直流配电网故障恢复方法分析

直流配电网故障恢复方法分析

作者：韩玘桓陈羽孙永健史建海

来源：《山东工业技术》2018年第12期

摘要：随着柔性直流输电技术的发展，直流配电技术在配电网中的应用越来越广泛，直流配电线路接入交流配电网以及直流配电线路中接入分布式电源和直流负荷，会提高配电网的供电效率，交直流混合配电网将是未来配电网研究和发展的趋势。因此，本文对交直流混合配电网的故障恢复方法进行研究，通过仿真验证方法的可行性。

关键词：交直流配电网；直流配电线路；仿真

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.12.139

0 引言

配电网中的故障恢复问题，是指配电网故障发生以后，经过故障定位和隔离，将故障排除，然后采用一系列的故障恢复策略，对配电网的联络开关及分段开关进行操作，将失电负荷转移到其他馈线或其他供电区域进行供电，快速有效的寻找到非故障区断的最佳恢复供电路径，完成配电网故障恢复的任务。配电网故障恢复是一个多目标、多维数、多约束、多时段非线性的组态优化问题，是配电网故障自愈中的重要一环[1]。

传统的交流配电网故障恢复问题是在系统允许的操作条件及电气约束下，利用网络重构将停电区域的失电负荷转供到正常供电线路上，恢复非故障区段的供电。实际上，配电网调度员不仅需要快速有效的恢复供电，而且需要考虑开关操作寿命及有限的人力资源，要求开关操作次数尽量少。

目前国内外对故障恢复策略的研究主要针对交流配电网以及含有分布式电源的交流配电网，对含有直流配电线路的故障恢复研究还很少。因此，本文提出含有直流配电线路的配电网故障恢复方法。

1 交流配电网故障恢复

图1是交流配电网的部分线路结构图，图中母线节点处连接4个变电站，图中cs1、cs2、cs3为联络开关，正常运行时处于常开状态；s1-s10为该段线路的分段开关，运行时处于闭合状态。由于配电网具有闭环结构开环运行的特点，所以，开关的运行状态满足配电网运行要求。

根据图1线路结构图，对交流配电网的故障恢复方法进行分析，假设s5-s6区段线路发生永久性故障，需要以下四步进行故障恢复处理：

（1）当线路发生永久性故障后，出线断路器立刻跳闸，系统根据SCADA的报警信息、馈线终端以及互感器采集到的线路信息，定位故障区段并发出指令，断开分段开关s5和s6，隔离故障区段。

（2）故障隔离后，分段开关s5下游s5-cs1区段以及s5-cs2区段负荷失电，其他负荷正常运行。此时，通过改变线路之间的联络开关，将失电负荷转移到其他线路上，恢复非故障区的供电。

（3）对配电网进行网络拓扑结构分析并采集配电网的潮流数据，包括有功功率、无功功率、电压、电流及线路的容量裕度，根据采集到的数据，制定对失电负荷的恢复供电方案，根据线路容量裕度尽可能多的恢复供电。恢复方案可能有多个，进行比较后选出最优方案。s5-cs1区段以及s5-cs2区段失电负荷有两种方案恢复：第一种闭合cs1，利用变电站1供电线路恢复失电负荷；第二种闭合cs2，利用变电站2供电线路恢复失电负荷。

（4）以网损最小为指标进行方案比较。故障恢复后的配电网在满足电压电流等约束条件的基础上，计算两种恢复方案的网络损耗，选取网络损耗低的作为配电网恢复方案，完成故障恢复任务。

2 直流配电网故障恢复

当直流配电网出现故障时，故障处理方式与交流配电网一致，需要经过故障定位和故障隔离来消除故障对系统的影响。但因为直流配电技术的制约，直流断路器无法同交流断路器一样进行消弧，所以故障恢复困难，现阶段的处理方式是将故障点下游的负荷切除，随后恢复直流侧其他负荷供电，这种处理方法可以使直流侧大部分负荷稳定运行，但失电负荷被切除后，无法再进行并网运行，使失电负荷区域处于停电状态，若失电负荷等级较高，对社会的影响是无法预料的。这里，本文提出利用直流配电网中分布式电源进行孤岛运行，恢复直流侧失电负荷。

3 目标函数和约束条件

故障恢复的数学模型主要包括两方面：目标函数与约束条件。其中，故障恢复的目标函数主要是系统网络损耗最小、最大限度地恢复失电负荷量、开关动作次数最少、各馈线负荷均衡等。约束条件通常包括：辐射状运行的网络约束、电压约束、支路容量约束等。

本文以系统网络损耗最小为目标函数：

式中：M为配电网中的支路总数；为支路j的末端电压；为支路j的电阻量；、分别为流过支路j的有功功率和无功功率；表示支路j上开关的状态，断开为0、闭合为1。

4 仿真验证

本文利用DIgSILENT/PowerFactory软件对改进的IEEE 123节点进行仿真。

对于含有DG的交直流混合配电网故障恢复，假设改进的IEEE 123节点配电系统中交流侧线路18-21处发生永久性故障，按本文算法与策略进行故障恢复。在保护动作隔离故障后，配电网中的分布式电源、储能电池因故障切除，恢复时将其视为恒定电流源，输出稳定的有功功率。故障恢复前后的配电网参数及恢复结果见表1。

假设改进的IEEE 123节点配电系统中直流侧线路60-620处发生永久性故障，可将负荷62-66与风机1、风机2、光伏1组成计划孤岛，一旦线路60-620或其上游线路出现故障导致负荷62-66停止供电，便可启动孤岛运行模式，故障恢复前后的配电网参数及恢复结果见表2。

直流侧故障时，考虑计划孤岛运行，风机1、风机2和光伏1恒定输出2000kW的功率，所以，利用分布式电源与负荷62-66组成孤岛，恢复负荷62-66的供电。

5 总结

本文主要利用DIgSILENT/powerfacotoy软件进行交流侧和直流侧的故障恢复仿真及验证，主要提出了交流侧的故障恢复策略，根据场景中线路的开关状态，有功功率，无功功率，电压计算目标函数值，通过比较目标函数值选择最优策略。其次，提出了直流侧的故障恢复考虑，充分利用分布式电源的优势，对负荷等级高的直流负荷采用计划孤岛进行故障恢复。

参考文献：

[1]葛亮.含分布式电源的配电网故障恢复研究[D].天津大学，2008.

[2]郑朝明.配电网故障恢复系统的研究[D].华北电力大学，2002.

[3]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，34（02）：10-14.

[4]王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32（20）：1-4.

[5]黄弦超.含分布式电源的配电网故障恢复模型[J].电力系统保护与控制，2011，39（11）：52-55.

[6]张智慧，邰能灵.含分布式电源的配电网故障智能恢复方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（14）：79-85.