CN111555280A - 基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电‑气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，包括：根据故障处对网络进行潮流建模；以全部恢复失负荷量灾后恢复策略费用最低为目标，对网络重构、柴油发电机及燃气轮机三种灾后恢复措施模型得到最优协调方案；判断形成的微电网是否满足可靠性运行条件，若不满足，以路径最优方案移动MESS，直至形成的微电网满足可靠性运行条件。本公开基于电‑气综合能源的弹性配电网灾后恢复控制运行方法，通过网络重构、柴油发电机或MESS和天然气网络通过燃气轮机的能量供给三种优化策略，以灾后恢复策略费用最低为优化目标，提高了配电网的弹性，以拯救失负荷量为负荷约束条件，保证了快速有效最大化恢复供电负荷。

Description

基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法

技术领域

本公开属于弹性配电网***优化技术领域，尤其涉及基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，随着全球温度升高及环境污染日益加重，极端天气频发。据统计，我国平均每年登录的台风高达9.09个，台风、地震、暴雪等极端事件不仅会造成经济损失，还会威胁人们的生命安全，进而阻碍社会经济的发展。电能的利用已经渗透到生活的方方面面，若想减少经济损失，加快灾后重建，快速恢复正常生活状态，电能的持续不间断是必不可少的。配电网中作为提供电能这一重要能源的根本，必须承担起不受灾害严重影响持续供电以供灾后重建的任务。因此，如何使配电网的灾后恢复具有快速性、高效性、经济性是目前亟待开展的课题。

目前，综合能源***中配电网的灾后恢复的研究思路有多种，其采用的模型与方法均有所不同。在建模方法方面，常用的方法主要有两种，一种是基于电网、天然气网络物理描述的简化数学模型，另一种是基于能源集线器的建模方法。在问题构建方面，一类研究通过选取典型故障场景进行计算，另一类研究采用随机故障场景、不确定性故障断线集与决策变量优化的方法全面考虑故障场景情况，但是多数研究的探究对象只针对于配电网。在优化目标方面，大多的研究集中在拯救***失负荷量最大，对于配电网灾后恢复的经济性考虑较少。在研究内容方面，多数的研究只采用一种或两种措施共同优化，恢复失负荷供电，鲜有研究通过多种优化措施在保证安全经济的同时，给出多种恢复措施的优化组合。在优化方法方面，一类研究采用列与约束生成(Column-and-Constraint Generationalgorithm, C&CG)算法或Benders算法等多层迭代算法，另一类研究采用建模求解器求解的方法，还有少部分研究采用的蚁群算法等智能算法，迭代算法一般存在建模比较复杂，较难收敛的问题，而智能算法具有易陷入局部最优解的缺点。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，在保证配电网灾后***大部分负荷恢复供电的基础上将多种灾后恢复措施进行优化调整。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，包括：

根据故障处对网络进行潮流建模；

以全部恢复失负荷量灾后恢复策略费用最低为目标，基于网络重构、柴油发电机及燃气轮机三种灾后恢复措施模型得到最优协调方案；

判断形成的微电网是否满足可靠性运行条件，若不满足，以路径最优方案移动MESS，直至形成的微电网满足可靠性运行条件。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)本公开基于电-气综合能源的弹性配电网灾后恢复控制运行方法，通过网络重构、柴油发电机或MESS和天然气网络通过燃气轮机的能量支撑三种优化策略，以灾后恢复策略费用最低为优化目标，提高了配电网的弹性，以拯救失负荷量为负荷约束条件，保证了快速有效最大恢复供电负荷。

(2)给出三种灾后恢复措施的最优协调方案，指导配电网在保证全部恢复供电负荷的同时，最小化配电网灾后恢复费用，保证配电网灾后恢复运行的安全性、可靠性、经济性。

(3)通过MESS的移动，保证网络重构后的微电网内能够满足较长时间安全可靠运行的要求。

(4)通过对配电网进行网格化划分，优化出MESS的最优移动路径，保证了MESS的移动费用和移动时间达到最优。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中提供的灾后恢复策略详细流程图；

图2为本公开实施例一中提供的分布式计算框架图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为减少配电网灾后恢复的恢复措施费用，保证配电网灾后大部分恢复供电的同时，提高配电网灾后恢复的经济性。本公开提出了一种基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制***和方法。所提发明可满足配电网灾后快速可靠恢复供电的同时，提高配电网的经济性，保证配电网灾后运行的安全性、可靠性和经济性。

配电网的弹性提升方法按照时间的先后顺序分为如图1所示的四个阶段，弹性规划、预防响应、紧急响应和灾后恢复。弹性规划主要是正常运行阶段通过配置资源和规划网络线路提高配电网的抵御灾害的能力；预防响应主要针对预测到灾害来临前对配电网采取一定的措施提高配电网抵御灾害的能力；紧急相应主要是针对灾害发生后短暂时间内***运行如何再调整恢复配电网正常运行状态；灾后恢复主要是配电网弹性提升的最后一个阶段，在保证灾后负荷几乎完全恢复供电的同时，提高配电网灾后恢复的经济性，优化弹性提高措施的手段。配电网本公开针对的弹性提升方法主要是图1所示的第四阶段-灾后恢复。

实施例一

本实施例公开了基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，具体实施流程如图2所示，在故障发生后经过弹性配电网的紧急响应后，能够保证弹性配电网中的大部分负荷恢复供电的基础上，首先针对配电网的现有状态进行潮流建模，其次以灾后恢复策略费用最低为优化目标，对网络重构、柴油发电机或者MESS、燃气轮机三种恢复策略进行优化调整，通过最小化费用为目标函数进行模型求解，最后判断形成微电网是否满足可靠运行的条件，若满足运行条件输出最优灾后恢复策略；若不满足根据路径最优方案移动MESS。

本实施例中，基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法参照图2，具体为首先根据故障位置对网络进行潮流建模；其次在保证大部分负荷供电恢复的基础上，通过建立网络重构、燃气轮机和柴油发电机或者调用MESS三种灾后恢复措施模型，以灾后恢复措施的费用最低为优化目标，考虑配电网网络重构约束、天然气网络约束、能量转换设备约束、***安装元件约束、恢复负荷约束等，给出三种优化措施的灾后恢复策略组合；最后对方案结果进行判断形成的微电网是否满足可靠运行的条件，根据所建立的配电网路径模型以最短移动时间为优化目标移动MESS，再次进行方案优化，直至网络重构的微电网拓扑结构满足安全运行的条件结束优化。本题中的优化问题采用Gurobi求解器进行求解。

其中，所述给出最优多种措施最优的协调方案中，以全部恢复供电负荷为约束条件，通过配电网中的燃气轮机的安装地点和光伏安装地点进行网络重构，保证负荷供电，缺失部分通过MESS移动或者添加柴油发电机供给，保证负荷全部恢复供电，在此基础上，以各种恢复措施的费用最低为优化目标，给出经济最优的灾后恢复策略。

验证所形成的微电网能否满足正常安全可靠运行的条件。

若满足给出最后在满足全部恢复供电负荷的基础上经济最优的灾后恢复策略；若不满足根据路径最优方案给出MESS移动的最优路线使形成的微电网全部满足正常可靠运行的方案。

其中，若网络重构后形成的微电网中只含有光伏或只含有储能都不能满足微电网安全可靠的运行，因此需要选择时间最短的路径移动MESS给出 MESS的最优移动路线方案。

关键问题解释：

1、配电网网络约束及重构约束

配电网的潮流模型采用如下所示的线性化处理的DistFlow潮流模型。

式中：k(i，j)表示起止节点分别为i，j的线路k，e表示节点；Ω^DL表示弹性配电网中线路集合；

和

分别表示t时刻，线路k上流过的有功和无功功率；

和

分别表示t时刻节点e处注入的有功和无功功率；

表示节点i在t时刻的电压幅值；α_i,j为二进制变量，表示以i，j为起止点的线路的通断状态，若线路通则α_i,j＝1，否则为0；R_i,j和X_i,j分别表示线路的电阻和电抗；

和

分别表示节点e安装的光伏在t时刻所被配电网吸收的有功和无功功率；和分别表示节点e安装的储能在t时刻放出的有功和无功功率；

和

分别表示节点e在t时刻的恢复负荷量；

和

分别表示节点e安装的储能在t时刻充进的有功和无功功率；P_max和Q_max分别表示线路允许通过的最大有功和无功功率；S_k,max表示线路k最大载流量；U_min和 U_max分别表示正常运行时，电压允许的最小值和最大值；

表示点e在t时刻的负荷量；E和B分别表示配电网中节点的数量和故障后规划的形成孤岛的数量；M为采用的大M法处理线路电压时选择的数。

2、天然气潮流约束

采用动态天然气传输方程

P＝c²ρ (15)

其中A_ij、L_ij、d_ij分别为管道截面积、长度、直径，M_j，t+1为t+1时刻第j个观测节点质量流量，M_i，t+1为t+1时刻第j个观测节点质量流量，M_j，t为t时刻第j个观测节点质量流量，M_i，t为t时刻第j个观测节点质量流量， p_j，t+1为t+1时刻第j个观测节点压强，p_i，t+1为t+1时刻第i个观测节点压强， p_j，t为t时刻第j个观测节点压强，p_i，t为t时刻第i个观测节点压强，λ为管道摩擦系数，

为平均流速，Δt为时间步长，ρ_j，t+1为t+1时刻第j个观测节点气体密度，ρ_i，t+1为t+1时刻第j个观测节点气体密度，ρ_i，t为t时刻第i 个观测节点气体密度，ρ_j，t为t时刻第j个观测节点气体密度，c为音速，p为气体压强，ρ为气体密度。

天然气网络还有一些边界约束条件。相互连接的管道，在连接点会有相同的气体密度，同一节点的质量流量需要平衡。

ρ_i，t＝ρ_i+1，t＝ρ_i+2，t… (18)

M_i/A_i+M_i+1/A_i+1+M_i+2/A_i+2…＝0 (19)

3、燃气轮机约束

P_gt＝η_gtM_gt (20)

P_gt，min≤P_gt≤P_gt，max (21)

P_gt(t+Δt)-P_gt(t)≤r_gtΔt (22)

其中P_gt为燃气轮机发出的有功功率，η_gt为燃气轮机发电效率，M_gt为燃气轮机消耗的天然气质量流量，P_gt，min为燃气轮机有功出力下限，P_gt，max为燃气轮机有功出力上限，P_gt(t+Δt)为t+Δt时刻燃气轮机有功功率， P_gt(t)为t时刻燃气轮机有功功率，r_gt为燃气轮机爬坡速率，Δt为时间步长。

4、电转气约束

M_P2G＝η_P2GP_P2G (23)

M_P2G.min≤M_P2G≤M_P2G.max (24)

其中M_P2G为电转气设备的注入质量流量，η_P2G为电转气设备工作效率， P_P2G为电转气设备消耗的电功率，M_P2G.min为电转气设备注入天然气质量流量下限，M_P2G.max为电转气设备注入天然气质量流量上限。

5、光伏约束

光伏的出力要受环境因素的制约。

式中：

和

分别表示光伏在t时刻被配电网吸收的有功功率和无功功率；

表示光伏最大输出有功功率；tanθ表示光伏的功率因数。

6、目标函数

目标函数为灾后恢复措施费用最低，灾后恢复措施费用包括天然气费用、能量转换设备的损耗费用、网络重构远程遥控开关的开关费用、MESS 的燃料费用和所耗费时间的失负荷损失费用。

min f＝min(f₁+f₂+f₃+f₄) (27)

f₄＝C_MESSt_load (31)

f₅＝C_loadt_load (32)

式中：f表示灾后恢复措施总费用；f₁表示天然气费用；i，t分别表示第i个燃气轮机和第t时刻；F和T分别表示***中燃气轮机个数和规划时间周期；C_n表示单位天然气价格；M_i，t表示第i个燃气轮机在t时刻通过的节点质量流量；f₂表示能量转换设备损耗费用；C_p和C_g分别表示P2G设备和燃气轮机设备的损耗系数；f₃表示远程遥控开关损耗费用；C_k表示开关操作一次的费用系数；k_j,t表示第j个开关在t时刻的开关状态，闭合状态为 1，断开状态为0；f₄表示MESS的燃料费用；C_MESS表示MESS单位时间的燃料费用系数；t_load表示MESS移动时间；f₅表示所耗费时间的失负荷总费用； C_load表示MESS移动时未供电负荷的损失费用系数。

8、MESS移动响应

MESS主要是有两大部分组成，动力车和集装箱储能***。集装箱储能***一般由储能电池***、监控***、电池管理***及电池监测显示***、集装箱电池专用空调、储能变流器和隔离变压器等部分组成。MESS相比于固定式电池储能***更加的灵活便捷且更易生产和组装维修，易实现事故隔离，MESS广泛应用到电力***的正常运行情况下的调峰调频以及灾后恢复等场景下。

(1)MESS的运行模型

本公开所考虑的MESS运行模型与固定式运行模型相同，仅在接入节点上有所不同，MESS的运行模型如式(1)-(8)所示。

式中：M为安装MESS的节点集合；T为灾后恢复时间集合；

和

分别为t时间段内MESS在节点m处的充电和放电有功功率；

和

分别为t时间段内MESS在节点m处的充电和放电无功功率；S_PCS,max,m为第m 个MESS的储能变流器的最大视在功率；

和

分别为t时间段内MESS 在节点m处的充电和放电标志位，

表示若MESS处于充电状态则

否则为0；P_chmax和P_dismax分别为MESS的最大充电功率和放电功率；η_ch,m和η_dis,m分别为在节点m处的MESS的充电效率和放电效率；

表示t时间段内 MESS在节点m处的SOC状态；SOC_min和SOC_max分别为SOC的最低值和最高值限制。

(2)MESS的交通运输模型

本公开考虑到MESS在灾后移动运输过程中的交通情况，建立了网格划分配电网结构模型，该模型首先将配电网结构进行划分为网格状，每个节点间的实际距离即可由表格所示两节点之间的距离表示。要求MESS只能在网格线上行驶。假设小网格的边长为1km，MESS必须在网格线上行驶，若 MESS从节点1转移到节点6，则需行驶路程为4km。MESS灾后恢复过程中所耗费时间如式(9)所示。

t_ij,m＝n_ijΔL/v_m (41)

式中：i，j分别表示线路的起始节点，t_ij,m表示第m个MESS在节点i 和j之间行驶所需时间；n_ij为节点i和j之间的小网格边长数目；ΔL为小网格边长；v_m表示第m个MESS在t时间段内行驶的平均速度。

本公开技术方案所关注时间段仅为灾后较长期恢复阶段，是在灾后重要负荷及大多数负荷恢复的前提下，通过优化多种灾后恢复措施的实施方案，优化配电网在后恢复的经济性，使灾后恢复在保证大多数负荷全部恢复的基础上，配电网安全经济可靠的运行。

灾后恢复措施优化的目标函数为灾后恢复措施费用最低，包括天然气费用、能量转换设备的损耗费用、网络重构远程遥控开关的损耗费用、MESS 的燃料费用和所耗费时间的失负荷损失费用。

约束条件包括配电网内负荷约束条件、配电网潮流约束条件、天然气网络潮流约束、配电网内安装元件约束条件、储能电站运行和交通运输约束条件。

规划出的方案在不满足微电网正常运行的条件下，选择可移动式储能进行移动，使微电网满足较长时间可靠运行的条件，进而给出配电网灾后恢复可靠运行的经济性恢复措施方案。

在另一些实施方式中，公开了一种基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制运行***，包括：

灾后运行控制***中的目标函数构建模块，被置为灾后恢复策略费用最小为优化目标。

约束条件设置模块，约束条件被置为配电网***约束条件、恢复供电负荷约束条件、天然气网络约束条件、能量转换元件条件、光伏约束条件、 MESS运行约束条件等。

测量模块，被配置为根据目标函数以及约束条件，确定实现目标函数所需的网络测量值，具体包括配电网网络中未恢复供电节点，节点地理位置在交通网络中所对应的节点及其失负荷量大小。

控制模块，被配置为根据测量模块测得的参数经过本算法优化计算得到恢复方案，即得到最优的储能电站充放电运行情况，网络重构后配电网的状态及燃气轮机出力情况将得到的优化结果反馈到配电网网络中，在 MESS进行恢复阶段，控制模块表现为根据测量模块测得的配电网负荷信息，给定配电网中MESS移动起讫点，实现配电网的安全经济运行。

在另一些实施方式中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例一中所述的基于分布式多场景的电-气混联***规划运行联合优化方法。

在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例中所述的一种基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后紧急响应方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，包括：

根据故障位置对网络进行潮流建模；

基于潮流建模，建立网络重构、燃气轮机和柴油发电机或者调用MESS三种灾后恢复措施模型，以灾后恢复措施的费用最低为优化目标，获得最优的协调方案，继而获得网络重构的微电网拓扑结构；

判断网络重构的微电网拓扑结构是否满足可靠运行的条件，若不满足，以最短移动时间为优化目标移动MESS，直至网络重构的微电网拓扑结构满足可靠性运行条件。

2.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，所述最优的协调方案获得方式为：针对建立的三种灾后恢复措施模型，以灾后恢复措施的费用最低为优化目标，考虑配电网网络重构约束、天然气网络约束、能量转换设备约束、***安装元件约束、恢复负荷约束，得到三种优化措施的灾后恢复策略组合。

3.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，最优的协调方案中，以全部恢复供电负荷为约束条件，通过配电网中的燃气轮机的安装地点和光伏安装地点进行网络重构，保证负荷供电，缺失部分通过MESS移动或者添加柴油发电机供给，保证负荷全部恢复供电，在此基础上，以各种恢复措施的费用最低为优化目标，给出经济最优的灾后恢复策略。

4.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，若网络重构后形成的微电网中只含有光伏或只含有储能都不能满足微电网安全可靠的运行，选择时间最短的路径移动MESS给出MESS的最优移动路线方案。

5.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，配电网的潮流模型采用线性化处理的DistFlow潮流模型。

6.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，目标函数为灾后恢复措施费用最低，灾后恢复措施费用包括天然气费用、能量转换设备的损耗费用、网络重构远程遥控开关的损耗费用、MESS的燃料费用和所耗费时间的失负荷损失费用。

7.如权利要求1所述的基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制方法，其特征是，MESS主要是有两大部分组成，动力车和集装箱储能***，集装箱储能***由储能电池***、监控***、电池管理***及电池监测显示***、集装箱电池专用空调、储能变流器和隔离变压器部分组成。

8.一种基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后恢复控制运行***，其特征是，包括：

灾后运行控制***中的目标函数构建模块，被置为灾后恢复策略费用最小为优化目标；

约束条件设置模块，约束条件被置为配电网***约束条件、恢复供电负荷约束条件、天然气网络约束条件、能量转换元件条件、光伏约束条件、MESS运行约束条件；

测量模块，被配置为根据目标函数以及约束条件，确定实现目标函数所需的网络测量值，具体包括配电网网络中未恢复供电节点，节点地理位置在交通网络中所对应的节点及其失负荷量大小；

控制模块，被配置为根据测量模块测得的参数经过本算法优化计算得到恢复方案，即得到最优的储能电站充放电运行情况，网络重构后配电网的状态及燃气轮机出力情况将得到的优化结果反馈到配电网网络中，在MESS进行恢复阶段，控制模块表现为根据测量模块测得的配电网负荷信息，给定配电网中MESS移动起讫点，实现配电网的安全经济运行。

9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征是，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一所述的基于分布式多场景的电-气混联***规划运行联合优化方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征是，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一所述的一种基于电-气综合能源***的弹性配电网灾后紧急响应方法。

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