本发明涉及配电自动化技术领域，特别是涉及基于a*算法与烟花算法的配电网故障恢复方法。
背景技术：
配电网故障恢复是指当配电馈线某处发生故障时，馈线自动化启动快速定位和隔离故障后，通过各种开关的配合动作为停电的非故障区域恢复供电。配电网的故障恢复不仅在保证配电网安全经济运行中发挥着重要作用，而且关系到国民经济生产的持续发展。
随着智能电网建设的不断推进，要求未来的配电网能够自由接纳各类分布式电源，近些年来，风电、太阳能发电、小型燃气轮机发电等分布式发电(distributedgeneration，dg)在配电系统中的渗透率不断提高，其扮演的角色越来越突出，为此，不得不考虑分布式电源对配电网的故障恢复的影响。另一方面，从ieee1547-2003标准开始，已经不再禁止孤岛的出现，而是鼓励供电方和用户通过技术手段实现有意识地孤岛运行。因此研究如何在配电网故障时，综合利用系统和dg发电能力，实现故障恢复，对提高系统供电可靠性具有十分重要的意义和价值。
在传统配电网中，由于其不含有分布式电源，故障恢复无需考虑孤岛划分的问题，仅需要考虑一个统一网络的重构问题。现代智能配电网中，由于dg的大量加入，不得不考虑dg的发电能力以及合理的孤岛划分，进而来提高系统的可靠性。目前解决该问题的方法大多采用孤岛划分和主网重构两个过程独立执行，进行分别求最优解，再通过简单的协调规则整合生成最终的恢复方案。但是该算法存在一些明显的缺陷，两个过程采用的方法往往不相同，且优化的标准可能不相同，优化目标不统一，导致最终结果不尽人意。另外，两个过程的最优解不代表就是全局的最优解，无法实现全局最优化。两个过程相互影响，第一阶段具有绝对的优先级，在目标函数的驱使下，必然会尽可能扩大供电范围，优先抢占重要负荷，导致下一阶段中重要路径遭到破坏，难以得到满意的恢复方案。
对于配电网故障恢复网络重构部分中，主要的研究方法可以分为三类：数学规划方法、启发式方法、人工智能优化算法。数学规划方法求解过程中一般要进行近似和简化处理，严重的维数灾将导致计算时间长，难以满足故障恢复快速性的要求；启发式方法以其快速性，得到业界的广泛关注，但其遍历搜索过程依赖节点编号顺序，编程实现逻辑复杂且难以保证恢复效果；以遗传算法为代表的人工智能优化方法通过随机搜索可能产生大量的不可行解，计算效率差，耗时严重而无法忍受，距离实时应用的要求还较远。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于a*算法与烟花算法的配电网故障恢复方法。
基于a*算法与烟花算法的配电网故障恢复方法，首先读取配电网原始数据，对配电网进行简化，把非故障失电区域中的联络开关转化为虚拟分布式发电装置dg，并对dg进行分类。第一阶段使用启发式算法a*算法恢复简化后的失电区重要负荷的供电。第二阶段在第一阶段的基础上使用烟花算法对尚未恢复的非故障失电区域的负荷进行恢复供电。最后综合两阶段的最优方案，确定最终的故障恢复方案。
基于a*算法与烟花算法的配电网故障恢复方法，步骤为：
步骤(1)：读取配电网原始数据，对配电网进行简化；
步骤(2)：在非故障失电区域内，将联络开关转化为虚拟分布式发电装置dg，并且对虚拟分布式发电装置dg进行分类；
步骤(3)：第一阶段采用a*算法对非故障失电区域中的重要负荷进行恢复供电；
步骤(4)：第二阶段采用烟花算法对非故障失电区域中的尚未恢复的负荷进行恢复供电；
步骤(5)：综合第一阶段和第二阶段的最优解，介于第二阶段的算法是基于第一阶段恢复之后的配电网，所以两阶段的解并无冲突，可以直接将两阶段的解合并，得到全局最优故障恢复方案。
所述步骤(1)的步骤为：
首先读取配电网原始数据，所述配电网原始数据，包括：各支路阻抗、负荷功率以及配电网拓扑结构，搜索所有重要负荷，所述重要负荷，包括：所有一级负荷和二级负荷，并判断是否有两个或两个以上重要负荷直接相连，将所有直接相连的重要负荷等值为一个重要负荷，功率为所有被等值负荷的功率与所有被等值负荷内部线路损耗之和，将简化后的重要负荷按照负荷的功率从大到小的顺序排列，放入队列im中，im记录的是所有的重要负荷节点。
所述步骤(2)中：
将馈线间联络开关称为虚拟分布式发电装置dg，虚拟分布式发电装置dg的有功备用容量pm为
pm＝uavimcosθ(1-1)
其中，uav为平均额定电压；cosθ为平均功率因数；
所述步骤(2)中：
将所有分布式发电装置dg，包括由联络开关转换而来的虚拟分布式发电装置dg和配电网中真实存在的分布式发电装置dg，按照功能分为三类：
第一类，虚拟分布式发电装置dg，由联络开关转换而来，不可以与其他虚拟分布式发电装置dg并网；
第二类，带有黑启动的真实存在的分布式发电装置dg，带有黑启动的真实存在的分布式发电装置dg允许与第一类虚拟分布式发电装置dg，第二类实际分布式发电装置dg本身以及第三类实际分布式发电装置dg并网；
第三类，不带有黑启动的实际分布式发电装置dg，不带有黑启动的分布式发电装置dg只有与第一类和第二类dg并网运行才能够为非故障失电区域负荷供电。
所述步骤(3)的步骤为：
步骤(3-1)：建立目标函数：
1)最大限度的恢复重要失电负荷：
其中，m为非故障失电区域中重要负荷的个数。pi为第i个重要负荷的功率，f1为重要负荷的功率之和。
2)在第一阶段中恢复非重要负荷的个数达到最少：
f为非故障失电区域中非重要负荷的个数，pi'为第i非重要负荷的功率，f2非重要负荷的功率之和。
步骤(3-2)：建立约束条件：
步骤(3-2-1)：节点电压约束：
vimin≤vi≤vimax(4)
步骤(3-2-2)：支路潮流约束：
步骤(3-2-3)：虚拟分布式发电装置dg孤岛非连通约束：
dj1∩dj2＝0dj1,dj2∈sdx(6)
步骤(3-2-4)：分布式发电装置dg功率约束：
式中，vi为节点i实际电压，vimin为节点i实际电压的上限，vimax为节点i实际电压的下限；sl为支路l实际潮流，
在进行a*算法之前，寻找所有直接与第一类和第二类dg相连的节点放入集合e中，e中记录的是终节点，即解节点。
步骤(3-3)：执行a*算法。
所述步骤(3-3)的步骤为：
步骤(3-3-1)：检测队列im是否为空，若队列im为空则a*算法结束，进行第二阶段烟花算法；若不为空，则把队列im中当前第一个节点记为s放入open表，记耗散值g＝0，令closed为空表；
步骤(3-3-2)：选取open表中未设置过的，且具有最小g值的节点为最佳节点bestnode，并把最佳节点bestnode放入closed表；
步骤(3-3-3)：若最佳节点bestnode为目标节点，则成功求得一解，进行解验算，验算当前的解节点到初始节点的最优路径是否满足约束性；若满足约束转到步骤(3-3-7)，若不满足约束转到步骤(3-3-8)；
步骤(3-3-4)：若最佳节点bestnode不是目标节点，则对最佳节点bestnode不进行扩展，产生后继节点succssor；
步骤(3-3-5)：计算每个后继节点succssor的耗散值g(suc)：
g(suc)＝g(bes)+k(suc)*q(suc)；
其中，g(bes)为最佳节点bestnode节点的耗散值，k(suc)*q(suc)为从bestnode节点到后继节点succssor所需要的代价，所述代价与后继节点succssor的负荷等级以及负荷容量有关，若后继节点succssor为重要负荷，则将后继节点succssor编号放入集合c中，并且令k(suc)为-1.5，否则令k(suc)为1，q(suc)为后继节点succssor节点的负荷；
步骤(3-3-6)：把后继节点succssor放入open表中，转到步骤(3-3-2)；
步骤(3-3-7)：将当前运算的起始节点s与集合c中的所有节点从m中删去；寻找解节点的过程，实际是形成了一条从当前负荷量最大的重要负荷节点到最优dg的一条最优路径，由于解的单一性，所以最优路径无分支。若生成的最优路径中的dg还有裕量，且足以给与起始节点直接相连的非供电侧的任意节点供电，则将生成的最优路径等值为一个与dg相连的负荷节点，等值后的负荷节点与生成的最优路径的全部末梢子节点相连，原dg类型保持不变，将等值后的负荷节点放到e中，作为解节点，并且转到步骤(3-3-1)，否则不做等值，直接转到步骤(3-3-1)；
步骤(3-3-8)：将所述目标节点扩展，产生后继节点succssor，转到步骤(3-3-5)。
所述步骤(4)的步骤为：
步骤(4-1)建立目标函数：
步骤(4-1-1)最大限度的恢复剩余失电区域的负荷：
其中，g为非故障失电区域中尚未恢复的负荷的个数，pi”为第i个尚未恢复负荷的功率。f3为第一阶段中尚未恢复负荷的功率之和。
步骤(4-1-2)开关操作次数最少：
其中，m为非故障失电区域中分段开关的数量，由于联络开关在第一阶段中已经转化为虚拟分布式发电装置dg，作为电源，故在开关操作次数最少的目标函数下不再考虑联络开关的闭合问题，f4为操作开关的次数总和。
步骤(4-2)建立约束条件：
步骤(4-2-1)节点电压约束：
vimin≤vi≤vimax(4)
步骤(4-2-2)支路潮流约束：
步骤(4-2-3)虚拟分布式发电装置dg孤岛非连通约束：
dj1∩dj2＝0dj1,dj2∈sdx(6)
步骤(4-2-4)分布式发电装置dg功率约束：
式中，vi为节点i实际电压，vimin为节点i实际电压的上限，vimax为节点i实际电压的下限；sl为支路l实际潮流，
步骤(4-3)：执行烟花算法步骤；
烟花算法结束后，若得到一个最优解，则对最优解进行解码，得到所有的分段开关的打开和闭合情况。若无法得到的最优解，则将非支配解集np中的解取出，根据实际需要，选取最合适的解，对最合适的解进行解码，得到所有开关的打开和闭合情况。
所述步骤(4-3)的步骤为：
步骤(4-3-1)：系统初始化，读入第一阶段运行后的配电网基础参数和运行数据，配电网基础参数和运行数据，包括：合并后的各支路阻抗、负荷功率以及配电网拓扑结构，同时设置烟花算法参数：最大迭代次数为n，火花总数为m，收敛标准差为σa；
步骤(4-3-2)：置进化代数n为0，然后随机生成p个解，组成解集p，并且创建一个空的非支配解集np，从解集p中选择非支配解放进np，采用二进制方式对目标函数和约束条件进行编码；
步骤(4-3-3)：对解集p中每个解进行越限检查：将解集p中的个体解码后，通过对原始配电网进行三相前推回推潮流计算，得到配电系统潮流分布状态，按约束条件检查有无个体越限，若有则剔除越限个体，同时随机生成新个体进行补齐，直到不再有越限个体为止；
步骤(4-3-4)：对解集p中的每个解进行爆炸操作：计算每个烟花的爆炸火花数目和爆炸半径，生成爆炸火花以及高斯爆炸火花进行搜索，计算所有火花的适应度，从所有火花中选出非支配解来更新np；
步骤(4-3-5)：用轮盘赌的方法从烟花和火花中一共选择p个解，对于每个解使用变异、交叉和选择得到一个交叉解ui，
当目标函数为取最大值，若交叉解ui大于xi，则用ui替换xi并且用ui去更新np；
当目标函数为取最小值，若交叉解ui小于xi，则用ui替换xi并且用ui去更新np；
步骤(4-3-6)：选择一个适应度值最优的解，用轮盘赌选择p-1个解，组成新的p。轮盘赌的选择概率取决于当前解与其他解的距离，与其他解距离越大，选择的概率越大，与其他解距离越小，选择的概率越小；
步骤(4-3-7)：如果终止条件满足，则烟花算法停止；否则跳至步骤(4-3-3)；所述终止条件为达到最大迭代次数或者适应度标准差小于收敛标准差。
步骤(2)：在非故障失电区域中，失电负荷既可以通过虚拟分布式发电装置dg进行恢复，也可以通过馈线间联络开关线得到恢复。联络开关线与大电网相连供电能力受线路载流能力约束，但短时故障下负荷波动小，联络开关线和带储能装置的虚拟分布式发电装置dg皆可视为出力近似恒定的电源。为便于说明，将馈线间联络开关称为虚拟分布式发电装置dg。在故障恢复过程中联络开关与虚拟分布式发电装置dg功能相同，均可以为失电区负荷供电。
步骤(2)：在非故障失电区域内，由联络开关转换的虚拟分布式发电装置dg之间不可以并网，因为一旦虚拟分布式发电装置dg并网则形成环网违背配电网辐射状结构的原则。一部分虚拟分布式发电装置dg没有黑启动功能，必须经过并网通过其他的虚拟分布式发电装置dg获取启动电源，才能给非故障失电区供电。
重要负荷恢复供电过程中尽可能避免恢复非重要负荷供电，以减少非重要负荷在第一阶段被恢复，为下一阶段的烟花算法优化提供尽可能多的可操作开关，进而为烟花算法提供更多的开关组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一、本发明将联络开关转化为虚拟分布式发电装置dg进行全局寻优，避免了大多数配电网故障恢复算法将孤岛划分和网络重构分步执行难以得到全局最优的状况。
第二、本发明考虑了dg的黑启动能力，并且据此对dg进行合理的分类，提高了实际工程可操作性。
第三、本发明将寻优过程分为两个阶段，第一阶段使用a*算法，将简化后的重要负荷作为初始节点，dg作为终节点，保障了简化后的每一个重要负荷都可以得到最优的路径恢复供电，且使用启发式算法，保证第一阶段的快速性。a*算法结束后，失电区的重要负荷与所连接的dg被等值为一个与dg相连的负荷节点。仅剩下非重要负荷，减少了烟花算法的搜索的解空间。
第四、本发明的第二阶段在第一阶段的优化后运行，缩小了待恢复区，大大减少了解搜索空间，进一步保证了快速性的要求。
第五、本发明在第二阶段使用了新兴的人工智能算法烟花算法，进行多目标优化问题的寻优，使用支配强度来评估个体的适应度并用来选择，引入差分进化的操作来增强算法的搜索能力和多样性，与其他人工智能算法相比具有更高的稳定性，更快的收敛速度和更好的解的质量。
第六、本发明在第二阶段中使用了烟花算法，进行多目标优化问题的寻优，得到的解是最优解或者是由操作员根据实际需求选择非支配解集中的解，提高了实际工程实用性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明基于a*算法与烟花算法的有源配电网故障恢复方法的控制流程图。
图2为ieee33节点配电系统原始图。
图3为简化后的配电网，将相邻重要负荷合并为一个重要负荷。
图4为联络开关转化为虚拟分布式发电装置dg后的配电网，由于节点5附近故障，分段开关4-5，5-6断开隔离故障，33-18的联络开关并未与大电网相连，则无需转化，在这里仅作开关使用。
图5为a*算法中重要负荷供电恢复图。
图6为经过第一阶段a*算法把重要负荷恢复供电后的简化图。
图7为烟花算法的故障恢复方案
图8为故障发生后，经过隔离、恢复供电后的33节点故障恢复方案图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例
本实施例按照图1所述流程图进行操作。
本实施例所用的配电网图如图2所示。该配电网共有33个节点，有功负荷3715kw，无功负荷2300kvar，节点1为松弛节点，计算采用标幺值(取电压基准值为12.66kv，功率基准值为10mva)。为了增大系统规模，每条支路上都有开关，即开关数等于支路数，即该配电网共有33个节点，32条支路，3条联络开关支路。系统基本数据和dg信息见附录。
本实施例的恢复方法具体操作步骤如下：
(1)节点5附近故障，分段开关4-5，5-6断开隔离故障后，读取配电网原始数据，对配电网进行简化，将相邻重要负荷合并。如图3所示，节点27和28为直接相连的重要负荷可以合并为26'，合并后的有功功率为120kw，无功功率为45kvar，忽略损耗。同理重要负荷9和10合并后为9'，其有功功率为120kw，无功功率为40kvar。
(2)将联络开关转化为虚拟分布式发电装置dg，并且进行dg分类。将联络开关25-29转换为虚拟分布式发电装置dg4，联络开关12-22转换为虚拟分布式发电装置dg5，如图4所示。则dg可以分为三类：
第一类dg(虚拟分布式发电装置dg)：dg4，dg5
第二类dg(可以黑启动)：dg1，dg2
第三类dg(不可以黑启动)：dg3
(3)简化后非故障停电区的重要负荷如表3所示。则m中存储的节点号分别为：30，27，9，12。e中存储的节点号分别为7，12，29，31。
(4)使用a*算法进行重要负荷寻找最优dg，得到恢复方案如图5所示。
(5)对a*算法之后的配电网进行简化，简化后配电网如图6所示，27”为原配电网中27，28，29，30的四点负荷以及内部损耗之和，9”为原配电网中9，10，11，12的四点负荷以及内部损耗之和。
(6)进行烟花算法的多目标求解，得到恢复方案如图7所示，即最终故障恢复方案，最终得到33节点故障恢复图如图8所示。
表133节点配电系统基本参数
表2分布式电源信息
表3简化后配电网的重要负荷
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。