一种故障状态下微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复的方法与流程

本发明属于配电网故障处理领域，具体涉及一种故障状态下微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复的方法。

背景技术：

1、随着新能源技术的快速发展，风力发电、光伏发电等分布式发电在配电网的接入量越来越大，增大了配电网结构、潮流的复杂化程度，也给配电网的故障处理工作带来巨大的挑战。根据上级电网是否恢复供电，配电网故障处理可分为两个阶段。当故障发生在多重区域(配电系统与上级电网)，配电网需要整合并协调其中的dg资源，形成规模较小的配电孤岛，保障重要负荷正常供电，即孤岛运行阶段，并需要在孤岛运行的基础上，对配电网中的停电负荷进行恢复，即故障恢复阶段。合理的孤岛划分与运行、以及有效的故障恢复，对减少配电网停电时间、提高配电网供电可靠性具有重要意义

2、目前已有研究对实现故障后配电网孤岛运行与故障恢复具有重要意义，但仍存在缺陷，具体表现为：

3、第一，现有研究多将配电网孤岛运行与故障恢复作为两个单独的问题进行研究，一定程度缺乏对两者关联性的考虑。一般而言，故障检修时间并非固定，难以精确判断配电孤岛自主运行的时间，在孤岛运行期间，新能源与负荷均可能发生大范围变化，因此孤岛划分方案可能会发生变化，从而造成用户用电满意度的变化。未被划入孤岛的负荷以及阶段性被划入孤岛的负荷可能用电满意度较差，需要在故障恢复阶段重点考虑。

4、第二，现有配电网孤岛划分与运行模型多根据故障前的新能源与负荷数据、并综合考虑故障后固定时间段内(如24h)的新能源与负荷预测数据，进行孤岛划分与运行方案的制定。然而，故障检修时间具有随机性，可能在短时间内实现故障恢复(如在24h之内)，或在长时间仍未实现故障恢复(如在24h之外)。因此，采用固定时间段内的预测数据制定孤岛划分与运行方案并不一定最优。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明旨在提供一种故障状态下微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复的方法，针对并解决配电网故障处理中较少考虑孤岛运行与故障恢复两阶段的关联、以及两阶段灵活性较差的问题。

2、为了达到上述目的，本发明公开了一种故障状态下微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复的方法，包括如下步骤：

3、构建微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复模型，所述微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复模型的优化目标包括重要负荷优先原则、最大负荷原则以及最小网损原则，约束条件包括满意度约束、开关状态约束、配电网辐射状约束、孤岛供电能力约束、安全性约束、电压与功率关系约束以及分布式发电运行约束；

4、采用场景生成还原法与二阶锥规划理论，求解所述微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复模型。

5、进一步的，所述微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复模型的优化目标具体为：

6、a.重要负荷优先原则：确保电网的稳定性和可靠性，按照负荷的重要程度进行分类，并给予不同的权重，当出现故障时，应该首先保证重要负荷的供电，以保障电网的正常运行；

7、b.最大负荷原则：在为各个孤岛分配负荷时，确保总负荷与孤岛中dg的供电容量相匹配，以充分利用dg的能力，减少失电的负荷，同时避免dg过负荷的情况发生；

8、c.最小网损原则：保证孤岛的经济运行并尽可能多的为负荷进行供电，在制定孤岛计划时应尽量降低孤岛的有功损耗；

9、根据上述原则，确立配电网孤岛划分与滚动优化运行目标函数为：

10、

11、其中，ω表示所划分的孤岛集合；nk表示孤岛k中的节点集合；ek表示孤岛k中的线路集合；t＝{t，t+δt，...，t+τfδt}表示滚动优化的求解时段，其中τf为滚动优化的步长，即优化模型的调度时段数量，δt表示调度时间窗；αi，k表示孤岛k中节点i负荷被赋予的权重值，该值由政府相关部门根据负荷规模、创造的经济效益、对治安和人民生活的影响因素制定；表示孤岛k中节点i在时间t所需切除的有功负荷；μloss表示网损项的权重；rij表示线路ij的电阻；iij，k，t表示线路ij流过的电流；

12、式中，负荷被赋予的权重值αi，k能够驱使重要负荷被划分至孤岛之中，保障重要负荷的供电；保障负荷切除量最小，满足孤岛运行过程中的最大负荷原则；为线路损耗，符合最小网损原则。

13、进一步的，所述满意度约束为：

14、

15、规定假设在调度时段t进行孤岛划分，则只有在新能源和负荷的变化超过式(2)中任意一条所示的阈值时，再重新制定孤岛划分方案。另外值得说明的是，虽然一段时间内孤岛划分方案，但孤岛内的dg出力仍需在每个调度时段进行滚动优化。

16、其中，t1表示某次计算得到新孤岛方案的调度时段；t＞t1表示t1之后的调度时段；表示孤岛k中节点i在时间t的负荷有功功率；表示孤岛k中节点i在时间t的风电有功功率；表示孤岛k中节点i在时间t的光伏有功功率；σl、σwind和σpv分别为规定的阈值。

17、进一步的，所述开关状态约束为：

18、

19、其中，yi，k和yij，k分别表示为配电孤岛k中节点i与线路ij的状态，取值为1时，表示节点i与线路ij投运，取值为0时，表示节点i与线路ij断开；下标rk表示孤岛k的潜在根节点；n表示配电网的节点集合；ndg表示配电网的dg节点集合；e表示配电网的线路集合；l表示为组成环路的配电线路集合，该组配电线路的数量用|l|表示。

20、进一步的，所述配电网辐射状约束为：

21、

22、

23、

24、其中，ns表示与主网连接的节点；ef表示故障线路；n\ns表示集合n中除去集合ns的集合；e\ef表示集合e中除去ef的集合；me表示一个足够大的参数；表示时间t功率从节点i到节点j的流向，取值为1表示功率流向从节点i到节点j，为0表示线路无功率流过；j：ij∈e表示属于线路集合e的节点j；作为方向性变量表示线路潮流流向；

25、若式(2)不满足，即无需制定新的孤岛方案，则开关状态约束与配电网辐射状拓扑结构约束将自然满足，无需在滚动优化中考虑式(3)-式(12)的约束。

26、进一步的，所述孤岛供电能力约束为：

27、其中，表示孤岛k中dg在时间t的有功功率发电能力；表示孤岛k中节点i在时间t的负荷有功功率。

28、进一步的，所述安全性约束为：

29、其中，sij表示线路ij容许流过的最大视在功率，可由线路的热稳定、动态稳定条件与绝缘水平确定；pij，t和qij，t分别表示线路ij流过的有功功率与无功功率；ui，t表示节点电压；umin和umax为容许的节点最小电压幅值和最大电压幅值。

30、进一步的，所述电压与功率关系约束为：

31、

32、

33、

34、

35、

36、其中，和分别表示时段节点i在时间t的dg有功和无功出力；和分别表示时段节点i在时间t切除负荷的有功和无功功率；和分别表示时段节点i在时间t的负荷有功和无功需求；rij和xij表示线路ij的电阻和电抗；mv为一充分大的常数，在线路处于断开状态时可松弛约束式(19)和式(20)，为使上述约束更加紧凑，其值可取容许的最大电压幅值umax的平方，式(17)和式(18)分别表示配电系统中节点有功和无功功率平衡；式(16)为二阶锥松弛形式的配电线路潮流、电流幅值平方与电压幅值平方关系的表达式，在辐射状配电网络中该松弛是精确的。

37、进一步的，所述分布式发电运行约束为：

38、a.柴油发电机的dg模型：

39、柴油发电机的有功功率出力调节范围与速度分别如式(21)和式(23)所示，即柴油发电机有功功率不能超过允许的上下限，相邻调度时段间有功功率调节范围应在爬坡速率所能达到的范围内，柴油发电机的有功功率出力调节范围与速度分别如式(22)和式(24)所示：

40、

41、

42、

43、

44、式中，nd为柴油发电机节点的集合；和分别为柴油发电机i的有功出力和无功出力；和分别为柴油发电机i有功出力和无功出力的最小值、最大值；和分别为柴油发电机i的有功和无功爬坡速率；

45、b.储能系统dg模型：

46、储能系统须满足充放电功率约束与荷电状态约束，即

47、

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、式中，nes为储能系统的集合；和分别为储能系统i的放电、充电有功和无功功率；和分别为表征储能系统i的放电与充电状态的0-1变量，其值取1分别表示储能系统g在调度时段t处于放电与充电状态，这两个变量为互斥变量，即同一调度时段t内仅能有一者取1；和分别为储能系统i的最小与最大充、放电有功和无功功率；式中：为储能系统i所储存的能量；和分别为储能系统i的充电和放电效率；和分别为储能系统i可储存能量的最小和最大值；式(32)表示相邻调度时段间储能系统的能量关系；式(34)表示调度时段开始和结束时刻储能系统储存的能量相同；

58、c.风光电站dg系统：

59、采用weibull分布描述风速，其概率密度函数表示为：

60、

61、其中，vi表示节点i风速；ki表示节点i风速形状系数；ci表示节点i风速尺度系数；

62、对于单台风机，风速决定其有功出力，其对应关系为：

63、

64、其中，表示节点i风机在时间t的有功出力；vc表示节点i风机的切入风速；vr表示节点i风机的额定风速；vd表示节点i风机的切出风速；pr，i表示节点i风机的额定输出功率；

65、光伏预测均存在误差，将光伏预测误差视为服从正态分布，光伏有功出力的概率密度函数表示为：

66、

67、其中，表示节点i光伏在时间t的有功出力；表示光伏有功出力的期望；表示光伏有功出力的标准差。

68、进一步的，所述二阶锥规划理论为：

69、a.假设带求解变量的维度为n，则n维二阶锥标准形式为：

70、c＝{(u，t)||u||2≤t，t≥0}(38)；式中，u∈rn-1；t∈r；

71、通过约束组成的二阶锥可行域为：

72、||ax+b||2≤c′x+d (39)；式中，变量x∈rn；实数系数b∈rw；c∈rn；d∈r；矩阵a∈rw×n；c′为向量c的转置；

73、b.结合二阶锥规划的一般模型，确定性的配电网孤岛划分及运行模型、配电网故障恢复模型均表述为：

74、所述中场景生成还原法为：

75、a.在场景生成过程中，采用拉丁超立方抽样生成大量风光电站出力场景，记抽样规模为n；

76、b.在场景还原过程，基于上述生成的n个风光电站出力场景，设置聚类数为k，并随机选取k个聚类中心ci，计算每对场景与聚类中心的欧氏距离，其计算公式为：

77、其中，x数据表示对象；ci表示第i个聚类中心；m表示数据对象的维度；xj和cij分别表示x和ci的第j个属性值；

78、c.将每个场景划分入距离最近的聚类中心；

79、d.计算每个聚类中心数据的平均值作为新的聚类中心，并进行下一次迭代；

80、e.重复步骤c-d，当达到设置的迭代次数或聚类中心不再改变时，聚类完成，场景还原为k个；

81、f.统计各聚类中心簇中的场景个数作为其权重值ρi；

82、求解微电网孤岛划分及主动支撑配电网供电恢复模型的方法为：

83、a.将场景生成还原法所得到的k个风光电站出力典型场景记为ψtyp；

84、b.为确保故障恢复策略抗波动能力良好，在典型场景集ψtyp中补充两个极端场景，即“最大风电出力-最小光伏出力”场景和“最小风电出力-最大光伏出力”场景，记扩充后的场景集为ψcom，ψcom的表达式为：

85、

86、c.根据式(40)对确定性优化问题的总结形式，考虑新能源不确定性的配电网孤岛划分及运行模型、配电网故障恢复模型均表述为：

87、

88、本发明所提孤岛划分与运行方法采用滚动优化方式构建了配电网孤岛划分及运行模型；其次，本发明所提孤岛划分与运行方法在目标函数中综合考虑了重要负荷优先原则、最大负荷原则、最小网损原则；再次，本发明所提孤岛划分与运行方法在约束条件中规定，假设在某个调度时段进行孤岛划分，则只有在新能源和负荷的变化超过一定阈值时，再重新制定孤岛划分方案，该约束可避免不断变动造成频繁的开关动作，有利于延长开关寿命，提高用户用电满意度；最后，本发明所提孤岛划分与运行方法在求解模型方面提出了一种综合拉丁超立方抽样、场景生成还原法的模型求解方法，能够处理孤岛划分与运行模型的不确定性。