多源协同的配电网多时段负荷恢复优化决策方法

周昶

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，配电网建设越来越多。当极端灾害引起大停电事故时，可协同多种电源和储能快速恢复重要负荷，提升配电网韧性。首先探讨多源协同故障恢复对配电网韧性的提升作用，然后以最大化负荷的加权供电时间及最小化总网损为目标，以各时段负荷状态、电源输出功率及线路投运状态为优化变量，考虑有限能量约束、运行约束和拓扑约束等，将多源协同的配电网多时段负荷恢复问题建模并松弛为混合整数二阶锥规划模型，并利用商业优化软件求解，得到最优恢复策略。最后，通过改进IEEE13节点和IEEE123节点配电系统标准算例和仿真验证了所提方法的有效性和优越性。

关键词：配电网;分布式电源;供电恢复;韧性;优化决策

引言

将可中断负荷应用到配电网故障恢复问题中，建立了考虑可中断负荷的多时段配电网故障恢复优化模型。通过遗传算法对多时段内可中断负荷主动切除和配电网重构方案进行全局寻优，通过动态规划算法对个体多个时段的修正方案进行局部深度寻优，有效提高了算法效率。算例计算结果验证了所提出的模型和算法的正确性和有效性，能够有效保证重要负荷供电，提高供电可靠性。

1主动配电网多源协同优化调度系统建设的目标及需求分析

主动配电网可以使终端用电用户主动参与到电力系统的优化运行过程中，有效提高电力系统中设备的使用效率，从而进一步提高电网能源的综合使用水平。主动配电网多源协同优化调度系统建立在可再生能源的新型电网结构基础之上，通过电力电子技术实现对多级能源进行分布式系统协调控制。主动配电网多源协同优化调度实时监测分布式电源的数据，并对受控负荷侧进行优化控制。多级能源智能化协调优化控制，就是采用新一代的电网技术对能源进行可再生利用，并采用智能化的方式来发展电网。主动配电网分布式电源协调控制框架采用多时间尺度的全局优化控制模式进行设计，可以更好地优化主动配电网。系统的主要研究内容是秉持分级处理、架构控制和目标优化的设计理念，实现对多级电源的协调优化控制。

2多源协同恢复的优势

不同类型的分布式电源惯性不同，运行特性和控制响应特性各异，在恢复中合理协同各类分布式电源有利于充分发挥分布式电源对配电网恢复能力的提升作用，从而更大限度地提升韧性。将各类本地电源与重要负荷相互连接，形成尽可能大的孤岛，实现多源协同，优势如下。优势1：多源在空间上相互连通，有利于综合利用多源的发电容量，实现发电资源的优化配置，从而恢复更多重要负荷。优势2：多源在时间维度协同，即合理分配多源在不同时段的输出功率，可在发电资源有限的条件下尽可能长时间地为更重要的负荷持续供电。优势3：多源协同的恢复策略可充分发挥各类分布式电源控制能力，使系统更加坚强和稳定，有利于抵抗恢复过程中的暂态扰动。优势4：由于系统为尽可能大的孤岛，使得发电容量相对充裕，应对间歇性能源输出功率不确定性能力增加，有利于接纳间歇性能源辅助恢复。本文主要关注多源协同的配电网多时段恢复策略的优化决策方法，重点关注发挥协同优势1和优势2，解决相关难点问题。协同优势3和优势4分别关注恢复的暂态过程以及恢复中间歇性能源输出功率不确定性的处理，均为难点问题，需进一步深入研究，不在本文考虑范围内。

3多源协同的配电网多时段恢复优化模型

3.1目标函数

1）目标函数一，用户停电损失最小。主要考虑停电量和停电发生时间，计算公式为

（1）

式中，f1（sijλij）为总停电损失;t为故障恢复时段数;n为负荷总个数;λij为负荷i在第j时段赔偿系数，反映不同停电发生时间对不同用户停电损失的影响，可中断负荷的取值为[0，1]，不可中断负荷的取值为无穷大;sij为负荷i在第j时段的停电损失，用二次函数来模拟，即

（2）

式中，K1、K2为常系数;xij为负荷i在第j时段的停电容量;θi为负荷i的中断意愿，取值与负荷的分类有关，θ∈[0，1]。2）目标函数二，开关动作次数最少。计算公式为

（3）

（4）

式中，X為开关状态向量;SMij为开关i在时段j的状态，0为断开，1为闭合;SM0ij为开关i在j时段的初始状态;Ns为开关总数。

3.2约束条件

多源协同的配电网恢复问题需要考虑的约束条件包括有限的能量约束、运行约束、拓扑约束以及负荷状态约束等，具体如下。

1）能量约束。

（4）

式中：G，B和C分别表示所有在线分布式同步发电机、在线分布式储能和电动汽车所构成的集合，其中电动汽车是指闲置的电动公交车或电动大巴，在极端事件导致停电事故时可作为储能装置通过充电桩接入配电网并为重要负荷供电;Pgeni，t为电源i在时段t的有功功率值;Ei，0为电源i在恢复之前内部剩余的发电资源的能量值。极端事件发生后，受灾区域基础设施可能遭到严重破坏，系统内发电资源（如柴油发电机使用的柴油、燃气轮机使用的燃气等）可能无法及时得到补給，因此需要考虑每台电源有限的能量约束。为方便计算，文中将所有不同的能源形式，如柴油、天然气，按照一定的转换效率，转换成电能（单位为kW·h）进行计算。2）拓扑约束。恢复方案需保证配电网的辐射状拓扑结构，由图论可得拓扑约束

（5）

（6）

（7）

式中：βij和βji为0-1整数变量，代表节点i和j在图中的父子关系，若节点j是节点i的父节点，则βij=1且βji=0;反之，则βji=1且βij=0，若节点i与节点j不相连，则βij=βji=αij=0;Ω（i）为与节点i相邻的所有节点的集合;N1为去掉节点1后其他节点构成的集合。式（5）表示变量βij和变量αij的关系;式（6）表示树中除根节点外的所有子节点都只有一个父节点，本文中假设节点1为根节点;式（7）表示根节点没有父节点。

4关键技术分析

在多源协同优化调度系统中采用多源数据融合技术，可以对不同的数据进行多层面的综合分析处理，包括在主动配电网的基础上融合配电网多源数据，聚合分析数据，并对错误数据进行删除。此外，快速仿真技术是以实时的运行数据和分析数据为基础，自动生成配电网在运行过程中的数据集，并使用主动配电网的仿真计算方法。它会对电网运行的环境和过程进行仿真模拟，对配电网中的薄弱环节则采用主动挖掘方式，以实现感知预警的作用。同时，按照时间和序列的顺序对智能电网运行过程进行主动仿真推演，更好地实现多元协同优化调度。最后，多元协同优化调度策略技术可以实现配电网安全、可靠运行的基础保障，也是对分布式电源进行主动管理的核心技术。

结语

综上所述，针对大停电后的配电网故障恢复问题，提出了多源协同的配电网多时段负荷恢复优化决策方法。该方法考虑了恢复过程中有限的能量约束、拓扑约束以及各个时段内的运行约束，可针对不同系统在不同停电时间场景下给出多时段恢复优化方案。相比于单一时间断面的恢复策略和基于单源形成单孤岛进行恢复的策略，本文提出的多源协同的多时段恢复方法可实现分布式电源和储能在时间和空间维度的协同，实现有限发电资源的优化配置，提升配电网韧性。

参考文献

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