配電網孤島劃分

配電網孤島劃分是一種充分考慮孤島內DG的容量約束、孤島的電氣安全約束、總負荷恢復量，孤島網路損耗等的多約束條件的目標最佳化問題。DG具有主動發電的能力，可以通過形成以DG為電源的配電網電力孤島運行而恢復一部分重要負荷的供電，在提高配電網的供電可靠性的同時，也一併提高DG的利用效率。詳細介紹了配電網孤島劃分的研究現狀、劃分原則、劃分方法、以及展望。

基本介紹

• 中文名：配電網孤島劃分
• 外文名：Partition of the grid island
• 類型：智慧型配電網關鍵技術
• 本質：多約束條件的目標最佳化問題
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

智慧型配電網中的自愈功能建設將是智慧型電網體系構建的關鍵一環。其中，最優電力孤島劃分即為電網自愈中的最關鍵技術之。對於輸電網而言，在系統崩潰之前，把系統提前分解成數個獨立穩定運行的子系統，可以在實現故障隔離的同時，將負荷損失降到最低。對於配電網而言，由於分散式電源( distributedgenerator, DG)的滲透性越來越強，如國內6 MW以下的光伏電站無條件併網的政策己經在部分地區試執行;隨著該政策的全而執行，在國內的各地配電網中即將包含有大量以小光伏發電為主的DG系統，配電網正逐步擁有某些與輸電網類似的運行;在因輸電系統或配電系統發生故障導致配電系統全而停電的情況下，因DG具有主動發電的能力，可以通過形成以DG為電源的配電網電力孤島運行而恢復一部分重要負荷的供電，在提高配電網的供電可靠性的同時，也一併提高DG的利用效率。

孤島運行是相對於聯網運行而言的，而孤島指的是暫時脫離主網運行的局部獨立系統。輸電網孤島運行和配電網孤島運行作為電網故障處理的一種應急運行方式，均可明顯提升系統供電的可靠性和安全性。但由於兩者所包括的電源性質、規模及網路結構的差異性，兩者又有很大的不同。首先，二者的目標不同:輸電網孤島運行的目標是在保證故障隔離(即孤島劃分過程要計及故障信息)的前提下分離失步機群，實現各個孤島安全穩定運行，且同時考慮儘量降低負荷切除量;配電網直接與用戶相連，其孤島運行的目標是在配電網故障安全隔離之後，使失電區域中重要負荷得到優先恢復的同時，儘可能多地恢復其他負荷，即實現恢復供電收益最大。基於此目標的不同，兩者劃分所要考慮的條件不同:①輸電網孤島要求每個孤島內機組歸屬於同一同調機群，以保證孤島系統運行的動態穩定性，而DG多為逆變型電源，調節及控制方便，故配電網孤島無同調要求，可以靈活配置;②基於負荷損失最小的目標，輸電網孤島要求任一負荷在沒被切除之前，至少有一個電源與之相連，即連通性要求，而DG容量一般比較小，難以實現失電區域整體供電恢復，所以配電網孤島沒有這一要求，但為了充分發揮在電網失電之後DG出力的最大效用，配電網孤島需計及負荷的重要性及可控性。其次，輸電網孤島一般要求電網是環網結構，而配電網孤島要求電網是放射性結構。

含有大量可再生能源併網的現代互聯輸電網/配電網一般均規模龐大，接線形式非常複雜，跨越地域遼闊，在實現最優能源傳輸及分配的同時，也蘊含著重大事故發生的隱患。在重大事故發生時，如何J決速有效地確定最佳電力孤島，實現故障隔離，儘可能減少停電範圍，儘可能發揮具有獨立發電能力的可再生能源的作用以提高供電可靠性，智慧型配電網來說均是函待解決的一個難題。

研究現狀及存在的問題

電網的孤島運行模式是電網在事故情況下的一種特殊運行方式，孤島將電網分成多個獨立穩定的板塊，以避免局部事故擴散從而引發大規模的停電災難。電力孤島的形成應充分考慮孤島內DG的容量約束、孤島的電氣安全約束、總負荷恢復量，孤島網路損耗等，實質上是一個多約束條件的目標最佳化問題。對此，國內外專家學者進行諸多研究，也取得了一定成果。現有關於孤島問題的研究包括孤島運行的可行性和孤島運行控制研究孤島運行對配電系統供電運行可靠性的影響、孤島形成或孤島劃分算法的研究。其中孤島生成算法的研究較多，縱觀此類文獻，其思路主要可以分為以下三類:

其一，形成孤島時僅僅考慮孤島內功率約束，其代表方法是基於有根樹的啟發式搜尋方法，以DG為根節點逐漸向外融合負荷，融合過程不考慮負荷的可控性，若負荷滿足DG容量約束就將其納入孤島，不滿足則捨棄;此類具有算法模型簡單、易於實現等優點，但不足之處是未考慮實際中負荷的可控性以及聯絡開關的影響。文獻「28]以饋線上的饋線終端單元(feeder terminal units, FTU)的分段斷路器為節點，以相鄰節點之間的元件為邊形成配電網的簡化模型，該簡化模型下，輸電線路、變壓器、母線等元件被劃分到負荷單元或源點單元中。從每個源點開始進行孤島擴大操作，該算法能在較短的時間內得到可行的孤島方案，但該算法不能保證對低級負荷的供電恢復。文獻[根據配電網輻射狀結構的特點，提出利用具有層次特性的根數對含分散式發電的孤島形成問題進行建模，利用節點賦權和邊賦權根數進行深度優先搜尋，確定孤島的範圍，該文中採用了層次和自上而下的搜尋方向後，孤島搜尋的複雜度大大的減小了，仿真結果也表明了算法的有效性。

其二，孤島形成算法中不僅考慮了功率平衡，還顧及負荷優先權和可控性。代表方法是基於樹背包問題的圖論算法，該類算法一般採用動態規划算法和分支定界法，邊搜尋邊調節，不斷修正使得最終的孤島最優。此類算法的模型精度和算法複雜度都符合輻射狀孤島劃分要求，但也未考慮饋線之間聯絡開關的影響。一種基於樹背包問題的含分散式發電配電系統最優孤島劃分新模型;在孤島形成過程中全面考慮了負荷的優先權、可控性、功率平衡約束，將配電網中含有多個DG的孤島劃分問題分解為多個樹背包問題，然後使用動態規划算法進行求解，再進行孤島合併(若可以)，最後對孤島的可行性進行校驗。該算法計算時間複雜度低，具有很強的理論基礎，具有恢復負荷多、孤島網損小等優點，但不足的是形成孤島時需要逐個檢驗負荷節點是否應該加入孤島。考慮了負荷的優先權和可控性，直接在失電區直接形成一個包含所有的DG的孤島，然後再根據孤島內功率平衡約束調整負荷，其中向孤島中加入負荷時候優先加入不可控負荷，減負荷時優先切除不可控負荷，該算法形成的孤島較大，造成較大的網損。

其三，全面考慮功率平衡、負荷的優先權和可控性、孤島個數、聯絡開關的影響。

代表方法是基於Prim算法的連通圖搜尋方法，此類算法將考慮聯絡開關的孤島劃分問題轉化為求取連通圖的最小生成樹，對前面兩類算法進行了補充和完善，與實際系統更加吻合，實用性明顯增強，但存在難以保障孤島功率差額最小，無法充分利用分散式能源。]首先為網路中的節點和支路賦權以建立配電網的帶權重的連通圖模型，將孤島的劃分問題轉換為在連通圖中尋找最小生成樹問題，採用改進的克魯斯卡爾算法確定最優孤島範圍。將孤島劃分問題轉化為求取連通圖的最小生成樹問題，但不同的是該文採用改進的普里姆算法來搜尋孤島，該算法能夠適應配電網的環網結構，有利於配網故障恢復後孤島運行模式和併網模式快速切換。

分散式電源的孤島運行

DG的引入滿足了負荷日益增長的供電需求，減少了環境污染，提高了能源的綜合利用率，但同時也使得原先單電源輻射狀的配電網路變成了多源網路，線路潮流和網路結構發生了根本性的改變，導致了繼電保護裝置誤動，使配電網的運行和保護更加複雜，所以最初的IEEE Std 929-2000規定含DG的配電系統應儘量防止產生電力孤島，這就不利於提高分散式能源的利用率，也不能降低用戶的平均停電時間，在一定程度上破壞了DG發電商的利益。隨著分散式發電技術的日趨成熟，IEEE Std 1547-2003標準允許並鼓勵供電方和用戶儘可能通過技術手段實現孤島運行，並在經濟方面達成共識。後來IEEE又修訂了該標準，並於2011年頒布了IEEE Std 1547-2011，該標準己成為一系列包含系統可靠性、系統保護、系統通信、安全標準、電能質量等DG與電力系統互聯的規定。

孤島運行分為計畫孤島(intentional islanding)和非計畫孤島(unintentional islanding) .計畫孤島是根據本地負荷大小和分散式發電容量事先確定孤島的範圍和孤島的運行控制方式，與大電網斷開後能夠穩定運行。計畫孤島是一種很好的故障處理方式，通過對其有效控制和合理規劃可避免DG對電力系統安全穩定的不利影響，可以使電力系統更加高效可靠的運行，計畫孤島運行作為一種提高供電可靠性的有效方式越來越受到關注和青睞，實際電網中往往形成計畫孤島。

含不同類型DG的配電網孤島劃分原則

DG須具備以下條件才能單獨供電，稱之為可靠性DG:①電源輸出的功率穩定且大小可以調節;②有綜合控制策略來維持該區域的電壓和頻率的穩定;③具備一定的通信能力，在其單獨對某一區域進行供電時，採集點將系統實時的電壓、頻率和負荷變化等信息傳回DG , DG根據這些信息採用相應的控制策略，維持該區域電壓和頻率的穩定。

可靠性DG主要包括燃料電池、微型燃氣輪機、配置儲能裝置的風能發電及光伏發電等。

一般的風能發電及光伏發電，由於其出力波動極大且很難進行調節，為非可靠性DG，需與可靠性DG一起對一個負荷區域聯合供電。

因此，含DG的配電網在進行孤島劃分時需考慮以下幾個原則。

1)重要負荷優先供給原則。在系統發生故障時，重要負荷優先得到供電恢復。因此，在孤島劃分時應首先將一、二級負荷劃入孤島內。

2)最大負荷原則。在滿足島內總負荷不超過DG發電容量的前提下，為提高系統的供電可靠性，減少負荷失電量，充分發揮DG的作用，應將儘可能多的負荷併入孤島內。

3)孤島備用原則。當DG孤島運行時，由於沒有大網作為依託對島內的頻率和電壓進行調節，因此需要部分機組具備一定的調節能力以應對可能出現的削峰填谷、平滑功率、調峰調頻等情況。

4)聯合供電原則。根據DG單獨供電的要求，需要避免出現非可靠的DG獨自供給區域負荷的情況，使劃分後的每個孤島都能安全可靠的運行。

基於功率樹的孤島劃分法

1. 以功率最大的 DG 為根節點建立功率樹，結合連通性約束和放射性約束用隱枚舉法在不考慮網損的情況下進行最佳化求解獲得初始劃分方案，然後在計及網損條件下通過對每個孤島進行靜態生存性約束校驗來修正恢復供電的負荷量，從而得到最終的孤島劃分方案。
   
2. 分別以 DG 為中心，通過功率圓遍歷的方法確定恢復等值有效負荷最大的孤島方案。但當 DG 較多時，以不同 DG 為中心的功率圓會存在相互重疊的可能，相交區域內負荷的不同歸屬判定將會得到不同的孤島劃分方案。
   
3. 分別利用基於樹背包理論的分支定界算法和深度優先動態規划算法，並採用“搜尋+校核”策略，實現了最優孤島的劃分，其孤島劃分的最優性具有較強的理論支撐。
   
4. 從 DG 最優源點開始，根據節點電壓約束、支路潮流約束與無電磁環網約束，逐條線路擴展供電範圍，當約束條件不能滿足時即完成一個源點的擴展，當所有的源點擴展結束時即完成了孤島劃分,
   

展望

對於配電網孤島劃分，以下問題有必要進一步深化研究。

完善和實用化最優主動解列算法

從前述的大量最優孤島劃分的研究成果中不難看到，利用圖論相關理論求解大電網最優孤島問題己經成為研究的主流和趨勢。其主要原因是最優孤島斷而的搜尋問題可以通過對圖論中一些典型問題，如最小割問題和圖分割問題的擴展進行很好的描述和求解。但是，迄今為比，以各孤島功率差額最小為目標的輸電網孤島中所抽象出的圖論問題並未見諸報導，用於搜尋孤島斷而的策略多為典型圖分割方法與簡單啟發式規則的結合，問題的複雜性往往是NP難題，如何提高其計算速度，需要進一步研究和探索。再者，當前的圖分解方法往往無法保證連通性，均需要進行人工干預才能使連通約束和同調約束得到滿足，導致結果最優性無法保證，最多是次優或次次優，如何減少人工干預而保證解的最優性也是需要深入研究和探索的問題。

完善和實用化最優主動解列模型

當前絕大多數電力孤島的劃分均是基於同調約束、連通約束以及功率平衡約束，此3種約束應該說還只是最優孤島所需滿足的基本約束，它們保證了所形成的孤島子系統的暫態穩定性和系統的靜態安全性。當前的方法並沒更多地計及動態穩定性、電壓穩定性、無功功率平衡等方而的約束。而這些約束也是保證孤島子系統能否安全穩定運行的重要約束，因此也很有必要進一步研究如何計及這些約束，使得最後所得到的所有電力孤島子系統能夠真正地安全穩定運行。

解列時機判定策略研究

為了防比系統大而積停電，主動解列的實施時機同樣關鍵。若時機把握不好，主動解列的實施可能適得其反或效果不好。線上的主動解列時機選擇建立在準確而迅速的暫態穩定性判別的基礎上，因此基於決策樹等方法的解列時機判定方法的研究有待深入。

廣域信息的利用

作為未來廣域系統保護的重要組成部分，主動解列成功發揮效用的關鍵在於相量測量單元(PMU)/WAMS信息的有效利用口〕。如何基於廣域信息而正確且快速地獲得相關的系統解列決策，是一個前景廣闊的研究方向。