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《山东大学》 2007年
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多微网配电系统的分层孤岛运行及保护控制

丁磊  
【摘要】: 地球资源的日渐衰竭、人们对环境的广泛关注、大电网自身存在的种种缺陷以及全球范围内正在进行的电力市场化改革,使得分布式发电(Distributed Generation,DG)技术得到迅速发展。随着分布式电源在配电网中所占的比重越来越高,现有的防孤岛保护暴露出一些不足,如不能充分利用DG的发电能力、易引起共模跳闸、增加对系统备用的要求等。微网和自启动孤岛等计划孤岛作为一种可以充分利用DG发电能力、提高系统供电可靠性的重要运行方式,得到了人们越来越多的关注。 本文的主要研究对象是包含高比重分布式电源的配电网,即包含多个分布式发电孤岛的多微网配电系统。系统中接入了大量的DG和微网后,就可以不再局限于只利用单用户孤岛的效能,还可将多个DG、负荷及微网组合成多用户孤岛,从而将这种有益的孤岛效应进一步扩大,充分发掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。由于孤岛的组合具有不确定性、多样化的特点,在这样一个复杂的系统中,不仅要考虑单个微网的运行方式,还要研究如何确定组合孤岛的范围、孤岛的运行方式、多分布式电源和多微网的共同作用及相互影响。现有的配电网保护和控制方式应当予以改进,来适应多分布式电源的并网和孤岛运行,从而充分发挥分布式电源的积极作用,提高系统的供电质量和安全可靠性。 首先对分布式发电的各种并网运行方式进行了可靠性评估。推导出用于评估DG并网运行方式对供电可靠性影响的数学模型和SAIFI-Island曲线,计算并对比了DG在重合闸、防孤岛保护、孤岛运行等不同运行方式下的供电可靠性指标。分析结果表明,与重合闸相结合的计划孤岛模式能较好地改善供电可靠性。在供电可靠性分析的基础上,根据功率平衡原则、产权关系和电气分布,定义了单元孤岛和组合孤岛,提出了多微网配电系统分层孤岛运行的概念。分层孤岛运行主要指两个层次的孤岛运行,解列时,先解列为组合孤岛,若无法形成组合孤岛或组合孤岛无法稳定运行,则进一步解列为单元孤岛,并利用重合闸恢复失电负荷;恢复时,先在组合孤岛解列点处检同期并网,若无法同期,则进一步解列为单元孤岛,利用重合闸恢复失电负荷,然后在单元孤岛的解列点处检同期并网。分层孤岛运行的优点在于:(1)采用解列形成孤岛的形式,孤岛外的负荷利用重合闸恢复,实现孤岛模式与并网模式间的无缝转换。(2)在运行过程中,综合利用孤岛运行和重合闸来提高孤岛内负荷的供电可靠性,其效果不依赖于孤岛运行的成功率。(3)形成的组合孤岛是最大范围的孤岛运行,充分利用了DG的发电能力。 单元孤岛的划分比较简单,而组合孤岛则具有多样性和不确定性,其划分的策略空间随着系统的规模指数级增长,求解极其困难。根据配电网辐射状结构及自上而下进行故障恢复的特点,在组合孤岛的搜索问题中加入了在配电网末端形成孤岛的约束,提出利用具有层次特性的根树对组合孤岛划分问题建模。利用根树自上而下的层次结构模拟辐射状配电网故障恢复的顺序,也可以模拟断路器从系统侧依次断开、寻找功率平衡区域的过程。在规划阶段和在线决策时,分别利用节点赋权根树和边赋权根树进行深度优先搜索,确定多用户孤岛的范围。加入了层次和搜索方向等启发式信息后,搜索的复杂度由指数级减小为线性级,DG孤岛搜索从NP-hard问题转化成P类问题。基于有根树的分布式发电孤岛搜索方法的主要特点有:(1)在配电网末端形成孤岛,可与重合闸结合使用,提高供电可靠性,也便于故障恢复。(2)在非故障区域内形成最大范围的孤岛运行,减小停电面积。(3)算法具有线性复杂度,适用于实时决策。 多微网配电系统的保护策略需要适应并网运行、组合孤岛运行、单元孤岛运行等不同模式,涵盖孤岛内外的各种电气元件。为此,将扩展纵联比较原理和MAS结构应用于多微网配电系统,提出了三层次的多微网配电系统保护策略。第一个层次即本地保护,保护Agent完全基于本地信息量,完成传统保护功能。第二个层次即区域保护,局部范围内的保护Agent采用完全分布式的模式交换信息,在快速主保护和后备保护区域内应用方向纵联比较原理。快速主保护中,保护Agent只与其相邻的保护Agent交换信息,完成自身所在元件的主保护。区域后备保护在快速主保护无法判断故障区域时启动,范围覆盖相邻Agent所在的元件,其选择性依靠广域信息来保证,可以较好地解决信息缺失和弱馈侧保护的问题。第三个层次,由中心单元收集各保护Agent的动作信息,来完成集中式的全局后备保护。三层次保护策略的特点主要包括:(1)保护定值和保护特性均与配电网运行方式、被保护元件在孤岛内外、孤岛并网与否无关,能很好地适应并网模式和孤岛模式下配电网线路、母线和变压器等元件的保护,实现并网模式与孤岛模式间的无缝转换。(2)可以较好地解决DG侧的弱馈保护问题。(3)具有退化功能、本地后备和全局后备,可以较好地解决信息缺失和IED故障问题。 提出了一种实现分层孤岛运行的分层分布式控制系统,控制系统的层次对应于孤岛运行的层次,第一层是cell层,包括DG和负荷控制单元及单元孤岛控制单元CMGA;第二层是组合孤岛控制单元AICA;第三层为配电网调度中心DNO。CMGA控制单元微网的运行,AICA控制组合孤岛的运行,DNO则管理下级所有的CMGA和AICA单元。各控制Agent通过高速通信系统交换信息,完成如下功能:(1)分层孤岛解列。(2)实时减载。充分利用配电网中DG孤岛的特点,通过监测并网联络线的稳态功率变化计算孤岛内的功率不平衡,实现实时减载,使孤岛尽快达到稳定运行。(3)再同步与重合闸等功能。将再同步与重合闸相结合,实现失电负荷的快速自动恢复。为了保证控制系统的可靠性,上述功能均采用两种模式实现。一种是集中式决策,由中央控制单元DNO综合全局信息做出判断,并下发各本地控制Agent执行;另一种是就地决策,即孤岛的控制单元CMGA和AICA根据本地的信息量做出判断,并上报中央控制单元DNO,若延时等待得不到DNO的反馈时,根据就地决策的结果采取措施。 开发了分布式发电并网评估专家系统——“分散电源并网辅助决策系统DSSDP”。DSSDP基于实际系统的仿真结果,将分布式电源并网的各项指标量化,在统一的仿真数据库及决策数据库平台上,对DG并网对系统的各种影响进行分析评估,实现并网点选择、设备校验、保护选配等功能。DSSDP采用了专家系统的设计思想,利用规则推理和事例推理来完成保护整定、设备选型和保护选配等功能,提高了辅助决策系统的智能化和实用性。 通过对多微网配电系统分层孤岛运行方式、组合孤岛范围确定、保护和控制策略的研究,拓展了微网概念,进一步扩大了有益的孤岛效应。由此,可以在不降低系统的供电质量、运行安全可靠性的基础上,增加分布式电源在系统中的比重,充分发掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。
【学位授予单位】:

知网文化
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1 丁磊;多微网配电系统的分层孤岛运行及保护控制[D];山东大学;2007年
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