CN103138227B - 一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法，在对配电网拓扑连接约束、配电线路开环运行约束条件的数学分析与描述的基础上，分析各分布式电源或储能系统最大供电范围，并确定其运行状态，以待研究配电网内的所有开关均断开为初始状态，根据配电网拓扑连接的顺序，依次选择最优的开关并将其闭合，直至所有可恢复供电的节点恢复供电或配电线路载流量达到其额定值。

Description

一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法

技术领域

本发明涉及智能电网领域对于配电网发生故障后非故障失电电网快速恢复供电技术，特别涉及考虑并网分布式电源在配电网故障态下的运行方式，考虑配电网拓扑连接约束、节点电压约束、支路额定容量约束，以恢复供电的负荷最大为优化目标的供电恢复优化模型，以及优化模型的快速求解技术。

背景技术

配电网一次网架一般为环形接线，在实际运行中通过断开联络开关的方式开环运行，避免产生电磁环网。配电线路中接入分段开关，提高配电网运行的灵活性。配电网发生故障后，断开故障点分段开关隔离故障，对非故障电网进行网络重构以实现供电恢复。随着智能电网技术的发展，多种类型的分布式电源(DG)接入配电网。配电网故障后，DG可能处于停运、并网运行、孤岛运行等多种运行状态，使传统配电网供电恢复算法面临新的挑战。同时由于配电网规模的发展以及对配网供电可靠性要求的提高，互联的配电线路数量增大，使得电网中分段开关与联络开关数量越来越多，故障态供电恢复计算量急剧增大，难以实现快速求解。

目前常见的网络重构算法主要有遗传算法、粒子群算法、人工神经网络等人工智能算法，以及最优流算法、支路交换算法等启发式算法。人工智能算法一般具有全局寻优的优点，但是计算量较大，较难实用化。启发式算法计算速度快，鲁棒性好，实用性较好，但一般应用于正常态的配电网网络重构，且线路过载等问题处理过程较复杂，而线路过载是故障态供电恢复必须考虑的因素之一。

发明内容

本发明建立了考虑并网分布式电源的配电网故障态供电恢复模型，以恢复供电负荷最大为目标，考虑了电网拓扑连接、节点电压、线路额定电流等约束条件，基于贪婪算法的供电恢复快速计算算法，提出一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法，包括以下步骤：

S01、将一含分布式电源并网的配电网内的所有开关的初始状态均置为断开，将与第二类节点互为邻接节点的第一类节点置为供电前端节点；

S02、查找含分布式电源并网的配电网内的所有的供电前端节点与第二类节点为一对一串联类型的拓扑连接，并闭合对应的开关，将得电后的该第二类节点设置为新的供电前端节点；

S03、查找所有的两个及以上供电前端节点为单个第二类节点供电的类型的拓扑连接，并按照择优推进的方式闭合对应的开关，将得电后的该第二类节点设置为新的供电前端节点，若产生新的供电前端节点与第二类节点为一对一串联类型的拓扑连接，则返回步骤S02；

S04、查找所有单个供电前端节点为两个及以上第二类节点供电的类型的拓扑连接，并将供电前端节点分裂为多个虚拟节点，虚拟节点的数量与第二类节点的数量相同，将多个虚拟节点置为供电前端节点，返回步骤S02；

S05、直到所有的供电前端节点都无法再为其他节点供电，或所有节点都已恢复供电，供电恢复结束；

其中，第一类节点为已恢复供电的节点；第二类节点为当前状态可恢复供电的节点，与第二类节点的邻接节点中至少有一个为第一类节点；当含分布式电源并网的配电网中有多条配电线路互联时，第二类节点由配电线路供电的必要条件为第二类节点的邻接节点中，至少有一个节点由配电线路供电。

较佳的，择优推进的方式具体为：比较各供电前端节点的可提供的最大功率，将提供的最大功率较小的供电前端节点不再作为供电前端节点，选择可提供更大功率的供电前端节点为该第二类节点供电，并将供电后的该第二类接点作为新的供电前端节点，保存相应的信息。

较佳的，含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电过程中，满足支路潮流约束、节点电压约束。

较佳的，还包括：在上述步骤S01至步骤S04中记录每个供电前端节点的供电路径信息，包括供电路径上每条线路的阻抗、额定容量以及线路上的功率，功率包括负荷与线损，通过潮流计算或简化的潮流计算得到。

较佳的，含分布式电源并网的配电网包括分布式电源或储能系统，含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电过程中，若分布式电源或储能系统能够接入配电线路，则根据分布式电源或储能系统输出功率，更新供电路径的功率。

较佳的，含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电结束后，若存在未与配电线路并网的分布式电源或储能系统，则根据分布式电源或储能系统的最大输出功率搜索其最大供电区域；

若最大供电区域可与配电线路已供电电网相连，那么该分布式电源或储能系统并网运行；若无法与配电线路已供电电网相连，那么可孤岛运行的分布式电源、储能系统孤岛运行，不可孤岛运行的分布式电源、储能系统退出运行。

较佳的，假设含分布式电源并网的配电网中有m条配电线路，那么每个节点供电状态参数为一个m维向量，m维向量的第i个元素表示配电线路i是否为该节点供电，取值0为不供电，1为供电，定义节点供电参数向量的幅值为向量各元素之和，那么含分布式电源并网的配电网开环运行的约束条件为：各节点供电参数向量幅值不大于1。

较佳的，含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法还包括输出节点供电状态及开关状态。

与已有算法相比，本算法避免了进化算法反复迭代所造成的计算时间久的问题，具有计算速度快的优点；避免了传统算法需要遍历所研究范围的电网以验证配电线路是否开环运行的问题，通过节点供电状态参数向量验证开环运行约束条件，大大减少了计算量。

附图说明

图1为配电网拓扑连接与供电顺序示意图；

图2为根据供电状态配电网中节点分类示意图；

图3为第一类拓扑连接示意图；

图4为第二类拓扑连接示意图；

图5为第三类拓扑连接示意图；

图6为供电恢复算法流程图；

图7为分布式电源、储能系统在配电网故障恢复算法中的处理方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是电网拓扑连接示意图。配电线路为负荷供电需满足电网拓扑约束。节点B₁的邻接点分别为B₂,B₃,B₄，若为节点B₁供电，其必要条件为B₁的邻接点集合中，至少要有一个节点已供电。该约束可用下式描述：

其中x_i为节点B_i的供电状态，取值范围为0或1，x_i=0表示节点B_i失电；x_i=1表示节点B_i带电；为节点B_i的邻接点集合；∨表示多个值的“或”运算。

若待研究的配电网中有m个互联的配电线路，那么节点B_i供电状态x_i应为m维向量，其中元素x_i，j表征配电线路j是否为节点B_i供电。节点B_i由配电线路j供电的必要条件为：节点B_i的邻接点集合中，至少有一个节点由配电线路j供电。可用描述为下式：

其中x_i，j为节点B_i由电源j的供电状态；m为互联配电线路数量。为节点B_i的邻接点集合。

定义为节点供电状态向量的幅值，那么有：

||x_i||=0时，节点未恢复供电；

||x_i||=1时，节点由单条配电线路供电；

||x_i||>1时，节点由多条配电线路供电，构成电磁环网。

若保证每个节点最多由一条配电线路供电，则可满足辐射状电网的约束。因此开环运行约束可描述为：

||x_i||≤1

接入了分布式电源与储能系统的配电网故障后的供电恢复问题，就是在满足电网拓扑连接约束、开环运行约束、电压、潮流约束的前提下，考虑到可孤岛运行的DG与储能系统，使恢复供电的负荷达到最大。供电恢复优化模型可由下式描述：

$\max \left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right|\left|x_i\right||\·P_i+\underset{B_i\∈B_I}{\mathrm{\Σ}}{y}_i\·P_i)$

S.T.

目标函数中，为并网运行的负荷之和，为孤岛运行的负荷之和；约束条件中，(a)式为电网拓扑连接约束的数学表达；(b)式为开环运行约束；(c)，(d)式分别为节点电压约束与支路潮流约束。

图2为配电网中节点分类示意图。根据当前供电状态，电网中的节点可分为三类：A类节点为已恢复供电的节点（图中黑色圆圈）；B类节点为当前状态可恢复供电的节点（图中阴影圆圈）；C类节点为当前状态无法恢复供电的节点（图中空心圆圈）。

如图2所示，A类节点已恢复供电；A类节点的邻接点中未恢复供电的节点为B类节点；邻接节点均未恢复供电的节点为C类节点。由约束条件8-(a)可知在当前状态下C类节点暂时无法恢复供电。在A类节点中，与B类节点互为邻接节点的A类节点定义为供电前端节点（图中三角形表示所指的节点）。

对于不同的拓扑连接方式，供电前端节点对B类节点供电的处理方式也不相同。以下为三类拓扑连接方式及其处理方法：

图3为第一类拓扑连接示意图，供电前端节点与相连的B类节点均为无分支的串联节点，为节点2供电之后将供电前端节点标志前移，并在其供电路径信息中加入新增线路1-2，记录线路额定容量与阻抗，供电路径各线路负荷均增加节点2的负荷。

图4为第二类拓扑连接示意图，B类节点为T节，且与多个供电前端节点相连，比较各供电前端节点的可提供的最大功率，选择可提供更大的功率的供电前端节点为该B类节点供电，并前移供电前端节点标志，保存相应的信息。可提供功率较小的节点，移除其供电前端节点标志。如图4所示，节点2与供电前端节点1，5相连，若节点1可提供更大的功率，那么断开节点5，2间的开关，连接节点1，2，并把节点1的供电前端标志前移至节点2，移除节点5的供电前端节点标志。

图5为第三类拓扑连接示意图，若供电前端节点为T节，与k个B类节点相连，可把该供电前端节点分裂为k个虚拟节点与各B类节点相连，把虚拟节点全部置为供电前端节点并保存供电路径等信息。如图5所示，节点2与3个B类节点相连，把节点2分裂为3个虚拟节点，分别与节点3，5，7相连，并把虚拟节点置为供电前端节点。一次分裂产生的虚拟节点为一组，相应的多条支路为并列支路。当并列支路中的任一支路为新的节点供电时，并列支路所共用的供电线路均应记录其功率变化。

配电网故障态供电恢复求解算法为以所研究配电网络内的所有开关均断开为初始状态，按照拓扑连接顺序，依次选择最优的开关并闭合，为所有节点供电。根据当前供电状态，确定所有供电前端节点，选择最优的供电前端节点为相应的B类节点恢复供电，并将该B类节点标识为供电前端节点。重复以上步骤，直至所有节点已恢复供电或没有有效的供电前端节点。

在算法中为节点逐个恢复供电时，应满足支路潮流约束、节点电压约束，需记录每个供电前端节点的供电路径信息，包括供电路径上每条线路的阻抗、额定容量以及线路上的功率。供电路径上通过的功率包括负荷与线损，可通过潮流计算或简化的潮流计算得到。若线损与负荷相比较小，可忽略线路损耗，用负荷的叠加近似供电线路上通过的功率。

在求解算法的单个步骤中，有多个供电前端节点，应选取最优的一个供电前端节点为B类节点供电。在电网故障恢复供电的应用中，往往线路的额定容量是为失电负荷恢复供电的瓶颈所在，因此在选择最优的供电前端节点时根据线路额定容量，选择供电余量最大的节点为最优供电前端节点。

图6为算法流程图，其主要步骤为：

1：初始化。研究配电网范围内所有开关的初始状态置为断开；与外电网等效电源（为配电线路供电的母线）连接的节点置为供电前端节点。

2：查找并处理所有串联类型（第一类拓扑）的拓扑连接；

3：步骤2结束后，查找所有多个供电前端节点为单个B类节点供电类型（第二类拓扑）的拓扑连接，并按照择优推进的方式进行处理。此过程中若产生新的串联型拓扑，重复步骤2；

4：步骤3结束后，查找所有单个供电前端节点为多个B类节点供电类型（第三类拓扑）的拓扑连接，并将供电前端节点分裂为多个供电前端节点，重复步骤2；

5：所有的供电前端节点都无法再为其他节点供电，或所有节点都已恢复供电，算法结束，输出节点供电状态及相应的开关状态。

图7为分布式电源、储能系统在配电网故障恢复算法中的处理方式示意图。当电网发生故障时分布式电源或储能系统存在退出运行、孤岛运行和并网运行三种状态。根据其控制策略及是否具备调压、调频能力等特点，分为故障态退出运行（第1类）、可孤岛运行（第2类）、不可孤岛运行（第3类）三类。在算法前述流程中，若DG或储能能够接入配电线路，则根据DG或储能系统输出功率，更新供电路径的功率。在算法前述流程结束后，若存在未与配电线路并网的DG或储能，则根据DG或储能的最大输出功率搜索其最大供电范围。若最大供电范围可与配电线路已供电电网相连，那么该DG或储能系统并网运行；若无法与配电线路已供电电网相连，那么第2类DG、储能系统孤岛运行，第3类DG、储能系统退出运行。

如图7所示，区域ⅠⅡ为外电网等效电源供电区域，节点1或节点3为DG A的最远供电节点，节点5为DG B的最远供电节点。节点1与区域Ⅰ相连，因此DG A可并网运行；节点5无法与区域ⅠⅡ相连，无法并网运行。若DG B为第3类DG或储能，那么DG B孤岛运行；否则DG停运，节点5,8,9无法恢复供电。在计算DG或储能系统最远供电接点时，可采用电网拓扑广度遍历的方法进行计算。

综上所述本发明提出的含分布式电源的配电网供电恢复方法，在对电网拓扑连接约束、配电线路开环运行约束条件的数学分析与描述的基础上，以待研究电网内的所有开关均断开为初始状态，根据电网拓扑连接的顺序，依次选择最优的开关并将其闭合，直至所有可恢复供电的节点恢复供电或配电线路载流量达到其额定值。分析各DG或储能系统最大供电范围，并确定其运行状态。与已有算法相比，本算法避免了进化算法反复迭代所造成的计算时间久的问题，具有计算速度快的优点；避免了传统算法需要遍历所研究范围的电网以验证配电线路是否开环运行的问题，通过节点供电状态参数向量验证开环运行约束条件，大大减少了计算量。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (3)

1.一种含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、将一含分布式电源并网的配电网内的所有开关的初始状态均置为断开，将与第二类节点互为邻接节点的第一类节点置为供电前端节点；

S02、查找所述含分布式电源并网的配电网内的所有的供电前端节点与第二类节点为一对一串联类型的拓扑连接，并闭合对应的开关，将得电后的该第二类节点设置为新的供电前端节点；

S03、查找所有的两个及以上供电前端节点为单个第二类节点供电的类型的拓扑连接，并按照择优推进的方式闭合对应的开关，将得电后的该第二类节点设置为新的供电前端节点，若产生新的供电前端节点与第二类节点为一对一串联类型的拓扑连接，则返回步骤S02；

S04、查找所有单个供电前端节点为两个及以上第二类节点供电的类型的拓扑连接，并将供电前端节点分裂为多个虚拟节点，所述虚拟节点的数量与所述第二类节点的数量相同，将所述多个虚拟节点置为供电前端节点，返回步骤S02；

S05、直到所有的供电前端节点都无法再为其他节点供电，或所有节点都已恢复供电，供电恢复结束；

其中，所述第一类节点为已恢复供电的节点；所述第二类节点为当前状态可恢复供电的节点，与所述第二类节点的邻接节点中至少有一个为所述第一类节点；当所述含分布式电源并网的配电网中有多条配电线路互联时，第二类节点由配电线路供电的必要条件为第二类节点的邻接节点中，至少有一个节点由配电线路供电；

所述择优推进的方式具体为：比较各供电前端节点的可提供的最大功率，将提供的最大功率较小的供电前端节点不再作为供电前端节点，选择可提供更大功率的供电前端节点为该第二类节点供电，并将供电后的该第二类节点作为新的供电前端节点，保存相应的信息；

所述含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电过程中，满足支路潮流约束和节点电压约束；

还包括：在上述步骤S01至步骤S04中记录每个供电前端节点的供电路径信息，包括供电路径上每条线路的阻抗、额定容量以及线路上的功率，所述功率包括负荷与线损，通过潮流计算或简化的潮流计算得到；

所述含分布式电源并网的配电网包括分布式电源或储能系统，所述含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电过程中，若分布式电源或储能系统能够接入配电线路，则根据分布式电源或储能系统输出功率，更新供电路径的功率；

所述含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法还包括输出节点供电状态及开关状态。

2.如权利要求1所述的含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法，其特征在于，所述含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法在恢复供电结束后，若存在未与配电线路并网的分布式电源或储能系统，则根据分布式电源或储能系统的最大输出功率搜索其最大供电区域；

若最大供电区域可与配电线路已供电电网相连，那么该分布式电源或储能系统并网运行；若无法与配电线路已供电电网相连，那么可孤岛运行的分布式电源、储能系统孤岛运行，不可孤岛运行的分布式电源、储能系统退出运行。

3.如权利要求1所述的含分布式电源并网的配电网快速供电恢复方法，其特征在于，假设所述含分布式电源并网的配电网中有m条配电线路，那么每个节点供电状态参数为一个m维向量，所述m维向量的第i个元素表示配电线路i是否为该节点供电，取值0为不供电，1为供电，定义节点供电参数向量的幅值为向量各元素之和，那么所述含分布式电源并网的配电网开环运行的约束条件为：各节点供电参数向量幅值不大于1。