一种有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法与流程

本发明属于有源配电系统，尤其是一种有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法。

背景技术：

1、随着推动能源革命、建设能源强国步伐的加快，我国对供电可靠性提出了更高的要求。由于配电网规模庞大、结构复杂，一旦发生故障可能会导致较大范围的停电，极大影响了供电的可靠性。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。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，其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存在的问题是：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。由于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、现有关于分布式供电恢复算法通常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。针对上述问题，可以对配电网进行分区，采用交叉方向乘子法方法(alternating direction methodofmultipliers，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，以减少等待计算完成的时间。因此，目前迫切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，以完成极端故障下配电网的分布式供电恢复。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源配电系统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。

2、本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种有源配电系统多集群分布式协同供电恢复方法，包括以下步骤：

4、步骤1、根据选定的有源配电系统，将有源配电系统按照开关位置划分为不同子区域，并输入有源配电系统参数信息及admm算法的收敛阈值，该收敛阈值包括粗略收敛阈值与精确收敛阈值；

5、步骤2、根据有源配电系统参数信息，建立一个时段供电恢复方案的优化模型；

6、步骤3、构建适用于供电恢复策略求解的admm算法，将粗略收敛阈值作为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admm算法，与相邻子区域进行通讯，交互边界支路信息，迭代求解步骤2构建的一个时段供电恢复方案的优化模型，得到粗略的供电恢复完成时刻恢复方案；

7、步骤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；

8、步骤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；

9、步骤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：构建当前阶段的供电恢复模型，将精确收敛阈值作为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admm算法，与相邻子区域进行通讯，交互边界支路信息，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，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；

10、步骤7、在计算完成步骤5的第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，在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，有源配电系统完成极端故障下的供电恢复。

11、进一步，所述有源配电系统参数信息包括：各子区域的线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，节点电压上限与下限、开关打开时两端允许的最大电压平方差额、线路容量极限，可控的分布式电源的类型、接入位置、容量、有功出力极限和无功出力极限。

12、进一步，所述步骤1划分不同子区域的方法为：将节点划分为两类：与开关连接的边界节点和不与开关连接的内部节点；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。

13、进一步，所述步骤2建立的优化模型包括：设定负荷价值损失最小为目标函数，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和拓扑约束作为约束条件，其中：

14、所述负荷价值损失最小为目标函数表示如下：

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、所述线性化的安全运行约束、潮流约束、分布式电源运行约束和拓扑约束表示如下：

18、

19、

20、ui-uj＝2(rijpij+xijqij),i∈ωz∩ωin

21、

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、

32、

33、

34、式中，ωi,p表示节点i的父节点的集合；phi表示从节点h流向节点i的有功功率；表示节点i的分布式电源注入的有功功率；ωi,c表示节点i的子节点的集合；pij表示从节点i流向节点j的有功功率；表示节点i负荷的有功功率；qhi表示节点h流向节点i的无功功率；表示节点i的分布式电源注入的无功功率；qij表示从节点i流向节点j的无功功率；表示节点i负荷的无功功率；ui表示节点i的电压的平方；uj表示节点j的电压的平方；rij表示线路ij的阻抗；xij表示线路ij的阻抗；ωin表示不与开关连接的节点；表示与开关相连接的子区域外节点j的电压的平方；ωsw表示与开关连接的节点；ωz'表示与子区域z相邻的子区域内节点的集合；表示开关打开时两端允许的最大电压平方差额；为表征开关的状态的0/1变量，表示开关闭合，表示开关打开；表示节点i允许的最小电压；表示节点i允许的最大电压；m表示很大的数，取10000；sij为辅助变量；表示节点i、j间线路的容量；表示分布式电源有功功率极限；表示分布式电源无功功率极限；为表示支路的潮流方向的变量，表示开关支路的潮流方向为节点i流向节点j；为表示支路的潮流方向的变量，表示开关支路的潮流方向为节点j流向节点i；表示装备有分布式电源的子区域的集合；nz表示所有子区域的集合。

35、进一步，所述步骤3中适用于供电恢复策略求解的admm算法包括以下步骤：

36、⑴求解如下问题1：

37、x*,k＝fi(x,y*,k-1,λ*,k-1)

38、

39、

40、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；

41、⑵求解如下子问题2：

42、y*,k＝fii(x*,k,y,λ*,k-1)

43、

44、⑶使用投影函数求解整数变量:

45、

46、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；

47、⑷更新对偶变量：

48、

49、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；

50、⑸使用下式判断收敛：

51、

52、式中，ε表示admm算法的收敛阈值，表示分布式计算的残差，当满足公式时，admm算法收敛，否则回到步骤⑴继续迭代计算，直到收敛。

53、进一步，所述交互边界支路信息包括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，上述信息表示如下：在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。

54、进一步，所述步骤5的具体实现方法为：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。

55、进一步，所述判断当前阶段本区域控制的开关是否可以动作的方法为：

56、⑴判断当前阶段区域的状态：

57、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；

58、规则1：如果区域中具有分布式电源，区域的状态为通电；

59、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；

60、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；

61、⑵判断当前阶段本区域控制的开关是否可以动作；

62、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；

63、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；

64、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。

65、进一步，所述计算每个开关动作后的收益的方法为：

66、首先，按下式计算每个子区域通电后的收益：

67、

68、其中，ez表示子区域z的状态由未通电变为通电后的收益，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，该eili的值从步骤3得到粗略的供电恢复完成时刻恢复方案中得到；

69、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。

70、进一步，所述步骤6的当前阶段的供电恢复模型表示为：以负荷价值损失最小为目标函数，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、负荷通电状态约束和拓扑约束作为约束条件，其中，拓扑约束中的拓扑变量值是根据步骤5得到的每个阶段的开关动作方案确定；

71、li,n≤li,n-1

72、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。

73、本发明的优点和积极效果是：

74、本发明设计合理，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，在分布式供电恢复模型的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，从而仅需邻域通讯便可实现多集群分布式协同供电恢复功能，解决了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。