CN113241738A - 一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法 - Google Patents

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Abstract

一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法，根据配电网系统的参数信息，建立配电网潮流模型；将电网故障处理过程分为四个阶段，模拟真实电网运行环境，在随机性故障条件下，生成RCS与SOP开关联合部署方案，根据所生成方案对事故状态电网进行拓扑重构，降低故障影响，提高系统恢复率，以设备安装成本和电网失电成本为优化对象，得出电网故障运行最优开关方案与重构方案。本发明在有效降低电网的失电成本的同时，减轻电网运营压力，降低维护成本，实现电网与用户利益的最大化。

Description

一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法
技术领域
本发明涉及一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法。
背景技术
近年来，随着电力行业的快速普及与发展，电能已经渗透到生产、生活中的方方面面，电能在促进经济发展与社会稳定等方面占据着越来越重要的地位。电网的稳定运行及电网提供的电能质量就是社会运行的必要保障，电网已经成为国家经济命脉的基础产业和公共事业。但随着人们对电能需求量的逐渐增大及对电能质量的要求越来越高，传统电网的变革与更新已经势在必行。
另一方面，由于全世界范围内的极端天气情况越来越多，气候变化及不可抗争因素给大电网系统带来的危害越来越难以控制。配电网故障直接影响着社会的生产以及居民的日常供电。应对突发的自然灾害，相比于保护配电网，电网方开始转而寻求在灾害发生后利用黑启动分布式电源迅速恢复配电系统的方法，以提高可靠性。不同于传统配电网络中单一的供电模式和自上而下的供电方式，主动配电网(active distribution network，ADN)拥有可以作为黑启动电源的分布式电源(distributed generation，DG)作为后备，其网络拓扑灵活多变的特点也为主动配电网故障恢复策略提供更多的优化可能。因此，针对配电网拓扑变换的故障恢复策略，成为配网领域的研究热点。
传统集中式能源调度模式的种种弊端随着高渗透率新能源接入电网以及需求侧电力负荷的日益多样化而日益凸显，当配电网系统由于线路老化、极端天气等恶劣状况发生故障时，故障极易传递至电网上下游，造成严重的国民经济及安全损失。而通过主动配电网对电网拓扑结构进行调整，有利于促进配电系统向更具柔性的新形态过渡，减少故障影响范围，进一步增强电网稳定性，提高电网用户满意度，发挥配电系统在潮流控制、网络结构调整等方面的优势，保障电力系统高效稳定经济运行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明针对区域配电网系统提出一种配网拓扑重构故障恢复及设备部署方法，通过控制配电网中线路负荷开关(Remote-controlled Switches，RCS)与智能软开关(Soft Open Points，SOP)对电网拓扑结构进行调整，改变系统潮流流向，快速将系统事故发生处隔离出电网，通过设备管理和成本控制得出电网运营最佳设备部署方案，降低MG运行的总成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法，包括以下步骤：
S1：构建配电网系统模型，初始化系统并获取优化所需的相关参数，包括设备的基础数据和电网随机故障数据；
S2：根据上述所得配电网基础数据和故障数据，以最小化故障成本为目标，进行配电网稳态预孤岛运行重构方案的制定，在故障发生前将电网划分为大小、节点数不同的孤岛，由各处发电机进行电压支撑和能源供给；
S3：根据电网故障特点和潮流分布情况，建立电网故障发生所导致的节点切负荷同电网拓扑结构之间的动态关系，将电网故障处理分为三个阶段，分别为故障发生阶段、故障隔离阶段、故障重构阶段，分别对各个阶段建立故障传递与电力电子设备动作模型，并在前一步骤基础上进行开关动作方案的制定；
S4：对配电网建立拓扑重构模型，生成一组开关部署方案，以最小化失电成本为目标，计算该方案下开关动作与潮流分布最佳状态，完成自身优化；
S5：在模型中加入设备成本参考项，以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，判断是否达到最优解，若是，则将当前优化结果作为配电网内部部署与拓扑重构的最终方案，求解完成，若否，改变电网电力电子设备部署位置，返回S3，根据更新的位置信息重新进行优化。
进一步，在所述步骤S1中，所构建的配电网系统模型如下：
S1-1：配电网系统初始化数据可分为配电网系统用户负荷容量、可控分布式电源出力数据，各电力电子器件参数数据，获取故障前后负荷容量、可控电源发电功率上下限、线路及SOP输送功率上下限作为后续系统模型约束上下界；
S1-2：分布式电源DG是为电网中为了减小电网系统大小、降低潮流功率流动、方便用于能源就地消纳而提出设计的小型能量单元(相对于大型发电厂)，各DG根据自身出力状况，在不同时期对电网划分的不同孤岛进行供电，维持系统功率动态平衡特性，但是由于分布式电源在与故障直接相连时会脱扣失效，因此保证DG供电的有效性和稳定性也是本发明探讨的对象：
若设该配电网接入的可控DG数量为NDG，对于任意储能系统d∈NDG，其相关参数为：
Figure BDA0003043163230000031
式中，
Figure BDA0003043163230000032
分别表示DG出力上限、下限，nj,c,ω为电网故障发生后三阶段被故障所影响的节点的标识变量，
Figure BDA0003043163230000033
为DG的爬坡上下限；
DG运行时的约束条件如下：
Figure BDA0003043163230000034
Figure BDA0003043163230000035
Figure BDA0003043163230000036
S1-3：SOP是安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率，与基于联络开关的常规网络连接方式相比，SOP实现了馈线间常态化柔性互联，避免了开关频繁变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控制的灵活性和快速性，使配电网同时具备了开环运行与闭环运行的优势，大大提高了配电网控制的实时性与快速性，而在配电网故障重构中，由于SOP自带的故障隔离作用，电网可通过SOP对原本的故障失电区域供电，进一步降低失电负荷量，保证了用户负荷的稳定性、连续性，有力地保障了人民群众的用电安全；在面对预设无源孤岛时，SOP也可以通过将PQ控制改为VF控制的方式为孤岛形成稳定可靠的电压支撑，保证配电网的电压稳定性：
设该配电网主动配电系统SOP的相关参数为：
Figure BDA0003043163230000037
式中
Figure BDA0003043163230000038
为SOP的额定容量；
Figure BDA0003043163230000039
分别为SOP两侧传输的有功功率；
Figure BDA00030431632300000310
为SOP传输功率损耗系数；
Figure BDA00030431632300000311
分别为SOP两侧传输的有功功率损耗；
Figure BDA00030431632300000312
分别为SOP两侧传输的无功功率；
Figure BDA00030431632300000313
分别为SOP的无功功率上限值和下限值；
SOP运行过程中满足约束条件如下：
Figure BDA00030431632300000314
Figure BDA0003043163230000041
Figure BDA0003043163230000042
Figure BDA0003043163230000043
进一步，在所述步骤S2中，所形成的重构模型如下：
根据所得数据，以最小化后续随机故障发生时失电成本为目标，形成全场景统一的预孤岛方案制定，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000044
Figure BDA0003043163230000045
Figure BDA0003043163230000046
Figure BDA0003043163230000047
Figure BDA0003043163230000048
Figure BDA0003043163230000049
Figure BDA00030431632300000410
Figure BDA00030431632300000411
其中E为配电网拓扑线集合，B为配电网拓扑点集合；ω为多阶段指示常量，值为0，1，2，3；Ui,c为不同阶段第i节点电压变量；rij和xij为支路阻抗常量；M为一足够大整数；Hij,c与Gij,c为线路传输有功功率和线路传输无功功率；UR为电压标幺值；
Figure BDA00030431632300000412
为线路传输有功无功功率上限；zij,c为支路开断变量；
Figure BDA00030431632300000413
和
Figure BDA00030431632300000414
节点电压上下限。
再进一步，在所述步骤S3中，多阶段电网事故传递与潮流分布模型如下：
根据不同阶段电网故障传递及潮流分布的基本情况，得各阶段电网约束，过程为：
S3-1：第一阶段为故障发生阶段，该阶段代表电网在面对突发意外时还未动作，以预重构结果应对事故发生的场景，其公式表达如下：
Figure BDA00030431632300000415
Figure BDA0003043163230000051
Figure BDA0003043163230000052
Figure BDA0003043163230000053
Figure BDA0003043163230000054
Figure BDA0003043163230000055
Figure BDA0003043163230000056
Figure BDA0003043163230000057
Figure BDA0003043163230000058
式中，fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第一阶段支路开断变量；ni,c,1为第i节点故障区指示变量；Pg,j,c,1与Qg,j,c,1为主网供电有功无功功率；PS,j,c,1与QS,j,c,1为第一阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-2:第二阶段为故障隔离阶段，该阶段代表电网在响应故障发生而进行的最快速的紧急操作，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000059
Figure BDA00030431632300000510
Figure BDA00030431632300000511
Figure BDA00030431632300000512
Figure BDA00030431632300000513
Figure BDA00030431632300000514
Figure BDA00030431632300000515
Figure BDA00030431632300000516
Figure BDA00030431632300000517
式中：fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第二阶段支路开断变量；ni,c,2为第i节点第二阶段故障区指示变量；Pg,j,c,2与Qg,j,c,2为主网供电有功无功功率；PS,j,c,2与QS,j,c,2为第二阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-3：第三阶段为电网重构阶段，代表电网紧急应对故障后，通过重构进一步减少失电区域，尽可能恢复各处供电情况的操作，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000061
Figure BDA0003043163230000062
Figure BDA0003043163230000063
Figure BDA0003043163230000064
Figure BDA0003043163230000065
Figure BDA0003043163230000066
Figure BDA0003043163230000067
Figure BDA0003043163230000068
Figure BDA0003043163230000069
注：各变量含义同前阶段相同。
更进一步，在所述步骤S4中，重构所需拓扑约束与潮流约束如下：
针对故障前阶段和故障重构阶段，应满足电网拓扑重构约束，即在电网重构中，电网应始终满足无环网、无多上游节点对单下游节点供电事件，在此基础上，进行故障隔离和拓扑重构优化，过程为：
S4-1：在故障发生前阶段，电网需进行预孤岛设置，此时应满足所有负荷节点均能保持正常供电，同时尽可能提高电网应对风险能力要求的条件，其公式表达如下：
Figure BDA00030431632300000610
X1-2,0＝z1-2,0 (46)
Figure BDA0003043163230000071
Figure BDA0003043163230000072
式中，Xij,0代表电网父子节点，Xij,0为1代表i是j的父节点；ε为一极小正数：γj,0为发电机标识常量；ηj,0为SOP标识常量；
S4-2：在故障重构阶段，电网重构应满足尽可能减少失电区域大小、恢复各区域供电的目标，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000073
Figure BDA0003043163230000074
Figure BDA0003043163230000075
Figure BDA0003043163230000076
注：变量含义同S4-1。
在所述步骤S5中，所建配电网多阶段故障优化目标如下：
S5-1：以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，以前两步骤所建模型为基础，综合优化电网设备部署位置与部署数量，在随机性故障发生情况下进行电网拓扑结构优化，其公式表达如下：
minCIC+EIC (53)
Figure BDA0003043163230000077
Figure BDA0003043163230000078
Figure BDA0003043163230000079
式中，CIC为用户断电成本，ELC为开关安装成本，T1，T2和T3为故障发生后三阶段时间，Ωj为不同负荷重要程度。R为贴现率，t为设备使用年限，Ns与Nsop为两设备数量，Ds、Dsop为两设备单价。
本发明的有益效果是：
1.采用将电网故障过程细分化为四个阶段，讨论电网在四个阶段的不同反应的研究方法，实现电网故障隔离技术的科学化真实化，贴近电网现实场景状态，充分保证所提出部署方案可行性。
2.在孤岛划分重构中加入SOP智能软开关，探讨新型电力电子设备同原有电网重构技术的耦合适应度，进一步提高原有电网技术下的故障恢复率，实现坚强智能电网的建设。
3.将电网故障概率引入模型，并将电网年故障失电成本与设备安装成本进行折算，增强了方案的经济性，降低了电网故障运行的总成本，实现自身的优化。
附图说明
图1是配电网原始拓扑结构图。
图2是模型优化功能流程示意图。
图3是配电网20场景各阶段恢复率分布图。
图4是20场景恢复率排行示意图。
图5是第3场景各阶段各节点恢复率情况示意图。
图6是第三场景下各发电机四阶段输出有功功率分布图
图7是第三场景下各发电机四阶段输出无功功率分布图
图8是第三场景各阶段SOP输出有功功率分布图
图9是第三场景各阶段SOP输出无功功率分布图
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图9，一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法，包括以下步骤：
S1：构建配电网系统模型，初始化系统并获取优化所需的相关参数，包括设备的基础数据和电网随机故障数据；
在所述步骤S1中，所构建的配电网系统模型包括如下：
S1-1：配电网系统初始化数据分为配电网系统用户负荷容量、可控分布式电源出力数据，各电力电子器件参数数据。获取故障前后负荷容量、可控电源发电功率上下限、线路及SOP输送功率上下限作为后续系统模型约束上下界；
S1-2：分布式电源DG是为电网中为了减小电网系统大小、降低潮流功率流动、方便用于能源就地消纳而提出设计的小型能量单元(相对于大型发电厂)，各DG根据自身出力状况，在不同时期对电网划分的不同孤岛进行供电，维持系统功率动态平衡特性，但是由于分布式电源在与故障直接相连时会脱扣失效，因此保证DG供电的有效性和稳定性也是本发明探讨的对象：
若设该配电网接入的可控DG数量为NDG，对于任意储能系统d∈NDG，其相关参数为：
Figure BDA0003043163230000091
式中，
Figure BDA0003043163230000092
分别表示DG出力上限、下限，nj,c,ω为电网故障发生后三阶段被故障所影响的节点的标识变量，
Figure BDA0003043163230000093
为DG的爬坡上下限；
DG运行时的约束条件如下：
Figure BDA0003043163230000094
Figure BDA0003043163230000095
Figure BDA0003043163230000096
S1-3：SOP是安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率，与基于联络开关的常规网络连接方式相比，SOP实现了馈线间常态化柔性互联，避免了开关频繁变位造成的安全隐患，大大提高了配电网控制的灵活性和快速性，使配电网同时具备了开环运行与闭环运行的优势，大大提高了配电网控制的实时性与快速性。而在配电网故障重构中，由于SOP自带的故障隔离作用，电网可通过SOP对原本的故障失电区域供电，进一步降低失电负荷量，保证了用户负荷的稳定性、连续性，有力地保障了人民群众的用电安全。在面对预设无源孤岛时，SOP也可以通过将PQ控制改为VF控制的方式为孤岛形成稳定可靠的电压支撑，保证配电网的电压稳定性：
设该配电网主动配电系统SOP的相关参数为：
Figure BDA0003043163230000097
式中
Figure BDA0003043163230000101
为SOP的额定容量；
Figure BDA0003043163230000102
分别为SOP两侧传输的有功功率；
Figure BDA0003043163230000103
为SOP传输功率损耗系数；
Figure BDA0003043163230000104
分别为SOP两侧传输的有功功率损耗；
Figure BDA0003043163230000105
分别为SOP两侧传输的无功功率；
Figure BDA0003043163230000106
分别为SOP的无功功率上限值和下限值；
SOP运行过程中满足约束条件如下：
Figure BDA0003043163230000107
Figure BDA0003043163230000108
Figure BDA0003043163230000109
Figure BDA00030431632300001010
S2：根据上述所得配电网基础数据和故障数据，以最小化故障成本为目标，进行配电网稳态预孤岛运行重构方案的制定，在故障发生前将电网划分为大小、节点数不同的孤岛，由各处发电机进行电压支撑和能源供给；
在所述步骤S2中，所形成的重构模型如下：
根据所得数据，以最小化后续随机故障发生时失电成本为目标，形成全场景统一的预孤岛方案制定，其公式表达如下：
Figure BDA00030431632300001011
Figure BDA00030431632300001012
Figure BDA00030431632300001013
Figure BDA00030431632300001014
Figure BDA00030431632300001015
Figure BDA00030431632300001016
Figure BDA00030431632300001017
Figure BDA00030431632300001018
其中E为配电网拓扑线集合，B为配电网拓扑点集合；ω为多阶段指示常量，值为0，1，2，3；Ui,c为不同阶段第i节点电压变量；rij和xij为支路阻抗常量；M为一足够大整数；Hij,c与Gij,c为线路传输有功功率和线路传输无功功率；UR为电压标幺值；
Figure BDA0003043163230000111
为线路传输有功无功功率上限；zij,c为支路开断变量；
Figure BDA0003043163230000112
和
Figure BDA0003043163230000113
节点电压上下限；
S3：根据电网故障特点和潮流分布情况，建立电网故障发生所导致的节点切负荷同电网拓扑结构之间的动态关系，将电网故障处理分为三个阶段，分别为故障发生阶段、故障隔离阶段、故障重构阶段，分别对各个阶段建立故障传递与电力电子设备动作模型，并在前一步骤基础上进行开关动作方案的制定；
在所述步骤S3中，多阶段电网事故传递与潮流分布模型如下：
根据不同阶段电网故障传递及潮流分布的基本情况，可得各阶段电网约束：
S3-1：第一阶段为故障发生阶段，该阶段代表电网在面对突发意外时还未动作，以预重构结果应对事故发生的场景，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000114
Figure BDA0003043163230000115
Figure BDA0003043163230000116
Figure BDA0003043163230000117
Figure BDA0003043163230000118
Figure BDA0003043163230000119
Figure BDA00030431632300001110
Figure BDA00030431632300001111
Figure BDA00030431632300001112
式中，fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第一阶段支路开断变量；ni,c,1为第i节点故障区指示变量；Pg,j,c,1与Qg,j,c,1为主网供电有功无功功率；PS,j,c,1与QS,j,c,1为第一阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-2:第二阶段为故障隔离阶段，该阶段代表电网在响应故障发生而进行的最快速的紧急操作，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000121
Figure BDA0003043163230000122
Figure BDA0003043163230000123
Figure BDA0003043163230000124
Figure BDA0003043163230000125
Figure BDA0003043163230000126
Figure BDA0003043163230000127
Figure BDA0003043163230000128
Figure BDA0003043163230000129
式中：fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第二阶段支路开断变量；ni,c,2为第i节点第二阶段故障区指示变量；Pg,j,c,2与Qg,j,c,2为主网供电有功无功功率；PS,j,c,2与QS,j,c,2为第二阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-3：第三阶段为电网重构阶段，代表电网紧急应对故障后，通过重构进一步减少失电区域，尽可能恢复各处供电情况的操作，其公式表达如下：
Figure BDA00030431632300001210
Figure BDA00030431632300001211
Figure BDA00030431632300001212
Figure BDA00030431632300001213
Figure BDA00030431632300001214
Figure BDA00030431632300001215
Figure BDA00030431632300001216
Figure BDA0003043163230000131
Figure BDA0003043163230000132
注：各变量含义同前阶段相同。
S4：对配电网建立拓扑重构模型，生成一组开关部署方案，以最小化失电成本为目标，计算该方案下开关动作与潮流分布最佳状态，完成自身优化；
在所述步骤S4中，重构所需拓扑约束与潮流约束如下：
针对故障前阶段和故障重构阶段，应满足电网拓扑重构约束，即在电网重构中，电网应始终满足无环网、无多上游节点对单下游节点供电事件，在此基础上，进行故障隔离和拓扑重构优化，过程为：
S4-1：在故障发生前阶段，电网需进行预孤岛设置，此时应满足所有负荷节点均能保持正常供电，同时尽可能提高电网应对风险能力要求的条件，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000133
Figure BDA0003043163230000134
Figure BDA0003043163230000135
Figure BDA0003043163230000136
式中，Xij,0代表电网父子节点，Xij,0为1代表i是j的父节点；ε为一极小正数：γj,0为发电机标识常量；ηj,0为SOP标识常量；
S4-2：在故障重构阶段，电网重构应满足尽可能减少失电区域大小、恢复各区域供电的目标，其公式表达如下：
Figure BDA0003043163230000137
Figure BDA0003043163230000138
Figure BDA0003043163230000139
Figure BDA00030431632300001310
注：变量含义同S4-1；
S5：在模型中加入设备成本参考项，以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，判断是否达到最优解，若是，则将当前优化结果作为配电网内部部署与拓扑重构的最终方案，求解完成，若否，改变电网电力电子设备部署位置，返回S3，根据更新的位置信息重新进行优化；
在所述步骤S5中，所建配电网多阶段故障优化目标如下：
S5-1：以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，以前两步骤所建模型为基础，综合优化电网设备部署位置与部署数量，在随机性故障发生情况下进行电网拓扑结构优化，其公式表达如下：
minCIC+EIC (52)
Figure BDA0003043163230000141
Figure BDA0003043163230000142
Figure BDA0003043163230000143
式中，CIC为用户断电成本，ELC为开关安装成本，T1，T2和T3为故障发生后三阶段时间，Ωj为不同负荷重要程度。R为贴现率，t为设备使用年限，Ns与Nsop为两设备数量，Ds、Dsop为两设备单价。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，算例分析包括以下构成：
一、算例描述及仿真结果分析
本发明以修改后的IEEE 34节点系统为算例验证含多微电网主动配电系统的最优能量调度软件的有效性和正确性。采用MATLAB环境下的商业求解器YALMIP/GUROBI求解，第一阶段(预孤岛阶段)时间长度为0.1h，第二阶段(故障发生阶段)时间长度为0.46h，第三阶段(故障隔离阶段)时间长度为0.23h，第四阶段(故障重构阶段)时间长度为0.22h。
34阶段系统拓扑结构如图1所示。系统总有功负荷为2.723MWh，总无功负荷为1.426MVar，DG容量为2.5MWh，爬坡上限为2.5MWh额定电压为24.9kv，SOP容量为0.8MWh，线路传输功率上限为3MWh，失电功率单价为14美元/千瓦时，RCS设备成本为9071美元/套，SOP成本为155美元/千瓦时，年故障次数定为0.2次每公里，线路总长为20公里。
为了充分体现所提方法的有效性，另外设置三种模式进行对比仿真分析：
1)模式1：基础模式，即不存在任何电力电子设备，仅通过提前预孤岛设置进行故障恢复；
2)模式2：SOP模式，即在仅有SOP的基础上通过提前预孤岛设置进行故障恢复；
3)模式3：RCS模式，即在仅有RCS的基础上通过提前预孤岛设置进行故障恢复；
4)模式4：运用本发明所提的SOP与RCS联合部署方法。
仿真程序在Windows10，Intel(R)CoreTM i5 CPU@3.5GHz，8GB内存的计算机中的Matlab环境下实现。分别就以上4种运行模式下的微电网回故障恢复效果特性和经济性进行计算和比较。
方案所得优化结果分析：由上述表1和图3-5可得，三个阶段的微电网故障失电恢复率均能够得到一定的保障，且三阶段依次提高，在大多数情况下，本方案能取得良好的回复效果，但应对不同的故障时表现各有差异。
由图6-7对发电机出力的角度进行分析，20、21、24节点的发电机出力由于没有故障的影响，在全阶段均保持一定输出，其中20、21两处发电机在不同的阶段，通过SOP向原本故障的区域输送了一定的有功无功。而对26、32两处发电机来说，由于直接被故障所影响，故障发生时直接断电，并在后面的隔离阶段恢复对当地小孤岛电网的供电，提高了电网的安全性稳定性。
由图8-9对SOP进行分析如下：5、9均为通过SOP在第四阶段恢复供电，而剩余节点在不同阶段都由SOP进行故障区的功率传递。另一方面，SOP在故障区发出无功功率，作为孤岛的电压支撑，保证了14、29、31节点电压的稳定性。进而相比于原有无SOP的情况存在了更多可能性。
综上所述，本方法能够有效地度系统内部资源，发挥系统内部灵活性，改善系统的功率动态平衡特性。在面对极端环境条件或者电网老化等严峻问题时，电网通过本方案可以有效地提升电网抵御风险能力，降低意外事故伤害，充分发挥各类设备优势长处，保证电网对用户供电的连续性和可靠性。
在本说明书中，对本发明的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。此外，本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：构建微电网系统模型，初始化系统并获取优化所需的相关参数，包括设备的基础数据和电网随机故障数据；
S2：根据上述所得微电网基础数据和故障数据，以最小化故障成本为目标，进行微电网稳态预孤岛运行重构方案的制定，在故障发生前将电网划分为大小、节点数不同的孤岛，由各处发电机进行电压支撑和能源供给；
S3：根据电网故障特点和潮流分布情况，建立电网故障发生所导致的节点切负荷同电网拓扑结构之间的动态关系，将电网故障处理分为三个阶段，分别为故障发生阶段、故障隔离阶段、故障重构阶段，分别对各个阶段建立故障传递与电力电子设备动作模型，并在前一步骤基础上进行开关动作方案的制定；
S4：对微电网建立拓扑重构模型，生成一组开关部署方案，以最小化失电成本为目标，计算该方案下开关动作与潮流分布最佳状态，完成自身优化；
S5：在模型中加入设备成本参考项，以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，判断是否达到最优解，若是，则将当前优化结果作为微电网内部部署与拓扑重构的最终方案，求解完成，若否，改变电网电力电子设备部署位置，返回S3，根据更新的位置信息重新进行优化。
2.如权利要求1所述的一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所构建的微电网系统模型包括如下：
S1-1：微电网系统初始化数据可分为微电网系统用户负荷容量、可控分布式电源出力数据，各电力电子器件参数数据；获取故障前后负荷容量、可控电源发电功率上下限、线路及SOP输送功率上下限作为后续系统模型约束上下界；
S1-2：分布式电源DG是相对于大型发电厂的小型能量单元，各DG根据自身出力状况，在不同时期对电网划分的不同孤岛进行供电，维持系统功率动态平衡特性：
若设该微电网接入的可控DG数量为NDG，对于任意储能系统d∈NDG，其相关参数为：
Figure FDA0003043163220000011
式中，
Figure FDA0003043163220000021
分别表示DG出力上限、下限，nj,c,ω为电网故障发生后三阶段被故障所影响的节点的标识变量，
Figure FDA0003043163220000022
为DG的爬坡上下限；
DG运行时的约束条件如下：
Figure FDA0003043163220000023
Figure FDA0003043163220000024
Figure FDA0003043163220000025
S1-3：SOP是安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率；在配电网故障重构中，由于SOP自带的故障隔离作用，电网通过SOP对原本的故障失电区域供电，进一步降低失电负荷量，保证了用户负荷的稳定性、连续性，有力地保障了人民群众的用电安全；在面对预设无源孤岛时，SOP也可以通过将PQ控制改为VF控制的方式为孤岛形成稳定可靠的电压支撑，保证配电网的电压稳定性：
设该含多微电网主动配电系统SOP的相关参数为：
Figure FDA0003043163220000026
式中
Figure FDA0003043163220000027
为SOP的额定容量；
Figure FDA0003043163220000028
分别为SOP两侧传输的有功功率；
Figure FDA0003043163220000029
为SOP传输功率损耗系数；
Figure FDA00030431632200000210
分别为SOP两侧传输的有功功率损耗；
Figure FDA00030431632200000211
分别为SOP两侧传输的无功功率；
Figure FDA00030431632200000212
Qi SOP 分别为SOP的无功功率上限值和下限值；
SOP运行过程中满足约束条件如下：
Figure FDA00030431632200000213
Figure FDA00030431632200000214
Figure FDA00030431632200000215
Figure FDA00030431632200000216
3.如权利要求1或2所述的一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署办法，其特征在于，在所述步骤S2中，所形成的重构模型如下：
根据所得数据，以最小化后续随机故障发生时失电成本为目标，形成全场景统一的预孤岛方案制定，其公式表达如下：
Figure FDA0003043163220000031
Figure FDA0003043163220000032
Figure FDA0003043163220000033
Figure FDA0003043163220000034
Figure FDA0003043163220000035
Figure FDA0003043163220000036
Figure FDA0003043163220000037
Figure FDA0003043163220000038
其中E为微电网拓扑线集合，B为微电网拓扑点集合；ω为多阶段指示常量，值为0，1，2，3；Ui,c为不同阶段第i节点电压变量；rij和xij为支路阻抗常量；M为一足够大整数；Hij,c与Gij,c为线路传输有功功率和线路传输无功功率；UR为电压标幺值；
Figure FDA0003043163220000039
为线路传输有功无功功率上限；zij,c为支路开断变量；
Figure FDA00030431632200000310
和
Figure FDA00030431632200000311
节点电压上下限。
4.如权利要求1或2所述的一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署办法，其特征在于，在所述步骤S3中，多阶段电网事故传递与潮流分布模型如下：
根据不同阶段电网故障传递及潮流分布的基本情况，得各阶段电网约束，过程为：
S3-1：第一阶段为故障发生阶段，该阶段代表电网在面对突发意外时还未动作，以预重构结果应对事故发生的场景，其公式表达如下：
Figure FDA00030431632200000312
Figure FDA00030431632200000313
Figure FDA00030431632200000314
Figure FDA00030431632200000315
Figure FDA0003043163220000041
Figure FDA0003043163220000042
Figure FDA0003043163220000043
Figure FDA0003043163220000044
Figure FDA0003043163220000045
式中，fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第一阶段支路开断变量；ni,c,1为第i节点故障区指示变量；Pg,j,c,1与Qg,j,c,1为主网供电有功无功功率；PS,j,c,1与QS,j,c,1为第一阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-2:第二阶段为故障隔离阶段，该阶段代表电网在响应故障发生而进行的最快速的紧急操作，其公式表达如下：
Figure FDA0003043163220000046
Figure FDA0003043163220000047
Figure FDA0003043163220000048
Figure FDA0003043163220000049
Figure FDA00030431632200000410
Figure FDA00030431632200000411
Figure FDA00030431632200000412
Figure FDA00030431632200000413
Figure FDA00030431632200000414
式中，fij,c为故障指示变量；zij,c,1为第二阶段支路开断变量；ni,c,2为第i节点第二阶段故障区指示变量；Pg,j,c,2与Qg,j,c,2为主网供电有功无功功率；PS,j,c,2与QS,j,c,2为第二阶段失电有功无功功率，PL与QL为节点负荷功率数据；
S3-3：第三阶段为电网重构阶段，代表电网紧急应对故障后，通过重构进一步减少失电区域，尽可能恢复各处供电情况的操作，其公式表达如下：
Figure FDA0003043163220000051
Figure FDA0003043163220000052
Figure FDA0003043163220000053
Figure FDA0003043163220000054
Figure FDA0003043163220000055
Figure FDA0003043163220000056
Figure FDA0003043163220000057
Figure FDA0003043163220000058
Figure FDA0003043163220000059
5.如权利要求1或2所述的一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署办法，其特征在于，在所述步骤S4中，重构所需拓扑约束与潮流约束如下：
针对故障前阶段和故障重构阶段，应满足电网拓扑重构约束，即在电网重构中，电网应始终满足无环网、无多上游节点对单下游节点供电事件，在此基础上，进行故障隔离和拓扑重构优化，过程为：
S4-1：在故障发生前阶段，电网需进行预孤岛设置，此时应满足所有负荷节点均能保持正常供电，同时尽可能提高电网应对风险能力要求的条件，其公式表达如下：
Figure FDA00030431632200000510
X1-2,0＝z1-2,0 (46)
Figure FDA00030431632200000511
Figure FDA00030431632200000512
式中，Xij,0代表电网父子节点，Xij,0为1代表i是j的父节点；ε为一极小正数：γj,0为发电机标识常量；ηj,0为SOP标识常量；
S4-2：在故障重构阶段，电网重构应满足尽可能减少失电区域大小、恢复各区域供电的目标，其公式表达如下：
Figure FDA0003043163220000061
Figure FDA0003043163220000062
Figure FDA0003043163220000063
Figure FDA0003043163220000064
6.如权利要求1或2所述的一种配电网的拓扑重构故障恢复及设备部署办法，其特征在于，在所述步骤S5中，所建微电网多阶段故障优化目标如下：
S5-1：以最小化用户失电成本与电网设备安装成本为优化对象，建立目标函数，以前两步骤所建模型为基础，综合优化电网设备部署位置与部署数量，在随机性故障发生情况下进行电网拓扑结构优化，其公式表达如下：
min CIC+EIC (53)
Figure FDA0003043163220000065
Figure FDA0003043163220000066
Figure FDA0003043163220000067
式中，CIC为用户断电成本，ELC为开关安装成本，T1，T2和T3为故障发生后三阶段时间，Ωj为不同负荷重要程度，R为贴现率，t为设备使用年限，Ns与Nsop为两设备数量，Ds、Dsop为两设备单价。
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