CN112531663B - 一种基于pmu量测的面向主动配电网的网络分区方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，其步骤包括：1、建立分区后微电网集群的运行约束条件；2、定位发生故障的孤岛区域；3、划分满足运行约束的基本微电网；4、根据PMU采集的量测数据，计算基本微电网的等效电路；5、根据所有可能合并的基本微电网组合，确定候选微电网集群；6、根据区域的等效电路，计算候选微电网集群集的运行因子；7、计算目标函数，从候选微电网集群中选择最佳集群。本发明无需网络模型的拓扑结构与设备参数，即可得到最佳分区拓扑，从而能在主动配电网某处馈线出现故障时及时调整分区，进而减少配电网故障时长，降低经济损失。

Description

一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法
技术领域
本发明涉及主动配电网故障分区领域，具体地说是一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，适用于主动配电网中随机区域出现故障的情况，无需网络模型的拓扑结构与设备参数，即可得到最佳分区拓扑。
背景技术
主动配电网是一种高度集成，完全互连且具有通信功能的电气系统。与传统的配电网相比，主动配电网可以对电网运行状态进行主动控制，对可控资源实现主动管理，以解决电网兼容性和大规模间歇性可再生能源的应用问题。在正常运行期间，主动配电网通过输电网络和分布式发电设备对用户测供电；一旦发生故障，整个配电网(或一部分配电网)可能会与主电网断开连接，孤岛区域内的负载只能由分布式发电设备供电。在这种情况下，作为一种自我修复措施，主动配电网分区(聚类)可以将孤岛区域适当地分成满足一系列技术要求的微电网集群，以更有效地对孤岛区域继续可靠供电。
现有的主动配电网分区方法，是通过分配分布式储能资源和分布式无功资源，将配电系统分为微电网集群。通过引入多个自治微电网作为解决方案，考虑可靠性和供应充足指数、通信连接成本、分布式发电设备输出和负载消耗的不确定性、电压和电流的可控性等一系列指标，并将其作为网络分区的依据，以在上游网络受到干扰的情况下提高主动配电网的可靠性。
中国农业大学陆凌芝等提出了一种基于电气距离矩阵特征根分析的主动配电网电压控制分区方法(电力建设，2018，“基于电气距离矩阵特征根分析的主动配电网电压控制分区方法”)。该方案使用牛顿－拉夫逊法进行潮流计算，得到电压/无功灵敏度矩阵，对其进行处理得到增广矩阵；然后根据增广电压/无功灵敏度矩阵定义电气距离，得到电气距离矩阵；接着建立描述电气距离矩阵特征根序列的一个指标作为判断依据来确定较大特征根个数，该个数即为分区数；最后，采用基于Ward距离的凝聚层次聚类算法对电气距离矩阵进行聚类，得出分区结果。仿真结果表明，与传统分区方法中人为指定分区数或通过比较不同分区数下各分区方案的各类指标来确定最佳分区数的情况相比，提出的方案可用量化的指标来确定分区数，更加简单高效，且能得到较为稳定的分区方案。但是此方案无法跟踪负载、分布式发电设备功率的实时变化而调整分区结果，无法保证方法的普适性。
山东大学于琳等提出了一种引入社团结构理论与粒子群算法的主动配电网电压控制分区算法(山东大学硕士学位论文，2017，“主动配电网多目标规划及控制分区研究”)，该算法定义电气距离并以此建立权重矩阵，为主动配电网控制区域划分提供度量单位；以模块度为衡量标准对分区结果进行评估；采用粒子群算法对其进行计算，针对粒子的编码与更新提出适应主动配电网网络拓扑特点的编码方式以及更新策略，从而加速收敛并节约储存空间。仿真结果表明，与传统以地理区域为根据的分区方法相比，该方法避免了人为因素的干扰，兼顾网络拓折结构特性和电气特性，保证了电网分区的合理性及有效性。但是此方案的模型将分布式发电设备抽象为PQ节点，准确性与实用性容易因分布式发电设备间歇性行为而受到不利影响。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，以期能在无需网络模型的拓扑结构与设备参数的情况下，即可得到最佳分区拓扑，从而能在主动配电网某处馈线出现故障时及时调整分区，进而减少配电网故障时长，降低经济损失。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，是应用于包含中央管理单元、PMU、区域控制单元所组成的主动配电网中；所述主动配电网中的每个微电网是以断路器为边界；且所述断路器与所述PMU相连；所述PMU还设置在可调度分布式发电设备和电网的连接点处；在每个微电网中设置有所述区域控制单元，用于监控分布式发电设备，其特点是，所述网络分区方法是按如下步骤进行：
步骤一、建立微电网集群的运行约束；
步骤1.1、利用式(1)建立负载-发电平衡约束：
Figure BDA0002870525690000021
式(1)中，PS,i，PW,i和PPV,i分别为第i个可调度分布式发电设备、风力发电设备和光伏发电设备的输出功率，1≤i≤I，I为分布式发电设备总数；PL,m和PLoss,m是第m个微电网内的总负载和功率损失，1≤m≤M，M为微电网总数；
步骤1.2、利用式(2)建立所述分布式发电设备的功率约束：
Pi min≤Pi(t)≤Pi max (2)
式(2)中，Pi min和Pi max分别是第i个分布式发电设备的最低和最高发电限制；Pi(t)是第i个分布式发电设备的功率；
步骤1.3、利用式(3)建立第i个可调度分布式发电设备的功率约束：
Figure BDA0002870525690000031
步骤二、故障定位；
所述主动配电网在发生故障且相关断路器运行之后形成孤岛区域，所述中央管理单元利用故障定位器算法确定位于孤岛区域内部的微电网；
步骤三、形成基本微电网；
步骤3.1、将所述孤岛区域中满足步骤一中所有约束的微电网作为基本微电网；
步骤3.2、若所述孤岛区域中的某个微电网不能满足步骤一中的任意约束，则将其与相邻的基本微电网内进行组合，并评估组合后的微电网集群是否能满足步骤一中的所有约束；若能，则将所述组合后的微电网集群作为基本微电网；否则，利用局部减载逻辑对自身微电网内的负载按照事先确定的负载优先级进行减载，从而满足步骤一中的所有约束；
步骤四、计算基本微电网的等效电路；
所述中央管理单元从安装在基本微电网边界处的PMU接收电压同步相量和电流同步相量，并将每个基本微电网用一个等效电路代替，所述等效电路包括：一个电压源和多个R-L分支，且每个主分支的阻抗相同；计算每个基本微电网的等效电路；
步骤五、确定候选微电网集群；
步骤5.1、确定基本微电网合并后仍然能满足步骤一中所有约束的所有可能组合，并将每种可能组合作为候选微电网集群；
步骤5.2、若候选微电网集群中包含两个或两个以上的基本微电网，且至少存在一个减载过的基本微电网，则对相应候选微电网集群评估是否能重新连接脱落负载；若能，则相应候选微电网集群的区域控制单元重新调度相应的可调度分布式发电设备，用于重新连接所脱落的负载；
步骤5.3、对每个候选微电网集群用一个1×n维的标识向量进行标识，所述标识向量包含基本微电网之间的断路器状态的信息；所述标识向量中，以“1”标识关闭状态的断路器，以“0”标识打开状态的断路器；n表示断路器的数量；
步骤六、计算运行因子；
使用基本微电网的等效电路，对步骤五得到的候选微电网集群集计算其运行因子；
步骤七、确定最佳候选微电网集群；
步骤7.1、利用式(4)计算第j个候选微电网集群的目标函数
Figure BDA0002870525690000032
从而从所有候选微电网集群中选择最小目标函数值所对应的最佳候选微电网集群作为最佳微电网集群；
Figure BDA0002870525690000041
式(4)中，F1,j是第j个候选微电网集群的总功率损耗，F2,j是第j个候选微电网集群边界处的电压偏差之和，F3,j是第j个候选微电网集群中断开负载的总功率，α1、α2、α3分别是F1,j、F2,j、F3,j的权重；
步骤7.2、所述中央管理单元根据最佳微电网集群的标识向量，将相应的通断命令发送给相应的断路器，以在孤岛区域内形成最佳微电网集群。
本发明所述的网络分区方法的特点也在于，所述步骤四是按如下过程计算等效电路：
步骤4.1、利用式(5)计算主分支的阻抗Ru+jXu：
Figure BDA0002870525690000042
式(5)中，u表示相位a、b、c，j表示虚部单位，
Figure BDA0002870525690000043
和
Figure BDA0002870525690000044
是第k个PMU测量的第u相的电压相量和电流相量；
步骤4.2、利用式(6)计算电压源相量Eu∠δu：
Figure BDA0002870525690000045
步骤4.3、利用式(7)计算其他分支的阻抗：
Figure BDA0002870525690000046
所述步骤六是按如下过程进行：
步骤6.1、利用式(8)计算每个候选微电网集群总功率损耗F1,j：
Figure BDA0002870525690000047
式(8)中，Nj是组成第j个集群的微电网数量；
步骤6.2、利用式(9)计算所有候选微电网集群区域边界处的电压偏差之和F2,j：
Figure BDA0002870525690000048
式(9)中,Vk是孤岛区域内第k个断路器连接到的总线的电压幅度，Vn是孤岛区域内任一断路器连接的总线的标称电压，K是孤岛区域内断路器的数量；
步骤6.3、利用式(10)计算断开负载的总功率F3,j：
Figure BDA0002870525690000051
式(10)中，PDis,l是第l个微电网内部被断开负载的功率。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出的网络分区方法是基于PMU量测的，不需要网络模型的拓扑结构和设备参数。因此，分布式发电设备的间歇性行为及其连接/断开、网络重新配置操作以及新馈线的添加都不会影响该方法的适用性和准确性，从而能在主动配电网某处馈线出现故障时及时调整分区，降低了经济损失。
2、本发明使用配电系统中已有断路器的位置来确定微电网集群，因此该发明可以在现有的配电系统中实现，从而降低了在每条线路上加装额外的断路器或交换机的成本。
3、本发明考虑到不同的运行因子将断电部分划分为微电网集群，可根据情况的不同产生多种微电网配置；通过计算不同的量化指标来跟踪会影响孤岛区域运行的任何变化(如负载、分布式发电设备功率的实时变化)，这些量化指标在发生重大变化后会触发替代的微电网配置，这些配置将重新计算，从而更好地满足了配电网运行要求。
附图说明
图1为本发明中基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法流程图；
图2为本发明中以k个断路器为边界的典型区域的等效电路图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，是应用于包含中央管理单元、PMU、区域控制单元所组成的主动配电网中；主动配电网中的每个微电网是以断路器为边界；且断路器与PMU相连；PMU还设置在可调度分布式发电设备和电网的连接点处；在每个微电网中设置有区域控制单元，用于监控分布式发电设备且在需要时断开负载。如图1所示，该网络分区方法是按如下步骤进行：
步骤一、建立微电网集群的运行约束；
步骤1.1、利用式(1)建立负载-发电平衡约束：
Figure BDA0002870525690000052
式(1)中，PS,i，PW,i和PPV,i分别为第i个可调度分布式发电设备、风力发电设备和光伏发电设备的输出功率，1≤i≤I，I为分布式发电设备总数；第m个区域内总分布式发电设备功率
Figure BDA0002870525690000061
查表1可得；PL,m是第m个区域内的总负载，查表1可得；PLoss,m是第m个区域内的功率损失1≤m≤M，M为微电网总数；本实施例中，M＝8，m＝1,2,…，8。
表1.微电网集群的运行约束表
Figure BDA0002870525690000062
步骤1.2、利用式(2)建立分布式发电设备的功率约束：
Pi min≤Pi(t)≤Pi max (2)
式(2)中，Pi min和Pi max分别是第i个分布式发电设备的最低和最高发电限制；Pi(t)是第i个分布式发电设备的功率；本实施例中，Pi min＝5kW，Pi max＝6000kW。
步骤1.3、利用式(3)建立第i个可调度分布式发电设备的功率约束：
Figure BDA0002870525690000063
步骤二、故障定位；
主动配电网在发生故障且相关断路器运行之后形成孤岛区域，中央管理单元利用故障定位器算法确定位于孤岛区域内部的微电网；
步骤三、形成基本微电网；
步骤3.1、将孤岛区域中满足步骤一中所有约束的微电网作为基本微电网；
步骤3.2、若孤岛区域中的某个微电网不能满足步骤一中的任意约束，则将其与相邻的基本微电网内进行组合，并评估组合后的微电网集群是否能满足步骤一中的所有约束；若能，则将组合后的微电网集群作为基本微电网；否则，利用局部减载逻辑对自身微电网内的负载按照事先确定的负载优先级进行减载，从而满足步骤一中的所有约束；
步骤四、计算基本微电网的等效电路；
中央管理单元从安装在基本微电网边界处的PMU接收电压同步相量和电流同步相量，并将每个基本微电网用一个等效电路代替，如图2所示，等效电路包括：一个电压源和多个R-L分支，且每个主分支的阻抗相同；计算每个基本微电网的等效电路；
步骤4.1、利用式(5)计算主分支的阻抗Ru+jXu：
Figure BDA0002870525690000071
式(5)中，u表示相位a、b、c，j表示虚部单位，
Figure BDA0002870525690000072
和
Figure BDA0002870525690000073
是第k个PMU测量的第u相的电压和电流相量；本实施例中，k＝1,2,…10；
步骤4.2、利用式(6)计算电压源相量Eu∠δu：
Figure BDA0002870525690000074
步骤4.3、利用式(7)计算其他分支的阻抗：
Figure BDA0002870525690000075
步骤五、确定候选微电网集群；
步骤5.1、确定基本微电网合并后仍然能满足步骤一中所有约束的所有可能组合，并将每种可能组合作为候选微电网集群；
步骤5.2、若候选微电网集群中包含两个或两个以上的基本微电网，且至少存在一个减载过的基本微电网，则对相应候选微电网集群评估是否能重新连接脱落负载；若能，则相应候选微电网集群的区域控制单元重新调度相应的可调度分布式发电设备，用于重新连接所脱落的负载；
步骤5.3、对每个候选微电网集群用一个1×n维的标识向量进行标识，标识向量包含基本微电网之间的断路器状态的信息；标识向量中，以“1”标识关闭状态的断路器，以“0”标识打开状态的断路器；n表示断路器的数量；
步骤六、计算运行因子；
使用基本微电网的等效电路，对步骤五得到的候选微电网集群集计算其运行因子；
步骤6.1、利用式(8)计算每个候选微电网集群总功率损耗F1,j：
Figure BDA0002870525690000081
式(8)中，Nj是组成第j个集群的微电网数量；本实施例中，j＝1,2,…,10，F1,j、Nj查表2可得；
表2.各候选微电网集群目标函数参数表
Figure BDA0002870525690000082
步骤6.2、利用式(9)计算所有候选微电网集群区域边界处的电压偏差之和F2,j：
Figure BDA0002870525690000083
式(9)中，Vk是孤岛区域内第k个断路器连接到的总线的电压幅度，Vn是孤岛区域内任一断路器连接的总线的标称电压，K是孤岛区域内断路器的数量，K＝10；F2,j查表2可得；
步骤6.3、利用式(10)计算断开负载的总功率F3,j：
Figure BDA0002870525690000084
式(10)中，PDis,l是第l个微电网内部被断开负载的功率；F3,j查表2可得；
步骤七、确定最佳候选微电网集群；
步骤7.1、利用式(4)计算第j个候选微电网集群的目标函数
Figure BDA0002870525690000091
从而从所有候选微电网集群中选择最小目标函数值所对应的最佳候选微电网集群作为最佳微电网集群；
Figure BDA0002870525690000092
式(4)中，F1,j是第j个候选微电网集群的总功率损耗，F2,j是第j个候选微电网集群边界处的电压偏差之和，F3,j是第j个候选微电网集群中断开负载的总功率，α1、α2、α3分别是F1,j、F2,j、F3,j的权重；本实施例中，α1＝α2＝α3＝1；Fm查表2可得；
步骤7.2、中央管理单元根据最佳微电网集群的标识向量，将相应的通断命令发送给相应的断路器，以在孤岛区域内形成最佳微电网集群。
本实施例中，由表2可得，若综合考虑三个运行因子，由最小目标函数值可知，候选微电网集群1是电网分区的最佳选择；若只考虑使微电网集群总功率损耗最小，应选择候选微电网集群1或候选微电网集群5；若只考虑使候选微电网集群区域边界处的电压偏差之和最小，应选择候选微电网集群6。

Claims (3)

1.一种基于PMU量测的面向主动配电网的网络分区方法，是应用于包含中央管理单元、PMU、区域控制单元所组成的主动配电网中；所述主动配电网中的每个微电网是以断路器为边界；且所述断路器与所述PMU相连；所述PMU还设置在可调度分布式发电设备和电网的连接点处；在每个微电网中设置有所述区域控制单元，用于监控分布式发电设备，其特征是，所述网络分区方法是按如下步骤进行：
步骤一、建立微电网集群的运行约束；
步骤1.1、利用式(1)建立负载-发电平衡约束：
Figure FDA0003828248250000011
式(1)中，PS,i，PW,i和PPV,i分别为第i个可调度分布式发电设备、风力发电设备和光伏发电设备的输出功率，1≤i≤I，I为分布式发电设备总数；PL,m和PLoss,m是第m个微电网内的总负载和功率损失，1≤m≤M，M为微电网总数；
步骤1.2、利用式(2)建立所述分布式发电设备的功率约束：
Pi min≤Pi(t)≤Pi max (2)
式(2)中，Pi min和Pi max分别是第i个分布式发电设备的最低和最高发电限制；Pi(t)是第i个分布式发电设备的功率；
步骤1.3、利用式(3)建立第i个可调度分布式发电设备的功率约束：
Figure FDA0003828248250000012
步骤二、故障定位；
所述主动配电网在发生故障且相关断路器运行之后形成孤岛区域，所述中央管理单元利用故障定位器算法确定位于孤岛区域内部的微电网；
步骤三、形成基本微电网；
步骤3.1、将所述孤岛区域中满足步骤一中所有约束的微电网作为基本微电网；
步骤3.2、若所述孤岛区域中的某个微电网不能满足步骤一中的任意约束，则将其与相邻的基本微电网内进行组合，并评估组合后的微电网集群是否能满足步骤一中的所有约束；若能，则将所述组合后的微电网集群作为基本微电网；否则，利用局部减载逻辑对自身微电网内的负载按照事先确定的负载优先级进行减载，从而满足步骤一中的所有约束；
步骤四、计算基本微电网的等效电路；
所述中央管理单元从安装在基本微电网边界处的PMU接收电压同步相量和电流同步相量，并将每个基本微电网用一个等效电路代替，所述等效电路包括：一个电压源和多个R-L分支，且每个R-L分支的阻抗相同；计算每个基本微电网的等效电路；
步骤五、确定候选微电网集群；
步骤5.1、确定基本微电网合并后仍然能满足步骤一中所有约束的所有可能组合，并将每种可能组合作为候选微电网集群；
步骤5.2、若候选微电网集群中包含两个或两个以上的基本微电网，且至少存在一个减载过的基本微电网，则对相应候选微电网集群评估是否能重新连接脱落负载；若能，则相应候选微电网集群的区域控制单元重新调度相应的可调度分布式发电设备，用于重新连接所脱落的负载；
步骤5.3、对每个候选微电网集群用一个1×n维的标识向量进行标识，所述标识向量包含基本微电网之间的断路器状态的信息；所述标识向量中，以“1”标识关闭状态的断路器，以“0”标识打开状态的断路器；n表示断路器的数量；
步骤六、计算运行因子；
使用基本微电网的等效电路，对步骤五得到的候选微电网集群集计算其运行因子；
步骤七、确定最佳候选微电网集群；
步骤7.1、利用式(4)计算第j个候选微电网集群的目标函数
Figure FDA0003828248250000021
从而从所有候选微电网集群中选择最小目标函数值所对应的最佳候选微电网集群作为最佳微电网集群；
Figure FDA0003828248250000022
式(4)中，F1,j是第j个候选微电网集群的总功率损耗，F2,j是第j个候选微电网集群边界处的电压偏差之和，F3,j是第j个候选微电网集群中断开负载的总功率，α1、α2、α3分别是F1,j、F2,j、F3,j的权重；
步骤7.2、所述中央管理单元根据最佳微电网集群的标识向量，将相应的通断命令发送给相应的断路器，以在孤岛区域内形成最佳微电网集群。
2.根据权利要求1所述的网络分区方法，其特征是，所述步骤四是按如下过程计算等效电路：
步骤4.1、利用式(5)计算主分支的阻抗Ru+jXu：
Figure FDA0003828248250000023
式(5)中，u表示相位a、b、c，j表示虚部单位，
Figure FDA0003828248250000024
和
Figure FDA0003828248250000025
是第k个PMU测量的第u相的电压相量和电流相量；
步骤4.2、利用式(6)计算电压源相量Eu∠δu：
Figure FDA0003828248250000031
步骤4.3、利用式(7)计算其他分支的阻抗：
Figure FDA0003828248250000032
3.根据权利要求1所述的网络分区方法，其特征是，所述步骤六是按如下过程进行：
步骤6.1、利用式(8)计算每个候选微电网集群总功率损耗F1,j：
Figure FDA0003828248250000033
式(8)中，Nj是组成第j个集群的微电网数量；
步骤6.2、利用式(9)计算所有候选微电网集群区域边界处的电压偏差之和F2,j：
Figure FDA0003828248250000034
式(9)中,Vk是孤岛区域内第k个断路器连接到的总线的电压幅度，Vn是孤岛区域内任一断路器连接的总线的标称电压，K是孤岛区域内断路器的数量；
步骤6.3、利用式(10)计算断开负载的总功率F3,j：
Figure FDA0003828248250000035
式(10)中，PDis,l是第l个微电网内部被断开负载的功率。
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