基于电源出力与开关动作协调的配电网故障恢复方法

摘要

本发明提供了一种基于电源出力与开关动作协调的配电网故障恢复方法，包括以下步骤：首先利用终端设备实时采集各节点的运行参数；当配电网发生故障并隔离故障区段后，利用配电网故障恢复上层模型计算最优的开关状态组合以及各分布式电源的最优出力；将上层模型的优化结果作为下层模型的参数，通过故障恢复方案生成算法求解故障恢复分步决策；将所得的故障恢复决策下达至各终端设备和分布式电源作为控制指令，进行电源功率参考值的调整以及开关分合闸操作。本发明易于实现，能够最大程度保证故障恢复过程的经济性与安全性，有效提升含分布式电源配电网的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源发电控制技术领域，具体涉及一种基于电源出力与开关动作协调的配电网故障恢复方法。

背景技术

近年来，环境污染、常规能源枯竭和全球气候变暖等一系列问题日益凸显。推进能源替代战略，加快能源消耗由传统能源向可再生能源转变，是全球实现能源与经济可持续发展的必由之路。包括风电、光伏在内的分布式电源得到快速发展。分布式电源在配电网调度、电压控制、故障恢复等场景中也逐渐得到应用，相关技术日趋成熟。尤其在故障恢复场景中，依靠分布式电源来为电网提供支撑已成为一种重要的手段。

针对含分布式电源的配电网故障恢复，现有研究主要以求解故障恢复优化模型的方式确定恢复方案。从电源利用的不同方式划分，恢复思路大致经历了三个阶段，即单源-单孤岛的恢复思路、基于孤岛划分的恢复思路以及多源协同的恢复思路。“单源-单孤岛”的恢复思路是指在恢复时以电源为起点向外恢复负荷，在恢复后会形成多个电气孤岛，且每个电气孤岛仅包含一个具有黑启动能力的分布式电源或微电网；基于孤岛划分的恢复思路旨在根据配电网内本地电源类型、容量、位置以及负荷的重要程度、负荷需求及位置等，将目标配电网的停电区域划分为若干个孤岛，每个孤岛内包含一个或多个电源；多源协同的恢复思路旨在将目标配电网中所有源荷尽量相连，构成尽可能大的孤岛，实现多源协同恢复。然而，多数未考虑故障恢复过程中分布式电源出力与开关动作的相互影响。

在故障恢复过程中，网络重构与分布式电源出力调节并非瞬时完成，而是需要按照一定的次序逐步实施。而分布式电源出力调节以及开关动作均会对故障恢复的安全性和经济性指标产生不同程度的影响，因此2种控制手段之间存在关联特性。为最大程度保障故障恢复过程的可靠性，开关动作和分布式电源出力调节应在计及两者关联特性的基础上协调配合。然而，目前缺少开关动作与分布式电源出力调节关联性的研究，两者的协调配合也鲜有报道。有研究根据恢复操作规则确定不同运行状态转换的恢复操作次序和智能软开关控制模式，但其恢复操作为大面积停电下的电源自启动和负荷恢复，未涉及常规故障下的网络重构，且其操作次序可行性主要通过暂态仿真校验，耗时较长，缺乏实用性。

综上所述，如何充分考虑配电网故障恢复过程中分布式电源出力调节与开关动作的关联特性，最大程度保证故障恢复过程的经济性与安全性，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电源出力与开关动作协调的配电网故障恢复方法，用于在配电网发生故障断开故障区段相邻开关后，进行配电网故障恢复控制，以计及配电网故障恢复过程中分布式电源出力调节与开关动作的关联特性的影响，提升新能源电力系统故障恢复过程的供电安全性和经济性。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

S101、实时采集配电网各节点的运行参数；所述运行参数包括节点的电压幅值、电压相角值、有功负荷、无功负荷、分布式电源初始有功出力、初始无功出力和初始开关状态；

S102、当配电网发生故障时，断开故障区段相邻开关以隔离故障，并将所采集的运行参数上传至控制中心，进行故障恢复优化计算；

S103、以负荷恢复量最大化和电压偏差最小化为目标，构建出配电网故障恢复上层模型，利用配电网故障恢复上层模型计算最优的断开开关的支路集和闭合开关的支路集以及各分布式电源的最优有功出力和最优无功出力；

S104、以分布式电源出力与上层模型优化结果中的分布式电源出力偏差最小化，以及分布式电源出力实时调节量期望最小化为目标，构建出配电网故障恢复下层模型，利用配电网下层恢复模型采用故障恢复方案生成算法进行求解，计算得到故障恢复决策；

S105、将S104的故障恢复决策下达至各终端设备和分布式电源作为控制指令，进行分布式电源功率参考值的调整以及开关分合闸操作；

其中，所述故障恢复决策包括将步骤103中计算得到的最优的闭合开关的支路集中支路条数对应为基本步骤总数，在基本步骤t中，在第t条闭合开关的支路中执行调节分布式电源功率决策、支路开关闭合决策，接着在第t条断开支路的支路中执行支路开关断开决策。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、现有技术主要以求解单一时间尺度下故障恢复优化模型的方式确定分布式电源出力与开关状态组合，未考虑故障恢复过程中分布式电源出力调节与开关动作的相互影响，不仅可能影响失电负荷的恢复率，还威胁分布式电源的安全。相比于现有技术，本发明充分考虑配电网故障恢复过程中分布式电源出力调节与开关动作的关联特性的影响，建立含分布式电源配电网的双层故障恢复优化模型，能够兼顾故障恢复过程中的负荷最大恢复及电压波动抑制的需求，保障系统故障恢复过程的供电可靠性和经济性。

2、现有部分技术通过暂态仿真校验开关动作操作和分布式电源出力调节次序可行性，耗时较长，缺乏实用性。相比于现有技术，本发明采用考虑合环电压波动的分布式电源最优控制点搜索方法，将其融入故障恢复方案生成算法，得到以“调节分布式电源功率—闭合支路开关—断开支路开关”为基本顺序即基本步骤的故障恢复动作方案，能够以较快的速度计算得到兼具安全性、经济性的恢复方案。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明基于分布式电源主动控制的配电网故障恢复方法的流程图。

图2是本发明配电网故障恢复方法中故障恢复方案生成算法的计算流程图。

图3是本发明实施例中采用的一种含分布式电源的配电网拓扑结构示例图。

图4是对图3所示的示例系统在采用现有技术方法执行配电网故障恢复时，合环节点的电压波形图，图4(a)为现有技术中闭合支路L

图5是对图3所示的示例系统在采用本发明执行配电网故障恢复时，合环节点的电压波形图，图5(a)为本发明闭合支路L

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对上述技术的不足，本发明提供了一种基于电源出力与开关动作协调配合的配电网故障恢复方法，综合考虑了故障恢复过程中的负荷最大恢复及电压波动抑制的要求，并采用了考虑合环电压波动的分布式电源最优控制点搜索方法，通过搜索某开关闭合时令合环电压非周期分量最小的分布式电源最优控制点确定分布式电源出力参考值，最终通过优化确定最优开关动作方案及分布式电源出力调节方案，最大程度保证故障恢复过程的经济性与安全性，提升含分布式电源配电网的可靠性。同时，本发明提出的故障恢复方案生成算法，能够以较快的速度计算得到兼具安全性、经济性的恢复方案。

本发明基于电源出力与开关动作协调配合的配电网故障恢复方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、实时采集配电网各节点的运行参数；

具体实施时，可用终端设备实时采集节点的电压幅值、电压相角值、有功负荷、无功负荷、分布式电源初始有功出力、初始无功出力和初始开关状态等参数作为节点运行参数。

S2、当配电网发生故障时，断开故障区段相邻开关以隔离故障，并将所采集的运行参数上传至控制中心，进行故障恢复优化计算；

在本发明实施例中，当配电网发生故障时，可以断开故障区段相邻开关以隔离故障，同时还需要将所采集的运行参数上传至控制中心，利用控制中心来计算出故障恢复方案，以达到故障恢复的目的。

S3、以负荷恢复量最大化和电压偏差最小化为目标，构建出配电网故障恢复上层模型，利用配电网故障恢复上层模型计算最优的断开开关的支路集和闭合开关的支路集以及各分布式电源的最优有功出力和最优无功出力；

在本发明实施例中，可以利用配电网故障恢复上层模型计算最优的分段开关、联络开关的状态组合以及各分布式电源的最优有功、无功出力；其中，分段开关指的是一条配电线路主通道上的开关，通过它可以将线路分成若干段，减少停电损失，由于是在一条线路上的，所以当配电网发生故障时，由于断开故障区段相邻开关以隔离故障，所以无法通过分段开关进行负荷的转移供电。为了能尽可能的减少停电的影响，本发明可以通过将两条配电线路通过开关连接起来，以便能实现负荷之间的转供，这个用来连接两条配电线路的开关就叫联络开关，因此通过计算出最优的分段开关、联络开关的状态组合就可以得到最优的断开开关的支路集和最优的闭合开关的支路集。

S4、以分布式电源出力与上层模型优化结果中的分布式电源出力偏差最小化，以及分布式电源出力实时调节量期望最小化为目标，构建出配电网故障恢复下层模型，利用配电网下层恢复模型采用故障恢复方案生成算法进行求解，计算得到故障恢复决策；

在本发明实施例中，可以将上层模型的优化结果作为故障恢复下层模型的参数，利用故障恢复方案生成算法求解以“调节分布式电源功率—支路开关闭合—支路开关断开”为基本步骤的故障恢复决策。

S5、将S4的故障恢复决策下达至各终端设备和分布式电源作为控制指令，进行分布式电源功率参考值的调整以及开关分合闸操作。

其中，所述故障恢复决策包括将步骤S3中计算得到的最优的闭合开关的支路集中支路条数对应为基本步骤总数，在基本步骤t中，在第t条闭合开关的支路中执行调节分布式电源功率决策、支路开关闭合决策，接着在第t条断开支路的支路中执行支路开关断开决策。

可以理解的是，在本发明实施例中，最优的闭合开关的支路集中支路条数实际上与断开开关的支路集中支路条数相等，由于故障恢复决策是以“调节分布式电源功率—支路开关闭合—支路开关断开”的顺序，所以为了方便说明该基本步骤，这里以闭合开关的支路集中支路条数对应的数据进行处理。

具体实施时，步骤S3中，配电网故障恢复上层模型为：

目标函数F

式中，N

具体实施时，对于目标函数F

1)辐射状拓扑约束：

式中，u

2)配电网潮流约束：

式中，V

3)节点电压约束：

V

式中，V

4)线路载流量约束为：

|S

式中，S

5)可控源荷出力约束：

双馈风电机组的有功出力约束：

P

式中，P

双馈风电机组的无功出力约束：

Q

式中，Q

储能的有功出力约束：

式中，P

储能的无功出力约束：

-Q

式中，Q

永磁直驱风电机组和光伏的有功出力约束：

P

式中，P

永磁直驱风电机组和光伏的无功出力约束：

式中，Q

具体实施时，步骤S104中，故障恢复下层模型为：

目标函数f

式中，P

具体实施时，目标函数f

1)辐射状拓扑约束为：

式中，u

2)配电网潮流约束：

式中，V

3)节点电压约束：

V

式中，V

4)线路载流量约束：

|S

式中，S

5)可控源荷出力约束：

双馈风电机组的有功出力约束为：

P

式中，P

双馈风电机组的无功出力约束为：

Q

式中，Q

储能的有功出力约束为：

式中，P

储能的无功出力约束为：

式中，Q

永磁直驱风电机组和光伏的有功出力约束为：

P

式中，P

永磁直驱风电机组和光伏的无功出力约束为：

式中，Q

具体实施时，步骤S4中，故障恢复方案生成算法如图2所示，包括以下步骤：

S401、将上层模型的优化结果，即断开开关的支路集S

S402、在第1个基本步骤内，依次选择S

S403、分别对所选择的支路开关闭合后的网络进行潮流计算，筛选开关动作后满足下层模型约束条件的闭合支路，将其对应的分布式电源最优控制点分别代入下层模型目标函数；

S404、搜索令下层模型目标函数值最小的闭合支路和分布式电源出力组合，将其记录为第1个基本步骤的动作组合参考值，并将相应支路从S

S405、依次从S

在本发明实施例中，可以将支路集S

S406、分别对所选择的支路组合动作后的网络进行潮流计算，筛选断开支路、闭合支路动作后均满足下层模型约束条件的支路组合，将其对应的分布式电源最优控制点分别代入下层模型目标函数；

S407、搜索令下层模型目标函数值最小的支路组合和分布式电源出力组合，将其作为第t个基本步骤的动作组合参考值，并将相应支路从S

S408、判断S

在本发明实施例中，在步骤S402和步骤S405中考虑合环电压波动的分布式电源最优控制点搜索方法可以为：

选择最靠近合环点的分布式电源进行调节，使合环电压非周期分量尽可能最小。若调节分布式电源后合环电压非周期分量不为0，则根据与合环支路的位置远近，依次调节合环支路上游分布式电源的出力，直至合环电压非周期分量为0或所有分布式电源均已调节完毕，此时各分布式电源的出力即为分布式电源的最优控制点。

其中，可以理解的是，在每个基本步骤中，都会根据当前基本步骤中支路开关闭合前的分布式电源最优控制点，来确定分布式电源出力调节的大小，执行对应的调节决策；并从闭合开关的支路集S

在本发明实施例中，可以边生成每个基本步骤的故障恢复决策，边将该基本步骤的故障恢复决策下达至各终端设备和分布式电源作为控制指令，进行分布式电源功率参考值的调整以及开关分合闸操作；也可以将所有基本步骤的故障恢复决策都生成后，统一将所有基本步骤的故障恢复决策下达至各终端设备和分布式电源作为控制指令，各个终端设备和分布式电源按照基本步骤的顺序进行分布式电源功率参考值的调整以及开关分合闸操作。

图3为IEEE-14节点配电网系统拓扑结构示例图，系统额定频率为50Hz。节点8接入DFIG，节点3、14分别接入ESS1、ESS2，节点4接入PV。

以图3所示的示例系统为例，各分布式电源运行参数见表1。支路L

表1分布式电源运行参数

表2故障恢复上层模型优化结果

图4示出了对图3所示的示例系统在采用现有技术方法执行配电网故障恢复时，每次闭合支路开关时相应节点的A相电压瞬时值波形。现有技术方法下的恢复方案为：即对应方案为：分布式电源功率根据上层模型优化结果进行调节，支路开关动作次序为：①闭合支路L

表3本发明公开的方法中分布式电源最优控制点

综上所述，本发明提出一种基于电源出力与开关动作协调配合的配电网故障恢复方法，综合考虑了故障恢复过程中的负荷最大恢复及电压波动抑制的要求，并采用了考虑合环电压波动的分布式电源最优控制点搜索方法，通过搜索某开关闭合时令合环电压非周期分量最小的分布式电源最优控制点确定分布式电源出力参考值，最终通过优化确定最优开关动作方案及分布式电源出力调节方案，最大程度保证故障恢复过程的经济性与安全性，有效提升含分布式电源配电网的可靠性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。