CN112271727A

CN112271727A - 含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法

Info

Publication number: CN112271727A
Application number: CN202011102584.5A
Authority: CN
Inventors: 王颖; 许寅; 王小君; 和敬涵; 李猛; 马佳骏; 王维
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112271727B

Abstract

本发明提供了一种含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法。该方法包括：当含柔性软开关的韧性配电网发生故障后，建立所述韧性配电网的故障恢复相关的MISOCP模型，该MISOCP模型包含目标函数和约束条件，所述约束条件包括配电网运行约束、电源运行约束和柔性软开关运行约束；求解MISOCP模型，得到所述韧性配电网的各个时段的故障恢复策略；制定韧性配电网的故障恢复操作规则，确定系统在不同状态间切换的操作次序，根据故障恢复策略和故障恢复操作规则得到韧性配电网的整体恢复方案。本发明的方法可以确保含SOP的韧性配电网的配电网的故障恢复过程平稳进行，实现韧性配电网高效率的故障恢复。

Description

含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种含柔性软开关(soft open point, SOP)的韧性配电网重要负荷恢复方法。

背景技术

随着分布式电源和电动汽车等具有随机性的源荷大量接入配电网，配电网的安全运行面临严峻挑战。SOP是提升可再生能源消纳能力和配电网调控能力、实现配电网“柔性互联”的重要手段之一。SOP为电力电子器件，利用 SOP可灵活地交换有功功率、补偿无功功率、调节和控制电压。在极端条件下，上级电网在一段时间内无法为配电网供电的情况，配电网可利用本地电源主动恢复网内重要负荷的供电，减小停电损失。含SOP的韧性配电网可充分利用SOP的电压支撑和调节能力，提升系统的恢复效果和韧性。目前，对于含 SOP的韧性配电网的故障恢复研究尚处于起步阶段。现有技术的一种方案研究了含单个SOP的有源配电网故障后，由SOP和分布式电源协同供电的故障恢复策略。现有技术中的另一种方案探讨了含多个SOP的配电网在无主网支撑下的故障恢复方法，同时给出了多SOP的协同控制策略。现有技术中的另一种方案考虑极端事件后发生大停电的场景，提出了协同维修人员、移动电源和由SOP 互联的微电网群等资源进行配电网恢复的多时段恢复方法。现有技术中的另一种方案将含SOP的配电网故障恢复问题建模为多目标优化问题，目标函数包括最小化停电负荷、网损和开关次数，提出了混合双层优化方法进行建模和求解。

但上述现有技术中的方案均是假设SOP或配电网与上级电网相连，对于上级电网无法为配电网送电的极端场景下的故障恢复策略探讨较少。然而，在实际应用中，SOP有多种控制模式，在不同的场景下需要选择不同的控制模式从而使运行效果更佳，如何给出一种合理的SOP恢复开关操作次序和相匹配的 SOP控制模式，以确保配电网恢复过程平稳进行，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种含柔性软开关的韧性配电网重要负荷恢复方法，包括：

当含柔性软开关的韧性配电网发生故障后，建立所述韧性配电网的故障恢复相关的混合整数二阶锥规划MISOCP模型，该MISOCP模型包含目标函数和约束条件，所述约束条件包括配电网运行约束、电源运行约束和柔性软开关运行约束；

求解所述MISOCP模型，得到所述韧性配电网的各个时段的故障恢复策略；

制定所述韧性配电网的故障恢复操作规则，确定系统在不同状态间切换的操作次序，根据所述故障恢复策略和所述故障恢复操作规则得到所述韧性配电网的整体恢复方案。

优选地，所述MISOCP模型的目标函数包括：

优选地，所述MISOCP模型的约束条件包括：

1)配电网运行约束：

电源运行约束：

SOP运行约束：

其中，N、E、G、B和R分别表示节点、线路、DG、ES和根节点构成的集合；α_ij为0-1决策变量，表示线路的恢复状态；P_ij,t、Q_ij,t、P_hi,t、Q_hi,t分别为线路(i,j)和(h,i)的有功无功功率变量，ν_i,t＝V_i,tV_i,t ^*和l_ij,t＝I_ij,tI_ij,t ^*为非负实数变量，其中V_i,t代表节点i的电压相量，I_ij,t代表线路(i,j)的电流相量；

和

表示时段 t中节点i处电源向i注入的有功无功功率；

和

表示时段t中节点i处SOP 向i注入的有功无功功率；F_ij为连续的辅助变量，表示线路的虚拟潮流，D_i为已知常量，表示非根节点的虚拟负荷需求，此处取1；

和

表示时段t内节点i的负荷有功无功功率，

为0-1常量，用于表示节点i的负荷在时段t是否由自备电源供电，M表示数值非常大的正实数；R_ij和X_ij为线路阻抗，P_i ^max和

为DG有功和无功功率输出上限；P_i ^ch-max和P_i ^dch-max分别为储能充电和放电的最大功率；

为DG的初始能量；κ∈[0,1]表示储能的荷电状态；

和

分别为储能的荷电状态上下限，

为初始荷电状态；ρ_i为转换系数，将能量转换为该设备的荷电状态，

和

为连续变量，分别表示SOP向节点j注入的有功和无功功率，

和

分别表示SOP靠近i侧和j侧变流器的有功损耗；

和

分别表示SOP两侧变流器的损耗系数。

优选地，所述的求解所述MISOCP模型，得到所述韧性配电网的各个时段的故障恢复策略包括：

在MISOCP模型中输入算例信息，该算例信息包括节点、支路、负荷、电源与柔性软开关SOP信息，在MATLAB 2016a软件中，通过CVX优化建模包对输入了算例信息的MISOCP模型进行建模，调用优化求解器MOSEK对通过CVX优化建模包建立的模型进行求解，得到MISOCP模型的求解结果，该求解结果包括韧性配电网的各个时段的故障恢复策略，各个时段的故障恢复策略包括各个时段的负荷恢复情况与恢复后拓扑情况、SOP最后时段功率输出及两端电压情况。

优选地，所述韧性配电网的故障恢复操作规则包括：

黑启动及运行状态变化操作次序确定规则：

基于故障恢复策略中得到的运行拓扑，利用Dijkstra算法寻找黑启动机组与其他各台机组的最短路径，该最短路径的距离为黑启动机组与各台机组间可开断线路的条数，按照最短路径通过开关操作将黑启动机组与各机组依次相连，形成电气孤岛；

以故障恢复策略中通过求解恢复问题的MISOCP模型得到的可恢复的负荷集合为对象，如果电源相连路径经过重要负荷，则观察电源总容量是否有能力接入重要负荷，如有，则接入；对于不在电源相连路径中的负荷以及普通负荷，利用Dijkstra算法寻找已带电的孤岛与所有负荷的最短路径，按照负荷优先级依次恢复负荷；

对于在后续恢复中不同时段运行状态发生变化的情况，即有新的负荷恢复的情况，以故障恢复策略中新增恢复负荷为对象，基于该时段的运行拓扑，利用Dijkstra算法寻找已带电的孤岛与所有负荷的最短路径，按照负荷优先级依次恢复负荷。

优选地，所述韧性配电网的故障恢复操作规则包括：

故障恢复过程中SOP控制模式切换规则：

在故障恢复过程中，需要决策SOP是否闭合时，SOP两端的运行情况分为两种，一种运行情况是一端为带电侧，一端为失电侧，另一种运行情况是两端均为带电侧，当两侧分别为带电侧和失电侧时，以黑启动电源为起点进行恢复，SOP带电侧为与黑启动电源相连的一侧，由黑启动电源提供电压和频率支撑；而另一侧无电源，此时SOP的带电侧VSC为VdcQ控制，失电侧VSC为Vf控制模式，抬升失电侧电压，为失电侧网络提供电压和频率支撑，并为失电侧输入有功和无功功率，以支撑失电侧网络中负荷的恢复；当两侧均为带电侧时，其两侧均已与黑启动电源相连，此时SOP的控制模式为VdcQ-PQ控制，起调节功率和电压的作用。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过包含求解混合整数二阶锥规划模型获得故障恢复策略，确定停电各个时段的系统运行状态；制定含柔性软开关(SOP)配电网的故障恢复操作规则，来确定系统在不同状态间切换的操作次序，最终得到含SOP的韧性配电网的整体恢复方案。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种测试系统的拓扑图

图3为本发明实施例提供的一种故障恢复策略求解结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明提出了配电网与上级电网失去连接场景下含SOP的韧性配电网的两步式负荷恢复方法，首先求解混合整数二阶锥规划问题确定配电网的最优故障恢复策略，然后提出含SOP的韧性配电网故障恢复操作规则用于确定恢复开关操作次序和SOP的控制模式。最后通过算例仿真进行方法验证。

本发明主要包括两项内容，针对含柔性软开关的韧性配电网提出负荷恢复方法：第一步，通过求解恢复问题的混合整数二阶锥规划模型获得故障恢复策略，确定停电各个时段的系统运行状态；第二步通过制定含SOP的韧性配电网的故障恢复操作规则，来确定系统在不同状态间切换的操作次序，包括黑启动过程的操作次序和在恢复期间调整策略所需的操作次序，最终得到含 SOP的韧性配电网的整体恢复方案。

本发明实施例提供的一种含柔性软开关的韧性配电网的故障恢复方法的处理流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤S10：当韧性配电网发生停电等故障后，建立韧性配电网故障恢复相关的混合整数二阶锥规划(MISOCP)模型，该MISOCP模型包含目标函数和约束条件，其中约束条件包括配电网运行约束、电源运行约束、柔性软开关 (SOP)运行约束。

1)目标函数

最大化加权负荷供电时间和最小化网损。

式中，L和T分别为负荷节点和时段构成的集合；γ_i,t为需要决策的连续变量，处于0至1之间，表示负荷节点的恢复比例，P_t ^loss为连续变量，表示网损；其余均为已知量，a₁和a₂分别为2个目标函数的权重系数；w_i表示负荷重要度系数，T^int为时段长度，S^base为基准功率。

2)约束条件

(1)配电网运行约束

式中，N、E、G、B和R分别表示节点、线路、DG(distributed generator可控分布式发电机)、ES(energy storage储能)和根节点构成的集合；α_ij为0-1决策变量，表示线路的恢复状态；P_ij,t、Q_ij,t、P_hi,t、Q_hi,t分别为线路(i,j)和(h,i)的有功无功功率变量，ν_i,t＝V_i,tV_i,t ^*和l_ij,t＝I_ij,tI_ij,t ^*为非负实数变量，其中V_i,t代表节点i的电压相量，I_ij,t代表线路(i,j)的电流相量；

和

表示时段t中节点i处电源向i注入的有功无功功率；

和

表示时段t中节点i 处SOP向i注入的有功无功功率；F_ij为连续的辅助变量，表示线路的虚拟潮流，D_i为已知常量，表示非根节点的虚拟负荷需求，此处取1；

和

表示时段t内节点i的负荷有功无功功率，

为0-1常量，用于表示节点i的负荷在时段t是否由自备电源供电，本文假设拥有自备应急电源的负荷在停电初期依靠自备电源供电；M表示数值非常大的正实数；R_ij和X_ij为线路阻抗。

式(2)表示节点功率平衡约束。式(3)表示负荷恢复状态变量与负荷是否依靠自备电源供电的常量间的关系。式(4)表示线路两端节点电压幅值的关系。式(5)为功率定义式。式(6)为各个时段网络中线路损耗表达式。式(7)和 (8)分别为电流和电压约束。式(9)为线路功率与线路连接与否的关系。式 (10)-(12)为辐射状约束的单商品流约束。

(2)电源运行约束：

式中，P_i ^max和Q_i ^max为DG有功和无功功率输出上限；P_i ^ch-max和P_i ^dch-max分别为储能充电和放电的最大功率；

为DG的初始能量；κ∈[0,1]表示储能的荷电状态；

和

分别为储能的荷电状态上下限，

为初始荷电状态；ρ_i为转换系数，将能量转换为该设备的荷电状态。

式(13)和(14)分别表示DG和ES功率约束，式(15)和(16)分别表示发电机和储能的能量约束。

(3)SOP运行约束：

式中，

和

为连续变量，分别表示SOP向节点j注入的有功和无功功率，

和

分别表示SOP靠近i侧和j侧变流器的有功损耗；

和

分别表示SOP两侧变流器的损耗系数。

式(17)表示SOP向外输出的总有功功率为0；式(18)和(19)表示SOP两侧 VSC损耗与输出功率的关系；式(20)和(21)表示VSC输出功率极限约束。

步骤S20：求解上述韧性配电网故障恢复相关的MISOCP模型，得到韧性配电网的各个时段的故障恢复策略，该故障恢复策略包括系统运行状态，SOP最后时段的功率输出及两端电压。

对MISOCP模型的求解过程主要分为三部分：在MISOCP模型中输入算例信息，包括节点、支路、负荷、电源与柔性软开关SOP信息；2、在MATLAB 2016a软件中，通过CVX优化建模包对输入了算例信息的MISOCP模型进行建模，然后，调用优化求解器MOSEK对通过CVX优化建模包建立的模型进行求解，得到MISOCP模型的求解结果，该求解结果包括韧性配电网的各个时段的故障恢复策略。

各个时段的故障恢复策略主要包括各个时段的负荷恢复情况与恢复后拓扑情况(图3)、SOP最后时段功率输出及两端电压情况(表1)，从图3中可以看出在恢复策略决策的最终恢复状态中，网络1中的一级负荷6和二级负荷 14、网络2中的一级负荷7、17、24和29均全部恢复，拓扑方面，断开线路11- 12，闭合除网络1中8-14和11-21以外的其他联络开关。从表1也可以看出， SOP可以为网络提供电压补偿，从而调节网络电压。

步骤S30：制定含SOP的韧性配电网的故障恢复操作规则，确定系统在不同状态间切换的操作次序，根据上述故障恢复策略和故障恢复操作规则得到含SOP的韧性配电网的整体恢复方案。

根据上述各个时段的故障恢复策略得到表2所示的黑启动操作方案，该方案包括第一步中所有电源均用来恢复网络1中的重要负荷6和14以及网络2中的重要负荷7、24和25。恢复完毕后，由于网络2中的重要负荷17和29均由自备应急电源供电，并未接入网络，因此最开始两个SOP下游侧均处于Vf控制状态，为黑启动机组下游的网络提供电压和频率支撑。按照恢复策略得到的恢复拓扑状态对两个联络线进行了恢复，形成节点20到负荷7的线路回路，分担网络2中SOP的有功功率负担，降低损耗，对应的SOP的7侧切换为PQ控制,最后通过寻找带电路径到指定负荷最短路径得到恢复路径。

表3说明的是相比于不含SOP的恢复策略，含SOP的策略可以全程支撑全部一级负荷的恢复(目标函数大)，恢复效果好。

上述含SOP的韧性配电网的故障恢复操作规则包括：

1)黑启动及运行状态变化操作次序确定规则：

黑启动可以理解为自启动，当系统处于全部停电状态时，通过发电机组黑启动来带动其余机组，在本算例中，假设配电网中存在一台具备黑启动能力且容量最大的DG。

首先基于故障恢复策略中得到的运行拓扑，利用Dijkstra算法寻找黑启动机组与其他各台机组的最短路径，该最短路径的距离为黑启动机组与各台机组间可开断线路的条数，按照最短路径通过开关操作将黑启动机组与各机组依次相连，形成较强健的电气孤岛。

本发明实施例的负荷恢复方法一共分两步，第一阶段代表的是求解 MISOCP模型，第二阶段代表的是含SOP配电网的恢复操作规则。以故障恢复策略中通过求解恢复问题的MISOCP模型得到的可恢复的负荷集合为对象，如果电源相连路径经过重要负荷，则观察电源总容量是否有能力接入重要负荷，如有，则接入；对于不在电源相连路径中的负荷以及普通负荷，利用 Dijkstra算法寻找已带电的孤岛与所有负荷的最短路径，按照负荷优先级依次恢复负荷；最后对于在后续恢复中不同时段运行状态发生变化的情况，即有新的负荷恢复的情况，以故障恢复策略中新增恢复负荷为对象，基于该时段的运行拓扑，利用Dijkstra算法寻找已带电的孤岛与所有负荷的最短路径，按照负荷优先级依次恢复负荷。

2)恢复过程中SOP控制模式切换规则：

在恢复过程中，需要决策SOP是否闭合时，其两端的运行情况可分为两种，一种是一端为带电侧，一端为失电侧，另一种情况是两端均为带电侧。当两侧分别为带电侧和失电侧时，由于本发明的故障恢复操作规则是以黑启动电源为起点进行恢复，因此SOP带电侧为与黑启动电源相连的一侧，由黑启动电源提供电压和频率支撑；而另一侧无电源，此时SOP的带电侧VSC (voltage sourced converter双端背靠背电压源型变流器)为VdcQ(定直流电压/无功功率)控制，V是电压voltage，dc为直流Direct current，Q 是无功功率Reactivepower，组合在一起代表着定直流电压/无功功率控制模式。失电侧VSC为Vf(定交流电压/频率)控制模式抬升失电侧电压，f为频率frequency，代表定交流电压/频率控制模式，为失电侧网络提供电压和频率支撑，并为失电侧输入有功和无功功率，以支撑失电侧网络中负荷的恢复。当两侧均为带电侧时，其两侧均已与黑启动电源相连，此时SOP的控制模式应为VdcQ-PQ(定直流电压/无功功率控制-功率控制)，PQ代表功率控制模式，主要起调节功率和电压的作用。

实施例二

在图2所示的测试系统中，两个IEEE 33节点配电网算例线路通过网络1节点17与网络2节点1之间的联络开关连接成手拉手配电网，并在其基础上增加3 个DG分别位于网络1节点19、22和网络2节点27，2个ES位于网络1节点13和网络2节点4，系统的总负荷为(7430+j4600)kVA，其中有5个一级负荷和6个二级负荷，剩余负荷均为普通负荷，三种负荷类型的权重系数分别为100、10、 0.2。其中网络2中的17和29配备自备应急电源，后备时间为1h。SOP位于网络1中的节点17与节点32之间和网络2中的节点7与节点20之间，两个SOP两端VSC容量均为1200kVA，损耗系数均为0.02。

步骤一：根据图2所示测试系统的信息和场景信息，当韧性配电网发生故障后，建立韧性配电网故障恢复相关的混合整数二阶锥规划(MISOCP)模型，求解MISOCP模型，得到多时段故障恢复策略，各个时段的负荷恢复情况如图3所示，SOP最后时段功率输出及两端电压情况如表1所示。

步骤二：根据提出的故障恢复操作规则，确定的黑启动操作方案如表2所示。

步骤三：将算例中的两个SOP替换为两条联络线路，求解得到对比算例的故障恢复策略，两种故障恢复策略结果如表3所示。可以看出，SOP可以全程支撑全部一级负荷的恢复，恢复效果好，含SOP的配电网能够对其提供无功支撑确保全部恢复，SOP通过为网络提供无功补偿和电压支撑，能够提升配电网的恢复能力，进而提升韧性。

表1 SOP最终时段功率输出及两端电压情况

表2黑启动操作方案

表3两种不同故障恢复策略的恢复结果对比

综上所述，本发明实施例通过包含求解混合整数二阶锥规划模型获得故障恢复策略，确定停电各个时段的系统运行状态；制定含柔性软开关(SOP) 配电网的故障恢复操作规则，来确定系统在不同状态间切换的操作次序，最终得到含SOP的韧性配电网的整体恢复方案，确保含SOP的韧性配电网的配电网的故障恢复过程平稳进行，实现韧性配电网高效率的故障恢复。

在极端条件下，上级电网一段时间内无法为配电网供电，配电网可利用本地电源主动恢复网内重要负荷的供电，减小停电损失，而柔性软开关的接入可提升配电网对电压和功率的调节能力与整体运行性能，且可在极端条件下提升配电网恢复能力，从而提升韧性。应用本方法可以充分发挥柔性软开关对电压的支撑和调节能力，提升负荷恢复效果。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。