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分布式配电网连锁故障快速自愈控制方法

2024-12-04 98 上传者：管理员

摘要：研究分布式配电网连锁故障快速自愈控制方法，通过计算故障前后各条线路的有向电气介数，确定分布式配电网连锁故障脆弱线路集合，采用基于图论的Warshall-Floyd算法确定电能传输的主要线路集合，实现连锁故障薄弱环节定位，采用组合赋权方式计算薄弱环节各节点重要度，在满足各约束条件下构建孤岛，实现分布式配电网的自愈控制。实验结果表明，该方法可有效识别出分布式配电网连锁故障中的薄弱线路集合；并通过构建4个孤岛实现故障区域的隔离，确保关键负荷的电力持续供应，达到快速自愈的目的。

关键词：
Warshall-Floyd算法
分布式配电网
能源利用
自愈控制
连锁故障
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分布式配电网在提高能源利用效率和供电可靠性的同时，增加了电网的复杂性和不确定性[1]。一旦发生连锁故障，严重时可能会引发大面积停电事故[2]。自愈控制是一种应用于电力系统中的智能控制技术[3]，旨在减少人工干预，加速故障恢复，并增强供电的连续性和可靠性。因此，研究分布式配电网连锁故障的快速自愈控制方法，对提高配电网的可靠性和抗风险能力意义重大[4-5]。

黄牧涛等通过event-wise模糊集处理风力发电的不确定性，并结合网损最小化目标优化故障恢复策略。该方法依赖历史数据和预设模糊集，难以全面应对实时变化和极端情况[6]。黎寿涛等人运用故障链聚类算法挖掘电网历史故障数据，但是故障链聚类算法在适应复杂电网结构和实时运行条件时存在局限性[7]。罗楚楠等人采用加权潮流熵方法分析配电网脆弱线路。但该方法对计算能力的高要求，限制了其在紧急情况下的快速响应能力[8]。张帆等将失电区域视为微电网模型，通过功率圆界定分布式电源的供电范围，以实现最小化负荷损失。但是该方法忽略了负荷节点的重要度，可能会导致无法及时恢复关键负荷的供电[9]。

鉴于以上方法存在的不足，提出分布式配电网连锁故障快速自愈控制方法，通过对连锁故障下配电网薄弱环节进行定位，识别出可能引发连锁故障的关键节点和区域。评估输电薄弱断面中的节点的重要度，确定其在电网中的关键作用和影响力。根据节点重要度评估结果，采用孤岛划分自愈控制策略，优先保证重要节点的电力供应，从而提高分布式配电网的稳定性和抗风险能力。

1、分布式配电网连锁故障自愈控制

1.1分布式配电网连锁故障薄弱环节定位

有向电气介数是一个量化指标，在计算故障前后各条线路的有向电气介数的基础上[10]，通过查找开断元件两端节点的最短路径，确定分布式配电网连锁故障输电薄弱线路[11-12]。利用式（1）计算故障前每条线路的有向电气介数B:

其中，对于第i台分布式电源，其发电有功功率为PGi，由其给第j个负荷节点供电时，节点j的有功功率为Pij，分散在线路l上的输电功率为Pij(l)；分布式配电网中的全部分布式电源都存在集合G中，全部负荷节点均存在集合D中。分布式配电网输电线路l因故障退出运行，通过式（1）更新其有向电气介数，记作B′，计算其与B的差值，得到故障后输电线路有向电气介数的变化量，即ΔB=B′-B，ΔB表示某次故障后，分布式配送网中哪些部分的电气特性发生了显著变化。通过式（2）确定分布式配电网连锁故障脆弱线路集合。

将输电线路按照B值从高到低进行排序，其值较大的前M条输电线路组成的集合用max(B)M表示。

输电线路l因故障断开后，基于Warshall-Floyd算法确定电能传输的主要线路集合，具体公式为：

其中，LINK表示在故障发生后，电能从电源到负荷最直接、最高效的传输路径。N表示分布式配电网输电线路总量，表示l起止端能够满足电气距离之和最小的路径。

通过式（4）确定分布式配电网连锁故障输电断面关键薄弱线路集合。

1.2薄弱环节节点重要性分析

在分布式配电网中，第i个节点停止运行后[13]，该节点与剩余节点之间的连通度可通过计算剩余每个节点效率的平均值反映，计算公式为：

其中，表示节点j的运行效率。

当分布式配电网发生连锁故障时，随着平均路径长度的持续缩短，分布式配电网的脆弱性会呈现出逐渐增强的趋势。对于第i个节点，其网络凝聚度αi的计算公式为：

其中，将节点i与其直接相连的所有节点合并为一个新的超级节点时，该超级节点的平均路径长度记作LW,i；合并后，网络中的节点总量表示为n;sij表示节点i与节点j之间的最短距离。

对于节点i，其负载重要度可以通过考虑其所承载的一级和二级负荷的占比来计算，公式为：

其中，H表示该节点所带负荷总量；一级负荷是对停电事故扰动最为敏感的负荷，其负荷量表示为；二级负荷虽然对停电也有一定影响，但相对于一级负荷来说，影响较小，其负荷量表示为

在面临连锁故障等外部扰动时，传输效能的稳定程度及其相对于原始状态的变化率被称为传输效能变化率，计算公式为：

其中，分别表示有、无节点开断时分布式配电网的传输效能；ΩN表示分布式配电网中全部节点所在集合，N表示节点总量；q、j节点的电气距离最小值为

确定分布式配电网连锁故障薄弱环节节点重要度评价指标后，分别利用层次分析法和熵权法计算各节点的重要度权重，然后采用组合赋权方式，分析分布式配电网薄弱环节节点的重要性，节点j的重要度wj通过式（10）确定：

其中，uj、vj分别表示通过层次分析法、熵权法计算得到的节点j的重要度权重。

1.3基于节点重要度的孤岛划分自愈控制策略

1.3.1目标函数

对于节点i而言，设定为其等效恢复负荷，该节点的重要度计算结果表示为wi；其供电状态通过变量γik表示，当γik=1时，表示节点i处于正常供电状态；当γik=0时，为断电状态；含分布式电源的孤岛集合表示为ΩDG。对发生连锁故障的分布式配电网进行孤岛划分时，遵循等效恢复负荷最高原则[14-15]，计算公式为：

其中，孤岛中全部节点均处于Γ集合中；变量vik用于判断第k个孤岛中是否包含节点i，当vik=1时，含有节点i；否则不包括。节点i、输电线路ij的开关状态分别为si、cij；对于孤岛k，任意节点的有功输出功率为无功输出功率为，电压值为

1.3.2约束条件

在孤岛运行策略下，应首先满足功率平衡约束条件，计算公式为：

其中，PGi表示每个分布式电源的有功出力；PLj表示每个负荷的有功功率。

孤岛内分布式电源出力约束条件[16]的计算公式为：

其中，表示第i个分布式电源的最大有功出力；表示最大无功出力。

孤岛内节点电压需满足式（14）所述条件：

其中，Vmin、Vmax分别表示第i个节点的最大、最小电压。

孤岛内支路电流应满足式（15）条件：

其中，输电线路ij上能够传输的电流上限表示为

孤岛中各个节点与分布式电源需要保持连通性，即不存在无分布式电源的孤网，计算公式为：

其中，分布式电源均分布在集合D中，η表示连通支路数量，当η(U)=1时，所有节点都是连通的，即它们之间可以通过边相连，形成一个连通图U；反之，节点不是全部连通的，形成一个非连通图U0。

2、实验分析

为验证研究方法在分布式配电网连锁故障快速自愈控制方面的有效性，构建一个具有图1所示拓扑结构的分布式配电网仿真实验环境，仿真环境中包含9个分布式电源，其容量和接入点信息如表1所示。

图1分布式配电网拓扑结构图

关键输电断面的准确定位是实现分布式配电网连锁故障自愈控制的前提，利用Maltab软件工具，对一个包含37个节点的配电系统中由过载引发的连锁故障进行模拟。在模拟过程中，过载故障触发了保护装置的即时响应，导致16-17号输电线路被迫断开。然后对该输电断面中的节点进行重要度评估，结果如图2所示。

表1分布式电源参数信息表

图2节点重要度评估结果

分析图2可知，节点10、15、19、23和25相较于其他节点具有更高的重要性，表明上述节点为分布式配电网中的关键负荷节点，其稳定运行对维护整个配电网的安全性和可靠性至关重要。因此，在故障发生时，应采取自愈控制策略，将这些关键节点划分到孤岛中，以隔离故障区域，孤岛划分结果如图3所示。

图3分布式配电网孤岛划分结果

分析图3得出，该方法通过识别配电网中的薄弱环节和关键节点，实现了高效的孤岛划分策略，确保重要节点在故障期间的电力供应不受影响，表明提出的自愈控制策略具有有效性和实用性。

3、结论

研究旨在探索分布式配电网连锁故障的快速自愈控制策略，通过精准定位分布式配电网连锁故障的薄弱环节，并识别配电网中的潜在风险点，为提前采取预防措施或故障发生后迅速恢复电能提供科学依据，有效减少连锁故障的发生频率及其影响范围，提升配电网的整体稳定性和可靠性。

参考文献:

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基金资助:国网宁夏电力有限公司科技项目(5229JY230003);

文章来源:陈林峰.分布式配电网连锁故障快速自愈控制方法[J].电子设计工程,2024,32(23):173-176+181.

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