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含分布式电源配电网启发式孤岛划分方法.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.51M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 含分布式电源配电网启发式孤岛划分方法 王其祥，胡林献** （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,哈尔滨 150001） 摘要：提出一种基于距离权重的含分布式电源（DG）配电网启发式孤岛划分方法。这种孤 岛划分方法以恢复的重要负荷最多为目标，引入距离权重来表征目标负荷与当前孤岛的距离 远近，从 DG 节点出发，广度优先搜索依次并入距离当前孤岛最近的负荷。考虑到负荷可控 性，形成的初始孤岛仅包含重要负荷和不可控负荷。然后从小到大依次并入适量可控三类负 荷并进行安全运行校验。算例分析结果表明，本文提出的算法能够快速实现最优孤岛划分， 验证了该方法的有效性。 关键词：配电网；孤岛划分；分布式电源；距离权重；启发式 中图分类号：TM73 A Heuristic Algorithm on Island Partitioning of Distribution System with Distributed Generation WANG Qixaing, HU Linxian (School of Electric Engineering & Automation, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001) Abstract: A heuristic islanding algorithm based on distance-weight was proposed in this paper. This algorithm takes the maximum recovered critical load as the main target, introducing distance-weight which represents the distance between the objective load and the island, starting with DG nodes, based on BFS theory, and merging the nearest load by turn in the end. Considering the impact of controlled loads, the initial islands only contain important loads and uncontrolled loads. The ordinary controlled loads will be merged into islands in turn according to active power, followed by security assessment. Simulation results have demonstrated that the proposed algorithm can achieve optimal island partitioning quickly, which proved the effectiveness of the proposed method. Key words: distribution system; island partitioning; distributed generation; distance –weight; heuristic 5 10 15 20 25 30 0 引言 电力系统发生大规模停电时，孤岛运行方式可以更为充分地利用配电网中分布式电源 （DG）的发电能力，减小停电损失，降低用户对大电网的依赖。为了最大限度地利用 DG 的自主发电能力，提高供电可靠性，并网规程 IEEE Std.1547-2003 鼓励供电方和电力用户通 过技术手段实现计划孤岛运行[1-2]。 35 寻求合理的的孤岛划分方案，实质上就是求解一组最佳的线路开断策略[3]。目前，国内 外已有一些专家对故障状态下的孤岛检测和划分问题进行了相关研究，并提出了多种适用于 不同网络环境，考虑不同指标的孤岛划分策略。文献[4-5]建立了含 DG 的配电网供电恢复 的 CSP 模型，采用回溯算法对分布式发电条件下的配电网供电恢复 CSP 数学模型进行求解， 能够快速实现孤岛划分。文献[6-9]将孤岛划分问题转化为求取连通图的最小生成树的问题， 40 孤岛搜索分别采用改进的 Prim 算法、改进 Kruskal 算法、Floyd-warshall 算法和 Sollin 算法 作者简介：王其祥（1994-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统分析与控制 通信联系人：胡林献(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：高压直流输电系统运行与控制. E-mail: linxian_hu@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 实现。文献[6]算法能够适应配电网的环网结构，并保证重要负荷的持续供电和孤岛范围最 大，但孤岛范围扩大的同时网损也相应增大。文献[7]考虑到了重合闸装置的配合因素，重 要负荷恢复情况较好。而可控负荷的影响，文献[6-8]均未考虑。 本文提出一种基于距离权重的启发式孤岛划分方法。对含 DG 的配电网建立数学模型和 45 无向图模型，基于距离权重，采用广度优先搜索算法搜索孤岛，得到最优划分方案。 1 孤岛划分原则 为方便阐述问题，将部分相关名词作以下说明： 目标负荷：孤岛范围外待并入孤岛的负荷。 源内节点：孤岛范围内的母线节点。 50 源外节点：孤岛范围外的母线节点[2]。 邻域：与某一节点直接相连的节点集合。 孤岛划分是一个多目标、多组合、多约束的非线性优化问题[10]，为了最大限度地发挥 DG 的潜力，保障重要负荷的供电，提高供电恢复质量，同时划分的孤岛应易于解列和恢复 并网，在设计划分方案时应考虑以下原则： 55 （1）重要负荷优先恢复供电； （2）普通负荷尽可能多的恢复供电； （3）安全运行； （4）易于解列和并网恢复。 2 孤岛划分数学模型 60 由于孤岛划分旨在提高供电可靠性和降低经济损失，所以本文的孤岛划分目标主要从这 两方面考虑，以孤岛内恢复供电的负荷加权功率最大为目标，并加以电气约束。 （1）目标函数 式中：n 为孤岛内恢复供电负荷的数目， 表示负荷 i 的权重， 表示负荷 i 恢复供电的 65 有功功率。 的大小可以根据孤岛划分目标进行整定，本文对三个等级负荷所赋的权值分 别为 100，10，1。权值越大，孤岛划分时所对应等级的负荷越重要。 (1) （2）约束条件 a. 功率平衡约束 在每个孤岛内，所有 DG 的输出功率不小于总负荷需求： 70 (2) (3) - 2 - 1niLiiMaxFunPiLiPij110mnGiLijPPji110mnGiLjQQ
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 式中：m 为 DG 个数，n 为孤岛内恢复供电的负荷数目； 、 为各 DG 发出的有功功率 和无功功率； 和 为各负荷的有功功率和无功功率。 b. 节点电压约束 75 孤岛中的节点电压需要满足以下条件： 式中： 和 分别为节点 i 的电压下限和电压上限[11]。 c. 线路和变压器负载电流约束 (4) 80 d. 分支容量约束 (5) (6) (7) 式中： 、 为支路 i 有功和无功功率； 、 为支路 i 传输有功、无功上限[11]。 3 基于距离权重的配电网启发式孤岛划分方法 85 3.1 含 DG 的配电网无向图表示 为了提高可靠性，配电网一般闭环设计，开环运行。整个配电网以系统侧电源为中心， 呈辐射状结构。每一条供电路径，都可以看作以系统电源为根，负荷节点为叶，以连接电源 和负荷的支路和开关为树干的树模型，整个配电系统则是由各种结构、大小不同的树组成的 森林[5]。DG 无论是从馈线接入还是从母线接入，都只是改变了部分节点的属性，使之具有 90 电源特性，并未改变树形结构。以含 DG 的 7 节点配电系统为例，其拓扑结构及无向图模型 分别如图 1 和图 2 所示。 图 1 含 DG 的 7 节点配电系统 Fig. 1 7-node distribution system with DGs - 3 - GiPGiQLiPLiQminmaxiiiUUUminiUmaxiUmaxNIImaxiiPPmaxiiQQiPiQmaxiPmaxiQ
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 95 图 2 含 DG 的 7 节点配电网连通图 Fig. 2 7-node distribution network connectivity graph with DGs 3.2 距离权重的定义及比较规则 定义距离权重 ：当前孤岛恢复节点 i 所连接负荷的供电需付出的代价。该代价以类似 100 目标函数的形式计算，包括三个等级负荷的加权和。同样，各个等级的权值可以整定，本文 算法中分别取 100，10，1。 (8) 式中：ρ 为负荷权重， 为目标负荷有功功率。 距离权重比较规则： 105 （1）D 数值大的节点优先恢复供电； （2）D 为 0 的节点（即零负荷节点）不参与比较直接恢复供电。 规则（2）针对个别节点负荷为 0 而与其相连的孤岛外节点可能有重要负荷的情况，实 际上是以部分网损为代价换取潜在的重要负荷的供电。 3.3 启发式搜索规则 110 基于 3.2 定义的距离权重比较规则，制定以下启发式孤岛搜索规则： 1)单个 DG 时，DG 节点为搜索起点；多个 DG 时，预先对各 DG 进行编号，按编号顺 序依次搜索； 2)广度优先，遍历当前孤岛邻域节点。孤岛内支路加入禁忌列表不参与下次遍历； 3)距离权重优先准则，按照 3.2 中规定的距离权重比较规则决定优先顺序； 115 4)初始孤岛形成过程中三类可控负荷功率视为 0； 5)允许一个孤岛内有多个 DG。 3.4 孤岛搜索具体步骤 Step1：从 DG 节点出发，形成仅计及重要负荷和不可控负荷功率的初始孤岛。 1-1）所有可控三类负荷功率置为 0，其余三个等级负荷权重分别为 100，10，1； 120 1-2）若孤岛划分范围内只有一个 DG，按照广度优先方法和距离权重比较规则决定加入 孤岛的节点顺序，孤岛内剩余功率小于给定值或全部节点搜索完毕结束； - 4 - iD31ijLjjDPLjP
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1-3）孤岛扩大过程中搜索到其他 DG 节点且有功平衡满足条件，则吸纳新 DG 节点， 更新孤岛内剩余功率，继续扩大孤岛范围，直到满足 1-2）中结束条件； 1-4）多个 DG 不能纳入同一个孤岛内，则按照 DG 编号顺序，一个孤岛搜索结束后， 125 从孤岛外的 DG 节点出发形成新的孤岛。已包含在任意孤岛内的节点不参与其他孤岛搜索； 1-5）两个孤岛直接相邻，则融合为一个孤岛，重新计算剩余功率，扩大孤岛范围。 Step2：孤岛优化。孤岛内可控三类负荷，满足功率平衡的条件下按有功从小到大的原 则加入孤岛。 Step3：安全校验。对按以上步骤划分得到的孤岛进行潮流计算，对于不满足安全运行 130 条件的支路进行相应的处理。过载线路切除部分可控负荷，电压越限则采取就地调压措施。 4 算例分析 以 IEEE33 节点配电系统为例进行算例分析。为便于对比不同孤岛划分方法的划分质量， 本文所有 DG 的接入母线节点、DG 发电容量以及配电系统参数都与文献[12]相同，负荷重 要程度也同样设置。节点 4，13，22，23，27 所连接的负荷为不可控负荷，其余负荷均可控。 135 各 DG 的容量如表 1 所示。 表 1 各 DG 发电容量 Tab. 1 Generation capacity of each DG DG 编号 连接母线节点 发出有功/kW 发出无功/kVar 1 1 400 200 2 17 364 200 3 21 300 180 4 28 500 250 图 3 所示为节点并入孤岛的顺序，节点之间的数据表示孤岛内剩余功率。剩余功率不足 以容纳任何一个节点连接负荷时停止搜索。系统中 DG 数目较多，按照编号依次搜索。 140 初始孤岛 1 包含 8 个节点和 1 个分布式电源，其中节点{16,17,18}上只连接有可控三类 负荷，计算剩余功率时不计算在内。结束搜索后，孤岛剩余功率 0.019MW，可控三类负荷 最小值 0.06MW，初始孤岛不能接纳任何一个可控三类负荷，只包含重要负荷和不可控负荷。 (a) 初始孤岛 1 145 (b) 初始孤岛 2 图 3 初始孤岛形成过程 Fig. 3 Initial island formation process - 5 - DG2170.36416,181514131211END0.3640.3640.3040.1840.1240.0640.019DG110.423,190.40.4420215626270.130.190.250.310.100.190.31280.0770.578,290.37300.25END0.05并入DG3并入DG40.30.5
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 初始孤岛 2 包含 15 个节点和 3 个分布式电源，其中节点{1,2,3,28}上只连接有可控三类 150 负荷，计算剩余功率时不计算在内。初始孤岛只包含重要负荷和不可控负荷。 最终孤岛划分方案如图 4 所示。图 5 为文献[12]的孤岛划分方案。 155 图 4 33 节点配电系统孤岛划分方案 Fig. 4 Island division scheme of 33-node distribution system 图 5 文献[12]的孤岛划分方案 Fig. 5 Island division scheme in paper [12] 从图 4 和图 5 可以看出，本文划分方案将网络划分为两个孤岛，存在两个解列点，相比 160 文献[12]，孤岛数目和解列点个数都减少一个。切除孤岛范围内母线 1，2，3，16，17，28 上连接的可控负荷，断开源内节点与源外节点相连的支路开关，孤岛即可脱离系统独立运行。 各类负荷恢复供电情况如表 2 所示。为了对比，表中同时列出文献[12]划分方案各类负 荷恢复情况。 165 表 2 孤岛划分方案的供电恢复结果 Tab. 2 Power recovery result of islanding scheme 划分方案 本文方案 文献[12]方案 一类负荷供电 二类负荷供电 恢复率 83.5% 48.8% 恢复率 78.4% 48.6% 总供电 恢复率 40.2% 38.8% 孤岛划分质量 110.35 65.25 由表 2 可见，本文方法因为考虑了负荷可控性，以牺牲部分三类负荷为代价保证重要负 荷的供电，因此能够明显改善重要负荷供电恢复情况。文献[12]采用遗传算法进行孤岛划分， 对这种结构相对简单、节点较少的配电网没有明显的优势。 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 5 结论 170 本文提出的基于距离权重和广度优先的配电网启发式孤岛划分策略，从 DG 节点出发， 广度优先逐层扩大孤岛范围，引入距离权重作为比较因子来决定每次遍历并入孤岛的节点优 先级。算法中充分考虑负荷可控性的影响，在先形成只计及重要负荷和三类不可控负荷的初 始孤岛后，根据孤岛内剩余功率从小到大依次并入三类可控负荷。这种算法通过切除部分三 类可控负荷有效地提高了一、二类负荷的供电恢复率，而且算法简单易行，划分结果也易于 175 解列和并网操作。 [参考文献] (References) 180 185 190 195 [1] IEEE Std.1547-2003. IEEE Standard for interconnecting Distributed resources with electric [S]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, New York, USA, 2003. [2] 曾业运. 基于 DG 孤岛运行的配电网供电恢复策略研究[D].湖南大学,2015. [3] 王旭东,林济铿,李胜文,郑卫红. 电力孤岛划分综述[J].电力系统自动化.2013, 37(22): 125-135. [4] 曹家麟,张可夫,边晓燕. 基于 CSP 的含分布式发电孤岛划分模型及算法[J]. 上海电力学学报,2011,27(5): 427-434. [5] 李雪冬,徐玉琴,张丽等. 基于 CSP 的分布式发电在线孤岛划分[C]. //中国高等学校电力系统及其自动化 专业第二十五届学术年会论文集. 2009: 1-5. [6] 董晓峰,陆于平. 基于改进 Prim 算法的分布式发电孤岛划分方法[J].电网技术, 2010,v.34; No.32209: 195-201. [7] 刘宗歧,鲍巧敏,孙春山等. 基于改进 kruskal 算法的含分布式发电的配网孤岛划分算法[J]．电工技术学 报, 2013, 28(9): 165-171． [8] 谢潜,武鹏,周江昕,余浩斌,程浩忠,梅红兴,邢海军. 基于 Floyd-warshall 算法的分布式电源孤岛划分[J]. 水 电能源科学,2015,10: 173-177. [9] 曾令诚,吕林,曾澜钰. 基于 sollin 算法的含分布式电源的孤岛划分方法[J]. 电力自动化设备, 2013, v.33; No.22804: 95-100. [10] 王振浩,李秉书,任强,李国庆. 含分布式电源的智能配电网孤岛划分策略[J].电测与仪表, 2015,14: 39-43. [11] Ruliang Dong, Qiang Yang, Wenjun Yan. A Two-stage Approach on Island Partitioning of Power Distribution Networks with Distributed Generation [A]. The 26th Chinese Control and Decision Conference[C]. 2014: 2773-2777. [12] 孙轲,路阳. 基于遗传算法的含分布式发电配网孤岛划分[J]. 大众科技,2014,v.16; No.18210: 32-34. - 7 -
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