基于負(fù)荷均衡的配電網(wǎng)供電恢復(fù)軟件設(shè)計

高 杰, 張新慧, 劉寶明, 紀(jì)鳳坤, 景泳淇

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 山東 淄博 255091;2.山東省電力公司 臨邑縣供電公司, 山東 德州251500;3.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南250061)

在配電網(wǎng)的故障管理中,供電恢復(fù)是一個非常重要的環(huán)節(jié).配電網(wǎng)供電恢復(fù)受接線方式、設(shè)備線路參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測等因素的影響,其方案的制定有各種各樣的側(cè)重點(diǎn),屬于多目標(biāo)、多約束、非線性的整數(shù)組合優(yōu)化問題[1-2].

一直以來,配電網(wǎng)發(fā)生故障后的供電恢復(fù)問題得到廣泛關(guān)注和大量研究[3].文獻(xiàn)[4]提出了以供電路徑的負(fù)荷度最小為搜索規(guī)則的啟發(fā)式智能配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法；文獻(xiàn)[5]研究了基于模糊邏輯和風(fēng)險管理的配電網(wǎng)供電恢復(fù)方法；文獻(xiàn)[6]提出一種基于改進(jìn)禁忌搜索算法且以甩負(fù)荷最小為目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法,并給出了一種開關(guān)操作順序生成方法；文獻(xiàn)[7]探討了基于多代理技術(shù)的配電網(wǎng)故障處理.雖然相關(guān)研究很多,但是沒有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)軟件.

為了避免大面積停電事故,供電恢復(fù)后應(yīng)使各饋線負(fù)荷均衡,避免其過負(fù)荷運(yùn)行,并提高其再次恢復(fù)供電的能力.本文以負(fù)荷均衡為目標(biāo),提出供電恢復(fù)策略,并論述供電恢復(fù)軟件的設(shè)計方法.

1 配電網(wǎng)供電恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型

1.1配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單,一般采用“手拉手”接線方式[8],為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,該接線方式留有50%的備用容量,供電能力低.高供電能力的配電網(wǎng)一般采用多分段多聯(lián)絡(luò)、N供一備等接線方式,使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜,配電網(wǎng)供電恢復(fù)難度也隨之增大[9-11].

目前,國內(nèi)高供電能力的配電網(wǎng)一般采用多分段多聯(lián)絡(luò)、N供一備等接線方式.根據(jù)分段數(shù)和聯(lián)絡(luò)數(shù)的不同,可分為兩分段兩聯(lián)絡(luò)、三分段三聯(lián)絡(luò)、六分段三聯(lián)絡(luò)等[12].一般情況下主要采用三分段三聯(lián)絡(luò)和三供一備接線方式,分別如圖1、圖2所示.

圖1 三分段三聯(lián)絡(luò)接線方式

圖2 三供一備接線方式

高供電能力的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,供電恢復(fù)的難道也更大.實(shí)施供電恢復(fù)的前提是確定供電恢復(fù)區(qū),圖3所示的三分段三聯(lián)絡(luò)接線方式中,當(dāng)分段開關(guān)B21與B22之間發(fā)生短路故障時,將故障點(diǎn)下游的非故障失電區(qū),稱為供電恢復(fù)區(qū),如圖3中的橢圓虛線圈所示；將通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)直接與非故障失電區(qū)(供電恢復(fù)區(qū))相連且另一端連有電源的饋線區(qū)域,稱為相關(guān)區(qū)域,如圖3中的矩形虛線框所示.

圖3 三分段三聯(lián)絡(luò)故障區(qū)域

與供電恢復(fù)區(qū)連接的有B16和B24兩個聯(lián)絡(luò)開關(guān),當(dāng)多個聯(lián)絡(luò)開關(guān)配合的區(qū)域需要恢復(fù)供電時,應(yīng)充分考慮負(fù)荷均衡原則,避免因?yàn)樨?fù)荷分配不均而導(dǎo)致過負(fù)荷,并為每個供電電源點(diǎn)都留有足夠的備用容量.

1.2供電恢復(fù)的目標(biāo)

為了避免發(fā)生大面積的停電事故,配電網(wǎng)故障恢復(fù)后要盡量避免線路過載,保留足夠的備用容量.總的來說,配電網(wǎng)故障恢復(fù)的目標(biāo)為:(1)盡可能多地恢復(fù)失電負(fù)荷供電;(2)不同等級負(fù)荷應(yīng)分別考慮,重要負(fù)荷優(yōu)先恢復(fù)供電;(3)盡可能使各饋線負(fù)荷均衡,無過載線路.

1.3以負(fù)荷均衡為目標(biāo)的供電恢復(fù)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障并引起斷電時,保證各供電電源點(diǎn)的負(fù)荷均衡是供電恢復(fù)問題主要的方面.負(fù)荷均衡是指參與恢復(fù)供電的各供電電源點(diǎn)在供電恢復(fù)之后的負(fù)荷率盡量相等,并將該負(fù)荷率稱為負(fù)荷均衡期望值.

以圖3所示的電路為例來說明供電恢復(fù)數(shù)學(xué)模型的建立,圖3中當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)B21與B22之間發(fā)生短路故障時,與供電恢復(fù)區(qū)直接相連的相關(guān)區(qū)域有兩個,即有兩個供電恢復(fù)路徑.當(dāng)合上與m側(cè)相關(guān)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)B16后,此時m側(cè)和n側(cè)的兩個相關(guān)區(qū)域的負(fù)荷比率為

(1)

當(dāng)合上與n側(cè)相關(guān)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)B24后,此時m側(cè)和n側(cè)的兩個相關(guān)區(qū)域的負(fù)荷比率為

(2)

為了使各電源點(diǎn)在供電恢復(fù)之后的負(fù)荷率盡量相等,選擇以負(fù)荷均衡期望值為目標(biāo)函數(shù),即

LBE=min[a,b]

(3)

對于涉及多個相關(guān)區(qū)域的供電恢復(fù),公式可推廣為:

i∈x

(4)

i∈x

(5)

…

i∈x

(6)

LBE=min[a1,a2,…,ai]

(7)

在配電網(wǎng)的供電恢復(fù)問題中,同時要滿足不等式約束條件,不等式約束包括電壓約束、支路過載約束等,即

uimin≤ui≤uimax

(8)

Si≤Simax

(9)

式中：Ui、Uimin、Uimax分別為節(jié)點(diǎn)i電壓值及其下限和上限值;Si和Simax分別為第i條支路流過功率的計算值及其最大容許值[13].

2 配電網(wǎng)供電恢復(fù)軟件的設(shè)計

2.1 供電恢復(fù)軟件的主要工作流程

故障恢復(fù)軟件的主要工作流程如圖4所示,包括以下步驟:

1)獲取配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù).

2)搜索數(shù)據(jù),確定待恢復(fù)區(qū)以及相關(guān)區(qū)域.

3)在相關(guān)區(qū)域進(jìn)行負(fù)荷均衡期望值計算,對供電恢復(fù)區(qū)以負(fù)荷均衡期望值為目標(biāo)進(jìn)行搜索,形成供電恢復(fù)方案.

4)判斷方案中是否存在過負(fù)荷.

5)對過載區(qū)域進(jìn)行甩負(fù)荷操作.

6)形成最終的供電恢復(fù)方案.

圖4 主要工作流程圖

2.2 配電網(wǎng)供電恢復(fù)軟件外部數(shù)據(jù)的獲取

通過訪問配電自動化系統(tǒng)獲取配電網(wǎng)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)、饋線最大負(fù)荷;通過訪問配電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取負(fù)荷等級、饋線的額定電流等應(yīng)用數(shù)據(jù).

2.2.1 配電網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取

配電網(wǎng)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)存在于配電自動化系統(tǒng)中,并且實(shí)時更新.當(dāng)前的配電自動化一般都支持基于IEC 61968/61970的公共信息模型(Common Information Model, CIM)和數(shù)據(jù)總線,可通過數(shù)據(jù)總線獲取基于CIM模型的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù).

2.2.2 饋線最大負(fù)荷值的獲取

饋線的電流數(shù)據(jù)需要實(shí)時保存到配電自動化系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)發(fā)生故障時,根據(jù)線路拓?fù)潢P(guān)系定位故障區(qū)域,確定待恢復(fù)區(qū)域,以及待恢復(fù)區(qū)域的相關(guān)區(qū)域,從而篩選出此次供電恢復(fù)時所涉及的饋線集合.

從歷史數(shù)據(jù)庫中取出參與供電恢復(fù)饋線的前3天或前4天的電流數(shù)據(jù),取出前3天或前4天的當(dāng)前故障發(fā)生時刻后90min內(nèi)的最大負(fù)荷電流,其平均值作為該饋線的最大負(fù)荷電流.

2.2.3 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的獲取

配電網(wǎng)在運(yùn)行過程中,隨著開關(guān)的分、合變化,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化,為了確定相關(guān)區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),需要從配電自動化系統(tǒng)獲取故障前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為了確定故障損失的負(fù)荷量需要獲取故障后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

2.2.4 饋線額定電流的獲取

饋線的額定電流作為饋線的重要參數(shù)保存在配電網(wǎng)生產(chǎn)管理參數(shù)數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)需要計算饋線負(fù)荷率以及負(fù)荷均衡期望值時,可從參數(shù)數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù).

2.2.5 負(fù)荷等級值的獲取

負(fù)荷的重要等級作為負(fù)荷的重要參數(shù)保存到參數(shù)數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)需要進(jìn)行甩負(fù)荷操作時,可從參數(shù)數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù).

2.3 配電網(wǎng)供電恢復(fù)軟件的整體架構(gòu)

基于負(fù)荷均衡的配電網(wǎng)故障恢復(fù)軟件的整體架構(gòu)如圖5所示.整個軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接口和供電恢復(fù)策略兩部分.

圖5 軟件的整體架構(gòu)圖

2.4 具體實(shí)施步驟

2.4.1 相關(guān)區(qū)域的搜索步驟

1)當(dāng)發(fā)生故障且隔離故障后,啟動故障恢復(fù)程序.

2)根據(jù)故障隔離信息,建立故障點(diǎn)下游供電恢復(fù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

3)判斷與供電恢復(fù)區(qū)相連的聯(lián)絡(luò)開關(guān)是否另一端與電源饋線相連.若是,則將該聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)絡(luò)的區(qū)域看作相關(guān)區(qū)域.

2.4.2 甩負(fù)荷操作

初步供電恢復(fù)方案形成后,系統(tǒng)可能存在過負(fù)荷現(xiàn)象,在這種情況下就需要進(jìn)行甩負(fù)荷操作.

具體思路如下: 計算參與供電恢復(fù)的各供電饋線在增加分配的非故障失電區(qū)段后的負(fù)荷電流,檢驗(yàn)其是否越限; 如果負(fù)荷電流越限,則進(jìn)行甩負(fù)荷操作,直到滿足電流安全限制.

甩負(fù)荷操作主要包括以下步驟:

1)考慮普通負(fù)荷實(shí)際值與額定值,檢測各供電饋線增加分配區(qū)段后的負(fù)荷電流是否越限.

2)如果負(fù)荷電流越限,則甩掉分配區(qū)段的部分普通負(fù)荷直到滿足要求.

3)如果甩掉普通負(fù)荷后負(fù)荷電流依然越限,則甩掉分配區(qū)段的部分重要負(fù)荷直到滿足要求.

3 應(yīng)用實(shí)例

以山東科匯電力自動化股份有限公司產(chǎn)品KH-8000P配電自動化主站系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺,完成了供電恢復(fù)軟件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn).KH-8000P配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)采用開放式、分布式體系結(jié)構(gòu),應(yīng)用分層的客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)模式.遵循IEC61970/61968標(biāo)準(zhǔn),以配網(wǎng)自動化監(jiān)控設(shè)備(FTU、DTU、TTU)為基礎(chǔ),以配電線路監(jiān)控、故障處理為核心.該系統(tǒng)具備完善的配網(wǎng)SCADA、饋線自動化(FA,包括短路故障與小電流接地故障的定位、隔離與恢復(fù)非故障線路的供電)、故障信息管理等功能.在KH-8000P主站系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,該供電恢復(fù)軟件作為一個應(yīng)用模塊從KH-8000P主站系統(tǒng)上獲取配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),從億力吉奧公司的GPMS系統(tǒng)上獲取配電線路參數(shù)數(shù)據(jù),生成的供電恢復(fù)方案提供給KH-8000P主站系統(tǒng),并在其人機(jī)界面上展示給配電調(diào)度人員,供其參考.

4 結(jié)束語

配電網(wǎng)發(fā)生故障時,在實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離后如何快速地恢復(fù)所有非故障區(qū)域供電,實(shí)現(xiàn)各饋線負(fù)荷均衡,避免過負(fù)荷運(yùn)行,是一個比較復(fù)雜的問題.本文建立了供電恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型,提出了以配電線路負(fù)荷均衡為目標(biāo)的配電網(wǎng)供電恢復(fù)軟件的設(shè)計方法,包括軟件的整體架構(gòu)以及具體的實(shí)現(xiàn)步驟.該軟件應(yīng)用于KH-8000P主站系統(tǒng)后,可提供供電恢復(fù)方案并在主站系統(tǒng)的人機(jī)界面上顯示,驗(yàn)證了該供電恢復(fù)軟件設(shè)計方法的正確性.

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