CN109768546A - 基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法：根据选定的配电***确定其结构及参数；依据配电***结构及参数，建立基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复模型；将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充潮流约束，得到修正后的有源配电网供电恢复模型；将得到的有源配电网供电恢复模型采用内点法进行求解；输出求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、智能软开关控制策略、分段/联络开关状态。本发明充分利用了多智能软开关资源，有效发挥了它们的潮流控制，电压控制能力，基于对多个智能软开关控制方式，传输功率的协调，在满足配电网基本运行要求的同时实现了配电网在供电恢复时的优化运行。

Description

基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法

技术领域

本发明涉及一种有源配电网供电恢复方法。特别是涉及一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法。

背景技术

配电网供电恢复是通常指当配电网中发生永久性故障后，通过调整分段开关和联络开关的状态，改变配电网的拓扑结构，对非故障失电区域进行恢复供电。由于要综合考虑开关操作次数、负荷恢复水平、网络拓扑约束、负荷重要等级等因素，配电网供电恢复是一个多目标复杂非线性优化问题。随着分布式电源(distributed generator，DG)的大量接入，使传统的辐射状配电网变成了多电源***，由此带来了配电网结构和运行方式的根本性改变，从而使配电网供电恢复问题变得更加复杂。

智能软开关(soft open point，SOP)是取代传统联络开关的一种新型智能配电装置，智能软开关的应用将极大地提高配电***运行的灵活性和可控性，对此国内外已有学者开展了初步研究，但对多个智能软开关在有源配电网故障自愈过程中发挥的作用以及其协调策略却较少涉及。与联络开关相比，智能软开关的功率控制更加安全可靠，避免了开关操作可能带来的安全隐患。在故障发生时，由于直流隔离的作用，能够有效阻止故障电流穿越；在供电恢复过程中，能够为故障侧提供有效的电压支撑以及功率支撑，从而可以扩大供电恢复范围。

目前已有的配电网供电恢复方法多采用网络重构来实现，而通过智能软开关等新型电力电子装置来实现配电网供电恢复，并考虑多个智能软开关策略间的协调配合来制定供电恢复方案的研究尚属于空白。在仅有一个智能软开关的配电网中针对不同故障，智能软开关的控制策略较容易获得；但对于包含多个智能软开关的配电网的供电恢复而言，多个智能软开关的协调配合策略尚不清晰。因此，急需一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，用以解决故障隔离后，在保证电压水平前提下的配电网供电恢复问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电***，输入支路参数、负荷水平、负荷等级、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，***故障位置，基准电压和基准功率初值；

2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复模型，包括：设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数，分别考虑***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、智能软开关运行约束、***拓扑约束和多智能软开关协调运行约束；

3)将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充潮流约束，得到修正后的有源配电网供电恢复模型；

4)将步骤3)得到的有源配电网供电恢复模型采用内点法进行求解；

5)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、智能软开关控制策略、分段/联络开关状态。

步骤2)所述的设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数表示为maxf＝ω_Rf_R+ω_Lf_L+ω_Sf_S

式中，Ω_n表示所有节点的集合；Ω_b表示所有支路的集合；ω_R、ω_L、ω_S分别对应为***负荷恢复f_R、***损耗f_L、开关动作次数f_S的权重系数，其中ω_R为正数，ω_L和ω_S为负数，且ω_R＞＞|ω_L|，ω_R＞＞|ω_S|；f为目标函数；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_i∈[0,1]；π_i为节点i上负荷的等级系数；是节点i的有功负荷；R_ij表示支路ij的电阻；I_ij表示支路ij上流过的电流；表示智能软开关在节点i处换流器的有功损耗；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开；代表支路ij故障前通断状态。

步骤2)所述的多智能软开关协调运行约束表示为：

α_ij＝β_ij+β_ji,ij∈Ω_b

α_ij∈{0,1}

0≤β_ij≤1,0≤β_ji≤1

式中，Ω_b表示所有支路的集合；Ω_SOP表示***中智能软开关的集合；表示智能软开关所接入的节点的集合；i、j为智能软开关所接入配电***的节点编号；U₀为故障侧节点电压基准值；为表示第k个SOP控制模式的二进制变量，表示节点i处的智能软开关提供电压支撑，即采用V/f控制，表示节点i处的智能软开关不提供电压支撑；β_ij表示节点i、j关系的辅助变量，β_ij＝1表示节点i为节点j的子节点，β_ij＝0表示节点i为节点j的父节点；M表示一个常数；U_i为节点i处的电压；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开。

步骤3)所述的将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充潮流约束，表示为：

-Mα_ij≤P_ij≤Mα_ij

-Mα_ij≤Q_ij≤Mα_ij

式中，U_i为节点i处的电压；U_j为节点j处的电压；R_ij表示支路ij的电阻；X_ij表示支路ij的电抗；I_ij表示支路ij上流过的电流；P_i和Q_i分别表示注入节点i的净有功和无功功率；P_ij表示支路ij上i节点注入的有功功率；Q_ij表示支路ij上i节点注入的无功功率；为节点i上负荷消耗的无功功率；分别为智能软开关在节点i上注入的有功功率和无功功率；分别为分布式电源在节点i上注入的有功功率和无功功率；其中，将第一组式子替换为后一组式子，即将原来的潮流约束改为修正后的潮流约束，表示仅α_ij＝1时，支路上出现电流及功率。

本发明的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，解决了多个智能软开关在配电网中故障后进行供电恢复时的协调控制问题，充分利用了多智能软开关资源，有效发挥了它们的潮流控制，电压控制能力，基于对多个智能软开关控制方式，传输功率的协调，在满足配电网基本运行要求的同时实现了配电网在供电恢复时的优化运行。

附图说明

图1是本发明的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法流程图；

图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；

图3是本发明实例采用方案1进行供电恢复的示意图；

图4是本发明实例采用方案2进行供电恢复的示意图；

图5是本发明实例采用方案3进行供电恢复的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电***，输入支路参数、负荷水平、负荷等级、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，***故障位置，基准电压和基准功率初值；

2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复模型，包括：设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数，分别考虑***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、智能软开关运行约束、***拓扑约束和多智能软开关协调运行约束；其中，

(1)所述的设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数表示为

maxf＝ω_Rf_R+ω_Lf_L+ω_Sf_S (1)

式中，Ω_n表示所有节点的集合；Ω_b表示所有支路的集合；ω_R、ω_L、ω_S分别对应为***负荷恢复f_R、***损耗f_L、开关动作次数f_S的权重系数，其中ω_R为正数，ω_L和ω_S为负数，且ω_R＞＞|ω_L|，ω_R＞＞|ω_S|；f为目标函数；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_i∈[0,1]；π_i为节点i上负荷的等级系数；是节点i的有功负荷；R_ij表示支路ij的电阻；I_ij表示支路ij上流过的电流；表示智能软开关在节点i处换流器的有功损耗；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开；代表支路ij故障前通断状态。

(2)所述的***潮流约束表示为

式中，P_ji表示支路ji上j端注入的有功功率；Q_ji表示支路ji上j端注入的无功功率；U_i、U_j分别为节点i、j的电压幅值；X_ij表示支路ij的电抗；P_i和Q_i分别表示注入节点i的净有功和无功功率；分别为节点i上负荷消耗的有功功率和无功功率；分别为智能软开关在节点i上注入的有功功率和无功功率；分别为分布式电源在节点i上注入的有功功率和无功功率。

(3)所述的运行电压约束和支路电流约束表示为

式中，和U分别为节点i电压幅值的上下限，是支路ij的电流幅值上限。此式表示***中的电压电流不可越线，维持***安全运行。

(4)所述的智能软开关运行约束表示为

式中，i、j为智能软开关所接入配电***的节点编号；和为智能软开关损耗系数；和为接在节点i、j换流器的容量。

(5)***拓扑约束

式中，Ω_s为所有源节点的集合；表示智能软开关所接入的节点的集合；β_ij表示i、j节点关系的辅助变量，β_ij＝1表示i为j节点的子节点，β_ij＝0表示i为j节点的父节点。式(18)和(19)约定了配电网中除有源节点外的节点都有唯一的供电来源。

(6)所述的多智能软开关协调运行约束表示为：

α_ij＝β_ij+β_ji,ij∈Ω_b (23)

α_ij∈{0,1} (24)

0≤β_ij≤1,0≤β_ji≤1 (25)

式中，Ω_b表示所有支路的集合；Ω_SOP表示***中智能软开关的集合；表示智能软开关所接入的节点的集合；i、j为智能软开关所接入配电***的节点编号；U₀为故障侧节点电压基准值；为表示第k个SOP控制模式的二进制变量，表示节点i处的智能软开关提供电压支撑，即采用V/f控制，表示节点i处的智能软开关不提供电压支撑；β_ij表示节点i、j关系的辅助变量，β_ij＝1表示节点i为节点j的子节点，β_ij＝0表示节点i为节点j的父节点；M表示一个常数；U_i为节点i处的电压；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开。

3)将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充了潮流约束，如下：

-Mα_ij≤P_ij≤Mα_ij (40)

-Mα_ij≤Q_ij≤Mα_ij (41)

其中，将(26)～(31)式替换为(32)～(41)式，表示仅α_ij＝1时，支路上出现电流及功率。

从而得到修正后的有源配电网供电恢复模型。

4)将步骤3)得到的有源配电网供电恢复模型采用内点法进行求解；

5)输出步骤4)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、智能软开关控制策略、分段/联络开关状态。

本发明建立了基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复模型，并采用内点法进行求解，得到全***的供电恢复方案。

对于本发明的实施例，首先输入IEEE 33节点***中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示详细参数见表1～表3，各节点负荷等级见表4；设定两组智能软开关接入配电网，取代节点12和22、节点18和33之间的联络开关，每组智能软开关的容量为1.0MVA，损耗系数为0.02，故障侧节点电压标幺值基准值为1.0，规定从直流侧传递到交流侧的功率方向为正方向；设置支路2-3之间发生永久性三相故障，经故障隔离后，节点3-18节点与23-33节点所带负荷全部失电，失电有功负荷总量为3.255MW；最后设定***的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。

本实施例中，采用三种方案进行有源配电网供电恢复：

方案1：不采用智能软开关，仅依靠网络重构进行供电恢复；

方案2：采用一组智能软开关接入节点18与33之间，同时考虑网络重构，进行供电恢复；

方案3：接入两组智能软开关，分别接入节点12与22、节点18与33之间，采用本发明方法进行供电恢复。

方案1至方案3供电恢复结果如图3至图5所示，不同方案供电恢复结果对比见表5，智能软开关控制策略见表6。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Core(TM)i5-5200U CPU，主频为2.20GHz，内存为4GB；软件环境为Windows 10操作***。

可以看出，基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法具有很好的应用效果。综合考虑各节点负荷等级，合理制定供电恢复方案，优先保障失电区域重要负荷的全部恢复供电；考虑了多智能软开关协调配合的影响，提升了整个***的供电恢复水平。

表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率

表2 IEEE33节点算例支路参数

表3分布式电源位置及容量

接入位置	7	13	17	20	24	30
							容量/kVA	300	300	200	200	300	300

表4 IEEE33节点算例负荷等级

负荷等级	等级系数	节点
			一级负荷	100	7,8,9,10,17,18
二级负荷	10	11,12,13,14,15,16,19,20,21,22
			三级负荷	1	2,3,4,5,6,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33

表5供电恢复结果对比

方案	I	II	III
				***负荷总量/kW	3715.0	3715.0	3715.0
***恢复负荷总量/kW	2619.9	3460.2	3715.0
				***恢复负荷百分比	70.52％	93.14％	100.00％
失电区域负荷总量/kW	3255.0	3255.0	3255.0
				失电区域恢复负荷总量/kW	2159.9	3000.2	3255.0
失电区域恢复负荷百分比	66.36％	92.17％	100.00％

表6智能软开关控制方案

Claims (4)

1.一种基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据选定的配电***，输入支路参数、负荷水平、负荷等级、网络拓扑连接关系，***运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，***故障位置，基准电压和基准功率初值；

2)依据步骤1)提供的配电***结构及参数，建立基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复模型，包括：设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数，分别考虑***潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、智能软开关运行约束、***拓扑约束和多智能软开关协调运行约束；

3)将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充潮流约束，得到修正后的有源配电网供电恢复模型；

4)将步骤3)得到的有源配电网供电恢复模型采用内点法进行求解；

5)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、智能软开关控制策略、分段/联络开关状态。

2.根据权利要求1所述的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，其特征在于，步骤2)所述的设定配电***恢复的有功负荷、***损耗以及开关动作次数的加权和为目标函数表示为

maxf＝ω_Rf_R+ω_Lf_L+ω_Sf_S

式中，Ω_n表示所有节点的集合；Ω_b表示所有支路的集合；ω_R、ω_L、ω_S分别对应为***负荷恢复f_R、***损耗f_L、开关动作次数f_S的权重系数，其中ω_R为正数，ω_L和ω_S为负数，且ω_R＞＞|ω_L|，ω_R＞＞|ω_S|；f为目标函数；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_I∈[0,1]；π_i为节点i上负荷的等级系数；是节点i的有功负荷；R_ij表示支路ij的电阻；I_ij表示支路ij上流过的电流；表示智能软开关在节点i处换流器的有功损耗；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开；代表支路ij故障前通断状态。

3.根据权利要求1所述的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，其特征在于，步骤2)所述的多智能软开关协调运行约束表示为：

α_ij＝β_ij+β_ji,ij∈Ω_b

α_ij∈{0,1}

0≤β_ij≤1,0≤β_ji≤1

式中，Ω_b表示所有支路的集合；Ω_SOP表示***中智能软开关的集合；表示智能软开关所接入的节点的集合；i、j为智能软开关所接入配电***的节点编号；U₀为故障侧节点电压基准值；为表示第k个SOP控制模式的二进制变量，表示节点i处的智能软开关提供电压支撑，即采用V/f控制，表示节点i处的智能软开关不提供电压支撑；β_ij表示节点i、j关系的辅助变量，β_ij＝1表示节点i为节点j的子节点，β_ij＝0表示节点i为节点j的父节点；M表示一个常数；U_i为节点i处的电压；α_ij为表示支路ij通断的二进制变量，α_ij＝1代表支路ij所连的开关闭合，α_ij＝0代表断开。

4.根据权利要1所述的基于多智能软开关协调的有源配电网供电恢复方法，其特征在于，步骤3)所述的将开关状态与***潮流约束相结合，修正并补充潮流约束，表示为：

-Mα_ij≤P_ij≤Mα_ij

-Mα_ij≤Q_ij≤Mα_ij

式中，U_I为节点I处的电压；U_j为节点j处的电压；R_ij表示支路ij的电阻；X_ij表示支路ij的电抗；I_ij表示支路ij上流过的电流；P_i和Q_i分别表示注入节点i的净有功和无功功率；P_ij表示支路ij上i节点注入的有功功率；Q_ij表示支路ij上i节点注入的无功功率；为节点I上负荷消耗的无功功率；分别为智能软开关在节点I上注入的有功功率和无功功率；分别为分布式电源在节点i上注入的有功功率和无功功率；其中，将第一组式子替换为后一组式子，即将原来的潮流约束改为修正后的潮流约束，表示仅α_ij＝1时，支路上出现电流及功率。