配电网故障的阶段式恢复辅助决策技术分析

2022-06-15苗毅冀超李林刘尚融李娜仁

中国设备工程 2022年11期

苗毅，冀超，李林，刘尚融，李娜仁

（内蒙古电力（集团）有限责任公司包头供电分公司，内蒙古包头 014030）

随着经济的发展，社会对电力供应的需求也在不断增加，需要加大对配电系统的建设及投资力度，以满足电力的可靠供应。但配电网的快速发展，也使得配电系统的结构变得日益复杂，对配电系统的运维和管理难度也提出了更高的要求。并且配电网运行的环境也较为复杂，极易发生故障。如何对故障之后的配电网快速恢复正常的供电，是电力企业配电网运维部门需要面临的重要问题，也是亟需解决的关键技术之一，为此本文详细分析了配电网故障的阶段式恢复辅助决策技术。本文首先分析了配电网的故障恢复辅助决策技术现状，之后阐述了基于和声搜索算法的配电网故障的阶段式恢复技术、和声搜索算法的原理及特点，以及配电网阶段式供电恢复的计算流程图等具体的实现原理。最后随着当前配电网中并网的分布式电源容量越来越高，需要在配电网故障恢复决策中，将分布式电源考虑在内，还介绍了含分布式电源的配电网故障恢复方法。

1 配电网的故障恢复辅助决策技术现状

在传统的配电网故障恢复辅助决策技术中，当感知到配电网中出现了故障之后，首先断路器会保护动作跳闸，断开配电网中的故障电流。之后配电网主站系统再根据现场终端设备上传上来的故障电流数据进行故障定位，并将故障区段两侧开关断开，达到将故障从配电网中隔离的目的。当将故障隔离之后，再恢复非故障失电区域的供电，即合上与其连接的配电联络开关，经过多级转供之后，就可以恢复非故障失电区域的供电。从上述配电网故障供电恢复的过程中可以看出，该过程为配电网网络重构的过程，即将配电网中的分段开关以及联络开关分开或者闭合，通过网络切改达到恢复供电的目的。

为了得出配电网供电恢复的技术方案，需要先建立数学模型。在配电网的故障恢复辅助决策数学模型中，一般以负荷恢复量最大、分段开关及联络开关动作次数最少为目标函数。对于模型中的约束条件，包括了配电网中的节点电压约束、配电网的线路潮流约束、配电网的网络拓扑约束、功率平衡约束等。配电网的故障恢复辅助决策数学模型为一个多目标优化问题，并且是离散优化问题，所得到的故障恢复方案为一组分段开关及联络开关的动作顺序数列。目前对于配电网的故障恢复辅助决策数学模型的求解方法，主要包括了启发式算法、人工智能优化方法以及专家系统等。

2 基于和声搜索算法的配电网故障的阶段式恢复技术

2.1 和声搜索算法的原理及特点

和声搜索算法模拟了在音乐演奏中，各个演奏师通过自身对音调的记忆，来不断对各个乐器音调加以调整，使得最终形成一个美妙的和声。这种算法和其他的人工智能算法、如粒子群算法、遗传算法等搜索过程具有一定的类似之处，在算法中的变量为乐器的声调、迭代的过程就为每次的练习过程。和其他的算法相比，和声算法具有一定的应用优势，包括以下几点：一是概念相对比较简单，在算法的实现方式上也较为容易，同时需要设置的参数变量也相对较少。二是在该算法中采用了随机搜索功能，不需要衍生的相关信息。三是在遗传算法中，需要两个父本形成一个新的最优解。而采用该和声算法，所有的解都可以产生一个新的最优解，故在寻找最优解的过程中，收敛速度更快，计算效率更高，图1为和声搜索算法的计算流程图。

图1 和声搜索算法的计算流程图

从图1中和声搜索算法的计算流程图中可以看出，在该算法中，首先是将配电网中的网络参数和算法中的相关参数变量初始值输入到计算程序中。同时给予和声记忆库一个初始值，并计算此时的目标函数值，之后再通过对和声变量的不断更新，重新计算目标函数值，并将更新之后的和声加入到和声记忆库中。经过如此多次的和声练习，最终得到最优的目标函数值，完成和声算法的优化计算过程。

2.2 基于和声算法的配电网故障的阶段式恢复

为了能够快速得到所需要的配电网供电恢复技术方案，并且保证技术方案最优，可以采用基于和声算法的配电网故障的阶段式恢复计算方法，通过设置不同的计算阶段，从而将整个故障恢复过程加以分解计算。在阶段式算法中，主要包括了三个不同的阶段，分别是恢复配电网络的连通性、配电网络重构、配电网切负荷等。其中在配电网重构阶段中，需要建立配电网重构数学模型，可以将配电网络中各个节点电压不发生越限情况、配电网中各条馈电线路不发生过载情况等反应在优化模型中，即可以作为目标函数，也可以作为约束条件来加以反应。在配电网故障恢复辅助决策技术中，具体的算法实现流程如图2所示，其中指标1代表配电网中馈电线路的负债率，指标2代表配电网中各个节点电压的偏移量。

从图2配电网阶段式供电恢复的计算流程图中可知，首先是计算程序读取配电网中为了隔离故障而断开的联络开关以及分段开关等数据信息。在第一个阶段中，可以采用启发式算法来恢复配电网中的非故障区域的连通特性，即将配电网系统中的联络开关闭合。第三个计算步骤为判断上述定义的两个指标是否都符合要求。如果都符合要求，则直接将配电网的故障恢复方案输出，如果不符合要求，则进入到下一个计算步骤中，即第二计算阶段。在供电恢复的第二阶段中，主要是通过配电网络重构来恢复配网的安全运行。对于在第一个计算阶段中没有动作的开关，以上述定义的两个指标作为配电网重构模型中的目标函数，即配电网线路负债率最小、节点电压的偏移量最小，从而实现配电网的网络优化重构。

图2 配电网阶段式供电恢复的计算流程图

此时再次判断两个指标是否都达标，如果达标，则将配电网的故障恢复方案输出，如果不符合要求，则进入到下一个计算步骤中，即第三计算阶段。在这最后一个计算阶段中，主要是采用不得已的切除配电网中的负荷，来确保配电网运行的安全性，及保证配电网中的各条馈线都没有出现过载的情况，电压水平也都在合格的范围内，这样才能够保证整个配电系统的安全。对于切负荷的选择，可以利用深度优先算法进行切负荷区域的搜索，并在搜索的过程中，考虑到负荷的重要程度和优先级别。直到整个配电系统的运行安全性指标都满足为止，才结束上述三个阶段的供电恢复辅助决策计算和方案输出。

3 含分布式电源的配电网故障恢复方法

当分布式电源接入到配电网之后，由于会使得配电网中出现潮流双向流动的重要特征，会对传统的配电网故障定位算法带来较大的影响，可能传统的算法已经不能适用，需要对传统的故障定位算法加以改进，故分析含分布式电源的配电网故障恢复方法具有较大的意义和价值。分布式电源接入配电网的方式主要包括了两种：一是直接接入到配电网中，而是通过微电网的方式并网。无论哪种接入方式，都会使得配电网中的功率流向发生重大变化，会改变故障时配电网中短路电流的分布。如果分布式电源以微电网的方式接入，则微电网可以采取孤岛运行的模式来保障重要电力用户的供电。

在含分布式电源的配电网故障恢复方法中，同样为多目标优化问题，只是分布式电源可以参与到故障之后的供电恢复过程中，使得问题变得更为复杂。为此可以分成四个不同的阶段来处理该问题，每个阶段下的优化变量都为配电网中分段开关以及联络开关的分合状态。在第一个阶段中，为孤岛方案的匹配。如果能通过孤岛供电方案来解决的，可以制定相应的孤岛恢复供电方案。在第二阶段中，容易是恢复配电网络的连通性，将停电配电区域和带电配电区域通过联络开关来互联。第三个阶段为配电网重构，以进行配电网拓扑结构的优化。第四个阶段为当采取上述方案后都无法保证配电网的安全稳定运行，此时可以切除一部分配电系统中的负荷。经过上述各个阶段的优化计算之后，就可以得到配电系统中各个开关的动作开合序列，最为配电系统的供电恢复技术方案。总体而言，分布式电源接入使得配电网中新增了电源点，更有利于配电系统的供电恢复，并且可以降低分段开关以及联络开关的动作次数，对于快速恢复供电具有积极意义。