CN107749620B - 一种含分布式电源配电网供电恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含分布式电源配电网供电恢复方法，步骤为：㈠实时监测配电网的运行，处理配电网运行信息，利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和两区域之间的可用联络开关。㈡优先通过带有联络开关的馈线将故障线路下游的负荷转移到带电的馈线上；对故障线路进行潮流校验，如果故障线路不满足潮流校验进行甩负荷。㈢对剩余的失去电力供应的负荷采用孤岛运行的方式恢复供电，利用具有剪枝函数的回溯算法进行孤岛划分。㈣对潮流校验不满足电压约束的节点进行无功补偿，形成配电网故障恢复方案。本发明解决了供电恢复过程中联络开关和孤岛的配合问题，有利于充分利用分布式电源，提高电网供电可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于配电网网络重构领域，特别涉及一种含分布式电源配电网供电恢复方法。
背景技术
配电网是电力系统电能发、变、输、配中的重要环节，是连接输电系统和电力用户的桥梁，直接反映用户在电能安全、质量和经济等方面的需求，因此配电网的安全稳定运行和可靠性关系到用户的根本利益。配电网络广泛采用闭环设计、开环运行，通常情况下，在沿馈线方向上分布着一定数量的常闭分段开关，而在馈线之间装有常开的联络开关。在故障情况下，为提高供电可靠性和安全性，保证供电能够得到尽快地恢复，网络运行方式更为经济，需要进行网络重构，故障后的网络重构称为供电恢复。配电网供电恢复的主要目标是在配电网发生故障后，通过网络重构在确保系统安全运行的前提下，快速恢复对非故障停电区域的供电。供电恢复依靠合上配电网中相应的联络开关把非故障停电区上的负荷转移到其它馈线上，同时为保持网络拓扑的辐射性结构打开线路上的某些分段开关，从而快速恢复供电。这样配电网在故障发生后可以通过合适的开关操作来进行供电恢复。供电恢复既要考虑开关操作次数、又要考虑馈线负荷、负荷恢复量、网络约束、以及负荷级别等因素，因此，配电网供电恢复是一个多目标、多组合、多约束的非线性组合优化问题。
分布式能源在配电网中的渗透率越来越高。在配电网发生严重的永久性故障时，从充分发挥分布式能源的潜力，提高配电网的供电可靠性，增加电网运行的经济效益三方面因素考虑，在无法通过联络开关进行网络重构使故障下游停电区域恢复供电的情况下，IEEE Standard 1547.2-2008提出故障下游停电区域内的分布式电源可以通过有效的控制以孤岛运行模式继续运行。传统的配电网供电恢复算法均未考虑分布式电源并网后孤岛运行情况。合理利用孤岛，有利于提高供电可靠性。近年来，针对孤岛运行方面取得了很大的进展，仿真验证了智能化程度较高的配电网环境下孤岛运行的可行性，形成了多类孤岛划分的方法。但是，在供电恢复过程中，联络开关和孤岛的配合问题尚有待研究。研究含分布式电源配电网供电恢复中联络开关与孤岛配合问题，对快速恢复负荷供电以及提高配电网供电可靠性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种含分布式电源配电网供电恢复方法，以解决供电恢复过程中，联络开关和孤岛的配合问题，发挥分布式能源的潜力，提高配电网的供电可靠性。
本发明的技术方案是：含分布式电源配电网供电恢复方法，包括以下步骤：
㈠实时监测配电网的运行，处理配电网运行信息，对故障切除后的配电网络进行拓扑分析；利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和两区域之间可用联络开关；
㈡如果两区域间存在可用联络开关，优先通过带有联络开关的馈线将故障线路下游的负荷转移到带电的馈线上；对故障线路进行潮流校验，如果故障线路不满足潮流校验进行甩负荷，否则进入下一步；
㈢对剩余的失去电力供应的负荷采用孤岛运行的方式恢复供电，利用具有剪枝函数的回溯算法进行孤岛划分；
㈣对潮流校验不满足电压约束的节点进行无功补偿，形成配电网故障恢复方案。
步骤㈠中所述利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和确定两区域之间可用联络开关的步骤为：
⑴设置正常运行线路、带有联络开关馈线、故障线路的权值分别为1、2、3；
⑵以配电系统中联接交流系统侧的节点作为根节点，在加权连通图中搜索最小生成树，控制搜索每条线路的权值为1，找出带电区域的所有节点；
⑶去除配电网络中带电区域节点，余为下游失电区域节点集；
⑷如果含常开联络开关的馈线中一个节点位于带电区域节点集，另一个节点位于下游失电区域节点集，则该联络开关为两区域之间可用联络开关。
步骤㈡中存在多种负荷转移的方式，具体为：
⑴如果可用联络开关的数量为1，故障线路上的潮流将转移到具有该联络开关的馈线上；对线路进行潮流校验，如果不满足潮流校验，从利用Prim算法所得最小生成树的末端节点开始逐个节点进行甩负荷，直至满足潮流校验。对甩负荷后的失电区域以孤岛运行的方式进行供电恢复。
⑵如果可用联络开关的数量大于1，用联络开关进行两两组合的组合，对每一对组合，利用Prim算法找出在失电区域的路径。⑶)如果可用联络开关的数量为0，则以孤岛运行的方式进行供电恢复。
步骤㈢中孤岛划分的目标函数为：
式中：v表示负荷节点；
V表示故障下游停电区域所有负荷节点；
cv表示负荷节点v的权值；
xv表示负荷节点v的供电恢复状态，0表示未恢复，1表示已恢复；
nsw表示开关操作的总数；
所述孤岛划分约束条件为：
⑴连通性约束：
式中：G表示故障下游区域中所有接有分布式电源的节点所构成的集合；Av表示节点v的所有相邻节点构成的集合；
⑵功率平衡约束：
式中：PLv表示负荷节点v的负荷功率；
Ploss.i表示第i个孤岛的网络损耗；
PGv表示节点v所接分布式电源实际发出的剩余功率；
步骤㈢中孤岛划分的回溯算法以深度优先搜索的方式，寻找最优孤岛，在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。回溯算法在递归的过程中经满足连通性约束。剪枝函数的设置为：以分布式电源所在节点作为搜索过程的起始节点，对每个递归的节点设置功率半径，设置作为根节点的分布式电源节点的功率半径为分布式电源所能输出的剩余有功功率，设置负荷节点的功率半径为上级节点通过输电线路传来的有功功率减去该负荷节点自身所消耗的有功功率；满足剪枝函数的节点不再进行递归，有功功率的需求超出功率半径的下级负荷节点不进行递归。有功功率的计算式为：
剪枝函数为：
式中：Rv表示节点v的功率半径；
vroot表示回溯算法递归过程的根节点或起始节点；
av表示节点v所依赖的上级节点；
Pl[av,v]表示节点av和节点v之间馈线所传输的功率；
PLv表示负荷节点v的负荷功率。
步骤㈣中所述无功补偿通过无功补偿装置来达到无功功率的平衡来维持电压的大小。步骤㈠中所述配电网运行信息为故障定位、隔离信息和配电网的网络参数，主要包括线路的支路号、首端节点和末端节点编号、支路类型、支路阻抗、节点编号、节点类型、节点有功功率和无功功率。
由于孤岛运行方式的运行稳定性和电能质量较差，优先考虑利用联络开关迅速恢复对故障下游停电区域的供电，在利用联络开关无法恢复所有负荷时，对剩余的失去电力供应的负荷考虑采用形成孤岛的方式恢复供电。与现有技术相比，本发明解决了供电恢复过程中联络开关和孤岛的配合问题，充分发挥了分布式能源的潜力，优化了含分布式电源配电网中的供电恢复方式，有利于充分利用分布式电源，提高电网供电可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明含分布式电源配电网供电恢复方法的流程示意图；
图2正常运行状态下IEEE33节点配电网电气接线图；
图3 Line1-2故障情况下IEEE33节点配电网电气接线图；
图4 Line1-2故障隔离后的供电恢复方案；
图5 Line11-12故障情况下IEEE33节点配电网电气接线图；
图6 Line11-12故障隔离后的供电恢复方案。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
当含分布式电源配电网络发生故障时，存在以下两种对故障下游的停电区域的供电恢复方式：①通过有联络开关的馈线将故障下游的负荷转移到其他带电的馈线上，从而迅速恢复对故障下游停电区域的供电。②在故障下游区域存在分布式电源的情况下，通过以分布式电源为中心形成孤岛的方式恢复对故障下游区域部分或全部负荷供电。在大系统和故障下游区域存在联络开关的情况下，应首先采用第①种供电恢复方式，在第①种供电恢复方式无法恢复所有负荷时，对剩余的失去电力供应的负荷考虑采用第②种供电恢复方式恢复供电。
本发明含分布式电源配电网供电恢复的过程如图1所示，回复步骤为：
㈠实时监测配电网的运行，处理配电网运行信息，对故障切除后的配电网络进行拓扑分析；利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和两区域之间可用联络开关；
㈡如果两区域间存在可用联络开关，优先通过带有联络开关的馈线将故障线路下游的负荷转移到带电的馈线上；对故障线路进行潮流校验，如果故障线路不满足潮流校验进行甩负荷，否则进入下一步；
㈢对剩余的失去电力供应的负荷采用孤岛运行的方式恢复供电，利用具有剪枝函数的回溯算法进行孤岛划分；
㈣对潮流校验不满足电压约束的节点进行无功补偿，形成配电网故障恢复方案。
步骤㈠中所述利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和确定两区域之间可用联络开关的步骤为：
⑴设置正常运行线路、带有联络开关馈线、故障线路的权值分别为1、2、3；
⑵以配电系统中联接交流系统侧的节点作为根节点，在加权连通图中搜索最小生成树，控制搜索每条线路的权值为1，找出带电区域的所有节点；
⑶去除配电网络中带电区域节点，余为下游失电区域节点集；
⑷如果含常开联络开关的馈线中一个节点位于带电区域节点集，另一个节点位于下游失电区域节点集，则该联络开关为两区域之间可用联络开关。
步骤㈡中存在多种负荷转移的方式，具体为：
⑴如果可用联络开关的数量为1，则负荷转移的路径唯一，闭合该联络开关，此时配电网仍为开环运行的结构。故障线路上的潮流将转移到具有该联络开关的馈线上；对线路进行潮流校验，如果不满足潮流校验，从利用Prim算法所得最小生成树的末端节点开始逐个节点进行甩负荷，直至满足潮流校验。对甩负荷后的失电区域以孤岛运行的方式进行供电恢复。
⑵如果可用联络开关的数量大于1，则负荷转移的路径不唯一，用联络开关进行两两组合的组合，对每一对组合，利用Prim算法找出在失电区域的路径。若直接闭合所有联络开关，则配点网不满足开环运行拓扑约束，因此不能简单闭合所有联络开关。此外，从快速恢复供电的角度考虑，开关动作数量也应尽可能少。可为满足开环运行拓扑约束，则该路径中需要断开一个开关，针对每种情况，以供电恢复后网络损耗最小为目标函数，得到最优的恢复路径。
⑶)如果可用联络开关的数量为0，则以孤岛运行的方式进行供电恢复。
步骤㈢中孤岛划分的目标函数为：
式中：v表示负荷节点；
V表示故障下游停电区域所有负荷节点；
cv表示负荷节点v的权值；
xv表示负荷节点v的供电恢复状态，0表示未恢复，1表示已恢复；
nsw表示开关操作的总数；
所述孤岛划分约束条件为：
⑴连通性约束：
式中：G表示故障下游区域中所有接有分布式电源的节点所构成的集合；Av表示节点v的所有相邻节点构成的集合；
⑵功率平衡约束：
式中：PLv表示负荷节点v的负荷功率；
Ploss.i表示第i个孤岛的网络损耗；
PGv表示节点v所接分布式电源实际发出的剩余功率；
步骤㈢中孤岛划分的回溯算法以深度优先搜索的方式，寻找最优孤岛，在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。回溯算法在递归的过程中经满足连通性约束。剪枝函数的设置为：以分布式电源所在节点作为搜索过程的起始节点，对每个递归的节点设置功率半径，设置作为根节点的分布式电源节点的功率半径为分布式电源所能输出的剩余有功功率，设置负荷节点的功率半径为上级节点通过输电线路传来的有功功率减去该负荷节点自身所消耗的有功功率；满足剪枝函数的节点不再进行递归，有功功率的需求超出功率半径的下级负荷节点不进行递归。有功功率的计算式为：
剪枝函数为：
式中：Rv表示节点v的功率半径；
vroot表示回溯算法递归过程的根节点或起始节点；
av表示节点v所依赖的上级节点；
Pl[av,v]表示节点av和节点v之间馈线所传输的功率；
PLv表示负荷节点v的负荷功率。
步骤㈣中所述无功补偿通过无功补偿装置来达到无功功率的平衡来维持电压的大小。步骤㈠中所述配电网运行信息为故障定位、隔离信息和配电网的网络参数，主要包括线路的支路号、首端节点和末端节点编号、支路类型、支路阻抗、节点编号、节点类型、节点有功功率和无功功率。
具体实例：配电网中某条线路出现永久性故障，快速检测出故障并对故障进行物理隔离后，故障下游区域将失去电力供应。此时，存在2种对故障下游的停电区域的供电恢复方式：
①通过还有联络开关的馈线将故障下游的负荷转移到其他带电的馈线上，从而迅速恢复对故障下游停电区域的供电；
②在故障下游区域存在分布式电源的情况下，通过以分布式电源为中心形成孤岛的方式恢复对故障下游区域部分或全部负荷供电。
按照本发明的故障恢复策略，供电恢复步骤如下：
⑴对故障切除后的配电网络进行拓扑分析，确定故障下游停电区域，检测在大系统与故障下游停电区域之间是否存在联络开关以及故障下游停电区域的分布式电源。若存在可用的联络开关，则执行步骤⑵，否则执行步骤⑸；
⑵若可用的联络开关的数目为1，则执行步骤⑶；若可用的联络开关的数目大于1，则执行步骤⑷。
⑶闭合联络开关，进行潮流校验，若满足则执行步骤⑺；若不满足，在甩负荷后执行步骤⑸；
⑷对可用的联络开关进行两两组合，并对每个组合的两个联络开关在停电区域的线路进行二进制编码，以总网络损耗最小为目标函数，来确定最优恢复方案；
⑸利用孤岛划分算法，以分布式电源所在节点为根节点，进行孤岛划分。分区完成后，将负荷节点收缩至分布式电源所在节点，并修改该分布式电源的剩余功率为最大输出功率减去孤岛分区内负荷的总功率；
⑹若存在剩余的分布式电源，则重复步骤⑸，直至所有的分布式电源孤岛划分完成；
⑺形成最优配电网故障恢复方案；
⑻对最优配电网故障恢复方案进行潮流校验并对不满足电压约束的节点进行适当的无功补偿。
以IEEE33节点配电网络系统作为实施例进行分析，图2为正常运行状态下IEEE33节点配电网电气接线图，实心圆圈表示带电节点，空心圆圈表示不带电节点，单圆圈表示负荷节点，双圆圈表示电源节点，节点16、21、28接入分布式电源，其平均输出功率分别为360、500、500kW。按照对供电可靠性的要求不同，将负荷分为3类，分类情况如表1所示。将第I、II、III类负荷的权重系数分别设置为10、1、0.1。节点间线路8-21、9-15、12-22、18-33、25-29为安装联络开关的备用线路。其中，粗实线代表孤岛内部闭合线路，细实线代表孤岛外部闭合线路，细虚线代表孤岛内部与孤岛外部之间断开的线路。
表1负荷类型
| 负荷类型 | 节点 |
| I | 1 5 9 14 21 25 33 |
| II | 24 7 11 16 19 24 26 28 30 32 |
| III | 3 6 8 10 12 13 15 17 18 20 22 23 27 29 31 |
若Line1-2发生短路故障，继电保护装置检测到Line1-2发生故障并将其隔离后，电气接线如图3所示，按照供电恢复步骤，带电区域和失电区域间不存在可用的联络开关，利用回溯法进行孤岛划分，以孤岛运行的方式优先恢复重要负荷，孤岛划分方案如图4所示。
若Line11-12发生短路故障，继电保护装置检测到Line11-12发生故障并将其隔离后，电气接线图如图5所示，按照供电恢复步骤，带电区域和失电区域间存在3个可用的联络开关，采用二进制编码对每种情况进行遍历，以网络损耗最小为目标函数，所得供电恢复方案如图6所示，通过闭合Line11-22、18-33上的联络开关，同时为保持网络拓扑的辐射性结构打开Line15-16上的分段开关，进而实现供电恢复，且供电恢复后配电网的网络损耗最小。
Claims (6)
1.一种含分布式电源配电网供电恢复方法，包括以下步骤：
㈠实时监测配电网的运行，处理配电网运行信息，对故障切除后的配电网络进行拓扑分析；利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和两区域之间可用联络开关；
㈡如果两区域间存在可用联络开关，优先通过带有联络开关的馈线将故障线路下游的负荷转移到带电的馈线上；对故障线路进行潮流校验，如果故障线路不满足潮流校验进行甩负荷，否则进入下一步；
㈢对剩余的失去电力供应的负荷采用孤岛运行的方式恢复供电，利用具有剪枝函数的回溯算法进行孤岛划分；
㈣对潮流校验不满足电压约束的节点进行无功补偿，形成配电网故障恢复方案；
步骤㈠中所述利用Prim算法搜索故障隔离后的带电区域、下游失电区域和确定两区域之间可用联络开关的步骤为：
⑴设置正常运行线路、带有联络开关馈线、故障线路的权值分别为1、2、3；
⑵以配电系统中联接交流系统侧的节点作为根节点，在加权连通图中搜索最小生成树，控制搜索每条线路的权值为1，找出带电区域的所有节点；
⑶去除配电网络中带电区域节点，余为下游失电区域节点集；
⑷如果含常开联络开关的馈线中一个节点位于带电区域节点集，另一个节点位于下游失电区域节点集，则该联络开关为两区域之间可用联络开关。
2.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网供电恢复方法，其特征是：所述步骤㈡中存在多种负荷转移的方式，具体为：
⑴如果可用联络开关的数量为1，故障线路上的潮流将转移到具有该联络开关的馈线上；对线路进行潮流校验，如果不满足潮流校验，从利用Prim算法所得最小生成树的末端节点开始逐个节点进行甩负荷，直至满足潮流校验；对甩负荷后的失电区域以孤岛运行的方式进行供电恢复；
⑵如果可用联络开关的数量大于1，用联络开关进行两两组合的组合，对每一对组合，利用Prim算法找出在失电区域的路径；
⑶如果可用联络开关的数量为0，则以孤岛运行的方式进行供电恢复。
3.据权利要求1所述的含分布式电源配电网供电恢复方法，其特征是：所述步骤㈢中孤岛划分的目标函数为：
式中：v表示负荷节点；
V表示故障下游停电区域所有负荷节点；
c v 表示负荷节点v的权值；
x v 表示负荷节点v的供电恢复状态，0表示未恢复，1表示已恢复；
n sw 表示开关操作的总数；
所述孤岛划分约束条件为：
⑴连通性约束：
式中：G表示故障下游区域中所有接有分布式电源的节点所构成的集合；A v 表示节点v的所有相邻节点构成的集合；
⑵功率平衡约束：
式中：P Lv 表示负荷节点v的负荷功率；
P loss.i 表示第i个孤岛的网络损耗；
P Gv 表示节点v所接分布式电源实际发出的剩余功率。
4.据权利要求1所述的含分布式电源配电网供电恢复方法，其特征是：所述步骤㈢中孤岛划分的回溯算法以深度优先搜索的方式，寻找最优孤岛，在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索；所述回溯算法在递归的过程中经满足连通性约束。
5.据权利要求4所述的含分布式电源配电网供电恢复方法，其特征是：所述剪枝函数的设置为：以分布式电源所在节点作为搜索过程的起始节点，对每个递归的节点设置功率半径，设置作为根节点的分布式电源节点的功率半径为分布式电源所能输出的剩余有功功率，设置负荷节点的功率半径为上级节点通过输电线路传来的有功功率减去该负荷节点自身所消耗的有功功率；满足剪枝函数的节点不再进行递归，有功功率的需求超出功率半径的下级负荷节点不进行递归。
6.据权利要求5 所述的含分布式电源配电网供电恢复方法，其特征是：所述有功功率的计算式为：
所述剪枝函数为：
式中：R v 表示节点v的功率半径；
v root 表示回溯算法递归过程的根节点或起始节点；
a v 表示节点v所依赖的上级节点；
P l[av,v] 表示节点a v 和节点v之间馈线所传输的功率；
P Lv 表示负荷节点v的负荷功率。
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