計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復研究

楊婷，趙晉泉，韓佳兵，林昌年，魏文輝

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 210098；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 110179）

計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復研究

楊婷1，趙晉泉1，韓佳兵2，林昌年2，魏文輝2

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 210098；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 110179）

隨著傳統配電網向含高分布式電源（DG）滲透率的主動配電網轉變，傳統的配電網故障恢復孤立進行的做法已不再適用。提出了一種計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復方法。通過考慮主配全局潮流實現了主配網的協調，配電網側DG、可中斷負荷和網絡重構資源的合理配合，保證了故障恢復策略的準確性和經濟性。對IEEE30節點主網和IEEE33節點配網組成的全局電網算例進行測試，結果表明，該方法較傳統的配電網孤立故障恢復方法更具有效性。

故障恢復；主動配電網；全局潮流；分布式電源；可中斷負荷

配電網發生故障后采取有效措施對非故障停電區進行快速供電恢復，是電網自愈控制的重要內容。國內外學者對故障恢復問題的多個方面進行了研究，如電源側影響[1]、設備風險[2]、效率分析[3]、負荷轉供[4]等。隨著傳統配電網向含高DG滲透率的主動配電網轉變[5-6]、可中斷負荷控制參與到電網的調度中，為實現配電網故障恢復提供了更為靈活的手段，引發了國內外學者的研究熱潮[8-11]。但這些研究大都是配電網孤立進行的，即故障恢復過程中將配電網根節點等值為平衡節點，不考慮主網的潮流響應，忽略了主配網之間的緊密聯系。這種做法可能造成得到的故障恢復策略不準確，導致末端電壓偏低或經濟性差。因此，主動配電網故障恢復過程需充分計及主網潮流響應。

目前，主配網一體化分析方法引起了很多學者的關注，文獻[12-14]提出了基于主從分裂理論的全局潮流分布式計算方法，通過不斷交互主配網邊界節點的功率和電壓信息，達到主配網的協調。在此基礎上，文獻[15]提出了城市電網中考慮主配網協調的最大供電能力模型；文獻[16-17]論述了主網預想事故分析時割裂計算存在的安全隱患，提出了1種考慮配電網潮流響應的主網預想事故分析；文獻[17]提出了一種適用于主配網一體化電壓穩定評估的分布式連續潮流方法，通過算例驗證了主、配網割裂進行電壓穩定評估的弊端。

本文提出一種計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復分布式計算方法。故障恢復過程中綜合考慮負荷損失、開關操作次數、可中斷負荷開斷量、網損等目標，實現了各類型DG、可中斷負荷和網絡重構資源的合理配合；通過計及主網的潮流響應實現了主配網的協調，使故障恢復策略的準確性和經濟性提高。對IEEE30節點主網和IEEE33節點配網組成的全局電網算例進行測試，驗證了本文方法的有效性。

1 主動配電網的故障恢復模型

1.1 故障恢復中DG處理方式

配電網故障恢復過程中DG不僅能在并網模式下為電網提供電源，部分DG還能在孤島模式下作為獨立電源供電。根據在配電網發生故障后是否具有黑啟動能力將DG分為BDG（black start generation，BDG）和NBDG（non black start generation，NBDG），其中BDG可以在孤島運行模式下作為獨立的電源進行供電，NBDG不能作為獨立電源進行孤島模式下供電[3]，但可作為孤島模式下的輔助電源供電。考慮到風機和光伏的輸出功率隨氣象因素變化、具有不穩定性，將其處理為NBDG，其他類型DG處理為BDG。不同類型DG并網方式和運行特性存在較大差異，因此在潮流計算中的處理方法也不相同。不同類型DG在主動配電網故障恢復和潮流計算中的處理方法[18]如圖1所示。配電網側DG出力處理主要基于單時段恒定出力模型[8-10]和多時段不確定性模型[11]進行求解，本文中采用恒定的DG出力求解故障恢復問題。

1.2 目標函數

主動配電網的故障恢復實質上是充分利用DG、可中斷負荷和網絡重構資源來求得最優解的組合優化問題。本文綜合考慮失電負荷最小、開關操作次數最少、退出運行的DG功率最小、網損最小和可中斷負荷中斷量最小5個故障恢復目標，具體如下：

圖1 DG在故障恢復中的處理方式Fig.1 The mode of DG in the fault restoration of distribution network

式中：F1、F2、F3、F4、F5為配電網故障恢復問題的5個優化目標；N為配電網中除可中斷負荷節點外節點集合；yi和Kj分別為第i個節點和第j條支路的狀態，1為正常供電，0為斷開；Pi為第i個節點的負荷有功量；λi為第i個節點的負荷重要度；L為支路數；Kch，j表示第j條支路的開關狀態是否變化，若變化則Kch，j=1，否則Kch，j=0；m為退出運行的DG集合；PtDG為第t個DG的有功出力；rj為第j條支路的電阻；Ij為流過支路j的電流；R為可中斷負荷節點集合；φ為可中斷負荷的中斷比例。

由于各目標的單位不盡相同，本文通過線性加權和法將多目標問題轉化為單目標進行求解：

式中：φ1、φ2、φ3、φ4、φ5為各目標的權重系數；為故障恢復前的失電負荷有功量；為配電網中分段開關和聯絡開關總數；為配電網中所有DG有功出力之和；為故障前網損值的3倍；為所有可中斷負荷的最大中斷有功值之和。

1.3 約束條件

主動配電網故障恢復過程要滿足的約束為潮流等式約束、節點電壓約束、支路容量約束、輻射狀結構約束、可中斷負荷的中斷約束、DG的有功/無功出力約束、孤島運行的DG容量約束，具體如下：

式中：x，u分別為狀態變量和控制變量向量，狀態變量表示節點電壓，控制變量表示DG、可中斷負荷和開關組合可控資源；V、Vmax、Vmin分別為節點電壓及上下限向量；S、Smax分別為支路功率及其最大容量向量；g為網絡的拓撲結構；G為所允許的輻射狀網絡結構；PR、PR，max分別為可中斷負荷及其最大值向量；PDG、PDG，max、PDG，min分別為DG有功出力及其上下限向量；QDG、QDG，max、QDG，min分別為無功出力及其上下限向量；SG、SG，max為孤島中負荷容量及其上限向量。

2 計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復模型

主、配網組成的全局電網如圖2所示。圖中，T和D分別表示主、配網，它們之間通過連接節點（記為PCC）聯系。

圖2 主配全局電網示意圖Fig.2 Diagram of the main&distribution network

計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復問題即是在原有主動配電網故障恢復基礎上計及主網與配網的潮流等式約束，具體表達式：

式中：xT，xDk分別為主網和與之相連的第k個配電網的狀態變量向量；xPCC，xDk，PCC分別為PCC點狀態變量向量和與之相連的第k個配電網的狀態變量；n為與主網相連的所有配電網個數。

根據主網與配電網之間的協調關系，式（16）可等價為以下形式：

式中：SDk，PCC為第k個PCC點的等值復功率，由第k個配電網傳送給主網。

基于式（18）等價關系，主網和配電網的狀態變量不再直接耦合，式（17）和式（18）中PCC點的電壓和功率變量可作為耦合變量進行替代。因此，計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復模型可分解為：

1）目標函數（式（1））。

2）主網側約束（式（14），式（17））。

3）配電網側約束（式（8）—式（14），式（17））。

3 計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復求解方法

3.1 主、配網之間信息交互機制

由于主、配網分屬不同的調度控制中心，且電網結構存在較大差異，因此有必要建立合適的信息交互來實現分布式計算，如圖3所示。第k個配電網孤立進行故障恢復后將PCC點等值功率SDk，PCC傳送到主網；主網根據得到的各PCC點功率進行潮流計算得到各PCC點的狀態變量xDk，PCC并傳送給相應的配電網；配電網側根據新的PCC點狀態變量重復上述過程直到滿足收斂條件：

式中：δ為設定的收斂精度；VDk，PCC為PCC 點的電壓幅值；l為迭代次數。

圖3 主配網信息交互示意圖Fig.3 Diagram of information interaction of the main&distribution network

3.2 二進制粒子群（BPSO）算法

配電網的故障恢復問題是一個多目標多約束非線性組合問題，涉及大量的離散變量，本文采用BPSO算法進行求解。將可中斷負荷分解為可中斷和不可中斷2部分，將其可中斷部分等效為具有開關狀態的0-1離散變量和支路開關狀態一同納入到粒子編碼過程中[10]，具體結構如圖4所示，Branchnum和DRnum分別表示支路個數和可中斷負荷個數。可中斷負荷在故障恢復中的作用表現在：通過切斷部分可中斷負荷，一方面可以恢復重要負荷節點的供電；另一方面可以避免進行復雜的開關操作，實現供電恢復過程的經濟性。

圖4 BPSO算法粒子的編碼結構Fig.4 Coding structure of particles in BPSO algorithm

3.3 求解流程

故障恢復具體流程如圖5所示。

圖5 故障恢復算法流程圖Fig.5 Flow chart of service restoration algorithm

孤島范圍數組B是利用樹的深度優先搜索算法遍歷得到的所有DG的最大供電范圍。B中每一行的數組代表一個DG的最大供電范圍，即以DG所在節點為根節點，從根節點出發，先訪問根結點的一個子節點，繼續以此子節點作為父結點訪問其子節點，直到超過DG的容量供電范圍，將這些節點存入B中；然后開始回溯到根節點處，重新從根節點的方向往末端方向選擇未曾遍歷過的其他子節點，重新從根節點的方向往末端方向選擇未曾遍歷過的其他子節點進行遍歷，直到將根節點的所有子節點遍歷完成，即直到得到完整的DG供電范圍。孤島范圍數只需要在故障恢復前一次性計算得到，在后續過程中不需要變化。

由流程圖圖5中可知，本文的故障恢復策略考慮了主配網潮流協調，保證了結果的準確性；且配電網側的故障恢復方案實現了DG、可中斷負荷和網絡重構資源的合理配合，保證了結果的最優性。為了使電網最大量的消耗新能源，在滿足最大量恢復非故障失電負荷前提下應盡量減少孤島運行，本文通過引入一個參數tt來反映粒子群迭代過程中滿足約束的無孤島運行粒子個數。若tt不為0則表示存在滿足約束而不必孤島劃分或切負荷的粒子，后續過程則不需要進行孤島劃分或切負荷，提高了計算速度。因此，本文提出的故障恢復方法在確保主配網協調的基礎上使多種可控資源合理配合，得到最優解。

4 算例分析

本文采用IEEE30節點主網和IEEE33節點配電配網構造全局電網算例，將主網中26號節點、配電網中1號節點分別作為主配網的PCC點，主網中其他節點的配電網等值為負荷節點。配電網中的DG類型、接入點以及功率如表1所示。負荷等級如表2所示，可中斷負荷參數如表3所示。

表1 配電網中DG節點與參數Tab.1 Buses and parameters of DGs of distribution network

表2 配電網中節點負荷等級參數Tab.2 The parameters of distribution network

表3 可中斷負荷參數Tab.3 The parameters of interruptible load

假設配電網2號支路發生永久性故障，采用本文提出的計及主網潮流響應的故障恢復方法和傳統配電網孤立進行故障恢復的結果對比如表4所示。

由表4可知，計及主網潮流響應的故障恢復結果與配電網孤立進行故障恢復的結果存在較大差異。定義表4中計及主網潮流響應的故障恢復得到的策略為方案Ⅰ、配電網孤立進行故障恢復得到的策略為方案Ⅱ，雖然方案Ⅱ比方案Ⅰ中斷的可中斷負荷量大、網損高，但是故障恢復過程中開關次數少、目標函數值小，因此方案Ⅱ更優。造成2種方案產生差異的原因是：孤立進行故障恢復過程中將PCC點看作是電壓標幺值為1的根節點，方案Ⅰ在孤立故障恢復計算時由于末端電壓偏低而被舍棄；計及主網潮流響應的故障恢復過程中充分考慮了主配網之間的協調關系，能夠得到準確的PCC點電壓，使得到的方案Ⅱ更準確。因此，本文提出的計及主網潮流響應的主動配電網故障恢復方法保證了恢復策略的準確性和經濟性。

表4 配電網故障恢復結果Tab.4 Results of restoration of distribution network

5 結語

針對主動配電網的故障恢復問題，本文提出了一種計及主網潮流響應的故障恢復模型與方法。考慮了不同類型DG在故障恢復中的影響，保證了故障恢復過程中DG、可中斷負荷和網絡重構資源的配合。在故障恢復過程中通過計及主網的潮流響應，實現了主配網的協調，保證了恢復策略的準確性和經濟性。通過構建的主配全局電網算例進行測試，論證了本文提出方法的有效性，同時也驗證了在主動配電網故障恢復過程中計及主網潮流響應的必要性。

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Study on Service Restoration for Active Distribution Network Considering Power Flow of Main Network

YANG Ting1，ZHAO Jinquan1，HAN Jiabing2，LIN Changnian2，WEI Wenhui2
（1.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.Beijing Kedong Electrical Control System Co.，Ltd.，Beijing 110179，China）

With the traditional distribution network developing into the active distribution network with high penetration of distributed generation（DG），the traditional practice of the isolated service restoration of distribution network is no long applicable.In this paper，a new method considering power flow of main network for active distribution network fault recovery is proposed.Considering the coordination of DG，interruptible load and network reconfiguration resources，the coordination of main and distribution network is realized by taking into account the global power flow，which ensures the accuracy and economy of the service restoration.Numerical tests on an integrated system of IEEE30-bus main and IEEE33-bus distribution system show that the proposed method is more effective than the traditional method.

service restoration； active distribution net work；global power flow；distributed generation；interruptible load

2017-02-16。

楊 婷（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統運行分析；

（編輯 董小兵）

1674-3814（2017）05-0051-06

TM76

A

國家自然科學基金項目（51577049）；國家電網公司科技項目：面向分布式電源接入的主配網一體化分析及快速仿真關鍵技術研究。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577049）；Project Supported by Science and Technology Foundation of the State Grid Corporation of China：Research on the Key Technologies of Integrated Analysis and Fast Simulation of Main and Distribution Network with DGs.

趙晉泉（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為電力系統優化運行、電壓穩定分析與控制和電力市場等。