電力孤島劃分方法

孤島運行（或獨立子系統運行）是互聯電網和含分散式發電（DG）配電系統的一類特殊運行方式。對於前者而言，及時地將系統解列成多個能夠穩定運行的孤島系統可以避免局部事故擴散引發大面積停電甚至系統崩潰；對於後者而言，靈活、最佳化的孤島運行方式可以提高配電系統供電可靠性，充分發揮分散式能源的潛力。

基本介紹

• 中文名：電力孤島劃分方法
• 外文名：Islanding partition
• 別稱：孤島系統裂解
• 基本釋義：劃分能穩定運行的孤島系統
• 歸屬學科：電力
• 套用：配電系統運行

引言

智慧型電網（智慧型輸電網/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一。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 布 式 電 源 （distribu tedgenerator，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已經在部分地區試執行；隨著該政策的全面執行，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特性；在因輸電系統或配電系統發生故障導致配電系統全面停電的情況下，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，如何快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，對於智慧型輸電網及智慧型配電網來說均是亟待解決的一個難題。

智慧型配電網最優孤島劃分

隨著節能減排壓力的增大，以及 DG 技術的逐漸成熟，配電網中以各種可再生能源為一次能源的DG 越來越多，對配電網的運行方式及管理提出了更高的要求。根據現行規程規定，主網故障後配電網中的所有 DG 必須短時退出運行。但因 DG 具有獨立供電的能力，故障隔離之後，利用 DG 恢復部分重要負荷的供電，將顯著提高系統的供電可靠性。配電網的最優電力孤島應綜合考慮電氣安全約束、負荷總恢復量、網路損耗、負荷可控性等因素。眾多專家學者就如何形成配電網最優孤島進行了廣泛而有益的研究。

常見的孤島劃分可見表：

典型思路	代表方法	基本策略	優勢	缺點
僅考慮功率平衡	基於有根樹的啟發式搜尋方法	以 DG 為中心向外擴展形成孤島方案	模型和算法簡單，易於實現	未考慮負荷可控程度和聯絡開關影響
考慮功率平衡、負荷優先權和可控程度	基於TKP的圖論方法	基於動態規划算法和分枝定界算法，通過“; 搜尋+調整”過程得到最佳化孤島方案	模型精度和算法複雜度皆符合輻射網孤島劃分要求	未考慮聯絡開關影響
考慮功率平衡、孤島個數、聯絡開關影響	基於Prim算法的連通圖搜尋方法	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	考慮了聯絡開關影響	難以保障孤島功率差額最小

智慧型輸電系統最優電力孤島劃分

電力系統的運行狀態越接近極限系統就會越脆弱，而影響電網脆弱性的潛在因素可以分為內部和外部兩類。內部因素包括電網元件故障、保護和控制系統故障、信息系統和通信網路故障以及不充分（或不可靠）的安全評估。外部因素包括自然災害、人的操作錯誤和蓄意破壞等。兩類因素都可能導致災難性的後果和連鎖故障。一個自愈和堅強的電力系統除了能解決地方和區域級別的功率失調和停機故障外，必須能通過各種合理的協調操作和控制措施，吸收和化解各種範圍更廣、更系統化的事故甚至蓄意破壞等對系統的安全穩定性所帶來的影響及衝擊，並將其影響限制在局部範圍之內。這樣，一旦因各種因素使得系統的安全性及穩定性受到潛在或無法避免的巨大破壞時，也可成功應對，避免因系統崩潰所造成的大面積長時間的停電。而在適當時機實施系統可控孤島劃分就是避免系統全面崩潰的重要措施。

關於電力系統孤島相關的研究分為以下兩個方面：

一、被動孤島：通過事先整定的解列裝置實現對系統的孤島被動劃分。

二、最優孤島：根據系統的實時運行狀態及系統故障信息，選擇最優的孤島方案，主動把系統劃分成數個獨立運行的孤島系統。

被動孤島

當互聯繫統受到大幹擾而失去同步時，由失步解列裝置所形成的被動孤島是當前防止系統全面崩潰的最後一道防線及措施。電力工程技術人員通過對系統故障情況的離線仿真得到系統可能的振盪失步斷面，然後將失步解列裝置安裝到這些斷面中的線路上。當系統發生振盪時，失步解列裝置根據就地的量測信息（如電壓、相角）和設定的解列判據判斷系統是否發生了異步振盪及失步中心是否落在裝置所在的線路上，然後確定是否動作將系統解列成若干孤島。如何準確地判定系統的振盪中心位置，如何利用局部信息、先進測量裝置信息（如相量測量單元信息）及系統開關的聯動信息正確地判斷系統是否已失步而實施系統失步解列，是失步解列研究需要關注的重點。

主動孤島

主動孤島與被動孤島的最大區別在於沒有延續“離線整定，線上判斷”的傳統繼電保護動作方式，而是遵循“
實時信息，全局控制”的思路。它根據系統實際運行工況，在保證同調機群在同一子系統、非同調機群彼此之間不連通的前提下，選擇出使各個子系統功率差額最小且能穩定運行的網路孤島運行方案。該策略在消除系統全面崩潰威脅的同時實現切除負荷總量最小，從而將系統瓦解所造成的經濟損失降低到最少。與被動孤島相比較，最優主動孤島得到的電力孤島在系統維護和系統恢複方面具有明顯的優勢：各個子系統運行更加穩定，更不容易出現全面系統崩潰。此外，如果孤島方案設計和操作合理，還可以降低系統恢復的複雜程度，減少總的恢復時間。

智慧型電網最優孤島劃分的發展及問題

對於配電網，由於實際配電系統往往結構複雜，分散式電源分布不均且數量龐大，含 DG 的配電系統孤島劃分問題其實是 一個 NP 難題。從方法學而言，所 提 出 的 方 法 均 屬 於 “搜尋+調整”思路，是考慮到問題的複雜性和實際工程對計算時間的要求所採取的簡化求解策略。對於其中的搜尋問題，可以通過改進相應圖論算法而進一步改善其計算速度和計算精度。而調整過程中的最佳化問題，是一個多變數的最佳化調度問題，需進一步採取先進最佳化技術或理論加以解決。並且從問題的本質來看，應當把搜尋和調整兩個步驟更緊密地結合在一起求解，從而得到更為最佳化的電力孤島劃分方案。再者，基於考慮問題的側重點，當前各種方法的模型所計及的因素並不全面，均沒有考慮配電系統中聯絡開關的作用；如果在模型中計及聯絡開關，配電系統中部分負荷的供電方式將有多種選擇，現有基於放射性樹結構的求解策略將無法直接使用，需研究在此情況下的相應有效求解策略。對於輸電網孤島劃分，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已經成為研究的主流和趨勢。其主要原因是最優孤島斷面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，迄今為止，以各孤島功率差額最小為目標的輸電網孤島中所抽象的圖論問題並未見諸報導，用於搜尋孤島斷面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、無功功率平衡等方面的約束。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

為了防止系統大面積停電，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。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。

結語

實施主動電力孤島措施，對於智慧型輸電網及智慧型配電網的建設而言，均是提高其安全穩定運行水平及供電可靠性的重要措施。該問題是智慧型調度領域中待解決的關鍵問題之一，已逐漸受到工程及科研人員的重視。本文在論述智慧型電網最優孤島劃分問題所要考慮的相關影響因素之後，對該領域國內外相關研究成果進行了全面分析和分類，指出了各種及各類方法的基本內容、優缺點及關鍵問題；進而闡述了該問題的發展趨勢及亟待解決的問題
，為該領域問題的進一步研究奠定了一定的基礎。隨著智慧型電網最優孤島劃分研究的深入及方法的成熟，必將推動智慧型調度及管理技術的發展和提升。因各種故障所導致的大面積停電或供電中斷，儘管不可避免，但在最優孤島技術的幫助下其風險必將明顯降低。從而使得電網的安全性、穩定性及供電可靠性提升到一個新的高度。