考慮最大供電能力的鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)自愈系統(tǒng)設(shè)計

李科，許長清，馬杰，孫義豪，郭新志

（國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南鄭州 450052）

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸趨于復(fù)雜，大功率電器的使用加劇電網(wǎng)故障問題的產(chǎn)生。人力修復(fù)無法滿足當(dāng)前需求，因此發(fā)展智能化的電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]通過JADE 模型代理開發(fā)平臺結(jié)合電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)研究自愈評估策略，在配電自動化裝置的基礎(chǔ)上建立多層控制代理系統(tǒng)通過模型，對電網(wǎng)故障進(jìn)行信息采集和故障控制，但該方法沒有考慮普通電網(wǎng)設(shè)施的條件限制。文獻(xiàn)[2]通過分析電網(wǎng)分段功能特征，將供電系統(tǒng)分段劃分為子單元構(gòu)建自愈系統(tǒng)，找出每個單元的薄弱環(huán)節(jié)作為電網(wǎng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電路負(fù)荷并控制電路閘門，及時切斷故障電路，但該方法缺乏配套的自愈程序修復(fù)故障問題。文中在充分考慮鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)最大供電能力的基礎(chǔ)上，設(shè)計鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)故障自愈系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

基于供電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計自愈系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括故障監(jiān)測傳感設(shè)備、供電斷路器、故障保護(hù)設(shè)備等[3-4]。根據(jù)鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)基本的供電情況安裝電路檢測傳感器，實(shí)時監(jiān)測接收整個電網(wǎng)區(qū)域的電路運(yùn)行信息，將數(shù)據(jù)傳輸至管理控制中心服務(wù)器中，使工作人員能實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，對出現(xiàn)的故障及時預(yù)警，判斷并識別故障位置，處理電路問題[5]。

供電斷路器發(fā)現(xiàn)故障情況后，根據(jù)系統(tǒng)指令識別出的故障位置，及時切斷該電路與其他電路之間的聯(lián)系，調(diào)整到其他電路代替運(yùn)行，防止故障電路影響整體電網(wǎng)運(yùn)行狀況。在鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)中斷路器處于局部電路閉合開環(huán)點(diǎn)，斷路器位置安排和線路結(jié)構(gòu)與故障保護(hù)設(shè)備和自愈系統(tǒng)裝置相匹配。斷路器切斷故障線路后，故障保護(hù)設(shè)備及時啟動保護(hù)相關(guān)電路，維護(hù)電路運(yùn)行通暢，保障電壓電流平穩(wěn)，是防止電網(wǎng)大規(guī)模癱瘓的重要防線[6-7]。

1.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)層次從上至下主要分為信息檢測層、故障保護(hù)層、自愈控制層。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

信息監(jiān)測層主要通過故障檢測傳感設(shè)備對電網(wǎng)各部分的電路運(yùn)行狀況實(shí)時監(jiān)測，識別并分析故障位置和類型，及時將信息傳給系統(tǒng)控制中心。在故障檢測系統(tǒng)預(yù)警后，對應(yīng)區(qū)域的故障保護(hù)設(shè)施迅速做出應(yīng)急反應(yīng)，及時切斷出現(xiàn)故障的電路，并保護(hù)相關(guān)電路，通過控制供電斷路器轉(zhuǎn)換電路途徑，保護(hù)區(qū)域電路狀態(tài)穩(wěn)定[8-9]。自愈控制層根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒎治雠袛喙收项愋妥龀鲰憫?yīng)，采用適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施診治故障問題，修復(fù)后繼續(xù)檢測線路是否正常，確保電路基本運(yùn)行安全[10-11]。

1.3 系統(tǒng)自愈結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)故障自愈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分三個層次，從下至上依次是電路設(shè)備代理、電路母線代理、控制中心代理。系統(tǒng)自愈結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)自愈結(jié)構(gòu)

電路設(shè)備代理層主要控制線路開關(guān)、分布式能源代理、負(fù)荷代理、饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)等設(shè)備，負(fù)責(zé)鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)最微觀層面的線路運(yùn)行與管理，也是鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)故障問題的主要感應(yīng)層面。母線代理主要負(fù)責(zé)管理控制每個母線的分支信息流，將信息實(shí)時傳遞給控制中心，相當(dāng)于電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的分區(qū)代理控制中心。控制中心代理層負(fù)責(zé)總覽全局恢復(fù)故障問題，根據(jù)母線代理中心反饋的信息采取適當(dāng)措施，對故障部分及時整治修復(fù)[12]。這種分層結(jié)構(gòu)適用于鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)系統(tǒng)，使整個自愈系統(tǒng)處于多元中心總體控制的良性結(jié)構(gòu)中。

2 程序設(shè)計

2.1 信息采集程序設(shè)計

修復(fù)鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)故障時，首先采集故障問題信息。通過系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中監(jiān)測傳感設(shè)備對故障所在區(qū)域的位置信息、故障類型、影響程度等情況監(jiān)測識別。同時考慮電網(wǎng)的最大供電能力，對整個故障區(qū)域中最大電壓的線路采集信息，根據(jù)收集到的電路信息控制變電站操控電路電壓，控制斷路器切斷故障區(qū)域電路。系統(tǒng)控制中心發(fā)布指令，通過變電器和斷路器來保證鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)正常運(yùn)行[13]。

考慮電網(wǎng)的最大供電能力需要對系統(tǒng)信息監(jiān)測程序約束控制。設(shè)定線路供電負(fù)荷為Q，則自愈系統(tǒng)電路運(yùn)行模型如式（1）所示：

其中，i、j分別表示鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)上的不同節(jié)點(diǎn)，n、m分別表示線路上總節(jié)點(diǎn)數(shù)和負(fù)荷孤島總數(shù)，α、β表示不同的電路負(fù)荷權(quán)重系數(shù)，f表示該節(jié)點(diǎn)上的電路負(fù)荷值，同時滿足f∈[0,1] 。

根據(jù)最大供電能力條件約束鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)，Cmax表示線路最大供電容量，則線路節(jié)點(diǎn)的電流容量需小于或等于最大容量，即。其中，Ii表示不同節(jié)點(diǎn)接入的電流量。線路最大容量對電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的能力有很大影響，直接約束電網(wǎng)容量能夠更好地配合自愈系統(tǒng)操作運(yùn)行，超過容量將對系統(tǒng)電路造成損害。

為了更具體地控制線路容量，約束線路負(fù)荷，如式（2）所示：

式中，qi表示不同節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷孤島數(shù)，Cq,max表示該節(jié)點(diǎn)孤島可承受的最大容量。由此步驟能夠得到鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)中各個節(jié)點(diǎn)具體的運(yùn)行信息，根據(jù)約束條件識別判斷存在異常的信息數(shù)據(jù)，傳輸給控制中心，將鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)故障信息提供給主系統(tǒng)[14]。

2.2 故障自愈恢復(fù)程序設(shè)計

確定故障位置后，在充分考慮鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)負(fù)荷以及最大供電能力的基礎(chǔ)上，對故障線路單元進(jìn)行信息修正和電路控制。首先計算出故障線路的最大供電能力，如式（3）所示：

其中，NTM 表示最大供電能力，Qi表示故障節(jié)點(diǎn)線路實(shí)際負(fù)荷，E表示故障節(jié)點(diǎn)電力負(fù)荷范圍，F(xiàn)i表示該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷最大增長系數(shù)。根據(jù)該公式計算得到最大供電能力，以此約束修正故障線路，如式（4）所示：

其中，maxP表示故障節(jié)點(diǎn)電力優(yōu)化的最大值，λ為電力的優(yōu)化變量，得到優(yōu)化后的線路電力值。引入權(quán)重系數(shù)K運(yùn)算得到故障節(jié)點(diǎn)修復(fù)正常的電力數(shù)值，如式（5）所示：

其中，L表示電力負(fù)荷的修正參數(shù)，由此計算出正常狀態(tài)下的線路電力運(yùn)行數(shù)值H，再針對運(yùn)算結(jié)果檢驗，如式（6）所示：

檢驗后將所得結(jié)果與計算結(jié)果對比，誤差不超過0.01%即可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果操作變壓器控制電流，穩(wěn)定電流狀態(tài)，修復(fù)故障問題[15-16]。

在自愈過程中，還要考慮故障風(fēng)險等級，如果自愈系統(tǒng)檢測出故障問題過于復(fù)雜，或者屬于硬件設(shè)施故障，難以通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自愈，需要及時通知電網(wǎng)系統(tǒng)控制中心，向工作人員發(fā)出預(yù)警，使其采用其他辦法解決修復(fù)。

3 實(shí)驗研究

實(shí)驗過程中，將基于JADE 平臺的智能配電網(wǎng)自愈系統(tǒng)和高速鐵路智能牽引供電系統(tǒng)的快速自愈重構(gòu)技術(shù)作為文中系統(tǒng)的對比方法，設(shè)計對比實(shí)驗。

設(shè)定實(shí)驗參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗，定位故障位置，供電線路如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗供電線路

鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)中的電流通過線路節(jié)點(diǎn)時，監(jiān)測設(shè)備會采集其信息，計算電路運(yùn)行的基本信息，并反饋給母線代理控制中心，母線代理控制中心接收信息并根據(jù)信息類型傳輸給上一級饋線開關(guān)代理，最終通知到控制中心系統(tǒng)。

設(shè)定最大供電頻率為35 Hz，故障定位準(zhǔn)確率實(shí)驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 故障定位準(zhǔn)確率實(shí)驗結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，文中提出的自愈系統(tǒng)故障定位準(zhǔn)確率可達(dá)到99%，JADE 平臺自愈方法的故障定位準(zhǔn)確率最高為96%，智能自愈方法定位準(zhǔn)確率最高達(dá)到92%。

在檢測到故障時，文中設(shè)計的故障系統(tǒng)中有關(guān)線路的饋線開關(guān)代理都會進(jìn)入故障應(yīng)急狀態(tài)，為后續(xù)故障修復(fù)做準(zhǔn)備。在故障信息傳輸過程中，區(qū)域母線代理會針對故障作出預(yù)警，并向變電器發(fā)出控制請求。電路信息的傳輸呈階段式，因而當(dāng)控制中心接收到故障信息時，根據(jù)發(fā)出故障信號的信息監(jiān)測設(shè)備所處位置，線路可以快速定位故障所在線路區(qū)域，根據(jù)該區(qū)域電流運(yùn)行狀態(tài)判斷是否存在異常的電路區(qū)域，縮小故障范圍，直到故障定位在鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)最小管理單位，因此當(dāng)供電頻率達(dá)到35 Hz時，故障定位準(zhǔn)確率高達(dá)99%[17-18]。

在確定故障位置后，自愈方法啟動自愈策略，自愈速度實(shí)驗結(jié)果如表2 所示。

表2 故障自愈時間

根據(jù)表2 可知，在解決普通故障問題時，三種自愈系統(tǒng)都具有較好的自愈能力，自愈時間低于20 ms，但是在面對特殊故障問題時，對比方法顯現(xiàn)出極大的局限性，自愈時間超過2 000 ms，電網(wǎng)無法正常運(yùn)行，而文中提出的自愈系統(tǒng)自愈時間仍然基本穩(wěn)定在30 ms，具有較強(qiáng)的自愈能力。

4 結(jié)束語

文中在考慮最大供電能力基礎(chǔ)上設(shè)計鏈?zhǔn)焦╇娋€路故障自愈系統(tǒng)，根據(jù)鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)的基本特征，由上至下分層次地設(shè)計系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，便于信息傳輸和故障定位，集中式管理效率更高，減少信息誤差的可能性，提高了故障修復(fù)效率。在故障修復(fù)方面考慮到電網(wǎng)最大供電能力，通過電路負(fù)荷約束條件限制，降低了故障修復(fù)過程中造成的損失。自愈程序計算出故障異常信息，通過自愈系統(tǒng)直接對電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。