有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法与流程

本发明涉及协同供电恢复方法，特别是涉及一种基于交叉方向乘子法admm的多集群分布式协同供电恢复方法。

背景技术：

1、配电网规模庞大、结构复杂，一旦发生故障可能会导致较大范围的停电，极大影响供电可靠性，在极端故障下快速实现分布式供电恢复是提高供电可靠性的重要手段。

2、近年来，为适应能源与环境的发展需求，大量的分布式电源接入配电网，因此针对配电网故障后的完全失电问题，可充分利用配电网中的分布式电源，采用孤岛运行的方式来迅速实现供电恢复，减小停电损失。

3、目前大多数供电恢复方法采用集中式算法，通过采集配电网全局的信息进行计算。集中式供电恢复算法需要故障后所有节点均与主机建立通讯，对配电网通信完好性依赖大；其计算复杂度随着配电网规模的扩大呈指数级增长，极为依赖主机的性能和可靠性。另外，有时出于隐私以及安全方面的考虑而难以获取全局的详细信息，此时不适合采用集中式算法。分布式供电恢复算法是在此背景上衍生出的一种仅需采集本地信息和相邻区域通讯就可以实现供电恢复的算法。分布式供电恢复算法只需本地信息，降低了控制变量的维度，从而减少了通信的数据量和计算负担；并且，当系统出现极端故障时，无法保证所有节点均可以与主机建立通讯，而分布式供电恢复算法只需与相邻区域通讯便可完成供电恢复。

4、目前关于分布式供电恢复算法的研究中，多采用多代理技术来实现分布式供电恢复。多代理技术需要事先确定代理节点，对配电网络拓扑变化的适应能力不足；且还需要考虑各层代理节点之间的协调，通讯负担大，问题的求解难度受配电网规模影响明显。目前亟需一种多集群分布式协同供电恢复方法，以解决极端故障下配电网的供电恢复问题。针对此问题，可以对配电网进行分区，采用交叉方向乘子法方法(alternating directionmethod of multipliers，admm)进行分布式计算，只需相邻区域通讯便可完成供电恢复，以减小通讯压力，并提高极端故障下供电恢复的可靠性。

5、针对供电恢复过程中的时序问题，需要在供电恢复模型中考虑开关动作的时间，协调开关动作次序和区域恢复次序，优化分布式电源的出力曲线和负荷曲线，在减小计算负担的前提下尽可能使负荷恢复量最大。同时，供电恢复过程中应边计算边执行开关动作的命令，减少等待计算完成的时间。因此，需要一种能够快速有效求解有源配电网分布式供电恢复策略的模型，完成极端故障下配电网的分布式供电恢复。

6、本发明所要解决的技术问题是，提供一种极端故障下的多集群分布式协同供电恢复方法，在保证恢复效果的基础上减小计算负担，协调开关动作次序和区域恢复次序，优化分布式电源的出力曲线和负荷曲线，在减小计算负担的前提下尽可能使负荷恢复量最大。

技术实现思路

1、本发明所采用的技术方案是：

2、有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法，包括如下步骤：

3、1)确定有源配电系统，将有源配电系统按照开关位置划分为不同子区域；获取有源配电系统参数信息，并确定交叉方向乘子法admm算法的收敛阈值，包括粗略收敛阈值与精确收敛阈值；

4、2)建立一个时段供电恢复方案的优化模型，所述模型设定负荷价值损失最小为目标函数，并确定约束条件；

5、3)构建适用于供电恢复策略求解的交叉方向乘子法admm算法，将步骤1)的粗略收敛阈值作为交叉方向乘子法admm算法的收敛阈值，每个子区域内部的控制器根据适用于供电恢复策略求解的交叉方向乘子法admm算法，与相邻子区域进行通讯，交互边界支路的有功功率、无功功率、电流、节点电压、开关状态信息，迭代求解步骤2)构建的一个时段供电恢复方案的模型，得到粗略的供电恢复完成时刻恢复方案；

6、4)对比网络初始状态的拓扑结构与步骤3)得到的粗略的供电恢复完成的时刻恢复方案，得到从初始状态过渡到供电恢复最终状态需要闭合的开关数量，按照每个供电恢复阶段只能动作一个开关的原则，确定完成供电恢复所需要的阶段数；

7、5)从供电恢复第1阶段开始，依次确定每个供电恢复阶段的开关动作方案，步骤如下：每个子区域内部的控制器判断当前阶段本区域控制的开关是否可以动作，并计算每个可以动作的开关动作后的收益，子区域之间交互信息，按照收益最大的原则确定当前供电恢复阶段需要动作的开关；

8、6)从供电恢复第1阶段开始，依次求解每个供电恢复阶段的恢复方案，步骤如下：构建当前阶段的供电恢复模型，将步骤1)的精确收敛阈值作为交叉方向乘子法admm算法的收敛阈值，每个子区域内部的控制器利用步骤3)构建的适用于供电恢复策略求解的交叉方向乘子法admm算法，与相邻子区域进行通讯，交互边界支路的有功功率、无功功率、电流、节点电压信息，求解当前阶段的供电恢复模型，得到该阶段的供电恢复方案，包括：负荷恢复情况、分布式电源出力情况；

9、7)当计算完成步骤5)第1阶段的恢复方案后，执行第一阶段的恢复方案，并继续计算下一阶段的控制方案；从第2阶段开始，当执行完上一阶段的恢复方案且计算完本阶段的恢复方案后，执行本阶段的恢复方案；当所有阶段的恢复方案执行完毕，系统即完成了极端故障下的供电恢复。

10、进一步的，将有源配电系统按照开关位置划分为不同子区域，具体步骤为：

11、将节点划分为两类：与开关连接的节点称为边界节点，不与开关连接的节点称为内部节点；边界节点包围内部节点形成子区域，在子区域内部不出现开关的前提下，子区域数量最少的划分方案作为有源配电系统的子区域划分方案。

12、进一步的，步骤1)中所述的粗略收敛阈值与精确收敛阈值，表示为：

13、粗略收敛阈值表示为ε1，用于步骤3)中交叉方向乘子法admm算法的收敛判断；精确收敛阈值表示为ε2，用于步骤6)中交叉方向乘子法admm算法的收敛判断；粗略收敛阈值的大小为精确收敛阈值的10倍。

14、进一步的，步骤2)中所述的目标函数表示为：

15、

16、式中，ωz表示子区域z内节点的集合；表示节点i有功负荷的总量；ei表示节点i负荷的荷重要度权重值，li为节点i的负荷损失率，表示节点i未恢复的负荷在所有负荷中所占比例。

17、进一步的，步骤2)中所述约束条件采用线性化的安全运行约束、潮流约束、分布式电源运行约束、拓扑约束。

18、进一步的，步骤3)中所述的适用于供电恢复策略求解的交叉方向乘子法admm算法，具体步骤包括：

19、(1)求解子问题1：

20、

21、式中，变量x表示子问题1变量，均为实数变量，包括ui、li、xbr表示变量x中的子区域内部变量，包括ui、li；xsw表示变量x中的边界变量，包括变量y表示子问题2变量，均为边界变量，包括变量λ表示对偶变量，包括μij、κij、πi、φij、χij、λij、σi、ωij。x*,k表示第k次迭代求解出的变量x的值，y*,k-1表示第k-1次迭代求解出的y的值，λ*,k-1表示第k-1次迭代求出的对偶变量λ的值；nsw表示子区域z中边界节点的集合，np表示节点i的父节点的集合，nc表示节点i的子节点的集合；表示子区域内部支路从节点i流向节点j的有功功率；表示子区域内部支路从节点i流向节点j的有功功率；表示子区域内部支路从节点i流向节点j的无功功率；表示子区域内部支路从节点i流向节点j的无功功率；和在步骤(1)中为实数变量，在步骤(2)中为0/1变量；

22、(2)求解子问题2：

23、

24、

25、(3)使用投影函数求解整数变量:

26、

27、式中，y*,k表示第k次迭代求解出的变量y的值；∏x表示投影函数，将实数变量四舍五入为0/1变量；

28、(4)更新对偶变量：

29、

30、式中，λ*,k表示第k次迭代求解出的对偶变量λ的值；表示第k次迭代求解出的变量x中的边界变量的值；

31、(5)判断收敛：

32、

33、式中，ε表示交叉方向乘子法admm算法的收敛阈值，表示分布式计算的残差，当满足公式(13)时，admm算法收敛，否则回到(1)继续迭代计算，直到收敛。

34、进一步的，步骤3)中所述交互边界支路的有功功率、无功功率、电流、节点电压、开关状态信息，表示为：

35、在交叉方向乘子法admm算法第k次迭代过程中，当子问题1求解完成后，开关子节点所在子区域将第k次迭代求解出的变量x中的边界变量的值发送给开关父节点所在子区域，将用于开关父节点所在子区域第k次迭代的子问题2求解和对偶变量更新；当子问题2求解完成后，开关父节点所在子区域将第k次迭代求解出的变量y的值y*,k发送给开关子节点所在子区域，将用于开关子节点所在子区域第k次迭代的对偶变量更新和第k+1次迭代子问题2求解。

36、进一步的，步骤5)中所述的每个子区域内部的控制器判断当前阶段本区域控制的开关是否可以动作，具体步骤为：

37、(1)判断当前阶段区域的状态：

38、每个子区域控制器按照规则1～规则3判断当前阶段本区域的状态；

39、规则1：如果区域中具有分布式电源，区域的状态为通电；

40、规则2：如果区域与其他已通电区域通过闭合的开关连接，则区域的状态为通电；

41、规则3：如果规则1～规则2均没有使区域的状态由未通电变为已通电，则区域的状态与前一阶段的状态保持一致；

42、(2)判断当前阶段本区域控制的开关是否可以动作；

43、如果开关的父节点在子区域内，则开关受到该区域控制；每个子区域控制器判断本区域控制的开关是否同时满足规则4～规则5，如果满足则可以动作，否则不能动作；

44、规则4：当前阶段只有通电的子区域才可以操作本区域控制的开关；

45、规则5：开关的当前的状态与供电恢复最终阶段的状态不同，开关可在当前阶段被操作。

46、进一步的，步骤5)中所述的计算每个可以动作的开关动作后的收益，具体步骤为：

47、首先，计算每个子区域通电后的收益，如公式(15)所示；然后，每个子区域的控制器依次计算每个当前阶段可以动作的开关动作后的收益：如果开关动作后使得子区域z的状态由未通电变为通电，该开关动作后的收益为ez，否则为0；

48、

49、其中，ez表示子区域z的状态由未通电变为通电后的收益，eili的值可以根据步骤3)得到粗略的供电恢复完成时刻恢复方案得到。

50、进一步的，步骤6)中所述的当前阶段的供电恢复模型，表示为：

51、以负荷价值损失最小为目标函数，如公式(8)所示；采用线性化的潮流约束、安全运行约束、分布式电源运行约束、负荷通电状态约束作为约束条件，其中拓扑变量的值可以根据步骤5)得到的每个阶段的开关动作方案确定；

52、li,n≤li,n-1  (7)

53、式中，li,n表示节点i在第n个阶段的负荷损失率；li,n-1表示节点i在第n-1个阶段的负荷损失率。

54、本发明的一种有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法，立足于解决极端故障下无法保证所有节点均可以与主机建立通讯时的供电恢复问题，仅需邻域通讯便可实现多集群分布式协同供电恢复，充分考虑了供电恢复过程中的时序问题，建立了考虑开关动作顺序的分布式供电恢复模型，该模型分为三步，第一步求解粗略的终态的恢复方案，第二步确定开关的动作顺序，第三步确定每个时段的恢复方案。