CN103401241B - 一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法，微电网并网转孤岛运行时，根据分布式电源DG是否可孤岛运行，解列成若干可独立运行的DG本地自组网，通过DG本地自组网确保重要负荷或本地负荷的持续供电；待各DG本地自组网稳定后，对外搜索和扩大供电范围，即形成DG动态自组网；待各DG动态自组网稳定后，以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行；待公共配电网恢复供电后，将各DG动态自组网与公共配电网并网运行。本发明通过DG本地自组网确保了微网中重要负荷的持续供电；通过DG动态自组网继续对失电区域恢复供电，并为微电网孤岛转并网提供有利条件，确保了微电网运行模式平滑切换。

Description

一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法

技术领域

本发明涉及微电网平滑切换控制方法，具体涉及一种基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法。属于电力系统输电配电技术领域。

背景技术

微电网既可与公共配电网并网运行也可孤岛运行，其并网运行时有公共配电网支撑，具有较好的稳定性，但当配电网或微电网内部出现故障时，微电网将立即断开与公共配电网的连接而进入非计划孤岛运行，此时若微网中利用新能源发电的分布式电源DG出力无法满足微网负荷要求时，则微电网电压和频率将出现跌落，严重时导致分布式电源退出和负荷断电。因此研究微电网由并网向非计划孤岛运行的切换控制方法，实现切换过程中的平滑过渡和切换前后重要负荷的持续可靠供电，这对微电网推广和应用具有重要意义。

目前对微电网运行模式切换控制的研究主要集中在微电网中分布式电源控制模式转换方面，主要有两种方式：第一种是主电源采用V/F控制的切换方式，

微电网并网运行时，利用新能源发电的分布式电源均采用PQ控制模式，当微电网由并网向孤岛运行切换时，选取其中一个分布式电源作为微电网孤岛运行时主电源，并将该分布式电源由并网的PQ控制转为V/F控制，同时改变逆变器控制参数以实现微电网运行模式平滑切换。该方式存在以下问题：

1、微电网在孤岛运行时，主电源一般要求具备良好地稳定性和较大的容量，往往只会选择柴油发电机或储能装置，而不选分布式电源，但并网时柴油发电机处于停机状态，储能装置也往往处于浮充状态，因此实际微电网由并网向非计划孤岛切换过程中能够将主电源由PQ控制转为V/F控制的情形较为少见。

2、该方法没有考虑并网转非计划孤岛时功率缺额的情况，只考虑切换后孤岛运行能达到功率平衡或缺额不大的情形，尚若非计划切换后孤岛功率缺额较大，作为主电源的分布式电源容量有限，无法填补微电网功率缺额，则平滑切换将无法实现。

第二种是分布式电源均采用下垂控制的切换方式，微电网中的分布式电源在并网时均采用PQ控制，而孤岛运行时均转为下垂控制，切换时在基本下垂控制器中增加下垂额定点调节环，通过该环路的投切实现并网与孤岛控制模式的平滑转换。该方式同样没有充分考虑非计划切换过程中功率缺额的影响，如果非计划切换后孤岛功率缺额较大，则采用下垂控制方式对分布式电源可调容量要求较高，在渗透率较低的微电网中平滑切换将难以实现。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有技术不能确保微电网运行模式切换前后重要负荷的持续可靠供电，提供一种基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法，该方法能满足切换过程中重要负荷的持续和可靠供电，实现微电网运行模式的平滑切换。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法，其特征在于：

1）当微电网由并网转非计划孤岛运行时，根据分布式电源DG是否可孤岛运行，将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，通过DG本地自组网来确保重要负荷或本地负荷的持续供电；

2）待各DG本地自组网运行稳定后，根据分布式电源容量对外搜索和扩大供电范围，即形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，通过采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化；

3）在各DG动态自组网对外供电最大化的基础上，待各DG动态自组网稳定运行后，以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行，形成含多个DG并且可稳定运行的DG动态自组网，并将与之邻接且退出运行的DG重新投入运行；

4）待公共配电网恢复供电后，按照拓扑连接顺序依次将各DG动态自组网与公共配电网并网运行，然后将未恢复供电的区域恢复供电，并将仍处于停运状态DG重新投入运行。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

进一步地，根据分布式电源DG利用能源的类别和组合构成，将分布式电源的自组网能力分为如下三类：

1）分布式电源DG具有调频和调压能力，作为微电网孤岛运行时的主电源，包括微型燃气轮机、柴油发电机、大容量的储能装置或复合储能装置；当微电网并网运行时，微型燃气轮机和柴油发电机处于停机状态，大容量储能装置或复合储能装置处于浮充状态；当微电网孤岛运行时，此类分布式电源组成稳定性和可调性的自组网，并成为自组网相互联网运行后的主电源；

2）燃料电池或带有储能装置的风力发电系统和光伏发电系统，此类分布式电源作为布式电源的后备电源；当在与微电网并网运行时，此类分布式电源采用最大功率跟踪出力，当与微电网解列后孤岛运行时，此类分布式电源依靠所配置储能平抑出力波动，并根据实时风力发电系统和风力发电系统资源状况提供可调容量，形成自组网为本地负荷在内的用户持续供电；

3）不带储能的风力发电系统或光伏发电系统，此类分布式电源不具备调节能力，只与微电网并网运行，在与微电网解列后失去电压和频率的支撑，不可孤岛运行，不具备自组网运行能力，当微电网失电时退出运行。

进一步地，1）可孤岛运行的DG在微电网由并网向孤岛运行切换过程中，其控制模式由PQ模式平滑切换到V/F模式，以实现由并网状态向孤岛运行状态平稳过渡；

2）微电网中的全部节点都设置开关，在微电网由并网运行进入孤岛运行后，除了DG本地自组网内的开关接通外，其他所有开关都断开；

3）微电网系统具有自动化监控结构，能实现对微电网的PCC点、线路开关分布式电源和负荷进行自动监控，当微电网由并网运行向孤岛运行切换后，通过监测PCC点开关的开合快速判断微电网孤岛状态，并按预设方案建立各DG本地自组网，并将其他开关断开。

进一步地，前述将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，是指：

1）当微电网由并网运行向孤岛运行切换且微网功率不平衡时，根据DG自组网的能力将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，以确保重要负荷或本地的负荷的持续供电；

2）在微电网由并网运行向孤岛运行切换之前，预先对各DG本地自组网区域和负荷大小进行规划或设定，具体方法如下：

针对微电网由并网运行向孤岛运行切换的不可预测性，要使得各DG本地自组网在任一时刻建立都能确保内部功率平衡，即要求预先设定的DG本地自组网内部负荷在任意时刻均小于或等于分布式电源的出力，即本地自组网内的负荷之和小于或等于其最小出力表达式如下：

$0<S_{\mathrm{load}}^{\mathrm{local}}\&le;S_{\mathrm{DG}}^{\min }---\left(1\right)$

进一步地，所述形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，是指：

1）在各DG动态自组网逐步对失电节点进行供电恢复过程中，各DG动态自组网避免相互联网运行，以免当任意DG动态自组网出现紧急状态时，影响到其他DG动态自组网的运行；

2）在形成DG动态自组网过程中，各动态自组网由单分布式电源供电；

3）建立DG动态自组网供电恢复优化模型，通过优化模型实现DG容量约束、电压和线路载流量约束。

进一步地，所述DG动态自组网供电恢复优化模型，用如下表达式表示：

$\max \left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|\left|x_i\right||\&CenterDot;P_i)---\left(2\right)$

s.t.  x_i=(x_i,1,x_i,2,...,x_i,n),||x_i||≤1      （3）

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\min }\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }(k=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,m)---\left(4\right)$

V_min≤V_i≤V_max      （5）

$S_{b\left(i\right)}\&le;S_{b\left(i\right)}^{\max }---\left(6\right)$

式（2）和（3）中的x_i为微网中任意节点B_i的供电状态，其取值为1或0，分别表示B_i处于供电状态或失电状态；当微电网中有m个可孤岛运行DG，均可为节点B_i供电，则x_i应为m维向量，即可表示为x_i=(x_i,1,x_i,2,...,x_i,m)，其中x_i,k(k=1,2,...,m)取值为1或0，分别表示为分布式电源k是否为节点B_i供电，当将节点B_i供电状态向量x_i的幅值定义为则当||x_i||≤1时表示该节点由一个及以下的DG为其供电，即可满足DG供电的约束要求；式（2）中P_i为任意节点B_i的有功负荷，N为微网非计划孤岛切换后所有待恢复供电的负荷节点的数量， 为所有恢复供电的负荷之和；式（4）表示第k个DG动态自组网在进行供电恢复过程中DG出力的上下限约束；式（5）表示DG动态自组网中任意节点B_i电压V_i的上下限约束；式（6）表示与任意节点B_i对应支路的的功率约束，与线路载流量有关。

进一步地，采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化，爬山策略是指以逐步的局部最优，达到最终的全局最优；方法步骤包括：

1）对当前状态节点分类

对分布式电源动态自组网过程中的当前状态节点进行分类：第一类是已恢复供电的节点；第二类是当前可恢复节点，即与第一类节点相邻接的节点；第三类是在当前状态下还不能恢复供电的节点，即邻接点中没有已恢复供电的节点；把与当前可恢复节点邻接的第一类节点称为供电先导节点；微电网由并网运行向非计划孤岛运行切换后，通过DG动态自组网对失电节点进行恢复供电；

2）对相关约束条件处理

DG动态自组网采用爬山算法对失电节点进行供电恢复过程中，单DG供电约束通过校验式（3）来实现，对于DG注入功率约束、支路功率约束和节点电压约束，采用开环网络潮流计算方法获得各自组网的功率分布、线路功率损耗及各节点电压，令微电网中第k个分布式电源的自组网中已有n个负荷恢复供电，分布式电源的输出功率为S_DG(k)，其自组网中第i个已恢复供电的负荷为S_LD(k,i)，该负荷对应的支路线损为S_Z(k,i)，则有：

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{LD}(k,i)}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{Z(k,i)}---\left(7\right)$

设该分布式电源最大输出功率为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该分布式电源可提供的功率余量ΔS_DG(k)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }-S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}---\left(8\right)$

令动态自组网中与第i个已恢复的负荷对应的供电支路功率为S_b(k,i)，其值通过网络潮流计算方法获得，与其对应的支路功率上限为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该支路可提供的功率余量ΔS_b(k,i)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,i)}=S_{b(k,i)}^{\max }-S_{b(k,i)}---\left(9\right)$

设DG动态自组网在对当前可恢复节点即第n+1个负荷节点恢复供电时可提供的功率为S_p(k,n+1)，则有：

S_p(k,n+1)=min{ΔS_DG(k),min(ΔS_b(k,1),ΔS_b(k,2),...,ΔS_b(k,n))}      （10）

当前可恢复节点即第n+1个负荷节点的负荷为S_LD(k,n+1)，第n+1条支路线路损耗为S_Z(k,n+1)，则通过第n+1条支路的功率S_b(k,n+1)为：

S_b(k,n+1)=S_LD(k,n+1)+S_Z(k,n+1)      （11）

当S_p(k,n+1)≥S_b(k,n+1)，则在对当前可恢复节点恢复供电时，确保分布式电源容量和所有支路功率均满足约束要求；

以上是各支路功率约束不一致的情况；当分布式电源自组网均采用相同型号和规格的导线，则各支路可传输的功率上限一致，此时只需要保证输出端支路功率不越限就可以保证自组网中所有支路功率不越限；设通过分布式电源输出端支路的功率为S_b(k,1),支路功率上限值为则式（11）中的S_b(k,n+1)可表达如下：

$\{\begin{array}{c}{S}_{b(k,1)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\\ {\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)}=S_{b(k,1)}^{\max }-S_{b(k,1)}\\ S_{p(k,n+1)}=\min ({\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)},{\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)})\end{array}---\left(12\right)$

在不要求特别精度时，在自组网逐节点供电恢复时，任意节点B_i的电压表达式为：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;V}}_i=(P_i{R}_i+Q_i{X}_i)/V_{i-1}\\ V_i=V_{i-1}-{\mathrm{\&Delta;V}}_i\end{array}---\left(13\right)$

上式中P_i和Q_i为节点B_i的有功和无功，R_i和X_i为节点B_i对应支路的电阻 和感抗，V_i-1为上一节点的电压；

3）不同拓扑连接供电恢复

爬山算法在执行过程中，首先确定当前状态下的供电先导节点和当前可恢复节点，再根据供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接类型来制定当前最优的节点供电恢复，根据供电先导节点和当前可恢复节点是否为分支节点，将供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接分为三种类型：

A类拓扑连接：供电先导节点和当前可恢复节点都不是分支节点，即两者依次串联，该类拓扑连接又分为两种情况：

第一种是只有一个供电先导节点的情形，即单供电先导节点类型，在爬山算法实现过程中，按照微电网的拓扑连接顺序逐步对失电节点进行供电恢复；

第二种是有两个供电先导节点的情形，即双供电先导节点类型，在爬山算法实现过程中，选择供电余量较大的供电先导节点为当前可恢复节点恢复供电；

B类拓扑连接：当前可恢复节点为分支节点，并且有两个及以上的供电先导节点，为确保更多的后继失电节点能够得到供电恢复，若当前可恢复节点有两个以上的供电先导节点，则选择供电余量最大的节点为其供电；

C类拓扑连接：供电先导节点为分支节点，即一个供电先导节点对应多个当前可恢复节点，对于这类型的拓扑连接，将该供电先导节点分成若干个虚拟供电先导节点，分别对应一个当前可恢复节点，在对当前可恢复节点进行供电恢复时，当所有虚拟供电先导节点同时为对应的可恢复节点供电，则有可能超出实际供电先导节点的功率余量或者不满足供电约束条件使当前可恢复节点的供电均不能得到恢复，为了确保尽可能多的负荷供电得到恢复，应按照负荷由小到大的顺序对当前可恢复节点逐个恢复供电，若当前可恢复节点负荷均相同，则按节点编号顺序逐个恢复供电。

所述DG动态自组网供电恢复过程中A、B、C三类网络拓扑连接供电恢复的顺序如下：

1）如果在当前可恢复节点中存在A类拓扑连接，则优先处理A类拓扑连接； 

2）在处理完所有A类拓扑连接后，先处理B类拓扑连接，再处理C类拓扑连接。 

进一步地，在分布式电源动态自组网的过程中，以各分布式电源为中心，在所有开关断开的前提下，采用基于爬山策略的启发式算法确定各分布式电源自组网方案，按照拓扑连接顺序逐个节点进行供电恢复，流程如下：

1）微电网进入孤岛运行，各DG建立本地自组网运行；

2）确定各分布式电源自组网初始的供电先导节点和可恢复节点；

3）分析所有供电先导节点与可恢复节点的拓扑类型，首先查找并处理所有的A类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移；

4）在处理完A类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理所有的B类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移。

5）在处理完B类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理完所有新的A类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移；

6）若仍存在有效的供电先导节点，并且已无新的A类和B类拓扑连接，则查找并处理所有C类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移；

7）若仍存在有效的供电先导节点，则重新执行步骤（4）—（7），直到有效的供电先导节点处理完毕；

8）输出各分布式电源最终的DG动态自组网方案。

进一步地：第3）点中以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行的方法：含微网主电源的DG动态自组网是DG主自组网，含微网后备电源的DG动态自组网是DG次自组网，

通过微网EMS系统检测DG主自组网的电压和频率，再将准备与之相连的DG次自组网进行预同步控制，当DG次自组网的电压和频率与DG主自组网趋于一致时，微网EMS系统下达指令进行合闸联网运行，同时将DG次自组网中的分布式电源由V/F控制切换为PQ控制；当DG次自组网与DG主自组网联网稳定运行后，则就形成新的DG主自组网，该DG主自组网内部包含微电网主电源，再与其邻接的DG次自组网即可与之并网，以此类推逐步将所有具备联网条件的DG次自组网与DG主自组网联网运行。

进一步地：第4）点中按照拓扑连接顺序依次将各DG动态自组网与公共配电网并网运行的方法：在并网时首先从PCC点逐步恢复并网，当并网恢复至与DG主自组网的相邻节点时，由微网EMS系统检测配电网电压和频率，同时调节DG主自组网主电源出力，待DG主自组网的电压和频率与配电网趋于一致时合闸并网，同时将DG主自组网的主电源由V/F控制切换至PQ控制或退出运行；对除DG主自组网以外的失电节点恢复供电，采用同样的方法，当并网恢复至与DG次自组网的相邻节点时，同样由微网EMS系统检测当前已并网的微网电压和频率，再对DG次自组网进行预同步控制，符合并网条件后将DG次自组网的并网运行，待各DG自组网均与配电网并网运行稳定后，再将不可孤岛且已退出运行的分布式电源重新投入运行，至此完成与公共配电网的并网切换控制。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明涉及的基于DG自组网策略平滑切换的控制方法，充分考虑了微 电网并网运行向非计划孤岛切换过程中功率出现不平衡和可控分布式电源无法及时启动的实际情况，将分布式电源按DG自组网的能力，将微电网按顺序解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，通过DG本地自组网来确保微网中重要负荷持续供电，实现微电网并网向非计划孤岛运行的平滑切换。

2、本发明涉及的DG本地自组网运行稳定后，根据各分布式电源容量水平扩大对外供电范围，即形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，并通过采用基于爬山策略的启发式优化算法实现切换后微电网供电恢复的最大化。

3、使用本发明，在各DG动态自组网完成对外供电恢复最大化的基础上，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行，形成具备较好稳定性的微电网孤岛系统。当公共配电网恢复供电后，按照拓扑连接顺序依次将各DG自组网和供电未恢复区域与公共配电网并网运行，实现微电网孤岛向并网运行的切换。本发明保证了微电网运行模式平滑切换的成功。

附图说明

图1是本发明两种模式切换的工作流程图。

图2是本发明爬山算法的工作流程图。

图3是DG自组网过程中的节点分类的方框示意图。

图4是A类拓扑连接中单供电先导节点的方框示意图。

图5是A类拓扑连接中双供电先导节点的方框示意图。

图6是B类拓扑连接的方框示意图。

图7是C类拓扑连接中的方框示意图。

图8是某供电待恢复状态方框示意图。

图9是图8先对C类拓扑连接进行供电恢复处理的方框示意图。

图10是图8先对A类拓扑连接进行供电恢复处理的方框示意图。

图11是DG主自组网与DG次自组网互联的方框示意图。

图12是采用本发明的某微电网的结构方框示意图。

图13是图12中微电网的DG本地自组网运行状态示意图。

图14是图12中微电网的DG动态自组网状态示意图。

图15是图12中微电网通过DG动态自组网后形成的新的DG主自组网示意图。

图16是图12中微电网的DG自组网互联控制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参照图1—图12，本实施例涉及的基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法，前提条件如下：

1、可孤岛运行的DG在微电网由并网向孤岛运行切换过程中，其控制模式由PQ模式平滑切换到V/F模式，以实现由并网状态向孤岛运行状态平稳过渡；

2、微电网中的全部节点都设置开关，在微电网由并网运行进入孤岛运行后，除了DG本地自组网内的开关接通外，其他所有开关都断开；

3、微电网系统具有自动化监控结构，能实现对微电网的PCC点、线路开关分布式电源和负荷进行自动监控，当微电网由并网运行向孤岛运行切换后，通过监测PCC点开关的开合快速判断微电网孤岛状态，并按预设方案建立各DG本地自组网，并将其他开关断开。

基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法：

1）当微电网由并网转非计划孤岛运行时，根据分布式电源DG是否可孤岛运行，将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，通过DG本地自组网来确保重要负荷或本地负荷的持续供电；

根据分布式电源DG利用能源的类别和组合构成，将DG的自组网能力分为三类：

1）分布式电源具有较强调频和调压能力，作为微电网孤岛运行时的主电源，如微型燃气轮机、柴油发电机、大容量的储能或复合储能等。当微电网并网运行时，利用化石能源发电的微型燃气轮机和柴油发电机处于停机状态，而大容量储能或复合储能装置也处于浮充状态；当微电网孤岛运行时，若微电网解列成若干个可独立运行的分布式电源自组网，则此类分布式电源可组成稳定性和可调性较强的自组网，并可成为自组网相互联网运行后的主电源。

2）燃料电池或带有储能装置的风力发电系统和光伏发电系统，此类分布式电源可以作为系统的后备电源，既可以并网运行，也可与微电网解列后孤岛运行。当在与微电网并网运行时，此类分布式电源可采用最大功率跟踪出力，当与微电网解列后孤岛运行时，此类分布式电源可依靠所配置储能平抑出力波动，并可根据实时风光资源状况提供一定的可调容量，从而形成自组网为本地负荷在内的用户持续供电。

3）不带储能的风力发电系统或光伏发电系统，此类分布式电源不具备调节能力，只可以与微电网并网运行，在与微电网解列后将失去电压和频率的支撑，不可孤岛运行，从而不具备自组网运行能力，当微电网失电时将退出运行。

当微电网由并网运行向孤岛运行切换且微网功率不平衡时，根据DG自组 网的能力将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，以确保重要负荷或本地负荷的持续供电；

由于微电网由并网运行向非计划孤岛切换的时间点是不可预测或随机的，则切换时各分布式电源的具体出力也无法精确预测，若在切换时临时确定各DG本地自组网区域和负荷大小则无法确保DG本地自组网内部功率平衡，这将导致DG本地自组网无法安全稳定运行，因此在微电网由并网运行向孤岛运行切换之前，预先对各DG本地自组网区域和负荷大小进行规划或设定：

针对微电网由并网运行向孤岛运行切换的不可预测性，要使得各DG本地自组网在任一时刻建立都能确保内部功率平衡，即要求预先设定的DG本地自组网内部负荷在任意时刻均小于或等于分布式电源的出力，即本地自组网内的负荷之和小于或等于其最小出力表达式如下：

$0<S_{\mathrm{load}}^{\mathrm{local}}\&le;S_{\mathrm{DG}}^{\min }---\left(1\right)$

由DG自组网能力分类可知，对于具有自组网能力的DG，其最小出力大小完全可以预先确定，在分布式电源采用V/F控制模式下，满足式（1）即可满足DG本地自组网功率平衡的要求，因此在设定DG本地自组网区域时，以分布式电源为中心，以负荷为半径设定本地自组网区域；为了确保重要负荷在微电网并网向非计划孤岛切换过程中的可靠供电，在进行微电网系统规划时，将重要负荷设置到DG本地自组网供电范围内，或者直接将重要负荷作为DG本地的负荷。

2）待各DG本地自组网运行稳定后，根据分布式电源容量对外搜索和扩大供电范围，即形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，通过采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化；

在各DG动态自组网逐步对失电节点进行供电恢复过程中，各DG动态自组网避免相互联网运行，以免当任意DG动态自组网出现紧急状态时，影响到其他DG动态自组网的运行；在形成DG动态自组网过程中，各动态自组网由单分布式电源供电；建立DG动态自组网供电恢复优化模型，通过优化模型实现DG容量约束、电压和线路载流量约束。

所述DG动态自组网供电恢复优化模型，用如下表达式表示：

$\max \left(\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|\left|x_i\right||\&CenterDot;P_i)---\left(2\right)$

s.t.  x_i=(x_i,1,x_i,2,...,x_i,n),||x_i||≤1      （3）

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\min }\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }(k=\mathrm{1,2,3},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,m)---\left(4\right)$

V_min≤V_i≤V_max      （5）

$S_{b\left(i\right)}\&le;S_{b\left(i\right)}^{\max }---\left(6\right)$

式（2）和（3）中的x_i为微网中任意节点B_i的供电状态，其取值为1或0， 分别表示B_i处于供电状态或失电状态；当微电网中有m个可孤岛运行DG，均可为节点B_i供电，则x_i应为m维向量，即可表示为x_i=(x_i,1,x_i,2,...,x_i,m)，其中x_i,k(k=1,2,...,m)取值为1或0，分别表示为分布式电源k是否为节点B_i供电；当将节点B_i供电状态向量x_i的幅值定义为则当||x_i||≤1时表示该节点由一个及以下的DG为其供电，即可满足DG供电的约束要求；式（2）中P_i为任意节点B_i的有功负荷，N为微网非计划孤岛切换后所有待恢复供电的负荷节点的数量， 为所有恢复供电的负荷之和；式（4）表示第k个DG动态自组网在进行供电恢复过程中DG出力的上下限约束；式（5）表示DG动态自组网中任意节点B_i电压V_i的上下限约束；式（6）表示与任意节点B_i对应的支路功率约束，与线路载流量有关。

采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化。爬山策略其根本思想是逐步到大山顶，即以逐步的局部最优，达到最终的全局最优。采用爬山策略的启发式算法是在问题求解过程中，总是做出在当前状态看起来最好的选择，也就是说不从问题整体最优上加以考虑，所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。采用爬山策略的启发式算法对许多问题能产生整体最优解或者是整体最优解的近似解，但不是对所有问题都能得到全局最优解，其适应范围具有一定局限性。若选择采用爬山策略的启发式算法来获得某问题整体最优解，必须确保在该问题的求解过程中某阶段状态一旦确定后，将不受这个状态以后的决策影响，即就是说某状态以后的过程不会影响以前的状态，只与当前状态有关，这种特性称为无后效性。

微电网由并网运行向非计划孤岛切换后，通过DG动态自组网对失电节点进行恢供电复，对某个失电节点的供电恢复策略会影响到后面待恢复节点的供电恢复，但后面节点供电恢复则不会再影响该节点的供电恢复状态，即DG动态自组网供电恢复方式具备无后效性的特点，因此选择爬山策略的启发式算法可以获得问题求解的全局最优解。采用爬山策略的启发式算法没有固定的算法模式，求解问题不同，其算法模式也完全不同。在DG动态自组网供电恢复优化模型求解过程中，失电节点的供电恢复策略是爬山算法实现的关键，既要确保策略具有无后效性，同时确保在求解过程每个阶段获得局部最优。

爬山策略的的启发式优化算法具体实现方法

1、当前状态节点分类：

参照图3所示，对分布式电源动态自组网过程中的当前状态节点进行分类：第一类是已恢复供电的节点；第二类是当前可恢复节点，即与第一类节点相邻接的节点；第三类是在当前状态下还不能恢复供电的节点，即邻接点中没有已恢复供电的节点；把与当前可恢复节点邻接的第一类节点称为供电先导节点。微电网由并网运行向非计划孤岛运行切换后，通过DG动态自组网对失电节点进行恢供电复。

2、相关约束条件处理

DG动态自组网采用爬山算法对失电节点进行供电恢复过程中，单DG供电约束通过校验式（3）来实现，对于DG注入功率约束、支路功率约束和节点电压约束，由于各DG动态自组网络均为开环网络，且规模较小，则可采用简单的开环网络潮流计算方法获得各自组网的功率分布、线路功率损耗及各节点电压，从而可以有效提高计算速度。令微电网中第k个分布式电源的自组网中已有n个负荷恢复供电，此时分布式电源的输出功率为S_DG(k)，其自组网中第i个已恢复供电的负荷为S_LD(k,i)，该负荷对应的支路线损为S_Z(k,i)，则有：

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{LD}(k,i)}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{Z(k,i)}---\left(7\right)$

该分布式电源最大输出功率为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该分布式电源可提供的功率余量ΔS_DG(k)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }-S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}---\left(8\right)$

令动态自组网中与第i个已恢复的负荷对应的供电支路功率为S_b(k,i)，其值可通过简单潮流计算获得，与其对应的支路功率上限为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该支路可提供的功率余量ΔS_b(k,i)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,i)}=S_{b(k,i)}^{\max }-S_{b(k,i)}---\left(9\right)$

在对当前可恢复节点进行供电恢复时，确保所有支路的功率都不越限，由于分布式电源的自组网属于辐射式的开环网络，在对当前可恢复节点进行供电恢复时，若支路功率余量最小的支路不越限，则就可以确保所有支路的功率都不会越限。另外，在DG动态自组网供电恢复过程中，必须同时满足分布式电源容量和支路功率的约束，若当两者发生冲突时，将选择两者中较小值作为是否进一步恢复供电的条件。

设DG动态自组网在对当前可恢复节点（即第n+1个负荷节点）恢复供电时可提供的功率为S_p(k,n+1)，则有：

S_p(k,n+1)=min{ΔS_DG(k),min(ΔS_b(k,1),ΔS_b(k,2),...,ΔS_b(k,n))}      （10）

当前可恢复节点（第n+1个负荷节点）的负荷为S_LD(k,n+1)，第n+1条支路线路损耗为S_Z(k,n+1)，则通过第n+1条支路的功率S_b(k,n+1)为：

S_b(k,n+1)=S_LD(k,n+1)+S_Z(k,n+1)      （11）

当S_p(k,n+1)≥S_b(k,n+1)，则可以在对当前可恢复节点恢复供电时，确保分布式电源容量和所有支路功率均满足约束要求。

以上是考虑到各支路功率约束不一致的情况，当分布式电源自组网均采用相同型号和规格的导线，则各支路可传输的功率上限一致。由于分布式电源输 出端支路承受的功率最大，因此当自组网均采用相同导线时，只需要保证输出端支路功率不越限就可以保证自组网中所有支路功率不越限。设通过分布式电源输出端支路的功率为S_b(k,1)，支路功率上限值为则式（11）中的S_b(k,n+1)可计算如下：

$\{\begin{array}{c}{S}_{b(k,1)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\\ {\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)}=S_{b(k,1)}^{\max }-S_{b(k,1)}\\ S_{p(k,n+1)}=\min ({\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)},{\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)})\end{array}---\left(12\right)$

当S_p(k,n+1)≥S_b(k,n+1)，则在对当前可恢复节点恢复供电时，同样可以确保分布式电源容量和所有支路功率均满足约束要求。

虽然DG动态自组网中分布式电源采用V/F控制模式，但随着DG动态自组网区域扩大和负荷的增长，仍需要校核自组网在恢复供电过程中节点电压是否满足要求。在不要求特别精度时，任一支路的的电压损耗可用电压降落的纵分量代替，因此在自组网逐节点供电恢复时，任意节点B_i的的电压可计算如下：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;V}}_i=(P_i{R}_i+Q_i{X}_i)/V_{i-1}\\ V_i=V_{i-1}-{\mathrm{\&Delta;V}}_i\end{array}---\left(13\right)$

上式中P_i和Q_i为节点B_i的有功和无功，R_i和X_i为节点B_i对应支路的电阻和感抗，V_i-1为上一节点的电压。在对当前可恢复节点进行供电恢复时，可通过式（13）计算该点在恢复供电后的电压值，即就可以验证恢复供电后的电压值是否满足电压约束的要求。

3、不同拓扑连接供电恢复策略

爬山算法在执行过程中，首先需要确定当前状态下的供电先导节点和当前可恢复节点，再根据供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接类型来制定当前最优的节点供电恢复策略，这是爬山算法能否获得整体近似最优解的关键。根据供电先导节点和当前可恢复节点是否为分支节点，可以将供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接大致分为三种类型：

A类拓扑连接：供电先导节点和当前可恢复节点均不是分支节点，即两者首依次串联。该类拓扑连接又分为两种情况：

参照图4所示，第一种是只有一个供电先导节点的情形，即单供电先导节点类型。在爬山算法实现过程中，将按照微电网的拓扑连接顺序逐步对失电节点进行供电恢复。当前可恢复节点B₂在供电恢复后，将其标记为新的供电先导节点，节点B₃顺势成为下一状态的当前可恢复节点；

参照图5所示，第二种是有两个供电先导节点的情形，即双供电先导节点类型。在爬山算法实现过程中，为确保DG动态自组网的安全、可靠运行，选择供电余量较大的供电先导节点为当前可恢复节点恢复供电。当前可恢复节点B₂有两个供电先导节点，若供电先导节点B₁的供电余量大于供电先导节点B₃的供 电余量，则选择节点B₁对节点B₂恢复供电，并将节点B₂与节点B₃之间的开关仍标记为断开。

B类拓扑连接：当前可恢复节点为分支节点，并且有两个及以上的供电先导节点。为确保更多的后继失电节点能够得到供电恢复，若当前可恢复节点有两个以上的供电先导节点，则选择供电余量最大的节点为其供电。如图6所示，当前可恢复节点B₂可通过供电先导节点B₁和B₃为其恢复供电，若在二个供电先导节点中节点B₁可提供的功率余量较大，则将节点B₁和节点B₂之间的开关标记为闭合，而节点B₃与节点B₂之间的开关均仍标记为断开。

参照图7所示，C类拓扑连接：供电先导节点为分支节点，即一个供电先导节点对应多个当前可恢复节点。供电先导节点B₁为三分支节点，当前可恢复节点B₂、B₃和B₄均可由节点B₁供电。对于这类型的拓扑连接，在算法具体实现过程中将该供电先导节点分成若干个虚拟供电先导节点，分别对应一个当前可恢复节点，这样就可以形成若干条如图4所示的A类拓扑的并列供电支路。如图7所示，供电先导节点B₁分解成三个虚拟先导节点B_1-1、B_1-2和B_1-3，这三个虚拟供电先导节点分别对应当前可恢复节点B₂、B₃和B₄，形成三条并列供电支路。

在对当前可恢复节点进行供电恢复时，若所有虚拟供电先导节点同时为对应的可恢复节点供电，则有可能超出实际供电先导节点的功率余量或者不满足供电约束条件使当前可恢复节点的供电均不能得到恢复。为了确保尽可能多的负荷供电得到恢复，应按照负荷由小到大的顺序对当前可恢复节点逐个恢复供电，若当前可恢复节点负荷均相同，则按节点编号顺序逐个恢复供电。下面以图7为例，对C类拓扑连接中的当前可恢复节点的供电恢复过程进行说明：

令供电先导节点B₁可提供的功率余量为S_p(1)，节点B₂、B₃和B₄的负荷大小分别为S_LD(2)、S_LD(3)和S_LD(4)，若有S_LD(2)≤S_LD(3)≤S_LD(4)，则首先通过虚拟供电先导节点B_1-1对当前可恢复节点B₂进行供电恢复，此时虚拟供电先导节点B_1-1可提供的功率余量S_p(1-1)=S_p(1)，若S_p(1-1)≥S_LD(2)且可满足节点恢复供电后的电压约束，则可对节点B₂恢复供电；在节点B₂供电恢复后，选择节点B₃和B₄当中负荷较小的节点B₃恢复供电，此时虚拟供电先导节点B_1-2的可提供的功率余量S_p(1-2)=S_p(1)-S_LD(2)，同样若S_p(1-2)≥S_LD(3)且可满足节点恢复供电后的电压约束，则可恢复对节点B₃的供电。同样节点B₄的供电恢复采用同样的处理方法。若有更多的分支，则依此依次类推，直到所有当前可恢复节点恢复供电或者不满足约束条件为止。另外，在并列支路后继失电节点进行供电恢复时，各并列支路中的供电恢复顺序仍按照负荷由小到大的原则，并且并列支路中任一支路有节点恢复供电时，所有并列支路供电先导节点的功率余量都随之发生变化，它们所共用供电线路同时也均记录功率的变化。

4、拓扑连接供电恢复顺序

从确保微网非计划孤岛切换供电恢复最大化的角度来讲，三种拓扑连接的供电恢复的顺序对优化算法实现的具有重要影响。下面参照图8、图9和图10对三种拓扑连接的处理顺序进行分析：

A类拓扑连接是供电先导节点和当前可恢复节点均不是分支节点的连接，如图8所示，DG1动态自组网从DG1到节点B₁进行供电恢复已处理的拓扑连接都属于A类连接，同样DG2动态自组网从DG2到节点B₂进行供电恢复所已处理和正在处理的拓扑连接也属于A类拓扑连接。由图可知B₃至B₂的A类拓扑连接还没有处理完，现在面临如下选择：分布式电源DG1既可为节点B₂和B₃的负荷供电，也可为节点B₄和B₅的负荷供电，而分布式电源DG2只可为节点B₂和B₃的负荷供电。在不考虑线路载流量约束的情况下，假设分布式电源DG1剩余容量只可为这两组负荷中的一组供电。若DG1选择图9所示的的供电恢复路径，即先处理C类拓扑连接，则B₄和B₅无法恢复供电，且DG2的容量得不到利用；若DG1选择图10所示的供电恢复路径，即先处理A类拓扑连接，则节点B₄和B₅可以恢复供电，而节点B₂和B₃则可通过DG2恢复供电。显而易见，采用图10的供电路径能够使更多的节点恢复供电，因此如果在当前可恢复节点中存在A类拓扑连接，则应该尽可能优先处理A类拓扑连接。

在处理完所有A类拓扑连接后，将会遇到B类拓扑连接或C类拓扑连接，由上述可知，对B类拓扑连接的处理将影响到分布式电源的供电恢复路径，而C类拓扑连接的处理则不会影响到分布式电源的供电路径，即B类拓扑连接处理的优先级别的高于C类拓扑连接。对这三种拓扑连接的处理顺序首先要看拓扑连接的供电恢复顺序，无疑A类拓扑连接处理排在首位，除此之外拓扑连接的处理是否会影响到分布式电源的供电路径，若有影响，则应优先处理，反之应该推后处理。因此各DG动态自组网供电恢复过程中，如果在当前可恢复节点中存在A类拓扑连接，则优先处理A类拓扑连接；在处理完所有A类拓扑连接后，先处理B类拓扑连接，再处理C类拓扑连接。

5、具体算法流程

所述微网EMS系统将采用基于爬山策略的供电恢复优化算法，是在分布式电源动态自组网的过程中，将以各分布式电源为中心，在所有开关均断开的前提下，按照拓扑连接顺序逐个节点进行供电恢复。首先需要确定当前自组网状态下所有的供电先导节点和当前可恢复节点，并且根据两者的拓扑连接类型和节点供电恢复策略对当前可恢复节点进行恢复供电，当此类节点供电恢复后，再将它们标识为供电先导节点，重复上述的步骤，直到所有节点都恢复供电或没有有效的供电先导节点为止。

参照图2所示，具体步骤如下：

1）微电网进入非计划孤岛运行，各DG建立本地自组网运行；

2）确定各分布式电源自组网初始的供电先导节点和可恢复节点；

3）分析所有供电先导节点与可恢复节点的拓扑类型，首先查找并处理所有的A类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移。

4）在处理完A类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理所有的B类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移。

5）在处理完B类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理完所有新的A类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移。

6）若仍存在有效的供电先导节点，并且已无新的A类和B类拓扑连接，则查找并处理所有C类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移。

7）若仍存在有效的供电先导节点，则重新执行步骤④-⑦，直到无有效的供电先导节点；

8）输出各分布式电源最终的DG动态自组网方案。

3）在各DG动态自组网对外供电最大化的基础上，待各DG动态自组网稳定运行后，以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行，形成含多个DG并且可稳定运行的DG动态自组网，并将与之邻接且退出运行的DG重新投入运行；

参照图11所示，若将多个DG动态自组网联网运行，则互联后的电网需具备可维持互联电网稳定运行的主电源。如前面所述，除了微电网主电源之外，其他可孤岛运行的分布式电源的可调容量较小，稳定性也相对较弱，一般只可维持自身所在动态自组网的运行，而不足以成为多个DG动态自组网互联后的主电源，将含微网主电源的DG动态自组网是DG主自组网，含微网后备电源的DG动态自组网是DG次自组网。在对各DG动态自组网进行联网时，其联网运行的规则如下：

1）联网时应以DG主自组网为基础，依次并逐步与周边具备电气连接条件的其他DG次自组网进行互联；

2）若有多个DG次自组网可与DG主自组网联网运行，则首先应选择规模最大的DG次自组网与DG主自组网进行连接；

3）若待联网的DG次自组网与DG主自组网之间存在有多个可并网的节点，则选择线路供电余量最大的节点进行联网；

在进行联网控制时，首先通过微网EMS系统检测DG主自组网的电压和频率，再将准备与之相连的DG次自组网进行预同步控制，当DG次自组网的电压和频率与DG主自组网趋于一致时，微网EMS系统下达指令进行合闸联网运行，同时将DG次自组网中的分布式电源由V/F控制切换为PQ控制。当DG次自组网与DG主自组网联网稳定运行后，则就形成新的DG主自组网（内部包含微电网主电源），再与其邻接的DG次自组网即可与之并网，以此类推可逐步将所有具备联网条件 的DG次自组网与DG主自组网联网运行。

当所有具备联网条件的DG动态自组网均实现联网运行后，对于不可孤岛且已退出运行的分布式电源，若其邻接点已恢复供电且属于DG主自组网，其重新投入运行将具备较稳定的电压和频率支撑的条件，则可将其重新投入运行；若其邻接点没有恢复供电或已恢复供电但不属于DG主自组网，重新投入运行的条件不够成熟，则仍然退出运行，待整个微电网与公共配电网并网运行后再投入运行。

4）待公共配电网恢复供电后，按照拓扑连接顺序依次将各DG动态自组网与公共配电网并网运行，然后将未恢复供电的区域恢复供电，并将仍处于停运状态DG重新投入运行。

当配电网恢复供电时，微网可与配电网并网运行，在并网时首先从PCC点逐步恢复并网，当并网恢复至与DG主自组网的相邻节点时，由微网EMS系统检测配电网电压和频率，同时调节DG主自组网主电源出力，待DG主自组网的电压和频率与配电网趋于一致时合闸并网，同时将DG主自组网的主电源由V/F控制切换至PQ控制或退出运行；对除DG主自组网以外的失电节点恢复供电，采用同样的方法，当并网恢复至与DG次自组网的相邻节点时，同样由微网EMS系统检测当前已并网的微网电压和频率，再对DG次自组网进行预同步控制，符合并网条件后将DG次自组网的并网运行，待各DG自组网均与配电网并网运行稳定后，再将不可孤岛且已退出运行的分布式电源重新投入运行，至此完成与公共配电网的并网切换控制。

在各DG动态自组网互联和DG自组网与配电网并网控制时，由于各DG自组网均已实现本区域供电的最大化，并且自组网内已实现功率的平衡，在互联或并网时交换的功率较少，并网产生的冲击也较小，因此易于实现平滑的切换。

参照图1所示，基于DG自组网策略的微电网运行模式平滑切换的控制方法，具体切换步骤如下：

步骤1、当公共配电网失电或者微电网内部出现故障，微电网PCC点立即断开，微电网由并网运行转入非计划孤岛运行；

步骤2、微电网中各节点之间开关均断开，可孤岛运行的分布式电源按既定的范围进入DG本地自组网运行，确保重要负荷和本地负荷持续可靠供电，此时DG由PQ控制切换至V/F控制，对于不可孤岛运行的分布式电源，则退出运行；

步骤3、在各DG本地自组网的基础上，微网EMS系统将采用基于爬山策略的供电恢复优化算法，对各DG动态自组网的供电恢复进行优化计算；

步骤4、通过优化计算获得最终的DG动态自组网方案，微网EMS系统依据各DG动态自组网方案逐步对各失电节点恢复供电，最终形成若干个可独立运行且供电恢复获得最大化的DG动态自组网；

步骤5、待各DG动态自组网运行平稳后，将DG主自组网与DG次自组网逐步互联，最终形成一个含多分布式电源和稳定性较强的DG主自组网和若干不具备互联条件的DG次自组网；

步骤6、对不可孤岛且已退出运行分布式电源，若其邻接点已恢复供电且属于DG主自组网，则将其重新投入运行；若其邻接点没有恢复供电或已恢复供电但不属于DG主自组网，则仍然退出运行；

步骤7、微电网完成非计划孤岛切换控制流程，当公共配电网恢复供电或微网内部故障恢复时，再以DG主自组网为中心和基础进行并网恢复控制。

下面以某微电网采用本发明进行运行模式切换为例，本发明在西门子Benchmark0.4kV低压微网原有网架的基础上，增加三个分布式电源作为本文的仿真算例系统，其改进系统的网架结构如图12所示。

如图12-图16所示，节点3、节点8和节点16处的分布式电源为新增分布式电源，所有分布式电源相关参数如表1所示，微电网系统负荷如表2所示和线路参数如表3所示。仿真计算采用Matlab R2009a作为仿真计算平台，计算机配置为Pentium(R)Dual-Core(3.2GHz)和3GB内存环境。

表1分布式电源参数

DG编号	有功功率(kW)	无功功率(kvar）	DG自组网能力
				DG1	32	10	第一类
DG2	20	4	第二类
				DG3	16	5.5	第二类
DG4	22	9	第二类
				DG5	3	0	第三类
DG6	15	4.5	第二类
				DG7	3.5	0	第三类
DG8	3.5	0	第三类

表2是节点负荷参数

节点号	有功功率(kW)	无功功率(kvar)	负荷类型	负荷等级
					1	0	0	恒定负荷	一般负荷
2	0	0	恒定负荷	一般负荷
					3	16.61	5.33	恒定负荷	重要负荷
4	5.81	1.92	恒定负荷	一般负荷
					5	5.89	1.75	恒定负荷	一般负荷
6	2.78	0.94	恒定负荷	一般负荷
					7	9.35	3.22	恒定负荷	一般负荷
8	4.65	1.53	恒定负荷	一般负荷

 

9	3.26	1.05	恒定负荷	一般负荷
					10	8.32	2.78	恒定负荷	一般负荷
11	4.24	1.42	恒定负荷	重要负荷
					12	7.13	2.34	恒定负荷	一般负荷
13	6.28	2.14	恒定负荷	一般负荷
					14	7.76	2.25	恒定负荷	一般负荷
15	8.85	2.36	恒定负荷	一般负荷
					16	4.86	1.51	恒定负荷	一般负荷
17	12.82	3.35	恒定负荷	重要负荷
					18	6.55	2.16	恒定负荷	重要负荷
19	7.13	2.34	恒定负荷	重要负荷

表2是微网线路参数

线路编号	线型	载流量(A)	R(Ω/km)	X(Ω/km)	线路长度(km)
						1-2	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
2-3	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
						3-12	LJ_70	215	0.46	0.318	0.030
3-4	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
						4-13	LJ_70	215	0.46	0.318	0.030
4-14	LJ_70	215	0.46	0.318	0.035
						14-15	LJ_70	215	0.46	0.318	0.035
15-16	LJ_70	215	0.46	0.318	0.035
						16-17	LJ_70	215	0.46	0.318	0.030
4-5	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
						5-6	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
6-18	LJ_70	215	0.46	0.318	0.030
						6-7	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
7-8	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
						8-9	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
9-19	LJ_70	215	0.46	0.318	0.030
						9-10	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035
10-11	LJ_95	260	0.34	0.311	0.035

参照图13所示的运行状态，在仿真验证过程中，随机设置微网PCC点断开，此时微电网由并网运行状态切换至非计划孤岛状态，由于微网中分布式电源的最大出力无法满足微网中所有负荷的需要，微网出现功率不平衡，为了确保重要负荷在非计划孤岛切换过程中持续可靠供电，根据DG自组网切换控制策略，立即将不可孤岛运行的分布式电源（DG7和DG8）退出运行，其他各可孤岛运行的分布式电源进入预设的DG本地自组网运行，其控制模式由PQ控制切换到V/F控制，并且除各可孤岛运行的分布式电源DG本地自组网运行外，其他节点之间的所有开关均断开，图中虚线框为预设的DG本地自组网，分别表示为（DG1，节点3）、（DG2，节点17）、（DG3，节点18）、（DG4，DG5，节点19）和（DG6， 节点11）。在上述DG本地自组网中，（DG4，DG5，节点19）包含两个分布式电源，其中DG4属于可孤岛运行的分布式电源，而DG5为不能孤岛运行的分布式电源，但DG4和DG5位于同一节点上，在组建DG本地自组网过程中DG4采用V/F控制，则DG5可获得电压和频率支撑，仍可采用PQ控制输出功率而无需退出运行.因此DG本地自组网（DG4，DG5，节点19）包含了两个分布式电源。若DG4和DG5均可孤岛运行，则可选择两种中容量较大的作为本地自组网的主电源，另外一个则仍采用PQ控制输出功率。

参照14所示，当各DG本地自组网运行平稳后，有剩余容量的DG可对邻接失电节点逐步恢复供电，即DG进入动态自组网状态。依据DG动态自组网供电恢复优化算法，首先对A类拓扑连接恢复供电，通过搜索可知，DG本地自组网（DG2，节点17）和（DG6，节点11）应首先对外恢复供电，由于分布式电源DG2的容量限制，到对节点16恢复供电后，其剩余容量无法继续恢复节点15，而分布式电源DG6在恢复节点10的供电后，接下来遇到的是B类拓扑连接则停止恢复供电，至此形成两个DG动态自组网（DG2，节点17，节点16）和（DG6，节点11，节点10）。

在完成第一轮A类拓扑连接后，接下来处理B类拓扑连接。由搜索可知节点9的供电恢复属于B类拓扑连接，由于DG4和DG5可提供给节点9的剩余容量要大于DG6提供给节点9的剩余容量，根据对B类拓扑连接的处理策略，应选择剩余容量较大的分布式电源为其供电，因此选择DG4和DG5为节点9恢复供电。在完成第一轮B类拓扑连接后，在检查是否有新的A类拓扑连接出现，若有则再次优先处理A类拓扑连接，若无则处理C类拓扑连接。通过检查遍历可知处理完第一轮B类拓扑连接后，出现了A类拓扑连接节点8和节点7，由于DG4和DG5的剩余容量和所有支路的功率约束仍满足要求，DG4和DG5仍可恢复对节点8和节点7的供电，但当恢复至节点6时，由于节点6属于B类拓扑连接，因此停止此轮的供电恢复。在完成第二轮A类拓扑连接后，重复第一轮的供电恢复顺序对新产生的B类拓扑连接进行处理，即对节点6的供电恢复处理。同样由于DG4和DG5能提供的剩余容量小于DG3的功率，因此节点6由DG3恢复供电，至此形成DG动态自组网（DG4，DG5，节点9，节点8，节点7）

同样的，接下来由DG3再恢复新的A类拓扑连接节点5，此后又出现B类拓扑连接节点4，由于DG3的剩下容量不足对节点4恢复供电，至此形成DG动态自组网（DG3，节点18，节点6，节点5）。此时供电恢复网络中只剩下C类拓扑连接节点3，根据DG1的容量，可恢复节点2、12和4，处理完之后又出现A类节点1、13和14，但此时DG1的容量只可恢复节点1，至此形成DG动态自组网（DG1，节点3，节点2，节点12，节点4，节点1），按照以上方案恢复供电后。

参照表1和图15所示，在该算例系统中，只有分布式电源DG1可以作为微电网孤岛运行状态下的主电源，因此DG动态自组网（DG1，节点3，节点2， 节点12，节点4，节点1）为DG主自组网，其他均为DG次自组网，为增强各微网孤岛运行的稳定性，将各DG自组网进行互联，首先将DG主自组网与有连接条件的DG次自组网（DG3，节点18，节点6，节点5）互联，通过对其进行预同步控制，符合合闸条件后将DG次自组网（DG3，节点18，节点6，节点5）与DG主自组网进行互联，并将DG3的V/F控制模式切换至PQ控制模式，在两个DG自组网互联之后，新的DG主自组网为（DG1，DG3，节点3，节点2，节点12，节点4，节点1，节点18，节点6，节点5）。

参照图16所示，按照以上规则，对其他有条件连接的DG次自组网逐步实现互联控制，最终形成互联网络，由于DG次自组网（DG2，节点17，节点16）无法与DG主自组网互联，则其仍然独立运行。另外，由于DG8的邻接节点已恢复供电且属于DG主自组网，因此重新投入运行，而DG7虽邻接节点已恢复供电但属于DG次自组网，则仍然退出运行。

当配电网恢复供电或微网内部故障排除后，微网可与配电网并网运行，在并网时首先从PCC点开始逐节点恢复并网，当并网恢复至与DG主自组网的相邻节点时，通过对DG主自组网进行预同步控制实现DG主自组网整体并网。在DG主自组网并网后，再对除DG主自组网以外的失电节点恢复供电，当并网恢复至与DG次自组网的相邻节点时，同样通过对DG次自组网进行预同步控制实现DG次自组网的整体并网，当各DG次自组网与配电网并网运行稳定后，再将不可孤岛且已退出运行的分布式电源重新投入运行，至此完成与公共配电网的并网切换控制。

Claims (6)

1.一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：

1)当微电网由并网转非计划孤岛运行时，根据分布式电源DG是否可孤岛运行，将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，通过DG本地自组网来确保重要负荷或本地负荷的持续供电；

2)待各DG本地自组网运行稳定后，根据分布式电源容量对外搜索和扩大供电范围，即形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，通过采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化；

3)在各DG动态自组网对外供电最大化的基础上，待各DG动态自组网稳定运行后，以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行，形成含多个DG并且可稳定运行的DG动态自组网，并将与之邻接且退出运行的DG重新投入运行；

4)待公共配电网恢复供电后，按照拓扑连接顺序依次将各DG动态自组网与公共配电网并网运行，然后将未恢复供电的区域恢复供电，并将仍处于停运状态DG重新投入运行；

5)前述第1)点将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，是指：

5-1)当微电网由并网运行向孤岛运行切换且微网功率不平衡时，根据DG自组网的能力将微电网解列成若干个可独立运行的DG本地自组网，以确保重要负荷或本地负荷的持续供电；

5-2)在微电网由并网运行向孤岛运行切换之前，预先对各DG本地自组网区域和负荷大小进行规划或设定，具体方法如下：

针对微电网由并网运行向孤岛运行切换的不可预测性，要使得各DG本地自组网在任一时刻建立都能确保内部功率平衡，即要求预先设定的DG本地自组网内部负荷在任意时刻小于或等于分布式电源的出力，即本地自组网内的负荷之和小于或等于其最小出力表达式如下：

$0<S_{\mathrm{load}}^{\mathrm{local}}\&le;S_{\mathrm{DG}}^{\min }---\left(1\right)$

6)前述第2)点所述形成DG动态自组网逐步对外恢复供电，是指：

6-1)在各DG动态自组网逐步对失电节点进行供电恢复过程中，各DG动态自组网避免相互联网运行，以免当任意DG动态自组网出现紧急状态时，影响到其他DG动态自组网的运行；

6-2)在形成DG动态自组网过程中，各动态自组网由单分布式电源供电；

6-3)建立DG动态自组网供电恢复优化模型，通过优化模型实现DG容量约束、电压和线路载流量约束；

7)前述第3)点以含微网主电源的DG动态自组网为中心，将具备互联条件的DG动态自组网依次联网运行的方法：含微网主电源的DG动态自组网是DG主自组网，含微网后备电源DG动态自组网是DG次自组网；

通过微网EMS系统检测DG主自组网的电压和频率，再将准备与之相连的DG次自组网进行预同步控制，当DG次自组网的电压和频率与DG主自组网趋于一致时，微网EMS系统下达指令进行合闸联网运行，同时将DG次自组网中的分布式电源由V/F控制切换为PQ控制；当DG次自组网与DG主自组网联网稳定运行后，就形成新的DG主自组网，该DG主自组网内部包含微电网主电源，再与其邻接的DG次自组网即可与之并网，以此类推可逐步将所有具备联网条件的DG次自组网与DG主自组网联网运行；

8)前述第4)点中按照拓扑连接顺序依次将各DG动态自组网与公共配电网并网运行的方法：在并网时首先从PCC点逐步恢复并网，当并网恢复至与DG主自组网的相邻节点时，由微网EMS系统检测配电网电压和频率，同时调节DG主自组网主电源出力，待DG主自组网的电压和频率与配电网趋于一致时合闸并网，同时将DG主自组网的主电源由V/F控制切换至PQ控制或退出运行；对除DG主自组网以外的失电节点恢复供电，采用同样的方法，当并网恢复至与DG次自组网的相邻节点时，同样由微网EMS系统检测当前已并网的微网电压和频率，再对DG次自组网进行预同步控制，符合并网条件后将DG次自组网的并网运行，待各DG自组网均与配电网并网运行稳定后，再将不可孤岛且已退出运行的分布式电源重新投入运行，至此完成与公共配电网的并网切换控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：根据分布式电源DG利用能源的类别和组合构成，将分布式电源的自组网能力分为如下三类：

1)分布式电源DG具有调频和调压能力，作为微电网孤岛运行时的主电源，包括微型燃气轮机、柴油发电机、大容量的储能装置或复合储能装置；当微电网并网运行时，微型燃气轮机和柴油发电机处于停机状态，大容量储能装置或复合储能装置处于浮充状态；当微电网孤岛运行时，此类分布式电源组成稳定性和可调性的自组网，并成为自组网相互联网运行后的主电源；

2)燃料电池或带有储能装置的风力发电系统和光伏发电系统，此类分布式电源作为布式电源的后备电源；当在与微电网并网运行时，此类分布式电源采用最大功率跟踪出力，当与微电网解列后孤岛运行时，此类分布式电源依靠所配置储能平抑出力波动，并根据实时风力发电系统和风力发电系统资源状况提供可调容量，形成自组网为本地负荷在内的用户持续供电；

3)不带储能的风力发电系统或光伏发电系统，此类分布式电源不具备调节能力，只与微电网并网运行，在与微电网解列后失去电压和频率的支撑，不可孤岛运行，不具备自组网运行能力，当微电网失电时退出运行。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：

1)可孤岛运行的DG在微电网由并网向孤岛运行切换过程中，其控制模式由PQ模式平滑切换到V/F模式，以实现由并网状态向孤岛运行状态平稳过渡；

2)微电网中的全部节点都设置开关，在微电网由并网运行进入孤岛运行后，除了DG本地自组网内的开关接通外，其他所有开关都断开；

3)微电网系统具有自动化监控结构，能实现对微电网的PCC点、线路开关分布式电源和负荷进行自动监控，当微电网由并网运行向孤岛运行切换后，通过监测PCC点开关的开合快速判断微电网孤岛状态，并按预设方案建立各DG本地自组网，并将其他开关断开。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：所述DG动态自组网供电恢复优化模型，用如下表达式表示：

$\max \left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|\left|x_i\right||\&CenterDot;P_i)---\left(2\right)$

s.t. x_i＝(x_i,1,x_i,2,L,x_i,n),||x_i||≤1  (3)

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\min }\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\&le;S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }(k=\mathrm{1,2,3},...,m)---\left(4\right)$

V_min≤V_i≤V_max  (5)

$S_{b\left(i\right)}\&le;S_{b\left(i\right)}^{\max }---\left(6\right)$

式(2)和(3)中的x_i为微网中任意节点B_i的供电状态，其取值为1或0，分别表示B_i处于供电状态或失电状态；若微电网中有m个可孤岛运行DG，均可为节点B_i供电，则x_i应为m维向量，即可表示为x_i＝(x_i,1,x_i,2,L,x_i,m)，其中x_i,k(k＝1,2,...,m)取值为1或0，分别表示为分布式电源k是否为节点B_i供电，若将节点B_i供电状态向量x_i的幅值定义为则当||x_i||≤1时表示该节点由一个及以下的DG为其供电，即可满足DG供电的约束要求；式(2)中P_i为任意节点B_i的有功负荷，N为微网非计划孤岛切换后所有待恢复供电的负荷节点的数量，为所有恢复供电的负荷之和；式(4)表示第k个DG动态自组网在进行供电恢复过程中DG的出力的上下限约束；式(5)表示DG动态自组网中任意节点B_i的电压V_i的上下限的约束；式(6)表示与任意节点B_i对应的支路的功率约束。

5.根据权利要求4所述的一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：采用基于爬山策略的启发式优化算法实现各DG动态自组网对外供电恢复的最大化，方法步骤包括：

1)对当前状态节点分类

对分布式电源动态自组网过程中的当前状态节点进行分类：第一类是已恢复供电的节点；第二类是当前可恢复节点，即与第一类节点相邻接的节点；第三类是在当前状态下还不能恢复供电的节点，即邻接点中没有已恢复供电的节点；把与当前可恢复节点邻接的第一类节点称为供电先导节点是指逐步到大山顶，即以逐步的局部最优，达到最终的全局最优；微电网由并网运行向非计划孤岛运行切换后，通过DG动态自组网对失电节点进行恢复供电；

2)对相关约束条件处理

DG动态自组网采用爬山算法对失电节点进行供电恢复过程中，单DG供电约束通过校验式(3)来实现，对于DG注入功率约束、支路功率约束和节点电压约束，采用开环网络潮流计算方法获得各自组网的功率分布、线路功率损耗及各节点电压，令微电网中第k个分布式电源的自组网中已有n个负荷恢复供电，分布式电源的输出功率为S_DG(k)，其自组网中第i个已恢复供电的负荷为S_LD(k,i)，该负荷对应的支路线损为S_Z(k,i)，则有：

$S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{LD}(k,i)}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{Z(k,i)}---\left(7\right)$

若该分布式电源最大输出功率为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该分布式电源可提供的功率余量ΔS_DG(k)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}^{\max }-S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}---\left(8\right)$

若令动态自组网中与第i个已恢复的负荷对应的供电支路功率为S_b(k,i)，其值通过网络潮流计算方法获得，与其对应的支路功率上限为则在对当前可恢复节点进行供电恢复时该支路可提供的功率余量ΔS_b(k,i)为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,i)}=S_{b(k,i)}^{\max }-S_{b(k,i)}---\left(9\right)$

若设DG动态自组网在对当前可恢复节点即第n+1个负荷节点恢复供电时可提供的功率为S_p(k,n+1)，则有：

S_p(k,n+1)＝min{ΔS_DG(k),min(ΔS_b(k,1),ΔS_b(k,2),...,ΔS_b(k,n))}  (10)

若当前可恢复节点即第n+1个负荷节点的负荷为S_LD(k,n+1)，第n+1条支路线路损耗为S_Z(k,n+1)，则通过第n+1条支路的功率S_b(k,n+1)为：

S_b(k,n+1)＝S_LD(k,n+1)+S_Z(k,n+1)  (11)

若有S_p(k,n+1)≥S_b(k,n+1)，则在对当前可恢复节点恢复供电时，确保分布式电源容量和所有支路功率均满足约束要求；

以上是考虑到各支路功率约束不一致的情况；若分布式电源自组网均采用相同型号和规格的导线，则各支路可传输的功率上限一致，此时只需要保证输出端支路功率不越限就可以保证自组网中所有支路功率不越限；若通过分布式电源输出端支路的功率为支路功率上限值为则式(11)中的S_b(k,n+1)可表达如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{b(k,1)}=S_{\mathrm{DG}\left(k\right)}\\ {\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)}=S_{b(k,1)}^{\max }-S_{b(k,1)}\\ S_{p(k,n+1)}=\min ({\mathrm{\&Delta;S}}_{\mathrm{DG}\left(k\right)},{\mathrm{\&Delta;S}}_{b(k,1)})\end{array}\right.---\left(12\right)$

在不要求特别精度时，在自组网逐节点供电恢复时，任意节点B_i的电压表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;V}}_i=(P_i{R}_i+Q_i{X}_i)/V_{i-1}\\ V_i=V_{i-1}-{\mathrm{\&Delta;V}}_i\end{array}\right.---\left(13\right)$

上式中P_i和Q_i为节点B_i的有功和无功，R_i和X_i为节点B_i对应支路的电阻和感抗，V_i-1为上一节点的电压；

3)不同拓扑连接供电恢复

爬山算法在执行过程中，首先确定当前状态下的供电先导节点和当前可恢复节点，再根据供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接类型来制定当前最优的节点供电恢复，根据供电先导节点和当前可恢复节点是否为分支节点，将供电先导节点和当前可恢复节点的拓扑连接分为三种类型：

(1)A类拓扑连接：供电先导节点和当前可恢复节点都不是分支节点，即两者依次串联，该类拓扑连接又分为两种情况：

第一种是只有一个供电先导节点的情形，即单供电先导节点类型，在爬山算法实现过程中，按照微电网的拓扑连接顺序逐步对失电节点进行供电恢复；

第二种是有两个供电先导节点的情形，即双供电先导节点类型，在爬山算法实现过程中，选择供电余量较大的供电先导节点为当前可恢复节点恢复供电；

(2)B类拓扑连接：当前可恢复节点为分支节点，并且有两个及以上的供电先导节点，为确保更多的后继失电节点能够得到供电恢复，若当前可恢复节点有两个以上的供电先导节点，则选择供电余量最大的节点为其供电；

(2)C类拓扑连接：供电先导节点为分支节点，即一个供电先导节点对应多个当前可恢复节点，对于这类型的拓扑连接，将该供电先导节点分成若干个虚拟供电先导节点，分别对应一个当前可恢复节点，在对当前可恢复节点进行供电恢复时，若所有虚拟供电先导节点同时为对应的可恢复节点供电，则有可能超出实际供电先导节点的功率余量或者不满足供电约束条件使当前可恢复节点的供电均不能得到恢复，为了确保尽可能多的负荷供电得到恢复，应按照负荷由小到大的顺序对当前可恢复节点逐个恢复供电，若当前可恢复节点负荷均相同，则按节点编号顺序逐个恢复供电；

所述DG动态自组网供电恢复过程中A、B、C三类网络拓扑连接供电恢复的顺序如下：

1)如果在当前可恢复节点中存在A类拓扑连接，则优先处理A类拓扑连接；

2)在处理完所有A类拓扑连接后，先处理B类拓扑连接，再处理C类拓扑连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于分布式电源自组网策略的微电网供电恢复方法，其特征在于：在分布式电源动态自组网的过程中，以各分布式电源为中心，在所有开关断开的前提下，采用基于爬山策略的启发式算法确定各分布式电源自组网方案，按照拓扑连接顺序逐个节点进行供电恢复，流程如下：

1)微电网进入孤岛运行，各DG建立本地自组网运行；

2)确定各分布式电源自组网初始的供电先导节点和可恢复节点；

3)分析所有供电先导节点与可恢复节点的拓扑类型，首先查找并处理所有的A类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移；

4)在处理完A类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理所有的B类拓扑连接，并将供电先导节点和可恢复节点前移；

5)在处理完B类拓扑后，若仍存在有效的供电先导节点，查找并处理完所有新的A类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移；

6)若仍存在有效的供电先导节点，并且已无新的A类和B类拓扑连接，则查找并处理所有C类拓扑连接，将供电先导节点和可恢复节点继续前移；

7)若仍存在有效的供电先导节点，则重新执行步骤(4)-(7)，直到有效的供电先导节点处理完毕；

8)输出各分布式电源最终的DG动态自组网方案。