一种面向可靠性提升的配电网优化重构方法

本发明属于配电网控制、运行与优化领域，具体涉及一种面向可靠性提升的配电网优化重构方法。

背景技术：

1、随着经济的飞速增长和信息技术的普及，人们对电力的依赖程度和对供电可靠性的重视程度逐年加深。配电网处在电力系统的末端，是电力系统向各类用户供应、分配电能的枢纽环节，其可靠性水平直接影响到整个电力系统向用户供电的可靠性，是电力系统运行特性和网络结构的集中体现。因而提升配电网的可靠性能够使电网更加安全、可靠、优质，在维持能源供需稳定、大幅提高能源资源广域优化配置能力和社会综合能效水平，具有重要的价值和意义。

2、配电网络重构是一种无需大规模投资而又能切实提高配电网运行可靠性的有效手段。网络重构的基本原理是在满足系统约束条件下，通过切换联络开关和分段开关的开/合状态来寻求一种符合特定运行要求的拓扑结构。现有的配电网络重构的研究目标一般为负荷平衡化、网损最小化、消除过载、提高电压质量等，均以配电网潮流计算为基础，以某一特定指标为目标函数，在符合配电网安全稳定运行条件的情况下，根据实际运行情况控制配电网中开关的闭合状态来改变配电网的拓扑结构，从而达到改善配电网运行质量的目的。可靠性往往被认为是改善电压质量、降低网损的必然结果，或作为多目标之一在目标函数中给予考量，而鲜少有将可靠性指标作为重构原则的算法。并且由于网络重构是一个大规模非线性组合优化问题，通常使用智能算法进行求解。

3、所以，需要一个新的技术方案来解决这些问题。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种面向可靠性提升的配电网优化重构方法，可以在已知结构的配电网中，基于提升可靠性、优化电压质量、均衡负荷分布以及降低网损的需求，在正常运行场景和故障场景下对配电网拓扑进行优化重构，同时量化评估配电网的可靠性指标，来提升配电系统运行的安全性和稳定性，为配网的规划和运行控制提供理论支撑。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种面向可靠性提升的配电网优化重构方法，包括如下步骤：

3、s1：基于辐射状配电网的线性潮流，建立节点电压与支路容量约束的表达式、拓扑的辐射性约束表达式，以及开关与断路器安装情况与开断情况的对应逻辑约束表达式；

4、s2：建立虚拟故障潮流的概念，根据其在故障发展的不同阶段的传播特性，建立故障场景下利用断路器与开关进行恢复重构，并同时对初始状态下配电网拓扑进行优化重构的约束表达式；

5、s3：建立配电网可靠性指标的表达式，节点电压偏移的计算表达式；

6、s4：基于提升可靠性、优化供电质量，以及均衡负荷分布的需求，建立支路负载率的约束表达式，以及包含可靠性指标以及电压偏移量的优化目标函数表达式，建立面向可靠性提升的配电网优化重构线性化模型。

7、进一步地，所述步骤s1的具体过程为：

8、a1：建立辐射状配网的线性潮流约束与节点电压约束表达式：

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20、式(1)和式(2)为正常运行场景下节点的负荷需求；式(3)-(6)为正常运行场景下配电网的线性潮流约束；式(7)为正常运行场景下节点电压约束；式(8)-(11)表示ij支路所传输的功率受到支路两端开关的开断情况影响的约束。

21、其中：pino与分别表示正常运行状态下节点的有功负荷与无功负荷；与分别表示流过ij支路的有功功率与无功功率；表示节点的电压平方项；vs表示馈线首端的电源电压；与表示ij支路两侧开关的工作状态。

22、a2：支路容量约束的表达式：

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30、

31、式(12)-(14)表示用分段松弛法对线路功率容量进行线性化约束；式(15)和(16)表示变电站出口馈线功率与变压器trf提供的功率相同；式(17)-(19)表示变电站出口变压器的容量约束。

32、其中：表示ij支路的最大功率传输容量；表示与馈线f相连的变压器的容量。

33、a3：配电网的拓扑辐射状约束表达式：

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35、

36、其中：表示正常运行场景下ij支路的连通情况的二进制变量，变量值若为1，则表示ij支路处于连通状态，若为0，则表示ij支路断开；nln表示网络中负荷节点的个数。

37、a4：开关与断路器安装情况与开断情况的对应逻辑约束表达式：

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42、其中：与表示ij支路两侧断路器的开断情况；同理，与表示ij支路两侧开关的开断情况；和分别表示ij支路两侧断路器与开关的安装情况。

43、进一步地，所述步骤s2的具体过程为：

44、b1：虚拟故障潮流概念的建立：

45、虚拟故障潮流源自故障支路，通过节点和支路传播，并可以被断路器和开关动作隔离，能够用来模拟故障发生后配电网中故障电流在网络中的传播状态。这里提出了两种分别用“ra”和“pf”表示的虚拟故障潮流，分别对应不同的故障阶段。

46、虚拟故障潮流“ra”仅可通过断路器跳闸和常开开关阻断其在配电网中的传播；虚拟故障潮流“pf”仅可通过分段开关动作和常开开关阻断其在配电网中的传播。

47、b2：故障场景下利用断路器与开关进行恢复重构，并同时对初始状态下配电网拓扑进行优化重构的约束表达式：

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56、式(26)-(33)描述了断路器在持续故障发生后如何动作切断故障电流。式(26)定义了当支路xy发生故障时，该支路中虚拟故障潮流“ra”的值为0；式(27)和(28)表示虚拟故障潮流“ra”在故障场景下沿连接路径传播；式(29)规定支路xy发生故障时，配电网中有且只有一个断路器能跳闸切断故障电流；式(30)和(31)规定了虚拟故障潮流变量“ra”的上、下限；式(32)规定变电站节点不受故障影响，即该节点对应的虚拟故障潮流“ra”始终为1；式(33)表示当且仅当节点i的负荷受到故障影响失去供电时，

57、其中：上标xy表示不同的场景；表示由于支路xy的故障导致的停电；上标no表示正常运行场景；fixy,ra、表示故障发生后某一支路中的虚拟故障潮流，虚拟故障潮流流过某一支路或节点时，若该支路或节点受到故障的影响失去供电，则相应的虚拟潮流变量为0，反之若该支路或节点未受到故障的影响，则相应虚拟潮流变量为1。

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91、式(34)～(66)描述故障支路被隔离后，如何通过控制开关动作进行负荷转带及网络重构，以尽可能多地恢复负荷供电。式(34)定义了当支路xy发生故障时，该支路中虚拟故障潮流“pf”的值为0；式(35)-(36)表示在支路xy发生故障时，若支路ij的i端或j端安装有开关，当支路ij受到故障影响，即支路虚拟故障潮流为0时，节点侧开关将动作以隔离故障；式(37)-(38)规定了虚拟潮流变量“pf”的上、下限；式(39)规定变电站节点不受故障影响，即该节点对应的虚拟故障潮流“pf”始终为1；式(40)-(43)为每个故障场景的线性潮流约束；式(44)表示故障场景下的负荷节点电压约束；式(45)-(48)表示故障场景下ij支路的功率须与支路上开关的状态保持逻辑一致，即当且仅当该支路导通时，支路上才存在功率流动；式(49)-(51)表示用分段松弛法对线路功率容量进行线性化约束；式(52)、(53)表示变电站出口馈线功率与变压器trf提供的功率相同；式(54)-(56)表示变电站出口变压器的容量约束；式(57)-(60)表示故障场景下开关与断路器安装情况与开断情况的对应逻辑约束；式(61)-(64)表示故障后网络重构后，当且仅当节点i的负载恢复供电(包括未受影响的节点和已恢复的节点)时，式(65)、(66)为故障场景下配电网拓扑的辐射状约束。

92、进一步地，所述步骤s3的具体过程为：

93、c1：配电网各项可靠性指标的计算表达式：

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100、式(67)用于计算配电网中各节点的平均故障时间指标(cid)，其值为节点的切换中断故障时间与修复-切换中断故障时间之和。式(67)右端第一项表示如果节点i受到xy支路的停电影响则节点i的负荷会在切换中断故障时间内失去供电；式(67)右端第二项表示如果节点i在网络重构后仍未恢复供电，则节点i的负荷会在修复-切换中断故障时间内失去供电；式(68)用于计算配电网中各节点的平均故障频率(cif)；式(69)-(72)分别用于计算配电网的平均停电持续时间(saidi)、平均停电频率(saifi)、平均供电可用率(asai)和预期缺供电量(eens)。

101、其中：λxy为支路故障率；和分别表示支路的切换中断故障时间和修复-切换中断故障时间；nci为节点的用户数；|表示某一等级负荷的持续时间；μh表示某一等级负荷的负荷系数；li表示节点的峰值负荷。

102、c2：电压偏移的计算表达式：

103、使用式(73)所示的节点实际电压值与基准电压值得绝对值之和，即总的电压偏移量来描述配电网中的电压质量。

104、

105、其中：和ub分别表示节点正常运行场景下的实际电压和基准电压。

106、并使用式(74)所示的方法，使用二进制变量与大m法相结合对式(73)中的绝对值式进行线性化。

107、

108、其中：uk表示各节点的电压偏移量，即|ui-ub|；δk和εk为二进制变量；m为一极大数。

109、进一步地，所述步骤s4的具体过程为：

110、d1：配电网支路负载率的约束表达式：

111、

112、eqp≤eqset (76)

113、其中：表示正常运行场景下ij支路上的有功功率；sij,max表示ij支路的最大功率传输容量；eqp和eqset分别表示支路负载率的实际值和上限值。

114、d2：求解模型的优化目标函数表达式

115、将配电网中总电压偏移量与平均停电持续时间的加权平均和作为目标优化量。

116、f＝minimize (α1ugap+α2saidi)   (77)

117、其中：ugap为配电网中各节点电压偏移量之和；saidi为配电网的平均停电持续时间；α1和α2分别为电压偏移量与平均停电持续时间在目标函数中的权重。

118、d3：面向可靠性提升的配电网优化重构方法模型：

119、本模型基于提升可靠性、优化供电质量，以及均衡负荷分布的需求，将配电网中总电压偏移量与平均停电持续时间的加权平均和作为目标优化量，并对支路负载率做出约束，建立了如式(78)所示的线性化模型。

120、

121、有益效果：本发明与现有技术相比，将配电网的可靠性指标进行线性化表示，建立了线性化的优化重构模型，并通过优化电压偏移量间接优化了网络的网损；可以基于提升可靠性、优化电压质量、均衡负载分布，以及降低网损的需求，对配电网的在正常运行场景下的拓扑进行优化重构，同时在故障场景下以尽快恢复负荷供电，减少停电时间为目标进行故障恢复重构，从而提升了配电系统运行的安全性和稳定性，对于配电网的规划和运行具有重要的价值。