基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复方法与流程

本发明涉及配电网故障定位和供电恢复领域，具体涉及基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复方法。

背景技术：

1、分布式发电(distributed generation，dg)是指分散配置在用户附近的几十kw到几十mw的小规模发电装置，如燃气轮机、内燃机以及以太阳能光伏电池、燃料电池、风能为能源的新型发电装置。由于分布式发电能提高能源利用效率、节能、多样化地利用各种清洁和可再生能源，dg在未来的智能电网中的应用将会越来越广泛。dg通常直接接入配电系统，具有并网运行和孤岛运行两种运行模式。并网运行模式是指dg接入电网后与原有系统一起向负荷供电的运行模式；孤岛运行模式是指电网发生故障后，dg和主电网分离，对停电区域负荷独立供电的运行模式。在电网发生故障时，可利用dg的孤岛效应对配电网重要负荷进行供电，为智能配电网应对大面积停电，提供了一种思路。

2、在智能电网发展的背景下，故障自愈成为配电网故障处理的必然要求，而故障定位和供电恢复是故障自愈的重要内容和核心功能，也是近年来研究的热点，尤其是分布式电源大规模并网的情况下，如何快速准确的定位故障区段、制定转供电手段具有重要意义。故障定位分为精确定位和区段定位。故障精确定位通过测量监测点到故障点的距离来确定故障位置，便于工作人员排查故障；故障区段定位通过各监测点的数据确定故障区段，以便于隔离故障，制定转供电手段，缩小停电范围。

3、常见的故障定位方法有：阻抗法、行波法、s信号注入法等。阻抗法在故障定位时极易受电源参数和线路阻抗影响，只适用于结构简单的配电网中，在分支多、结构复杂、含电缆线路或者dg的复杂配电网中定位效果较差。行波法在面对分支众多、线路型号混杂、负荷波动大的复杂配电网时，易出现行波交错叠加的现象，而dg的广泛接入使配电网变得更加复杂，因此定位结果不准确。s信号注入法在接地点的过度电阻大于1kω时，对地电容分流较大，定位准确度随过渡电阻的增大而降低，定位效果较差。

4、常见的配电网供电恢复策略主要有数学规划法和智能算法。数学规划法主要存在转化过程复杂、计算量大、运算时间长等问题。相比之下，智能算法具有更好的应用前景。基于智能算法的配电网重构，首先需建立一个多目标多约束的数学模型，包括负荷的恢复量、开关次数、网损损耗、电压分布等目标，电压偏移、支路功率、网络辐射状等约束，将拓扑重构问题转化为多目标非线性优化问题，然后利用智能算法对数学模型进行求解。

5、综上，现有故障定位方法存在故障判据不合理、算法性能差两方面的问题，导致基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复的实用性不好。与此同时，现有的智能算法在指定供电恢复策略时，忽视了配电网故障后分布式电源的分类(例如能否作为备用电源或者能否并网运行等)，这导致基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复的可靠性不好。因此，如何设计一种能够提高配电网供电恢复实用性和可靠性的方法是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复方法，能够在基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网中对故障区段进行准确搜索，并且能够考虑分布式电源在故障后运行特性的分类，以适应基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网的特点，从而能够提高基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复的实用性和可靠性，并从根本上解决了智能配电网的恢复重构问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复方法，包括：

4、s1：基于故障信息对各分段开关进行状态编码；同时根据馈线区段和分段开关的拓扑关系，为各分段开关建立适应分布式电源投切且表征区段状态和开关状态间逻辑关系的开关函数；

5、s2：基于各分段开关的状态编码和开关函数建立配电网的故障定位目标函数；

6、s3：通过布谷鸟搜索算法求解故障定位目标函数，定位配电网的故障区段；

7、s4：对分布式电源故障后的运行特性进行分类；然后对配电网进行潮流计算得到各节点的电压、功率和网损情况，并结合配电网的故障区段和分布式电源运行特性的分类结果构建考虑负荷优先级的故障恢复重构模型；

8、s5：通过粒子群算法求解故障恢复重构模型得到配电网重构的最佳开关操作，进而基于最佳开关操作实现配电网的供电恢复。

9、优选的，步骤s1中，分段开关状态编码的规则如下：

10、1)若馈线终端设备测得的零序电压相位超前零序电流90度，则定义馈线终端设备有故障信号，ftu＝1；

11、2)若馈线终端设备测得的零序电压相位滞后零序电流90度，则定义馈线终端设备无故障信号，ftu＝0。

12、优选的，步骤s1中，通过如下公式表示分段开关的开关函数：

13、

14、式中：fj(li)表示故障时分段开关的期望状态向量；li表示馈线区段状态向量；∪表示或运算；m2表示开关j下游区段个数；m1表示开关j上游区段个数，下游是指分段开关到馈线末端或分布式电源，上游是指分段开关到主电源；p表示线路中分布式电源总数；ks为0-1变量，1表示该开关下游第ks个分布式电源并网运行。

15、优选的，步骤s2中，通过如下公式表示配电网的故障定位目标函数：

16、

17、式中：e(li)表示关于开关状态编码和开关函数的数学评价模型；li表示馈线区段状态向量；fj(li)表示故障时分段开关的期望状态向量；fj表示开关实际状态向量；m表示线路中开关总数；n表示馈线区段数；ω表示判断系数，取0.5；

18、其中，对e(li)求最小值，对应的最优解向量bestli即为故障区的段定位结果，其形式为l＝[0…0…1…0]，第i个元素为1表示对应的编码为i的馈线区段发生故障；

19、当fj(li)＝fj时，e(li)＝0，此时对应的li为最优解。

20、优选的，步骤s3中，布谷鸟搜索算法通过如下步骤求解故障定位目标函数：

21、s301：设置基本参数：设发现概率pa＝0.25，迭代次数为t，qn为鸟窝个数，n为鸟窝的维数，即馈线区段个数，每个窝的位置为包含故障区段信息的向量li；

22、初始化鸟窝位置，即生成[qn＝n]矩阵，并将其二进制化；二进制后的1、0表示对应区段是否故障；输入j维开关实际状态向量fj，j为分段开关的数量；

23、s302：评估初始qn个鸟窝的位置：将qn个窝对应向量分别带入故障定位目标函数，比较qn个窝的目标函数值，得到并记录最小值mine和最小值对应的最优窝li；

24、s303：通过lévy飞行更新位置产生新的窝，并将其二进制化；

25、s304：评估更新后的qn个窝，并将其与最优窝li对比，得到最小值mine和最小值对应的最优窝，并更新当前最优窝li；

26、s305：比较随机数[0,1]内分布的随机数εn与发现概率pa的大小：若εn＜pa，则执行步骤s306；若εn≥pa，则执行步骤s307；

27、s306：通过随机偏好行走形成新的窝，并将其二进制化；

28、s307：评估更新后的qn个窝，并将其与上述最优窝li对比，得到最小值mine和最小值对应的最优窝，并更新当前最优窝li；

29、s308：判断是否完成迭代：若完成，则执行步骤s309；否则，则执行步骤s303；

30、s309：输出最小适应度值和对应的最优窝li；

31、其中，最优窝li为分段开关上传开关实际状态向量fj时，配电网中发生故障的馈线区段状态向量，最优窝li中第i个元素为1，表示第i个馈线区段发生故障，即故障区段。

32、优选的，步骤s4中，配电网的分布式电源包括pq、pv、pq(v)、pi四种节点类型；

33、1)pq节点

34、pq类分布式电源是负发出功率的等功率负荷，其潮流方向与负荷相反；

35、潮流计算模型为：

36、

37、式中：p表示节点发出的有功功率；q表示节点发出的无功功率；-pdg(pq)、-qdg(pq)分别表示pq节点的有功功率和无功功率；

38、2)pv节点

39、pv类分布式电源采用恒压控制，其有功功率和电压为恒定值；

40、潮流计算模型为：

41、

42、式中：p表示节点发出的有功功率；u表示节点的电压；-pdg(pv)表示pv节点的有功功率；udg(pv)表示pv节点的电压；

43、3)pq(v)节点

44、pq(v)类分布式电源在潮流计算中输出的有功功率恒定，无功功率随电压的变化呈函数关系变化；

45、潮流计算模型为：

46、

47、式中：p表示节点发出的有功功率；q表示节点发出的无功功率；-pdg(pq(v))表示pq(v)类分布式电源的有功功率；-f(ut-1)表示上一次迭代的电压值ut-1再进行一次迭代后的值；

48、4)pi节点

49、pi类分布式电源以电流控制的逆变器进行并网，其有功功率和注入主网的电流均为恒定值；

50、潮流计算模型为：

51、

52、式中：p表示节点发出的有功功率；i表示节点的电流；-pdg(pi)表示表示pi类分布式电源的有功功率；idg(pi)表示pi类分布式电源的注入电流；

53、pq、pv、pq(v)、pi四种类型的节点的无功功率由恒定的有功功率、注入电流和上一次迭代的电压幅值决定；

54、公式描述为：

55、

56、式中：qt表示分布式电源第t次迭代时的无功功率；表示第t次迭代的电压；表示第t-1次迭代的电压；et·1、ft·1分别表示电压的实部和虚部；i表示分布式电源的电流恒定值；p表示有功功率恒定值；

57、在潮流计算中，第t-1次迭代得到的pi节点的无功功率qt-1，在第t次迭代时，将其作为容量为p+jqt·1的pq节点处理。

58、优选的，通过前推回代对配电网进行潮流计算，包括如下步骤：

59、s401：初始化配电网参数；设定最大迭代次数、馈线根节点电压、支路阻抗、各节点负荷；

60、s402：根据配电网拓扑结构生成节点关联矩阵和支路阻抗矩阵；

61、s403：根据节点关联矩阵和支路阻抗矩阵从配电网末端开始逐段前推，求得各节点的注入电流和各支路电流；

62、公式描述如下：

63、

64、

65、式中：表示节点i第k+1次迭代的注入电流；表示节点i的注入功率；表示节点i第k次迭代的电压；表示支路i第k+1次迭代的支路电流；表示支路j第k+1次迭代的支路电流；yi表示节点i的电导；bi表示节点i的电纳；

66、s404：根据首端电压和求得的各支路电流向末端逐段回代，求得的各节点的电压；

67、公式描述如下：

68、

69、式中：表示节点j第k+1次迭代的电压；表示节点i第k+1次迭代的电压；表示支路j第k+1次迭代的支路电流；zj表示支路j的阻抗；

70、s405：通过节点电压偏差和最大迭代次数判断是否满足收敛条件；

71、其中电压偏差的收敛条件为：

72、

73、式中：和分别表示节点j第k+1次和第k次迭代的电压；ε表示收敛精度；

74、若两次迭代的电压差小于收敛精度，则满足收敛条件退出运算；否则，重复步骤s403和s404，直至满足收敛精度或者达到最大迭代次数。

75、优选的，步骤s4中，故障恢复重构模型包括孤岛划分目标函数；

76、通过如下公式表示孤岛划分目标函数：

77、

78、式中：f表示负荷恢复量；m表示失电区域的负荷数；i表示负荷节点编号；pli表示第i个节点负荷的有功功率，hli表示该节点的负荷权重系数；

79、孤岛划分目标函数的约束如下：

80、1)孤岛内分布式电源容量约束

81、孤岛内分布式电源的总有功功率应大于负荷的总有功功率，公式描述如下：

82、

83、式中：ndg表示孤岛内分布式电源的数量；表示第i个分布式电源的有功功率；ni表示孤岛内负荷节点数；pli表示第i个节点负荷的有功功率；

84、2)节点电压约束

85、节点电压在允许范围内取值，公式描述如下：

86、umin≤ui≤umax；

87、式中：ui表示孤岛内第i个负荷节点实际电压，其不能超过系统所允许节点电压的上、下限值umax、umin；

88、3)支路功率约束

89、支路传输容量不大于其最大传输容量，公式描述如下：

90、si≤simax；

91、式中：si表示支路传输容量，simax表示支路最大传输容量；

92、4)开关次数约束

93、故障恢复时，最小化孤岛数量和开关的动作次数。

94、优选的，步骤s4中，故障恢复重构模型包括恢复重构目标函数；

95、通过如下公式表示恢复重构目标函数：

96、

97、式中：表示未恢复供电负荷容量；表示网损值；表示开关次数；ω1、ω2、ω3分别表示对应的权重系数，设ω1＝0.7，ω2＝0.2，ω3＝0.1；hi表示归一化系数；pl表示总断电负荷量；pi表示节点i的负荷；rj表示支路电阻；λi表示节点i的负荷优先级系数；m表示失电区域的节点数；ij表示各支路的支路电流；n表示孤岛外支路数；kd表示开关状态，1表示闭合，0表示断开；e、f分别表示分段开关和联络开关的数量；

98、恢复重构目标函数的约束如下：

99、gk∈gk；

100、式中：gk表示孤岛外配电网重构之后的拓扑结构；gk表示孤岛外配电网所有拓扑结构集合。

101、优选的，步骤s5中，粒子群算法通过如下步骤求解孤岛划分目标函数和恢复重构目标函数：

102、s501：输入配电网故障前和故障后的网络结构；

103、s502：设定粒子群内部规模m和外部规模n，以及其他参数ω、c1、c2；ω是指粒子群算法中的惯性权重洗漱；c1和c2表示粒子群算法中的两个速度系数；

104、s503：生成随机矩阵初始化内部种群的位置，得到m个粒子的位置，并初始化粒子群的飞行速度矩阵；

105、s504：通过孤岛划分目标函数和恢复重构目标函数计算m个粒子在当前位置对应的目标函数解，分别求出失电负荷量、网损、开关次数；

106、s505：根据pareto非支配解的概念，选择内部粒子群中的非支配解，并更新外部粒子群；

107、s506：构造立体空间存放外部粒子群，用自适应网格密度选择gbest粒子位置；在内部种群中更新pbest；

108、s507：更新内部种群中粒子的位置和飞行速度；

109、s508：判断迭代是否完成：若未完成，继续执行步骤s504；否则，执行步骤s509；

110、s509：输出结果，得到配电网重构的最佳开关操作。

111、本发明中基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

112、本发明对各分段开关进行状态编码，并为各分段开关建立适应分布式电源投切且表征区段状态和开关状态间逻辑关系的开关函数，进而通过各分段开关的状态编码和开关函数建立配电网的故障定位目标函数，即能够通过分析分布式发电对配电网运行时继电保护、电压分布的影响来建立配电网故障区段判据，并构建更合理的故障区段定位搜索模型；同时将故障定位问题转化为了函数寻优问题，并通过布谷鸟搜索算法解决了传统启发式算法为跳出局部收敛多次迭代的问题，能够在基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网中根据不同情况对配电网故障区段进行准确搜索，进而能够提高配电网故障区段定位的合理性和高效性，能够更有效的指导配电网进行恢复和重构，从而能够提高基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复的实用性。

113、本发明对分布式电源故障后的运行特性进行分类，并对分布式发电孤岛运行配电网进行潮流计算，通过网络拓扑结构、线路参数、电源和负荷参量计算配电网中各节点的电压、功率和网损情况，进而结合配电网的故障区段和分布式电源运行特性的分类结果对配电网进行网络重构，使得能够考虑分布式电源在故障后运行特性的分类并适应基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网的特点，并且通过粒子群算法求解故障恢复重构模型得到配电网最佳的开关恢复操作，即能够利用系统间的互联互通和协同互补来提高配电网供电恢复策略的安全性、经济性、灵活性，从而能够提高基于分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复的可靠性，并从根本上解决了智能配电网的恢复重构问题。