CN111260248B - 一种配电网故障自愈调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网故障自愈调度方法，（一）配电终端上传配电网和电力设备的监测信息至监测平台；（二）监测平台进行信息处理与分析，判断是否发生故障；（三）如果未发生故障，则以配电网运行经济成本最低为目标进行优化调度，如果发生故障则以故障状态下配电网运行成本最低为目标进行优化调度。本发明充分利用了分布式电源的可调度特性和配电网用户的需求响应特性，同时考虑了不同故障场景下配电网的自愈调度，能够在故障时尽可能多的恢复用户供电，减小负荷削减，提高配电网的自愈能力。

Description

一种配电网故障自愈调度方法

技术领域

本发明涉及一种配电网调度方法，尤其是一种考虑分布式电源和用户主动响应的调度方法，属配电网运行调度技术领域。

背景技术

配电网位于电力系统的末端，起到连接电力系统和用电用户并分配电能的重要作用。随着经济发展与社会进步，用户对配电网的安全运行与可靠供电提出了更高的要求。

配电网自愈是指依托成熟的配电自动化体系和通信技术，使配电网能够实时感知监测运行状态，预防风险并从故障中快速恢复的能力。当配电网处于正常状态时，调度的主要目的是实现配电网的经济运行；当配电网处于故障状态时，自愈调度的主要目的是保障非故障区负荷的供电，并快速恢复正常供电状态。

配电网故障后的自愈能力取决于两个因素：可用的恢复能力和实施故障恢复计划的速度。传统上，配电网所需的恢复能力由相邻的馈线负责提供，若故障恰好发生在负荷点与转供线路之间，则负荷点只能等到故障修复后才能恢复供电。

随着技术的发展，越来越多的包括可再生能源在内的分布式电源接入到配电网中，以及越来越多的用户主动参与需求侧管理，这些新技术增加了故障恢复操作的灵活性和自愈调度可行性。但是，配电网运营商无法准确预测故障发生的时间与位置，难以及时制定准确有效的调度方案来增强配电网的自愈能力，减少故障过程中的负荷损失。

发明内容

本发明提出了一种配电网故障自愈调度方法，其目的是：利用分布式电源和需求侧管理等新技术的优势，减少故障过程中的负荷损失。

本发明技术方案如下：

一种配电网故障自愈调度方法，针对包含有分布式电源的配电网，通过计算机装置实现以下步骤：

(一)配电终端上传配电网和电力设备的监测信息至监测平台；

(二)监测平台进行信息处理与分析，判断是否发生故障；

(三)如果未发生故障，则以配电网运行经济成本最低为目标进行优化调度，如果发生故障则以故障状态下配电网运行成本最低为目标进行优化调度；

优化调度时以系统中分布式电源有功出力、分布式电源无功出力、负荷点的有功负荷削减量和负荷点的无功负荷削减量为决策变量进行求解计算，根据计算结果对配电系统进行故障调度。

作为本方法的进一步改进：配电网在非故障状态下，所述的配电网运行经济成本最低是指：

上式中，cost₁为正常状态下配电网运行经济成本；N为配电网中节点个数；i为配电网节点编号；P_i ^g为节点i处分布式电源的有功出力大小；J_i(.)为节点i处分布式电源的发电成本函数：

J_i(P_i ^g)＝a_i(P_i ^g)²+b_iP_i ^g+c_i；

上式中，a_i、b_i和c_i为J_i(.)的计算系数。

作为本方法的进一步改进：非故障状态下进行优化调度时，要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

其中，Q_i ^g为节点i处安装的分布式电源无功功率出力大小；P_i ^d为节点i处连接负荷的有功功率大小；Q_i ^d为节点i处连接负荷的无功功率大小；V_i为节点i处节点电压大小；V_j为节点j处节点电压大小；G_ij和B_ij分别为以节点i和节点j为首末节点的线路的电导和电纳大小；δ_ij为节点i和节点j处电压的相角差；

2)支路潮流约束：

其中，P_ij为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流大小；

为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流最大值；

3)节点电压约束：

V_min≤V_i≤V_max；

其中，V_min和V_max分别为电压下限和上限；

4)分布式电源出力约束：

其中，P_i ^g,min和P_i ^g,max分别为P_i ^g的下限和上限；

和

分别为

的下限和上限。

作为本方法的进一步改进：配电网在故障状态下，所述的配电网运行成本最低是指：

上式中，cost₂为故障状态下配电网运行成本，包括经济调度成本cost₁和加权的负荷削减成本两部分；λ为失负荷惩罚因子；s为故障场景编号；N_s为故障场景个数；π_s和τ_s分别为故障场景s的出现概率和持续时间；ω_i为节点i处负荷的权重系数，故障时用户主动响应，不同等级用户设置不同的权重系数；

为故障场景s中节点i处负荷的有功削减量。

作为本方法的进一步改进：故障状态下进行优化调度时，要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

其中，

和

分别为故障场景s中的有功功率和无功功率；

为故障场景s中节点i处连接的用户的无功负荷削减大小；V_s,i和V_s,j分别为故障场景s中节点i和节点j处电压幅值的大小；δ_s,ij为故障场景s中的δ_ij；

2)支路潮流约束：

其中，u_s,i和u_s,j均为二元变量，分别表示故障场景s中节点i和节点j是否受到故障影响；γ_s,ij为故障场景s中以节点i和节点j为首末节点的线路分配容量减少的百分比；

3)节点电压约束：

V_min≤V_s,i≤V_max；

4)分布式电源出力约束：

其中，k_s.i为故障场景s中节点i处分布式电源发电量减少的百分比；

5)负荷削减约束：

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明建立了故障状态下的配电网自愈调度模型，将经济调度成本和负荷削减成本同时考虑，形成了一个混合整数非线性优化问题，充分利用了分布式电源的可调度特性和配电网用户的需求响应特性，同时考虑了不同故障场景下配电网的自愈调度，能够在故障时尽可能多的恢复用户供电，减小负荷削减，提高配电网的自愈能力。

附图说明

图1为配电网自愈调度的架构示意图。

图2为本发明调度方法的流程示意图。

图3为实施例中改进的IEEE33节点配电系统的架构示意图。

图4为本发明自愈调度方法与传统调度方法负荷削减成本的对比图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

本发明的目的在于建立一种考虑分布式电源和用户主动响应的自愈配电网调度方法，该方法针对含分布式电源的配电网，利用先进的配电自动化技术和需求侧管理技术，在正常状态下保证配电网经济运行，在故障状态下保证配电网最大程度的恢复用户供电，尤其是保证关键用户的供电。本发明能够为城市配电网的运行调度提供指导，有利于提升城市配电网的运行及管理水平，促进城市配电网向坚强和自愈的方向发展。

本调度方法的具体步骤为：

(一)建立配电网自愈调度架构与流程。

本发明建立的配电网自愈调度架构如附图1所示，主要包含三层结构，第一层是终端感知层，主要是配电网及电力设备的数据采集和状态感知，包括输电线路、变压器、继电保护装置和配电终端等；第二层是综合监测平台，主要负责电力设备参数监测、任务管理与分配和电网状态监测等；第三层是自愈控制系统，主要负责分析预警、自动决策、状态评估、自动控制和自愈恢复。通过自愈调度架构中三层之间的相互通信与配合，实现故障状态下配电网自愈调度指令的生成与执行。

调度流程如附图2所示，首先是配电终端上传配电网和电力设备的监测信息，然后综合监测平台进行信息处理与分析，判断是否发生故障，如果发生故障则进行配电网自愈调度，最后自愈调度指令上传至自愈控制系统执行。

(二)建立配电网经济调度模型。

正常状态下，配电网运营商以经济成本最小为目标进行优化调度：

式(1)中，cost₁为正常状态下配电网运行成本；N为配电网中节点个数；i为配电网节点编号；P_i ^g为节点i处分布式电源的有功出力大小；J_i(.)为节点i处分布式电源的发电成本函数，可由式(2)计算得到。

J_i(P_i ^g)＝a_i(P_i ^g)²+b_iP_i ^g+c_i                     (2)

式(2)中，a_i、b_i和c_i为J_i(.)的计算参数。

配电网运营商在进行经济调度时需要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

式(3)和式(4)中，Q_i ^g为节点i处安装的分布式电源无功功率出力大小；P_i ^d为节点i处连接负荷的有功功率大小；Q_i ^d为节点i处连接负荷的无功功率大小；V_i为节点i处节点电压大小；V_j为节点j处节点电压大小；G_ij和B_ij分别为以节点i和节点j为首末节点的线路的电导和电纳大小；δ_ij为节点i和节点j处电压的相角差。

2)支路潮流约束：

式(5)中，P_ij为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流大小；

为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流最大值。

3)节点电压约束：

V_min≤V_i≤V_max                          (6)

式(6)中，V_min和V_max分别为电压下限和上限。

4)分布式电源出力约束：

P_i ^g,min≤P_i ^g≤P_i ^g,max                       (7)

Q_i ^g,min≤Q_i ^g≤Q_i ^g,max                       (8)

式(7)和式(8)中，P_i ^g,min和P_i ^g,max分别为P_i ^g的下限和上限；

和

分别为

的下限和上限。

(三)建立故障状态下配电网自愈调度模型。

当配电网发生故障时，可以改变配电网中的开关状态，利用需求侧管理技术，形成以分布式电源为核心的配电孤岛，利用分布式电源为配电网中负荷供电，尤其是要保证关键负荷的供电。对于配电网运营商来说，该阶段的目标是减少失电负荷并降低发电成本，并优先考虑减少失电负荷：

式(9)中，cost₂为故障状态下配电网运行成本，包括经济调度成本cost₁和负荷削减成本两部分加权；λ为失负荷惩罚因子；s为故障场景编号；Ns为故障场景个数；π_s和τ_s分别为故障场景s的出现概率和持续时间；ω_i为节点i处负荷的权重系数，故障时用户主动响应，不同等级用户设置不同的权重系数；

为故障场景s中节点i处负荷的有功削减量。

故障状态下，配电网运营商在进行优化调度时需要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

式(10)和式(11)中，

和

分别为故障场景s中的有功功率和无功功率；

为故障场景s中节点i处连接的用户的无功负荷削减大小；V_s,i和V_s,j分别为故障场景s中节点i和节点j处电压幅值的大小；δ_s,ij为故障场景s中的δ_ij。

2)支路潮流约束：

式(12)中，u_s,i和u_s,j均为二元变量，分别表示故障场景s中节点i和节点j是否受到故障影响；γ_s,ij为故障场景s中以节点i和节点j为首末节点的线路分配容量减少的百分比。

3)节点电压约束：

V_min≤V_s,i≤V_max                        (13)

4)分布式电源出力约束：

式(14)和式(15)中，k_s.i为故障场景s中节点i处分布式电源发电量减少的百分比。

5)负荷削减约束：

综上所述，故障状态下，配电网运营商以公式(9)所示的配电网经济调度成本和削减负荷成本加权之和最小为目标函数，以系统中分布式电源有功出力、无功出力和负荷点的有功负荷削减量和无功负荷削减量为决策变量，同时考虑故障时用户主动响应，不同等级用户设置不同的权重系数，满足功率平衡、支路潮流、节点电压和分布式电源出力约束，对配电系统进行故障调度。

目前上述模型已有较为成熟的求解算法，可以采用CPLEX/GUROBI/LINGO等求解器求解。

如附图3所示，实施算例采用改进的IEEE 33节点配电系统作为主体系统结构，其中部分节点分别接有分布式电源、可参与需求响应的负荷点和关键负荷点。该配电系统中分布式电源连接情况、参数及故障场景相关参数如表1至表3所示。

表1分布式电源与配电网相连节点及其额定容量大小

位置	5	7	9	11	13	17	20	22	24	26	29	31
													容量(kW)	67	224	63	54	69	63	98	98	47	65	139	166

表2分布式电源发电成本系数

节点号	5,7,9	11,13,17	20,22,24	26,29	31	1
							<![CDATA[a<sub>i</sub>]]>	0.04	0.015	0.035	0.04	0.03	0.02
<![CDATA[b<sub>i</sub>]]>	4	1.5	3.5	4	3	2
							<![CDATA[c<sub>i</sub>]]>	0	0	0	0	0	0

表3故障场景参数

故障场景	影响节点	<![CDATA[k<sub>s.i</sub>]]>	<![CDATA[γ<sub>s,ij</sub>]]>	<![CDATA[π<sub>s</sub>]]>	<![CDATA[τ<sub>s</sub>]]>
						场景S1	节点3-5,23	0％	70％	0.4	8
场景S2	节点1,2,19	10％	70％	0.3	4
						场景S3	节点5-12,26	20％	60％	0.2	10
场景S4	节点14-18,30-33	0％	60％	0.1	8

为了对比本发明效果，设置两种不同调度方法进行对比，第一种为传统调度方法，采用半手动恢复方法，由于意外事件是不可预料的，因此运行人员必须在非常短的时间内采取最适当的措施，恢复算法必须尽可能简单，因此假设分布式电源以单位功率因数运行，不采用需求侧管理的方法，运行人员仅运行简单的优化程序以期在短时间内制定策略以最大程度减少失电负荷；第二种，假设配电网具备一定的自愈功能，采用本发明提出的考虑分布式电源和需求侧管理的配电网自愈调度方法，允许分布式电源的功率因子在0.9-1中自动调节，假设所有非关键、非灵活性负荷的权重为0.01，而非关键灵活性负荷的权重为0.005。

上述配电网在发生如表3设置的故障时，采用传统调度方法和本发明所述自愈调度方法。结果对比如附图4所示，自愈调度方法中负荷削减量和负荷削减成本明显低于传统调度方法，这说明允许发电单元控制其无功功率以及进行需求侧管理在提供恢复能力方面具有很强的灵活性，能够有效减小系统负荷消减，提升配电网的自愈能力。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种配电网故障自愈调度方法，针对包含有分布式电源的配电网，其特征在于通过计算机装置实现以下步骤：

(一)配电终端上传配电网和电力设备的监测信息至监测平台；

(二)监测平台进行信息处理与分析，判断是否发生故障；

(三)如果未发生故障，则以配电网运行经济成本最低为目标进行优化调度，如果发生故障则以故障状态下配电网运行成本最低为目标进行优化调度；

优化调度时以系统中分布式电源有功出力、分布式电源无功出力、负荷点的有功负荷削减量和负荷点的无功负荷削减量为决策变量进行求解计算，根据计算结果对配电系统进行故障调度；

配电网在故障状态下，所述的配电网运行成本最低是指：

上式中，cost₂为故障状态下配电网运行成本，包括经济调度成本cost₁和加权的负荷削减成本两部分；λ为失负荷惩罚因子；s为故障场景编号；N_s为故障场景个数；π_s和τ_s分别为故障场景s的出现概率和持续时间；ω_i为节点i处负荷的权重系数，故障时用户主动响应，不同等级用户设置不同的权重系数；

为故障场景s中节点i处负荷的有功削减量；

故障状态下进行优化调度时，要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

其中，

和

分别为故障场景s中的有功功率和无功功率；

为故障场景s中节点i处连接的用户的无功负荷削减大小；V_s,i和V_s,j分别为故障场景s中节点i和节点j处电压幅值的大小；δ_s,ij为故障场景s中的δ_ij；

2)支路潮流约束：

其中，u_s,i和u_s,j均为二元变量，分别表示故障场景s中节点i和节点j是否受到故障影响；γ_s,ij为故障场景s中以节点i和节点j为首末节点的线路分配容量减少的百分比；

3)节点电压约束：

V_min≤V_s,i≤V_max；

4)分布式电源出力约束：

其中，k_s.i为故障场景s中节点i处分布式电源发电量减少的百分比；

5)负荷削减约束：

2.如权利要求1所述的配电网故障自愈调度方法，其特征在于：配电网在非故障状态下，所述的配电网运行经济成本最低是指：

上式中，cost₁为正常状态下配电网运行经济成本；N为配电网中节点个数；i为配电网节点编号；P_i ^g为节点i处分布式电源的有功出力大小；J_i(.)为节点i处分布式电源的发电成本函数：

J_i(P_i ^g)＝a_i(P_i ^g)²+b_iP_i ^g+c_i；

上式中，a_i、b_i和c_i为J_i(.)的计算系数。

3.如权利要求2所述的配电网故障自愈调度方法，其特征在于：非故障状态下进行优化调度时，要满足以下约束：

1)功率平衡约束：

其中，

为节点i处安装的分布式电源无功功率出力大小；P_i ^d为节点i处连接负荷的有功功率大小；

为节点i处连接负荷的无功功率大小；V_i为节点i处节点电压大小；V_j为节点j处节点电压大小；G_ij和B_ij分别为以节点i和节点j为首末节点的线路的电导和电纳大小；δ_ij为节点i和节点j处电压的相角差；

2)支路潮流约束：

其中，P_ij为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流大小；

为以节点i和节点j为首末节点的馈线有功潮流最大值；

3)节点电压约束：

V_min≤V_i≤V_max；

其中，V_min和V_max分别为电压下限和上限；

4)分布式电源出力约束：

P_i ^g,min≤P_i ^g≤P_i ^g,max；

其中，P_i ^g,min和P_i ^g,max分别为P_i ^g的下限和上限；

和

分别为

的下限和上限。

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