CN105391030B - 基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，包括故障时以各电源为起点，以故障电流或方向性保护判据为搜索驱动，锁定故障区域，进行故障隔离；故障隔离后，以故障隔离边界跳开的隔离开关为起点，以其流过故障电流为搜索方向，以电源超载能力为驱动，通过基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法进行微网孤岛划分。以电源的负载能力大小为驱动，通过逐层递归即通过由根到叶逆向搜索的方法，将负荷逐渐加载聚合，最终找到最佳潮流平衡点，实现最佳孤岛划分。本发明不依据于事前的网络定义，可以适用于任何网络拓扑结构的配电网，并且也不受DG运行方式的约束，只要是可以在故障隔离后可以恢复正常运行的DG均可采用本发明。
Description
技术领域
本发明涉及计划孤岛划分技术领域，尤其涉及一种基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法。
背景技术
智能电网是指电力系统通过自动预测和对系统干扰的响应提高电网的供电可靠性和供电效率。为了实现配电系统智能电网水平，各种自动化技术已经尝试在配电系统的计量、保护和控制领域进行应用。在这些技术中，其中的自动电源恢复是智能电网的一个重要组成部分，而这一部分因为分布式电源的接入可以归结为故障后计划性孤岛划分与非计划性孤岛的调度管理。从这个角度来看，这一问题同时又与基于DG的配电网系统的保护及其自动化系统有着密切的联系。因此寻找一套基于故障快速隔离及其随后的基于孤岛划分的电源恢复方案是实现配网智能化水平及其提高配网供电可靠性及其效率的一个有效手段。
传统的电力恢复过程可能需要几个小时来完成，这取决于客户报停的快速性和维修人员可以找到故障点和进行电力恢复的过程。近年来，电力部门普遍配置了配电自动化系统，系统包括：基于馈线配置了开关设备(重合器，电路断路器，等等)和具有保护与控制功能的智能电子设备(IED)。简单配置的自动化功能，如测量，监测，控制，通信等功能，使配网实现了自动故障识别，故障隔离和恢复供电等功能。其结果是，电力中断持续时间和系统的可靠性这两项指标都得到显著改善。
基于配网自动化提供的信息，自动故障定位和隔离故障，较容易实现。相比之下，自动电源恢复是一项艰巨的任务，许多研究工作都集中在这个领域，以解决这个应用困难，以前的研究主要是考虑的操作约束、负载平衡和其他实际问题。算法也是集中在启发式搜索技术，人工智能为基础的算法(例如，专家系统，遗传算法，模糊逻辑)领域的应用。虽然一些建议的算法的目标是提供一个实时的解决方案，但是其中大部分是仅适用于规划分析或被开发的调度控制中心，以帮助系统运营商进行决策。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，以电源的负载能力大小为驱动，通过由根到叶逆向搜索的方法，将负荷逐渐加载聚合，最终找到最佳潮流平衡点，实现最佳孤岛划分。可以适用于任何网络拓扑结构的配电网，并且也不受DG运行方式的约束。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，包括
故障时以各电源为起点，以故障电流或方向性保护判据为搜索驱动，锁定故障区域，进行故障隔离；
故障隔离后，以故障隔离边界跳开的隔离开关为起点，此跳开的开关在故障前的网络拓扑结构中是树状结构的根；以其流过故障电流为搜索方向，将此方向搜索至的分界开关即为孤岛划分的边界开关；以电源超载能力为驱动；通过基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法进行微网孤岛划分。
故障时以电源指向电源或负荷搜索为正向。
故障隔离后孤岛划分时，以开关指向电源搜索为正向。
基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法中，假定电源为具有有限容量的恒压源；假定负荷开关具有有限的承载能力；负载归属于相联的线路负载能力这一参数；假定馈线具有有限的电流承载能力；约束条件为馈线电流不过载。
负荷加载聚合方法包括：
S1、从一个可回溯负荷源，跟踪所有它供应的网络分支，直到达到树结构的末端；
S2、在由负荷向电源侧递归时，定义每个网络馈线的负载电流，并给出其限值；
S3、可递归加载负荷经计算后，归算至其可回溯电源的可用容量供选择。
所述S1中的可回溯负荷源为变压器。
故障隔离后孤岛划分时，在搜索中，确定一个T节点的一个下游分支作为恢复负荷路径时，将该T节点与跟提供恢复供电电源连接最近的一个T节点之间的联络开关放在同一个集合S中，遍历打开集合S中的联络开关并通过判断打开联络开关后是否达到负荷平衡来确定该恢复负荷路径的边界开关，能够达到负荷平衡的联络开关即为该恢复负荷路径的边界开关，当该恢复负荷路径上的S集合中不存在能使得负荷平衡的联络开关时，对该T节点所连接的其他分支上按照同样的方法寻找边界开关，寻到的边界开关即是孤岛划分的边界开关。
故障隔离后孤岛划分时，搜索到一个T节点有多个下游分支能回溯返回至同一电源时，按照分支的负荷加载能力的绝对值从高到低的顺序作为恢复负荷路径搜索的方向。
当加载的负荷总数超出提供恢复供电电源的容量时，搜索终止。
故障隔离边界跳开的隔离开关有多个时，每个隔离开关都要作为起点按照同样的方法进行搜索。
本发明的有益效果：
本发明在故障时和孤岛划分时，采用不同的搜索起点，不同的搜索驱动，不同的搜索方向进行搜索，快速准确的完成故障的隔离和供电的快速恢复，形成了融故障隔离及孤岛划分为一体的保护控制方法。
以电源的负载能力大小为驱动，通过逐层递归即通过由根到叶逆向搜索的方法，将负荷逐渐加载聚合，最终找到最佳潮流平衡点，实现最佳孤岛划分。本发明不依据于事前的网络定义，可以适用于任何网络拓扑结构的配电网，并且也不受DG运行方式的约束，只要是可以在故障隔离后可以恢复正常运行的DG均可采用本发明。
附图说明
图1为配网运行环境状态分区转化图；
图2为保护联跳配合关系示意图；
图3为本实施例中基于拓扑结构搜索的负荷加聚孤岛划分方法流程图；
图4为本实施例中基于拓扑结构搜索的负荷加聚孤岛划分示意图；
图5(a)为配电自动化实际动作隔离故障动作图；
图5(b)为配电自动化实际动作供电恢复图1；
图5(c)为配电自动化实际动作供电恢复图2。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，通过故障时的故障电流的分析及其故障前的各个电源(包括DG)供电能力与各个拓扑分支负载能力的分析，完成关于故障隔离以及隔离后的电源供电恢复一整套的基于配电自动化系统的故障诊断综合方案，即失去了电源的健康区域，根据拓扑连接关系创建供电路径，通过有效负荷平衡开关的跳闸操作，自动形成计划孤岛的划分。并且通过故障时跳开开关为起点，以故障电流大小为引挚，以各个电源为终点，通过相对于前者的逆向搜索，完成故障区段的判断与隔离。
如图1所示，配电网运行环境通常用以下5种状态来描述配电网络：正常，报警，紧急状态和恢复后次状态(包括计划孤岛划分)、最终恢复状态(包括孤岛并网)。
由图1可以看出，在紧急状态下，配电网络上的故障已发生，这时主要目标是尽快恢复网络健康区段的供电。大多数配电自动化的性能指标，都由此受到影响包括：
1、电力系统的故障和维修的操作成本；
2、电力系统的供电可靠性的指标要求，即每年平均持续时间(SAIDA)或平均每年中断(SAIFI，MAIFI)不可超过预定值；
3、客户的停机费用；
4、对客户造成的损失与或因此导致的故障停机。
一般来说，时间占用主要是包括故障隔离和恢复供电，1)操作遥控开关装置(自动重合闸，开关等)，2)调度和控制维修人员手动操作装置和3)验证故障位置，电话告知故障客户信息管理。
非计划孤岛运行方式是不允许的，因此，对于非计划性孤岛运行的DG需要加装反孤岛装置。当检测到DG孤岛运行方式，和网络断开时，作为保护策略的一部分，当DG并网变电站跳闸而导致DG孤岛运行时，要求DG从电网断开。目前主要采用以下联跳方式。如图2所示，任何位于DG上游断路器跳闸事件(无论是33/11KV变压器或33KV馈线故障造成的)发电机断路器B8会由本站内的联跳装置跳开。如果，不是由变电站低压侧直接并网DG，则要求加装反孤岛装置防止DG脱网后孤岛运行。而对于有负荷平衡能力的DG，则应考虑计划性孤岛运行方式。
一旦DG脱网，当并网保护动作后，联接纽带必须恢复。两种DG跳闸/恢复的方法被行业内广泛使用。第一种恢复方法(情况1)用于DG与当地负荷不匹配的情况。此时，并网保护通常跳开DG断路器。当供电系统恢复时，DG通常自动重新同步。许多供电公司需要同期继电器在主要并网点断路器进行同期合闸，以避免不同步合闸。同期继电器一般配备母线检无压(低电压)逻辑，使DG所在失压母线重合于系统。因此对于这种情况，不存在图1所述的恢复前次状态(孤岛运行方式)。第二种并网恢复方法(情况2)用于DG大致与本地负载匹配的情况。在这种情况下，由并网保护跳开主进线断路器。在许多情况下，石油化工、造纸行业的DG配有内部低频减载装置，DG脱网后有与其相匹配的局部负荷以支持孤岛运行方式。第二种情况完全符合图2所述5种状态间的转换。
由于故障点的发生是随机的，因此本发明中计划孤岛形成时以隔离故障的断开开关为起点。即每个网络拓扑搜索的开始总是以跳开开关为起点，而这一开关在故障前的网络拓扑分析中是树状结构的“根”。搜索引擎是以其流过故障电流为搜索方向，而选其中较高负荷加载能力(绝对值)的分支，选为回溯支路，作为负荷加载的对象，并将此方向搜索至的分界开关定义为孤岛划分可用边界开关。
本实施例中给出一个具体的搜索方法。
1.跳闸后，以故障隔离区的边界跳开的开关作为搜索起点，以其流过故障电流路径作为搜索方向，搜索至第一个T接点(多分支连接节点)；
2.在找到第一T接点后，进行以下判断：如果存在一个或多个馈线路径可以恢复该馈线路径上的所有负载并因此可形成一个以本身电源支持的孤立网络，则选择其中最大可接带负载容量的馈线路径，这个跳开的开关被选择作为孤岛划分边界开关，在最后的恢复策略中打开；返回到步骤1，处理下一个隔离故障的开关；否则，当没有一个反馈路径有足够的负荷接带能力时，搜索该T节点所有的直接下游开关集合，存储在向量“其它开关”中；
3.继续追溯所有下游位于本次T节点与下游开关或下游下一个T接点之间的联络开关集合，并将它们存储在一个向量S中；
4.通过遍历“打开”向量S内的联络开关，确定网络的划分，将网络划分为几个子网络，并分别依此进行服务负载的恢复；如果存在这样的划分，则选择最佳的平衡负载水平的开关将被选择作为孤岛划分边界开关，在最后的恢复策略中打开；
5.否则，如果向量S中没有最佳平衡开关，则在“其它开关”向量中搜索，其下游的联络开关数大于1时，意味着这个开关下游存在另一个T节点，则以此为搜索起点开关转至步骤1；
6.如果“其它开关”集合中不存在下游至少一个T接点，则这一联络开关将被选择为搜索路径开关，则负荷恢复路径选择由此开关开始搜索至相应边界开关终止，或者以此为开关路经联络开关连通至另一“其它开关”；如果在它可以到达一个隔离开关或“其他开关”之前停止，因为负荷承载能力验证检查没有通过，该算法将返回到步骤1或2；
7.如果有多个路径可以恢复到其相应的“其它开关”，则选择在有剩余容量前提下，更多路径将被选中进行负荷恢复，并通过上游T接点连通至相应的“边界开关”；
8.如果搜索连通至边界“隔离开关”仍有剩余容量，则它将从T接点开始尝试恢复其相连位于下游的居于次负荷能力的线路作为恢复负荷路径。
本实施例中给出本发明的假定条件。
构建自定义的内存模型网络模型，包括三种类型的组件：电源，开关器件(又名分段器，负荷开关，断路器和重合器)、厂站及负载。
馈线导体被假定为负载属性。假定电源为具有有限容量的恒压源。假定负荷开关具有有限的承载能力(断路器和重合器假定有无限的电流中断能力)。负载的性质被忽略，将其归属于相联的线路负载能力这一参数。馈线具有有限的电流承载能力。
为了保证有源孤岛划分的有效性，首先保证网络是联通的。同时，确认后恢复网络配置的有效性，要确保网络是辐射网，这与DG并网后的多电源并不矛盾：因为孤岛划分时的角度是各个电源为搜索终点，从各个电源自身角度来看，网络结构仍可认为是辐射网。如果存在由系统电源开始至分布式电源的互通网络，则按照电源类型划分分布式电源供电路径完成由系统源至DG的供电路径定义；而负荷供电路径则是定义从任一电源至负荷的供电路径，通过这一定义，无论如何划分计划孤岛，仍认为是辐射网。本发明只考虑以线路负载电流限制为约束，不考虑电压波动引起电压越限。因为本发明的首要目标是快速进行供电恢复，同时，这一拓扑分析的方法对电压分析来讲不是有效手段。
同时需要说明的是，本发明的首要目标是可以尽可能恢复健康区域的有效供电，因此并未考虑负荷类型，这样做可以直接将问题简化。但是如果负荷恢复的目标是规范所要求的恢复一、二类负荷的供电，则在线路负载容量考虑时，可以将三类负荷忽略，而只考虑一二类负荷，这样做尽管忽略了负荷类型，但是简化问题计算，将两维甚至多维问题转化为一维问题，也即线路负载限值问题，也进一步归结为拓扑网络以电源为起点，以负荷为聚合递减的电源负荷平衡问题。
基于网络的负载聚合算法
本发明唯一的约束即是馈线电流不过载，这是通过每个电源的发电容量为衡量标准，通过基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法进行电源平衡，负荷加载聚合具体方法如下：
S1、从一个可回溯负荷源，即厂站，通常认为是一个变压器，跟踪所有它供应的网络分支，直到达到树结构的末端；
S2、在由负荷向电源侧递归时，定义了每个网络馈线的负载电流，并给出其限值，如果需要，可只加载一二类负荷作为其限值；
S3、可递归加载负荷经计算后，归算至其可回溯电源的可用容量供选择(DG容量可调)。
由于一个T节点有可供搜索的两个下游分支，而本发明必须选择其中的一个，否则将在恢复后网络中产生电路环路。如果一个T节点的2个下游分支可回溯返回至同一电源，则其中具有较高负荷加载能力(绝对值)的分支，选为回溯支路，作为负荷加载的对象。如果是非同源，则由不同的选择方式，但是无论如何选择必须是由开关至电源的有效供电路径的选择。
如图4所示，假设图中负荷节点7发生故障，则跳开附近的联络开关7-9、1-7与7-8，并根据故障电流提供的路径开始三个方向的搜索：当搜至第一个T节点8时，选择其中载流量较大的分支假设为分支8-10方向作为恢复负荷路径，并将T节点8与T节点3之间的开关之间的联络开关放在集合S中，T节点3是与提供恢复供电电源最近的一个T节点，通过遍历打开集合S中的开关(3-4，4-10，8-10)来确定最作为第一T节点8选定的边界开关。
如果S中不存在最佳平衡点的联络开关，则搜索T节点8下游其他支路上的所有开关，下一个T节点16作为起始节点开始重新搜索。如果8以下不存在T节点，例如只存在11支路，则这一支路被选为搜索路径，通过这一路径向其它边界开关搜索，即向5或14方向进行搜索。
这些搜索可以继续的前提是加载的负荷总数并未超出其电源的发电容量，当超出这一容量时，搜索会自动终止；如果在搜索最大负荷负载的分支8-10方向时，存在搜索至电源或边界开关仍有富裕容量的情况时，则选择T节点8所联分支中除分支8-10方向外剩余分支中次最大负荷承载的分支开始新一轮的搜索。也就是对T节点8以下的失电支路依次进行恢复供电，依次找到恢复供电的边界开关，按照分支的负荷承载能力从大到小的顺序依次找到每个分支的恢复供电边界开关。因此，本发明对不论怎样的拓扑结构最终总能找到以各个电源为支持的计划孤岛，尽大可能提高供电可靠性指标。
图5(a)-图5(c)为配电自动化实际动作隔离故障动作图，及供电恢复图。沙沟站下游分支发生永久性故障，其处理流程如图5(a)所示。由于当地DG容量不大，因此其孤岛运行时仅接带了当地的一部分负荷。而配电系统在隔离故障后，从配网两端恢复了大部分的供电，其恢复供电情况如图5(b)和图5(c)所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，包括
故障时以各电源为起点，以故障电流或方向性保护判据为搜索驱动，锁定故障区域，进行故障隔离；
故障隔离后，以故障隔离边界跳开的隔离开关为起点，以其流过故障电流为搜索方向，以电源超载能力为驱动，通过基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法进行微网孤岛划分；
故障隔离后孤岛划分时，在搜索中，确定一个T节点的一个下游分支作为恢复负荷路径时，将该T节点与跟提供恢复供电电源连接最近的一个T节点之间的联络开关放在同一个集合S中，遍历打开集合S中的联络开关并通过判断打开联络开关后是否达到负荷平衡来确定该恢复负荷路径的边界开关，能够达到负荷平衡的联络开关即为该恢复负荷路径的边界开关，当该恢复负荷路径上的S集合中不存在能使得负荷平衡的联络开关时，对该T节点所连接的其他分支上按照同样的方法寻找边界开关。
2.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，故障时以电源指向电源或负荷搜索为正向。
3.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，孤岛划分时以开关指向电源搜索为正向。
4.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，基于网络拓扑结构的负荷加载聚合方法中，假定电源为具有有限容量的恒压源；假定负荷开关具有有限的承载能力；负载归属于相联的线路负载能力这一参数；假定馈线具有有限的电流承载能力；约束条件为馈线电流不过载。
5.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，负荷加载聚合方法包括：
S1、从一个可回溯负荷源，跟踪所有它供应的网络分支，直到达到树结构的末端；
S2、在由负荷向电源侧递归时，定义每个网络馈线的负载电流，并给出其限值；
S3、可递归加载负荷经计算后，归算至其可回溯电源的可用容量供选择。
6.如权利要求5所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，所述S1中的可回溯负荷源为变压器。
7.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，故障隔离后孤岛划分时，搜索到一个T节点有多个下游分支能回溯返回至同一电源时，按照分支的负荷加载能力的绝对值从高到低的顺序作为恢复负荷路径搜索的方向。
8.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，当加载的负荷总数超出提供恢复供电电源的容量时，搜索终止。
9.如权利要求1所述基于网络拓扑结构负荷逐渐加载聚合的计划孤岛划分方法，其特征是，故障隔离边界跳开的隔离开关有多个时，每个隔离开关都要作为起点按照同样的方法进行搜索。
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