智能配网的故障自愈控制及计算分析

摘 要：智能配电网自愈控制是智能电网最重要的特征，是解决中国配电网长期以来存在的设备利用率低、供电可靠性低、线损率高等关键问题的核心技术。通过介绍智能配电网自愈控制技术的涵义与特征，特别是自愈控制目标和数学模型，并采用模拟退火算法来对配电网线路故障进行自愈控制，并利用简单配电网络对该算法在配电网线路故障自愈恢复的有效性进行验证。

关键词：智能配网；故障自愈；自愈控制

1 引言

随着经济社会的发展，电力需求急剧上升，电能质量和供电可靠性要求越来越高。而智能配电网是实现供电系统安全稳定、优质可靠、经济环保的未来配电网发展方向，具有融合、优化、分布、协调、互动、自愈等特征，所以具有自愈特征的智能配电网受到了广泛的关注和重视[1]。

智能配电网通过不同层次和区域的技术经济优化的控制手段与策略，及时检测系统故障或对不安全状态预警，在不影响用户供电质量或在将其影响降低到最小的情况下进行相应的决策和操作，实现配电网在不同状态下的安全、可靠与经济运行[2-3]。

本文对智能配电网的自愈控制框架、数学模型进行介绍分析，采用模拟退火算法来对配电网线路故障进行自愈控制计算研究，然后验证了该算法在实现配电网故障自愈方面的有效性，旨在能为相关工程技术领域的科研人员提供参考，并推动智能配电网自愈控制技术的研究、发展与工程应用。

2 配电网自愈控制概述

2.1智能配网自愈控制系统框架

智能配网自愈控制的目标主要是在满足系统安全稳定约束的前提下优化系统运行状态，所在控制区域发生故障时应快速切除故障并确定故障类型与故障位置，并通过网络重构和快速抢修尽快恢复供电。智能配网自愈控制需要将调度系统、继电保护、测量控制装置、通信网络等有序组织， 形成整体框架， 各部分之间协调工作。

图1 智能配网自愈控制系统框架

2.2自愈控制的数学模型

自愈控制是一个大规模、多目标、非线性的组合优化问题，必须综合考虑计算开关闭合次数、线路负荷裕度、失去负荷的恢复数量、电网络约束、客户优先等级等因素。自愈控制的数学模型包括自愈目标和约束条件[4-6]。

A配电网自愈控制的目标函数

1、失电负荷最小

其中：λi以为负荷的比重系数，li、s为未恢复供电的母线所带的负荷和母线数。

2、系统有功损耗最小

其中：r为支线i的线路电阻；n为线路支线总数；Vi为支路i的节点电压幅值；Pi为支路i的有功功率；Qi为支路i的无功功率；ki为开关的状态变量。

3、开关操作次数最小

其中：m为分段开关的数量；n为联络开关的数量；ci为分段开关的闭合变化状态，1表示保持闭合，0表示由闭合变为打开；oi为联络开关闭合变化状态，l表示由打开变为闭合，0表示保持打开。

B配电网自愈控制的约束条件

在故障自愈控制的数学模型中，约束条件包括不等式约束方程、等式约束方程和网络拓扑结构约束方程。潮流计算属于等式约束条件，在求目标函数计算潮流时自动满足，不等式约束包括支路容量约束和节点电压约束。

1、潮流约束方程

式中：A为节点支路关联矩阵，P为馈线潮流矢量，D为负荷需求矢量。

2、馈线容量的约束方程

式中：Sj和Sjmax分别为第j条支路上流过的功率计算值和允许的最大传输功率值。

3、线路电流约束方程

式中：Iij和Iijmax分别为支路ij上流过的电流计算值和支路允许的最大传输电流值。

4、节点电压约束方程

式中：Vjmin为节点j电压的有效值的上限；Vjmax为节点j电压的有效值的下限。

2.3智能配电网故障自愈算法

本文主要采用模拟退火算法，根据考虑计算开关闭合次数、失去负荷的恢复数量、电网络约束、客户优先等级条件下，在自愈控制初始条件下，首先以最短的时间恢复供电，然后再考虑优化结果，并最终趋于全局最优。

配电网一般都是开环运行的网状结构，每段线路都含有许多联络开关以及分段开关，并且都拥有多条供电路径，方便线路发生故障后及时恢复。利用模拟退火算法对配网故障进行计算，需要多次的进行开关交换操作，但可以减少网损，所以开始时要对开关进行分类， 包括1类：可以随意进行开闭操作的开关；2类：不能打开的开关；3类：必须保持断开状态的故障线路上的开关；4类：形成微网孤岛运行后断开的开关，其算法流程有：

（1） 计算开始，寻找所有配电网络的失电区域，统计失电区域的总失电负荷。

（2） 对是否存在分布式电源进行判断。若有，则根据类型确定能否构成微网。若没有，则切除；若能微网运行，以分布式电源为根节点，找到相应的网络开关并断开，标记为4类，然后组成孤岛运行，若失电区域恢复供电，则退出算法计算程序。

（3） 如果没有分布式电源，仍存在未恢复供电负荷，则统计不属于分类3和分类4的联络开关数n，若n为0，表示此失电负荷不存在自愈的路径，算法结束，退出程序。

（4） 若n不为0，则闭合从n个中随机选择的一个开关。

（5） 对是否还有失电负荷进行再判断，若有，则再次统计不属于分类3和分类4的联络开关数n，若n不等于0，转到步骤4，反复计算直至没有失电区域或n为0，然后进入模拟退火程序中。

（6） 随意断开一个联络开关，然后断开环网网络中随意不属于分类2的分段开关，验证潮流和电压值是否收敛和越限，若满足条件，将两个开关恢复闭合状态，再一次执行步骤6。

（7） 计算潮流及目标函数值变化，若出现较小值，则接受这种网络结构，否则判断判据是否成立，若成立则接受新值，否则不接受。然后转到步骤6，直到支路开关交换数达到最大支路交换数目。

（8） 输出最优的网络结构和未故障自愈的区域及相应损失的负荷。

3 典型配网系统故障自愈计算分析

如图2所示某简单系统网络接线图，采用一个包含1个变压器，12个分段开关，2个联络开关的13节点的弱环配电网络为例，分析该算法是否能够使失电区恢复供电，相应的支路参数与负荷参数列于表1。

图2 简单配电网络接线图

当简单网络的F1位置发生故障，支路5的开关的保护动作断开，此时母线6、7、8、9、10停电，利用配网故障自愈控制恢复失去负荷母线供电，其控制过程如表2所示。

通过对简单单源配网系统的计算分析表明，不管配电网络结构、故障发生地点，同时发生故障的次数，只要失电区域存在供电恢复的路径，可以通过故障自愈程序恢复非故障负荷的供电，并且可以同时优化配电网的网络结构。

4 结束语

配电网是电力系统的重要组成部分，并且直接的面向用户，是保证供电质量、提高电网运行效率的重要环节，因此建设智能配电网发展已成为必然趋势，而配电网的故障自愈控制是智能化电网的关键技术之一。本文介绍智能配电网自愈控制技术的涵义与特征，特别是自愈控制目标和数学模型，并采用模拟退火算法来实现配电网的故障自愈，并采用模拟退火算法来对配电网线路故障进行自愈控制，并分别利用简单配电网络和复杂配电网络对该算法在配电网线路故障自愈恢复的有效性进行验证。■

参考文献

[1]李兴源，魏巍，王渝红.坚强智能电网发展技术的研究[J].电力系统保护与控制，2009（17）.

[2]王明俊.自愈电网与分布能源[J].电网技术，2007（06）.

[3]郭志忠电网自愈控制方案[J].电力系统自动化，2005（10）.

[4]刘健，毕鹏翔，董海鹏.复杂配电网简化分析与优化[M]北京：中国电力出版社，2002

[5]李大鹏.含分布式电源的智能配电网的故障自愈技术研究[D].天津：天津大学，2011

[6]郭志忠.电网自愈控制方案[J].电力系统自动化，2005，29（10）.