智能配电网的网络重构自愈技术

李 冰，韩天博，何瑞文

（1.广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000）；2.广东工业大学自动化学院，广东广州 510000）

0 引言

电网自愈的概念最早出自美国电科院（EPRI）与美国能源部于1999 年启动的“复杂互动系统”研究计划。1999年，清华大学提出“数字电力系统”概念，此为智能电网的雏形，也为自愈技术打下了仿真技术的基础。

文献[1]以“2-3-6”为框架叙述自愈控制的概念和体系；文献[2]提出了适用于实时控制的配电网供电恢复计算方法；文献[3]提出了采用自愈速度和供电自愈率指标来评价配电网的自愈能力。

珠海供电局的琴韵变电站将作为广东电网的“3C 绿色电网”建设试点，其220 kV/20 kV 电压等级是本地区首次引入20 kV 中压等级，同时也是珠海智能配电网发展的重要契机。

1 智能配电网的自愈技术的技术需求分析

自愈技术是电网实现智能化的重要手段，目前对电网自愈的研究分成输电网与配电网两部分内容。由于发挥的作用、网络结构与运行方式等有着很大的差异，输电网与配电网对自愈功能要求也不同。本论文主要针对智能配电网自愈进行研究。

表1 智能化的输电网和配电网比较

由上述比较可以看出智能配电网区别于输电网有两大特点：一是采用辐射型供电方式，二是在智能化过程中强调减少停电时间、杜绝安全越限。

为了实现自愈技术的分布自治性、工况适应性和广域协调性，智能配电网实现过程由响应层、协调层和决策层组成，单向流程如图1。反应时间都在秒级或者微秒级，非常迅速。这就需要自愈过程有固定的算法植入到快速仿真中，以决策出最佳的自愈方案。

图1 智能配电网自愈单向逻辑流程

满足智能配电网的两大特点和自愈技术的要求即为本论文的研究目标。

2 网络重构的优化目标

自愈技术的重要目标之一是故障隔离与恢复。而供电恢复是一个带约束的多目标优化问题，在故障隔离后，分段开关与联络开关的重新配合可看做对电力网络的重构，由于网络拓扑结构可能发生多种变化，快速地选择其中一种结构作为最优方案，能为智能配电网自愈技术发展提供有力的支持。图2 为网络重构初始图：含六条馈线的配网接线。

图2 含六馈线的配电网络图

为了简略起见，图2中简略了各母线。

图2中编号1～10为分段开关，一般情况下位于闭合状态。

编号＜1>～＜5>为联络开关，一般情况下处于开断状态。

对于整个系统的自愈过程而言，优化目标有两个。一是尽量减少开关的操作。因为操作的次数增加会导致系统稳定性减弱，且可能延误恢复时间，不利于迅速恢复供电；二是恢复对最多的失电负荷，所谓恢复是指正常供电，即不存在电流越限和电压越限[4]。

当1和2之间出现了故障，自愈系统会很快做出反应，在短时间断开分段开关1和2。

在故障隔离的一瞬间，分段2、3、4、7、9五个开关全部失电。自愈的目标是尽量用最优化的方法恢复供电。

基于以上的优化目标，确定自愈系统的评定体系中含有以下两个因素：

（1）开关的操作次数，用CZ来表示；

（2）未失电区负荷的转移量，用ZY 来表示，意义为负荷的转移量与失电总负荷的比值表示。

本论文含有三个重要的指标，会在自愈过程中出现，现阐述如下。

（2）可转移负荷IK，即分段开关可向该联络开关转移的负荷量。就图3而言，对于分段开关5而言，可以向联络开关＜1>转移的负荷量是其下游母线集（粗线部分）的负荷总量。

图3 可转移负荷的概念阐述图

图4 有/无电流越限情况的网络图

（3）联络开关与发生电压越限（即超出电压允许值范围）的母线之间的电气距离ZL。需要注意的是，当电压越下限的时候，某一联络开关的ZL应该取电气距离中的最小值。这是因为此值的设定是为了运用此指标对联络开关进行排序，选择闭合合适的联络开关，消除电压越限。取最小值可以防止电气距离较小的母线在联络开关闭合后越上限。

3 自愈过程的方案选取

第一步是选择闭合适当的联络开关恢复对失电区的供电。

候选开关应该首先考虑支持馈线的联络开关。对于馈线F1 来说，馈线F2、F3 和F4 是支持馈线。而馈线F5、F6都是下一级馈线。当分段开关1、2之间发生故障，系统会断开1、2进行故障隔离。由图4 中可以看到满足要求的只有馈线F2、F3、F4。计算三者的最大备用容量IM。由图4 中可知IM.max=IM.1，其次是开关＜2>。即联络开关＜1>的最大备用容量最大。于是选择闭合＜1>来恢复供电。若出现电流越限，将＜2>也闭合。

第二步是如果以上方案无电压越限情况，选择合适的分段开关并断开。

因为在＜1>、＜2>闭合之后，网络拓扑发生了变化，不再呈现辐射型供电。这里的分段开关选择原则如下。

（1）闭合的联络开关之间的分段开关，变为联络开关，这样可以保证仍然能是辐射型供电。满足条件的只有分段开关4、7。

图5 分段开关7的可转移负荷

第三步是如果出现了电压越限，对通过最大/最小电气距离选择联络开关。如果开关＜1>合上之后出现了电压越限的现象，那么用ZL对联络开关进行排序。如果电压越下限，即出现值过小的情况时，将ZL.min（假设是＜4>）对应的联络开关闭合。若无越限，再断开联络开关向失电区方向的第一个分段开关，以此重回辐射拓扑结构。

第四步，总结经过搜索后的候选方案的集合并选择最优解。

本实例中可能出现下列几种方案：闭合开关＜1>，断开开关4；闭合开关＜1>，断开开关7；闭合开关1和2，断开开关4；闭合开关1和2，断开开关7；闭合开关＜4>，断开开关9。

这里注意，若此实例中存在电流和电压同时越限的情况，那么可能需要下一级馈线F3/F5 供电，即考虑闭合联络开关＜3>/＜5>。

方案选择及其条件如表2所示。

表2 网络重构的方案的选择原则

若有发生条件相近，出现n 个解的情况，选择操作次数较少的方案为最优解，以提高恢复供电可靠性。本例并未出现这种情况。

4 小结

本论文采用网络重构的思想对有故障的电网进行自愈控制。在三个关键参数的约束下搜索出最好的恢复供电的方法，最终通过信息采集确定得到的是最优解。算法可由快速仿真软件进行，在这个过程中可以快速实现最初的优化目标：即减少操作次数和恢复更多的失电负荷。

［1］郭志忠.电网自愈控制方案［J］.电力系统自动化，2005，29（10）：85-88.

［2］杨明皓，黄单舸.配电网供电恢复决策的实时计算方法［J］.电力系统自动化，2000（3）：45-49.

［3］李天友，徐丙垠.智能配电网自愈功能与评价指标［J］.电力系统运行与控制，2010，38（22）：105-108.

［4］万秋兰.大电网实现自愈的理论［J］.电力系统自动化，2009，33（17）：29-33.