多源協同的配電網多時段負荷恢復優化決策方法

周昶

摘要：近年來，我國對電能的需求不斷增加，配電網建設越來越多。當極端災害引起大停電事故時，可協同多種電源和儲能快速恢復重要負荷，提升配電網韌性。首先探討多源協同故障恢復對配電網韌性的提升作用，然后以最大化負荷的加權供電時間及最小化總網損為目標，以各時段負荷狀態、電源輸出功率及線路投運狀態為優化變量，考慮有限能量約束、運行約束和拓撲約束等，將多源協同的配電網多時段負荷恢復問題建模并松弛為混合整數二階錐規劃模型，并利用商業優化軟件求解，得到最優恢復策略。最后，通過改進IEEE13節點和IEEE123節點配電系統標準算例和仿真驗證了所提方法的有效性和優越性。

關鍵詞：配電網;分布式電源;供電恢復;韌性;優化決策

引言

將可中斷負荷應用到配電網故障恢復問題中，建立了考慮可中斷負荷的多時段配電網故障恢復優化模型。通過遺傳算法對多時段內可中斷負荷主動切除和配電網重構方案進行全局尋優，通過動態規劃算法對個體多個時段的修正方案進行局部深度尋優，有效提高了算法效率。算例計算結果驗證了所提出的模型和算法的正確性和有效性，能夠有效保證重要負荷供電，提高供電可靠性。

1主動配電網多源協同優化調度系統建設的目標及需求分析

主動配電網可以使終端用電用戶主動參與到電力系統的優化運行過程中，有效提高電力系統中設備的使用效率，從而進一步提高電網能源的綜合使用水平。主動配電網多源協同優化調度系統建立在可再生能源的新型電網結構基礎之上，通過電力電子技術實現對多級能源進行分布式系統協調控制。主動配電網多源協同優化調度實時監測分布式電源的數據，并對受控負荷側進行優化控制。多級能源智能化協調優化控制，就是采用新一代的電網技術對能源進行可再生利用，并采用智能化的方式來發展電網。主動配電網分布式電源協調控制框架采用多時間尺度的全局優化控制模式進行設計，可以更好地優化主動配電網。系統的主要研究內容是秉持分級處理、架構控制和目標優化的設計理念，實現對多級電源的協調優化控制。

2多源協同恢復的優勢

不同類型的分布式電源慣性不同，運行特性和控制響應特性各異，在恢復中合理協同各類分布式電源有利于充分發揮分布式電源對配電網恢復能力的提升作用，從而更大限度地提升韌性。將各類本地電源與重要負荷相互連接，形成盡可能大的孤島，實現多源協同，優勢如下。優勢1：多源在空間上相互連通，有利于綜合利用多源的發電容量，實現發電資源的優化配置，從而恢復更多重要負荷。優勢2：多源在時間維度協同，即合理分配多源在不同時段的輸出功率，可在發電資源有限的條件下盡可能長時間地為更重要的負荷持續供電。優勢3：多源協同的恢復策略可充分發揮各類分布式電源控制能力，使系統更加堅強和穩定，有利于抵抗恢復過程中的暫態擾動。優勢4：由于系統為盡可能大的孤島，使得發電容量相對充裕，應對間歇性能源輸出功率不確定性能力增加，有利于接納間歇性能源輔助恢復。本文主要關注多源協同的配電網多時段恢復策略的優化決策方法，重點關注發揮協同優勢1和優勢2，解決相關難點問題。協同優勢3和優勢4分別關注恢復的暫態過程以及恢復中間歇性能源輸出功率不確定性的處理，均為難點問題，需進一步深入研究，不在本文考慮范圍內。

3多源協同的配電網多時段恢復優化模型

3.1目標函數

1）目標函數一，用戶停電損失最小。主要考慮停電量和停電發生時間，計算公式為

（1）

式中，f1（sijλij）為總停電損失;t為故障恢復時段數;n為負荷總個數;λij為負荷i在第j時段賠償系數，反映不同停電發生時間對不同用戶停電損失的影響，可中斷負荷的取值為[0，1]，不可中斷負荷的取值為無窮大;sij為負荷i在第j時段的停電損失，用二次函數來模擬，即

（2）

式中，K1、K2為常系數;xij為負荷i在第j時段的停電容量;θi為負荷i的中斷意愿，取值與負荷的分類有關，θ∈[0，1]。2）目標函數二，開關動作次數最少。計算公式為

（3）

（4）

式中，X為開關狀態向量;SMij為開關i在時段j的狀態，0為斷開，1為閉合;SM0ij為開關i在j時段的初始狀態;Ns為開關總數。

3.2約束條件

多源協同的配電網恢復問題需要考慮的約束條件包括有限的能量約束、運行約束、拓撲約束以及負荷狀態約束等，具體如下。

1）能量約束。

（4）

式中：G，B和C分別表示所有在線分布式同步發電機、在線分布式儲能和電動汽車所構成的集合，其中電動汽車是指閑置的電動公交車或電動大巴，在極端事件導致停電事故時可作為儲能裝置通過充電樁接入配電網并為重要負荷供電;Pgeni，t為電源i在時段t的有功功率值;Ei，0為電源i在恢復之前內部剩余的發電資源的能量值。極端事件發生后，受災區域基礎設施可能遭到嚴重破壞，系統內發電資源（如柴油發電機使用的柴油、燃氣輪機使用的燃氣等）可能無法及時得到補給，因此需要考慮每臺電源有限的能量約束。為方便計算，文中將所有不同的能源形式，如柴油、天然氣，按照一定的轉換效率，轉換成電能（單位為kW·h）進行計算。2）拓撲約束。恢復方案需保證配電網的輻射狀拓撲結構，由圖論可得拓撲約束

（5）

（6）

（7）

式中：βij和βji為0-1整數變量，代表節點i和j在圖中的父子關系，若節點j是節點i的父節點，則βij=1且βji=0;反之，則βji=1且βij=0，若節點i與節點j不相連，則βij=βji=αij=0;Ω（i）為與節點i相鄰的所有節點的集合;N1為去掉節點1后其他節點構成的集合。式（5）表示變量βij和變量αij的關系;式（6）表示樹中除根節點外的所有子節點都只有一個父節點，本文中假設節點1為根節點;式（7）表示根節點沒有父節點。

4關鍵技術分析

在多源協同優化調度系統中采用多源數據融合技術，可以對不同的數據進行多層面的綜合分析處理，包括在主動配電網的基礎上融合配電網多源數據，聚合分析數據，并對錯誤數據進行刪除。此外，快速仿真技術是以實時的運行數據和分析數據為基礎，自動生成配電網在運行過程中的數據集，并使用主動配電網的仿真計算方法。它會對電網運行的環境和過程進行仿真模擬，對配電網中的薄弱環節則采用主動挖掘方式，以實現感知預警的作用。同時，按照時間和序列的順序對智能電網運行過程進行主動仿真推演，更好地實現多元協同優化調度。最后，多元協同優化調度策略技術可以實現配電網安全、可靠運行的基礎保障，也是對分布式電源進行主動管理的核心技術。

結語

綜上所述，針對大停電后的配電網故障恢復問題，提出了多源協同的配電網多時段負荷恢復優化決策方法。該方法考慮了恢復過程中有限的能量約束、拓撲約束以及各個時段內的運行約束，可針對不同系統在不同停電時間場景下給出多時段恢復優化方案。相比于單一時間斷面的恢復策略和基于單源形成單孤島進行恢復的策略，本文提出的多源協同的多時段恢復方法可實現分布式電源和儲能在時間和空間維度的協同，實現有限發電資源的優化配置，提升配電網韌性。

參考文獻

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