CN106711996B - 一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，通过建立配电网的CSP模型，并采用动态异步回溯算法寻找满足约束关系且最目标函数最优化的联络元件加载负荷的方式，对比供电恢复前后各联络元件加载负荷方式的变化来生成基于各联络元件的开关操作顺序生成方法，将得到的开关操作顺序的结果提供给操作命令***，供调度员决策执行或自动执行，使供电恢复的速度更加快捷。本发明采用基于供电恢复前后联络元件加载负荷方式变化的开关操作顺序生成方法，简单易操作，且不会发生馈线过负荷或闭环等不满足供电恢复要求的情况，此类方法对于目前的配电网结构具有可行性，便于实现，便于调度人员在发生母线失压这种大面积停电时快速并安全转移负荷。

Description

一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法

一、技术领域：

本发明涉及一种配电网母线失压造成的大面积停电时供电的恢复过程以及供电恢复开关操作顺序的生成方法，属于馈线自动化领域。

二．背景技术：

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对电能的依赖性日益强烈，对供电可靠性的要求也不断提高，配电网规模大且接线复杂，偶然因素所导致的***故障是难以避免的。配电网频发的故障为馈线故障这类小扰动，针对这种小扰动，调度人员若凭经验转移非故障失电负荷一般不会造成更大事故，转移负荷的成功率也比较高，但是像母线失压这种大面积停电事故虽不像馈线故障那样频发，但基本每年都有发生，仅凭经验处理往往会导致操作不当引起馈线过负荷或者是造成更大面积的断电事故发生，而且仅凭经验会使得故障处理时间长，造成更多的经济损失，因此有必要研究母线失压故障后负荷的供电恢复方法并生成开关操作序列。

配电网的供电恢复是指在故障定位和隔离的基础上如何实现对非故障停电区域的供电恢复的优化问题。配电网供电恢复本质上就是发生故障后的网络重构，是在定位并隔离了故障后，在满足配电网各种约束的前提下，通过改变网络中联络元件和分段开关的开合状态，找到针对一个或者几个目标函数最优的供电恢复方法。

对于配电网供电恢复这一问题，可采取的解决方法有很多，例如：用启发式的搜索方法寻找恢复方案；用模糊数学的方法对候选方案进行模糊评价；用遗传算法、模拟退火法、专家***法等智能算法进行寻优；也可以采用多代理技术实现供电恢复。而针对大面积停电这一供电恢复问题的研究比较少，现有的方法有数学优化法、遗传算法、多智能体免疫算法、禁忌搜索算法等，更有文献考虑了分布式电源接入后配电网大面积停电后供电恢复方法。禁忌搜索算法对初值、禁忌长度、候选解的个数有很强的依赖性，运算结果仍有可能落入局部最优，无法保证一定能得到全局最优解。遗传算法易产生大量的不可行解，用于配电网优化重构效果较好，但对于大面积故障负荷恢复问题并不是很适用。本发明采用的是基于CSP模型的供电恢复方法，采用异步回溯算法寻优，同时考虑了负荷的重要程度，最后为了便于调度人员快速安全转移负荷，本发明提供了一种开关操作顺序生成方法。

三、发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于CSP模型并考虑负荷重要程度以及联络元件加载负荷方式变化的母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，便于调度人员在发生母线失压这种大面积停电时快速并安全转移负荷。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，供电恢复以减少停电经济损失最大化为目标函数，配电网重构结果以联络元件加载负荷方式变化的形式呈现，开关操作顺序以供电恢复前后联络元件加载负荷方式的变化为基础生成，具体包括以下几个步骤：

A、读取配电网的网络参数：

采用配电网简化模型，即将配电网看作一种图，配电线路沿线的馈线开关看作是图的顶点，两顶点之间的馈线作为图的边，为了计算简便，忽略三相不平衡因素，假设配电网上电压处处相等，线路负荷用代表相的电流反映，建立表现配电网网络参数的数据结构，即定义N行8列的矩阵D，即：

其中，d _i1 描述边的序号，其中i=1,2,...N，N描述为边的总数；d _i2 ~d _i4 描述与该边相接的节点的序号，T接时该边与三个节点相接；d _i5 ~d _i7 为与该边邻接的边的序号，T接对应的边与三条边邻接，d _i8 表示该边的负荷大小，用代表相的电流表示；D矩阵中空闲的元素均为-1；

B、母线失压判断并隔离故障，保存故障隔离后各联络元件加载负荷的方式：

若某条母线的电压由正常值下降到近似为0，且与该母线相连的源点的电流或者相应配电线路的首级开关的电压和电流由正常值下降到近似为0，则可判断为母线失压，一般源点数可取2~5；母线发生故障，配电网自动切断与该母线相连的源点断路器隔离故障，同时保存与所切除馈线相连的其他联络元件所加载的负荷的信息；

C、进行配电网负荷供电恢复优化，得出恢复后各联络元件加载负荷的方式：

构建配电网约束满足问题CSP模型，CSP模型描述为一个三元组P=（X,D,C），X为变量集，在这里表示为联络元件集；D为X中每个变量的定义域的笛卡尔积，D _i 表示第i个联络元件加载负荷的方式集，每种方式都采用以开关为节点，负荷为边的负荷树表示；C为约束集，供电恢复方案必须满足约束C，配电网供电恢复必须满足以下约束：

（1）节点电压在允许范围内；

（2）联络元件负载不超过额定值；

（3）网络辐射方式运行；

约束（1）（2）在变量的定义域内部检验并满足，约束（3）等价于每个负荷由一个联络元件供电，即任两个联络元件所加载的负荷没有相同的元素，采用以下所示的矩阵R _ij 来表示两个联络元件之间的约束关系：

其中，联络元件i的加载负荷的方式有m种，联络元件j的加载负荷的方式有n种，联络元件i的第p种加载负荷方式与联络元件j的第q种加载负荷方式中无相同元素时取a _pq 为1，包含相同元素时取值为0 ；

R _ij 中的矩阵元素不能随意排列，先将每个联络元件中的所有加载负荷的方式按目标函数从大到小排列，并编号进而得出约束矩阵；考虑目标函数为最大减少停电经济损失，即所加载的负荷对应的总停电损失费用最大，公式为：

其中，N _i 为联络元件i加载的负荷的个数；k _b 为第b个负荷对应的单位停电经济损失费用，一些敏感用户虽然单位停电经济损失费用不大，但属于敏感性负荷，停电也会造成大的影响，这时令k×k _b 代替k _b ，k取3~5；p _b 为第b个负荷的大小，用电流来反映；

建立了约束满足问题CSP模型后，则需要进行最优解的搜索，采用回溯算法进行搜索，找出既满足约束条件又使得总的联络元件加载的负荷对应的停电经济损失最大的供电恢复方案，得出优化后的联络元件加载负荷的方式；

D、通过对比配电网供电恢复前后各联络元件加载负荷方式的变化得出供电恢复过程的开关操作顺序；所述供电恢复过程的开关操作顺序，其生成的具体步骤如下：

第一步：从变量集X中取出一个联络元件，将供电恢复前该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _B 中，供电恢复后该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _A 中，对比F _B 和F _A ，得出供电恢复后新接入该联络元件所带的负荷树与从该负荷树中切除的馈线负荷，将新接入负荷树的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _in 中，将从负荷树中切除的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _out 中；

第二步：将队列F _in 和F _out 中的元素按连接方式分类，若F _in /F _out 中元素与该队列中其他任一元素都无邻接关系，则将该元素放入队列F _in1 /F _out1 中；将其他有邻接关系的元素分为不同的负荷串，并将每个负荷串看作一个整体放入队列F _in2 /F _out2 中，不同负荷串之间无邻接关系；将F _in1 和F _in2 中的元素按停电经济损失费用从大到小在各自队列中排列，F _out1 和F _out2 中的元素按停电经济损失费用从小到大在各自队列中排列；

开关操作顺序按先切除负荷后接入负荷，先简单后复杂，重要负荷先接入后切除的原则进行，所以先依次切断队列F _out1 和F _out2 中对应的负荷，然后接入F _in1 和F _in2 中对应的负荷；

第三步：对于F _out1 中应切除的负荷，取出一个元素，找出与该负荷对应的边相邻接的F _B 中的边，并将两者之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第四步：反复进行第三步直至F _out1 为空；

第五步：对于F _out2 中的负荷串，找出与该负荷串的边相邻接的F _B 中的边，并将它们之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第六步：反复进行第五步直至F _out2 为空；

第七步：F _in1 和F _in2 中的元素按顺序并按第三到第六步的方法，将待闭合的开关的序号放入闭合开关队列T中，同时将除闭合开关队列T中开关序号之外的该元素的其他处于闭合状态的***开关序号放入断开开关队列S中；

这样可生成基于该联络元件的断开开关队列S和闭合开关队列T，在开关操作时若开关状态在操作之前就处于所需状态，则保持开关状态不变；

第八步：若X未空，则返回第一步。

在步骤“D”中，所诉的开关操作顺序应当满足以下要求：

⑴操作过程保持网络辐射方式运行；

⑵操作过程中不产生过负荷；

⑶操作过程中应尽快恢复为停电经济损失大的负荷供电。

所述的联络元件为正常运行的能加载故障区域负荷的元件。

本发明的积极有益效果如下：

1、本发明采用的是基于CSP模型的供电恢复方法，简单且易于软件实现，采用异步回溯算法寻优，同时考虑了负荷的重要程度，便于调度人员快速安全转移负荷，使供电恢复的速度更快捷。

2、本发明考虑了负荷的重要程度，以停电所导致的经济损失最小化为目标，同时考虑了敏感性负荷对电网工作的影响。

3、本发明采用基于供电恢复前后联络元件加载负荷方式变化的开关操作顺序生成方法，简单易操作，且不会发生馈线过负荷或闭环等不满足供电恢复要求的情况。

四、附图说明：

图1为本发明母线失压故障后供电恢复的具体流程图；

图2为本发明开关操作顺序生成流程图；

图3是本发明的实施例中的测试例。

五、具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释和说明（参见图1～图3）：

实施例：一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，负荷恢复以减少停电经济损失最大化为目标函数，配电网重构结果以联络元件加载负荷方式变化的形式呈现，开关操作顺序以供电恢复前后联络元件加载负荷方式的变化为基础生成，具体包括以下几个步骤：

A、读取配电***的网络参数：

如图3所示的测试例，线路负荷用代表相的电流反映，建立表现***网络参数的数据结构，即12行8列的矩阵D，即

其中，d _i1 （i=1,2,...N）描述边的序号；d _i2 ~d _i4 描述与该边相接的节点的序号，T接时该边与三个节点相接；d _i5 ~d _i7 为与该边邻接的边的序号，T接对应的边与三条边邻接，d _i8 表示该边的负荷大小，用代表相的电流表示；D矩阵中空闲的元素均为-1；

B、母线失压判断并隔离故障，保存故障切断后各联络元件加载负荷的方式：

若某条母线的电压由正常值下降到近似为0，且与该母线相连的N个源点的电流或者相应配电线路的首级开关的电压和电流由正常值下降到近似为0，则可判断母线失压，一般N可取2~5，母线故障发生，***自动切断与该母线相连的源点断路器隔离故障，同时保存与所切除馈线相连的其他联络元件所加载的负荷的信息；假设母线101发生故障，断路器S1断开，保存联络元件S2和S3所带的负荷对应的边的序号，S2加载负荷的方式为(8,7,6,5)，S3的为(12,10,11) ；

C、进行配电网负荷供电恢复优化，得出恢复后各联络元件加载负荷的方式：

构建配电网约束满足问题CSP模型，CSP模型描述为一个三元组P=（X,D,C）。X为变量集，在这里表示为S2和S3；D为X中每个元素的定义域的笛卡尔积，D _i 表示第i个联络元件加载负荷的方式集，每种方式都采用以开关为节点，负荷为边的负荷树表示；C为约束集，供电恢复方案必须满足约束C，配电网负荷恢复必须满足以下约束：

（1）节点电压在允许范围内；

（2）联络元件负载不超过额定值；

（3）网络辐射方式运行；

约束（1）（2）在变量的定义域内部检验并满足，约束（3）等价于每个负荷由一个联络元件供电，即任两个联络元件所加载的负荷没有相同的元素，采用以下所示的矩阵R _ij 来表示两个联络元件之间的约束关系：

其中，联络元件i的加载负荷的方式有m种，联络元件j的加载负荷的方式有n种，元件i的第p种加载负荷方式与元件j的第q种加载负荷方式中无相同元素时取a _pq 为1，包含相同元素时取值为0 ；

R _ij 中的矩阵元素不能随意排列，先将每个联络元件中的所有加载负荷的方式按目标函数从大到小排列，并按此顺序编号进而得出约束矩阵；考虑目标函数为最大减少停电经济损失，即所加载的负荷对应的总停电损失费用最大，公式为：

其中，N _i 为联络元件i加载的负荷的个数；k _b 为第b个负荷对应的单位停电经济损失费用，一些敏感用户虽然单位停电经济损失费用不大，但属于敏感性负荷，停电也会造成大的影响，这时令k*k _b 代替k _b ，k取3~5；p _b 为第b个负荷的大小，用电流来反映；

在图3中，在馈线容量为300A、同时限定加载的馈线负荷大于200A的情况下，S2的定义域为{(8,7,6,5,4)，(8,7,5,4,3)，(8,7,5,4)，(8,7,6,5)}，S3的定义域为{(12,10,9,3,2)，(12,10,9,3,4)，(12,10,11,9)，(12,10,9,3)，(12,10,9)，(12,10,11)}，已经按目标函数从大到小排列，按此排列顺序生成S2和S3之间的约束矩阵：

建立了约束满足问题模型后，则需要进行最优解的搜索，采用动态异步回溯算法进行搜索，找出既满足约束条件又使得总的联络元件加载的负荷对应的停电损失最大（即减少的停电损失费用最少）的供电恢复方案，得出优化后的联络元件加载负荷的方式；如R ₂₃ 中第一行第一列的元素满足要求且都取联络元件的最大加载负荷方式，则S2采用的加载负荷的方式为(8,7,6,5,4)，S3的为(12,10,9,3,2)；

D、通过对比配电网供电恢复前后各联络元件加载负荷方式的变化得出供电恢复过程的开关操作顺序；

具体的供电恢复开关操作顺序生成的步骤如下：

第一步：从变量集X中取出一个元素，将供电恢复前该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _B 中，供电恢复后该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _A 中，对比得出供电恢复后新接入该联络元件所带负荷树的与从负荷树中切除的馈线负荷，将新接入负荷树的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _in 中，将从负荷树中切除的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _out 中；对于X中元素S2，F _B 为(8,7,6,5)，F _A 为(8,7,6,5,4)，将序号4放入队列F _in 中；

第二步：将队列F _in 和F _out 中的元素按连接方式分类，若F _in （F _out ）中元素与该队列中其他任一元素都无邻接关系，则将该元素放入队列F _in1 （F _out1 ）中，将其他有邻接关系的元素分为不同的负荷串并将每个负荷串看作一个整体放入队列F _in2 （F _out2 ）中，不同负荷串之间无邻接关系；将F _in1 和F _in2 中的元素按停电经济损失费用从大到小在各自队列中排列，F _out1 和F _out2 中的元素按停电经济损失费用从小到大在各自队列中排列；

开关操作顺序按先切除负荷后接入负荷，先简单后复杂，重要负荷“先接入后断开”的原则进行，所以先依次切断队列F _out1 和F _out2 中对应的负荷，然后接入F _in1 和F _in2 中对应的负荷；

第三步：对于F _out1 中应切除的负荷，取出一个元素，找出与该负荷对应的边相邻接的F _B 中的边，并将两者之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第四步：反复进行第三步直至F _out1 为空；

第五步：对于F _out2 中的负荷串，找出与该负荷串的边相邻接的F _B 中的边，并将它们之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第六步：反复进行第五步直至F _out2 为空；

第七步：F _in1 和F _in2 中的元素按顺序并按第三到第六步的方法方法将待闭合的开关的序号放入闭合开关队列T中，同时将除T中开关之外的该元素的其他处于闭合状态的***开关放入断开开关队列S中；生成队列S为(4)，T为(6)；

这样可生成基于该联络元件的断开开关队列S和闭合开关队列T，在开关操作时若开关状态在操作之前就处于所需状态，则保持开关状态不变；

第八步：若X未空，则返回第一步。

继续对变量集和X中的元素S3操作，生成队列S为(2,12,4)，T为(11)，由于开关4在S2的操作中已断开，则在本次操作中保持4开关状态不变，也即将这一待断开开关序号删除，得S为(2,12)；

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，其特征在于：供电恢复以减少停电经济损失最大化为目标函数，配电网重构结果以联络元件加载负荷方式变化的形式呈现，开关操作顺序以供电恢复前后联络元件加载负荷方式的变化为基础生成，具体包括以下几个步骤：

A、读取配电网的网络参数：

采用配电网简化模型，即将配电网看作一种图，配电线路沿线的馈线开关看作是图的顶点，两顶点之间的馈线作为图的边，为了计算简便，忽略三相不平衡因素，假设配电网上电压处处相等，线路负荷用代表相的电流反映，建立表现配电网网络参数的数据结构，即定义N行8列的矩阵D，即：

其中，d _i1 描述边的序号，其中i=1,2,...N，N描述为边的总数；d _i2 ~d _i4 描述与该边相接的节点的序号，T接时该边与三个节点相接；d _i5 ~d _i7 为与该边邻接的边的序号，T接对应的边与三条边邻接，d _i8 表示该边的负荷大小，用代表相的电流表示；D矩阵中空闲的元素均为-1；

B、母线失压判断并隔离故障，保存故障隔离后各联络元件加载负荷的方式：

若某条母线的电压由正常值下降到近似为0，且与该母线相连的源点的电流或者相应配电线路的首级开关的电压和电流由正常值下降到近似为0，则可判断为母线失压，一般源点数可取2~5；母线发生故障，配电网自动切断与该母线相连的源点断路器隔离故障，同时保存与所切除馈线相连的其他联络元件所加载的负荷的信息；

C、进行配电网负荷供电恢复优化，得出恢复后各联络元件加载负荷的方式：

构建配电网约束满足问题CSP模型，CSP模型描述为一个三元组P=（X,D,C），X为变量集，在这里表示为联络元件集；D为X中每个变量的定义域的笛卡尔积，D _i 表示第i个联络元件加载负荷的方式集，每种方式都采用以开关为节点，负荷为边的负荷树表示；C为约束集，供电恢复方案必须满足约束C，配电网供电恢复必须满足以下约束：

（1）节点电压在允许范围内；

（2）联络元件负载不超过额定值；

（3）网络辐射方式运行；

约束（1）（2）在变量的定义域内部检验并满足，约束（3）等价于每个负荷由一个联络元件供电，即任两个联络元件所加载的负荷没有相同的元素，采用以下所示的矩阵R _ij 来表示两个联络元件之间的约束关系：

其中，联络元件i的加载负荷的方式有m种，联络元件j的加载负荷的方式有n种，联络元件i的第p种加载负荷方式与联络元件j的第q种加载负荷方式中无相同元素时取a _pq 为1，包含相同元素时取值为0 ；

R _ij 中的矩阵元素不能随意排列，先将每个联络元件中的所有加载负荷的方式按目标函数从大到小排列，并编号进而得出约束矩阵；考虑目标函数为最大减少停电经济损失，即所加载的负荷对应的总停电损失费用最大，公式为：

其中，N _i 为联络元件i加载的负荷的个数；k _b 为第b个负荷对应的单位停电经济损失费用，一些敏感用户虽然单位停电经济损失费用不大，但属于敏感性负荷，停电也会造成大的影响，这时令k×k _b 代替k _b ，k取3~5；p _b 为第b个负荷的大小，用电流来反映；

建立了约束满足问题CSP模型后，则需要进行最优解的搜索，采用回溯算法进行搜索，找出既满足约束条件又使得总的联络元件加载的负荷对应的停电经济损失最大的供电恢复方案，得出优化后的联络元件加载负荷的方式；

D、通过对比配电网供电恢复前后各联络元件加载负荷方式的变化得出供电恢复过程的开关操作顺序；所述供电恢复过程的开关操作顺序，其生成的具体步骤如下：

第一步：从变量集X中取出一个联络元件，将供电恢复前该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _B 中，供电恢复后该联络元件加载的负荷对应的边的序号放入队列F _A 中，对比F _B 和F _A ，得出供电恢复后新接入该联络元件所带的负荷树与从该负荷树中切除的馈线负荷，将新接入负荷树的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _in 中，将从负荷树中切除的馈线负荷对应的边的序号放入队列F _out 中；

第二步：将队列F _in 和F _out 中的元素按连接方式分类，若F _in /F _out 中元素与该队列中其他任一元素都无邻接关系，则将该元素放入队列F _in1 /F _out1 中；将其他有邻接关系的元素分为不同的负荷串，并将每个负荷串看作一个整体放入队列F _in2 /F _out2 中，不同负荷串之间无邻接关系；将F _in1 和F _in2 中的元素按停电经济损失费用从大到小在各自队列中排列，F _out1 和F _out2 中的元素按停电经济损失费用从小到大在各自队列中排列；

开关操作顺序按先切除负荷后接入负荷，先简单后复杂，重要负荷先接入后切除的原则进行，所以先依次切断队列F _out1 和F _out2 中对应的负荷，然后接入F _in1 和F _in2 中对应的负荷；

第三步：对于F _out1 中应切除的负荷，取出一个元素，找出与该负荷对应的边相邻接的F _B 中的边，并将两者之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第四步：反复进行第三步直至F _out1 为空；

第五步：对于F _out2 中的负荷串，找出与该负荷串的边相邻接的F _B 中的边，并将它们之间的开关序号放入断开开关队列S中；

第六步：反复进行第五步直至F _out2 为空；

第七步：F _in1 和F _in2 中的元素按顺序并按第三到第六步的方法，将待闭合的开关的序号放入闭合开关队列T中，同时将除闭合开关队列T中开关序号之外的该元素的其他处于闭合状态的***开关序号放入断开开关队列S中；

这样可生成基于该联络元件的断开开关队列S和闭合开关队列T，在开关操作时若开关状态在操作之前就处于所需状态，则保持开关状态不变；

第八步：若X未空，则返回第一步。

2.根据权利要求1所述的母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，其特征在于：在步骤“D”中，所述的开关操作顺序应当满足以下要求：

⑴操作过程保持网络辐射方式运行；

⑵操作过程中不产生过负荷；

⑶操作过程中应尽快恢复为停电经济损失大的负荷供电。

3.根据权利要求1所述的母线失压故障供电恢复及开关操作顺序生成方法，其特征在于：所述的联络元件为正常运行的能加载故障区域负荷的元件。