基于共识算法的多微电网系统自愈操作的研究与分析

潘凯岩，卢建刚，赵瑞锋，余志文，刘宏达

（1.哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，哈尔滨 150000；2.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广州 518000；3.东方电子股份有限公司，烟台 264000）

0 引言

随着智能电网的集成，具有单向潮流的传统配电网络的性质已从无源配电网络（ADN）转变为主动配电网络（ADNs）[1-4]。主动配电网络的某些部分可以考虑为多个互连的配电网络，即所谓的微电网（MG），它可以在并网或具有许多DG的独立模式下运行[5]。微电网是低压或中压的小型电网，必须能够将一组消费者连接到许多DG和储能系统（ESS）[6]。

将ADN分区到微电网可能对消费者和许多应用程序具有许多优势，例如作为本地控制策略，以最大限度地减少不同微电网之间的交互[7]。因此，它促进了强大的自愈操作基础设施。微电网的规划有许多主要特征，微电网的可靠性和自给性是影响电力网络实现的两个主要目标[8]。基于技术和经济问题的观点，可靠性对于配电网的设计和运行至关重要。自愈技术作为智能电网的主要属性之一，使配电自动化的发展成为可能[9]。此功能定义为在中断期间提供自愈的快速反应能力。

由于自然事件、设备故障和人为错误，配电网中的停电会发生[10]。自愈的一个关键方面取决于电源管理系统和设计控制如何响应事件[11]。因此，适当的控制操作可以更快地恢复停止服务负载。通过自愈控制操作，可以恢复中断的负载，同时保持网络的约束。这些操作都有助于配电网运营商提供可靠和安全的运行状态[12]。

本文旨在探讨多微电网系统自愈技术的框架。在这项研究中，自愈是在ADN的技术中实现的，ADN被划分为几个微电网。该网络只有可再生能源和ESS。因此，与具有可调度能源的网络相比，在此类网络中实现自愈操作相对困难。本文提出一个多微电网系统中自愈操作的框架。采用共识算法，尽可能减少上游网络的功率。这是通过上游微电网和下游微电网的通信来实现的。通过使用存储在ESS中的能量来计算岛运行时间，可以直到故障完全清除。

1 微电网自愈

自愈技术被定义为快速故障检测、隔离和及时恢复电网服务的能力。通常，自愈有两个步骤：第一步是紧急反应，其中系统已检测到故障并与故障部分隔离。第二步是系统还原，还原计划涉及一些操作，例如负载卸除、系统重新配置或生成启动/关闭。当微电网发生故障时，根据故障的位置可能会丢失一些负载。为了应对干扰，自愈行动可以阻止故障传播。

图1显示了微电网的框架，这些微电网可以通过本地生成和存储相互支持。正常运行下的微电网可以支持故障段的电力短缺[13-14]。

图1 微电网框架

在正常操作模式下，每个微电网的LCS调度其可获取的资源。当出现故障时，系统将切换到自愈模式。在这里，诸如配电线路丢失之类的故障被视为紧急情况。根据正常运行步骤中完成的时间表，无故障的微电网LCS与邻近的LCS进行通信，并决定将每个正常的微电网的共享能力发送到岛上。为此，本文提出了一种分散的通信协议来交换微电网之间的信息。因此，每个微电网仅与其相邻的微电网通信。虽然也可以使用集中式算法来实现这种方法，但这将导致增加基础设施成本并降低可靠性。

本文的目的是通过更接近故障位置的微电网提供最大岛荷载。这意味着，如果岛可以供应其负载，直到故障被移除，则无需连接操纵线。否则，如果多个微电网在连接机动线后能够支撑该岛，则最靠近故障区域的微电网将优先于岛补给。距离故障位置最近的操纵线是指操纵线与故障位置之间的最短阻抗距离。这里，假设故障的清除时间为5小时。如果运行状况良好的微电网无法提供故障部分的总负载，则未提供的负载将由上游微电网提供服务。

根据故障部分的负载量有两种情况。

1）供应岛屿负载所需的电力少于本节中发电和储存能源的总和。如果负载可以供应到故障完全清除（5小时），则故障区域可以保持为孤岛。否则，必须连接操纵线。

2）故障区内的负载供电所需的功率超过该区域发电和储存能量的总和。在这种情况下，可以通过关闭常开的拉杆开关来提供负载。

如果供电负载所需的功率大于发电量和ESS容量之和，则故障位置最近的操纵线对应的拨动开关将立即关闭。

如果这些微电网的剩余发电量小于或等于故障部分所需的功率，则它们都将有助于部分负载的供应，如果需要，其余的功率将从上游网络接收。但是，如果这些微电网的总发电量超过故障部分所需的功率，则最接近故障位置的微电网优先提供负载。在这里，通过使用平均共识算法实现对微电网的功率分配。通过这种方式，每个微电网中的LCS与相邻的LCS进行通信，并且在交换信息后，确定每个微电网的份额。分配由每个微电网中的本地LCS实现，以进行相应的调度。最后，健康微电网的总功率输出将与所需功率紧密匹配。在这里，平均共识算法被用作LCS之间的协调，以分布式方式将所需的功率分配给每个LCS。实际上，目标是就每个LCS的值达成一致。

平均共识算法以分散的方式实现，为分散控制提供了公平的解决方案。分配给每个微电网的功率量由每个微电网的LCS用于调度可用资源。其目的是使每个微电网的总分配功率尽可能接近所需功率，以供应故障部分的负载。

根据本节所述，在本研究中，本文只关注自我修复的第二步，即负荷恢复；因此故障检测和隔离不属于本文的讨论范围。所提出方法的流程图如图2所示。

图2 自愈框架

2 共识算法

2.1 算法简介

在串联联网微电网中，当微电网在某处发生故障时，根据故障下游侧的发电和负载值请求其故障功率。这种功率的值应尽可能由正常的微电网提供。因此，故障部分所需的功率量在正常运行的微电网之间共享。目标是找到分配给每个微电网的共享功率，总功率定义如下：

等式(2)定义为一个故障下游侧所需的总有功功率与储能系统最大可调输出的比值：

式(3)的第一项表示每个微电网控制其ESS以遵循本地目标功率值，第二项表示发电和负载不匹配。实际上，有两个因素会影响每个普通微电网的分配功率。首先，在ESS中存储功率的部分考虑了式(2)中定义的指标，其次，每个微电网的产生和负载之间的差异。

每个LCS都可以通过调整其储能系统来提供自己的电力份额。因此，这种功率分配仅取决于每个微电网中的储能容量，如前所述，平均共识算法用于设计多微电网系统中所有LCS中请求功率的分配方案。因此，Δh通过迭代地采用平均共识算法进行计算[15]。假作为步骤k和初始值处的迭代变量，迭代变量更新如下：

其中ε表示步长。该值将收敛到平均值，如下所示：

拉普拉斯矩阵的特征值在共识算法的收敛中具有主要作用。实际上，拉普拉斯的第二个最小特征值是测量共识算法收敛的速度。将拉普拉斯矩阵的特征值视为L，其中λg(L)为实数并表示拉普拉斯矩阵gth的最大特征值ε∈(0,2/λg(L))。应该注意的是，平均收敛速率取决于步长。

2.2 约束条件

微电网的功率分配应以提供最大负载的方式进行。因此，通过平均共识算法分配给每个微电网的份额功率应尽可能接近每个微电网在实践中转移的功率量。因此，为了实现这一点，定义了目标函数，目的是最大限度地减少分配给正常微电网的聚合功率与传递到故障部分的总实际功率的差异，如下所示：

电压限制

功率平衡

有功功率

存储的能量限制

根据ESS的使用寿命，考虑0.2×WESS,max为最小充电状态。

初始充电状态

改变ESS中存储的能量的必要性

正常的微电网功率传输实际上受到了限制

3 仿真结果

为了证明本文所提办法的有效性，采用了两个基准案例：33辆公共汽车和119辆公共汽车的配电网络。这两个系统都已成为多微电网系统。此外，这些系统中的最佳ESS分配在之前的工作中完成。

3.1 33总线配电网

首先，在修改后的33总线配电网上作小规模径向配电网测试。该系统的标称电压为12.66kV，峰值负载为3715 kW，该网络如图3所示。该网络被划分为MG1到MG5，与操纵线（并列开关）对应的开关编号为S1至S5。此分配网络中的虚线表示MG边界。每日负载曲线如图4所示。

图3 33总线配电网规划

图4 配电网日负荷曲线

在本案例研究中，对于第23-24段第15小时的故障位置，结果如表1所示。可以观察到，在23号线失去后，断电的MG2将网络分为两部分。由于该线路位于MG2中，因此其他上游MG1、MG3、MG4和MG5必须根据其发电量和负载量发送所需的功率。从结果中可以看出，MG1无法提供任何动力。因此，其余的MG支持该岛所需的电力。实际上，MG3、MG4和MG5可以通过关闭连接开关S5在故障的下游侧提供如此大的功率。

表1 23-24段故障数据

每个正常微电网的份额分别为353.74kW、56.60kW和22.03kW。在故障发生后每小时计算一次岛上存储的发电量、消耗量和电力量，以计算孤岛持续时间。如果在故障清除前每小时都有发电和用电的平衡，该岛可以继续正常运行。因此，与此变量对应的列中的每个数字都表示故障发生后该岛可以继续运行的总小时数。此表的最后一列显示孤岛在岛中可以保留多长时间。对于此故障的发生，根据仿真结果，总线24和25无法继续在岛式模式下运行。

在某些情况下，孤岛部分可能会在有限的时间内继续其孤岛作业。因此，此时无需关闭并列开关。例如，如果 18号线（2-19）在第15小时被移除，则包含19-22路公交车的孤岛路段将在岛上保留一小时。但是，一小时后，必须关闭并联开关。

每个单元中的破折号表示负载供应中不涉及相应的MG。当然，在这种情况下，负载是完全供电的，它不需要从其他MG接收电力。本节所需的功率为175.74kW。唯一可以提供这种动力的MG是MG3。然而，由于其在拟议框架的第1阶段执行的时间表，它仅提供约135.51kW的功率。因此，在S2关闭后，该岛的其余部分所需的功率，即剩余的40.23kW，是从上游网络中获取的。

表2显示了在第23行（23-24）第15小时发生故障后，正常运行的微电网中的RESs生成、存储和负载量。通过将此表与表1进行比较，可以看出每个微电网在为其负载供电后提供了该岛所需的一些功率。MG以525.02kW的速率提供负载，并向该岛提供353.74kW的功率。同样，可以对MG4和MG5进行这样的分析。表3显示了每个岛屿可以继续运行的时间。

表2 23-24段MG3-MG5的发电量

表3 持续运行的时间

根据表3，如果5号线（5-6）在第10小时发生故障，则必须立即关闭扎带开关，但如果此故障发生在第15小时，则该岛可以继续运行长达2小时而无需关闭拉杆开关。22号线（22-23号线）13-16小时发生的故障结果如表4所示。

表4 22-23段MG3-MG5的发电量

4 结语

本研究针对基于两阶段网络通信网络架构的径向互联微电网自愈问题提出了一个自愈操作框架。在第一阶段，每个微电网中的本地控制系统（LCS）根据本地功耗目标调度可访问的资源。在第二阶段，许多LCS在全球范围内进行通信以执行自愈操作。LCS的通信是使用共识算法完成的。然而，当微电网发生故障时，由第一阶段的需求和供应信息，正常的微电网会尽可能地提供停电负载。为了验证拟议框架的有效性，采用了两个基准配电网络（33总线和119总线）。通过使用遗传算法，每个微电网的分配功率与每个微电网实际提供的功率相匹配。如果运行状况良好的微电网无法提供所有必需的电源，则其余电源来自上游网络。在基于平均共识算法的信息交换之后，指定分配给每个微电网的功率份额以提供岛请求的功率。使用存储在ESS中的能量来计算岛运行时间，可以直到故障完全清除。