（电力系统及其自动化专业论文）含分布式电源的配电网故障恢复研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i t y , t h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ee l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki si nh i g h l yd e m a n d i no r d e rt om e e tu s e r r e q u i i r e m e n t sa n dr e d u c et h e l o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a u s e db yd i s t r i b u t i o n n e t w o r kf a i l u r e ，d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma n dd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m h a v ee m e r g e da sa ni m p o r t a n tm a n a g e m e n tt o o la n de f f e c t i v et e c h n o l o g i e s o n eo f t h e m o s ti m p o r t a n tt a s k so ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi st ol o c a t et h eb r e a k d o w n r e g i o nt i m e l ya n dc o r r e c t l y , i s o l a t et h eb r e a k d o w nr e g i o nq u i c k l ya n dr e s t o r e t h e p o w e rs u p p l yo f t h eo t h e rp a r to ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e s t o r a t i o na f t e rf a u l t si san o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e m w i t hm u l t i o b j e c t i v e ，m u l t i - s t a g e ，m u l t i - c o n s t r a i n t t h eu l t i m a t es o l u t i o ni sas e r i a lo f s w i t c h i n go p e r a t i o n st og i v eas u p e r i o rs c h e m eo fs e r v i c er e s t o r a t i o nw i t hl e a s tt i m e s o fs w i t c h i n go p e r a t i o n s ，h i g h e s tr e l i a b i l i t ya n dl e a s tn e t w o r kl o s si nt h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n so fn e t w o r kc o n n e c t e d ，n e t w o r kr a d i a t i o na n df e e d e rn o n e o v e r t a x i n g t h e w i d e l yu s e d o fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e si st h ed i r e c t i o no ff u t u r e d e v e l o p m e n to ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m t h el a r g en u m b e ro fe m e r g i n gd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nw i l ld e f i n i t e l yb r i n ga ni m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rs t a r t sr e s e a r c hw o r ko nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e s t o r a t i o ni n c l u d i n g d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n t h ep r i m et a s ki sa sf o l l o w s ： t h r o u g ht h ec o m p a r ea n dr e s e a r c ho fe x i s t i n gd i s t r i b u t i o ns y s t e mr e s t o r a t i o n a l g o r i t h m s ，a na l g o r i t h mb a s e do nt r e e m o d e lw i t hh e u r i s t i cr u l ei s p r o p o s e d a c c o r d i n gt od i s t r i b u t i o nn e t w o r k sr a d i a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，a l g o r i t h mc o n s t r u c t st h e p o w e rc u ta r e at ot r e em o d e l ，o v e r a l le v a l u a t e st h et w og o a l si n c l u d e r e s u m e st h el o a d a sp o s s i b l ea sm a n ya n do n o f ro p e r a t i o na sp o s s i b l ea sf e w , o b t a i n st h eo p t i m a l r e s t o r a t i o ns t r a t e g yb yt h eh e u r i s t i cr u l e p r o p o s e d t h es o l u t i o no ft h ed i s t r i b u t i o n s y s t e m r e s t o r a t i o ni n c l u d e st h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hm u l t i p o w e rs o u r c e sa sw e l la sh a st r i g g e r - r e f u s e do f c i r c u i t b r e a k e r s t h i sg i v e st h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e s t o r a t i o na l g o r i t h mam o r ew i d e s p r e a d s e r v i c e a b i l i t y a l o n gw i t ht h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e su n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，t h e n u m b e ro fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni n c r e a s e sd a yb yd a yi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k w h e n t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n c l u d i n gd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nb r e a k sd o w n c u t t i n go f fa l l d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n si nt r a d i t i o n a l t h i sm a yp r o t e c tp o w e rs y s t e m ss e c u r i t y e n o r m o u s l y , h o w e v e r ，i th a sa f f e c t e dt h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya sw e l la st h e d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n se f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri m p r o v e dt h em e t h o db y a d d i n gt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n sp r o c e s s i n gm e t h o di n t ot h ea l g o r i t h m a c c o r d i n g t ot h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c ，i nt h e a l g o r i t h mt h ed i s t r i b u t e d g e n e r a t i o na n dt h el o a da r ec o n s i d e r e da st h ed i s t r i b u t e dm i c r o - g i r d ，t h i si s l a n d o p e r a t i o ne n h a n c e st h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n ds p e e d su pt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m r e s t o r a t i o n t h es a m p l et e s ti n d i c a t e d t h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h ep a p e ri sb r i e f , p r a c t i c a l a n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，s e r v i c er e s t o r a t i o n ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ， i s l a n d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兢签字日期： 幻蜃年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢茗- - l 签字日期：狄童年易月1 日 导师签名： 谚守搠 签字日期：2 年，月日 第一章绪论 1 1 配电系统概述 第一章绪论 电力作为社会生产和日常生活的必需能源，己经成为一个国家经济发展的前 提和基础【1 圳。因此，电力系统的安全、稳定和经济运行对国民经济的发展有重 大的直接影响。根据电力系统组成特性，传统上将电力系统划分为发电、输电和 配电三大组成系统i3 1 。发电系统发出的电能经由输电系统的输送，最后由配电系 统分配给各个用户。 发电厂发出的电能一般通过升压变电站提升电压后，经由超高压输电网来输 送，升压的目的是为了减少输电损耗。当电能输送到靠近负荷中心如城市的郊区 后，再经降压变电站( 通常为高压变电站) 降低电压，经由高压输电网向高压配电 变电站输送电力。经高压配电变电站进一步降压后，再经由高压配电网络输送到 中压配电变电站，经中压配电变电站更进一步降压后，再经由中压配电网络输送 到低压配电变压器，最终经由低压配电线路向终端用户供电。 在我国，配电系统可划分为高压配电系统、中压配电系统和低压配电系统三 部分。 高压配电系统与输电系统直接相连，接收输电系统输送的电能，向负荷中心 直接放射供电或经降压配电。高压配电系统的电压等级通常选为3 5 k v 、6 6 k v 或 1 1 0 k v ，有些大型城市将2 2 0 k v 也作为高压配电系统电压等级，以适应城市用电 规模的增长。高压配电系统的电源一般来自不同的2 2 0k v 或5 0 0 k v 中心变电站 ( 或枢纽变电站) 。 中压配电系统是指从11 0 k v l o k v 或3 5 k v 1 0 k v 降压变电站的1 0 k v 母线出 发经中压配电线路到低压配电变压器的那一部分网络系统。中压配电系统的电压 等级一般选为l o k v ( 6 3 k v ) 或2 0 k v 。通常将降压变电站的每一回1 0 k v 出线称为 一条馈线。 低压配电系统是指从l0 ( 6 3 ) k v o 4 k v 低压配电变压器到用户端的那一部分 网络系统。一般将低压配电系统的电压等级选为0 4 k v ，、或称为3 8 0 2 2 0 v ，即线 电压3 8 0 v ，相电压2 2 0 v 。 由于配电系统作为电力系统的最后一个环节直接面向终端用户，它的完善与 否直接关系着广大用户的用电可靠性和用电质量，因而在电力系统中具有重要的 地位。 第一章绪论 配电工程投资巨大，发达国家输配电工程投资常常占整个电力系统投资5 0 以上，而在各区域电力公司中配电系统投资通常占预算的6 0 。在我国，过去几 十年缺电的困扰导致了电力建设存在“重发，轻输，不管配”的偏向，配电网长 期缺乏合理的规划与资金投入。因此，当近几年城市经济的发展和人民生活水平 的提高时，城市负荷密度不断增加，用电量在不断的迅速增长，一般增长率都 1 5 左右，而配电网建设由于资金投入不够，并且电网建设受规划、交通、环保 等因素的严重制约，发展的步伐普遍缓慢，严重落后于电源建设和用电的需求， 致使配电网受到了很大的压力。配电设备出现过负荷甚至烧损，一些地区还严重 缺电。如前所述，各地配电网出现的问题并不是偶然的，而是长年积累下来的， 如不及时采取有效措施，不但每年夏季、冬季高峰负荷时会出现问题，影响供电 可靠性，也影响了电力部门的经济效益和社会效益，甚至会给改革开放和社会安 定带来不应有的障碍和干扰。 为了改善我国配电系统的现状，“八五以来输配电工程投资已提高到整个 电力系统投资的3 1 5 。而1 9 9 8 年至2 0 0 0 年，国家投资几千亿元进行一批城市 的配电网改造。配电网改造的一项重要内容就是实现配电自动化，以保障配电网 安全、稳定、经济的运行，并能在运行故障后及时恢复供电提高其可靠性，减少 用户和电力公司的损失。而且，随着我国加入w t o 之后，电力供应将逐步从卖 方市场走向买方市场，国家和电力公司对电能供应提出了更高的要求，建设一流 电力企业的供电可靠性指标要求一般城市用户不低于9 9 9 6 ，重要城市用户不 低于9 9 9 9 14 1 。要实现这一目标，传统的配电网结构、运行和管理方式己经不适 应电力市场发展的需求，迫切需要新的配电自动化及管理系统来解决这个矛盾， 因此建设符合配电网发展和特点的配电自动化系统成为当务之急。 1 2 配电网的故障处理 在配电网发生故障后，对故障进行及时有效的处理，可以减少用户停电时间， 缩小停电面积，提高供电可靠性l 鼬j 。配电网中的故障一般可分为两类：瞬时性 故障和永久性故障，因此故障处理就需要区分瞬时性故障和永久性故障。对于瞬 时故障，通过变电站出口断路器的一次重合闸予以消除。而对于永久性故障，重 合闸失败，必须进行配网故障处理。电缆线路发生瞬时故障的可能性比较小，一 旦发生故障往往就是需要进行处理的永久性故障。 在配电网中，当某区域发生故障时，首先对故障位置进行准确定位，及时将 分割该区域的开关跳开以便隔离故障，然后对非故障停电区域迅速恢复供电，从 而避免因故障而导致线路整体失电。 2 第一章绪论 配电网的故障处理应尽量实现以下三个目标： 1 母线出线开关不跳或少跳。母线出线开关跳闸，将影响出线的全部供电 区域，停电面积大。 2 尽量使靠近电源侧的开关少动作。靠近电源侧越近的开关，其跳闸引起 的停电范围越大。 3 短路电流没有流过的开关尽量不动作。主干线故障时，支路分段开关和 下游分段开关没有短路电流流过时，不应让其动作。开关动作，将影响开关的使 用寿命。 以前，我国配电网网架普遍比较薄弱，缺乏整体规划，配电设备普遍陈旧， 大多不可遥控，运行监控设备少，信息搜集量少，导致故障处理自动化水平低。 配电网普遍都是单电源，而且线路分段少，导致停电面积扩大，故障定位和隔离 速度慢，供电恢复时间长。 在城乡电网建设与改造的过程中，f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 等现场监控终 端大量应用于配电网中，配电网s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统逐渐得到完善，为实现配电网故障的快速、准确定位，迅速隔离故障并恢复 非故障区供电提供了条件【7 】。 1 3 分布式发电技术及其在国内外的发展 近年来，分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 技术以其独有的环保性和经济性 引起人们越来越多的关注。英国、美国、日本等发达国家在进行能源结构调整过 程中，已经把d g 技术放到了相当重要的位置上。在我国，充足保证电力供应对 经济的持续发展必将起到决定性作用，在已建中央电站及电网的基础上，大力发 展d g 技术将是我国电力系统未来发展的必然趋势。 目前普遍使用的分布式发电的定义主要有2 种：一种认为分布式发电指的是 为满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行或同时满足这2 个方面的要 求，且在用户现场或靠近用户现场，配置功率为数k w 至5 0 m w 的小型，与环 境兼容的发电机组；另一种是对分布式发电更广泛的定义，认为分布式发电指的 是包含任何安装在用户附近的发电设施，包括d g 、热电联产、冷热电联产以及 各种储能技术等，而不论这种发电形势的规模大小和一次能源的类型【8 j 。 常用的分布式电源有内燃机、燃料电池、微型燃气轮机、光伏电池、风力发 电机等。在某些特定的地理环境中，还可以采用诸如地热发电，潮汐能发电等技 术。 第一章绪论 1 内燃机 过去往往用内燃机驱动的标准发电机来代表分布式发电技术，内燃机的容量 从数k w 到数m w 都有。大多数的内燃机作为敏感负荷( 如特殊的制造工业、 机场、酒店、医院、军事设施等) 的后备电源，以免在大系统供电出故障的时候 造成严重的后果、而现在分布式发电系统更多的关注在于如何提供远程服务，这 样其发出的电量不仅能供给拥有者备用，还可以盈利。 内燃机作为备用电源可以延缓新的发电厂的建设，但同时，也会给当地带来 4 第一章绪论 环境问题，内燃机的n o 。等废气排放量高，还会对周围环境产生噪音影响，因 此必须安装配套的设置来消除污染。就现今采用的技术来说，消除n o x 废气的 选择性接触消除器( s c r ) 的价格很高，同时占地较大，而对噪音则可以使用很 便宜的吸音材料来消除。 2 燃料电池 燃料电池是一种在保持恒温的条件下，直接将存储在燃料和氧化剂中的化学 能高效的、环境友好的转化为电能的装置。它并不燃烧燃料，而是通过电化学的 过程将燃料的化学能转化为电能。燃料电池可按电解质的性质分为许多类：聚合 电解质膜燃料电池( p e m f c ) 、碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、 固体电解质燃料电池( s o f c ) 和熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) ，其中磷酸型燃 料电池最接近商业化，新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被 认为最值得推荐用于电力系统的发电形式。 燃料电池具有以下特点：( 1 ) 、效率高且不受负荷变化的影响；( 2 ) 、清洁无 污染、噪音底；( 3 ) 、安装周期短、安装位置灵活。燃料电池与集中式机组相比 较，它适应负荷变化的能力更强，当负荷在2 5 一1 0 0 范围内变化时，电池效 率不受影响，而且跟踪负荷变化的速度很快，但是它的化学能是有限的，转化的 电能越多，能量消耗的越快。 3 微型燃气轮机 微型燃气轮机是指功率为数百k w 以下的天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料 的超小型燃气轮机。满负荷运行时效率可达到3 0 ，实行热电联产，效率可提 高到7 5 。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运 行维护简单。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源。这种分布式发 电机组的特性和集中式发电机组相似，可以统一调度，但是在热电联产的情况下， 微型燃气轮机的各种输出必须满足热量的需要，并且它的功率变化有一定的时 间，即功率变化速度有一定的限制。微型燃气轮机的噪声远小于同等级的内燃机， 排放的n o 。废气也只是内燃机的1 1 0 0 。但是现在影响微型燃气轮机大规模使用 的因素有两点：投资费用和设备寿命，微型燃气轮机每k w 的投资是内燃机的几 倍，而设备的寿命却只是内燃机的几分之一，这两点导致了微型燃气轮机投资的 周期费用远高于内燃机，这就阻碍了微型燃气轮机的推广。 4 光伏电池 太阳能光伏电池发电是利用半导体材料的光电效应，直接将太阳能转换为电 能的发电技术，这种电源白天发电的盈余倒送电网，晚间用户则从电网取电。采 用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、 维护简单等优点，且系统的频率和电压对其基本上没有影响。但是，光伏电池的 第一章绪论 转换效率低，输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响，不能调度。 5 风力发电 风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是一种清洁能源，和光伏 电池一样，它的输出功率由风能决定。风力发电本身并不是什么新技术，但随着 风力发电在近年来的迅速发展，风力发电机的特性有了明显的提高。风力发电机 可采用同步电机、感应电机或者直流电机。由于其输出功率存在固有的不平衡性， 风力发电在一定程度上可起到储能作用，一般风力发电机输出的交流电经过整流 后向蓄电池充电，然后通过逆变器联入电网。 分布式发电的地位在每个国家都不同，经济性是一个重要的影响因素，还有 一些其他因烈9 d 3 1 。 在美国，能源的低成本限制了分布式发电特别是热电联产的普及，其中热电 联产发电容量仅为5 0 4 g w ，约占总发电容量的6 ，工业用热电联产占总热电 联产的9 0 ，而8 0 的工业用电分布在造纸、化学、炼油和食品3 n 3 ：4 大工业 中。应急用电是分布式发电的一个主要应用方面，建在工业及商业点的柴油应急 发电机组的发电容量超过1 0 0 g w 。据加州能源委员会的一份详细的调查显示， 仅加州的备用机组就提供了3 2 g w 的电力，占该州高峰用电需求的6 以上。 日本的电价很高，这反映出该国的发电、输电、配电设备成本及土地成本都 很高。高电价使得日本的很大一部分工业企业自己发电。制造业3 0 以上的用电 都是由当地发电机供给，发电容量约为2 8 g w ，年实际发电量约为1 1 6 t w h ，构 成了日本总电力消耗的1 2 。这些大型工业用发电厂都以煤作燃料，其中约有六 分之一的电力都以热电联产的形式供应。日本的电力市场已经逐渐自由化，自 2 0 0 0 年起，构成总电力消耗3 0 的超高压用户已经可以自由地选择供电商。 自1 9 9 9 年起，英国电力市场已经逐渐放开，许多分布式发电政策的制定都 主要着眼于环保，特别是对气候变化的影响。除采纳了一些支持可再生能源的政 策外，政府还提出了以下一些支持热电联产的政策：1 提出到2 0 1 0 年将热电联 产增加至1 0 g w 的目标；2 对其所用燃料免收气候变化税；3 免收热电联产 厂的商业税；4 对安装了热电联产装置的工业部门征收8 0 的气候变化税；5 对 现代化的供热系统提供支持。 荷兰的电力系统主要由4 家发电公司构成，这4 家公司提供了总发电量中近 一半的发电量。荷兰政府规定要减少二氧化碳的排放量并加强能源的可持续性利 用，这一政策对电力部门的影响很大，自1 9 9 0 年以来，热电联产的发电量翻了 一番。荷兰的大多数分布式发电厂都是配电方与工业联合投资的，电力市场自由 化的分离要求使得热电联产的所有权和运行权与电网的所有权是分开的。这种分 离加强了竞争但却使配电方减少了为支持地方电网所做的投资。 6 第一章绪论 我国的分布式发电技术尚处在起步阶段，但发展很快。在中国小水电和风力 发电已经得到了广泛的应用，但还有很大的潜力。例如风力发电，中国风能资源 丰富，可开发的装机容量约2 5 3 亿k w 。截止到2 0 0 3 年底，全国风能资源丰富 的1 4 个省( 自治区) 已建成风电场4 0 座，累计运行风力发电机组1 0 4 2 台，总容 量达5 6 7 0 2 m w ( 以完成整机吊装作为统计依据) 。其它几种分布式发电方式中国 也在进行着积极的研究或商业示范运行。 目前，我国发展分布式发电技术还存在一些障碍与问题，包括政策、市场规 则、技术性能和经济性诸多方面，认识这些障碍和采取切实有效的对策是促进分 布式发电发展的关键所在。 1 体制 在现行电力管理和监管体制下，政策的制订者和执行者很难认识到分布式发 电的价值，特别是对分布式发电的环境效益、提高电力服务质量和安全可靠性的 作用认识不够。建议电力体制改革最终形成的市场机制和规则应公平对待集中发 电和分布式发电，分布式发电的环境效益等公共效益能以某种与电力市场协调的 方式得以体现，在能源政策中提出能源资源合理利用的强制性要求。 2 并网 现行电力并网规则不够透明，技术要求由电网单方面制定和解释，分布式发 电在并网方面得不到公平对待，缺乏明确的并网成本分摊原则。建议在政府部门 的组织下，制定更透明规范的并网技术规定、条件和运行调度规则，明确并网工 程费用分摊原则，制定电力备用支持收费规定和分布式发电富余电量外送的价 格。并网费用分摊、备用支持和电力外送的规则制定应考虑到分布式发电对改善 电网负荷特性、节约电网投资、减少线路损耗和削峰填谷的作用。 3 行政许可 目前，分布式在获得行政许可方面的困难大于常规电力项目，原因是缺乏分 布式发电行政许可的规定。即便是分布式发电与常规电力项目在行政许可方面一 样对待，对分布式发电也是不公平的，因为分布式发电项目规模小、投资少，完 全套用常规发电项目，分布式发电的行政许可前期准备费用相对过高。建议简化 小型可再生能源发电项目和热电联产项目的行政许可程序，在制定城市规划、能 源规划时预先考虑到分布式发电设施，提前做好规划安排。建议制定规范的各类 分布式发电的技术条件和指标，协调好有关部门的规定，由一个部门_ 次性完成 行政许可手续。 4 融资 在目前市场条件下，分布式发电的社会效益没有内部化，政策不完善，项目 的不确定因素多，金融部门认为风险高，而且分布式发电的投资者中小公司多， 7 第一章绪论 资金实力弱，融资资信低。建议提高分布式发电政策中的刚性成分，采取明确的 政策保障降低项目投资风险；另外，建立公共融资担保机制，提高分布式发电投 资者的融资能力，也是促进分布式发电投资的有效手段。 虽然分布式发电潜力巨大、社会效益显著，但目前在能源体系中贡献率很小， 其潜在作用不为大多数人所知，要消除上述政策性障碍有相当大的困难，特别是 对一些新的分布式发电技术推广和新的市场开拓困难更大。因此，除了尽力消除 上述发展障碍，还应采取恰当的策略，对新型的分布式发电技术和新的应用领域， 要循序渐进地推进示范项目建设，并结合示范项目的实施认识各种政策性障碍并 完善有关政策。另外，要通过示范项目的信息传播，提高各方面对分布式发电的 认识，从而最终使分布式发电成为一种最符合公共利益的能源选择。 1 4 含有分布式电源的故障恢复的研究意义 中国电力行业的市场化发展和整个社会的电气化发展，使人们对电能的依赖 性日趋增强，随之而来的是供电的可靠性和电能质量越来越受到人们的重视。保 证电力系统安全稳定运行，防止停电事故发生和在已发生了事故之后迅速恢复供 电己成为当代中国电力行业所面临的一项迫切且重大的任务。 现代电力系统规模日益发展增大，电网发生故障后造成的危害也越来越严 重。1 9 9 4 年2 月2 4 日广西来宾电厂发生配电系统故障，波及广西2 2 0 k v 和5 0 0 k v 系统，造成广西部分地区与主网解列，5 0 0 k v 系统与广东解列；1 9 9 5 年8 月1 0 日，东北辽阳变电所因母差保护误动作造成事故并扩大，直接威胁了东北电网的 安全稳定运行。不仅在国内，国外这类的例子也时有发生，如1 9 7 7 年第二次纽 约大停电、1 9 8 7 年东京大停电：1 9 9 6 年8 月1 1 日，美国西部9 个州停电，影响 4 0 0 万人，一些地区停电时间长达1 0 个小时；2 0 0 3 年0 8 月1 4 日美国东北部及 加拿大南部的大停电，直接经济损失达到数百亿美元，间接损失更是无法估量。 这些事例充分说明：随着现代电力系统日趋大型化和复杂化，从客观上注定 了各种事故，尤其是难以预料的偶然因素所导致的事故，是无法完全避免的。那 些由不可预知的因素所导致的小规模事故随机出现，尤其在配电系统中，网络结 构复杂多变，出现一些地区失电更是完全无法避免。因此仅仅从合理地规划、设 计电网结构，配备优质可靠的继电保护与安全自动装置等方式来预防事故，提高 整个电力系统运行的可靠性和安全性，减少大面积停电事故的发生几率，来满足 现代电力发展的要求是不够的。还应该在电力系统发生故障后，能够迅速采取正 确有效的措旋尽可能地减小停电范围，缩短停电时间，及早恢复供电，把停电造 成的损失降到最小。电网的故障恢复处理就是从居安思危的角度来提高整个电网 第一章绪论 的可靠性。 配电网的故障恢复处理是一个极其复杂的实时决策过程，中间涉及大量的不 确定因素，现有的线数值分析技术尚难提供有效的帮助，主要由调度人员依据现 场经验来做出决策。当系统出现故障时，短时间内各种信息蜂拥而至，这时候需 要调度人员尽可能地控制住事态，避免事故的扩大，并在短时间内恢复尽可能多 的负荷。此时，调度人员不仅要有扎实的专业知识和丰富的运行经验，熟知各种 运行方式、运行规程及安全极限参数，还要能够保持清醒的头脑。而实际上，由 于缺乏实际事故处理经验，加之责任重大负担过重，面对如此复杂紧迫的场面， 要求调度人员仅凭经验和直觉采取正确有效的措施，并尽可能地减少事故损失是 相当困难的。 配电管理系统d m s fi 进线监控 忙c 加一 蒜戮叔蜮鳓化 配电自动化d a _ l 变压器巡检与无功补偿 l 地理信息系统 旧管理系统馁薯芝篓善霁费自动化 网络分析与优化 工作管理系统 调度员培训模拟系统 图1 1 配电管理系统 配电网故障恢复系统是配电管理系统( d m s ) 的一项重要功能，主要作用是通 过智能软件对配电网中发生的故障进行分析和判断，并提出正确有效的停电恢复 对策，帮助调度人员隔离故障区域，尽可能多地恢复非故障区域的供电，把故障 损失降到最低；同时可为调度人员提供故障恢复的日常培训，增加电网的恢复经 验，提高业务能力。因此开发一个实用的故障恢复系统，对整个电力事业的发展 具有重要的现实意义。 随着分布式发电技术的发展，分布式电源与常规电力系统并网的趋势越来越 明显。d g 并网后，配电系统的结构和运行都将发生巨大变化。此外，由于d g 类型众多，其数学模型及在电网中承担的任务不尽相同。不能按照常规电网中的 电源进行处理，因此，考虑d g 后的配电网故障恢复不能直接套用传统的恢复算 法。本文将对此问题进行初步探讨。 9 第一章绪论 1 5 本文的工作 本文着重对配电网故障恢复相关问题进行了研究，提出了一种故障恢复的算 法。在此基础上，根据分布式电源的特点，分析了含有分布式电源的配电网故障 恢复处理方法。 首先，文章详细介绍了配电网故障恢复要求与特点，配电网故障恢复问题是 一个多目标，多约束的优化问题，且故障恢复的目标相互矛盾。恢复算法是配电 网故障恢复的重点，本文也对现有的各种算法进行了简单的分析与比较。 然后，本文根据配电网的辐射状特性，将失电区构造成树状模型，根据启发 式规则提出了一种故障恢复算法，同时文章中还分析了多端电源配电网以及发生 开关拒动时的故障恢复方法。通过几个不同的算例，证明了算法的有效性。 最后，本文分析了引入分布式发电技术对配电网造成的影响，重点研究了分 布式电源对故障恢复的影响。根据分布式电源的特点，提出了含有分布式电源的 配电网故障恢复处理方法，并且经过实例的测试证明了算法的优越性。 l o 第二章配电网故障恢复的目标与约束 第二章配电网故障恢复的目标与约束 2 1 故障恢复的模式 配电网故障恢复大致可以划分为3 种恢复模式i l5 】： 1 早期的故障恢复模式 在自动化水平较低的早期，故障恢复主要依靠装设在配电线路上的故障指示 器。故障发生后，工作人员依靠故障指示器找到故障位置，利用柱上开关设备手 动隔离故障区，人工恢复非故障区的供电。这种早期模式自动化水平较低，故障 处理时间较长。 2 配电自动化的故障恢复模式( d a 模式) 这种模式主要依靠装设在配电网中的分段器、重合器及柱上开关等具有一定 智能的硬件设备，通过开关功能和保护时间配合，实现故障的自动诊断、隔离和 恢复。这种恢复模式的特点是依赖于配电网的早期规划、配网结构及配电设备的 自动化程度，但一般只适用于简单接线网络，而且不能考虑实际负荷水平和网络 运行约束。 3 配电管理系统的故障恢复模式( d m s 模式) 这种模式主要应用配置在配电控制中心的故障恢复软件实现故障检测、隔离 和供电恢复。当配电网中发生故障时，d m s 的故障恢复软件根据f t u 采集并经 过通信系统传送到配电控制中心，根据s c a d a 实时数据库中的故障信息进行逻 辑推理，判断故障位置，并且确定隔离故障和恢复供电的操作步骤，然后以操作 序列的形式提交s c a d a 系统，手动或自动执行。这种恢复模式的特点是适用于 任意结构的配电网络，可以处理一些特殊情况( 如多重故障) ，可以考虑实际负荷 水平和网络约束，但与设备可靠性和软件功能等有着密切的关系。 d a 模式与d m s 模式在不同的条件下各有优缺点。然而随着通信技术及计 算机技术的发展，d m s 模式是自动化发展的必然，必将获得更广泛的应用。它 运用智能软件控制配电网的故障恢复，能够从全局来规划和考虑配电网的恢复进 程，在一定程度上应付一些不可预料的情况，能够适用于各种复杂的配电网络， 并对故障进行一次性定位、隔离。然而，在具体实施过程中，d m s 故障恢复系 统一方面对硬件自动化水平和通信系统要求较高，要求配电网的s c a d a 系统能 够提供必要的实时信息和控制手段；另一方面，软件总体结构复杂，影响可靠性 的因素较多，因此需要周密规划、详细考虑。 第二章配电网故障恢复的目标与约束 2 2 故障恢复的要求 配电网故障恢复的主要任务是帮助调度员对恢复供电过程进行决策，其目标 是在允许的操作条件和电气约束下，通过网络重构尽可能多地将停电区域的负荷 转供到正常的馈线上。实际情况下，配网调度员应快速的恢复供电，同时，考虑 到开关操作寿命和有限的人力资源，要求开关的操作次数越少越好。恢复策略所 需要满足的基本要求可总结如下g 1 恢复策略必须是实时的。因为必须在尽可能短的时间内恢复对停电区域 的供电，以减少用户的不满意程度，提高供电可靠性。 2 恢复策略应尽可能多地恢复停电的负荷。同时，不同等级的负荷分别考 虑，重要的负荷应优先恢复供电。 3 开关的操作次数应尽可能少。其主要原因是开关设备的总操作次数有限， 为延长开关的使用寿命，操作次数越少越好。此外，配网中的大部分开关需要操 作员手工完成，在拥挤的都市或交通不便的乡村都需要花很长时间来完成一次操 作，所以，也要求操作次数尽量少。 4 恢复网络的结构变动应尽量少。换言之，应尽量操作离停电区域近的开 关。 5 恢复过程不能出现环网。 6 恢复过程不能有设备过载或电压过低。 2 3 故障恢复的特点 配电系统在拓扑结构、支路参数、运行状态、节点和支路数目、负荷和电源 以及各种配电装置的分布、系统信息等几个方面，都具有不同于高压输电系统的 典型特征。 高压输电网络一般采用多环路的环网式结构。而配电网络多采用辐射型、环 式或网格式等结构方式，正常情况下多为辐射状运行。其中辐射型结构方式( 又 称放射状或树状) 结构简单，保护装置的整定也比较简单，但该结构属单电源供 电方式，可靠性较低。环式或网格式等属于有备用电源的供电方式，正常运行时 以开环方式运行，联络开关一般处于断开状态，联络开关的两侧都相当于一条馈 线的末端，当某侧停电时，联络开关可自动将环闭合，由另一侧反送电，具有较 高的供电可靠性，在城市配电系统中得到了广泛的应用。 中压配电网的恢复是在配电网发生故障后，通过改变柱上开关的开闭状态， 第二章配电网故障恢复的目标与约束 使失电区域恢复供电；高压配电网的恢复是指线路、变压器、母线等发生故障后， 使得变电站所带的负荷通过其它线路转移给其它变电站或者其它变压器。它们的 目标都是为了使失电区域能够恢复供电。它们相比也有着不同的特点： 1 它们涉及到的网络的具体接线方式不同。高压配电网有着同输电网相同 的接线方式，而中压配电网则仅仅是馈线的方式。 2 高压配电网的负荷点都由变电站母线带着，比较集中，而且数目少，故 障后，只是失去几个负荷点的负荷。而中压配电网的负荷点则是沿着馈线分布， 比较分散，且数目较多，一旦故障，失去的往往是成片的负荷。 3 高压配电网的运行方式比较确定，发生故障以后的可选择的供电恢复路 径也比较少，而且比较确定；而中压配电网的接线方式从最简单的辐射式到最复 杂的网格状的接线方式都有，其开关的变动大，运行方式复杂，发生故障后，其 可选择的供电恢复路径多，而且不确定。 4 高压配电网的故障恢复往往都是失电的负荷点到电源点的路径的搜索； 而中压配电网的故障恢复则不但要搜索供电的路径，更要在这些供电路径之间合 理地分配负荷，使得电网在故障后，安全、可靠、经济地运行。 从以上的分析可知：中压配电网的故障恢复比高压配电网的供电恢复问题更 加复杂，必须针对配电网本身的特点，采用合理的方法进行处理。 随着分布式技术得到了越来越广泛的应用，大量分布式电源( d g ) 的接入使配 电网的结构发生了很大的变化，原有的保护体系越来越难以适应。目前国内外现 行的d g 并网运行规程大多数是基于d g 并网不影响原有配电网保护控制系统正 常工作的原则提出的，这些原则包括：要求d g 不能主动参与调压；配电网发生 故障时d g 必须迅速推出配电网以保证配电网继电保护正确动作等。这些规程虽 然最大限度地保证了电力系统的安全性，却在一定程度上局限甚至破坏了d g 技 术的发展。因此，必须深入研究分布式发电条件下全新的配电网保护控制方式， 充分发挥d g 的积极作用，尽量避免d g 对电力系统稳定和安全的不利影响，使 电力系统更高效，可靠地运行。 2 4 故障恢复的目标函数 配电网故障恢复本质上就是发生在故障以后的网络重构，但它还要综合考虑 负荷恢复量、开关操作次数、网络约束、用户优先级等因素，因此，它是一个多 目标、多组合、多约束的非线性优化问题。 配电系统供电恢复主要的评估指标，即目标函数包括： 1 失电负荷恢复量 第二章配电网故障恢复的目标与约束 m a x f ( l ) = 厶乖y 露 【2 1 ) j r 式中，厶为失电母线七的负荷，儿为状态变化参数，y k = 1 表示已恢复， y 。0 表示未恢复，r 表示失电负荷数。 要求供电恢复决策应尽可能多地恢复失电区域的用户供电。有些文献考虑负 荷等级情况，则在目标函数中，它们的惩罚系数不一样。 2 分段开关操作代价 m i n f ( c ，d ) = ( 1 - c i ) + o j ( 2 2 ) i = 1 j = l f 1开关i 在恢复中保持闭合状态 c f2 1 0 开关f 在恢复中由闭合变为打开 f i联络开为恢复中由打开变为闭合 d ，2 1 0联络开为恢复中保持打开状态 其中r