对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置和控制方法
【专利摘要】根据本发明，提出了一种用于对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置，包括：故障检测单元，用于检测区域电网中发生故障的故障区域；获取单元，获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率；以及控制单元，根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
【专利说明】对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及配电网可靠性确保及微电网控制领域，尤其涉及一种对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置和控制方法，能够提高配电网可靠性并保证对故障区域内的负荷的稳定供电。
【背景技术】
[0002]当前，分布式发电技术在全球的发展很快。在大电网供电的基础上，在配电系统靠近用户侧引入容量不大(一般小于50MW)的分布式电源(DG)供电，可以综合利用现有资源和设备，向用户提供可靠和优质的电能。然而，分布式发电本身存在诸多问题。例如，由于分布式电源多数依靠可再生能源发电，因此功率输出具有随机性和波动性等问题，对大电网的电压稳定性和电能质量带来一定的冲击。微电网作为分布式能源并网发电规模化应用的电网，通过有效的协调控制，使基于分布式能源并网所产生的负面问题都能在微网内得到解决，减少了分布式电源并网对大电网产生的各种扰动。
[0003]分布式发电一般靠近负荷用户，通过将电能和热能的利用相结合来提高能量的利用率。同时，由于发电的位置离负荷距离较近，因此可以提高电能质量和供电的可靠性。当前针对分布式电源及相关设备(储能、热电联产装置等)主要以微电网形式来管理。微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入大电网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。除负荷外，微电网内部还包含了风力发电、光伏发电、储能单元、微型汽轮机等分布式电源、以及对于分布式电源及其逆变器的能量管理系统，以实现分布式电源的发电控制、潮流控制、以及保护控制等。目前对于微电网研究主要以接入负荷末端的微电网为主。连接在负荷末端虽然在提高用户的供电可靠性方面发挥了重要的作用，但是此种连接方式在满足故障条件下的负荷转供等方面未能充分发挥微电网灵活可控的特性，无法实现故障条件下互为备用线路的互联互带。因此，需要进一步拓展微电网与大电网相互作用的应用范围，使其在满足故障条件下的负荷转供等方面发挥更好的作用。
[0004]此外，由于中国电力系统的配电网是环网设计、开环运行的，在配电网规划设计阶段，为了保证供电可靠性，配网接线首先应该符合“N-1”可靠性准则。当配电网故障发生后，配网管理系统(DMS)根据FTU(馈线终端)监测到故障信号、开关的电流和电压数据以及保护信息等实时运行数据，结合配网网络拓扑结构以及收集到的故障数据基于一定的故障定位算法可以快速识别故障点。DMS根据故障点位置进行故障隔离，将故障隔离在最小的区域内，然后对由于故障停电的非故障区域通过重合馈线出口断路器来实现供电恢复，而对于故障区域则通过一定的故障重构算法将故障线路下的负荷快速转移至通过联络开关连接的其他备用线路。然而实际工程建设中，考虑到投资过大、预算不足等原因，加上由于经济增长过快导致负荷增加的不确定性，故障发生后，如果用户没有自备电源或者其他备用电源的话，备用线路的容量并不能满足故障区域负荷的供电恢复，降低了供电可靠性。因此，备用容量不足成为影响配电网可靠性的重要因素之一。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术的缺陷提出了本发明。因此，本发明的目的是提出一种对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置和控制方法，能够提高配电网可靠性并保证对故障区域负荷的稳定供电。
[0006]为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种用于对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置，包括:故障检测单元，用于检测区域电网中发生故障的故障区域；获取单元，获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率；以及控制单元，根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
[0007]优选地，当微电网的可输出功率大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用微电网中的电源对故障区域进行供电。
[0008]优选地，当微电网的可输出功率小于故障区域内的负载容量，而备用线路的容量裕度大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用备用电网的容量裕度对故障区域进行供电。
[0009]优选地，当微电网的可输出功率和备用线路的容量裕度均小于故障区域内的负载容量，而备用线路的容量裕度与微电网的可输出功率之和大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用微电网中的电源和备用电网的容量裕度共同对故障区域进行供电。
[0010]优选地，在上述方案中，控制单元进行控制，使得微电网中的电源以等于故障区域内的负载容量与故障区域内的负载容量的差的补偿输出功率对故障区域进行供电。
[0011]优选地，所述微电网中的电源是分布式的可再生电源。
[0012]优选地，所述微电网设置在区域电网和备用电网之间的联络开关处。
[0013]此外，根据本发明，还提出了一种用于对区域电网中的故障区域进行供电的控制方法，包括:检测区域电网中发生故障的故障区域；获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率；以及根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
[0014]根据本发明，将微电网规划在互为备用线路的两个区域电路之间的联络开关处，弥补了传统拓扑结构在N-1条件下的负荷转供能力不足的问题，起到了提高供电可靠性的作用，拓展了微电网接入配电网负荷末端的传统模式。同时，利用微电网的可控性，给出了确定微电网输出目标曲线的方法，该方法保证了微电网的输出曲线与备用线路容量裕度曲线的变化相互补偿，保证了对故障区域内的负荷的稳定供电。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过参考以下组合附图对所采用的优选实施方式的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得更显而易见，其中:
[0016]图1是用于说明根据现有技术的供电系统中的微电网规划位置的示意图。
[0017]图2是用于说明根据本发明实施例的供电系统中的微电网规划位置的示意图。
[0018]图3是用于说明根据本发明实施例的控制装置(DMS)与微电网和区域电网之间的逻辑关系的示意图。
[0019]图4是示出了根据本发明实施例的控制装置(DMS)的结构框图。
[0020]图5是示出了根据本发明实施例的对区域电网中的故障区域进行供电的控制方法的流程图。
[0021]图6是示出了根据本发明的实施例的当利用微电网与备用线路的容量裕度同时为故障区域进行供电时、计算微电网补偿输出功率曲线的过程的流程图。
[0022]图7是用于说明根据本发明实施例的备用线路的容量裕度曲线、故障区域负荷变化曲线、微电网补偿输出功率曲线之间的关系的示意图。
【具体实施方式】
[0023]图1是用于说明根据现有技术的当前微电网研究及微电网示范项目中常规的微电网接入位置的示意图。
[0024]如图1所示的区域配电网的拓扑呈现辐射状网络结构。该区域配电网(例如，图1所示的区域电网A)包括馈线001、支路002、开关003和负荷004。馈线001、开关003和负荷004通过距离不一的支路002相连。为了提高配电网的可靠性，大量的“手拉手”互为备用的线路通过联络开关006进行连接。例如，如图1所示的区域电网A和区域电网B互为备用线路。联络开关在平时处于断开状态。当例如区域电网A发生故障时，例如，当故障点发生在故障区域007处时，则联络开关006变为闭合，并且故障区域007中的负荷由区域电网B进行供电。当前微电网研究及微电网示范项目中常规的考虑接入位置主要在负荷末端接入，如图1中的微电网012所示。
[0025]另外，在图1中，005表示微电网012中的分布式电源，008表示区域电网A中的故障点1,009表示区域电网B中的故障点2，010表示区域电网B中的故障区域。011表示区域电网B中的非故障停电区域。
[0026]但是，此种连接方式在满足故障条件下的负荷转供等方面未能充分发挥微电网灵活可控的特性。
[0027]下面，将参考附图来说明本发明的优选实施例。
[0028]图2是用于说明根据本发明实施例的供电系统中的微电网规划位置的示意图。在图2中，为了简化说明，使用类似的标号来表示与图1类似的部件，并省略其具体说明。如图2所示，本发明与现有技术的不同之处在于:将微电网012’设置在联络开关006处，即，设置在区域电网A和区域电网B之间。根据本发明中规划的微电网012’的位置，能够充分利用微电网灵活可控的特性，在配网发生故障时最大化地实现故障区域的供电恢复。例如，区域B中的故障发生在故障点009处。此时，如现有技术那样连接在区域A的负荷末端的微电网无法对区域B中的故障区域010进行供电。相反，根据本发明，由于将微电网012’规划在联络开关处，则可以利用微电网中的可输出功率为故障区域010进行供电。
[0029]图3是用于说明根据本发明实施例的控制装置(DMS)与微电网和区域电网的逻辑关系的不意图。
[0030]如图3所示，由本发明的控制装置(DMS)与微电网、区域电网A和区域电网B进行信息交换以获取诸如微电网、区域电网A和区域电网B的供电状态信息、或其所能够提供的供电功率的信息。然后，由DMS根据这些信息进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。这里，如以上提到过的，区域电网A和区域电网B互为备用的线路。如果区域电网A发生故障，则区域电网A为主供线路，区域电网B为备用线路。相反，如果区域电网B发生故障，则区域电网B为主供线路，区域电网A为备用线路。需要指出的是，尽管仅示出了将本发明的控制装置实现在DMS中的示例，但是本发明并不局限于此。例如，本发明的控制装置的各组件可以形成在供电系统的其他一个实体中，也可以分布在供电系统的任意多个不同实体中来实现。
[0031]图4是示出了根据本发明实施例的控制装置的结构框图。
[0032]如图4所示，根据本发明实施例的控制装置包括:故障检测单元401、获取单元403和控制单元405。故障检测单元401检测区域电网中发生故障的故障区域。获取单元403获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率。控制单元405根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
[0033]图5是示出了根据本发明实施例的对区域电网中的故障区域进行供电的控制方法的流程图。
[0034]如图5所示，当例如区域电网A发生故障后，由DMS的故障检测装置401检测区域电网A中发生故障的故障区域(步骤501)。例如，可以通过电网末端的故障检测设备(FTU、保护装置等)远程将故障检测信号发送至DMS。此时，DMS可以根据接收到的故障检测信号来进行故障定位与隔离。
[0035]然后，由DMS的获取单元403获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率(步骤503)。
[0036]作为DMS获取微电网的可输出功率的一种方式，可以采用如下方式:微电网通过监测电网频率及电流变化快速检测到电网故障，当微电网检测到电网的故障信号时，打开微电网与大电网连接的隔离开关实现孤岛运行。同时，调用微电网中的分布式电源功率输出预测功能来计算微电网在未来一定时期内的可输出功率曲线。并将预测的微电网可输出功率曲线发送至DMS，由此，DMS可以获取微电网的可输出功率。当然，DMS获取微电网的可输出功率并不局限于此。例如，可以由DMS主动发起从微电网获取其的可输出功率的过程。
[0037]另外，DMS的获取单元403还根据备用线路(即备用电网B)对应的额定容量、备用线路下的负载数据(包括负载类型、负载容量、历史负荷曲线等)来获取该备用线路的容量裕度。此外，获取单元403还需要从区域电网A获取故障区域内的负载数据，包括该区域内的负载类型、负载容量、历史负荷变化曲线等数据。
[0038]如果微电网的可输出功率大于故障区域内的负载容量(步骤505的是)，则DMS的控制单元405进行控制，以直接利用微电网中的电源对故障区域进行供电(步骤513)。此时，将故障区域的负载容量作为微电网功率输出目标值，根据此功率输出目标值来计算各分布式电源的输出功率和发电方案(时间段、输出电压、电流、功率限制)。[0039]如果微电网的可输出功率小于故障区域内的负载容量(步骤505的否)，而备用线路的容量裕度大于故障区域内的负载容量(步骤507的是)，则直接利用备用线路的容量裕度对故障区域进行供电(步骤S515)。此处，备用线路的容量裕度是指备用线路的额定功率减去备用线路下所带的负载容量之和。通常情况下互为备用的线路在设计时要考虑有50%的容量裕度。实际应用中，往往由于投资不足、工程进度等原因导致容量裕度并按照最初规划完成，因此也就容易导致备用容量不足的问题。
[0040]如果微电网的可输出功率和备用线路的容量裕度均小于故障区域内的负载容量(步骤S507的否)，并且备用线路的容量裕度与微电网的可输出功率之和大于故障区域内的负载容量(步骤S509的是)，则需要利用微电网与备用线路的容量裕度共同为故障区域进行供电(步骤S517)。
[0041]此时，如果备用线路的容量裕度与微电网的可输出功率之和小于故障区域内的负载容量(步骤509的否)，则需要根据故障区域负荷的重要性等级切除重要性等级较低的负荷，即执行甩负荷方案(步骤511)，再进行比较，直到备用线路的容量裕度与微电网的可输出功率之和变得小于故障区域内的负载容量为止。
[0042]图6是示出了根据本发明的实施例的当利用微电网与备用线路的容量裕度同时为故障区域进行供电时、计算微电网补偿输出功率曲线的过程的流程图。
[0043]当微电网与备用线路的容量裕度同时为故障区域进行供电时，考虑到在闭合开关后备用容量所带负载消耗曲线是变化，因此备用线路的容量裕度也是变化的。另外，当利用微电网中可再生能源对故障区域进行供电时，输出功率在一定的时间内也是变化的，对于备用线路容量裕度的变化，由于微电网的灵活可控性，需要采用一定的办法保证微电网的输出与备用线路容量裕度的变化相互补偿，以保证对故障区域的稳定供电。对于微电网的输出功率可变性，需要采用一定的控制策略保证微电网的输出功率与备用线路容量裕度的变化保持匹配；
[0044]基本公式:微电网输出功率+备用线路容量裕度>=故障区域负荷容量；
[0045]第一步:通过计算短时期内备用线路的平均负荷推导备用线路的容量裕度的平均变化曲线(步骤601)。
[0046]从作为备用线路的区域电网B中可以获取该备用线路的实际额定容量，以及该备用线路每一天的负荷变化曲线。考虑到短期内该备用线路下负荷容量变化不明显，可以将时间段设置为I周或者半个月。根据获取到的历史负荷数据，由于不同性质的负荷曲线有较大的差别。因此除获取到该备用线路下各类负荷历史曲线数据之外，还需要获取负荷类型信息。根据负荷类型对负荷进行分类，针对不同类别的负荷运用不同的负荷预测算法进行预测，可以得到不同负荷类别的故障发生后的96点负荷预测数据。将不同负荷类型的预测数据按点进行叠加后可以得到故障发生后整个备用线路的负荷预测数据。基于所获取到的故障发生之前的历史数据以及故障发生后的预测数据，采用数据拟合算法可以得到故障发生当日的负荷变化趋势曲线，再基于该备用线路的实际额定容量，则可以计算得到该备用线路容量裕度在故障发生当日的变化趋势曲线。
[0047]此处所采用的预测算法可以基于灰色系统预测算法进行预测。灰色系统是指部分信息已知而部分信息未知的系统。在灰色模型中，最具一般意义的模型是由h个变量的η阶微分方程描述的模型，称为GM(n，h)模型，作为一种特例的GM(1，I)模型可用下式表示:
【权利要求】
1.一种用于对区域电网中的故障区域进行供电的控制装置，包括: 故障检测单元，用于检测区域电网中发生故障的故障区域； 获取单元，获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率；以及 控制单元，根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中， 当微电网的可输出功率大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用微电网中的电源对故障区域进行供电。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其中， 当微电网的可输出功率小于故障区域内的负载容量，而备用线路的容量裕度大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用备用电网的容量裕度对故障区域进行供电。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其中， 当微电网的可输出功率和备用线路的容量裕度均小于故障区域内的负载容量，而备用线路的容量裕度与微电网的可输出功率之和大于故障区域内的负载容量时，控制单元进行控制，以利用微电网中的电源和备用电网的容量裕度共同对故障区域进行供电。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中， 控制单元进行控制，使得微电网中的电源以等于故障区域内的负载容量与故障区域内的负载容量的差的补偿输出功率对故障区域进行供电。
6.根据权利要求2、4或5所述的控制装置，其中， 所述微电网中的电源是分布式的可再生电源。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其中， 所述微电网设置在区域电网和备用电网之间的联络开关处。
8.一种用于对区域电网中的故障区域进行供电的控制方法，包括: 检测区域电网中发生故障的故障区域； 获取在发生故障时的故障区域内的负载容量、作为该区域电网的备用线路的备用电网的容量裕度、以及微电网的可输出功率；以及 根据所获取的故障区域内的负载容量、备用电网的容量裕度和微电网的可输出功率，进行控制，以利用微电网和备用电网中的至少一个来对区域电网中的故障区域进行供电。
【文档编号】H02J9/06GK103457345SQ201210177215
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】杜杰, 于跃, 张靖, 白日欣 申请人:株式会社日立制作所