毕业论文-含分布式电源的配电网孤岛划分

湖南大学毕业设计(论文)第页HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目含分布式电源的配电网孤岛划分学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化1108班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 5月日湖南大学毕业设计(论文)第页湖南大学毕业设计(论文)第页摘要随着可再生能源的推广，分布式电源（DistributedGeneration，DG）已成为一种重要的电力电源形式，大量DG的接入使配电网的结构发生了很大的变化，原有的保护控制系统越来越难以适用。随着新能源技术的发展，越来越多利用可再生能源的DG实现了并网运行。本文针对含DG的配电网孤岛划分这个核心问题，简单分析了DG的接入对配电系统和配电保护系统的影响。先介绍配电网孤岛划分所需要遵循的划分原则和约束条件，在此基础上描述了孤岛划分的建模过程，通过一定的规则将配电网拓扑成带有权值的连通图，然后提出改进的Prim算法对带该连通图进行搜索生成最小生成树，最后得到孤岛划分的方案。同时还通过典型的配电网案例验证了该算法的可行性。本文提出的改进Prim孤岛划分算法可以很好地遵循了孤岛划分原则和约束条件。其执行的高效快速性可以保证在配电网发生故障后很快地转变成孤岛运行的方式，其对不同负荷等级的负荷的选择性可以保证孤岛划分方案最优，提高对重要负荷供电的可靠性。关键词：分布式发电（DG)，配电网，Prim算法，孤岛划分IslandAlgorithmofdistributionnetworkwithDistributedGeneratorsAbstractWiththepromotionofrenewableenergy,Distributedpower(DistributedGeneration,DG)hasbecomeanimportantformofelectricitypowersupply,alargenumberofDG'saccesstothestructureofdistributionnetwork,greatchangeshavetakenplaceintheprotectionoftheoriginalcontrolsystemismoreandmoredifficulttoapply.Withthedevelopmentofnewenergytechnology,moreandmoreuseofrenewableenergyDGparalleloperationisrealized.InthelightofthedistributionnetworkincludingDGislandthiscoreproblem,dividedintosimpleDG'saccesstopowerdistributionsystemareanalyzedandtheinfluenceofthepowerdistributionprotectionsystem.Needtofollowthefirstintroducepowerislanddifferentiateprincipleandconstraintcondition,onthebasisofdescribingtheislandsofthemodelingprocessofdivision,distributionnetworktopologybycertainrulesintoaconnectedgraphwithweights,andthenputsforwardtheimprovedPrimalgorithmtosearchwiththeconnectedgraphgeneratedminimumspanningtree,finallygettheislandsoftheschemeofdivision.Atthesametimealsobytypicaldistributionnetworkcasetoverifythefeasibilityofthealgorithm.Inthispaper,theimprovedPrimpartitionalgorithmisagoodwaytofollowtheislandclassificationprinciplesandconstraints.Quicknesscanguaranteeitsexecutionefficiencyindistributionnetworkfault,quicklyrunintoanislandafteritsselectivitytodifferentloadlevelsofloadtoensureoptimumschemefordividingtheisland,improvethereliabilityofpowersupplytotheimportantloads.Keywords:distributedgeneration(DG),distributionnetwork,Primalgorithmislanding湖南大学毕业设计(论文)第页目录TOC\o"1-3"\h\u10688第一章绪论 页第一章绪论1.1含DG配电网孤岛最优划分研究的目的和意义近年来，随着用户的电力需求越来越大，装机容量每年都在快速增长，电网不断发展壮大，火力发电污染环境严重，导致政府部门对新能源发电的投入越来越多，同时光伏发电、风力发电等分布式电源(distributedgeneration，DG)技术的日趋成熟，大批的分布式电源接入了配电网。大批DG的并网运行使得电力系统配电网的运行方式产生相当大的改变，由此我们提出了智能配电网，并且智能配电网取得了很大的发展，配电网的节点非常多，各种DG投退非常频繁，导致这种智能配电网运行方式会非常的灵活，特别是当配电网中的某个断路器开关断开时会将配电网分为多个性质不同而且相互各自独立的子网，若这些子网中的负荷是由DG来供电，那么子网就是孤岛运行，我们把DG系统和该子网负荷称为电力孤岛。DG大规模地接入电网，会给电网带来两面的影响，电力孤岛的出现一方面会对配电网调度自动化系统，自动重合闸和继电保护系统等造成很大的影响，孤岛自身运行的安全性和稳定性也存在诸多问题，另一方面在电力系统供电中断的情况下，配电网端以各类DG为电源形成独立供电孤岛可以保障重要一级负荷的供电不间断，同时也让尽可能多的负荷得到供电恢复，从而显著提升配电系统的供电可靠性，减少重大经济损失。在配电系统因故障断电之后，为了电力检修人员的人身安全，同时为了使得配电网尽快消除故障，根据IEEE1547-2003的相关规定，配电网中的全部的DG必须短时间内退出运行。但因DG具备独单独供电的能力，在隔离故障以后，我们可利用DG先恢复局部重要负荷及相关负荷的供电，从而显著提高系统的供电的可靠性。孤岛根据其产生的机理可分为非计划孤岛和计划孤岛，计划孤岛是根据配电网的构造、DG所处的位置和其发电的容量，各级负荷的分布等事先设计好孤岛划分方案和孤岛运行控制方法，当配电网上一级线路发生故障时，能够依据事先设计好的方案对孤岛内部分或全部负荷持续供电，这样能有效提高系统的供电可靠性。同时又通过对孤岛内各部分有效的控制，确保孤岛小系统安全稳定运行。非计划孤岛恰好相反，没有预先确定DG的供电方案，所产生的孤岛具有不可预知性和不可控性，可能会带来无法预料的危害。对孤岛划分进行优化，使得到的孤岛满足孤岛划分的基本原则和约束条件，在故障发生之后,系统失电期间DG向孤岛内重要负荷优先供电,使尽可能多的负荷供电得到恢复，直至故障排除，系统恢复正常，从而提高配电网的可靠性。1.2含DG配电网孤岛划分研究现状和发展趋势近年来，人们生活水平的不断提高，电网也在不断的发展，风电，光伏发电和其他分布式电源（DG）技术的日趋成熟和完善，大批的分布式电源接入配电网，配电网络的日常运行维护带来了新的挑战。如何合理的分配网络孤岛分布式发电已成为世界各国学者关注的焦点，许多国内外专家学者对此进行深入研究。文献[2]提出如何利用DG和负荷实现自适应孤岛运行，但并没有给出孤岛划分的具体算法。文献[3]给出以DG为核心,根据用户负荷等级由高到低依次向DG的周围负荷进行供电的算法。文献[4]提出没有考虑负荷重要程度的情况,使用生成树模型进行孤岛划分算法,基于深度优先搜索的方法从上法下关闭一些分支机构（相应地也删除分支负荷），一直到没有断开的负荷和DG满足设备容量和功率平衡的约束条件。文献[5]提出考虑到负荷优先等级和负荷可控性的孤岛划分方法，该方法只能形成一个孤岛，但当孤岛区域较大时，线路上的损耗较大，DG的发电功率基本会消耗在线路上。文献[6]考虑到可控和不可控负荷的孤岛划分。文献[7]使用基于改进的Prim算法对配电网系统进行孤岛划分，可以在短时间内得到可行性很强的孤岛划分策略，划分的方式比较灵活，可以保证大批重要的负荷的优先供电。总的来看，目前配电网孤岛划分研究已经取得了一些成果，但对其的研究还是处于起步阶段，研究成果较少。随着智能配电网的飞速发展，大批DG和微网系统将接入到传统配电网，这将对配电网的供电可靠性提出更高的要求。在此情况下，研究设计合理可行的含DG的配电网的孤岛划分方案将对实现孤岛运行模式与并网运行模式之间的快速无缝转换产生更加积极影响，提高了配电网供电的可靠性。1.3本文研究拟采用的途径在本文中，先把含有DG的配电网模型转化为边带有权值的连通图，按照孤岛稳定运行原则和约束条件，改进Prim算法制定搜索算法，对带有权值的连通图进行全部遍历，边搜索边校验约束条件，以比较小的权值总和连通图中的节点，这样我们就把孤岛划分问题转化成一个连通图的最小生成树的求解，这样我们可以得到最优孤岛划分方案。第二章DG的接入对配电系统的影响2.1接入配电网的DG种类在不同的研究的领域或不同的分类标准，对DG的分类也会不同。我们能够根据DG具体所使用的能源或是与电力配电网系统的并网类型的不同来进行分类。根据DG所使用的能源的不同一般来说可分为：柴（汽）油机发电、燃气轮机发电、水轮机发电、光伏太阳能发电、风力发电等。他们所使用的能源有传统化石燃料、清洁能源、可再生能源及电能储存元件。可再生能源发电技术是目前电力系统研究的热点问题，包括生物能源，如水电属于相对成熟的技术发展，而光伏太阳能发电、地热能蒸汽发电、风力发电和海洋潮汐能发电等都属于比较新的发电技术，技术水平还不算很成熟。如果DG与配电系统连接，可根据DG并入电网的类型来进行分类，分为与电力系统直接连接和通过逆变器和电力系统连接两大类型。如果DG是旋转动力装置直接发出50Hz交流电网属于第一类，如小型燃气轮机发电，水电，地热发电，如小型燃气轮机组发电、水力发电、地热发电等；另外如逆变器型DG是指将发出的直流电逆变成工频电流直接并入电网（比如光伏太阳能发电、风能发电等）。在DG的使用过程中，需要考虑DG的容量大小在电力配电系统中的影响，根据DG容量的大小能够分为小型DG（<100kW），中型DG（100kW～1MW）和大型DG（>1MW）三类。从DG所使用的一次能源的不同，具体分为以下几种类型：2.1.1小型燃气轮机发电小型燃气轮机组是以甲烷、汽油、天然气、柴油等化石能源为燃料的小型汽轮机发电装置。他的发电效率能够到达35%，若实行热电联产的话，效率可提高到70%以上。该种气轮机有占地体积小、质量轻、污染小、发电效率高、运行维护简单等优点。同时它也是最成熟的，最具商业竞争力的DG。2.1.2光伏发电光伏电池组是用于把取之不尽用之不竭的太阳能转化为电能，在国外一些发达国家的屋顶光伏电池发电已经得到了比较广泛的应用。如德国著名的2000户屋顶光伏发电项目是2000多户屋顶安装太阳能电池发电系统，分布式发电容量平均为4kW。尽管光伏电池发电和常规发电机发电相比有技术门槛比较高，投资成本比较高、系统运行的不确定性等不利于其发展的因素，但是其利用的是可再生的太阳能资源，因此其前景依然被普遍看好。2.1.3风力发电技术发电风力发电机组可分成两个组成部分：风力机和发电机。自然风通过风机叶片产生转矩，然后通过制动盘齿轮箱连接的高速主轴和发电机转子的耦合异步可发电运行。风力发电使用前景一般是用于无电网的偏远地区，如为偏辟远离城市，电网架设成本很高的农村和海岛住户提供生活生产所需的电能。随着科学技术的不断进步，在新能源发电领域，风力发电技术已经发展到了成熟阶段，经济水平越来越接近于洁净煤发电，相信不久的将来会有更好的发展。2.2DG接入对配电系统的影响DG接入配电网对配电系统的影响非常大，这种影响有可能是消极的也有可能是积极的，这是由DG和配电系统的运行特征来决定的。对于配电网，无论是辐射型结构或环形网络结构，分布式电源接入号码将在电网的电压和电流很大程度上影响。在比较传统的电力输送方式中，电力功率是从高电压等级向低电压等级输送的，再通过降压变压器把电功率输送到用户侧。大多数的配电系统的设计，操作和保护差不多是以这样的供电方式进行的。当有大批的DG接入配电网，配电线路的潮流可能就会会反向，给配电网带来很大的影响。此时的配电网不仅仅进行电力的配送，还拥有了发电、配电等功能，因此其自身的电压、电流、潮流不仅取决于用户负荷，还会由配电网接入的DG取决。2.2.1DG对配电系统积极影响DG对配电系统的积极作用一般体现在DG改进了系统运行形式，并支持了系统安全、运行可靠，主要包括：a，增加分布式电源并网系统保护能力，增加系统的备用容量，具有平衡负荷的功能；b，分布式发电减少电力需求增长的新拓扩建电厂的需要，节省了电厂建设和输变电设备采购大批成本；c，分布式电源的电力生产一般在配电网侧更接近用户的负荷，降低了传输线的功率损耗；d，分布式电源可带用户负荷孤岛运行。在电力系统发生故障时，分布式电源向负载中更重要的部分供电。如此就可以减少停电区域，提高配电系统供电的可靠性。但是，DG接入配电网的积极影响在实际使用过程当中并不能很容易地实达成，其要求DG一定要具备很高的运行可靠性、并且是可以接受电力管理部门的调节，而且还要具有合适的接入位置和可观的容量。由于很大一部分的DG并不是属于电网公司，而且利用风能、太阳能等随时间变化较大不稳定的能源进行发电本身就具有发电功率不稳定的不足，因此上述条件难以得到很好的保证。因为以上条件都不满足，但DG接入配电系统将造成很大的不利影响。2.2.2DG对配电系统的消极影响DG的接入对配电系统消极的影响包括以下的几个方面内容：1.导致线路过电压为了保证供电质量的可靠性和配电线路的末端电压有很严格的要求，在设计线路，类型的选择是基于这方面的要求。在现阶段，电力系统越来越有效地利用供电网络，能保证的前提下，供电质量好，传输线的趋势几乎是接近最大传输能力。对于一些典型配电网络，DG接入之前，电压配电线路沿着远离中心方向下降。为了确保贴近用户端电压水平，一般在一般实际操作使用，通过调节电压调节变压器分接头的方法提高电压。当DG连接到配电网后，输电线路的潮流的方向会发生变化，如果用户负荷非常小的话，DG的输出功率会流回到输电系统一端，返回大电网。在这种情况下，输电线路的电压大小从辐射状配电网络配电中心到DG位置不停上升。2.增加了配电网的故障等级若在配电网正常运行时出现了短路故障，很多个DG都会向配电系统提供短路电流。但是配电网的短路电流大小已经靠近了一些开关设备装置的额定电流。故障等级增加的同时，要求电力公司增加投资来更新开关设备。我们在DG与配电系统之间引入阻抗来降低短路电流的。一些DG通过电抗或变压器接入配电网，它可以提高接入的阻抗值，同时也增加了不稳定的电压波形和损耗。3.系统电能质量电能质量标准总体内容主要包括两个方面：谐波电压和暂态电压的变化。由于具体情况的不同，DG的接入有可能提高也有可能降低配电系统的电能质量。在DG的退出和接入配电网的过程当中，有可能因为各种参数与大电网的不同步等原因造成较大配电系统的电压波动。因为DG是由一般用户来控制使用的，于是用户将会根据其自己的需求来决定停运和启动DG，因此就有可能使配电网的电压不稳定。因此，我们应该对DG的接入和退出进行一些精准的控制和规定，同步发电机组应在与配电网电压频率同步的条件下接入配电网，另外感应电机组还可以经柔性启动装置来降低机组接入时对配电网产生的冲击电流，这样可以减小配电网的电压波动。4.配电网的可靠性随着DG越来越多的接入，DG的发电功率将是电力系统发电功率中的非常重要的组成部分。现阶段，大批DG并网运行会面临这样一个亟待解决的问题：当电力系统产生扰动时候，因为反孤岛保护设置值比较高，主动将DG切除，这造成了大量的DG被移除，然后由于电力不足，电力系统将不供电的正常运行2.3DG对配电网保护系统的影响在这个阶段，在DG在实际应用中暴露出的问题来看，许多国内外专家学者进行了大量的研究工作，科研结果证明：DG的接入对配电网的保护系统存在许多不良的影响，比较经典的不良影响如下所示：2.3.1降低保护的灵敏度当DG接入配电网，线路保护传感元件的故障电流可能会减少，降低了有效保护区域。假定DG接到馈线，和接入点的位置近距离是配电变压器。当故障发生在馈线终端，故障电流来自DG的配电变压器。2.3.2减弱系统保护之间协调配合在一些传统的配电网中，由于只有一侧有系统电源，这样的话故障电流只可以从电源侧流向负荷侧，那么通过设置相互配合的保护整定值就可以实现继电保护的动作。但DG接入配电网后，故障电流不仅来自供电电源系统侧，而且还会来自负荷侧DG，这将导致保护之间的协调变得更加复杂。2.3.3非计划孤岛的出现在一些情况下（如断线、跳闸等），部分配电网（不能提前预料的）突然与电力系统断开，这部分配电网内的DG肩负起临时向用户负荷供电的责任，这种供电状态就是非计划孤岛运行。因为非计划孤岛地点范围的出现具有不可预知性，具有一定的随机性，运行的供电方式缺乏提前规划，因此，大多数非计划孤岛方案不能满足电力系统的安全可靠运行，要求会带来以下问题：a，电能质量下降，非孤岛方案系统的功率很难平衡，电压和频率都会发生一定的变化，因此就很难保证供电的电能质量；b、操作人员和公共安全的威胁，因为非计划孤岛范围内的位置的不确定性，不能确定线路是否带电，这造成了对操作人员的安全威胁；c影响系统自动重合闸，当在非计划孤岛运行后，配电网中的DG有可能会对跳闸配电线路的另一边进行供电，导致元件检验无压重合闸失败，或因和电力系统失步，这可能会导致重合闸失败，造成不必要的停电。为了保障电力系统的可靠安全性，用户可以获得可靠的电力供应，世界各国普遍一般不允许非计划孤岛形式运行，对反孤岛保护提出了一些明确的要求。这些要求一般原则：a，当非计划孤岛出现，孤岛DG通过开关控制操作应立即撤出运行；b、孤岛内的DG的切断应在配电系统重合闸之前，目的是为了提供足够的故障熄弧的时间。2.3.4系统自动重合闸失败在配电系统中，系统的自动重合闸是一种非常有效的处理故障的方法。90%以上的配电线路的故障都是暂时的，一般可以在断路器断开的时间内熄弧并恢复到正常运行状态。但是DG接入与自动重合闸原理存在很多方面的冲突。孤岛内的DG会有故障电流使得故障点没法完成熄弧，这样就使得电网暂时故障成为了永久的故障。另外，在系统重合闸前的时间间隔内，孤岛内DG的相位可能已经偏离了大系统，变得不同步，会造成检验同期合闸失败，就会引起用户不必要的停电。如果电网的自动重合闸装置没有检验同步功能，然后开关重合，这样对当前影响很大可能损坏孤岛内的DG。同时，电网将出现在高电流和高电压的暂态过程。所以，为了维持电网自动重合闸装置的正常运行，在开关重合闸前的时间间隔内需要有可靠的、快速的反孤岛保护装置来迅速切除孤岛内的DG，并且还要保证有足够的时间来熄弧。第三章含DG的配电网孤岛划分建模过程3.1含有DG的配电网孤岛划分遇到的关键问题电力系统内受到很大的扰动、重要输电线路跳闸、重要的发电设备故障等原因导致电力系统中需要形成孤岛。1965—2003年发生在美国造成严重经济损失的大停电事故多数由上述原因造成的。当分布式电源容量较大时，但是电网容量裕度不够，这样比较困难为电网中的失电的负荷提供电能，DG在给附近的用户负荷供电的同时，还可根据自身的多余的容量给线路上的其他负荷提供电能。为了提高配电网供电可靠性，DG应该多与用户负荷连接，若在配电网故障发生后的孤岛岛的形成的数目少，会便于工作人员操作，可有利于故障排除后配电网恢复正常的供电，因此为了提高配电网供电可靠性，解列应该尽可能形成一个大范围的DG孤岛。文献[10]介绍三种经典的孤岛运行方案，能满足我们要求的是多用户孤岛方案。其核心内容是：在配电网发生故障后，孤岛内DG在满足附近用户供电后，还可以用自身的富裕容量给线路上的其他的用户负荷供电，提高配电网供电的可靠性。配电网孤岛划分是一个异常复杂的综合性的课题，它差不多完全涉及电力系统继电保护和电力系统稳定控制领域的所有研究方向。在配电系统中，为实现孤岛安全稳定可靠运行必须要满足以下4个条件：（1）指功率平衡约束，在孤岛内供用电功率的基本处于平衡状态；（2）指变压器和传输线安全极限约束，孤岛内变压器和各线路负荷应该工作在安全的约束范围内；（3）指母线电压不超限制电压，即孤岛内母线电压应该在限定在规定的一定范围内；（4）指易于恢复，切除的负载个数最少，提高配电网的可靠性，为了方便操作，我们要求形成的孤岛范围最大。3.2含DG的配电网孤岛划分一般性求解思路当配电网发生的线路故障，电压频率超过额定值和振荡失步情况，主要供电系统没法快速恢复运行，DG在孤岛模式独立运行，DG不仅要提供电力给附近负载，还会将剩余的电力输给电网，给电网其他负载提供电能。对配电网进行孤岛划分，便是按电网结构事先找出DG运行达到功率平衡的节点，要确保在孤岛内配备有控制单元器件和同期装置，用来保证孤岛快速无缝实现孤岛运行模式和并网运行模式之间的转换。若配电网选用的控制方式是基于广域信息的分布式控制方式或者是集中的控制方式，我们可完成DG孤岛在线实时解列和在线进行决策，能够通过远程控制开关在电脑端自动完成配电网的孤岛划分，同时DG的用户负荷功率平均值和其额定容量是已经知道的，可以用图论中的带有权值的连通图来对配电网进行相关的建模。改进的Prim算法是求取带有权值连通图的最小生成树，它的目的是用边的权值最小来连通图上的所有节点。改进后的Prim算法，可以对配电网进行搜索，并可以保证配电网重要的负荷的供电不间断，形成最大孤岛和切除的用户负荷的个数最少，这将有利于电网故障恢复后孤岛和停电负荷的快速并入大电网。孤岛划分的过程一般分为3个过程：（1）孤岛的建模过程。将含有分布式电源的配电网转换成为带有权值的连通图。连通图的边连接的用户负荷有功功率的大小和用户负荷的重要程度决定连通图的边的权值大小，但是负荷有功功率的大小和负荷的重要程度之间是没有什么直接关系的。权值的大小是能够通过多个指标评估的方法而得到，用户负荷有功功率越小，重要程度越大，那么得到边的权值就会越小，相应的用户负荷的优先等级就会越高，也就是这种负荷在孤岛划分时选择尽可能和DG连通。这是由于在DG额定的容量不变的情况下，保留尽可能多的小容量的用户负荷可以很大程度扩大孤岛范围，可以减少切除用户负荷个数，尽可能保障用户的用电，方便配电网无缝转换孤岛运行模式和并网运行模式。（2）孤岛搜索的阶段。使用经过改进的Prim算法对带权值的连通图进行遍历搜索，按DG的额定容量、边的权值大小和用户负荷功率的大小来选择功率平衡的区域作为电力孤岛，可以得到孤岛运行时的解列点。（3）孤岛检验阶段。校验孤岛内的区域是不是满足孤岛安全稳定运行符合的约束条件。3.3配电网孤岛划分的原则和约束条件3.3.1配电网孤岛划分的原则配电网的孤岛划分是一个多对象、多限定条件的非线性最优化的问题，我们在进行配电网孤岛划分时需要注意以下几个原则：1）指重要负荷优先供电原则。在大系统发生故障时，一些重要负荷优先得到供电恢复。所以在配电网孤岛划分时首先将一、二级负荷划入带有DG的孤岛内。2）指最大负荷原则。在符合孤岛内用户负荷消耗功率不超过全部DG的容量前提下，我们为了提高配电系统的可靠性和尽量少的负荷没电供应，尽量发挥孤岛内DG在配电系统失电时还能继续供电的作用，应将尽可能多的用户负荷接入孤岛内，使其供电不间断。3）指最小网损原则。因为在孤岛内DG发电容量是一定不变的，为了在系统发生故障时为配电网提供尽可能大的的持续不间断的供电，在对配电网进行孤岛划分时应充分考虑该原则，在孤岛划分时靠近DG的用户负荷应尽可能接入该DG，这样可以尽可能减少孤岛运行的网络损耗。4）指远离变电站的负荷接入孤岛原则，也就是易于恢复。配电网一般采用的是环网设计，开环运行的辐射状结构，在电网故障排除之后进行供电恢复，首先会恢复上一级线路的供电，再将已经划分好独立运行的孤岛同时并网。如果是在配电网的中间区域形成的电力孤岛的话，为了实现配电网运行的孤岛运行模式和并网运行模式之间的快速无缝地转换，我们还需用重合闸装置来恢复孤岛外面的用户负荷的供电。所以为了快速恢复供电解除故障，靠近配电网尾端的用户负荷应该考虑优先接入划分的孤岛内。3.3.2配电网孤岛划分的约束条件为了保证配电系统的安全稳定运行，对配电网孤岛进行划分时还应该满足以下的两个约束条件：1)指PBC的约束，也称功率平衡的约束（powerbalanceconstrain），就是保证孤岛内的功率处于平衡状态，孤岛内DG发出电功率和其用户负荷功率平衡，要求孤岛内DG发电总容量应大于用电负荷的总容量。考虑到配网的无功主要是在负荷侧进行电容补偿，这里主要考虑有功功率的平衡。(1)其中(1)式中，为孤岛内第i个DG发电功率；为孤岛内用电负荷的功率。2)指RLC约束，也称为传输线的安全约束（ratedvalueandlimitconstraint）。岛内线路及变压器等电气设备的电压电流大小应在稳态安全范围内，也就是我们常说的不超压不过载。(2)其中(2)式中，为线路和变压器上的流过最大电流，为线路和变压器上规定流过的额定电流；指的是母线的实时电压，母线的额定电压。3.4含有DG的配电网的典型结构在电力系统研究中，对一些复杂问题的建模，不但可以把问题简化，还可以真实反映出问题的本质特点。用户配电网的拓扑结构是一种非常复杂的非线性结构，和数据结构中的图差不多。图的一种常用形式无向连通图，我们用它可以来描述配电网拓扑结构。图中的各种操作方法都可以用于配电网拓扑结构孤岛划分的研究，使复杂的问题简单化，更加容易存储数据，搜索数据，遍历图中的所有节点。但是要知道使用Prim算法搜索无向的连通图得到的生成树不是唯一的。对连通图遍历一次所经过该图中全部节点以及边的集合构成了连通图的生成树。因此对连通图的遍历的方式不同的话，就可能得出不一样的生成树。显然Prim算法的这个特点对孤岛划分问题是不利的，在孤岛划分的问题中，在一定的情况下，希望得到孤岛划分结果是唯一的最优的。我们一定要对Prim算法进行改进优化，制定特定的搜索起点的节点，搜索限制条件和搜索的顺序，那就可把不可以控制过程变成了可以控制的孤岛划分的过程，还保留了使用Prim算法进行孤岛划分的好处。中国的输电网电压普遍超过220KV，高压配电网的电压是110KV，中压配电网电压等级是10-35KV。，低压配电网的电压等级是0.4kV。配电网一般都是环网设计，但一般都是网的运行，环形网络结构更加灵活和线路切换更加方便，只要选择合理的输电线路可以有效地降低网络损耗，所以在配电网孤岛划分中，我们要充分利用环网的这些优点。配电网内DG一般都是比较接近的点负载安装的，配电网以孤岛运行时，DG可以有效给附近的用户负荷供电。图1是含DG配电网的并网运行方式。图1含DG配电网的并网运行方式。如图2是含有DG的7节点的配电系统，有已经用椭圆圈出的电力孤岛{L7,L9,L10,DG1,DG4}和{L8,DG2,DG3}。这两个相互独立的孤岛是可以通过支路{B9,B11},{B5,B10}和母线BUS3连接起来的，这两个孤岛多出的的功率之和可以继续为别的负载供电。这样的话，不但可以把孤岛的数目减少为1个，还可以降低停电负载的数目，提高了配电网供电的可靠性。很明显把这2个孤岛连接到一起可以有以上列举的优点，但是这样的连接方式并不是特别的合理，供电线路增加了供电距离，通过了降压变压器，所以增加了功率在线路上的损耗。然而若不把这两个孤岛连接起来，配电网孤岛运行的数量不是尽可能少的，同时也不能为尽量多的负荷供电，这样还会增加在故障排除后后恢复孤岛并网运行的操作的次数。也就是说我们可以利用配电网环网的特点，通过支路B14把这两个先前划分好的孤岛连接起来，最后形成一个新的大孤岛{L6,L7,L8,L9,L10，DG1,DG2,DG3,DG4}。图2包含DG的7节点的配电系统3.5孤岛划分问题的建模配电网一般会采用环网设计、开网运行的运行方式，因此它的拓扑成一个连通图，任何一条供电路径都可以看作是连通图一条带有权值的边。图3是包含有DG的配电网的连通图，该连通图就是图2包含有DG的7节点的配电系统的拓扑结构图，母线，负荷和DG都是用用连通图中的点表示，而该三者的连接用带有权值的边来表示。为了简化连通图结构和我们算法的运算量，我们仅仅使用备用支路和运行中的支路来建立连通图，而避免出现检修的支路和故障支路。我们按照一定的约定，建立起配电网的带权值的连通图模型，配电网孤岛的划分问题就转化成求取连通图中最小生成树问题。那么图的二元组的定义可叙述为：图是由节边集合和点集合组成。对于图G，顶点集合记为V(G)，边集可记为E(G)，其中边集E(G)中为无向边，则称该图为无向图。记作集合T=(U,TE)是图G的一个最小生成树，集合U表示树T的顶点集，集合TE表示树T的边集，两个集合U和TE的初值均为空集。依照上述的方案建立包含DG的7节点的配电系统连通图如图3，连通图的顶点集合VDG（DG节点）、VLoad（负荷节点），边集合EBus（母线-母线边）、EDG（母线-DG边）、ELoad（母线-负荷边），分别如下：EBus={(BUS1,BUS2)0.5,(BUS2,BUS3)0,(BUS3,BUS4)0.5,(BUS3,BUS5)0.5,(BUS4,BUS5)0,(BUS4,BUS6)0,(BUS5,BUS7)0}；VDG={DG1,DG2,DG3,DG4}；EDG={(BUS5,DG1)0,(BUS6,DG2)0,(BUS6,DG3)0,(BUS7,DG4)0}；VLoad={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10}；ELoad={(BUS2,L1)W1,(BUS2,L2)W2,(BUS3,L3)W3,(BUS3,L4)W4,(BUS3,L5)W5,(BUS4,L6)W6,(BUS5,L7)W7,(BUS6,L8)W8,(BUS7,L9)W9,(BUS7,L10)W10}。图3：包含DG的7节点配电系统的连通图第四章孤岛划分的改进Prim算法4.1Prim算法中带有权值连通图的确定由图论知识可知连通图是一种非常复杂的非线性的数据结构，图G的定义：G=（V,E）,其中集合V表示节点集，V=其中表示节点的数值，n表示节点的数目，有三种节点：母线的节点的话，没有值；负荷节点，则其表示有功功率的大小；DG节点，则表示为DG反馈到电网的自身发电容量。集合E表示边的集合，E=，其中表示为两节点连通成边，表示边的权值。同时边也有3种形式：母线和DG相连的边；母线和母线相连的边；母线与负荷相连的边，每种边的连接方式不同，说明其在配电网的气的作用不一样，所以权值也不一样。的权值设置得越小则说明在孤岛解列过程中越要考虑其连通，而其具体的数值大小没有实质意义，其大小的不同仅仅是为了区别在路径选取中各自的重要程度，具体权值的确定方法如下：1）母线和DG相连的边，这种边的权值我们确定为0，是因为要形成孤岛的稳定运行首先是孤岛范围内要有电源，而DG就充当孤岛内的电源，这种边将DG发出的电能树送到孤岛内的负荷。我们把母线与DG相连的边的权值设置为最小值0，表示其优先权最高，也就是在孤岛搜索过程中要求所有的DG都要求包含在孤岛内的。2）母线节点和母线节点的边，这种边权值的确定要是根据该支路上有没有变压器。一般来说我们把含有变压器的边的权值设置为0.5，而无变压器的支路的边设置为0。在特殊情况下，当配电网中出现三绕组变压器时，这样就可将其拆分为2个双绕组变压器，于是把边的权值设0.25，因为三绕组变压器比双绕组变压器的工作效率要高，所以其权值的优先权要高于双绕组变压器。3）母线节点和负荷节点相构成的边，这种边的权值可通过该边所连接负荷的重要程度和负荷有功功率大小来共同确定。这种类型边的权值决定方法其实是一种多个指标量化评估方法，包含负荷有功功率的大小、负荷的重要程度两个指标，以下公式中Wi的大小表示其权值，主要是通过两个指标计算得到具体边的权值。LNi是把所有负荷按大小进行1-10之间标准化处理后的到的值，于是把用户负荷功率大小都转化为1-10之间的数值，同时又不改变功率数值间的比例关系。（3）其中（3）式中：Wi表示的是第i条边权值；λ1、λ2为每个指标权值中所占的比重，采用的标准不一样，两值也是会不一样，为了简化运算，在本文中我们取λ1=λ2=1；Lmax是需要进行孤岛划分的含DG配电网里用户负荷有功功率的最大值，同理Lmin是需要进行孤岛划分的含DG配电网里负荷有功功率的最小值；Li是第i个用户负荷有功功率的大小；LNi是第i个负荷有功功率经过标准化之后的值；Si是第i个负荷的重要程度的指标，我们把负荷分为第一、二、三类，而相对应的S值为1、2、3，其中第1类的负荷最重要的用户负荷。4.2孤岛划分算法步骤根据图论的知识，我们建立了配电网的带权值的连通图的模型，那么孤岛划分的问题就会转化成图论中求连通图中的最小生成树问题。连通图中搜索生成最小生成树过程中要满足的原则和约束条件，也可以看成是孤岛形成过程中必须满足的原则和约束条件。我们使用改进后Prim算法，该算法可在短时间内得到孤岛划分的策略，图G=(V,E)是一个具备有n个节点的带权值的连通图，令树T=(U,TE)是图G最小的生成树，算法的具体过程如下所示：先按母线权值的大小和编号的顺序进行搜索,将编号值最小的母线放入集合U之中，此时U={BUSi}，而后从其一个端点已经在树T中，另外一个端点在树T外的全部边之中找出一条权值最小的边，假定其为(Vi,Vj)，其节点vi∈U，节点vj∈V−U，同时把该节点vj和边eij依次加入到树T的节点集U和边集TE中，按照这样进行下去，每一次循环都往生成树T里加入1节点和1边，直到全部搜索全部的母线的节点。若在搜索连通图的过程中，遇到权值相同时，则应取i+j值最小的边。2）按DG编号顺序先后依次进行搜索。先求出DG节点集合VDG中DG发出有功功率总和PDG，之后把DG节点集合VDG和与DG连接边的集合EDG分别并入到树T的节点集U和边集TE中。由于DG是没有权值的区分，因此可以一次性完成并入。3）按连通图边(指连接有负荷的边)的权值顺序(从小到大)依次进行搜索。选择边权值最小的用户负荷Li，检验PDG（循环后孤岛内剩余的发电容量）是否大于用户负荷Li。如果PDG大于负荷Li，于是把负荷Li在节点集VLoad、边集合ELoad中的节点和边分别加入到树T的节点集U和边集TE之中，更新该操作后的PDG：PDG=PDG−Li；若PDG小于负荷Li，也就是孤岛内的功率不足以供电，停止搜索图G，跳出循环。4）校验孤岛阶段。对通过算法搜索获得的孤岛范围进行更进一步的验证，验证孤岛范围内是不是能满足孤岛独立运行的安全条件。我们对搜索后得到的孤岛范围进行线路的潮流计算，检查孤岛内线路是否有过载的情况出现，同时还可以检查母线是否超压。防止孤岛中线路出现过载的方法是要充分利用配电网的环网结构的优点，投入一些支路来分流出现过载的线路上的电流，通过投切电容器来解决母线电压越限的情况。5）优化最小生成树阶段。按照步骤1）-3）进行搜索得集合树T=(U,TE)，树T已经符合孤岛搜索的一些基本的要求，如切除的负荷个数最少，形成孤岛的范围最大。在树T中，由于连通结构是无环单连通的，每2个节点只有一条连通的支路，并且不能构成环网。需要考虑到有些母线可能会处于电网的末端，其中并没有连接有负载，为了简化问题简化计算，在该步骤中，我们把只连接一条母线的母线忽略不计。运行完以上改进Prim的算法后，最后会形成树T=(U,TE)就是配电网在发生故障后形成的孤岛划分方案。顶点集U内的节点，就是运行该孤岛方案时需闭合的节点；顶点集U外的节点，便是运行该孤岛方案时需断开的节点，这个一般可以通过电脑端的控制开关控制。7节点系统的负荷功率大小，DG的有功功率大小和相对应边的权值见表1。表17节点系统负荷功率，边的权值和DG发出的有功功率名称功率/MW权值(Wi）名称功率/MW权值(Wi）L11.036.0L80.916.2L20.932.4L90.518.0L30.828.8L100.712.6L40.527.0DG11.0-L50.725.2DG21.0-L60.814.4DG30.5-L70.621.6DG41.0-4.37节点配电系统孤岛划分应用实例我们采用的孤岛划分改进Prim算法的流程图如图4。按照本节提出的算法，我们对图3连通图的搜索过程如下图所示：图4孤岛划分算法的流程U={BUS1,BUS2,BUS3,BUS4,BUS5,BUS6,BUS7}，TE={(BUS1,BUS2)0,(BUS2,BUS3)0,(BUS3,BUS4)0,(BUS4,BUS5)0,(BUS4,BUS6)0,(BUS5,BUS7)0}。U={BUS1,BUS2,BUS3,BUS4,BUS5,BUS6,BUS7,DG1,DG2,DG3,DG4}，TE={(BUS1,BUS2)0,(BUS2,BUS3)0,(BUS3,BUS4)0,(BUS4,BUS5)0,(BUS4,BUS6)0,(BUS5,BUS7)0,(BUS5,DG1)0,(BUS6,DG2)0,(BUS6,DG3)0,(BUS7,DG4)0}。U={BUS1,BUS2,BUS3,BUS4,BUS5,BUS6,BUS7,DG1,DG2,DG3,DG4,L10,L6,L8,L9,L7}，TE={(BUS1,BUS2)0,(BUS2,BUS3)0,(BUS3,BUS4)0,(BUS4,BUS5)0,(BUS4,BUS6)0,(BUS5,BUS7)0,(BUS5,DG1)0,(BUS6,DG2)0,(BUS6,DG3)0,(BUS7,DG4)0,(BUS7,L10)12.6,(BUS4,L6)14.4,(BUS6,L8)16.2,(BUS7,L9)21.6,(BUS5,L7)21.6}。4）对经过算法搜索得到孤岛的区域进行检验。经验证后发现孤岛范围能很好满足孤岛安全稳定运行要求。U={BUS4,BUS5,BUS6,BUS7,DG1,DG2,DG3,DG4,L6,L8,L9,L7,L10}，TE={(BUS4,BUS5)0,(BUS4,BUS6)0,(BUS5,BUS7)0,(BUS5,DG1)0,(BUS6,DG2)0,(BUS6,DG3)0,(BUS7,DG4)0,(BUS7,L10)12.6,(BUS4,L6)14.4,(BUS6,L8)16.2,(BUS7,L9)21.6,(BUS5,L7)21.6}。经过一系列优化措施后最终完成孤岛搜索，得到的孤岛划分方案如图2所示虚线方框内区域。第五章实例验证仿真与分析5.1算法实例仿真图5所示是含有DG的某城市的配电系统，该配电系统是通过高压母线BUS1接入进行供电，该配电系统为环网结构，但是开网运行。在35KV和10KV的电压等级的母线上接入分布式电源，并且是靠近负荷位置接入配电网，在图中负荷箭头的类型代表的是负荷等级：粗的箭头是表示的是一级负荷，细实箭头是表示二级负荷，虚箭头是表示三级负荷。图5含DG的某城市配电系统由图5中给出的数据以及上文式（3）算得表2数据：表2配电系统负荷对应边的权值及DG发出的有功功率。名称功率/MW权值名称功率/MW权值名称功率/MW权值L11.5137.06L130.8313.58L250.6510.64L21.3210.8L141.422.9L260.7217.67L30.735.97L150.5513.5DG120L40.914.73L161.6026.18DG220L50.717.19L170.9723.8DG320L61.3221.6L181.127DG420L71.1027L191.0917.84DG520L81.209.82L200.917.45DG62.50L90.7718.9L210.7418.16DG710L101.3332.65L220.54.09DG830L111.2119.8L230.7111.61DG920L120.614.99L241.3410.965.2仿真结果分析经上述第四章提到的基于改进Prim的方法进行搜索生成最小生成树及校验孤岛稳定运行的条件，我们假设故障事故发生在母线BUS1上，该母线切断后，这城市配电系统和输电网络就会断开，根据上述的孤岛划分的算法我们可以获得如图6所示的孤岛运行的方案。图中阴影部分是发生故障后停电范围，而配电系统会构成一个能持续不间断供电的孤岛，一共切除了5个三级负荷。当故障恢复后，形成孤岛的区域能通过同期装置并网，阴影区域则可以通过直接重合闸来并网。发生故障后，孤岛运行方式负荷的恢复情况如表3，其一级负荷和二级负荷可以完全恢复供电，三级负荷的部分能恢复供电。从图6及表3可看出本文提的改进Prim算法可以很好地适用于一般的配电网，能很快速地得到合理可靠的孤岛划分的方案。首先不仅可以优先满足一级和二级负荷的供电，还可以很大范围地恢复三级负荷地供电。其次，还能有效配合重合闸装置与保护装置，实现配电网的孤岛运行模式和并网运行模式之间的快速无缝转换。所提出的算法在运行的每一步都检验了孤岛安全运行的约束条件，可以及时发现一些不稳定的因素，然后加以排除，能确保在孤岛条件下配电网运行的可靠安全稳定。图6配电系统BUS1故障后按照改进Prim算法得到的孤岛方案统计该孤岛划分方案不同负