主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法与流程

本发明属于主动配电网技术领域，涉及主动配电网故障恢复领域，具体地说是一种主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法。

背景技术：

主动配电网(activedistributionnetwork,adn)是内部具有分布式或分散式能源，具有控制和运行能力的配电网，相比于传统配电网，其对可再生能源具有更大的接纳能力和更高的资产利用率，此外，它还可以实现对分布式电源(distributedgeneration，dg)、储能系统、可控负荷的主动管理和对网络潮流的主动控制。但是，主动配电网的运行及控制方式变得灵活复杂的同时，发生故障的概率也相应提升，主要表现在：接入大量dg使得配电网运行结构变得复杂，配电网的潮流分布、电压质量受到影响；配电网继电保护的复杂程度加大；电能质量变差，使得配电网可靠性降低。因此，研究快速而有效的主动配电网故障恢复策略很有必要。

当发生自然灾害时，电网大面积停电可能将持续几个星期，甚至几个月，在灾后的电力恢复过程中，作为可替代资源的分布式电源将成为最佳的资源选择，分布式电源具有启动速度快、反应灵活、结构简单的优势。若当地有关电力部门不能及时地在大面积停电的极端情况下为用户恢复供电，那么孤岛恢复将成为供电恢复的最后一道防线。ieee1547.2-2008标准提出，利用分布式电源形成孤岛可以解决配电网大面积停电的问题。在此基础上，ieee1547.4-2011标准给出了设计、操作和孤岛整合的方案，且验证了分布式电源可为重要负荷供电的潮流合理性。

随着电力市场的逐步深化，多种分布式资源有意愿及能力参与系统的紧急调度，但是，参与过程中势必存在多方利益竞争与均衡的问题。博弈论也称“对策论”，是现代数学的一个分支，可以应用到电力系统中，解决多方利益竞争与均衡的问题，并且已经取得了良好的效果，但是在配电网故障恢复方面应用很少，尤其缺少在主动配电网大面积断电故障恢复方面的应用。

技术实现要素：

本发明的目的，是要提供一种主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，以实现主动配电网出现大面积断电的情况下的供电恢复。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，所述方法步骤如下：

(一)预测停电时间内的分布式资源的出力和负荷曲线；

(二)根据所述出力和负荷曲线，得出主动配电网最大恢复能力，即非故障失电区域内通过形成分布式电源孤岛供电能够恢复的最大负荷功率；

(三)根据主动配电网最大恢复能力和主动配电网失电区域的负荷量的相对大小关系，判断故障恢复场景的所属场景类型，调度相应的资源；所述场景类型包括场景一、场景二和场景三；

所述场景一为：不考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力大于失电区域的负荷量，以恢复成本最小为目标调度相应资源；

所述场景二为：考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力大于失电区域的负荷量，以切除可控负荷量最小为目标调度相应资源；

所述场景三为：考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力小于失电区域的负荷量，切除可控负荷后，继续按不可控负荷的等级切除不可控负荷，以切除不可控负荷失电代价最小为目标调度相应资源；

(四)采用博弈论的方法进行孤岛恢复；

(五)优化整个修复周期的恢复方案。

作为限定：分布式资源包括光储分布式电源和传统分布式电源；所述光储分布式电源为主动配电系统中接入储能装置的光伏发电系统，传统分布式电源是由蓄电池、柴油发电机、微型燃气轮机构成的分布式电源。

作为进一步限定：所述步骤(二)中主动配电网最大恢复能力的计算公式为pmlrc(t)＝∑ppe(t)+∑pco(t)+θ·∑pl1(t)；

式中，pmlrc(t)为分布式电源孤岛在t时刻能够恢复的最大负荷功率，ppe(t)为光储分布式电源在t时刻的出力，pco(t)为传统分布式电源在t时刻的出力，pl1(t)为可控负荷在t时刻的负荷量，θ为场景系数，场景一时θ＝0，场景二和场景三时θ＝1；

所述光储分布式电源在t时刻的出力计算公式为ppe(t)＝pes(t)+pk(t)；式中，pk(t)为光伏发电系统在t时刻的出力，pes(t)为储能装置在t时刻的出力。

作为另一种限定：所述步骤(三)中三个场景的目标函数如下：

①场景一以恢复成本最小为目标函数，即

式中，cj代表第j个分布式电源发单位电量的成本，s为分布式资源的集合，即光储分布式电源和传统分布式电源的集合，pl-i(t)为t时刻节点i的负荷量，dj为第j种分布式电源恢复供电区域的负荷集合；

②场景二以切除可控负荷量最小为目标函数，即

式中，m为切除的可控负荷节点的集合，pl1-i(t)为t时刻节点i的可控负荷量，αi为节点i的可控负荷量在负荷量中所占的比例；

③场景三按不可控负荷的等级切除不可控负荷，以切除不可控负荷的失电代价最小为目标函数，即

式中，d为切除的不可控负荷节点的集合，pl2-i(t)为t时刻节点i的不可控负荷量，kc为切除的第c等级不可控负荷获得的赔偿费用。

作为进一步限定：三个场景目标函数的约束条件如下，即

①辐射状结构

gk∈gk

式中，gk表示已恢复的供电区域，gk表示保证配电网辐射状的所有拓扑结构集合；

②配电网各线路的容量约束

il≤ilmax,(l＝1,2,…,n)

式中，il为流过线路l的电流，ilmax为流过线路l的最大电流，n为配电网支路数量；

③节点电压约束

uimin≤ui≤uimax,(i＝1,2,…,m)

式中，umin、umax分别为节点i的电压下限和电压上限，m为配电网节点数量；

④孤岛静态稳定储备系数

借鉴中国现行的《电力系统安全稳定导则》，规定事故后孤岛运行方式需满足的静态稳定储备要求如下：

式中，pdg(j,t)代表第j个分布式电源在t时刻的出力，代表t时刻被第j个分布式电源恢复供电的节点的负荷量之和；

⑤储能装置充放电约束

式中，分别为t时刻储能装置的实际充电、放电功率，为储能装置放电功率的上、下限，为储能装置充电功率的上、下限；

⑥传统分布式电源放电约束

式中，为t时刻分布式电源的实际放电功率，pdismax为传统分布式电源的最大放电功率约束。

作为第三种限定：所述步骤(四)中孤岛恢复采用的博弈论方法建立如下，即

①博弈参与人

所述博弈参与人包括光储分布式电源和传统分布式电源；

②博弈策略

首先，各个分布式电源之间开展非合作博弈，采用广度优先算法进行孤岛分区，形成初始孤岛区域，然后各个分布式电源之间开展合作博弈，对分区进行优化处理；

非合作博弈策略，每个分布式电源以各自所在的负荷节点为根结点，以各自的能量有效利用率为目标调用生成树算法进行搜索，优先恢复等级高的负荷，直到搜索到容量不足或其他分布式电源的根结点为止，从而形成初始孤岛搜索区域；

合作博弈的策略，若两个孤岛之间有联络开关相连或者彼此区域相邻或重叠，且两个孤岛联盟可以扩大恢复范围，则可采用合作博弈合并成一个孤岛联盟，以实现资源的共享，恢复更多的负荷；

③收益函数

定义能量有效利用率作为每个分布式电源的收益函数，即

式中，pl(i,t)为节点i在t时刻接入电网的负荷量，dj为第j个分布式电源所在供电孤岛区域内所有负荷的集合，pdg(j,t)为第j个分布式电源在t时刻的出力；

④收益分配

在合作博弈中，利用夏普利值方法计算孤岛联盟中各个参与人的收益，公式如下，即

式中，a为此次博弈所有的参与人数，a表示孤岛联盟a中参与人的个数，p(a)为孤岛联盟a的收益，p(a/g)表示局中人g离开孤岛联盟a后孤岛联盟a的收益值；

利用夏普利值方法需要满足超可加性条件，所述超可加性条件为式中，pdg为分布式电源的实际出力，分别为分布式电源出力的下限和上限。

作为第四种限定：通过建立故障周期修复优化模型实现步骤(五)中优化整个修复周期的恢复方案；

所述故障周期修复优化模型以整个恢复周期停电区域内恢复的失电负荷价值最大为目标函数，即

式中，qi代表不同类型负荷所占的比重，m为切除的负荷节点的集合，t为故障修复周期，pit′(t)为节点i在t′时段恢复的负荷量。

作为进一步限定：所述故障周期修复优化模型目标函数的约束条件为每个故障恢复时段开关操作次数约束，即

ntotal<nmax

式中，ntotal为上一时段故障期间开关操作的次数，nmax为每个时段开关操作次数的最大允许值。

本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：

(1)本发明提供的主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，针对配电网上级故障导致的大面积停电问题，分为三种不同的场景类型，判断故障恢复场景所属的场景类型，调度相应的资源，并且用博弈论的方法指导孤岛恢复，实现了失电负荷价值的最大恢复；

(2)本发明提供的主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，在针对不同的场景进行资源调度时，通过对可控负荷的调度，减少了每个故障恢复时段开关操作的次数，协调了各个时段的恢复状态，减少了综合经济损失；

(3)本发明提供的主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，在孤岛恢复时，进行孤岛分区的过程中，充分考虑了孤岛静态稳定储备系数，增大了孤岛稳定持续的供电能力；

(4)本发明提供的主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，利用夏普利值对孤岛联盟的分布式电源进行了能源的有效配置，保证了收益分配的公平性，为下次联盟奠定基础。

综上所述，本发明提供的主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，实现了失电负荷价值的最大恢复，增大了孤岛稳定持续的供电能力，保证了收益分配的公平性，与此同时，减少了综合经济损失。

本发明适用于主动配电网大面积断电时，实现供电的恢复。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例改进的ieee69节点配电系统示意图；

图3为本发明实施例光储系统出力曲线图；

图4为本发明实施例dg1的搜索树范围示意图；

图5为本发明实施例初始孤岛范围示意图；

图6为本发明实施例中场景一孤岛恢复示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和变化都在本发明权利要求保护的范围之内。

实施例主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法

一种主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法，步骤如下：

(一)预测停电时间内的分布式资源的出力和负荷曲线；

分布式资源包括光储分布式电源和传统分布式电源；光储分布式电源为主动配电系统中接入储能装置的光伏发电系统，由于在主动配电系统中，单独用光伏发电缺乏稳定性，因此接入储能装置来提高光伏供电的稳定性和可控性；传统分布式电源是由蓄电池、柴油发电机、微型燃气轮机构成的分布式电源；

(二)根据分布式资源的出力和负荷曲线，得出主动配电网最大恢复能力，即非故障失电区域内通过形成分布式电源孤岛供电能够恢复的最大负荷功率，其计算公式为pmlrc(t)＝∑ppe(t)+∑pco(t)+θ·∑pl1(t)；

式中，pmlrc(t)为分布式电源孤岛在t时刻能够恢复的最大负荷功率，ppe(t)为光储分布式电源在t时刻的出力，pco(t)为传统分布式电源在t时刻的出力，pl1(t)为可控负荷在t时刻的负荷量，θ为场景系数，场景一时θ＝0，场景二和场景三时θ＝1；

其中，pco(t)出力稳定，假设pco(t)稳定不变；光储分布式电源在t时刻的出力计算公式为ppe(t)＝pes(t)+pk(t)；式中，pk(t)为光伏发电系统在t时刻的出力，pes(t)为储能装置在t时刻的出力；

由于太阳辐照度近似服从贝塔分布，光伏发电系统的出力同样服从贝塔分布，光伏发电系统在t时刻的出力pk(t)的计算公式为pk(t)＝e(t)·s·η；式中，光伏发电系统的最大出力可以表示为pmax＝emax·s·η，当e为零时，光伏发电系统停止并网发电，其中，e(t)为t时刻的辐照度，s表示光伏发电系统中太阳能电池组件的面积，η为光电转换效率；

(三)根据主动配电网最大恢复能力和主动配电网失电区域的负荷量的相对大小关系，判断故障恢复场景的所属场景类型，调度相应的资源；场景类型包括场景一、场景二和场景三，场景一，不考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力大于失电区域的负荷量，以恢复成本最小为目标调度相应资源；场景二，考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力大于失电区域的负荷量，以切除可控负荷量最小为目标调度相应资源；场景三，考虑可控负荷，主动配电网最大恢复能力小于失电区域的负荷量，切除可控负荷后，继续按不可控负荷的等级切除不可控负荷，以切除不可控负荷失电代价最小为目标调度相应资源；

三个场景的目标函数如下所示：

①场景一以恢复成本最小为目标函数，即

式中，cj代表第j个分布式电源发单位电量的成本，s为分布式资源的集合，即光储分布式电源和传统分布式电源的集合，pl-i(t)为t时刻节点i的负荷量，dj为第j种分布式电源恢复供电区域的负荷集合；

②场景二以切除可控负荷量最小为目标函数，即

式中，m为切除的可控负荷节点的集合，pl1-i(t)为t时刻节点i的可控负荷量，αi为节点i的可控负荷量在负荷量中所占的比例；

③场景三按不可控负荷的等级切除不可控负荷，以切除不可控负荷的失电代价最小为目标函数，即

式中，d为切除的不可控负荷节点的集合，pl2-i(t)为t时刻节点i的不可控负荷量，kc为切除的第c等级不可控负荷获得的赔偿费用；

三个场景目标函数的约束条件如下所示，即

①辐射状结构

gk∈gk

式中，gk表示已恢复的供电区域，gk表示保证配电网辐射状的所有拓扑结构集合；

②配电网各线路的容量约束

il≤ilmax,(l＝1,2,…,n)

式中，il为流过线路l的电流，ilmax为流过线路l的最大电流，n为配电网支路数量；

③节点电压约束

uimin≤ui≤uimax,(i＝1,2,…,m)

式中，umin、umax分别为节点i的电压下限和电压上限，m为配电网节点数量；

④孤岛静态稳定储备系数

由于孤岛网损较小，不考虑具体的计算过程。借鉴中国现行的《电力系统安全稳定导则》，规定事故后孤岛运行方式需满足的静态稳定储备要求如下，即

式中，pdg(j,t)代表第j个分布式电源在t时刻的出力，代表t时刻被第j个分布式电源恢复供电的节点的负荷量之和，分子代表孤岛可增加的有功储备量，分母代表孤岛内可供电的负荷量，由于系统内含有大量的无功补偿设备，无功功率不作为主要研究对象；

⑤储能装置充放电约束

式中，分别为t时刻储能装置的实际充电、放电功率；为储能装置放电功率的上、下限，为储能装置充电功率的上、下限；

⑥传统分布式电源放电约束

式中，为t时刻分布式电源的实际放电功率，pdismax为传统分布式电源的最大放电功率约束。

(4)采用博弈论的方法进行孤岛恢复，博弈论的方法建立如下：

①博弈参与人

博弈参与人包括光储分布式电源和传统分布式电源；

②博弈策略

首先，各个分布式电源之间开展非合作博弈，采用广度优先算法进行孤岛分区，形成初始孤岛区域，然后各个分布式电源之间开展合作博弈，对分区进行优化处理。

非合作博弈策略，每个分布式电源以各自所在的负荷节点为根结点，以各自的能量有效利用率为目标调用生成树算法进行搜索，优先恢复等级高的负荷，直到搜索到容量不足或其他分布式电源的根结点为止，从而形成初始孤岛搜索区域。

假设a个分布式电源作为博弈参与人，博弈参与人集合n＝{d1,d2,...,da}，第e(e∈n)个参与人策略集合为se，孤岛恢复策略组合定义为各参与人策略集合的乘积，即开展有限次博弈，第k次博弈中，孤岛恢复策略组合在其他参与人策略不变的前提下，优化de的策略使得该参与人收益最大化；假设第k次博弈中，得到的策略组合和第k+1次博弈中得到的策略组合相同，此时达到纳什均衡点，博弈参与者均使得自身收益最大化。

合作博弈的策略，若两个孤岛之间有联络开关相连或者彼此区域相邻或重叠，且两个孤岛联盟可以扩大恢复范围，则可采用合作博弈合并成一个孤岛联盟，以实现资源的共享，恢复更多的负荷。

假设全体博弈参与者的博弈组合集合为g＝{g1,g2,...,gb}，其中博弈组合为多个博弈参与人组成的联盟或单个博弈参与人，第f(f∈g)个博弈组合孤岛恢复策略组合为

③收益函数

定义能量有效利用率作为每个分布式电源的收益函数，即

式中，pl(i,t)为节点i在t时刻接入电网的负荷量，dj为第j个分布式电源所在供电孤岛区域内所有负荷的集合，pdg(j,t)为第j个分布式电源在t时刻的出力；

假设与de相博弈的其他博弈参与人将采取策略，在使自身收益最大的前提下，使得de的收益最小，同时，de又要使自己的收益最大，收益函数如下，即

式中，和分别为de和其他博弈参与人的策略集合，为de的能量有效利用率收益函数；

若博弈组合模式集合g＝{g1,g2,...,gb}相应的收益集合为则这种博弈模式的总收益为：

④收益分配

在合作博弈中，利用夏普利值方法计算孤岛联盟中各个参与人的收益，公式如下，即

式中，a为此次博弈所有的参与人数，a表示孤岛联盟a中参与人的个数，p(a)为孤岛联盟a的收益，p(a/g)表示局中人g离开孤岛联盟a后孤岛联盟a的收益值；

利用夏普利值方法需要满足超可加性条件，所述超可加性条件为式中，pdg为分布式电源的实际出力，分别为分布式电源出力的下限和上限。

(5)建立故障周期修复优化模型，优化整个修复周期的恢复方案；

以整个恢复周期停电区域内恢复的负荷量最大为目标函数，建立故障周期修复优化模型，即

式中，qi代表不同类型负荷所占的比重，m为切除的负荷节点的集合，t为故障修复周期，pit′(t)为节点i在t′时段恢复的负荷量。

故障周期修复优化模型目标函数的约束条件为每个故障恢复时段开关操作次数约束，即

ntotal<nmax

式中，ntotal为上一时段故障期间开关操作的次数，nmax为每个时段开关操作次数的最大允许值。

本实施例主动配电网大面积断电动态孤岛恢复方法的具体流程如图1所示，本实施例以改进的ieee69节点配电网为算例验证策略的有效性，改进的ieee69节点配电系统示意图如图2所示，该配电网共有69个节点，1条联络开关支路(处于断开状态)，68条分段开关支路(处于闭合状态)，额定电压为12.66kv；本实施例中的负荷按等级划分，分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，又可以根据是否可以削减分为可控负荷和不可控负荷，不可控负荷不可中断供电，可控负荷为可中断负荷；接入主动配电网的负荷节点的负荷量pl包括可控负荷负荷量pl1和不可控负荷负荷量pl2。假设各节点负荷值固定不变，所有负荷等级如表1所示，所有的三级负荷含有30％的可控部分。

表1负荷等级

光储分布式电源分别为：dg1、dg2、dg4和dg5，其中，太阳能电池组件的个数分别是1790、1700、1280和1400块。当地的最大辐照度emax＝809w/m²，太阳能电池组件面积2.16m²，每个组件光电转换效率是13.44％，光储分布式电源储能额定有功出力为50kw,用神经网络算法预测光储系统出力曲线如图3所示；传统分布式电源分别为：dg3、dg6和dg7；假设单位小时内所有分布式分布式电源出力恒定，它们的额定有功出力和接入节点如表2所示，取最大开关操作次数nmax为8。

表2dg接入节点和额定有功出力

假设在11:00时，负荷节点1和2之间发生永久性故障，故障修复周期为t＝5h，负荷总量为2448kw，11:00-12:00、12:00-13:00、13:00-14:00这三个时间段内，在不考虑可控负荷的前提下，主动配电网的最大负荷恢复能力分别是2835kw、3048kw、2915kw，属于场景一；14:00-15:00时间段内，在考虑可控负荷的前提下，主动配电网的最大负荷恢复能力是2655kw，且考虑百分之十的裕度后，属于场景二；15:00-16:00时间段内，在考虑可控负荷的前提下，主动配电网的最大负荷恢复能力是2425kw，即使切除所有可控负荷，还不能恢复所有负荷，属于场景三；

(1)场景一

在11:00-12:00，以式为目标函数进行资源的调度，然后每个分布式电源以式为自己的收益函数进行孤岛分区恢复；以分布式电源所在节点为根结点，在满足孤岛静态稳定储备系数约束条件下，以发电量为半径进行搜索确定初始孤岛的范围。以dg1的生成树搜索为例进行说明，如图4所示，倘若不考虑孤岛静态稳定储备约束，则可以恢复节点59,60,61,62,63,64,65和66，为了保证孤岛安全稳定，应该考虑功率裕度，由于dg1的容量只能恢复59和65节点中的一个，且65节点是一级负荷，因此优先恢复65节点，最终dg1可恢复的节点有60,61,62,63,64和65，其它dg的孤岛范围确定方式与此相同，每个孤岛协调各自的利益，得到初始孤岛范围如图5所示。

由图5可知，负荷节点14,15,16,37,38,39,40和41没有被恢复，区域a与区域b相邻，由于dg1和dg4形成一个联盟后可以恢复节点59，扩大了恢复区域，因此dg1和dg4形成一个联盟；同理dg2和dg7形成一个联盟；由于dg6和dg3由联络开关相连，也可形成一个联盟，且可恢复部分负荷，dg经过合作后，最终得到的孤岛恢复示意图如图6所示，实现了所有负荷的恢复。

由图5和图6可知，dg1、dg4在非合作博弈下的收益和dg1与dg4的联盟收益分别表示为：

p({dg1})＝278kw，p({dg4})＝200kw，p({dg1、dg4})＝538kw。

各个dg的利益分配如下：

由此可知，v＝(308kw,230kw)为联盟a的合理分配方式，即该联盟博弈的核心。

由于12:00-13:00和13:00-14:00时间段内的故障恢复场景同属于场景一，各个dg的有功出力基本呈上升的趋势，每个孤岛区域和联盟满足孤岛静态稳定储备系数的约束条件，因此，依然保持11:00-12:00时间段内的的恢复状态，且应避免大量开关的操作，其恢复结果如表3所示。

(2)场景二

在14:00-15:00时间段内，由于所有dg不足以恢复失电区域的负荷，因此需要削减部分可控负荷。为了减少开关操作次数，在图6的恢复结果上进行改进，通过削减节点14,15,24,25,26,43,45,48,50,52和68的可控负荷，联盟a和联盟c的孤岛区域不变；削减节点31和35的可控负荷，dg2的孤岛区域包括节点31,32,33,34,35；由于联盟b不能比dg2和dg7单独形成孤岛恢复更多的负荷，因此dg2单独形成一个孤岛，而通过削减节点3,12,36,38,39,55和56的可控负荷，剩余负荷节点由dg5和dg7组成的联盟恢复供电，其恢复结果如表3所示。

(3)场景三

在15:00-16:00时间段内，由于削减所有可控负荷后的所有dg仍然不足以恢复失电区域的负荷，因此需要削减部分不可控负荷。为减少开关操作次数，优先考虑上一时段的孤岛划分结果是否可以在该时段继续保留，在本实施例中，上一时段的孤岛划分结果不可以在本时间段继续保留，应以恢复失电区域的负荷量最大为目标，通过削减可控负荷优化后的恢复结果如表3所示。

表3孤岛动态恢复结果

由表3可见，本发明给出的恢复方法可以有效解决大面积停电的配电系统孤岛恢复问题，通过各个dg之间的协作和利益的公平分配，以及考虑孤岛静态稳定储备系数约束条件后，实现了整个系统的有效恢复，稳定运行，降低了负荷失电后的经济损失。