CN114285077A - 一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法及系统，包括：基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。本发明通过将柔性负荷与待恢复孤岛集合进行匹配提高了孤岛划分与运行效率。

Description

一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法及系统

技术领域

本发明属于主动配电网故障恢复技术领域，尤其涉及一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

主动配电网是指含有一定比例的分布式电源，通过灵活调整网络拓扑，主动管理控制分布式电源，实现网络内有限资源协调优化的配电系统。主动配电网是配电网的高级形态，是配电网未来发展的必然趋势。当前主动配电网的故障日益增多，据统计，主动配电网故障占电力系统故障的80％～95％。主动配电网一旦发生故障如果不能及时地排除，就有可能造成整个电力系统的瘫痪，给人民生产、生活带来巨大损失。因此，针对主动配电网故障重构方法的研究至关重要。

配电网的故障重构主要是在配电网发生故障后，通过改变配电网络中分段开关和联络开关的状态改变网络结构，对故障区域进行隔离，将失电区域的负荷转移到其他线路上实现供电恢复。当主网无法完全恢复失电电荷时，故障重构主要以孤岛的划分与运行为主。随着储能系统、电动汽车、微电网等技术的发展，主动配电网中的负荷单元日趋复杂，柔性负荷的占比和种类不断增加，传统配电网重构方法难以满足当前的需要。

主动配电网故障重构是一个多目标、多约束、多时段、非线性并且不连续的优化组合问题。

针对此问题，国内外进行了大量的研究，其中，对于故障环境下静态孤岛划分的研究已经非常充分，然而静态的孤岛划分无法一直满足整个故障时间段内各因素的变化，尤其是DG出力的变化，使得孤岛划分策略的效率较低，同时大量柔性负荷的接入也给主动配电网故障重构带来了更多不确定性。当前对实时动态的孤岛划分以及大量柔性负荷接入主动配电网的研究较少，大多是在传统静态孤岛划分的基础上简单改进，未充分利用柔性负荷的特性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，能够在故障发生时对主动配电网进行实时动态的孤岛划分，并利用柔性负荷的特性，提高孤岛划分效率，恢复非故障区域供电。柔性负荷是指在一定时间段内灵活可变、具有柔性特征的负荷，如可调节负荷或可转移负荷、储能、蓄能及分布式电源、微电网等。本发明将柔性负荷划分为两类，一类是电动汽车、储能、微电网等能源互动型负荷，在孤岛划分中作为供电单元，为孤岛中的其他负荷进行供电；一类是居民生活负荷中的空调、冰箱等，作为可调节负荷，在孤岛划分中可以根据需要降低工作功率，从而使复电总功率尽可能大。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，包括：

基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；

基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；

将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；

更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。

作为进一步的技术方案，所述主动配电网参数包括网络拓扑结构、线路参数及负荷参数，根据主动配电网参数将所有负荷分为供电单元、刚性负荷单元和柔性负荷单元。

作为进一步的技术方案，所述重构目标函数包括：

恢复负荷总功率尽可能大：

式中，n为支路总数，k_i为第i条支路的重要系数，S_i为第i条支路开关状况，取0或1，“0”为打幵，“1”为闭合，P_i为第i条支路节点负荷的有功功率；以及

网络损耗尽可能小：

式中，W_i是第i条支路的网络损耗。

作为进一步的技术方案，所述约束条件包括：

电力平衡约束；

节点电压约束；以及

孤岛独立约束，该约束条件表示不存在两个供电单元为同一个负荷共同供电的情况。

作为进一步的技术方案，求取孤岛划分的最优解时基于遗传优化的麻雀故障重构方法求解；

进一步优选的，求解具体为：

编码：使用二进制编码方式对配电网络中的开关状态进行编码；

参数设置：设置种群数量、最大迭代次数、初始惯性权值、最终惯性权值；

种群初始化：将一个可能的解作为一只麻雀，在满足约束条件范围内随机产生麻雀初始种群；

根据重构目标函数构建适应度函数，计算麻雀个体适应度值；

最后输出最优解作为待恢复孤岛集合。

进一步优选的，计算麻雀个体适应度值之后还包括：

引入基于线性递减权值策略的惯性因子对发现者、加入者、警戒者位置进行更新；

重新计算麻雀适应度值并进行遗传选择；

对麻雀实行交叉变异；

重新计算麻雀适应度值，并与变异前适应度值进行比较，如果大于变异前适应度值，更新麻雀位置；

判断是否达到终止条件，如果达到终止条件，迭代结束；

判断是否满足约束条件，将不满足约束条件的解筛除，最后输出最优解作为待恢复孤岛集合。

作为进一步的技术方案，根据重构目标函数构建适应度函数，具体为将两个重构目标函数式进行组合得到适应度函数：

maxF＝μ₁f-μ₂W

式中，μ₁、μ₂为目标函数的权重系数。

作为进一步的技术方案，所述柔性负荷与待恢复孤岛集合匹配的具体过程为：

搜索与柔性负荷欧式距离最小的供电单元，将柔性负荷降至最低值P_fmin，与距离最近的供电单元所在的待恢复孤岛集合进行匹配：

若P_fmin<P_r，则将柔性负荷接入孤岛；

若P_fmin>P_r，则匹配下一个待恢复孤岛集合，直到P_fmin<P_r，更新孤岛集合；

P_r指当前孤岛剩余功率，即孤岛内供电单元总功率减去当前负荷总功率。

作为进一步的技术方案，对下一时段孤岛划分的供电功率的更新过程是：

对主动配电网中供电单元的功率进行监测并记录，每隔设定时间统计该时段的功率变化率v，当功率变化率|v|高于阈值k时，更新当前供电单元的功率作为孤岛划分的供电功率；

当功率变化率|v|小于阈值k时，维持原孤岛划分情况不变；若连续一定时间内没有更新孤岛划分情况，则以当前供电单元功率进行更新孤岛划分的供电功率。

第二方面，公开了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构系统，包括：

目标函数重构模块，被配置为：基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；

最优解求解模块，被配置为：基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；

孤岛划分模块，被配置为：将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；

更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明使用基于遗传优化的麻雀故障重构方法提高了主动配电网故障重构效率。

本发明通过将柔性负荷与待恢复孤岛集合进行匹配提高了孤岛划分与运行效率。

本发明通过监测供电单元的功率变化率更新下一时段孤岛划分的供电功率，实现了实时动态的孤岛划分。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分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

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是故障重构方法流程图；

图2是基于遗传优化的麻雀故障重构方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，能够在故障发生时对主动配电网进行实时动态的孤岛划分，并充分利用柔性负荷的特性，提高孤岛划分效率，恢复非故障区域供电。包括如下步骤：

步骤一：确定主动配电网参数，并将所有负荷分为供电单元、刚性负荷和可调节负荷。其中，供电单元负责为孤岛内的负荷供电，可调节负荷可以根据需要调节其工作功率，实现恢复负荷总功率的最大化；刚性负荷的工作功率恒定，不可进行调节。

其中，主动配电网参数包括网络拓扑结构、线路参数、负荷参数等。

供电单元包括分布式电源、可再生能源、含源负荷等。

步骤二：建立重构目标函数和约束条件。

目标函数考虑因素：需要综合考虑恢复负荷总功率和网络损耗的问题，从而使恢复负荷总功率尽可能大以及网络损耗尽可能小。

约束条件考虑因素：电力平衡：孤岛内供电总功率应该大于等于负荷总功率。节点电压约束：节点的电压应该在最小、最大限值之内；孤岛独立约束确保不存在两个供电单元为同一个负荷共同供电的情况。

步骤三：采用基于遗传优化的麻雀故障重构算法求取孤岛划分的最优开关序列，作为待恢复孤岛集合。

步骤四：将可调节负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配。

步骤五：输出孤岛划分结果。

步骤六：以5min为1个时段，每隔5min判断是否需要重新进行孤岛划分，若需要，更新下一时段孤岛划分的供电功率，重复步骤3-5，否则维持原孤岛划分情况不变。

重构目标函数包括：

恢复负荷总功率尽可能大：

式中，n为支路总数，k_i为第i条支路的重要系数，S_i为第i条支路开关状况，取0或1，“0”为打幵，“1”为闭合，P_i为第i条支路节点负荷的有功功率。

网络损耗尽可能小：

式中，W_i是第i条支路的网络损耗。

具体的，约束条件包括：

电力平衡约束：P_w>P_k

P_w为孤岛的供电总功率，P_k为负荷总功率。

节点电压约束：V_i,min≤V_i≤V_i,max

V_i,min和V_i,max表示节点i电压最小、最大限值。

孤岛独立约束：

N_i为负荷节点，R_Si为以S_i为供电单元的孤岛，R_Sj为除R_Si以外的其他孤岛，以S_j为供电单元。该约束条件表示不存在两个供电单元为同一个负荷共同供电的情况。

所述基于遗传优化的麻雀故障重构算法求取孤岛划分最优开关序列的具体过程为：

1.编码：使用二进制编码方式对配电网络中的开关状态进行编码。将主动配电网的每一个联络开关、支路开关用1或0表示，1表示闭合，0表示断开，主动配电网的所有开关组成1组开关序列，每一组开关序列用一只麻雀表示，如X₁＝[01001101001……]。

2.参数设置：设置种群数量n为800，最大迭代次数T为300，初始惯性权值w_i为0.7，最终惯性权值w_e为0.35。

3.种群初始化：在约束条件范围内随机产生麻雀初始种群，种群数量为n。生成的麻雀种群如下：

其中，Xi表示第i只麻雀，X_ij表示第i只麻雀的第j个联络开关或支路开关。

将随机生成的麻雀随机分为发现者、加入者、警戒者，其中发现者数量占50％，加入者数量占40％，警戒者数量占10％。

4.根据重构目标函数构建适应度函数，计算麻雀个体适应度值。

5.引入基于线性递减权值策略的惯性因子对发现者、加入者、警戒者位置进行更新。

6.重新计算麻雀适应度值并进行遗传选择。

7.对麻雀实行交叉变异。

8.重新计算麻雀适应度值，并与变异前适应度值进行比较，如果大于变异前适应度值，更新麻雀位置。

9.判断是否达到终止条件，如果达到终止条件，迭代结束，否则重复5-8,。

10.判断是否满足约束条件，将不满足约束条件的麻雀筛除，最后输出一组开关序列作为待恢复孤岛集合。

适应度函数构建方法为：将两个重构目标函数式(1)(2)进行组合得到适应度函数

maxF＝μ₁f-μ₂W

式中，μ₁、μ₂为目标函数的权重系数。μ₁设置为0.6，μ₂设置为0.4。

综合考量恢复负荷总功率及网络损耗，通过设置合适的权重系数μ₁、μ₂，可以使最终求得的开关序列同时满足恢复负荷总功率最大和网络损耗最小的目标。

基于线性递减权值策略的惯性因子w的表达式为：

w(t)＝(w_i-w_e)(T-t)/T+w_e

式中，w_i为初始惯性权值；w_e为最终惯性权值；t为当前迭代次数；T为最大迭代次数。

发现者、加入者、警戒者位置更新的具体步骤为：

发现者位置更新：

式中，X_i,d代表第i个解中的d维元素，α为0-1的随机数；R2为麻雀种群位置预警值，范围是0-1；Q为服从正态分布的随机数，L是一个1×d矩阵，且元素全为1，w为惯性因子；t为当前迭代次数；T为最大迭代次数。

加入者位置更新：

式中，X_b表示目前发现者所发现的最优位置；X_w表示当前全局最差的位置；A为1×d矩阵其中元素随机赋值1或-1；n为麻雀数量；w、t、Q、L意义同上。

警戒者位置更新：

式中，X_b表示当前全局最优位置；X_w表示当前全局最差的位置；β是(-1，1)内的随机数；fi表示当前麻雀个体的适应度值，fg表示全局最佳适应度值，fw表示全局最差适应度值；w为惯性因子；K是一个[-1,1]内的随机数；ε取非零常数6。

对麻雀进行遗传选择的过程是：

根据适应度进行排序，最差的个体序号为1，被选中的概率是P_1，最好的个体序号为n，被选中的概率是P_n。则第i只麻雀被选中的概率为：

麻雀交叉变异方式如下：

式中，X_b′、X_b′分别为变异前后最优麻雀；S₁、S₂、S₃、S₄为0-1之间随机值。

终止条件为连续30代种群最优麻雀不变且最优麻雀占种群数量1/4以上。

步骤五中所述可调节负荷与待恢复孤岛集合匹配的具体过程为：

搜索与可调节负荷欧式距离最小的6个供电单元，将可调节负荷降至最低值P_fmin，与距离最近的供电单元所在的待恢复孤岛集合进行匹配，若P_fmin<P_r，则将可调节负荷接入孤岛。若P_fmin>P_r，则匹配下一个待恢复孤岛集合，直到P_fmin<P_r，更新孤岛集合。P_r指当前孤岛剩余功率，即孤岛内供电单元总功率减去当前负荷总功率。

步骤六中判断是否需要重新进行孤岛划分的判断依据是：对主动配电网中供电单元的功率进行监测并记录，每隔5min统计该时段的功率变化率v，当功率变化率|v|高于阈值k时，更新当前供电单元的功率作为孤岛划分的供电功率，当功率变化率|v|小于阈值k时，维持原孤岛划分情况不变；若连续15min没有更新孤岛划分情况，则以当前供电单元功率进行更新孤岛划分的供电功率。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供了一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构系统，包括：

目标函数重构模块，被配置为：基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；

最优解求解模块，被配置为：基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；

孤岛划分模块，被配置为：将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；

更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，包括：

基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；

基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；

将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；

更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。

2.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，所述主动配电网参数包括网络拓扑结构、线路参数及负荷参数，根据主动配电网参数将所有负荷分为供电单元、刚性负荷单元和柔性负荷单元。

3.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，所述重构目标函数包括：

恢复负荷总功率尽可能大：

式中，n为支路总数，k_i为第i条支路的重要系数，S_i为第i条支路开关状况，取0或1，“0”为打幵，“1”为闭合，P_i为第i条支路节点负荷的有功功率；以及

网络损耗尽可能小：

式中，W_i是第i条支路的网络损耗。

4.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，所述约束条件包括：

电力平衡约束；

节点电压约束；以及

孤岛独立约束，该约束条件表示不存在两个供电单元为同一个负荷共同供电的情况。

5.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，求取孤岛划分的最优解时基于遗传优化的麻雀故障重构方法求解；

进一步优选的，求解具体为：

编码：使用二进制编码方式对配电网络中的开关状态进行编码；

参数设置：设置种群数量、最大迭代次数、初始惯性权值、最终惯性权值；

种群初始化：将一个可能的解作为一只麻雀，在满足约束条件范围内随机产生麻雀初始种群；

根据重构目标函数构建适应度函数，计算麻雀个体适应度值；

最后输出最优解作为待恢复孤岛集合。

进一步优选的，计算麻雀个体适应度值之后还包括：

引入基于线性递减权值策略的惯性因子对发现者、加入者、警戒者位置进行更新；

重新计算麻雀适应度值并进行遗传选择；

对麻雀实行交叉变异；

重新计算麻雀适应度值，并与变异前适应度值进行比较，如果大于变异前适应度值，更新麻雀位置；

判断是否达到终止条件，如果达到终止条件，迭代结束；

判断是否满足约束条件，将不满足约束条件的解筛除，最后输出最优解作为待恢复孤岛集合；

优选的，根据重构目标函数构建适应度函数，具体为将两个重构目标函数式进行组合得到适应度函数：

maxF＝μ₁f-μ₂W

式中，μ₁、μ₂为目标函数的权重系数。

6.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，所述柔性负荷与待恢复孤岛集合匹配的具体过程为：

搜索与柔性负荷欧式距离最小的供电单元，将柔性负荷降至最低值P_fmin，与距离最近的供电单元所在的待恢复孤岛集合进行匹配：

若P_fmin<P_r，则将柔性负荷接入孤岛；

若P_fmin>P_r，则匹配下一个待恢复孤岛集合，直到P_fmin<P_r，更新孤岛集合；

P_r指当前孤岛剩余功率，即孤岛内供电单元总功率减去当前负荷总功率。

7.如权利要求1所述的一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构方法，其特征是，对下一时段孤岛划分的供电功率的更新过程是：

对主动配电网中供电单元的功率进行监测并记录，每隔设定时间统计该时段的功率变化率v，当功率变化率|v|高于阈值k时，更新当前供电单元的功率作为孤岛划分的供电功率；

当功率变化率|v|小于阈值k时，维持原孤岛划分情况不变；若连续一定时间内没有更新孤岛划分情况，则以当前供电单元功率进行更新孤岛划分的供电功率。

8.一种计及柔性负荷的主动配电网故障重构系统，其特征是，包括：

目标函数重构模块，被配置为：基于主动配电网参数建立重构目标函数和约束条件；

最优解求解模块，被配置为：基于目标函数和约束条件求取孤岛划分的最优解，作为待恢复孤岛集合；

孤岛划分模块，被配置为：将柔性负荷依次与距离最近的待恢复孤岛集合进行匹配，并输出孤岛划分结果；

更新下一时段孤岛划分的供电功率，对主动配电网进行实时动态的孤岛划分。

9.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

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