基于負荷均衡的配電網供電恢復軟件設計

高 杰, 張新慧, 劉寶明, 紀鳳坤, 景泳淇

(1. 山東理工大學 電氣與電子工程學院, 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 電氣工程學院, 山東 濟南250061)

在配電網的故障管理中,供電恢復是一個非常重要的環節.配電網供電恢復受接線方式、設備線路參數、負荷預測等因素的影響,其方案的制定有各種各樣的側重點,屬于多目標、多約束、非線性的整數組合優化問題[1-2].

一直以來,配電網發生故障后的供電恢復問題得到廣泛關注和大量研究[3].文獻[4]提出了以供電路徑的負荷度最小為搜索規則的啟發式智能配電網故障恢復方法；文獻[5]研究了基于模糊邏輯和風險管理的配電網供電恢復方法；文獻[6]提出一種基于改進禁忌搜索算法且以甩負荷最小為目標的網絡重構算法,并給出了一種開關操作順序生成方法；文獻[7]探討了基于多代理技術的配電網故障處理.雖然相關研究很多,但是沒有相應的實現軟件.

為了避免大面積停電事故,供電恢復后應使各饋線負荷均衡,避免其過負荷運行,并提高其再次恢復供電的能力.本文以負荷均衡為目標,提出供電恢復策略,并論述供電恢復軟件的設計方法.

1 配電網供電恢復的數學模型

1.1配電網網絡結構分析

傳統的配電網網絡結構比較簡單,一般采用“手拉手”接線方式[8],為了實現負荷的轉供,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一般采用多分段多聯絡、N供一備等接線方式,使得配電網的結構變得更加復雜,配電網供電恢復難度也隨之增大[9-11].

目前,國內高供電能力的配電網一般采用多分段多聯絡、N供一備等接線方式.根據分段數和聯絡數的不同,可分為兩分段兩聯絡、三分段三聯絡、六分段三聯絡等[12].一般情況下主要采用三分段三聯絡和三供一備接線方式,分別如圖1、圖2所示.

圖1 三分段三聯絡接線方式

圖2 三供一備接線方式

高供電能力的配電網網絡結構更加復雜,供電恢復的難道也更大.實施供電恢復的前提是確定供電恢復區,圖3所示的三分段三聯絡接線方式中,當分段開關B21與B22之間發生短路故障時,將故障點下游的非故障失電區,稱為供電恢復區,如圖3中的橢圓虛線圈所示；將通過聯絡開關直接與非故障失電區(供電恢復區)相連且另一端連有電源的饋線區域,稱為相關區域,如圖3中的矩形虛線框所示.

圖3 三分段三聯絡故障區域

與供電恢復區連接的有B16和B24兩個聯絡開關,當多個聯絡開關配合的區域需要恢復供電時,應充分考慮負荷均衡原則,避免因為負荷分配不均而導致過負荷,并為每個供電電源點都留有足夠的備用容量.

1.2供電恢復的目標

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

1.3以負荷均衡為目標的供電恢復數學模型

當配電網發生故障并引起斷電時,保證各供電電源點的負荷均衡是供電恢復問題主要的方面.負荷均衡是指參與恢復供電的各供電電源點在供電恢復之后的負荷率盡量相等,并將該負荷率稱為負荷均衡期望值.

以圖3所示的電路為例來說明供電恢復數學模型的建立,圖3中當聯絡開關B21與B22之間發生短路故障時,與供電恢復區直接相連的相關區域有兩個,即有兩個供電恢復路徑.當合上與m側相關區域之間的聯絡開關B16后,此時m側和n側的兩個相關區域的負荷比率為

(1)

當合上與n側相關區域之間的聯絡開關B24后,此時m側和n側的兩個相關區域的負荷比率為

(2)

為了使各電源點在供電恢復之后的負荷率盡量相等,選擇以負荷均衡期望值為目標函數,即

LBE=min[a,b]

(3)

對于涉及多個相關區域的供電恢復,公式可推廣為:

i∈x

(4)

i∈x

(5)

…

i∈x

(6)

LBE=min[a1,a2,…,ai]

(7)

在配電網的供電恢復問題中,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分別為節點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 配電網供電恢復軟件的設計

2.1 供電恢復軟件的主要工作流程

故障恢復軟件的主要工作流程如圖4所示,包括以下步驟:

1)獲取配電網運行數據和參數數據.

2)搜索數據,確定待恢復區以及相關區域.

3)在相關區域進行負荷均衡期望值計算,對供電恢復區以負荷均衡期望值為目標進行搜索,形成供電恢復方案.

4)判斷方案中是否存在過負荷.

5)對過載區域進行甩負荷操作.

6)形成最終的供電恢復方案.

圖4 主要工作流程圖

2.2 配電網供電恢復軟件外部數據的獲取

通過訪問配電自動化系統獲取配電網的實時運行數據、網絡拓撲數據、饋線最大負荷;通過訪問配電網生產管理系統獲取負荷等級、饋線的額定電流等應用數據.

2.2.1 配電網實時運行數據的獲取

配電網的實時運行數據存在于配電自動化系統中,并且實時更新.當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)和數據總線,可通過數據總線獲取基于CIM模型的實時運行數據.

2.2.2 饋線最大負荷值的獲取

饋線的電流數據需要實時保存到配電自動化系統的歷史數據庫中,當發生故障時,根據線路拓撲關系定位故障區域,確定待恢復區域,以及待恢復區域的相關區域,從而篩選出此次供電恢復時所涉及的饋線集合.

從歷史數據庫中取出參與供電恢復饋線的前3天或前4天的電流數據,取出前3天或前4天的當前故障發生時刻后90min內的最大負荷電流,其平均值作為該饋線的最大負荷電流.

2.2.3 配電網網絡拓撲數據的獲取

配電網在運行過程中,隨著開關的分、合變化,其網絡拓撲結構也隨之發生變化,為了確定相關區域的拓撲結構,需要從配電自動化系統獲取故障前的拓撲結構,為了確定故障損失的負荷量需要獲取故障后的拓撲結構.

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保存在配電網生產管理參數數據庫中,當需要計算饋線負荷率以及負荷均衡期望值時,可從參數數據庫中提取相關數據.

2.2.5 負荷等級值的獲取

負荷的重要等級作為負荷的重要參數保存到參數數據庫中,當需要進行甩負荷操作時,可從參數數據庫中提取相關數據.

2.3 配電網供電恢復軟件的整體架構

基于負荷均衡的配電網故障恢復軟件的整體架構如圖5所示.整個軟件系統分為數據接口和供電恢復策略兩部分.

圖5 軟件的整體架構圖

2.4 具體實施步驟

2.4.1 相關區域的搜索步驟

1)當發生故障且隔離故障后,啟動故障恢復程序.

2)根據故障隔離信息,建立故障點下游供電恢復區的網絡拓撲結構.

3)判斷與供電恢復區相連的聯絡開關是否另一端與電源饋線相連.若是,則將該聯絡開關聯絡的區域看作相關區域.

2.4.2 甩負荷操作

初步供電恢復方案形成后,系統可能存在過負荷現象,在這種情況下就需要進行甩負荷操作.

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

甩負荷操作主要包括以下步驟:

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

2)如果負荷電流越限,則甩掉分配區段的部分普通負荷直到滿足要求.

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

3 應用實例

以山東科匯電力自動化股份有限公司產品KH-8000P配電自動化主站系統為基礎平臺,完成了供電恢復軟件的設計和實現.KH-8000P配網自動化主站系統采用開放式、分布式體系結構,應用分層的客戶機/服務器(Client/Server)模式.遵循IEC61970/61968標準,以配網自動化監控設備(FTU、DTU、TTU)為基礎,以配電線路監控、故障處理為核心.該系統具備完善的配網SCADA、饋線自動化(FA,包括短路故障與小電流接地故障的定位、隔離與恢復非故障線路的供電)、故障信息管理等功能.在KH-8000P主站系統的基礎上,該供電恢復軟件作為一個應用模塊從KH-8000P主站系統上獲取配電網運行數據,從億力吉奧公司的GPMS系統上獲取配電線路參數數據,生成的供電恢復方案提供給KH-8000P主站系統,并在其人機界面上展示給配電調度人員,供其參考.

4 結束語

配電網發生故障時,在實現故障定位、隔離后如何快速地恢復所有非故障區域供電,實現各饋線負荷均衡,避免過負荷運行,是一個比較復雜的問題.本文建立了供電恢復的數學模型,提出了以配電線路負荷均衡為目標的配電網供電恢復軟件的設計方法,包括軟件的整體架構以及具體的實現步驟.該軟件應用于KH-8000P主站系統后,可提供供電恢復方案并在主站系統的人機界面上顯示,驗證了該供電恢復軟件設計方法的正確性.

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