋向于采用这种由环网构成的接线方式。曼 2 2 配电网的简化建模 本文采用文献 2 7 】的方法对配电网进行简化建模。相应的简化如下所述，对分 布式发电单元也结合相应的分布式发电方式以及配电网供电恢复的特点进行了相 关的化简分析，以利于之后的供电恢复问题的仿真分析。 将配电网络看作是一种赋权图，将线路上的柱上开关看作是节点( n o d e ) ，节 点的权为流过该节点的负荷。将相邻的两个节点间的配电馈线和配电变压器综合看 作是图的边( e d g e ) ，边的权即是该条边上所有配电变压器供出的负荷之和。这样 处理之后达到了简化节点数的目的，如图2 - 6 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 m t lt 2t 3t 4t 5t 6 t 7 e e l 群； d t l 2 腩n 刘t 1 1 q t l 4 t 8 ( a ) 传统模型 ? 简 m电源点s馈线开关e末梢点bt 接分支点 t配电变压器 电源晟t 接分支点 分段开关 。 联络开关 图2 - 6 配电网的简化模型 2 3 分布式发电的接入方式 当配电网发生故障后，d g 如何操作直接影响着故障恢复策略的制定。故障发 生时，当包含d g 的电网与公共电网分离后，d g 仍继续向所在的独立电网供电， 该部分独立运行的电网称为孤岛。对于孤岛的处理，最初制定的标准是i e e e9 2 卜 2 0 0 0 2 8 1 。该标准要求，系统应尽量避免孤岛的出现。其理由主要集中在：对电网 负载或人身安全的危害。用户或线路维修人员不一定意识到分布式供电系统的存 在。供电质量问题。没有大电网的支持，分布式供电系统难以符合各方面的要求， 如电压波动、频率波动及谐波等技术指标。电力公司对电网的管理要求。由于孤 岛状态意味着脱离了电力管理部门的监控而独立运行，是不可控和高隐患的操作。 系统安全运行问题。孤岛运行增加了系统保护和控制的难度，系统的安全稳定运 行难以保证。 根据此标准，在任何故障情况下，必须跳开故障点所在馈线上的全部d g 单元。 当由于某些原因d g 未能跳开时，将形成孤岛，此时通过孤岛检测装置检测到孤岛 后控制d g 跳闸。该标准虽然有其自身的优势，但其最大的缺点是供电可靠性较低。 为了最大限度地利用d g ，提高系统的供电可靠性，i e e e 出台了一套新的解决 l o 华北电力大学硕士学位论文 孤岛问题的标准：i e e e1 5 4 7 - - 2 0 0 3 。该标准中不再禁止有意识的孤岛存在，而是鼓 励供电方和用户尽可能通过技术手段实现孤岛运行，并在经济方面达成共识1 2 9 1 。在 此标准下，文献【3 0 】依据不同的硬件水平说明了以下3 种典型的孤岛运行模式。 1 ) 隔离开关接口模式 图2 7d g 隔离开关接口模式 在此模式下，如图2 7 ，一旦馈线上发生故障，出口断路器2 跳开，d g 由于严 重过负荷而被迫停机。之后，断开隔离开关1 ，d g 重启给用户a 供电。由于该模 式不能避免当地用户的短时停电，因而仅适用于那些允许短时供电中断的用户。此 外，由于隔离开关不具有灭弧能力，当孤岛重新并网时操作较为复杂。该模式在实 际电网中应用较少。 2 1 断路器接口模式 图2 - 8d g 断路器接口模式 断路器接口模式是d g 并网最常用的模式，其基本模型见图2 8 。该模式下， 断路器1 的动作时间小于断路器2 ，发生故障后，断路器1 先于2 跳闸，d g 直接进 入孤岛运行模式给a 供电。当需要再次并网时，只需对该孤岛进行同期操作即可。 该模式能避免对用户a 的供电中断，对那些供电可靠性要求较高的用户适合采用此 一 丫丫 华北电力大学硕士学位论文 模式。 3 ) 多用户孤岛模式 该模式的核心思想是：故障发生后，d g 在给当地用户供电的基础上，还可根 据自身的容量裕度给馈线上的其他负荷供电。当d g 容量较大，而公共电网容量裕 度不足，难以为全部失电区恢复供电时，该模式能显著提高系统的供电可靠性。 2 4 包含d g 的配电网潮流计算 配电网潮流计算是配电网分析的基础，其研究一直得到众多学者的重视，产生 了众多的研究成果。目前较为成熟的算法包括改进的n r 法、z b u s 法、回路阻抗 法及前推回代法。 前推回代法由于思路简明、收敛性好，因而在配电网的潮流计算中得到了广泛 的应用。前推回代法仅仅是一种算法思想，它具有不同的实现形式。本文采用文献 【3 1 f l 勺方法，以在根节点处增加虚拟支路并按一定规律对节点、支路编号，使得网 络的节点支路关联矩阵成为易于处理的方阵，简洁地表示树状网潮流计算的过 程。 2 4 1 潮流计算的数学模型 配电网潮流计算的模型可以描述为：对一个有m 个节点的配电网，已知量为根 节点( 或电源点) 的电压砜、各节点的负荷值罡+ - q 上j ( 其中f = 1 ，2 ，m - 1 ) 、 配电网拓扑结构和各支路的阻抗。待求量为各节点的节点电压阢( 其中f = 1 ，2 ， m - 1 ) 、流经各支路的功率+ ，q ，( 其中j = 1 ，2 ，m - 1 ) 、各支路的电流和系 统的有功损耗等。 d g 接入配电网后，使得配电网由原来的辐射状变为多电源供电。为了简化供 电恢复过程的计算量，对此将d g 节点简化处理。将d g 作为p q 节点处理来计算 包含d g 的配电网潮流计算问题，t i pd g 作为一个负的负荷一( + ，q d g ) 。 2 4 2 节点一支路关联矩阵的生成 将d g 做上述处理后，含d g 的配电网又可以作为辐射状网络处理。单电源辐 射状网络的节点数等于其支路数( 不计接地支路) 加1 ，在各支路中，取电源流向 负荷的方向为正方向，构成的节点支路关联矩阵为一长方阵。用它来处理支路 电流( 功率) 和节点电流( 功率) 的关系时运算不方便。为此，在根节点前增加一 条零阻抗的虚拟支路，并且新增支路不设端节点，再按一定规律形成关联阵，使得 新生成的关联矩阵为一正方阵。下面以图2 9 的简单辐射状网说明此正方阵的形成。 图2 - 9 简单辐射状网络 如图2 - 9 为一简单的辐射状配电网，包含有四条支路，五个节点。其中n 。为根 节点。在根节点前增加一条虚拟的零阻抗支路e 。，这样网络就包含五条支路和五个 节点。将虚拟支路作为1 号支路，其末节点即为1 号节点。此后，遵循如下的规律： 追加支路时，所增加的支路必须是已编号节点发出的，则支路编号与其末节点编号 相同，形成的关联矩阵即为所需方阵a 。由于编号的特定规则，使得关联矩阵必定 是一个对角元素均为“1 的上三角阵，其非对角非零元素均为“+ 1 ”。在树状网 新增支路时，可直接将它编为最后一条支路，其末端节点编为最后一个节点即可。 若要删除一条支路，则将它所在的行和列删去即可。 2 4 3 辐射状网的潮流计算 设各节点注入电流列矢量为，各元素可由节点注入功率和节点电压共同求得： is io k 各支路通过电流列矢量为i l ，它与，间可由关联阵a 建立关系： i m 一嫩l ( 2 1 ) ( 2 2 ) 令4 一彳+ u ，式中u 为与a 同阶的单位阵，则4 是对角元素为“0 ，非对角 元素与a 完全相同的矩阵，代入( 2 2 ) 式可得： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 i li 甜l i n 显然，上式左端的最后一个元素， 流的负值( 如取注入节点为正方向) 。 流。 ( 2 3 ) 即最后一个支路电流等于它末端节点注入电 采用回代的方法就可以很容易求解各支路电 各支路的e g e , 降可由支路电流和支路阻抗的乘积共同求得。令z 工为支路阻抗组 成的对角阵，则各支路的电压降即为乙l 。显然，第一支路即虚拟支路的电压降 为零，各支路的电压降也可由关联阵与节点电压列矢量表示，即a r v 。为便于与支 路电流的计算联系，设一个只有第一个元素为非零元素破的列矢量，则可构成电压 电流的关系式 进而求得： y 1 ： 0 0 y 一 + a r v z ，工 y l ： 0 0 + a 0 t v z i 工 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 显然，上式左右两端第一个元素均为k ，应用前推方法，给定根节点电压，由 第二行开始计算，即可将各节点电压求得。 2 4 4 算例分析 本文采用文献【3 2 】中的算例，在其中适当加入分布式电源，如图2 1 0 所示，其 系统结构参数和运行参数如表2 - 1 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 包含d g 的简单配电网络 表2 - 1 系统结构参数和运行参数 2 节点数据支路数据 节点号 有功负荷( p u )无功负荷( p u ) 首节点末节点 支路电阻( q ) 支路电抗( q ) 00 0 0 0 00 0 0 0 0010 1 6 90 6 5 5 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0120 8 6 40 7 5 1 20 0 0 0 00 0 0 0 0130 1 9 60 6 5 5 30 0 3 4 80 0 1 1 6141 3 7 40 7 7 4 40 0 3 4 80 0 1 1 6250 8 6 40 7 5 1 50 0 2 4 0 0 0 8 0 360 4 4 40 4 3 9 60 0 4 20 0 1 4 0370 1 9 60 6 5 5 70 0 0 0 00 0 0 0 0380 8 6 40 7 5 1 80 0 0 0 00 0 0 0 0790 8 6 4 0 7 5 1 9 0 0 3 0 00 0 1 0 071 01 3 7 40 7 7 4 1 00 0 4 5 00 0 1 5 081 10 8 6 40 7 5 1 1 10 0 4 2 00 0 1 4 0 注：容量基值为1 5 m v a ，电压基值为2 3 k v 。d g l 、d g 2 及d g 3 的出力分别为： 0 0 4 0 + 0 0 0 8 i 、0 0 3 5 + 0 0 0 6 i 、0 0 3 8 + 0 0 0 7 i 。 用前面所述的潮流计算方法，增加一条虚拟支路。潮流计算结果如表2 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 2 潮流计算结果 节点号 电压( p u ) 首节点末节点 流经支路功率( p u ) 01 0 0 0 0o10 1 3 9 9 + 0 0 6 3 7 i l0 9 9 8 1 0 0 0 2 3 i120 0 1 6 0 + 0 0 0 0 0 i 20 9 9 8 5 0 0 0 2 i130 1 2 0 9 + 0 0 5 1 7 i 30 9 9 6 5 0 0 0 4 3 i140 0 3 4 8 + 0 0 1 1 6 i 40 9 9 6 5 0 0 0 2 6 i2 50 016 0 + 0 0 0 0 0 i 50 9 9 8 9 0 0 0 1 6 i360 0 4 2 0 + 0 0 1 4 0 i 60 9 9 5 8 0 0 0 4 6 i370 0 4 0 1 + 0 0 1 9 1 i 70 9 9 5 9 0 0 0 4 9 i38 0 0 0 4 0 + 0 0 0 7 0 i 80 9 9 6 2 0 0 0 4 2 i790 0 0 5 0 + 0 0 0 4 0 i 90 9 9 5 9 0 0 0 4 7 i71 00 0 4 5 0 + 0 0 1 5 0 i 1 00 9 9 3 8 0 0 0 5 3 i81 10 0 0 4 0 + 0 0 0 7 0 i 1 10 9 9 6 0 0 0 0 4 1 i 可以看出，d g 的接入对系统的潮流分布产生影响。传统的辐射状配电网中， 电压由首端到末端是逐渐降低的，加入d g 后，由于d g 可以发出有功和无功功率， 使得线路末端不一定是电压最低点，d g 的加入起到了一定程度电压支撑的作用。 但是d g 的接入同样使得线路潮流不再是简单的由首端到末端，从而对继电保护装 置提出了更高的要求。应用添加虚拟支路形成节点支路关联矩阵的前推回代法 计算潮流，收敛迅速，能满足之后供电恢复算法中潮流计算的要求。 1 6 华北电力人学硕+ 学位论文 3 1 引言 第三章基于约束满足问题的分布式发电孤岛划分 含d g 的部分配网一旦与主系统分离，就将配电网分成了两个有源部分，带来 了孤岛效应，从而影响配电网的运行方式、保护和故障恢复。现行的分布式发电并 网规程不允许孤岛运行，要求扰动时将d g 迅速退出，这是以d g 容量占系统容量 的比重很小为假定提出的。当d g 比重较高时，禁止孤岛运行不但不能充分利用d g 的发电能力，还可能引起共模跳闸，降低配电网的供电可靠性。因而包含较高比重 d g 的配电系统发生故障后，应允许分布式电源以合理的方式形成单用户孤岛或多 用户孤岛的方式继续供电。 3 2 分布式发电及其并网技术 3 2 1 几种主要的分布式发电技术 ( i ) 风力发电技术 风力发电是将风能转化为电能的一种发电技术，也是一种清洁能源发电技术。 风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发前景的一种发电方 式。风电机组可以按照其运行方式、控制原则或拓扑结构的不同进行不同的分类： 例如按照运行的转速可以把风电机组划分为恒速风电机组与变速风电机组；按照风 电机组桨叶控制方式可以把风电机组划分为定桨距与变桨距的风电机组；按照采用 的发电机类型可以将其划分为基于普通异步发电机( 无电力电子变频器) 、基于双 馈