CN103972985B - 一种配电网的在线安全预警与预防控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种配电网的在线安全预警与预防控制方法，其方法为：对配电网的运行状态进行感知，收集配电网数据；根据收集的配电网数据计算配电网的预警指标或失电等级指标；根据预警指标或失电等级指标对配电网的运行状态进行划分；配电网处于警戒状态时，对配电网进行预防控制。这样，使得配电网能够自主进行安全预警与预防控制，实现配电网的自愈控制，同时也使配电网能够尽可能的避免故障的出现且在运行的过程中更加节能。

Description

一种配电网的在线安全预警与预防控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动控制技术领域，具体涉及一种配电网的在线安全预警与预防控制方法。

背景技术

智能配电网的发展对实现配电网的在线安全预警与预防控制提出了要求。一方面，实现配电网的在线安全预警与预防控制是提高配电网安全可靠水平的必要条件，国内外重大电网事故的惨痛教训表明，建设能够自动实现在线安全预警与预防控制的配电网有助于配电网故障快速恢复并有效降低事故损失；另一方面，智能配电网的建设及配电网的庞大复杂为配电网的在线安全预警与预防控制提供了客观需要：先进通信技术(设备、信道、协议)为实时数据传输提供了保障；各种信息系统通过统一的数据标准和信息平台(通过接口方式或者集成方式)实现数据的多方共享；电网参数极其完备，更新及时且统一，提供了配电网络优化运行分析的所有数据。

进行配电网的在线安全预警与预防控制，可以有效提高配电网供电可靠性，实现优化运行。配电网的在线安全预警与预防控制系统能够分析配电网运行状态，确定当前配电网是否正常或优化运行，是面临风险，还是已经发生故障；在发现隐患后，采取控制措施消除隐患，避免故障发生；一旦发生故障，迅速进行故障定位，并自动隔离故障，恢复健全区域供电；具备一定的自然灾害预警和应对处理能力；在正常运行状态下，具备多目标优化校正能力等。

国内在电网安全预警开展了许多有益的工作，如基于多代理技术的电网静态安全预警技术研究、基于时间维、空间维、对象维的在线安全预警和决策系统设计等，同时开发了一批电网安全预警系统。国外在电网安全预警领域也开展了基于广域测量系统的预警技术、动态安全分析技术研究等方面的研究，强调实现暂态稳定分析、电压稳定分析等的在线应用。DyliaccoT.最早提出了电力系统状态划分，包括警戒状态、紧急状态和恢复状态，之后一些研究文献将紧急状态细化为紧急状态、极端紧急状态、系统崩溃状态，提出各状态的特征及状态间的转换控制。配电网的运行分析方面，目前主要研究了配电网负荷预测、合环潮流计算、静态安全分析、供电能力评估、应急能力评估。

但是，已有的技术主要针对于输电网进行安全预警与预防控制的研究，而针对配电网的较少，且已有的发明没有明确的提出预防控制的措施。另外，已有的发明并未明确提出过配电网的节能措施。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和试验终于提出了配电网正常运行状态下的在线安全预警与预防控制的完整体系，包括预警指标的计算，运行状态的划分以及预防控制的手段和预防控制中的节能措施。

发明内容

本发明的目的在于用以克服上述技术缺陷，提供一种配电网的在线安全预警与预防控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：提供一种配电网的在线安全预警与预防控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤a、通过计算机对配电网的运行状态进行感知，收集配电网数据；

步骤b、根据收集的配电网数据计算配电网的预警指标或失电等级指标；

步骤c、根据预警指标或失电等级指标对配电网的运行状态进行划分；

步骤d、配电网处于警戒状态时，对配电网进行预防控制；

所述步骤d中对配电网进行预防控制包括：

步骤d1、对配电网进行基本潮流计算；

步骤d2、判断计算出的节点电压是否越限，越限则继续，未越限则退出；

步骤d3、计算节点的灵敏度矩阵；

步骤d4、对有分布式电源和电容器组的节点按对越限节点灵敏度大小排序；

步骤d5、采用和声算法，给出分布式电源出力变化量和投切电容器组量；

步骤d6、判断配电网是否满足运行条件，不满足则执行步骤d7，满足则执行步骤d8；

步骤d7、对配电网进行网络重构；

步骤d8、输出结果并退出；

所述预防控制的目标函数为：

$\min F\left(x\right)=\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\left|U_i-U_{iN}\right|}{U_{iN}}$

上式中，U_i、U_iN分别为第i个节点的节点电压和额定电压。

所述目标函数的约束条件包括等式约束条件与不等式约束条件，其中：

所述等式约束条件为潮流约束条件；

所述不等式约束条件为:

节点电压约束：U_imin≤U_i≤U_imax；

节点有功约束：P_imin≤P_i≤P_imax；

节点无功约束：Q_imin≤Q_i≤Q_imax；

分布式电源出力约束：P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax，Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax；

电容容器组约束：C_i＝k_iC_iN，其中k_i＝0,1,...k；

其中，U_imin、U_imax分别为第i个节点的节点电压最小值和最大值；P_imin、P_imax分别为第i个节点有功功率最小值和最大值；Q_imin、Q_imax分别为第i个节点无功功率最小值和最大值；P_Gi、P_Gimin、P_Gimax分别为第i个节点分布式电源的有功出力、有功出力最小值和有功出力最大值；Q_Gi、Q_Gimin、Q_Gimax分别为第i个节点分布式电源的无功出力、无功出力最小值和无功出力最大值；C_iN为第i个节点单个电容器的大小；k为第i个节点电容器组中电容器的个数；C_i为第i个节点投入电容器组的大小。

所述步骤d7中网络重构的过程为：

步骤d71、统一支持平台实时数据库提供实时数据；

步骤d72、网络重构事件触发；

步骤d73、根据实时数据进行网络重构；

步骤d74、对网络重构后的配电网进行潮流计算；

步骤d75、计算线路以及设备负载率S_i/S_imax及节点电压偏移量|V_i-1|；

步骤d76、判断两个指标是否均未越限，若两个指标中至少有一个越限则继续执行，若两个指标均未越限则跳至步骤d78；

所述两个指标，为步骤d75中的所述设备负载率S_i/S_imax与所述节点电压偏移量|V_i-1|；

步骤d77、利用深度搜索算法切负荷，然后返回步骤d76；

步骤d78、对方案进行合环校验；

步骤d79、输出方案并结束网络重构过程。

所述网络重构的目标函数为：

$Min{F}_1=\min \left(max\right(\frac{S_i}{S_{imax}}),i\∈G)$

上式中，G为评估的馈线组或者系统中处于警戒状态的馈线段的集合，S_i为支路i的当前负载，S_imax为支路i所允许的最大负载。

所述网络重构的约束条件包括：

等式约束：g(x)＝0；

节点电压约束：V_min≤V_i≤V_max；

线路容量约束：S_i≤S_imax；

上式中，V_min为节点电压的最小约束值，V_max为节点电压的最大约束值,S_i为支路容量，S_imax为支路可载容量的最大值；

网络拓扑约束：不考虑分布式电源时，网络结构始终为放射状，考虑分布式电源时，网络结构允许弱环网连接。

所述步骤b还包括：

步骤b1、从收集的数据中整理出配电网系统与馈线联络组的实时数据与预测数据；

步骤b2、判断所述实时数据与预测数据是否有故障数据，无故障数据，则执行步骤b3；有故障数据，则执行步骤b4；

步骤b3、根据所述实时数据与预测数据计算配电网的预警指标；

步骤b4、根据故障数据计算配电网的失电等级指标；

步骤b5、通过导则库规则分析所述预警指标或失电等级指标。

所述预警指标包括母线电压越限指标、馈线段负载越限指标、电缆分接头温度越限指标、配变负载越限指标和配变一次电压越限指标，其计算公式分别为：

母线电压越限指标δ_V：

${\mathrm{\δ}}_{V1}=\frac{N_u}{N_A}\×100\%$

${\mathrm{\δ}}_{V2}=max(\frac{\left|V_i-V_{i\max }\right|}{V_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_A)$

上式中，δ_V1为母线电压越限数目指标，δ_V2为母线电压越限程度指标，N_u为馈线联络组中电压越限的母线数目，N_A为馈线联络组中母线总数，V_i为母线i的实时电压，V_imax为母线i的最大电压值；

馈线段负载越限指标δ_L：

${\mathrm{\δ}}_{L1}=\frac{N_{LC}}{N_{LA}}\×100\%$

${\mathrm{\δ}}_{L2}=max(\frac{S_i}{S_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{LA})$

上式中，δ_L1为馈线段负载越限数目指标，δ_L2馈线段负载越限程度指标，N_LC为馈线联络组中馈线段负载率越限数目，N_LA为馈线联络组馈线段的总数,S_i为馈线段i的载流量，S_imax为馈线段i的最大载流量；

电缆分接头温度越限指标δ_LT：

${\mathrm{\δ}}_{LT1}=\frac{N_{TC}}{N_{TA}}\×100\%$

${\mathrm{\δ}}_{LT2}=max(\frac{T_{Ci}}{T_{Cimax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{TA})$

上式中，δ_LT1为电缆分接头温度越限数目指标，δ_LT2电缆分接头温度越限程度指标，N_TC为馈线联络组中电缆分接头温度越限的馈线段的数目,N_TA为装有电缆分接头的馈线段的总数,T_Ci为馈线段i的电缆分接头温度,T_Cimax为馈线段i的电缆分接头温度最大值；

配变负载越限指标ρ_L：

${\mathrm{\ρ}}_{L1}=\frac{N_{y1}}{N_y}\×100\%$

${\mathrm{\ρ}}_{L2}=max(\frac{M_i}{M_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)$

上式中，ρ_L1为配变负载越限数目指标，ρ_L2配变负载越限程度指标，N_y1为馈线联络组中配变负载率越限的数目，N_y为馈线联络组的配变总数，M_i为配变i的载流量，M_imax为配变i的最大载流量；

配变一次电压越限指标ρ_V：

${\mathrm{\ρ}}_{V1}=\frac{N_{yv}}{N_y}\×100\%$

${\mathrm{\ρ}}_{V2}=max(\frac{\left|H_i-H_{imax}\right|}{H_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)$

上式中，ρ_V1为配变一次电压越限数目指标，ρ_V2配变一次电压越限程度指标，N_yv为馈线联络组中配变一次电压越限的数目；N_y为馈线联络组的配变总数,H_i为配变i的一次电压，H_imax为配变i的一次电压的最大值。

所述失电等级划分指标的计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{lost}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_{lost}}{\Σ}}{S}_j}{\underset{n=1}{\overset{N_T}{\Σ}}{S}_n}$

上式中，ρ_lost为失电等级划分指标，N_lost为失电配变的总数，S_j为第j个失电配变的负载有功值，单位为kW；N_T为评估区域内的所有配变总数,S_n为评估区域第n个配变的负载有功值，单位为kW。

所述步骤c中还包含一节能优化步骤，其具体过程为：

步骤c1、计算配电网的预警指标与网损越限指标；

步骤c2、判断配电网预警指标与网损越限指标是否均未越限，若是则输出方案并退出，若不是则执行步骤c3；

步骤c3、利用深度搜索算法切负荷，并返回步骤c1。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：提供了一种配电网的在线安全预警与预防控制方法，使得配电网能够自主进行安全预警与预防控制；提出的明确的预防控制措施，使得配电网能够尽可能的避免故障的出现；完整的安全预警与预防控制体系的建立，使得配电网能够实现自愈控制；节能措施使得配电网在的运行更节能。

附图说明

图1为本发明配电网正常状态下在线安全预警与预防控制的流程图；

图2为本发明计算配电网预警指标或失电等级指标的流程图；

图3为本发明配电网预警指标计算示意图；

图4为本发明配电网运行状态划分流程图；

图5为本发明配电网运行状态划分结构图；

图6为本发明配电网节能优化的流程图；

图7为本发明配电网预防控制策略流程图；

图8为本发明配电网和声算法流程图；

图9为本发明配电网网络重构的流程图；

图10为本发明配电网的在线安全预警与预防控制系统的结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

配电网的规模庞大，设备众多，拓扑结构一般为“闭环设计，开环运行”。针对这一特点，提出了馈线组的概念，馈线组是指若干条馈线之间存在物理联络关系，且彼此可以通过联络开关实现相互转供的馈线联络组合，若为辐射状的馈线，则认为单个馈线即为一个馈线组。馈线组是具有在线安全预警与预防控制能力的最小模块。为了提高计算分析的速度，本发明的在线安全预警与预防控制以馈线组最为最小单位，评价出每个馈线组的运行状态，并针对与馈线组进行预防控制。

请参阅图1所示，其为本发明配电网正常状态下在线安全预警与预防控制的流程图；其中，在线预警与预防控制方法的流程为：

步骤a、通过计算机对配电网的运行状态进行感知，收集配电网数据。

本步骤为对配电网的状态进行感知，收集的数据包括配电网的负荷预测数据、导则库规则、实时断面数据和网络拓扑，若配电网部分故障，还需要收集配电网的故障数据。

步骤b、根据收集的配电网数据计算配电网的预警指标或失电等级指标预警指标。

如图2所示，其为本发明计算配电网预警指标或失电等级指标的流程图；其中，计算配电网预警指标或失电等级指标的过程为：

步骤b1、从收集的数据中整理出配电网系统与馈线联络组的实时数据与预测数据。

从配电网上收集的数据非常多，我们需要对这些数据进行处理，从中找出需要的系统与馈线联络组的实时数据与预测数据。

步骤b2、判断所述实时数据与预测数据是否有故障数据，无故障数据，则执行步骤b3；有故障数据，则执行步骤b4。

配电网中是否发生故障是运行状态划分的基础，因此需要从配电网数据中确定配电网是否发生故障。若没有发生故障，则需要计算配电网的预警指标，即只执行步骤b3；若已经发生故障，则只需要分析故障情况，不需要再计算配电网的状态划分指标，即只执行步骤b4。

步骤b3、根据实时数据与预测数据计算预警指标。

如图3所示，其为本发明配电网预警指标计算示意图；其中，预警指标包括母线电压越限指标、馈线段负载越限指标、电缆分接头温度越限指标、配变负载越限指标和配变一次电压越限指标。其计算过程如下：

母线电压越限指标δ_V：

${\mathrm{\δ}}_{V1}=\frac{N_u}{N_A}\×100\%---\left(1\right)$

${\mathrm{\δ}}_{V2}=max(\frac{\left|V_i-V_{imax}\right|}{V_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_A)---\left(2\right)$

上式中，δ_V1为母线电压越限数目指标，δ_V2为母线电压越限程度指标，N_u为馈线联络组中电压越限的母线数目，N_A为馈线联络组中母线总数，V_i为母线i的实时电压，V_imax为母线i的最大电压值。

馈线段负载越限指标δ_L：

${\mathrm{\δ}}_{L1}=\frac{N_{LC}}{N_{LA}}\×100\%---\left(3\right)$

${\mathrm{\δ}}_{L2}=max(\frac{S_i}{S_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{LA})---\left(4\right)$

上式中，δ_L1为馈线段负载越限数目指标，δ_L2馈线段负载越限程度指标，N_LC为馈线联络组中馈线段负载率越限数目，N_LA为馈线联络组馈线段的总数,S_i为馈线段i的载流量，S_imax为馈线段i的最大载流量。

电缆分接头温度越限指标δ_LT：

${\mathrm{\δ}}_{LT1}=\frac{N_{TC}}{N_{TA}}\×100\%---\left(5\right)$

${\mathrm{\δ}}_{LT2}=max(\frac{T_{Ci}}{T_{Cimax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{TA})---\left(6\right)$

上式中，δ_LT1为电缆分接头温度越限数目指标，δ_LT2电缆分接头温度越限程度指标，N_TC为馈线联络组中电缆分接头温度越限的馈线段的数目,N_TA为装有电缆分接头的馈线段的总数,T_Ci为馈线段i的电缆分接头温度,T_Cimax为馈线段i的电缆分接头温度最大值。

配变负载越限指标ρ_L：

${\mathrm{\ρ}}_{L1}=\frac{N_{y1}}{N_y}\×100\%---\left(7\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{L2}=max(\frac{M_i}{M_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)---\left(8\right)$

上式中，ρ_L1为配变负载越限数目指标，ρ_L2配变负载越限程度指标，N_y1为馈线联络组中配变负载率越限的数目，N_y为馈线联络组的配变总数，M_i为配变i的载流量，M_imax为配变i的最大载流量。

配变一次电压越限指标ρ_V：

${\mathrm{\ρ}}_{V1}=\frac{N_{yv}}{N_y}\×100\%---\left(9\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{V2}=max(\frac{\left|H_i-H_{imax}\right|}{H_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)---\left(10\right)$

上式中，ρ_V1为配变一次电压越限数目指标，ρ_V2配变一次电压越限程度指标，N_yv为馈线联络组中配变一次电压越限的数目；N_y为馈线联络组的配变总数,H_i为配变i的一次电压，H_imax为配变i的一次电压的最大值。

步骤b4、根据故障数据计算配电网的失电等级指标。

失电等级划分指标ρ_lost：

${\mathrm{\ρ}}_{lost}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{lo}st}}{\Σ}}{S}_j}{\underset{n=1}{\overset{N_T}{\Σ}}{S}_n}---\left(11\right)$

上式中，ρ_lost为失电等级划分指标，N_lost为失电配变的总数，S_j为第j个失电配变的负载有功值，单位为kW；N_T为评估区域内的所有配变总数,S_n为评估区域第n个配变的负载有功值，单位为kW。

根据失电负荷占系统总负荷的比重ρ_lost，将其划分为5个等级。

步骤b5、通过导则库规则分析预警指标或失电等级指标。

将上述预警指标或失电等级指标根据导则库规则进行分析，进而划分配电网的运行状态。

通过计算预警指标，当馈线联络组或者系统的预警预警指标越限时，则认为馈线组处于警戒状态。当馈线组处于警戒状态时，则启动预防性重构。

步骤c、根据预警指标或失电等级指标对配电网的运行状态进行划分。

根据步骤b中计算出的预警指标或失电等级指标，对配电网的运行状态进行划分，可以划分为正常状态、警戒状态和故障失电状态。

如图4所示，其为本发明配电网运行状态划分流程图；其中，配电网运行状态划分流程为：

若从断面实时数据中得出配电网中有故障数据，则计算失电等级指标并根据指标将配电网划分为故障失电状态；若从断面实时数据中得出配电网中无故障数据，则计算预警指标，若预警指标无越限，则将配电网划分为正常状态；若预警指标越限，则将配电网划分为警戒状态。预警指标如图5所示，其为本发明配电网运行状态划分结构图；其中，正常状态包含了优化状态与安全状态；当系统的预警指标越限时，系统的运行状态转化为警戒状态；故障失电状态包含紧急状态、孤岛状态与恢复状态，当前系统发生故障时，由于故障后，继电保护马上就会动作，非故障区的负荷也会尽快尽量的恢复，所以其表现出来的状态为故障失电，非常态的孤岛运行也是这样的。

配电网的优化状态，是指配电网的所有数据均未越限；配电网的安全状态，是指配电网的预警指标并未越限，其余数据有越限情况；配电网的警戒状态，是指配电网的预警指标全部或部分越限。

配电网处于优化状态时，若检测出网损越限，则配电网状态转为安全状态。

配电网处于安全状态时，可以对其进行优化控制，优化成功则配电网转为优化状态；若检测出预警指标越限，则配电网转为警戒状态。

配电网处于警戒状态时，可以对其进行预防控制，预防成功则配电网转为安全状态；若检测出故障，则配电网转为紧急状态。

配电网处于紧急状态时，可以根据故障失电等级指标对故障的严重程度进行划分，普通故障则对其进行故障隔离，隔离成功则配电网转为恢复状态；严重故障则对其进行孤岛划分，划分成功则配电网转为孤岛状态。

配电网处于恢复状态时，对其进行恢复控制，恢复成功则配电网转为警戒状态。

配电网处于孤岛状态时，对其进行并网控制，控制成功则配电网转为恢复状态；大停电事故造成的分布式电源黑启动也会将配电网转为孤岛状态。

配电网的设备众多，拓扑连接负载，很难通过一些指标的计算反映出整个系统的运行状态。故馈线联络组作为配电网运行状态划分的最小区域，在这个馈线联络组上进行预警指标的计算，通过对预警指标的判定，得出馈线联络组的当前运行状态。

上述配电网的运行状态中，最节能的状态为网损最小的状态，也即为优化状态，使配电网始终处于优化状态，需要采用节能优化算法，如图6所示，其为本发明配电网节能优化的流程图；其中，配电网节能优化的流程为：

步骤c1、计算配电网的预警指标与网损越限指标。

步骤c2、判断配电网是否预警指标与网损指标均未越限，若是则输出方案并退出，若不是则执行步骤c3。

步骤c3、利用深度搜索算法切负荷，并返回步骤c1。

步骤d、配电网处于警戒状态时，对配电网进行预防控制。

目前分布式电源有风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池发电、生物质能发电、小型燃气轮机发电、小水电等，其中小水电、太阳能光伏发电等可以通过改变其无功出力来控制电压，本文假设参与电压控制的分布式电源都能改变其无功出力。

如图7所示，其为本发明配电网预防控制策略流程图；其中，预防控制算法的目标函数为系统节点电压偏移量最小：

$\min F\left(x\right)=\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\left|U_i-U_{iN}\right|}{U_{iN}}---\left(12\right)$

上式中，U_i、U_iN分别为第i个节点的节点电压和额定电压。

等式约束条件为潮流约束条件，即有功功率平衡和无功功率平衡。

不等式约束条件包括节点电压约束、节点功率约束、分布式电源出力约束、电容器组容量约束。

节点电压约束：U_imin≤U_i≤U_imax；

节点有功约束：P_imin≤P_i≤P_imax；

节点无功约束：Q_imin≤Q_i≤Q_imax；

分布式电源出力约束：P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax，Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax。

电容容器组约束C_i＝k_iC_iN，其中k_i＝0,1,...k。

其中，U_imin、U_imax分别为第i个节点的节点电压最小值和最大值；P_imin、P_imax分别为第i个节点有功功率最小值和最大值；Q_imin、Q_imax分别为第i个节点无功功率最小值和最大值；P_Gi、P_Gimin、P_Gimax分别为第i个节点分布式电源的有功出力、有功出力最小值和有功出力最大值；Q_Gi、Q_Gimin、Q_Gimax分别为第i个节点分布式电源的无功出力、无功出力最小值和无功出力最大值；C_iN为第i个节点单个电容器的大小；k为第i个节点电容器组中电容器的个数；C_i为第i个节点投入电容器组的大小。

本步骤首先通过灵敏度的计算，找出那些灵敏度相对较小的安装有无功补偿装置以及接入了分布式电源的节点，然后利用和声算法寻优出无功补偿装置与分布式电源的最佳无功出力组合，得出最优的电压控制方案。具体步骤为：

步骤d1、对配电网进行基本潮流计算。

对配电网进行基本潮流计算，计算出节点电压等相关值。

步骤d2、判断计算出的节点电压是否越限，越限则继续，未越限则退出。

节点电压越限指标为判断配电网运行状态的要素之一，若节点电压越限，则配电网处于警戒状态，需要启用预防控制，即进行步骤d3；节点电压未越限，则以系统节点电压偏移量最小为目标函数就无法生效，不需要启用预防控制，即退出流程。

此步骤中，要判断各节点的电压是否越下限，如果越下限，则进行步骤d3。

步骤d3、计算节点的灵敏度矩阵。

如果节点i电压幅值越下限，则计算其他节点关于节点i的电压灵敏度，从而得到关于节点i的灵敏度向量。此处之所以称为矩阵，是因为节点电压越下限的数目可能是多个，多个向量构成矩阵。此处用矩阵的目的只是一种表述方式而已。

步骤d4、对有分布式电源和电容器组的节点按对越限节点灵敏度大小排序。

本步骤中采用的电压灵敏度是节点电压U对控制变量无功功率Q的灵敏度关系，即为dU/dQ，其值的大小反映了无功功率Q的注入量，对节点电压U的影响。节点中注入相同ΔQ时，灵敏度小的节点贡献的ΔU要大于灵敏大的节点。排序的目的是为了找出那些灵敏度小的节点，这样只要注入相对较少的无功功率，就能改善系统的节点电压，满足要求。

本发明的预防控制流程是通过控制分布式电源的无功出力来控制电压，因此不包含分布式电源和电容器组的节点不在考虑的范围之内。

步骤d5、采用和声算法，给出分布式电源出力变化量和投切电容器组量。

和声算法的全称为和声搜索算法(HS)，如图8所示，其为本发明配电网和声算法流程图；其中：

步骤d51、待求问题及算法参数的初始化。优化问题的参数包括目标函数、每个变量及其集合、变量的个数及每个变量取值的下限和上限；HS算法的参数包括和声记忆库大小(HMS)、解的维数、和声记忆库考虑概率(HMCR)、微调概率(PAR)、最大迭代次数(NI)和终止条件。

本发明中，目标函数为公式(12)，变量为分布式电源的出力变化量P_Gi及其集合P_G和投切电容器组量C_i及其集合C，变量个数分别为N_P和N_C每个变量的上限和下限取决于上述目标函数的等式约束条件和不等式约束条件：

分布式电源出力约束：P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax。

电容容器组约束C_i＝k_iC_iN，其中k_i＝0,1,...k。

其中，P_Gi、P_Gimin、P_Gimax分别为第i个节点分布式电源的有功出力、有功出力最小值和有功出力最大值；C_iN为第i个节点单个电容器的大小；k为第i个节点电容器组中电容器的个数；C_i为第i个节点投入电容器组的大小。

步骤d52、和声记忆库(HM)初始化。随机产生L个初始解(P_G ¹,C¹),(P_G ²,C²),…,(P_G ^L,C^L)放于HM中，并计算每个解的目标函数值F(x)。

步骤d53、生成新解。选择一个随机数r1，若r1<HMCR，则在HM中选择一个变量，否则在HM外随机选值。如果在HM{(P_G ¹,C¹)～(P_G ^L,C^L)}内选值，再选择一个随机数r2，若r2<PAR，则对该值进行扰动。对每个变量都按上述规则可构成新解。

步骤d54、更新和声记忆库(HM)。若新解目标函数值小于HM中的最差解，则替换最差解存入HM。

步骤d55、判断是否满足终止条件。若满足，终止循环；否则，返回步骤d53。

本发明中采用和声算法的有益效果为：相对于其他的算法，其寻优过程简单，且易于编码；全局收敛性更优。

步骤d6、判断配电网是否满足运行条件，不满足则执行步骤d7，满足则执行步骤d8。

根据上述步骤确定的出力变化量和投切电容器组量，若计算结果满足运行条件，则执行步骤d8，若仍然不满足运行条件，则执行步骤d7。

步骤d7、对配电网进行网络重构。

如图9所示，其为本发明配电网网络重构的流程图；其中，网络重构的目标函数为：

$Min{F}_1=\min \left(max\right(\frac{S_i}{S_{i\max }}),i\&Element;G)---\left(13\right)$

上式中，G为评估的馈线组或者系统中处于警戒状态的馈线段的集合，S_i为支路(馈线段)i的当前负载(视在功率，单位kVA)；S_imax为支路(馈线段)i所允许的最大负载。

该目标函数是求所有支路(馈线段)中负载率最大的支路的最小值，这就保证了优化后所有的支路的负载都能得以减小。

约束条件为：

等式约束约束：g(x)＝0；

上式为系统潮流约束。

节点电压约束：V_min≤V_i≤V_max；

上式中，V_min为节点电压的最小约束值；V_max为节点电压的最大约束值。

线路容量约束：S_i≤S_imax；

上式中，S_i为支路容量；S_imax为支路可载容量的最大值。

网络拓扑约束：不考虑分布式电源时，网络结构始终为放射状，考虑分布式电源时，网络结构允许弱环网连接。

网络重构的步骤为：

步骤d71、统一支持平台实时数据库提供实时数据。

统一支撑平台为网络重构提供超短负荷预测信息等实时数据。

步骤d72、网络重构事件触发。

根据步骤d7,判断出需要对配电网进行网络重构。

步骤d73、根据实时数据进行网络重构。

根据预警信息及统一支撑平台提供的超短负荷预测信息进行网络重构。

步骤d74、对网络重构后的配电网进行潮流计算。

步骤d75、计算线路以及设备负载率S_i/S_imax及节点电压偏移量|V_i-1|。

步骤d76、判断两个指标是否均未越限，若两个指标中至少有一个越限则继续执行，若两个指标均未越限则跳至步骤d78。

所述两个指标，是指步骤d75中计算出的设备负载率S_i/S_imax与节点电压偏移量|V_i-1|，若此两个指标中有一个越限，则表明此方案配电网不能达到预期目标，因此此方案是不可行的，需要进行步骤d77，对方案进行修改。

步骤d77、利用深度搜索算法切负荷，然后返回步骤d76。

步骤d78、对方案进行合环校验。

步骤d79、输出方案并结束网络重构过程。

最终输出方案为给出投切联络开关、分段开关以及环网柜负荷出现开关的方案。

步骤d8、输出结果并退出。

此步骤中，输出方案可能为利用网络重构算法得到的方案，也可能为采用和声算法得到的方案。

实现此方法的系统为配电网的在线安全预警与预防控制系统，如图10所示，其为本发明配电网的在线安全预警与预防控制系统的结构图；其中，配电网的在线安全预警与预防控制系统包括一状态感知单元1、一指标计算单元2、一状态划分单元3与一预防控制单元4。

状态感知单元1与指标计算单元2相连接，指标计算单元2与状态划分单元3相连，状态划分单元3预防控制单元4相连接。

所述状态感知单元1收集负荷预测数据、导则库规则、实时断面数据、网络拓扑与故障信息，并将这些数据传输给指标计算单元2。

所述指标计算单元2接收所述状态感知单元1传输的数据，并计算出指标；其包括一预警指标计算模块21与一失电等级划分指标计算模块22，所述预警指标计算模块21计算预警指标，即计算母线电压越限指标、馈线段负载越限指标、电缆分接头温度越限指标、配变负载越限指标和配变一次电压越限指标；所述失电等级划分指标计算模块22计算失电等级划分指标。

所述状态划分单元3接受所述指标计算单元2传输的指标，将配电网的运行状态划分为正常状态、警戒状态和故障失电状态，将正常状态细分为优化状态与安全状态，在配电网处于警戒状态时，其将配电网数据传输给预防控制单元4；其包括一状态划分模块31和一节能模块32，所述状态划分模块31将配电网的运行状态划分为正常状态、警戒状态和故障失电状态，并将正常状态细分为优化状态与安全状态；所述节能模块32在配电网处于安全状态时，通过节能优化将配电网转为优化状态。

所述预防控制单元4在配电网处于警戒状态时，接收状态划分单元3传输的配电网数据，通过预防控制，将配电网转为正常状态；其包括一调节出力模块41和一网络重构模块42，所述调节出力模块41通过调节分布式电源和电容器组的无功出力来使配电网转为正常状态；所述网络重构模块42通过网络重构与所述调节出力模块41共同结合，来使配电网转为正常状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤a、通过计算机对配电网的运行状态进行感知，收集配电网数据；

步骤b、根据收集的配电网数据计算配电网的预警指标或失电等级指标；

步骤c、根据预警指标或失电等级指标对配电网的运行状态进行划分；

步骤d、配电网处于警戒状态时，对配电网进行预防控制；

所述步骤d中对配电网进行预防控制包括：

步骤d1、对配电网进行基本潮流计算；

步骤d2、判断计算出的节点电压是否越限，越限则继续，未越限则退出；

步骤d3、计算节点的灵敏度矩阵；

步骤d4、对有分布式电源和电容器组的节点按对越限节点灵敏度大小排序；

步骤d5、采用和声算法，给出分布式电源出力变化量和投切电容器组量；

步骤d6、判断配电网是否满足运行条件，不满足则执行步骤d7，满足则执行步骤d8；

步骤d7、对配电网进行网络重构；

步骤d8、输出结果并退出；

所述预防控制的目标函数为：

$\min F\left(x\right)=\underset{1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{|U_i-U_{iN}|}{U_{iN}}$

上式中，U_i、U_iN分别为第i个节点的节点电压和额定电压。

2.根据权利要求1所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述目标函数的约束条件包括等式约束条件与不等式约束条件，其中：

所述等式约束条件为潮流约束条件；

所述不等式约束条件为:

节点电压约束：U_imin≤U_i≤U_imax；

节点有功约束：P_imin≤P_i≤P_imax；

节点无功约束：Q_imin≤Q_i≤Q_imax；

分布式电源出力约束：P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax，Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax；

电容容器组约束：C_i＝k_iC_iN，其中k_i＝0,1,...k；

其中，U_imin、U_imax分别为第i个节点的节点电压最小值和最大值；P_imin、P_imax分别为第i个节点有功功率最小值和最大值；Q_imin、Q_imax分别为第i个节点无功功率最小值和最大值；P_Gi、P_Gimin、P_Gimax分别为第i个节点分布式电源的有功出力、有功出力最小值和有功出力最大值；Q_Gi、Q_Gimin、Q_Gimax分别为第i个节点分布式电源的无功出力、无功出力最小值和无功出力最大值；C_iN为第i个节点单个电容器的大小,k为第i个节点电容器组中电容器的个数,C_i为第i个节点投入电容器组的大小。

3.根据权利要求1或2所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述步骤d7中网络重构的过程为：

步骤d71、统一支持平台实时数据库提供实时数据；

步骤d72、网络重构事件触发；

步骤d73、根据实时数据进行网络重构；

步骤d74、对网络重构后的配电网进行潮流计算；

步骤d75、计算线路以及设备负载率S_i/S_imax及节点电压偏移量|V_i-1|；

步骤d76、判断两个指标是否均未越限，若两个指标中至少有一个越限则继续执行，若两个指标均未越限则跳至步骤d78；

所述两个指标，为步骤d75中的所述设备负载率S_i/S_imax与所述节点电压偏移量|V_i-1|；

步骤d77、利用深度搜索算法切负荷，然后返回步骤d76；

步骤d78、对方案进行合环校验；

步骤d79、输出方案并结束网络重构过程，S_i为支路i的当前负载，S_imax为支路i所允许的最大负载，V_i为母线i的实时电压。

4.根据权利要求3所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述网络重构的目标函数F1为：

$Min{F}_1=\min \left(max\right(\frac{S_i}{S_{imax}}),i\&Element;G)$

上式中，G为评估的馈线组或者系统中处于警戒状态的馈线段的集合，S_i为支路i的当前负载，S_imax为支路i所允许的最大负载。

5.根据权利要求2所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述步骤b还包括：

步骤b1、从收集的数据中整理出配电网系统与馈线联络组的实时数据与预测数据；

步骤b2、判断所述实时数据与预测数据是否有故障数据，无故障数据，则执行步骤b3,有故障数据，则执行步骤b4；

步骤b3、根据所述实时数据与预测数据计算配电网的预警指标；

步骤b4、根据故障数据计算配电网的失电等级指标；

步骤b5、通过导则库规则分析所述预警指标或失电等级指标。

6.根据权利要求5所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述预警指标包括母线电压越限指标、馈线段负载越限指标、电缆分接头温度越限指标、配变负载越限指标和配变一次电压越限指标，其计算公式分别为：

母线电压越限指标δ_V：

${\mathrm{\&delta;}}_{V1}=\frac{N_u}{N_A}\&times;100\%$

${\mathrm{\&delta;}}_{V2}=\max (\frac{|V_i-V_{i\max }|}{V_{i\max }},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_A)$

上式中，δ_V1为母线电压越限数目指标，δ_V2为母线电压越限程度指标，N_u为馈线联络组中电压越限的母线数目，N_A为馈线联络组中母线总数，V_i为母线i的实时电压，V_imax为母线i的最大电压值；

馈线段负载越限指标δ_L：

${\mathrm{\&delta;}}_{L1}=\frac{N_{LC}}{N_{LA}}\&times;100\%$

${\mathrm{\&delta;}}_{L2}=max(\frac{S_i}{S_{max}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{LA})$

上式中，δ_L1为馈线段负载越限数目指标，δ_L2馈线段负载越限程度指标，N_LC为馈线联络组中馈线段负载率越限数目，N_LA为馈线联络组馈线段的总数,S_i为馈线段i的载流量，S_imax为馈线段i的最大载流量；

电缆分接头温度越限指标δ_LT：

${\mathrm{\&delta;}}_{LT1}=\frac{N_{TC}}{N_{TA}}\&times;100\%$

${\mathrm{\&delta;}}_{LT2}=max(\frac{T_{Ci}}{T_{Cimax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_{TA})$

上式中，δ_LT1为电缆分接头温度越限数目指标，δ_LT2电缆分接头温度越限程度指标，N_TC为馈线联络组中电缆分接头温度越限的馈线段的数目,N_TA为装有电缆分接头的馈线段的总数,T_Ci为馈线段i的电缆分接头温度,T_Cimax为馈线段i的电缆分接头温度最大值；

配变负载越限指标ρ_L：

${\mathrm{\&rho;}}_{L1}=\frac{N_{y1}}{N_y}\&times;100\%$

${\mathrm{\&rho;}}_{L2}=max(\frac{M_i}{M_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)$

上式中，ρ_L1为配变负载越限数目指标，ρ_L2配变负载越限程度指标，N_y1为馈线联络组中配变负载率越限的数目，N_y为馈线联络组的配变总数，M_i为配变i的载流量，M_imax为配变i的最大载流量；

配变一次电压越限指标ρ_V：

${\mathrm{\&rho;}}_{V1}=\frac{N_{yv}}{N_y}\&times;100\%$

${\mathrm{\&rho;}}_{V2}=max(\frac{|H_i-H_{imax}|}{H_{imax}},i=1,2,\mathrm{3...}{N}_y)$

上式中，ρ_V1为配变一次电压越限数目指标，ρ_V2配变一次电压越限程度指标，N_yv为馈线联络组中配变一次电压越限的数目；N_y为馈线联络组的配变总数,H_i为配变i的一次电压，H_imax为配变i的一次电压的最大值。

7.根据权利要求5所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，失电等级指标的计算公式为：

${\mathrm{\&rho;}}_{lost}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N_{lost}}{\&Sigma;}}{S}_j}{\underset{n=1}{\overset{N_T}{\&Sigma;}}{S}_n}$

上式中，ρ_lost为失电等级指标，N_lost为失电配变的总数，S_j为第j个失电配变的负载有功值，单位为kW；N_T为评估区域内的所有配变总数,S_n为评估区域第n个配变的负载有功值，单位为kW。

8.根据权利要求6或7所述的配电网的在线安全预警与预防控制方法，其特征在于，所述步骤c中还包含一节能优化步骤，其具体过程为：

步骤c1、计算配电网的预警指标与网损越限指标；

步骤c2、判断配电网预警指标与网损越限指标是否均未越限，若是则输出方案并退出，若不是则执行步骤c3；

步骤c3、利用深度搜索算法切负荷，并返回步骤c1。