一种基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法

摘要

一种基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法，该方法是：当有源配电网中发生永久性故障后，首先将故障点进行隔离，然后优先通过联络线尽可能恢复停电负荷；若仍存在部分未恢复的非故障停电区域，基于分布式电源DG孤岛运行划分，进行孤岛暂时供电，其孤岛划分过程遵循以下步骤：(1).分析影响电网故障总停电时间因素，实时预测故障总停电时间；(2).读取各分布式电源在故障总停电时间内的出力曲线和停电负荷的需求曲线；(3).确定停电区域内的所有主电源和从电源；计算正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用指标，确定初步的孤岛范围；(4).观察各个初步孤岛范围之间是否重叠，使得最终孤岛恢复范围尽可能大。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法，属于配电网孤岛运行划分技术领域。

背景技术

近年来，越来越多的分布式电源(DistributedGeneration，DG)接入配电网，其中以可再生能源为主的分布式发电和分布式储能(ElectricalEnergyStorage，EES)为代表。分布式电源的大量发展给配电网故障后的供电恢复带来了新的资源，使得基于分布式电源孤岛运行成为配电网故障处理的一种重要方式。

目前国内外现行的DG并网规程要求配电网发生故障后，分布式电源应立即退出或在低电压穿越后迅速退出运行。随着分布式电源渗透率的增大，国际上IEEE1547—2003已经将DG计划孤岛的实现作为以后的工作重点。因此，研究基于DG孤岛运行具有重要意义，孤岛划分是基于DG孤岛运行的前期工作。国内外专家对于如何根据分布式电源和停电负荷，确定合适的孤岛划分准则、合理的孤岛区域和有效的孤岛运行控制方法等进行了深入研究。如一种基于图论中的树背包问题，建立了基于二进制编码和分支定界的算法，提出以“搜索+调整”的两步策略求解孤岛区域。又如一种基于二进制粒子群优化算法对未恢复的停电区域进行孤岛划分等等。

现有孤岛划分策略皆以配电网发生故障的某一时刻为基准，将分布式电源的输出容量和负荷状况看作确定性的值，以开关转换次数最小、恢复停电负荷重要度值最大或有利于快速故障恢复等为目标函数，同时以功率平衡、电气安全等为约束条件，结合一定的方法、原则或算法确定孤岛方案，实现孤岛方案内的分布式电源出力和负荷的有功暂时匹配。但以新能源为主的分布式电源出力具有较强的间歇性和随机性，负荷也具有波动性，仅基于静态的时间断面进行孤岛划分，难以保障在整个孤岛运行时间内的功率平衡，使得现有孤岛划分策略的实际可行性和有效性受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种可以弥补现有静态孤岛划分不足的、基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法，所述的配电网孤岛运行划分方法是：

当有源配电网中发生永久性故障后，首先将故障点进行隔离，然后优先通过联络线尽可能恢复停电负荷；若仍存在部分未恢复的非故障停电区域，基于分布式电源DG孤岛运行划分，进行孤岛暂时供电，其孤岛划分过程遵循以下步骤：

(1).分析影响电网故障总停电时间因素，整理相关数据，实时预测故障总停电时间；

(2).读取各分布式电源在故障总停电时间内的出力曲线和停电负荷的需求曲线；

(3).确定停电区域内的所有主电源和从电源；根据主电源的个数确定孤岛个数；每个孤岛将主电源作为根节点，以根节点为中心运用广度优先搜索算法选择停电负荷和从电源，逐步计算正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用指标，在满足如下孤岛划分准则下确定初步的孤岛范围；所述孤岛划分准则是：

1)孤岛方案的正备用不足风险概率指标等于零；即w₁＝0

2)孤岛方案的负备用不足风险概率指标越小越好；即minw₂

3)孤岛方案的合理备用概率指标越大越好；即maxw₃

(4).观察各个初步孤岛范围之间是否重叠，若有重叠，分析判断重叠部分的归属，使得最终孤岛全部恢复范围尽可能大；若重叠部分归属在任意一个孤岛都不影响最终恢复范围的大小，则优先将重叠部分归属到以柴油机为主电源的孤岛内，因为柴油机输出功率更稳定。

作为优选：所述的步骤(1)主要包括故障总停电时间分析和预测，其中故障总停电时间分析是：故障总停电时间由故障隔离定位时间、抢修到场时间和故障修复时间组成；其中故障修复时间极大程度上取决于故障现场复杂度及故障元件损坏程度；

故障总停电时间预测是基于C4.5决策树故障总停电时间预测，通过决策树对训练样本进行处理，利用算法生成可读的规则和决策树，然后将新发生的故障事件按照决策树进行分类，实现对不同故障情况下的故障情况下的故障停电总时间的基本预测；

所述的步骤(2)主要是定义配电网均具备预测故障总停电时间、DG出力和负荷需求的能力，当配电网发生永久性故障时，能够基于所述预测得到故障总停电时间、及在这数小时内的风/光等随机性电源的出力曲线和负荷需求曲线；

所述的步骤(3)是通过引入正备用容量和负备用容量来处理孤岛内风/光出力的不确定性和负荷预测误差的功率不平衡问题，其中所述的正备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值至满发的差值容量；系统中的负备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值减小至最小发电值或吸收功率最大值的差值容量；当风光出力突然增小或负荷突然增大时，则主电源必须有能力增大出力满足功率平衡，即系统所需的正备用容量；反之风光出力突然上升或负荷突然减小，主电源能够减小自身出力实现功率平衡，即负备用容量。

作为优选：所述步骤(3)中，正备用不足风险概率的计算公式是：

式中：

x_t为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和小于负荷需求值，则x_t＝1，否则x_t＝0；

N为故障总停电时间；

T₁为孤岛出现正备用不足风险的总时间；

P_source.t为孤岛在t时段的分布式电源出力之和；

P_slave.t为孤岛从电源在t时段的出力；

为孤岛主电源在t时段的最大出力；

P_load.t为孤岛在t时段的负荷需求；

负备用不足风险的计算公式是：

式中：

T₂为孤岛出力负备用不足风险的总时间；

为孤岛主电源在t时段的最小出力；

x_t'为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和大于负荷需求值，则x_t'＝1，否则x_t'＝0；

合理备用风险概率指标的计算公式是：

w₁、w₂和w₃分别是正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用概率；w₁必须恒等于零，说明孤岛没有正备用不足风险；且w₂的值越小，说明孤岛负备用不足风险概率越小，相对应孤岛处于合理备用概率w₃就越大，孤岛的稳定性就越好。

本发明首先分析了影响故障总停电时间的重要因素；其次提出根据C4.5决策树预测故障总停电时间的思路；随后构建了基于DG孤岛风险评估模型，分别分析了储能和柴油机在主从控制下的功率输出模型；同时进一步阐释了配电网孤岛划分准则和策略；最终通过算例分析了不同故障时刻及持续时间下有源配电网孤岛划分策略；从而可以弥补现有静态孤岛划分不足。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的一种基于储能和分布式电源的配电网孤岛运行划分方法，所述的配电网孤岛运行划分方法是：

当有源配电网中发生永久性故障后，首先将故障点进行隔离，然后优先通过联络线尽可能恢复停电负荷；若仍存在部分未恢复的非故障停电区域，基于分布式电源DG孤岛运行划分，进行孤岛暂时供电，其孤岛划分过程遵循以下步骤：

(1).分析影响电网故障总停电时间因素，整理相关数据，实时预测故障总停电时间；

(2).读取各分布式电源在故障总停电时间内的出力曲线和停电负荷的需求曲线；

(3).确定停电区域内的所有主电源和从电源；根据主电源的个数确定孤岛个数；每个孤岛将主电源作为根节点，以根节点为中心运用广度优先搜索算法选择停电负荷和从电源，逐步计算正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用指标，在满足如下孤岛划分准则下确定初步的孤岛范围；所述孤岛划分准则是：

1)孤岛方案的正备用不足风险概率指标等于零；即w₁＝0

2)孤岛方案的负备用不足风险概率指标越小越好；即minw₂

3)孤岛方案的合理备用概率指标越大越好；即maxw₃

(4).观察各个初步孤岛范围之间是否重叠，若有重叠，分析判断重叠部分的归属，使得最终孤岛全部恢复范围尽可能大；若重叠部分归属在任意一个孤岛都不影响最终恢复范围的大小，则优先将重叠部分归属到以柴油机为主电源的孤岛内，因为柴油机输出功率更稳定。

本发明所述的步骤(1)主要包括故障总停电时间分析和预测，其中故障总停电时间分析是：故障总停电时间由故障隔离定位时间、抢修到场时间和故障修复时间组成；其中故障修复时间极大程度上取决于故障现场复杂度及故障元件损坏程度；

故障总停电时间预测是基于C4.5决策树故障总停电时间预测，通过决策树对训练样本进行处理，利用算法生成可读的规则和决策树，然后将新发生的故障事件按照决策树进行分类，实现对不同故障情况下的故障情况下的故障停电总时间的基本预测；

所述的步骤(2)主要是定义配电网均具备预测故障总停电时间、DG出力和负荷需求的能力，当配电网发生永久性故障时，能够基于所述预测得到故障总停电时间、及在这数小时内的风/光等随机性电源的出力曲线和负荷需求曲线；

所述的步骤(3)是通过引入正备用容量和负备用容量来处理孤岛内风/光出力的不确定性和负荷预测误差的功率不平衡问题，其中所述的正备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值至满发的差值容量；系统中的负备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值减小至最小发电值或吸收功率最大值的差值容量；当风光出力突然增小或负荷突然增大时，则主电源必须有能力增大出力满足功率平衡，即系统所需的正备用容量；反之风光出力突然上升或负荷突然减小，主电源能够减小自身出力实现功率平衡，即负备用容量。

本发明所述步骤(3)中，正备用不足风险概率的计算公式是：

式中：

x_t为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和小于负荷需求值，则x_t＝1，否则x_t＝0；

N为故障总停电时间；

T₁为孤岛出现正备用不足风险的总时间；

P_source.t为孤岛在t时段的分布式电源出力之和；

P_slave.t为孤岛从电源在t时段的出力；

为孤岛主电源在t时段的最大出力；

P_load.t为孤岛在t时段的负荷需求；

负备用不足风险的计算公式是：

式中：

T₂为孤岛出力负备用不足风险的总时间；

为孤岛主电源在t时段的最小出力；

x_t'为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和大于负荷需求值，则x_t'＝1，否则x_t'＝0；

合理备用风险概率指标的计算公式是：

w₁、w₂和w₃分别是正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用概率；w₁必须恒等于零，说明孤岛没有正备用不足风险；且w₂的值越小，说明孤岛负备用不足风险概率越小，相对应孤岛处于合理备用概率w₃就越大，孤岛的稳定性就越好。

实施例：

一、故障总停电时间分析预测。

1、故障总停电时间分析：

当配电网故障时，如果实现故障总停电时间的准确预测，就可以对电力生产做出相应的调整，优化故障恢复方案和抢修计划，减少故障对电力生产及用户日常生活的影响，提高系统供电可靠性。

目前故障总停电时间主要由三大块组成，分别是故障定位隔离时间、抢修到场时间和故障修复时间。某地电网实际操作数据统计可知每次故障的平均停电持续时间为78分钟左右。在整个故障处理过程中，平均抢修到场时间占37％，平均故障修复时间仅占13％左右，而平均故障定位时间达到50％。人工排查故障效率低下是导致故障定位时间长的主要原因，而随着故障指示器终端和馈线自动化终端等配电自动化系统在配电网的普遍应用，故障定位的速度将有极大提升。其次抢修到场时间则跟故障的地理距离和负荷重要度密切相关。如在农用配电网中负荷相对分散、线路长、地理距离远及路况相对较差，因此抢修到场时间较长；如负荷重要等级越高，抢修到场时间越快。故障修复时间极大程度上取决于故障现场复杂度及故障元件损坏程度，如发生车辆撞倒电杆或配电变压器喷油爆炸等故障现场复杂、故障元件损坏度高的状况时，故障修复时间也相对较长。

2、基于C4.5决策树故障总停电时间预测：

决策树(DecisionTree)是用于分类和预测的主要技术，它着眼于从一组无规则的事例推理出决策树表示形式的分类规则，采用自顶向下的递归方式，在决策树的内部节点进行属性值的比较，并根据不同属性判断从该节点向下分支，在决策树的叶节点得到结论。

基于对故障停电时间的影响因素分析，本发明学习决策树的训练样本数据，对电网故障的5个属性进行等级划分。如表1所示，将故障总停电时间分为四类：小于30分钟、30～60分钟、60～90分钟和大于90分钟，通过表1的分类，通过训练样本数据对决策树进行训练。

表1故障总停电时间预测属性表

Tab.1theattributetableoffaulttime

建立基于C4.5决策树预测故障总停电时间的流程：

1)利用已有的训练样本，从统计的电网故障数据中学习出决策规则的分类属性；

2)在决策树中逐步建立新节点，选择节点属性，分割已有的数据集；

3)判断该节点是否到生长停止条件；若是，则停止生长；若否，则转向2)。

生长停止条件包括节点内的数据已经完全属于同一类别；节点内测试数据样本数低于某一阈值；所有属性都已经被分裂过。

通过决策树对训练样本数据进行处理，利用算法生成可读的规则和决策树，然后将新发生的故障事件按照决策树进行分类，实现对不同故障情况下的故障停电总时间的基本预测。

综上所述，实现故障总停电时间预测必须考虑到多方面因素，包括配电自动化系统的普及程度、故障地理距离的远近、负荷重要度、故障现场复杂度和故障元件损坏程度等因素。

二、基于DG孤岛运行的风险评估模型。

1、孤岛运行控制方式：

主从控制(master-slavecontrol)和对等控制(peer-to-peercontrol)是目前配电系统孤岛运行的两种主要控制方式。主从控制是指孤岛运行时，其中一个分布式电源承担稳定孤岛内的电压和频率(V/f控制)，该电源具有额定功率较大、功率输出在一定范围内可控、能快速跟随负荷波动的特性，因此可作为主电源。其他不具备以上特性的分布式电源作为从电源，只需要跟随输出有功功率和无功功率(PQ控制)。常见分布式电源中有微型燃气轮机、柴油机和储能等可作主电源。很多不可控DG只可作从电源，需跟随在外界提供的或主电源提供的参考电压和频率下运行，比如风电、光伏、小水电等间歇性强的分布式电源。

对等控制是孤岛内的所有分布式电源具有同等地位，各分布式电源根据接入点的电压和频率实行就地控制。在对等控制时各分布式电源一般采用Droop控制方法，分别将频率和有功功率、电压和无功功率关联起来，通过控制算法模拟实际大电网的有功-频率特性曲线和无功-电压曲线，实现电压、频率的自动调节。目前这种基于下垂特性的对等控制，只考虑到了一次调频问题，仅实现电压和频率的有差恢复，鲁棒性差，且在工程应用上存在许多关键问题尚未解决，仅处于实验研究阶段，在实际电网孤岛运行时基本采用主从控制。因此本发明仍采用主从控制方式进行孤岛划分。

2、孤岛风险评估模型：

随着计量基础设施和智能信息通信技术的普及，配电网必将发展为具有实时收集网络运行状况、存储海量数据和精准预测等能力的网络。在本发明中定义配电网均具备预测故障总停电时间、DG出力和负荷需求的能力。当配电网发生永久性故障时，能够基于前文所述方法预测得到故障的总停电时间，及在这数小时内的风/光等随机性电源的出力曲线和负荷需求曲线。

由于风光出力和负荷需求的随机不确定性，若孤岛划分不合理，孤岛内可能会再次失去负荷，造成负荷二次停电的风险。为合理评估孤岛系统的风险水平，并为孤岛划分研究人员提供孤岛划分准则，需要对相应的风险指标建模。香港大学吴复立提出了电力系统运行风险备用和条件风险备用指标，Doherty和Malley也提出满足一定风险阈值下的备用需求量，本发明采用类似思想研究孤岛系统的备用风险。

传统电力系统中的正负旋转备用容量主要用来应对发电机组非计划停运、负荷预测偏差或跨区电力贸易的刚性执行等情况。本发明引入正备用容量和负备用容量概念，来处理孤岛内风光出力的不确定性和负荷预测误差的功率不平衡问题。正备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值至满发的差值容量；系统中的负备用容量是指系统内可控主电源从当前发电值减小至最小发电值(或吸收功率最大值)的差值容量。当风光出力突然增小或负荷突然增大时，则主电源必须有能力增大出力满足功率平衡，即系统所需的正备用容量；反之风光出力突然上升或负荷突然减小，主电源能够减小自身出力实现功率平衡，即负备用容量。

a)正备用不足风险

正备用不足风险是孤岛内的随机性电源出力与主电源最大出力之和仍小于负荷需求引起的。在故障总停电时间内统计孤岛出现正备用不足风险的时间，假设风光荷预测曲线的时间间隔为分钟级，则以1min为一个时段。具体表达式为

式中：

x_t为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和小于负荷需求值，则x_t＝1，否则x_t＝0；

N为故障总停电时间；

T₁为孤岛出现正备用不足风险的总时间；

P_source.t为孤岛在t时段的分布式电源出力之和；

P_slave.t为孤岛从电源在t时段的出力；

为孤岛主电源在t时段的最大出力；

P_load.t为孤岛在t时段的负荷需求。

b)负备用不足风险

负备用不足风险是孤岛内的随机性电源出力与主电源最小出力之和仍大于负荷需求引起的。在故障总停电时间内统计孤岛出现负备用不足风险的时间，具体表达式为

式中：

T₂为孤岛出力负备用不足风险的总时间；

为孤岛主电源在t时段的最小出力；

x_t'为孤岛在t时段的状态，若分布式电源出力之和大于负荷需求值，则x_t'＝1，否则x_t'＝0。

c备用风险概率指标

当孤岛内负荷需求位于分布式电源出力调节范围之内，认为该时段的孤岛内功率平衡、孤岛划分范围合适。

针对正备用不足和负备用不足两种风险，计算孤岛运行时间段内对应风险概率值：正备用不足风险概率和负备用不足风险概率。其定义为出现风险的时间与故障总停电时间的比值，具体表达式为：

w₁、w₂和w₃分别是正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用概率。w₁必须恒等于零，说明孤岛没有正备用不足风险；且w₂的值越小，说明孤岛负备用不足风险概率越小，相对应孤岛处于合理备用概率w₃就越大，孤岛的稳定性就越好。

3、孤岛的功率平衡及主电源的出力模型：

孤岛内功率平衡是孤岛稳定的关键，而风电和光伏等不可控DG，出力具有随机性，负荷需求值也具有波动性，为了充分利用新能源的出力，优先通过调节主电源的输出功率来实时维持孤岛内的供需平衡。仅当主电源输出功率达到最大值(若为储能处于最小电量时)，孤岛内分布式电源出力仍不满足负荷需求时，不能满足功率平衡，则孤岛面临崩溃或再次失负荷的风险；反之，仅当主电源输出功率为最小值时(若为储能相当于充电为最大值或处于最大电量状态下)，仍功率过剩，则需弃风弃光限制随机性电源的出力。上述情景分别对应着孤岛正备用不足和负备用不足两种状态，除此之外孤岛均属合理备用状态。

主电源一般可分为两类：一类为可控的发电装置，如柴油机、燃气轮机等；另一类为储能装置。下文分别阐述其作为主电源时的输出功率模型。

a)以储能为主电源的的输出功率模型

以储能电池为主电源，风机和光伏作为从电源。当储能内电量满足要求时的充放电策略为，当风机和光伏等从电源输出功率之和大于负荷需求值时，储能装置进行充电；小于负荷需求值时，储能装置就放电。

式中：Q_t为储能在t时刻电量；τ为常数，即单位时间；Q₀为储能故障时刻初始电量，默认为充满状态；Q_max、Q_min是储能电量的上限值及下限值；P_EES.i是储能充放功率，正值表示储能放电，负值表示储能充电，其具体表达式为：

式中P_master.t、P_EES.t表示主电源为储能在t时刻的输出功率；∑P_slave.t表示孤岛中所有从电源在t时刻的输出功率之和；∑P_Load.t表示孤岛中所有负荷在t时刻的需求值；P_in.max和P_out.max为储能最大充放电功率。

式(11)表示储能充电；式(12)表示储能放电，两式中风光与负荷的差值都处于储能功率调节范围内，因此式(11)(12)均表明孤岛处于合理备用状态。

式(13)表示储能在充电，但风光大于负荷的差值超过了储能充电功率上限；式(15)表示储能本应充电，但储能电量已充满，故不充不放。式(13)(15)表示孤岛处于负备用不足状态。

式(14)表示储能在放电，但风光小于负荷的差值超过了储能放电功率上限；式(16)表示储能本应放电，但储能电量已达到下限值，故不充不放，式(14)(16)均孤岛处于正备用不足状态。

b)以柴油机为主电源的输出功率模型

当主电源为柴油机时的输出功率如下所示：

式中P_diesel.t为柴油机在t时刻的输出功率，P_diesel.max为柴油机的最大输出功率。

式(17)表示柴油机无需输出功率，由于风光大于负荷，为保持功率平衡且需部分弃风弃光，孤岛处于负备用不足状态；式(18)表示柴油机输出功率，其值等于风光与负荷的差值，孤岛处于合理备用状态；式(19)表示柴油机输出最大功率，但仍无法平衡风光远小于负荷的差值，孤岛处于正备用不足状态。

针对以储能为主电源和以柴油机为主电源的两种孤岛运行方式，进行分析可知：储能可充可放，相比柴油机可放不可充的方式，其容量调节范围增大一倍，但储能有电量限制；柴油机虽然只能在一定范围内发电，不能吸收电能，但不需考虑电量限制，假定柴油机燃料充足。

三、配电网孤岛划分策略。

1、孤岛划分操作步骤：

当有源配电网中发生永久性故障后，首先将故障点进行隔离，然后优先通过联络线尽可能恢复停电负荷；若仍存在部分未恢复的非故障停电区域，实现基于DG孤岛划分，进行孤岛暂时供电，其孤岛划分过程遵循以下步骤：

(1).分析影响电网故障总停电时间因素，整理相关数据，实时预测故障总停电时间；

(2).读取各分布式电源在故障总停电时间内的出力曲线和停电负荷的需求曲线；

(3).确定停电区域内的所有主电源和从电源；根据主电源的个数确定孤岛个数。每个孤岛将主电源作为根节点，以根节点为中心运用广度优先搜索算法选择停电负荷和从电源，逐步计算正备用不足风险概率、负备用不足风险概率和合理备用指标，在满足3.2节所提的孤岛划分准则下确定初步的孤岛范围；

(4).观察各个初步孤岛范围之间是否重叠，若有重叠，分析判断重叠部分的归属，使得最终孤岛全部恢复范围尽可能大；若重叠部分归属在任意一个孤岛都不影响最终恢复范围的大小，则优先将重叠部分归属到以柴油机为主电源的孤岛内，由于柴油机输出功率更稳定；

1、孤岛划分准则：

4)孤岛方案的正备用不足风险概率指标等于零；

w₁＝0(20)

5)孤岛方案的负备用不足风险概率指标越小越好；

minw₂(21)

6)孤岛方案的合理备用概率指标越大越好。

maxw₃(22)。