CN103474990A - 一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，包括步骤有：（1）将含可控负荷的微网与配电网之间的互动系统分成三层结构，（2）读入当前运行的配电网的初始数据；（3）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统获得相关故障信息数据；（4）微网恢复方案判别，是否满足微网恢复条件；（5）微网恢复方案，（6）一级支持馈线恢复方案判别；（7）一级支持馈线恢复方案；（8）甩负荷恢复方案；（9）输出故障恢复方案。本发明提出了一种三级选择恢复方案，即微网恢复方案、一级支持馈线恢复方案和甩负荷恢复方案。在故障恢复时，优先选择微网恢复方案，在其不能实现的情况下，再选择启用一级支持馈线恢复方案，最后考虑甩负荷恢复方案。

Description

一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化，配电网故障恢复及微网中可控负荷的控制技术领域，尤其是一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法。

背景技术

随着传统常规能源(煤炭、石油，及天然气等)的日渐枯竭，分布式电源作为一种小型、分散化、靠近用户端的高效、可靠的发电单元引起了世界各国的广泛关注，但本身也存在如输出功率的随机性、控制困难等诸多问题，因此，如何充分利用分布式电源的随机灵活特性，提高配电网的供电可靠性，规避其对配电网运行的不利影响，是亟待解决的关键问题之一。微网作为一种安全、可靠、经济、环保和高效的供电方式，在未来的配电网络中必将广泛接入。因此，以微网的发展作为技术支持，研究新型的含有微网的配电网络故障恢复技术，具有重要的实用价值。

微网是有效解决分布式电源接入电网带来的不利影响的方案之一，微网是一个内含负荷、微型发电装置以及储能装置，与大电网相连的小型电力系统。负荷管理是需求侧管理中的一项重要技术措施，其通过调整可控负荷的使用达到需求侧管理的目的。需求侧负荷一般分为三种类型：固定负荷、可转移负荷、随机负荷。其中固定负荷为用户的最小负荷需求，一般可根据历史数据预测。可转移负荷，又称可控负荷，合理安排和控制可控负荷是需求侧管理的关键，随机负荷为用户临时启动的负荷，无法准确预测。微网由于容量等的限制，大都应用于商业及居民用户而工业用户少的近用户端，并且都对设备启停没有特殊要求，用电设备多为冰箱、空调、热水器、电动汽车等工作方式灵活的负荷，因此可通过对微网中的这些可控负荷进行灵活可靠的控制，可以达到跟踪微网波动性输出，稳定微网运行工作特性的目的。

由供电恢复的基本要求可知，配电网的故障恢复一方面需最低的线路损耗来恢复最多的非故障失电负荷；另一方面，还需满足网络拓扑结构、线路裕量和电压质量等电气约束。因此，配电网故障恢复重构是一种高维数、多目标、多约束、多时段、不连续、非线性并且离散化的优化组合问题。目前，国内外学者进行了大量的研究工作，提出或者引进了多种算法，归纳起来如下：

1）传统的数学优化算法：数学优化方法是将配电网故障恢复问题用数学模型进行描述，然后通过一定的算法求解，从而得到不依赖网络初始结构的优化结果，对于实际大规模配电网求解困难很大。试图用数学优化解析的方法寻找到全局最优解时，一般都需要进行简化和近似处理。

2）启发式方法：启发式方法是以直观分析为依据的算法，通常根据一定的原则，逐步迭代直到得到满意的重构结果。配电网故障恢复中运行的启发式算法主要有最优留模式算法(OFP)，支路交换法(BEM)等。

智能优化算法：基于随机化技术的智能优化算法近些年在优化领域得到迅速的发展，并得到了日益广泛的应用。智能优化算法在配电网故障恢复中的应用的成果中，主要有如下算法：人工神经网络算法，模拟退火算法，禁忌搜索算法，蚁群算法，粒子群优化算法，遗传算法等。。遗传算法是受达尔文(C.R.Darwin)提出的以自然选择为基础的生物进化论学说的启发，通过模拟自然界生物进化和发展的规律来解决特定目标的优化问题。由美国Michigan大学的J.H.Holland教授在1975年首次提出。遗传算法从一个初始种群开始一代一代地进化和发展，经过一定代数的进化后，最终得到最优解或较优的解。

目前的配电网故障恢复方案大多是采用以上三种算法基于现有传统配电网的拓扑结构来进行故障恢复，没有与微网中的可控负荷的控制作用相结合，本发明的创新点在于将微网中的可控负荷响应控制加入到配电网供电恢复的决策中，可以显著提高配电网故障的恢复能力，同时提高了用电侧用户主动参与性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，包括步骤如下：

（1）将含可控负荷的微网与配电网之间的互动系统分成三层结构，其中，

第三层包括分布式微电源控制器和负载控制器，电源控制器和负载控制器通过母线与微网中心控制器相连接，同时可以通过数据总线与微网中心控制器通信；

第二层在第一层的基础上增加了微网中心控制器，其作用是负责第三层的分布式微电源控制器和负载控制器的管理以及与配电网之间的互动控制；

第一层是整个包含微网的配电系统，包括配电管理系统、与配电管理系统连接的配电网、配电网母线及与配电管理系统连接的多个微网，其中微网包含第三层中的可控负荷，通过可控负荷参与配电网故障恢复控制；

（2）读入当前运行的配电网的初始数据；

（3）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统获得相关故障信息数据；

（4）微网恢复方案判别，是否满足微网恢复条件，首先计算出非故障停电区域内停电负荷的总功率

非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和

以及与失电区相连的所有一级支持馈线的容量裕度之和，即可转移的功率之和将停电负荷的总功率

分别与非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和

以及非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和加上所有一级支持馈线的容量裕度之和，即

进行比较，如果满足如果

则采用微网恢复方案，然后进入下一步，如果不满足

则进入到步骤（6）；

（5）微网恢复方案，基于故障馈线上的微网恢复供电，进入微网恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案，如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入步骤（7）；

（6）一级支持馈线恢复方案判别，如果则满足一级支持馈线恢复方案，采用下一步的一级支持馈线恢复方案，然后进入到步骤（8）；

（7）一级支持馈线恢复方案，即通过本馈线和一级馈线的微网恢复供电，进入一级支持馈线故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案，如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入下一步；

（8）甩负荷恢复方案，进入甩负荷故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，经过最优潮流计算并输出故障恢复方案；

（9）输出故障恢复方案：将得到的故障恢复方案输出到配电管理系统中，供运行人员决策使用。

而且，所述步骤（2）的具体步骤为，初始数据包括当前运行的配电网的拓扑结构、负荷水平、线路电流信息以及节点电压信息，将配电网运行的这些初始数据送入到故障区段判别和故障隔离程序计算模块进行故障判别以及故障后的隔离。

而且，所述步骤（3）的故障区段判断和故障隔离具体为，当配电网络故障发生时，配电管理系统根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据进行故障区段判断和故障隔离过程。

本发明的优点和积极效果是：

1、本专利通过将微网中的需求侧可控负荷响应加入到配电网供电恢复的决策程序中，可以实现配电网故障最优方案的快速选择、配电网故障快速恢复以及在实现配电网故障恢复的同时计及用户的用能舒适度，提高用户的主动参与性，提高配电网的故障恢复能力，从整体上提高了配电网运行的安全性和经济性。

2、由配电管理系统（DMS）对多个微网进行管理，而每一个微网通过微网中心控制器（MGCC）对下层各个分布式发电单元以及可控负荷进行管理，每一个分布式发电单元通过分布式微电源控制器（MC）实现对网络接口的控制以及分布式发电单元自身的控制，每一个可控负荷单元通过负荷控制器（LC）来达到需求侧可控负荷管理的目的。

3、本专利提出的配电网故障恢复策略充分挖掘了微网中可控负荷在负荷侧需求响应中作用，提出了适用于微网中可控负荷的用户参与度需求侧分散控制策略，充分发挥分散在不同微网中可控负荷的作用，使可控负荷在实现配电网故障恢复的同时计及用户的用能舒适度，提高了用户的主动参与性，同时有效减小对储能装置容量和充放电速度的要求，节省了系统的投资，在保证系统运行安全性的同时保证其经济性。

4、为了能够在配电网络故障恢复重构过程中充分利用微网的优势，提高供电恢复方案的实用性和经济性，本发明提出了一种三级选择恢复方案，即微网恢复方案、一级支持馈线恢复方案和甩负荷恢复方案。在故障恢复时，优先选择微网恢复方案，在其不能实现的情况下，再选择启用一级支持馈线恢复方案，最后考虑甩负荷恢复方案。

附图说明

图1是本发明将典型的可控负荷的微网分成三层结构的示意图；

图2是供电恢复方案流程图；

图3是本发明实例中一个典型的包含可控负荷微网的三馈线中压配电系统示意图，其中母线6、10、12、15接入了含可控负荷的微网。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，需要强调的是，以下实施方式是说明性的，而不是限定性的，不能以此实施方式作为对本发明的限定。

一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，如图1所示，该控制策略所应用的微网包括有微网中心控制器（MGCC）、配电管理系统（DMS）、分布式微电源控制器（MC）、负载控制器（LC）、可控负荷，如冰箱、空调、热水器、电动汽车，本发明方法的创新点包括步骤如下：

（1）将含可控负荷的微网与配电网之间的互动系统分成三层结构，如图1所示，其中，第三层包括分布式微电源控制器（MC）和负载控制器（LC），MC和LC通过母线与微网中心控制器相连接，同时可以通过数据总线与微网中心控制器通信；第二层在第一层的基础上增加了微网中心控制器，其作用是负责第三层的分布式微电源控制器（MC）和负载控制器（LC）的管理以及与配电网之间的互动控制；第一层是整个包含微网的配电系统，包括配电管理系统、与配电管理系统连接的配电网、配电网母线及与配电管理系统连接的多个微网，其中微网包含第三层中的可控负荷，通过可控负荷参与配电网故障恢复控制。

微网可以生产，分配和管理本地电力消费与上一级配网之间的电力潮流分配关系，这些操作通常是由微网中心控制器（MGCC）与配电管理系统（DMS）、分布式微电源控制器（MC）和负载控制器（LC）之间相互协调控制完成的。MGCC不仅可以控制微网的运行方式（孤岛运行或者与上级配电网并网运行），而且可以通过控制负荷控制器（LC）来达到需求侧可控负荷，如冰箱、空调、热水器、电动汽车管理的目的，同时可以通过控制分布式微电源控制器（MC）达到调度微型发电机的目的。

（2）读入当前运行的配电网的初始数据：初始数据包括当前运行的配电网的拓扑结构、负荷水平、线路电流信息以及节点电压信息，将配电网运行的这些初始数据送入到故障区段判别和故障隔离程序计算模块进行故障判别以及故障后的隔离。

（3）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统(DMS)获得相关故障信息数据：配电网络故障发生时，配电管理系统(DMS)根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据进行故障区段判断和故障隔离过程。

（4）微网恢复方案判别：满足微网恢复条件，首先计算出非故障停电区域内停电负荷的总功率

非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和以及与失电区相连的所有一级支持馈线的容量裕度之和，即可转移的功率之和

将停电负荷的总功率

分别与非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和

以及非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和加上所有一级支持馈线的容量裕度之和，即

进行比较，如果满足如果

则采用微网恢复方案，然后进入下一步；如果不满足则进入到步骤（6）。

（5）微网恢复方案：基于故障馈线上的微网恢复供电，进入微网恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案；如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入步骤（7）。

（6）一级支持馈线恢复方案判别：满足一级支持馈线恢复方案条件，如果

则满足一级支持馈线恢复方案，采用一级支持馈线恢复方案，然后进入到步骤（8）。

（7）一级支持馈线恢复方案：通过本馈线和一级馈线的微网恢复供电。进入一级支持馈线故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案；如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入下一步。

（8）甩负荷恢复方案：进入甩负荷故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算并输出故障恢复方案。

（9）输出故障恢复方案：将得到的故障恢复方案输出到配电管理系统（DMS）中，供运行人员决策使用。

实例

下面以典型三馈线配电系统为例，如图3所示，分别设定两种场景，介绍本专利提出的基于微网中可控负荷的配电网故障快速恢复策略的具体实施过程：

1、场景一：采取微网恢复方案

假设系统支路16上发生永久性故障，故障隔离后造成的非故障停电区域包括节点8、9、10、11和12，通过计算得出停电总负荷等于

接入微网（包含可控负荷）的节点10和节点12处的微网在一定时间内最大输出功率分别为8.0+j4.2MVA和12.0+j7.0MVA，具体数据见表1。

表1停电区域中微网（含可控负荷）的可用容量

下面按照步骤来分析场景一的故障恢复方案的选择：

（1）读入初始数据：初始数据包括当前运行的配电网的拓扑结构、负荷水平、线路电流信息以及节点电压信息，将配电网运行的这些初始数据送入到故障区段判别和故障隔离程序计算模块进行故障判别以及故障后的隔离。

（2）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统(DMS)获得相关故障信息数据：配电网络故障发生时，配电管理系统(DMS)根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据进行故障区段判断和故障隔离过程。

（3）微网恢复方案判别：三馈线配电系统故障发生时，在进行故障区段判断和故障隔离过程的同时，配电管理系统(DMS)根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据以及各个微网中心控制器（MGCC）的实时运行数据，首先计算出非故障停电区域内停电负荷的总功率

为15.10+j3.2MVA、当前一段时间内非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和为20.00+j11.20MVA；将停电负荷的总功率分别与非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和

相比较知满足

所以才采取微网恢复方案；

（4）微网恢复方案：进入微网恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，最优潮流计算，根据计算结果输出的故障恢复方案为：非故障停电区域内的所有微网，微网10、微网12，分布式电源出力和甩掉部分可控负荷所得容量之和为15.18+j3.28MVA，可以保证故障区域失电负荷全部恢复供电，得到以网损最小和最大限度恢复供电为目标的故障恢复方案，具体计算结果见下表；

表2经最优潮流计算得到的故障恢复方案

通过表3的计算结果可以看出，通过最优潮流计算得到的微网恢复方案，微网10和微网12的分布式电源出力和甩掉部分可控负荷所得容量之和为15.18+j3.28MVA，可以保证故障区域失电负荷全部恢复供电，同时充分结合了微网中分布式电源的出力和可控负荷的响应作用，使可控负荷在实现配电网故障恢复响应的同时计及用户的用能舒适度，通过牺牲适当的用户舒适度，有效减小对微网中储能装置容量和充放电速度的要求，节省了系统的投资，提高了用户的主动参与性，最重要的是提高了配电网故障恢复的能力，在保证系统运行安全性的同时保证其经济性。

2、场景二：采取一级支持馈线恢复方案

假设系统支路16上发生永久性故障，故障隔离后造成的非故障停电区域包括节点8、9、10、11和12，通过计算得出停电总负荷等于

接入微网（包含可控负荷）的节点10和节点12处的微网在一定时间内最大输出功率分别为5.0+j3.2MVA和4.0+j3.0MVA，具体数据见表3。

表3停电区域中微网（含可控负荷）的可用容量

下面按照步骤来分析场景二的故障恢复方案的选择：

（1）读入初始数据：初始数据包括当前运行的配电网的拓扑结构、负荷水平、线路电流信息以及节点电压信息，将配电网运行的这些初始数据送入到故障区段判别和故障隔离程序计算模块进行故障判别以及故障后的隔离。

（2）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统(DMS)获得相关故障信息数据：配电网络故障发生时，配电管理系统(DMS)根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据进行故障区段判断和故障隔离过程。

（3）微网恢复方案判别：三馈线配电系统故障发生时，在进行故障区段判断和故障隔离过程的同时，配电管理系统(DMS)根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据以及各个微网中心控制器（MGCC）的实时运行数据，首先计算出非故障停电区域内停电负荷的总功率为15.10+j3.2MVA、当前一段时间内非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和

为9.0+j6.2MVA；将停电负荷的总功率

分别与非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和

相比较知不满足

所以进入下一步；

（4）一级支持馈线恢复方案判别：满足一级支持馈线恢复方案条件。非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和

为9.0+j6.2MVA，不满足

而此时与失电区相连的所有一级支持馈线的容量裕度之和(即可转移的功率之和

为15.5+j5.0MVA，满足

所以选择一级支持馈线故障恢复方案，进入下一步；

（5）一级支持馈线恢复方案：通过本馈线和一级馈线的微网恢复供电。进入一级支持馈线故障恢复方案遗传算法最优潮流计算，根据计算结果输出的故障恢复方案为：通过停电区域内的微网10、微网12以及一级馈线3范围内的微网15共同出力（包括微网内分布式电源的处理以及通过甩掉部分可控负荷得到的容量）可以为故障区域停电负荷提供10.55+j3.0MVA，此时所有停电负荷的功率之和

15.10+j3.2MVA，不足的容量由馈线3所在的变电站提供，参照下表，

表4馈线1和馈线3的可用容量

馈线3可提供5.00+j1.20MVA的额外容量，所以可以保证故障区域失电负荷全部恢复供电，具体计算结果见下表：

经最优潮流计算得到的故障恢复方案

从最优潮流的计算结果可以看到，通过停电区域内的微网10、微网12以及一级馈线3范围内的微网15共同出力（包括微网内分布式电源的处理以及通过甩掉部分可控负荷得到的容量）可以为故障区域停电负荷提供10.55+j3.0MVA，此时所有停电负荷的功率之和15.10+j3.2MVA，不足的容量由馈线3所在的变电站提供，根据表5知，馈线3可提供5.00+j1.20MVA的额外容量，所以可以保证故障区域失电负荷全部恢复供电，仿真结果证明了本专利提出的微网恢复方案的可行性，与传统的配电网故障恢复策略和单纯依赖微网中的分布式电源出力的故障恢复策略相比，本专利的结果更具可行性和实用价值，计算结果可以供调度员进行参考。

本专利的发明重点在于将微网中的需求侧可控负荷响应加入到配电网供电恢复的决策程序中，在保证非故障停电区域的停电负荷最大限度恢复供电的同时，为配电网故障快速恢复提供支持，所以不再讨论本领域技术人员公知的甩负荷故障恢复方案的具体实施方案。

Claims (3)

1.一种基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，其特征在于包括步骤如下：

（1）将含可控负荷的微网与配电网之间的互动系统分成三层结构，其中，

第三层包括分布式微电源控制器和负载控制器，电源控制器和负载控制器通过母线与微网中心控制器相连接，同时可以通过数据总线与微网中心控制器通信；

第二层在第一层的基础上增加了微网中心控制器，其作用是负责第三层的分布式微电源控制器和负载控制器的管理以及与配电网之间的互动控制；

第一层是整个包含微网的配电系统，包括配电管理系统、与配电管理系统连接的配电网、配电网母线及与配电管理系统连接的多个微网，其中微网包含第三层中的可控负荷，通过可控负荷参与配电网故障恢复控制；

（2）读入当前运行的配电网的初始数据；

（3）故障区段判断和故障隔离并通过配电管理系统获得相关故障信息数据；

（4）微网恢复方案判别，是否满足微网恢复条件，首先计算出非故障停电区域内停电负荷的总功率

非故障停电区域内的所有微网可以外送的功率之和

以及与失电区相连的所有一级支持馈线的容量裕度之和，即可转移的功率之和

将停电负荷的总功率

分别与非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和

以及非故障停电区域内的微网可以外送的功率之和加上所有一级支持馈线的容量裕度之和，即

进行比较，如果满足如果

则采用微网恢复方案，然后进入下一步，如果不满足

则进入到步骤（6）；

（5）微网恢复方案，基于故障馈线上的微网恢复供电，进入微网恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案，如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入步骤（7）；

（6）一级支持馈线恢复方案判别，如果

则满足一级支持馈线恢复方案，采用下一步的一级支持馈线恢复方案，然后进入到步骤（8）；

（7）一级支持馈线恢复方案，即通过本馈线和一级馈线的微网恢复供电，进入一级支持馈线故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，如果经过最优潮流计算满足约束条件，则输出故障恢复方案，如果经过最优潮流计算不满足约束条件，则进入下一步；

（8）甩负荷恢复方案，进入甩负荷故障恢复方案遗传算法最优潮流计算模块，经过最优潮流计算并输出故障恢复方案；

（9）输出故障恢复方案：将得到的故障恢复方案输出到配电管理系统中，供运行人员决策使用。

2.根据权利要求1所述的基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，其特征在于：所述步骤（2）的具体步骤为，初始数据包括当前运行的配电网的拓扑结构、负荷水平、线路电流信息以及节点电压信息，将配电网运行的这些初始数据送入到故障区段判别和故障隔离程序计算模块进行故障判别以及故障后的隔离。

3.根据权利要求1所述的基于微网及其可控负荷的配电网故障快速恢复方法，其特征在于：所述步骤（3）的故障区段判断和故障隔离具体为，当配电网络故障发生时，配电管理系统根据FTU传输来的遥测数据和遥信数据、系统中其它监控设备收集到的数据进行故障区段判断和故障隔离过程。

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