雷正新， 韦磊, 韩蓓， 赵新建, 汪可友

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海　200240；2. 江苏省电力公司南京供电公司，江苏　南京　210019)



考虑配电网静态电压稳定裕度的多微网孤岛划分

雷正新1， 韦磊2, 韩蓓1， 赵新建2, 汪可友1

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240；2. 江苏省电力公司南京供电公司，江苏南京210019)

多微网孤岛划分对辅助多微网并离网运行协调控制策略、提高多种运行模式下电压稳定水平具有重要意义。基于戴维南等效的电压稳定裕度，提出一种新孤岛划分方法，利用CIGRE中压网络进行算例分析；结果表明，新划分方法在电压稳定性、负荷保留量等指标均优于传统方法。

电压稳定裕度; 戴维南等效; 孤岛划分; 分布式发电; 多微网

0　引　言

可再生能源以分布式发电或者微网的形式接入电网运行，在取得效益的同时也从各方面影响着传统电网安全运行，如改变系统潮流，造成系统扰动下的功角失稳、电压崩溃等。微网通过其分布式电源与多样性负荷在电网中灵活的构成和运行方式，能够在分布式接入率的同时，作为电网与分布式电源的中间层，通过有效的微网管理逻辑及配网与微网的协调控制体系，弱化甚至消除分布式电源接入对电网运行的风险，充分发挥微网接入下电网灵活高效运行的技术优势。

近年来，包含多微网的配电网研究开始被关注。2011年修订完成的IEEE Std 1547.4TM标准[1]将广义微网定义涵盖到配电网的结构中，典型配网支路中含有多达七种微网。R. H. Lasseter提出由相互耦合的多微网构成的智能配电网结构[2]，C. Marnay 提出具有多层嵌套结构的微网概念[3]。

当多微网的孤岛划分选择重点考虑保持微网内部功率平衡以及重要负荷的供电时，划分问题转化为优化问题，传统解决方式是以等值有效最大负荷为目标函数，建立配电网孤岛划分的模型[4]。另外考虑到设备产权及调度范围等问题，多微网划分经常基于区域微网或其子网种类的不同，例如根据单元微网、区域微网、系统微网等微电网在配电网中自然拓扑属性进行简单分类[5]，以便调度及控制保护策略的实施。为了同时实现配网中多微网孤岛运行区域划分及故障恢复，许多研究从电网拓扑特性的角度出发，基于不同定义下的最短路径和电气连通性，进行配网中多微网的拓扑划分[6]。

本文以提高划分后微网的电压稳定性为目标，研究基于电压稳定裕度[7-8]的孤岛划分方法。本文选择基于戴维南等效的电压稳定指标[9]，参考基于有根树的启发式搜索方法[10]制定功率平衡策略，分别应用基于电气距离、基于电压稳定裕度方式下的孤岛划分方法，对划分后电压质量、区域供电平衡能力等进行对比，得到对比结果，对实际操作中选择合适的划分方法提供理论依据。

1　多微网孤岛划分方法

1.1基于电气距离的孤岛划分

传统基于电气距离的孤岛划分步骤：

(1) 计算电气距离：即计算等效阻抗[11]。

(2) 计算电气耦合连接度[12]并选择源节点：

电气耦合连接度De,i定义：

(1)

其中Zij,equ为节点i,j之间的等效阻抗；N为网络节点总数。

De,i值越大，节点i与其他节点的电气耦合作用就越强，节点i越是电网的脆弱节点。源节点应避免选择脆弱节点，故需要在大容量DG节点中选择De,i最小的若干节点作为源节点。源节点数目视大容量DG数目和网络拓扑结构而定。

(3) 非源节点划分：非源节点选择电气距离最小源节点，并依据连通性原则进行调整。

连通性调整原则：①若从源节点A至末端节点的线路中未接触其他源节点，则此段线路所有非源节点选择源节点A。②两源节点之间节点选择，则源节点，交叉段所有节点选择多的源节点；若双方节点同样多则比较交叉段Zij,equ之和再择小选取。

(4) 功率平衡调整

1.2电压稳定指标

文献[9]提出了一种基于戴维南等值分布式的电压稳定裕度(VSM, Voltage Stability Margin)指标，该方法计算简单且物理意义明确。本论文参考传统基于电气距离的孤岛划分方法，提出基于戴维南等效的电压稳定裕度孤岛划分方法。

1.3基于电压稳定裕度的孤岛划分

(1) 计算基于戴维南等效下的电压稳定裕度SVS。将网络中含有分布式电源节点i视为电压源，计算任意j节点(i≠j)相对i节点的SVS(i,j)。

(2) 选择源节点，令：

(2)

对TSVS(j)集合元素进行大小排序，根据大容量DG数目及网络拓扑结构选择源节点数目，在大容量DG中选择TSVS(j)最大的若干节点作为源节点。

(3) 非源节点划分：非源节点比较其在不同源节点下的SVS，在保证网络连通的前提下选择SVS最大源节点。此处连通性调整原则与基于电气距离划分方式中的原则类似。

(4) 功率平衡调整

1.4功率平衡策略

功率平衡策略将源节点作为孤网电压、无功支撑节点，非源节点作为潮流平衡节点。此策略约束条件由1.4.1节所示。为满足约束条件，先确定需要此策略的源节点集合Spf。执行此策略前所得孤岛源节点的有功出力若超过额定值则执行负荷切除策略，若有功出力小于0则执行DG出力调整策略。

1.4.1约束

(1) 功率平衡

(2) 电压、DG出力上下限：

(3)

其中Ui为节点i处实际电压幅值，Ui,N为节点i处额定电压幅值，PGi,N为DGi的额定有功出力，QGi,max为DGi最大无功出力。

1.4.2负荷切除策略

将源节点j∈Spf所对应的孤网节点集合命名为Gj。Gj中非源节点组成集合Ej，对Ej内节点元素进行排序：对于节点q∈Ej，基于电气距离的划分方法将Zqj,equ大的节点qs,j至于列首，基于电压稳定裕度的划分方法将SVS(q,j)小的节点qs,j至于列首。

依照从首至尾的顺序依次切除各节点负荷；每节点负荷从最小可切除单元开始切除；多节点负荷切除量变化遵循进位规则，即增加序列后方负荷节点时，前列节点负荷切除量清零。

以上步骤中，任何切负荷方式的改变皆需重新进行功率平衡策略选择。

1.4.3DG出力调整策略

将源节点j∈Spf所对应的孤网节点集合命名为Gj。Gj中非源节点组成集合Fj。对Fj内节点元素进行排序：首先根据节点DG可变成本排序，大值排列在首，小值排列在尾；成本相同节点组成子集合Fj,s，基于电气距离的划分方法将Zpj,equ偏小节点排列在Fj,s首，基于电压稳定裕度的划分方法将SVS(p,j)偏大节点排列在Fj,s首。排序完毕后，依照Fj从首至尾的顺序依次切除相应节点的DG，直至源节点j有功出力不再小于0。调整最后一个被切除DG的出力，使得源节点j出力恰好为0。

2　运行仿真

2.1算例、方法、目标描述

本算例采用CIGRE中压区域网络[13]。为方便研究，相关参数经过调整，并视所有节点为PQ节点。

本算例设置了包含小负荷、大负荷两中典型负荷情况的多种负荷水平。多级负荷是在小负荷、大负荷2种负荷水平的基础上设定1-10共十级负荷。其中1级为小负荷水平，6级为大负荷水平。每两级负荷水平之间按照单个负荷平均增长模式增长。负荷参数设置参考了文献[13]3-5。

此外，节点1、12负荷的最小可切除单元为其全负荷的1/4；各节点DG可变成本参考了文献[14]。

本文使用matpower软件作为潮流计算工具，并使用MATLAB作为数据分析工具。另，考虑网络节点数目及网络拓扑结构，本算例将网络划分成二部分。

2.2指标对比

2.2.1电压稳定裕度

孤网状态下，分别将两种孤岛划分方法应用在大、小负荷水平，计算划分后孤岛非源节点的电压稳定裕度SV，对比两种不同划分方法下共同非源节点的SV值。结果如图1所示。

图1　两种水平下应用不同划分方法电压稳定裕度对比图

由图1(a)可知，大负荷水平下，基于电压稳定裕度划分的SV曲线在脆弱节点12处比基于电气距离的SV曲线值更高，且前者曲线整体高于后者曲线。结果显示，大负荷水平下，基于电压稳定裕度划分后的微网能更好地保持孤岛电压稳定水平。

由图1(b)可知，小负荷水平下，两种划分方式在电压稳定水平指标层面差异较小。

2.2.2区域供电平衡能力

多级负荷情景下，将两种划分方式应用结果的有功负荷切除量数据汇总，结果如图2所示。

图2　多级负荷下有功负荷切除量比较图

由图2可知，基于电压稳定裕度划分的结果小于或等于基于电气距离划分的结果，说明基于电压稳定裕度的孤网划分能够保留更多负荷。

3　结束语

本文提出了基于戴维南等效的电压稳定裕度多微网孤岛划分方法。将此方法在CIGRE中压网络多级负荷情景下，通过与传统基于电气距离的孤岛划分结果及电压稳定水平、区域供电平衡能力等指标的对比，可得以下结论：

(1) 小负荷水平下，不同方法对微网的电压稳定程度影响较小；大负荷水平下，应用基于电压稳定裕度划分方法所得孤网电压稳定性优于基于电气距离划分方法所得孤网结果。

(2) 多级负荷情景下，基于电压稳定裕度划分方法能够保留更多负荷。

[ 1 ] IEEE Std 1547.4-2011 IEEE Guide for Design, Operation, and Integration of Distributed Resource Island Systems with Electric Power Systems[N]. New York, Ny, USA:The Institute of Electrical and Electronics Engineer,2011.

[ 2 ] LASSETER R H. Smart distribution: Coupled microgrids[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6): 1074-1082.

[ 3 ] MARNAY C. Future roles of milli-, micro-, and nano-grids[C]//CIGR? International Symposium The electric power system of the future-Integrating supergrids and microgrids, Bologna, Italy, 13-15 September 2011. 2012.

[ 4 ] 刘传铨，张焰. 计及分布式电源的配电网供电可靠性[J]. 电力系统自动化，2007，31(22)：46-49.

[ 5 ] 黄文焘,邰能灵,唐跃中.交流微电网系统并网保护分析[J]. 电力系统自动化，2013，37(6)：114-120.

[ 6 ] BENJAMIN MILLAR, DANCHI JIANG, MD ENAMUL HAQUE. A novel partitioning strategy for distribution networks featuring many small scale generators[C]. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), 24-27 Feb. 2013.USA Washington DC

[ 7 ] 武晓朦, 刘健, 毕鹏翔. 配电网电压稳定性研究 [J]. 电网技术, 2006, 30(24): 31-35.

[ 8 ] 汤涌. 电力系统电压稳定性分析[M]. 北京： 科学出版社, 2011.

[ 9 ] 李云亮，霍利民，杨绍勇,等.基于戴维南等值分布式电源对配网电压稳定性影响的研究[J]. 科学技术与工程，2013(29): 8618-8621.

[10] 易新, 陆于平. 分布式发电条件下的配电网孤岛划分算法[J]. 电网技术, 2006, 30(7): 50-54.

[11] BOMPARD E, NAPOLI R, XUE F. Analysis of structural vulnerabilities in power transmission grids[J]. International Journal of Critical Infrastructure Protection, 2009, 2(1): 5-12.

[12] 谭玉东，李欣然，蔡晔,等.基于电气距离的复杂电网关键节点识别[J].中国电机工程学报，2014,51(1)，146-152.

[13] RUDION K, ORTHS A, STYCZYNSKI Z A, et al. Design of benchmark of medium voltage distribution network for investigation of DG integration[C]. Proc. IEEE/Power Engineering Society General Meeting, 2006: 1-6.

[14] 董轶婷. 分布式电源发展现状及前景 [EB/OL][2013-3]. http://www.nsd.edu.cn/cn/userfiles/Other/2013-03/201303222107117 6031081.pdf.

Island Partitioning of Multi-MicrogridsConsidering Static Voltage Stability Margin in a Distribution Network

LEI Zheng-xin1, WEI Lei2, HAN Bei1, ZHAO Xin-jian2, WANG Ke-you1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China;2.Jiangsu Electric Power Corp. Nanjing Power Supply Co., Nanjing Jiangsu 210019, China)

Island partitioning of multi-microgrids is significant in assisting coordinated control strategies of multi-microgrid islanding and reconnecting to the main grid, and in improving voltage stability under various operating modes. Based on Thevenin equivalent voltage stability margin, this paper presents a new method for island partitioning which uses the CIGRE MV network for example analysis. The results indicate that the new partitioning method is superior to the traditional method in the respects of voltage stability, allocated load inventory, etc.

voltage stability margin; thevenin equivalent; island partitioning; distributed generation; multi-microgrids

国家自然科学基金资助项目(51407116)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA050214)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.017

TM7

A

1000-3886(2016)01-0052-03

雷正新(1991-)，男，硕士生，主要研究方向：含微网的配电网电压稳定分析。韦磊(1982-)，男，高级工程师，主要研究方向：电力系统自动化、电力系统信息通信及智能电网。赵新建(1987-)，男，工程师，主要研究方向：电力系统信息通信、智能电网。汪可友(1979-)，男，博士，副教授，主要研究方向：电力系统分析与控制、新能源接入。

韩蓓(1984-)，女，博士，主要研究方向：含新能源接入的电力系统分析、微电网分析与控制。

定稿日期: 2015-05-12