CN109120009A - 计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；步骤2、在综合考虑故障恢复全时段潮流变化的基础上，利用低偏量随机模拟法进行主动配电网重构优化。本发明能够尽可能充分发挥DG的最大出力，恢复尽可能多的负荷，确保重要负荷的不间断供电。

Description

计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法

技术领域

本发明属于主动配电网故障恢复技术领域，涉及含分布式发电的配电网故障恢复，尤其是计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法。

背景技术

分布式发电(Distribution Generation,DG)技术以其独有的经济性和环保性得到了人们的普遍关注。与配电网联合为用户供电，不仅能够提高电能质量，还能一定程度上提高供电的可靠性。然而DG接入后，配电网结构从传统的单电源辐射状改变成多源多端的网络，结构和潮流的改变也使得运行和控制***更加复杂。尤其当一些出力具有不确定性和波动性的DG(比如风力发电机)接入配电网，在配电网内产生随机潮流，使得传统的故障恢复重构策略不再适用，因此需要研究针对含波动性DG的配电网故障恢复策略。

目前，含分布式发电的配电网关于故障恢复的研究重心是放在孤岛的划分与重构上。有的通过合理的孤岛运行恢复失电负荷，利用启发式搜索得到满足功率平衡的孤岛划分方案。有的利用配电网故障恢复时具有的层次、自上而下的特点建立启发式搜索规则，大大减小了计算量。有的将孤岛划分问题转变成联通图的最小生成树的求解问题，通过对连通图的搜索确定孤岛范围，保证重要负荷的持续供电。这些研究假定全部DG都可以带孤岛运行，未计及DG的类型及其出力特性，使得所得到的孤岛划分方案具有局限性。

有的通过在配电网故障恢复模型中引入区间数，以描述DG出力的波动性，但是这种区间数模拟只能在某一区间内模拟DG出力，不能反映DG的全部出力范围。有的通过将风机出力分为欠额输出、零输出、额定输出三个典型场景，但是实际中风机处在欠额定状态下概率较大，不能较好模拟风机出力的随机性。有的同时考虑了DG孤岛运行和主网重构进行故障恢复，但是主网重构方案大都是基于某一时刻潮流断面，其重构结果往往是满足某一特定情况，限制了方案的实用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，能够尽可能充分发挥DG的最大出力，恢复尽可能多的负荷，确保重要负荷的不间断供电。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，包括以下步骤：

步骤1、基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；

步骤2、在综合考虑故障恢复全时段潮流变化的基础上，利用低偏量随机模拟法进行主动配电网重构优化；

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)建立孤岛划分数学模型：

目标函数为：

式中L_j表示集合H_i中的负荷；H_i表示第i个孤岛集合；λ_Lj表示L_j的权重；本发明定义一、二、三级负荷权重依次为100、10、1；N表示孤岛的个数；P_Li表示第i个负荷的大小；

不等式约束为：

式中：P_DGi表示第i个DG的容量，n表示DG的总个数，P_Pi表示第i个负荷的大小，k为负荷总个数；U_i表示节点i的电压，U_imax表示节点i电压最大值，U_imin表示节点i电压最小值；S_i表示支路i上的功率，S_imax表示支路i上最大容许功率；g_i为形成孤岛以后的网络，G为所允许的辐射状网络结构；K_p表示孤岛运行静态稳定裕度，稳定裕度水平需要不小于一定数值；

(2)基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)建立主动配电网故障恢复重构优化数学模型；

以网损期望最小以及开关操作次数最少为目标，具体的数学模型如下：

目标函数为：

式中：P_loss表示***网损；E表示网损的期望；N_LHS表示抽样次数；N_L表示支路数；I_i，k表示第i次抽样支路k上的电流，i＝1,2,···,N_LHS；r_k表示第k条支路的电阻，k＝1,2,···,N_L；s代表开关数，当开关j状态发生变化时，y_j取1，否则取0；

不等式约束为：

式中：P_r表示事件成立的概率；U_i表示节点i的电压；U_imax表示节点i电压最大值；U_imin表示节点i电压最小值；β_U表示电压约束的置信水平；S_i表示支路i上的功率；S_imax表示支路i上最大容许功率；β_I表示支路潮流约束的置信水平；g_i为重构以后的网络；G为所允许的辐射状网络结构；

(2)采用NSGA2算法进行求解主动配电网故障恢复重构优化模型。

而且，所述步骤1的第(2)步的具体步骤包括：

①以所有可靠性DG节点以及初始孤岛为根节点进行广度优先搜索，直到搜索到所有与DG节点相邻接的负荷节点，并且按照负荷权重乘积大小排序；

②排列之后按顺序将负荷权重乘积最大的负荷节点融合进孤岛；

③分别进行功率约束条件、节点电压约束条件、支路电流约束条件等进行判断，如果结果都满足上述约束条件，则返回第一步进行新的节点融合；如果不满足上述约束条件则进行下一步；

④选择负荷权重乘积大小排序中第二大的节点并入孤岛，并进行是否满足约束条件的判断；以此类推，按负荷权重乘积大小排序依次进行如此操作，直到所有负荷节点都不满足约束，则孤岛扩展过程结束；

⑤当得到的单个孤岛划分方案中，某两个或者多个孤岛内含有同一负荷点时，这表明孤岛区域有重合的部分，则需要将有负荷节点重叠的孤岛进行融合。

而且，所述步骤2第(2)步的具体步骤包括：

①获取配电网***数据以及故障相关信息：包括网络结构参数、负荷节点数据、支路阻抗数据、分布式电源参数、故障支路等；

②通过网络拓扑分析确定未发生故障但失电的区域，即待恢复供电区域；

③根据负荷可控情况选择进行负荷控制或者孤岛划分保证重要负荷不断电；

④将DG看做PQ节点，修改***中相应数据；

⑤染色体编码初始化；

⑥由拟蒙特卡洛模拟方法生成Sobol序列；并根据风机出力和风速关系分段函数得到风机出力；

⑦将风机出力带入潮流计算数学模型进行随机潮流计算，根据潮流计算结果进行置信水平校验；

⑧计算目标函数f1和f2；

⑨利用NSGA2算法求解数学模型，得到最优故障重构方案，恢复所有失电负荷。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明在充分考虑分布式电源类型的基础上，提供一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复策略，为发挥分布式电源最大出力，首先形成合理运行的孤岛保证一部分重要负荷的连续供电，然后在孤岛运行的基础上对整个配电网***进行重构以恢复全部失电负荷。

2、本发明提出了一种深度和广度交替联合搜索策略的孤岛划分方法，能够发挥分布式电源的最大出力恢复失电负荷，尽可能充分发挥DG的最大出力，恢复尽可能多的负荷，确保重要负荷的不间断供电。

3、本发明采用一种低偏量随机模拟法描述DG出力的波动性，利用低偏量随机模拟法模拟不确定因素，并进行随机潮流计算，能够在保证模拟精度的同时减小计算量，提高计算效率。

4、本发明克服了传统多目标重构优化的主观性以及一次优化只能得到一个解的缺点，通过建立考虑风电出力不确定性的基于机会约束规划的配电网重构优化模型，利用NSGA2算法求出多目标重构优化问题的Pareto最优解，决策者可以从Pareto最优解中根据实际需要选择相应的重构方案。

附图说明

图1是本发明的孤岛划分算法流程图；

图2是本发明的NSGA2算法基本流程图；

图3是本发明的主动配电网故障恢复整体流程图；

图4是本发明的主动配电网孤岛划分结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：

步骤1、基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；

孤岛划分是一个带有多约束的组合优化问题，即在满足一系列***稳定运行约束条件下，求得使恢复失电负荷量最大的划分方案。本发明提出了一种深度和广度交替联合搜索策略进行孤岛划分，尽可能充分发挥DG的最大出力、恢复尽可能多的负荷的同时，在短时间内得到孤岛划分方案。

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)建立孤岛划分数学模型；

孤岛划分相关的具体的数学模型如下：

目标函数为：

式中：式中L_j表示集合H_i中的负荷；H_i表示第i个孤岛集合；λ_Lj表示L_j的权重；本发明定义一、二、三级负荷权重依次为100、10、1；N表示孤岛的个数；P_Li表示第i个负荷的大小；

不等式约束为：

式中：P_DGi表示第i个DG的容量，n表示DG的总个数，P_Li表示第i个负荷的大小，k为负荷总个数；U_i表示节点i的电压，U_imax表示节点i电压最大值，U_imin表示节点i电压最小值；S_i表示支路i上的功率，S_imax表示支路i上最大容许功率；g_i为形成孤岛以后的网络，G为所允许的辐射状网络结构；K_p表示孤岛运行静态稳定裕度，稳定裕度水平需要不小于一定数值。

(2)基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；

由于风力、光伏发电的出力具有间歇性和波动性，因此不能单独带孤岛运行，必须与可靠性DG联合形成组合孤岛为负荷供电。本发明提出了一种深度和广度交替联合搜索策略的孤岛划分方法。本孤岛划分方法为了确保这种非可靠性DG能够发挥最大出力，尽可能不让其切机退出运行，首先从所有非可靠性DG接入节点开始进行深度优先搜索，搜索到距离该非可靠性DG节点层级最近的可靠性DG节点，则两DG节点之间路径上的所有负荷节点以及两DG节点形成初始孤岛，然后再从所有初始孤岛以及其余可靠性DG节点出发进行孤岛扩展；

所述步骤1的第(2)步的具体步骤如图1所示包括：

①以所有可靠性DG节点以及初始孤岛为根节点进行广度优先搜索，直到搜索到所有与DG节点相邻接的负荷节点，并且按照负荷权重乘积大小排序；

②排列之后按顺序将负荷权重乘积最大的负荷节点融合进孤岛；

③分别进行功率约束条件、节点电压约束条件、支路电流约束条件等进行判断，如果结果都满足上述约束条件，则返回第一步进行新的节点融合；如果不满足上述约束条件则进行下一步；

④选择负荷权重乘积大小排序中第二大的节点并入孤岛，并进行是否满足约束条件的判断；以此类推，按负荷权重乘积大小排序依次进行如此操作，直到所有负荷节点都不满足约束，则孤岛扩展过程结束；

⑤当得到的单个孤岛划分方案中，某两个或者多个孤岛内含有同一负荷点时，这表明孤岛区域有重合的部分，则需要将有负荷节点重叠的孤岛进行融合。

步骤2、在综合考虑故障恢复全时段潮流变化的基础上，利用低偏量随机模拟法进行主动配电网重构优化；

配电网故障恢复重构是一个多目标、多约束、非线性的组合优化问题，也是一个“N-P”难问题。配电网发生故障后，在进行故障隔离的基础上，通过优化线路开关的组合，在满足一定网络运行约束条件的基础上，得到配电网重构方案，恢复尽可能多的停电负荷。本发明提出利用低偏量随机模拟法来模拟分布式电源出力的不确定性，然后建立基于机会约束规划的主动配电网故障恢复重构优化模型，进行配电网重构优化。

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)建立主动配电网故障恢复重构优化数学模型

本发明以网损期望最小以及开关操作次数最少为目标，具体的数学模型如下：

目标函数为：

式中：P_loss表示***网损；E表示网损的期望；N_LHS表示抽样次数；N_L表示支路数；I_i，k表示第i次抽样支路k上的电流，i＝1,2,···,N_LHS；r_k表示第k条支路的电阻，k＝1,2,···,N_L；s代表开关数，当开关j状态发生变化时，y_j取1，否则取0；

不等式约束为：

式中：P_r表示事件成立的概率；U_i表示节点i的电压；U_imax表示节点i电压最大值；U_imin表示节点i电压最小值；β_U表示电压约束的置信水平；S_i表示支路i上的功率；S_imax表示支路i上最大容许功率；β_I表示支路潮流约束的置信水平；g_i为重构以后的网络；G为所允许的辐射状网络结构；

(2)采用NSGA2算法进行求解主动配电网故障恢复重构优化模型；

如前所述，配电网故障恢复重构问题是一个典型的多目标、多约束、非线性组合优化问题。因此本发明采用NSGA2算法进行求解，具体流程图如图2和图3所示。

具体步骤如下：

1)获取配电网***数据以及故障相关信息：包括网络结构参数、负荷节点数据、支路阻抗数据、分布式电源参数、故障支路等；

2)通过网络拓扑分析确定未发生故障但失电的区域，即待恢复供电区域；

3)根据负荷可控情况选择进行负荷控制或者孤岛划分保证重要负荷不断电；

4)将DG看做PQ节点，修改***中相应数据；

5)染色体编码初始化；

6)由拟蒙特卡洛模拟方法生成Sobol序列；并根据风机出力和风速关系分段函数得到风机出力；

7)将风机出力带入潮流计算数学模型进行随机潮流计算，根据潮流计算结果进行置信水平校验；

8)计算目标函数f1和f2；

9)利用NSGA2算法求解数学模型，得到最优故障重构方案，恢复所有失电负荷。

计及风力、光伏发电的出力的间歇性和波动性，本发明提出利用低偏量随机模拟法来模拟分布式电源出力的不确定性，有效解决了传统主动配电网故障恢复策略在求解主网重构方案时，大都是基于某一时刻潮流断面、而没有考虑DG出力的间歇性和波动性对重构方案的影响的问题，实现了在故障恢复全时段考虑潮流变化，重构过程中动态潮流的实现，大大提高了重构方***性，也更加符合实际情况的需要。

低偏量随机模拟法，通过产生低偏差量的拟随机序列来模拟实际样本中的概率分布，通过有效的空间覆盖和更好的分布均匀性，在同等抽样规模下，具有更高的模拟精度。本发明将不确定因素比如风速看作随机变量，根据其分布特性建立概率密度模型，然后采用低偏量随机模拟法模拟随机变量并代入到潮流计算中，统计分析潮流计算结果，得到所需统计量的概率分布。

在本实施例中，以IEEE33节点配电网***为例，进行详细说明：

用IEEE33节点配电网***，负荷等级如表1所示，各DG类型、容量及接入位置见表2。故障前时刻风机出力为218kW，假设线路2-3发生故障并以进行隔离，利用本发明所提出的算法进行故障恢复。风机的额定功率时风速为10m/s，切入风速为4m/s，切出风速为22m/s，风速标准差为2.66m/s，风速平均值为8m/s。

表1各负荷节点参数

表2 DG接入位置、类型及容量

DG编号	电源类型	接入节点编号	额定容量(kW)
				DG1	储能电站	11	300
DG2	燃料电池	27	350
				DG3	风力发电	29	250

利用本发明所提出的基于深度和广度交替联合策略进行孤岛划分，每个DG的供电范围如图4所示：虚线所画部分代表划分的两个孤岛，此时线路仍然处于故障之中，节点之间连接方式仍和初始的IEEE33节点配电网***一样，孤岛1为由DG1单独供电的单元孤岛；孤岛2为DG2与DG3组成的组合孤岛联合供电。它们各自包含的负荷如表3所示。

表3含DG配电网孤岛划分方案

孤岛编号	孤岛内DG	负荷节点	孤岛类型
				1	DG1	11、12、13	单元孤岛
2	DG2、DG3	26、27、28、29	组合孤岛

在孤岛实时解列的基础上，统计配电网内各开关状态，修改配电网节点负荷矩阵和节点支路矩阵相应数据，利用本发明所述的NSGA2算法进行配电网重构。

利用低偏量随机模拟法模拟得到100个风速模拟抽样数据，进而求得风机出力。根据DG实际情况，本发明取节点电压、支路负载约束置信度水平为0.9，优化结果如表4所示。分析结果可以看出，方案1和方案2分别使得网损期望值最小、开关操作次数最少，实际中调度员可根据具体情况选择重构方案。

表4主动配电网重构优化结果

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分；

步骤2、在综合考虑故障恢复全时段潮流变化的基础上，利用低偏量随机模拟法进行主动配电网重构优化。

2.根据权利要求1所述的一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)建立孤岛划分数学模型：

目标函数为：

式中L_j表示集合H_i中的负荷；H_i表示第i个孤岛集合；λ_Lj表示L_j的权重；本发明定义一、二、三级负荷权重依次为100、10、1；N表示孤岛的个数；P_Li表示第i个负荷的大小；

不等式约束为：

式中：P_DGi表示第i个DG的容量，n表示DG的总个数，P_Li表示第i个负荷的大小，k为负荷总个数；U_i表示节点i的电压，U_imax表示节点i电压最大值，U_imin表示节点i电压最小值；S_i表示支路i上的功率，S_imax表示支路i上最大容许功率；g_i为形成孤岛以后的网络，G为所允许的辐射状网络结构；K_p表示孤岛运行静态稳定裕度，稳定裕度水平需要不小于一定数值；

(2)基于深度和广度交替联合策略进行主动配电网孤岛划分。

3.根据权利要求1所述的一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)建立主动配电网故障恢复重构优化数学模型；

以网损期望最小以及开关操作次数最少为目标，具体的数学模型如下：

目标函数为：

式中：P_loss表示***网损；E表示网损的期望；N_LHS表示抽样次数；N_L表示支路数；I_i，k表示第i次抽样支路k上的电流，i＝1,2,…,N_LHS；r_k表示第k条支路的电阻，k＝1,2,…,N_L；s代表开关数，当开关j状态发生变化时，y_j取1，否则取0；

不等式约束为：

式中：P_r表示事件成立的概率；U_i表示节点i的电压；U_imax表示节点i电压最大值；U_imin表示节点i电压最小值；β_U表示电压约束的置信水平；S_i表示支路i上的功率；S_imax表示支路i上最大容许功率；β_I表示支路潮流约束的置信水平；g_i为重构以后的网络；G为所允许的辐射状网络结构；

(2)采用NSGA2算法进行求解主动配电网故障恢复重构优化模型。

4.根据权利要求2所述的一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其特征在于：所述步骤1的第(2)步的具体步骤包括：

①以所有可靠性DG节点以及初始孤岛为根节点进行广度优先搜索，直到搜索到所有与DG节点相邻接的负荷节点，并且按照负荷权重乘积大小排序；

②排列之后按顺序将负荷权重乘积最大的负荷节点融合进孤岛；

③分别进行功率约束条件、节点电压约束条件、支路电流约束条件等进行判断，如果结果都满足上述约束条件，则返回第一步进行新的节点融合；如果不满足上述约束条件则进行下一步；

④选择负荷权重乘积大小排序中第二大的节点并入孤岛，并进行是否满足约束条件的判断；以此类推，按负荷权重乘积大小排序依次进行如此操作，直到所有负荷节点都不满足约束，则孤岛扩展过程结束；

⑤当得到的单个孤岛划分方案中，某两个或者多个孤岛内含有同一负荷点时，这表明孤岛区域有重合的部分，则需要将有负荷节点重叠的孤岛进行融合。

5.根据权利要求3所述的一种计及分布式电源出力随机变化的主动配电网故障恢复方法，其特征在于：所述步骤2第(2)步的具体步骤包括：

①获取配电网***数据以及故障相关信息：包括网络结构参数、负荷节点数据、支路阻抗数据、分布式电源参数、故障支路等；

②通过网络拓扑分析确定未发生故障但失电的区域，即待恢复供电区域；

③根据负荷可控情况选择进行负荷控制或者孤岛划分保证重要负荷不断电；

④将DG看做PQ节点，修改***中相应数据；

⑤染色体编码初始化；

⑥由拟蒙特卡洛模拟方法生成Sobol序列；并根据风机出力和风速关系分段函数得到风机出力；

⑦将风机出力带入潮流计算数学模型进行随机潮流计算，根据潮流计算结果进行置信水平校验；

⑧计算目标函数f1和f2；

⑨利用NSGA2算法求解数学模型，得到最优故障重构方案，恢复所有失电负荷。