考慮多種故障場景的柔性互聯(lián)低壓配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法

沈興杰,陳 沛,高 群,楊文武

(國網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司,天津 300201)

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn),以分布式光伏為代表的新型可再生電源大量接入低壓配電網(wǎng),使其從傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡(luò)向有源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變[1];另一方面,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,利用智能軟開關(guān)(soft open point,SOP)等柔性設(shè)備可以打破配電網(wǎng)輻射狀拓?fù)湎拗芠2]。這些轉(zhuǎn)變使配電網(wǎng)的功率可轉(zhuǎn)移范圍更大,給配電網(wǎng)的故障恢復(fù)帶來了更大的潛力,也對(duì)多工況下的功率調(diào)度能力和配電網(wǎng)故障恢復(fù)決策提出了挑戰(zhàn)[3]。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障恢復(fù)高度依賴上級(jí)電網(wǎng),結(jié)合臺(tái)區(qū)內(nèi)的應(yīng)急電源劃分孤島,實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)區(qū)域的復(fù)電。隨著分布式光伏大規(guī)模接入中低壓配電網(wǎng),為了挖掘有源配電網(wǎng)在故障恢復(fù)的潛力,一些學(xué)者展開了相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[4]基于有向圖模型,提出一種含分布式電源配電網(wǎng)的孤島劃分模型,提高分布式電源利用率和配電系統(tǒng)供電可靠性;文獻(xiàn)[5]基于不同類別電力用戶停電損失的間接評(píng)估方法,建立了最小化用戶停電損失的目標(biāo)函數(shù),提出了有源配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略;文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)的孤島劃分基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了負(fù)荷的不確定性,進(jìn)一步保證了決策的可行性和應(yīng)急資源的充分利用;文獻(xiàn)[7]綜合考慮風(fēng)光荷的不確定性,提出了一種孤島劃分與恢復(fù)重構(gòu)相結(jié)合的綜合故障恢復(fù)策略;文獻(xiàn)[8]建立光儲(chǔ)系統(tǒng)和負(fù)荷的時(shí)變模型,針對(duì)配電網(wǎng)多故障,提出分步孤島劃分策略。

SOP等柔性互聯(lián)裝置給配電網(wǎng)帶來了更強(qiáng)的功率調(diào)度能力,針對(duì)SOP柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的故障恢復(fù)問題,文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[10]建立了含多端軟開關(guān)的互聯(lián)配電系統(tǒng)故障恢復(fù)的優(yōu)化決策方法;文獻(xiàn)[11]在此基礎(chǔ)上以柔性互聯(lián)設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)邊界,采用云邊協(xié)同技術(shù)加快模型求解的速度。

綜上,現(xiàn)階段配電網(wǎng)的故障恢復(fù)研究大多針對(duì)配電網(wǎng)母線故障后的復(fù)電,但隨著配電網(wǎng)負(fù)荷量增大、負(fù)荷波動(dòng)性增強(qiáng),變壓器的故障也越來越頻繁[12]。與斷線故障相比,變壓器的故障影響范圍更大,且對(duì)于多變壓器供電的配電網(wǎng),變壓器故障后的工況更多。目前針對(duì)配電變壓器故障的研究以故障診斷為主,文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別利用禿鷹搜索算法和基于夏普利值的可解釋性方法對(duì)變壓器故障進(jìn)行診斷,但變壓器故障后配電系統(tǒng)的故障后功率調(diào)度策略研究較少。

針對(duì)多變壓器供電柔性互聯(lián)配電網(wǎng)變壓器故障后的恢復(fù)問題,本文首先梳理N-1、N-2等不同故障場景的特點(diǎn),針對(duì)各場景下母聯(lián)開關(guān)、柔性互聯(lián)設(shè)備的恢復(fù)能力進(jìn)行建模;其次,考慮設(shè)備運(yùn)行約束、配電網(wǎng)運(yùn)行約束和負(fù)荷重要程度,建立不同場景下多設(shè)備協(xié)調(diào)的優(yōu)化恢復(fù)模型;最后,在典型柔性互聯(lián)配電網(wǎng)拓?fù)湎买?yàn)證本文所提方法的作用,并進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 柔性互聯(lián)的配電臺(tái)區(qū)變壓器故障場景

1.1 基于SOP柔性互聯(lián)的多變壓器低壓配電網(wǎng)拓?fù)?/h3>

傳統(tǒng)的低壓配電臺(tái)區(qū)存在輻射狀約束,功率只能在臺(tái)區(qū)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)度,且由于臺(tái)區(qū)內(nèi)可調(diào)節(jié)設(shè)備有限,功率調(diào)度能力不足的問題日益明顯。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,利用SOP可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)末端的互聯(lián),打破輻射狀約束,實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間的功率調(diào)度。SOP互聯(lián)的多變壓器低壓配電臺(tái)區(qū)如圖1所示。

圖1 SOP互聯(lián)的多變壓器低壓配電臺(tái)區(qū)

如圖1,SOP內(nèi)部通過交流-直流-交流的轉(zhuǎn)換,利用直流的隔離能力實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間的功率轉(zhuǎn)移。SOP由2個(gè)背靠背的電壓源型換流器組成,每個(gè)換流器常見的控制模式有VDC-Q控制、PQ控制和Vf控制等。在常態(tài)運(yùn)行情況下,SOP一側(cè)的換流器處于VDC-Q控制模式,建立直流電壓,另一側(cè)的換流器處于PQ控制模式,控制功率的輸出。值得注意的是,本文針對(duì)多變壓器臺(tái)區(qū)展開研究,即每個(gè)臺(tái)區(qū)有2個(gè)變壓器供電,變壓器之間有站內(nèi)母聯(lián)開關(guān),可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)變壓器故障時(shí)由另一個(gè)變壓器為重要負(fù)荷供電。母聯(lián)開關(guān)如圖2所示。

圖2 多變壓器低壓配電臺(tái)區(qū)母聯(lián)開關(guān)

如圖2,在變壓器1發(fā)生故障時(shí),利用母聯(lián)開關(guān)可以把失電的負(fù)荷連接到變壓器2上,在短期內(nèi)保證重要負(fù)荷的不間斷供電。

1.2 不同故障場景特點(diǎn)及恢復(fù)流程

本節(jié)針對(duì)互聯(lián)的多變壓器低壓配電臺(tái)區(qū)拓?fù)湔归_研究,對(duì)變壓器故障后的不同場景進(jìn)行分析,主要包括單臺(tái)變壓器故障(以下稱N-1故障)和2臺(tái)變壓器故障(以下稱N-2故障)。值得注意的是,如果故障進(jìn)一步惡化,即3臺(tái)及以上的變壓器退出運(yùn)行,則該問題屬于電力系統(tǒng)韌性問題,不在本文的研究范圍內(nèi)。

1.2.1N-1故障場景特點(diǎn)及恢復(fù)流程

N-1場景的故障恢復(fù)流程如圖3所示。在一臺(tái)變壓器發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí),可以使用母聯(lián)開關(guān)將其負(fù)荷連接到另一臺(tái)變壓器上,并在第一時(shí)間按負(fù)荷重要程度切除非重要負(fù)荷,保證重要負(fù)荷的不間斷供電,在之后優(yōu)化臺(tái)區(qū)內(nèi)部的功率分配,進(jìn)行其他失電負(fù)荷的復(fù)電。如果臺(tái)區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷過多,難以保證全部重要負(fù)荷不斷電,就需要在各負(fù)荷間進(jìn)行取舍,類似地,若重要負(fù)荷全部恢復(fù)后,其他負(fù)荷無法全部恢復(fù)供電,也需要做出取舍,盡可能充分利用變壓器容量,保證臺(tái)區(qū)內(nèi)不間斷供電。因此,在母聯(lián)開關(guān)動(dòng)作后,需要建立優(yōu)化模型,判斷各節(jié)點(diǎn)是否切機(jī)、切負(fù)荷。

圖3 N-1故障場景的恢復(fù)流程

由于變壓器本身的容量限制,僅僅靠另一臺(tái)變壓器的能力難以保證所有負(fù)荷都能被恢復(fù),但由于臺(tái)區(qū)間通過SOP可以進(jìn)行功率互濟(jì),且臺(tái)區(qū)內(nèi)有光伏等分布式電源,在N-1故障場景下,通常有保證大多數(shù)負(fù)荷不間斷供電的潛力,但為了在不影響非故障臺(tái)區(qū)的前提下挖掘這些潛力,需要建立故障恢復(fù)優(yōu)化模型,一方面判斷各節(jié)點(diǎn)是否切機(jī)、切負(fù)荷,另一方面調(diào)度SOP的功率,實(shí)現(xiàn)停電損失最小。

需要注意的是,為了保證SOP在故障發(fā)生后可以在互聯(lián)臺(tái)區(qū)間傳輸功率,需要在故障發(fā)生后將靠近非故障臺(tái)區(qū)一側(cè)的換流器改為VDC-Q控制模式,原因在于一方面該臺(tái)區(qū)的功率支撐能力更強(qiáng),可以建立更穩(wěn)定的直流電壓;另一方面,在故障發(fā)生后SOP內(nèi)部的功率流向大概率為從非故障側(cè)向故障側(cè)傳輸功率,在功率輸入側(cè)建立穩(wěn)定的直流電壓能更好地保證功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.2.2N-2故障場景特點(diǎn)及恢復(fù)流程

在N-2故障場景下,受到影響的負(fù)荷量比N-1故障下受影響的負(fù)荷量更大,因此,故障恢復(fù)的重點(diǎn)在于保證重要負(fù)荷不間斷供電。

在2臺(tái)變壓器發(fā)生故障后,存在2種情況,分別為: 2個(gè)不同臺(tái)區(qū)分別有1臺(tái)變壓器退出運(yùn)行;一個(gè)臺(tái)區(qū)正常運(yùn)行,另一個(gè)臺(tái)區(qū)2臺(tái)變壓器全部退出運(yùn)行。上述2個(gè)場景下均屬于N-2故障場景,但故障后恢復(fù)的策略不同,需要分類討論。

上文所提的第1個(gè)場景下的故障后保供電策略如圖4a所示。當(dāng)2個(gè)不同臺(tái)區(qū)內(nèi)分別有1臺(tái)變壓器退出運(yùn)行,首先,需要先控制2個(gè)臺(tái)區(qū)配電站內(nèi)的母聯(lián)開關(guān)動(dòng)作,并切除非重要負(fù)荷,保證重要負(fù)荷的不間斷供電;其次,判斷臺(tái)區(qū)內(nèi)的重要負(fù)荷是否均已恢復(fù)供電,如果存在供電中斷的重要負(fù)荷,需要利用SOP的功率轉(zhuǎn)移能力,建立優(yōu)化模型進(jìn)行重要負(fù)荷的保供電;最后,如果所有重要負(fù)荷都已完成復(fù)電,以恢復(fù)失電的負(fù)荷量最大為目標(biāo)建立優(yōu)化模型,充分利用互聯(lián)的2個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)的各種資源進(jìn)行故障后的恢復(fù)供電。

圖4 N-2故障場景的恢復(fù)流程

上文所提第2個(gè)場景下的故障后保供電策略如圖4b所示。與第1個(gè)場景不同,第2個(gè)場景下有一個(gè)臺(tái)區(qū)還在保持正常運(yùn)行,但另一個(gè)臺(tái)區(qū)的負(fù)荷由于變壓器全部退出運(yùn)行,這種情況下,首要任務(wù)是通過互聯(lián)的SOP建立穩(wěn)定的電壓和頻率,盡快恢復(fù)失電臺(tái)區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷的供電。因此流程如下:首先,將SOP靠近失電臺(tái)區(qū)側(cè)的換流器調(diào)節(jié)為Vf控制,建立穩(wěn)定的電壓和頻率;其次,建立以失電區(qū)域重要負(fù)荷恢復(fù)量最大為目標(biāo)的優(yōu)化模型,利用SOP的能力保證重要負(fù)荷不間斷供電;最后,判斷重要負(fù)荷是否成功復(fù)電,若已成功,將非重要負(fù)荷恢復(fù)量加入目標(biāo)函數(shù),重新進(jìn)行模型求解,制定以負(fù)荷加權(quán)恢復(fù)量最大為目標(biāo)的優(yōu)化恢復(fù)模型。考慮到N-2故障場景下利用SOP建立電壓和頻率對(duì)非故障臺(tái)區(qū)的壓力較大,為了保證其穩(wěn)定運(yùn)行,不再進(jìn)行失電臺(tái)區(qū)的非重要負(fù)荷恢復(fù)。

2 變壓器故障場景下恢復(fù)供電優(yōu)化模型

2.1 單臺(tái)區(qū)N-1故障下恢復(fù)供電優(yōu)化模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)1.2.1中的流程,在N-1故障發(fā)生時(shí),應(yīng)首先嘗試在臺(tái)區(qū)內(nèi)部通過母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行重要負(fù)荷的供電,并盡可能多地恢復(fù)非重要負(fù)荷。因此,目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中:n為臺(tái)區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的編號(hào);N為臺(tái)區(qū)的節(jié)點(diǎn)集合;Pn,t為節(jié)點(diǎn)n在t時(shí)刻的負(fù)荷;εn,t為0、1變量,表征對(duì)應(yīng)的負(fù)荷是否被恢復(fù),若被恢復(fù),其取值為1,反之則為0;γn,t為對(duì)應(yīng)負(fù)荷重要程度的權(quán)重;T為恢復(fù)期的總時(shí)長;Δt為功率分配的時(shí)間間隔。

2.1.2 約束條件

a.潮流約束。

由于低壓配電網(wǎng)的相位從線路首端到線路末端的變化并不大,且考慮相角會(huì)大大增加模型求解的難度,影響求解速度,所以本文中使用的潮流模型采用Distflow形式,在計(jì)算潮流的過程中忽略電壓的相角,只考慮電壓的幅值,以此簡化計(jì)算過程,減少求解所需時(shí)間[15]。具體潮流公式如式(2)和式(3)所示。

對(duì)于任一配電臺(tái)區(qū)中的節(jié)點(diǎn)j和支路ij,在t時(shí)刻有:

(2)

(Vj,t)2=(Vi,t)2-2(rij,tPij,t+xij,tQij,t)+

(3)

(4)

b.節(jié)點(diǎn)電壓約束。

為保證互聯(lián)臺(tái)區(qū)在故障發(fā)生后的恢復(fù)策略實(shí)際可行,需要使恢復(fù)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)電壓在合格的范圍內(nèi),對(duì)于低壓臺(tái)區(qū),按國標(biāo)要求,所有臺(tái)區(qū)中的各節(jié)點(diǎn)電壓需要保持在標(biāo)稱電壓的90%～107%,即需要滿足式(5)中的約束,即

Vmin

(5)

式中:Vmax和Vmin分別為節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上限和下限。

c.變壓器容量約束。

在故障發(fā)生后,變壓器的容量更緊張,因此制定恢復(fù)策略時(shí)一定要考慮到變壓器的容量問題,即在t時(shí)刻,臺(tái)區(qū)首端功率需要滿足以下約束,即

(6)

式中:Phead,t、Qhead,t分別為臺(tái)區(qū)1在t時(shí)刻的首端有功、無功功率;m為變壓器編號(hào);M為臺(tái)區(qū)的變壓器集合;Sm為對(duì)應(yīng)變壓器的容量;λm為表征變壓器是否正常運(yùn)行的另一變量,若變壓器正常運(yùn)行,其值為1,反之則為0。

2.1.3 模型凸化方法

上述的模型是一個(gè)典型的混合整數(shù)非線性非凸規(guī)劃問題,屬于非確定性多項(xiàng)式難題,式(2)、式(3)、式(6)均為非線性或非凸方程,無法使用商業(yè)求解器直接求解,因此將其轉(zhuǎn)化為二階錐,具體方法如文獻(xiàn)[16]所示,式(2)和式(3)變換后的形式為

(7)

由于式(6)和式(7)就是錐的形式,因此在二階錐規(guī)劃模型中可以直接保留。至此,模型凸化完成,本文所提優(yōu)化模型的最終結(jié)構(gòu)如式(8)所示,可以使用CPLEX等商業(yè)求解器求解。

min{(1)|s.t.(4)～(7)}

(8)

式中:min{ }為規(guī)劃求解目標(biāo)為求取最小值,式(1)為目標(biāo)函數(shù),式(4)～式(7)為約束條件。

2.2 N-1故障下考慮柔性互聯(lián)后對(duì)模型的修改

在N-1故障的場景下,僅依靠臺(tái)區(qū)內(nèi)部的能力進(jìn)行故障恢復(fù)往往不能最大限度地恢復(fù)失電的負(fù)荷,為了充分利用SOP在臺(tái)區(qū)間調(diào)度功率的能力,需要建立考慮柔性互聯(lián)的優(yōu)化恢復(fù)模型。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

建立優(yōu)化模型的目的是調(diào)整互聯(lián)臺(tái)區(qū)的功率分布,首先保證重要負(fù)荷的不間斷供電,其次在對(duì)非故障臺(tái)區(qū)影響最小的前提下,盡可能多地恢復(fù)故障臺(tái)區(qū)內(nèi)失電的負(fù)荷。因此,優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)需要考慮2個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)的負(fù)荷,具體為

(9)

式中:n1和n2分別為臺(tái)區(qū)1內(nèi)節(jié)點(diǎn)和臺(tái)區(qū)2內(nèi)節(jié)點(diǎn)的編號(hào);N1為臺(tái)區(qū)1的節(jié)點(diǎn)集合;N2為臺(tái)區(qū)2的節(jié)點(diǎn)集合;Pn1,t和Pn2,t分別為n1節(jié)點(diǎn)和n2節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻的負(fù)荷;εn1,t和εn2,t為0、1變量,表征對(duì)應(yīng)的負(fù)荷是否被恢復(fù),若被恢復(fù),其取值為1,反之則為0;γn1,t和γn2,t分別為對(duì)應(yīng)負(fù)荷重要程度的權(quán)重;T為恢復(fù)期的總時(shí)長;Δt為功率分配的時(shí)間間隔。

2.2.2 SOP相關(guān)運(yùn)行約束

若只考慮臺(tái)區(qū)內(nèi)通過母聯(lián)開關(guān)和功率分配的故障恢復(fù)能力,2.1節(jié)中的約束已經(jīng)足夠,但為了進(jìn)一步利用柔性互聯(lián)設(shè)備實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)間的功率支援,需要在2.1.2節(jié)中的約束條件基礎(chǔ)上對(duì)SOP的恢復(fù)能力進(jìn)行建模,并建立相關(guān)約束條件。

在SOP運(yùn)行過程中,需要滿足以下2方面的約束:首先,SOP的功率不能超過其容量;其次,在忽略SOP內(nèi)部損耗的前提下,SOP兩端的功率應(yīng)大小相等、方向相反。因此,在t時(shí)刻,應(yīng)滿足如下約束:

(10)

(11)

式中:PSOP1,t、PSOP2,t和QSOP1,t、QSOP2,t分別為SOP在臺(tái)區(qū)1、臺(tái)區(qū)2側(cè)的有功功率和無功功率;SSOP為SOP的容量。

2.3 N-2故障下恢復(fù)供電優(yōu)化模型的修改

在N-2故障場景下的優(yōu)化恢復(fù)模型與N-1場景下的類似,其中,2個(gè)臺(tái)區(qū)各有1臺(tái)變壓器故障的場景下,模型與N-1場景下的基本一致。但值得注意的是,若互聯(lián)的2個(gè)臺(tái)區(qū)源荷特性類似且變壓器容量接近,在均發(fā)生單個(gè)變壓器故障的場景下,2個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)的失電情況接近,即若臺(tái)區(qū)1中的重要負(fù)荷保供電難以保證,臺(tái)區(qū)2的容量裕度也大概率較小,因此,該場景下臺(tái)區(qū)間的功率轉(zhuǎn)移很難起到關(guān)鍵性作用。

在一個(gè)臺(tái)區(qū)的2臺(tái)變壓器全部發(fā)生故障退出運(yùn)行的場景下,由于互聯(lián)的SOP在故障臺(tái)區(qū)側(cè)采取Vf控制以建立穩(wěn)定的電壓,需要對(duì)該節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行約束。即需要在模型中補(bǔ)充如下約束,即

VSOP2,t=Vset

(12)

式中:Vset為Vf控制模式下設(shè)定的交流電壓幅值。

需要注意的是,基于SOP建立穩(wěn)定的電壓,進(jìn)行故障恢復(fù)的場景下,臺(tái)區(qū)末端互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn),使得故障臺(tái)區(qū)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)漤樞蜃兓?需要重新排序。

3 算例分析

3.1 算例背景

為了驗(yàn)證本文所提故障恢復(fù)方法的效果,在如圖5所示的多變壓器互聯(lián)低壓拓?fù)渲羞M(jìn)行驗(yàn)證。其中,臺(tái)區(qū)1和臺(tái)區(qū)2均有21個(gè)節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率和各支路的阻抗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。其中,重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為每個(gè)臺(tái)區(qū)的5、8、10、13、15節(jié)點(diǎn),重要節(jié)點(diǎn)的權(quán)重為10,其他節(jié)點(diǎn)的權(quán)重為1。每個(gè)臺(tái)區(qū)有2臺(tái)變壓器,容量分別為50 kV·A,即每個(gè)臺(tái)區(qū)的總?cè)萘繛?00 kV·A,互聯(lián)的SOC容量為50 kV·A。

表2 臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷基準(zhǔn)值(兩臺(tái)區(qū)一致)

圖5 42節(jié)點(diǎn)柔性互聯(lián)低壓配電臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D

光伏接入的節(jié)點(diǎn)如圖5所示,為各臺(tái)區(qū)的3、7、9、11、18節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入光伏的額定容量為5 kW。為了驗(yàn)證所提方法在不同場景下的作用,在每個(gè)故障場景下考慮光伏不發(fā)電、光伏出力較低和光伏大發(fā)3種情況,故障后的優(yōu)化決策時(shí)間間隔為30 min,總時(shí)長為4 h。故障期間的負(fù)荷曲線和2種情況下的光伏出力曲線如圖6所示。

圖6 故障期間的負(fù)荷曲線和光伏出力曲線

3.2 N-1故障下的算例結(jié)果分析

3.2.1 臺(tái)區(qū)內(nèi)母聯(lián)開關(guān)故障恢復(fù)算例分析

為驗(yàn)證所提的母聯(lián)開關(guān)動(dòng)作后臺(tái)區(qū)內(nèi)通過優(yōu)化模型進(jìn)行重要負(fù)荷不間斷供電的方法效果,不考慮柔性互聯(lián)設(shè)備的互濟(jì)能力,僅考慮臺(tái)區(qū)內(nèi)的功率支撐,設(shè)置以下情景進(jìn)行算例驗(yàn)證。

Case1:假設(shè)臺(tái)區(qū)在光伏不發(fā)電的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,用所提方法進(jìn)行故障恢復(fù)。

Case2:假設(shè)臺(tái)區(qū)在光伏出力較低的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,用所提方法進(jìn)行故障恢復(fù)。

Case3:假設(shè)臺(tái)區(qū)在光伏大發(fā)的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,用所提方法進(jìn)行故障恢復(fù)。

3個(gè)場景下的所有時(shí)段,重要負(fù)荷均能全部恢復(fù),臺(tái)區(qū)內(nèi)未恢復(fù)的節(jié)點(diǎn)和非重要負(fù)荷恢復(fù)率情況如表3所示。

表3 單臺(tái)區(qū)N-1故障場景下非重要負(fù)荷恢復(fù)情況

從表3可以看出,在故障發(fā)生后,由于變壓器容量的限制,僅靠臺(tái)區(qū)內(nèi)的能力雖然可以保證重要負(fù)荷不間斷供電,但無法恢復(fù)所有負(fù)荷。臺(tái)區(qū)內(nèi)的光伏功率能提供一定的功率支撐能力,恢復(fù)更多的負(fù)荷,但由于該算例中光伏的接入量有限,僅在第4、第5時(shí)間節(jié)點(diǎn)有較明顯的效果,在其他時(shí)間,光伏的接入雖然影響了恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的位置,但總體的負(fù)荷恢復(fù)量變化并不大,總體而言,在臺(tái)區(qū)1的源荷情況下非重要負(fù)荷的恢復(fù)率能穩(wěn)定在60%～85%。綜上,針對(duì)N-1故障場景下臺(tái)區(qū)內(nèi)母聯(lián)開關(guān)動(dòng)作后的故障恢復(fù)問題,本文所提方法能夠有效實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷的保供電,并盡可能保證非重要負(fù)荷的不間斷供電。

3.2.2 臺(tái)區(qū)間多設(shè)備協(xié)調(diào)故障恢復(fù)算例分析

從上文算例結(jié)果可知,僅依靠母聯(lián)開關(guān)和臺(tái)區(qū)內(nèi)的資源難以實(shí)現(xiàn)所有負(fù)荷的不間斷供電。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提故障恢復(fù)方法的效果,針對(duì)臺(tái)區(qū)2個(gè)單臺(tái)變壓器故障的場景,考慮互聯(lián)的SOP和臺(tái)區(qū)內(nèi)母聯(lián)開關(guān)協(xié)調(diào),建立如下3個(gè)場景,驗(yàn)證多設(shè)備協(xié)調(diào)故障恢復(fù)方法的效果。

Case4:假設(shè)臺(tái)區(qū)2在光伏不發(fā)電的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,考慮SOP和母聯(lián)開關(guān)協(xié)調(diào),進(jìn)行故障恢復(fù)。

Case5:假設(shè)臺(tái)區(qū)2在光伏出力較低的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,考慮SOP和母聯(lián)開關(guān)協(xié)調(diào),進(jìn)行故障恢復(fù)。

Case6:假設(shè)臺(tái)區(qū)2在光伏大發(fā)的時(shí)段發(fā)生變壓器N-1故障,考慮SOP和母聯(lián)開關(guān)協(xié)調(diào),進(jìn)行故障恢復(fù)。

與只依靠臺(tái)區(qū)內(nèi)部的能力進(jìn)行故障恢復(fù)相比,通過SOP進(jìn)行臺(tái)區(qū)間的功率轉(zhuǎn)移可以充分利用互聯(lián)臺(tái)區(qū)的變壓器裕度,恢復(fù)的能力更強(qiáng)、失電負(fù)荷的比例更小,由于失電節(jié)點(diǎn)較少,在此處不進(jìn)行展示,僅展示兩臺(tái)區(qū)非重要負(fù)荷恢復(fù)率,具體數(shù)值如表4所示。

表4 協(xié)調(diào)恢復(fù)N-1故障后兩臺(tái)區(qū)非重要負(fù)荷恢復(fù)情況

從表4可以看出,即使在光伏不發(fā)電的時(shí)段發(fā)生N-1故障,通過母聯(lián)開關(guān)和SOP也可以在保證重要負(fù)荷不間斷供電的同時(shí)恢復(fù)98%以上的非重要負(fù)荷。

由于3種Case下SOP的功率曲線基本一致,故只展示Case6下SOP恢復(fù)期間在臺(tái)區(qū)一側(cè)的功率曲線,如圖7所示(功率正值表示功率從臺(tái)區(qū)一側(cè)流向臺(tái)區(qū)兩側(cè))。

圖7 N-1故障恢復(fù)期間SOP出力曲線

從圖7可以看出,在整個(gè)故障恢復(fù)期間,SOP始終從臺(tái)區(qū)一側(cè)向臺(tái)區(qū)兩側(cè)輸送功率,在臺(tái)區(qū)兩側(cè)功率需求最大的4、5、6時(shí)間段,SOP達(dá)到了接近滿載輸出。因此,在故障恢復(fù)過程中,SOP臺(tái)區(qū)間轉(zhuǎn)移功率的能力得到了充分發(fā)揮。

考慮光伏的支撐能力之后,可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)1和臺(tái)區(qū)2全局的不間斷運(yùn)行。因此,本文所提的N-1情況下通過配電站內(nèi)母聯(lián)開關(guān)和臺(tái)區(qū)間SOP協(xié)調(diào)恢復(fù)的方法,可以實(shí)現(xiàn)該場景下的不間斷供電。

3.3 N-2故障下的算例結(jié)果分析

3.3.1N-2故障場景

N-2故障分2種場景,兩臺(tái)區(qū)均有1臺(tái)變壓器退出運(yùn)行時(shí),由于臺(tái)區(qū)參數(shù)類似,兩側(cè)均不存在充分的裕度,因此,結(jié)果與3.2.1節(jié)中單臺(tái)區(qū)發(fā)生N-1故障后的情況高度類似,在此處不再展示。

在1個(gè)臺(tái)區(qū)的變壓器完全退出運(yùn)行,其互聯(lián)臺(tái)區(qū)正常運(yùn)行的場景下,對(duì)于失電臺(tái)區(qū),SOP所在的節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn),需要重新給臺(tái)區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號(hào)。臺(tái)區(qū)2發(fā)生故障,重新編號(hào)后的拓?fù)淙鐖D8所示。

圖8 臺(tái)區(qū)2節(jié)點(diǎn)重新編號(hào)后的拓?fù)鋱D

重新編號(hào)后,臺(tái)區(qū)2的重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為2、4、7、16、18節(jié)點(diǎn),光伏接入的節(jié)點(diǎn)為6、9、13、15、17節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷和光伏出力情況與重新編號(hào)前對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)一致。

3.3.2N-2故障恢復(fù)結(jié)果分析

由于N-2故障發(fā)生后臺(tái)區(qū)容量嚴(yán)重不足,臺(tái)區(qū)內(nèi)光伏容量較小,其功率情況對(duì)故障恢復(fù)的效果無法產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響,因此只考慮光伏峰值時(shí)的恢復(fù)情況,如表5所示。

表5 N-2故障后兩臺(tái)區(qū)負(fù)荷恢復(fù)情況

由表5可知,為了保證臺(tái)區(qū)2中的重要負(fù)荷不斷電,臺(tái)區(qū)1犧牲了其內(nèi)部的一些非重要負(fù)荷,但由于臺(tái)區(qū)2內(nèi)部的光伏容量有限,難以協(xié)助進(jìn)一步恢復(fù)其內(nèi)部的非重要負(fù)荷,因此臺(tái)區(qū)2中非重要負(fù)荷的恢復(fù)量并不大。

N-2恢復(fù)過程中SOP的功率情況如圖9所示。從圖中可以看出,在恢復(fù)過程中,SOP隨著臺(tái)區(qū)2內(nèi)重要負(fù)荷的功率需求波動(dòng)而改變自身的功率。值得注意的是,SOP并未像N-1故障恢復(fù)過程中一樣滿載運(yùn)行,這是因?yàn)閷?duì)于臺(tái)區(qū)1來說,給臺(tái)區(qū)2支援功率會(huì)導(dǎo)致自身內(nèi)部負(fù)荷失電,考慮到功率的損耗等因素,在自身容量有限的情況下通過SOP給臺(tái)區(qū)2的非重要負(fù)荷供電的意義不大。

圖9 N-2恢復(fù)過程中SOP的功率情況

綜上,本文所提的N-2故障場景下的恢復(fù)策略能保證重要負(fù)荷不間斷供電,充分利用臺(tái)區(qū)內(nèi)各設(shè)備的能力,提升互聯(lián)臺(tái)區(qū)整體的故障恢復(fù)能力。

4 結(jié)束語

本文梳理了多變壓器的低壓臺(tái)區(qū)通過SOP互聯(lián)的拓?fù)湎?由于變壓器故障退出運(yùn)行導(dǎo)致負(fù)荷失電后的故障恢復(fù)問題,針對(duì)N-1、N-2故障場景提出了故障恢復(fù)流程,并建立了故障恢復(fù)優(yōu)化模型,通過算例驗(yàn)證可知,所提方法可以有效整合臺(tái)區(qū)內(nèi)資源,充分利用SOP和母聯(lián)開關(guān)等設(shè)備的能力,最大限度實(shí)現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)。

本文的研究還存在以下可進(jìn)一步完善的內(nèi)容:

a.本文考慮的故障不包括比N-2更嚴(yán)重的場景,在電力系統(tǒng)韌性提升方面,需深入研究。

b.本文考慮的N-2場景中,單個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)2臺(tái)變壓器全部退出運(yùn)行后的復(fù)電涉及到黑啟動(dòng)問題和穩(wěn)定性問題,本文所提方法僅在穩(wěn)態(tài)層面上解決功率支援策略的問題,啟動(dòng)過程中暫態(tài)層面的問題在后續(xù)需要進(jìn)一步完善。