面向彈性提升的主動配電網(wǎng)重構(gòu)與元件修復(fù)協(xié)同方法

彭寒梅，劉子威，譚 貌，王維首，蘇永新

面向彈性提升的主動配電網(wǎng)重構(gòu)與元件修復(fù)協(xié)同方法

彭寒梅1,2，劉子威1，譚 貌1,2，王維首1，蘇永新1,2

(1.湘潭大學(xué)自動化與電子信息學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.多能協(xié)同控制技術(shù)湖南省工程研究中心(湘潭大學(xué))，湖南 湘潭 411105)

極端事件會導(dǎo)致主動配電網(wǎng)出現(xiàn)多處故障且故障元件修復(fù)時間長，傳統(tǒng)的故障恢復(fù)方法會使得系統(tǒng)的彈性低。針對主動配電網(wǎng)的故障恢復(fù)階段，提出了一種面向彈性提升的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同方法。首先，結(jié)合計及負(fù)荷重要程度的主動配電網(wǎng)彈性指標(biāo)，分析出故障恢復(fù)階段彈性提升的主要措施；在此基礎(chǔ)上，提出重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略框架，給出交替協(xié)同中線路狀態(tài)變量和節(jié)點負(fù)荷供電狀態(tài)變量的更新與關(guān)聯(lián)。其次，建立全過程故障元件修復(fù)和重構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)。針對主動配電網(wǎng)含多分布式電源特點帶來的故障元件上下游關(guān)系難以判別問題，提出基于消線解故障環(huán)法和圈源等效法的判別方法。最后，算例結(jié)果表明，所提方法能有效地提升主動配電網(wǎng)的彈性。

主動配電網(wǎng)；彈性提升；元件修復(fù)；重構(gòu)；協(xié)同方法

0 引言

近年來，包括臺風(fēng)、冰雪、地震等極端自然災(zāi)害及惡意人為網(wǎng)絡(luò)攻擊在內(nèi)的極端事件頻發(fā)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模停電事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)的彈性定義為系統(tǒng)抵制各種危害、承受初始故障后果以及快速恢復(fù)到正常運行狀態(tài)的能力[1-2]，強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)對極端事件的能力[3-4]。配電網(wǎng)位于電力系統(tǒng)末端，相較于輸電網(wǎng)更為脆弱；不同于網(wǎng)狀拓?fù)涞妮旊娋W(wǎng)，配電網(wǎng)大多具有徑向樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸逃械碾娏Y源密度特性，這些使得配電網(wǎng)對強(qiáng)烈干擾更敏感。已證明，配電系統(tǒng)是電力基礎(chǔ)設(shè)施中最脆弱的部分[5-7]，且配電網(wǎng)直接面向用電用戶，是保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，構(gòu)建極端擾動后實現(xiàn)快速恢復(fù)的彈性配電網(wǎng)成為配電網(wǎng)建設(shè)的迫切需要。

2008年國際大電網(wǎng)會議C6.11項目組提出主動配電網(wǎng)的概念，其最顯著的特征是具有一定可調(diào)控的分布式資源[8-10]。極端事件發(fā)生前后，彈性電網(wǎng)的故障響應(yīng)過程分為3個階段：故障前預(yù)防階段；故障抵御、響應(yīng)與適應(yīng)階段；故障恢復(fù)階段，即運營者組織電網(wǎng)修復(fù)并使電網(wǎng)逐漸恢復(fù)到正常運行水平的階段?；謴?fù)力是彈性電網(wǎng)具有的主要特征[11-13]。在發(fā)生極端事件后：傳統(tǒng)的被動式配電網(wǎng)會因系統(tǒng)元件損壞而導(dǎo)致電力負(fù)荷長時間停電，且接入的分布式電源(Distributed Generator, DG)會退出運行；主動配電網(wǎng)對接入的DG采用主動管理和主動控制技術(shù)，使得非故障的非間歇性DG可向負(fù)荷供電，從而提升系統(tǒng)的彈性；因此，如何通過主動控制來增強(qiáng)恢復(fù)能力是主動配電網(wǎng)彈性提升研究的重要內(nèi)容。

近年來，國內(nèi)外對配電網(wǎng)的彈性評估[14-15]及彈性提升[16-17]已經(jīng)開展了一定的研究。文獻(xiàn)[14]建立了極端冰雪災(zāi)害下的配電網(wǎng)彈性評估指標(biāo)。文獻(xiàn)[15]分析了影響配電網(wǎng)彈性的關(guān)鍵因素，提出了一種采用圖論和Choquet積分量化配電網(wǎng)彈性的方法。文獻(xiàn)[16]提出了基于遠(yuǎn)動開關(guān)的魯棒優(yōu)化配置模型，以提升配電網(wǎng)的彈性。文獻(xiàn)[17]提出了基于兩階段隨機(jī)混合整數(shù)線性模型的配電網(wǎng)彈性規(guī)劃。電力系統(tǒng)彈性提升的方法與措施分為基礎(chǔ)設(shè)施措施和運行措施。文獻(xiàn)[16-17]研究了面向彈性提升的配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃與加強(qiáng)?；A(chǔ)設(shè)施規(guī)劃措施適用于長遠(yuǎn)性的彈性提升方法，此外在極端惡劣條件下不能保證規(guī)劃加固的所有組件完好，因此，在現(xiàn)有配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施條件下有效的恢復(fù)運行措施是配電網(wǎng)彈性提升的關(guān)鍵。

目前，對配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法的研究已有一定的成果，但大多是從拓?fù)渲貥?gòu)和元件修復(fù)單方面考慮或者分開考慮進(jìn)行的[18-21]，且沒有針對極端事件造成的多故障及其彈性提升。文獻(xiàn)[18]提出了一種同時包含重構(gòu)與孤島劃分的故障恢復(fù)方法，以提高故障恢復(fù)的水平。文獻(xiàn)[19]采用遺傳算法與二階錐松弛技術(shù)對供電恢復(fù)中的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)進(jìn)行雙層規(guī)劃，解決嚴(yán)重故障情況下配電網(wǎng)供電能力不足的問題。文獻(xiàn)[20-21]論述了極端自然災(zāi)害后配電網(wǎng)的優(yōu)化搶修策略。彈性電網(wǎng)故障響應(yīng)過程的故障恢復(fù)階段又可分為 3個階段：準(zhǔn)備階段、網(wǎng)架重構(gòu)階段和故障元件修復(fù)階段。極端事件破壞性強(qiáng)，會導(dǎo)致多故障且故障元件修復(fù)時間長，傳統(tǒng)的先網(wǎng)架重構(gòu)再進(jìn)行故障元件修復(fù)的方法沒有考慮兩者之間的全過程協(xié)同，導(dǎo)致部分失電負(fù)荷需等所有故障元件全部修復(fù)后才能恢復(fù)供電，使得失電負(fù)荷的停電時間長，系統(tǒng)的彈性低。

本文針對極端事件下主動配電網(wǎng)的故障恢復(fù)階段，提出一種面向彈性提升的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同方法：首先，結(jié)合考慮負(fù)荷重要程度的主動配電網(wǎng)彈性指標(biāo)，分析出故障恢復(fù)階段彈性提升的主要措施；在此基礎(chǔ)上，提出重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略框架，其通過線路狀態(tài)變量和節(jié)點負(fù)荷供電狀態(tài)變量的更新與關(guān)聯(lián)，將重構(gòu)操作與故障元件修復(fù)交替協(xié)同進(jìn)行，完成故障恢復(fù)階段；然后，建立全過程故障元件修復(fù)模型和重構(gòu)統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，針對主動配電網(wǎng)含多個DG特點帶來的故障元件上下游關(guān)系難以判別問題，提出基于消線解故障環(huán)法和圈源等效法的判別方法，以有效地判別出故障元件上下游關(guān)系；最后，算例結(jié)果驗證了所提方法的可行性和有效性。

1 主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略框架

1.1 彈性指標(biāo)與故障恢復(fù)階段

式中，T為極端事件發(fā)生到恢復(fù)正常狀態(tài)的時間。圖1中T等于，故障恢復(fù)階段所需時間為。

1.2 重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略框架

極端事件會造成主動配電網(wǎng)多個元件故障且損壞性強(qiáng)，導(dǎo)致負(fù)荷損失量大，且一些元件的損壞需要花費大量時間來修復(fù)才能重新投入使用，故障恢復(fù)時間長，導(dǎo)致系統(tǒng)彈性低。而主動配電網(wǎng)含多個DG，且能對DG進(jìn)行主動控制，有利于孤島的實施；此外，修復(fù)個別故障元件后的網(wǎng)架重構(gòu)能快速恢復(fù)部分非故障區(qū)域的負(fù)荷供電，由此，本文面向主動配電網(wǎng)的彈性提升，提出故障恢復(fù)階段的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略，其框架如圖2所示，其中重構(gòu)包括兩種形式：利用聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供的網(wǎng)架重構(gòu)及利用非故障的非間歇性DG形成孤島供電。極端事件下主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)過程經(jīng)準(zhǔn)備階段進(jìn)入重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同階段，具體如下所述。

1) 首先進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)對非故障區(qū)的負(fù)荷快速恢復(fù)；并在重構(gòu)后的拓?fù)錉顟B(tài)下進(jìn)行故障元件修復(fù)。

圖2 重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略框架

3) 如此循環(huán)協(xié)同進(jìn)行，直到完成故障恢復(fù)階段。

重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略中，重構(gòu)與故障元件修復(fù)的關(guān)聯(lián)變量為線路狀態(tài)變量和節(jié)點負(fù)荷供電狀態(tài)變量，如式(3)和式(4)所示。

式中，為節(jié)點負(fù)荷供電狀態(tài)變量。

每完成一次重構(gòu)，和中的元素更新一次。

每完成一次故障元件修復(fù)，中的元素更新一次，如式(6)所示。

重構(gòu)是基于上一次故障元件修復(fù)后的更新值，故障元件修復(fù)是基于重構(gòu)后的和的更新值，如圖2所示。

2 全過程故障元件修復(fù)方法

重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略包括故障元件修復(fù)方法和重構(gòu)方法。傳統(tǒng)的故障元件修復(fù)方案主要有按照負(fù)荷重要程度順序搶修方式和隨機(jī)搶修方式，未考慮負(fù)荷量恢復(fù)的優(yōu)化。目前已有較多提出以削減負(fù)荷總價值最小為目標(biāo)的故障元件修復(fù)優(yōu)化措施，但目標(biāo)函數(shù)未考慮修復(fù)全過程中可進(jìn)行的重構(gòu)及其帶來更多的非故障區(qū)負(fù)荷恢復(fù)。本文提出一種全過程故障元件修復(fù)方法，考慮在修復(fù)過程中可進(jìn)行重構(gòu)，以修復(fù)全過程的負(fù)荷損失價值最小為目標(biāo)，求解面向彈性最高的故障元件修復(fù)順序。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

1) 修復(fù)資源約束

考慮故障元件和搶修隊伍的數(shù)量，其約束為

式(8)表示每個故障元件必須分配且只能分配給一個搶修隊伍進(jìn)行修復(fù)，且一個搶修隊伍不能同時進(jìn)行兩個或多個故障元件的修復(fù)，若分配多個任務(wù)，只能進(jìn)行先后修復(fù)操作。

2) 上下游故障元件修復(fù)順序約束

配電網(wǎng)多數(shù)為輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作，當(dāng)上游元件故障時修復(fù)下游故障元件后不能帶來負(fù)荷恢復(fù)，由此上游故障元件的修復(fù)應(yīng)先于下游故障元件修復(fù)，該約束的實現(xiàn)需判斷故障元件的上下游關(guān)系。但重構(gòu)中需要操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)，且主動配電網(wǎng)中含非間歇性DG，使得系統(tǒng)具有多個電源，導(dǎo)致故障元件的上下游關(guān)系難以判別。

2.2 上下游故障元件判別方法

情況1：故障元件修復(fù)過程可進(jìn)行有效的重構(gòu)，由于前一次重構(gòu)可能存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合的情況，有可能導(dǎo)致出現(xiàn)包含故障元件在內(nèi)的故障環(huán)結(jié)構(gòu)。情況2：在前一次重構(gòu)拓?fù)錉顟B(tài)下，當(dāng)故障元件的下游含非故障的非間歇性DG時，且DG的發(fā)電功率容量大于形成的孤島內(nèi)負(fù)荷功率。出現(xiàn)上述情況時難以判別故障元件的上下游關(guān)系，針對此問題，本文提出了一種基于消線解故障環(huán)法和圈源等效法的判別方法，具體如下所述。

1) 首先判別是否出現(xiàn)情況1，如果出現(xiàn)，則提出消線解故障環(huán)法進(jìn)行解環(huán)。

2) 在此基礎(chǔ)上，再判別是否出現(xiàn)情況2，如果出現(xiàn)，提出圈源等效法進(jìn)行上下游故障元件的判別。

步驟1：搜索非故障非間歇性DG的帶載輻射范圍。將之前DG形成的孤島看作為1個電源節(jié)點，分別向其各分支方向進(jìn)行搜索，每經(jīng)過1個負(fù)荷節(jié)點，消耗一定的功率，直到不能恢復(fù)某個負(fù)荷節(jié)點，則搜索結(jié)束；再對搜索到的各分支負(fù)荷節(jié)點集合進(jìn)行并集運算，形成此DG的帶載輻射范圍，稱之為“圈”。

步驟2：圈外的故障元件上下游判斷，圈外的負(fù)荷必須通過主電源恢復(fù)供電，將圈等效為1個負(fù)荷節(jié)點，從主電源出發(fā)判斷圈外負(fù)荷故障元件的上下游關(guān)系。

步驟3：圈內(nèi)的故障元件上下游判斷，在主電源和非間歇性DG所在節(jié)點之間的最后一條故障線路修復(fù)之前，考慮DG可能形成的所有孤島狀態(tài)，對每一種孤島狀態(tài)單獨分析，可判斷出上下游關(guān)系。

圖3為主動配電網(wǎng)某前一次重構(gòu)后的拓?fù)錉顟B(tài)，存在8條故障線路：2-8、8-9、9-10、11-12、12-13、4-5、5-6、14-15，非間歇性DG形成孤島給節(jié)點10、11上的負(fù)荷供電，且DG的發(fā)電功率容量大于節(jié)點10、11的負(fù)荷功率。采用圈源等效法，首先搜索出DG孤島的帶載輻射范圍(節(jié)點8、9、10、11)，并形成圈，則：(1) 圈外可判斷上下游順序依次為故障線路2-8、11-12、12-13(記為上下游關(guān)系約束①)，故障線路4-5為故障線路5-6的上游(記為上下游關(guān)系約束②)；(2) 在DG并網(wǎng)之前，圈內(nèi)有3種可能的孤島狀態(tài)，若最后的孤島狀態(tài)為DG僅給節(jié)點10、11上的負(fù)荷供電，則可判斷出上下游順序依次為故障線路2-8、8-9、9-10、11-12(記為上下游關(guān)系約束③)，若最后的孤島狀態(tài)為DG僅給節(jié)點9、10、11上的負(fù)荷供電，則可判斷出上下游順序依次為故障線路2-8、8-9、11-12(記為上下游關(guān)系約束④)，若最后的孤島狀態(tài)為DG僅給節(jié)點8、9、10、11上的負(fù)荷供電，則故障線路9-10為故障線路8-9的上游(記為關(guān)系約束⑤)，則一共有3組上下游關(guān)系約束(①②③、①②④、①②⑤)；(3) 在8！種可能的故障元件上下游關(guān)系中排除不滿足其中任何一組的關(guān)系約束，得到最后的故障元件上下游關(guān)系。

圖3 圈源等效法示例

2.3 全過程故障元件修復(fù)流程

結(jié)合建立的全過程故障元件修復(fù)目標(biāo)函數(shù)及提出的消線解環(huán)法和圈源等效法判斷故障元件上下游關(guān)系，全過程故障元件修復(fù)方法的流程如圖4所示，具體步驟如下所述。

步驟1：判斷重構(gòu)后的拓?fù)涫欠翊嬖谇闆r1，若存在轉(zhuǎn)到步驟2；若否，轉(zhuǎn)到步驟3。

步驟2：采用提出的消線解故障環(huán)法得到所有不含故障環(huán)的拓?fù)洹?/p>

步驟3：判別是否存在情況2，若存在則轉(zhuǎn)到步驟4；若否，直接判別故障元件上下游關(guān)系，轉(zhuǎn)到步驟5。

步驟4：采用提出的圈源等效法判斷故障元件上下游關(guān)系。

步驟5：求解全過程故障元件修復(fù)目標(biāo)函數(shù)，得到故障元件的最優(yōu)修復(fù)順序，流程結(jié)束。

圖4 全過程故障元件修復(fù)方法流程

3 統(tǒng)一重構(gòu)方法

極端事件下主動配電網(wǎng)的第1次網(wǎng)架重構(gòu)能快速恢復(fù)全部或部分非故障區(qū)域的負(fù)荷供電，后續(xù)每進(jìn)行1次故障元件修復(fù)后重新進(jìn)行有效的重構(gòu)(包括網(wǎng)架重構(gòu)和孤島生成)。本文提出的統(tǒng)一重構(gòu)方法首先進(jìn)行輻射狀約束處理，再建立重構(gòu)統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，最后求解出最優(yōu)重構(gòu)方式。

3.1 輻射狀約束處理

主動配電網(wǎng)中非間歇性DG的接入，使得其含有多個電源節(jié)點，導(dǎo)致求解重構(gòu)方式的優(yōu)化過程中會出現(xiàn)大量環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對此問題，先進(jìn)行輻射狀拓?fù)浼s束處理，判斷所有可能生成的拓?fù)涫欠駮纬森h(huán)，利用Yen算法計算電源節(jié)點到負(fù)荷節(jié)點之間的供電路徑[22]，如果1個負(fù)荷節(jié)點有2條及以上由同一電源節(jié)點供電的路徑，則會出現(xiàn)環(huán)，找到出現(xiàn)環(huán)的負(fù)荷節(jié)點到電源節(jié)點路徑中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將此聯(lián)絡(luò)開關(guān)在此次拓?fù)渖芍兄荒軘嚅_，即若之前此聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，則此次拓?fù)渖芍斜仨毐徊僮鳎粗?，不能被操作?/p>

3.2 重構(gòu)的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)

重構(gòu)是基于前一次故障元件修復(fù)后的拓?fù)?，統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)以不可恢復(fù)負(fù)荷量最小為目標(biāo)，即

約束條件主要有潮流約束和負(fù)荷恢復(fù)約束。潮流約束描述為

已恢復(fù)供電的負(fù)荷不允許再次斷電，設(shè)置負(fù)荷恢復(fù)約束為

4 算例分析

圖5 33節(jié)點主動配電網(wǎng)算例拓?fù)鋱D

表1 負(fù)荷參數(shù)

極端事件發(fā)生后主動配電網(wǎng)發(fā)生多處故障，且搶修隊伍資源有限，故障元件修復(fù)存在先后關(guān)系，則故障恢復(fù)階段的恢復(fù)運行措施是彈性提升的關(guān)鍵。設(shè)主動配電網(wǎng)算例系統(tǒng)某次極端事件后對應(yīng)的故障位置為節(jié)點3-6、10-14、19-20、23-24、26-30，共有13條故障線路；設(shè)配有一支搶修隊伍，故障線路的搶修時間均為1 h，故障線路修復(fù)完成后即刻投運。

4.1 協(xié)同策略下主動配電網(wǎng)的故障恢復(fù)過程結(jié)果

算例故障下采用本文提出的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略進(jìn)行故障恢復(fù)，得到的恢復(fù)過程結(jié)果如下所述。

1) 第一次重構(gòu)后的系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)結(jié)果如圖6所示，包括主電源供電區(qū)域和DG1、DG3、DG4形成的孤島1—孤島3。由于DG2是間歇性DG，在上游發(fā)生故障后不能形成孤島供電。

圖6 第一次重構(gòu)后的系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)

2) 第一次重構(gòu)后，由于線路25-29上的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合導(dǎo)致出現(xiàn)1個故障環(huán)：3-4-5-6-26-27-28-29- 25-24-23-3，故障環(huán)中有7條故障線路，采用本文所提的全過程故障元件修復(fù)方法，得到故障元件最優(yōu)修復(fù)順序，如表2所示。由表2可知：(1) 由于故障環(huán)的存在，采用消線解故障環(huán)法及求解全過程故障元件修復(fù)目標(biāo)函數(shù)，得到了7種不含故障環(huán)拓?fù)湎聦?yīng)的7種故障元件最優(yōu)修復(fù)順序；(2) 消線路26-27和27-28解故障環(huán)下的最小負(fù)荷損失價值相同，故障元件最優(yōu)修復(fù)順序僅最后2個順序不一樣，這是因為先修復(fù)故障線路26-27或先修復(fù)故障線路27-28，都是恢復(fù)節(jié)點27上的負(fù)荷。由此，得到的此故障場景下的全過程故障元件最優(yōu)修復(fù)順序為：5-6、28-29、3-4、4-5、10-11、11-12、12-13、13-14、23-24、29-30、19-20、27-28(或26-27)、26-27(或27-28)。

3) 按得到的故障元件最優(yōu)修復(fù)順序進(jìn)行全過程故障元件修復(fù)，每修復(fù)1個故障元件后，檢測并進(jìn)行有效重構(gòu)。(1) 修復(fù)故障線路4-5后檢測到存在有效重構(gòu)，采用提出的統(tǒng)一重構(gòu)方法求得此時的最優(yōu)重構(gòu)操作，即其他開關(guān)不動作，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)8-20，可恢復(fù)節(jié)點20上的負(fù)荷。(2) 修復(fù)故障線路13-14后，檢測到有效重構(gòu)，求得最優(yōu)重構(gòu)操作為：其他開關(guān)不動作，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)18-33，可恢復(fù)節(jié)點30、31、32、33上的負(fù)荷。(3) 修復(fù)故障線路29-30、19-20、26-27(或27-28)后，相應(yīng)斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)18-33、8-20、25-29。

表2 得到的故障元件最優(yōu)修復(fù)順序

上述結(jié)果及其分析驗證了本文提出的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略的正確性。

4.2 不同故障恢復(fù)策略下主動配電網(wǎng)的彈性比較

圖7 不同故障恢復(fù)策略下的系統(tǒng)功能函數(shù)變化

上述結(jié)果及其分析驗證了本文提出的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同策略的有效性。

4.3 故障恢復(fù)階段的彈性提升措施

3種不同故障恢復(fù)策略下的算例表明了有效的故障恢復(fù)策略可提升主動配電網(wǎng)的彈性，此外，故障恢復(fù)階段的彈性提升措施還可包括以下措施。

1) 非間歇性DG提升主動配電網(wǎng)的彈性

設(shè)置4個場景，場景1：算例系統(tǒng)；場景2：算例系統(tǒng)中不含DG；場景3：算例系統(tǒng)中所有DG均為間歇性DG；場景4：算例系統(tǒng)中間歇性DG2改為非間歇性DG，能提供314 kW有功功率，其他DG不變。設(shè)配電網(wǎng)所連主網(wǎng)供電充足，采用本文方法分別對4個場景進(jìn)行故障恢復(fù)，得到表3所示的結(jié)果。

由表3可知，場景2和場景3下的負(fù)荷損失價值相同，場景2下的負(fù)荷損失價值最大，場景4下的負(fù)荷損失價值最小，則場景2下系統(tǒng)的彈性最低，場景4下最高。這是因為：在故障恢復(fù)過程中，非間歇性DG可形成孤島運行，快速地恢復(fù)部分負(fù)荷的供電，能有效地減小負(fù)荷損失價值，從而減小ADN，提升了系統(tǒng)的彈性；而間歇性DG即使在非故障下，由于出力具有隨機(jī)性不能形成孤島運行，無法帶來負(fù)荷的恢復(fù)。

表3 不同DG設(shè)置下配電網(wǎng)的故障恢復(fù)

2) 優(yōu)先對關(guān)鍵負(fù)荷的恢復(fù)

表4 考慮/不考慮vi差異性下主動配電網(wǎng)的故障恢復(fù)

5 結(jié)論

本文針對主動配電網(wǎng)的故障恢復(fù)階段，提出一種面向彈性提升的重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同方法，建立了全過程故障元件修復(fù)和重構(gòu)的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，提出基于消線解故障環(huán)法和圈源等效法的故障元件上下游關(guān)系判別方法。

1) 提出的極端事件下主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法，將重構(gòu)與故障元件修復(fù)交替協(xié)同進(jìn)行，其重構(gòu)包括網(wǎng)架重構(gòu)和孤島供電。該方法考慮了主動配電網(wǎng)含多非間歇性DG利于孤島供電的特性，也考慮了修復(fù)個別故障元件后的重構(gòu)能快速恢復(fù)非故障區(qū)域的負(fù)荷，使得部分失電負(fù)荷無需等所有故障元件全部修復(fù)之后才恢復(fù)供電，加快了系統(tǒng)功能的恢復(fù)，具有較好的工程實用性。

2) 提出的全過程故障元件修復(fù)和統(tǒng)一重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)，考慮了修復(fù)過程中可進(jìn)行重構(gòu)，分別以面向彈性最高的修復(fù)全過程負(fù)荷損失價值最小和不可恢復(fù)負(fù)荷量最小為目標(biāo)，有效地提升了主動配電網(wǎng)的彈性。

3) 提出的基于消線解環(huán)法和圈源等效法的故障元件上下游關(guān)系判別方法，可有效且簡便地判別出上下游關(guān)系，解決了主動配電網(wǎng)含多非間歇性DG特性帶來的多故障元件上下游關(guān)系難以判別的問題。

考慮主動配電網(wǎng)通信系統(tǒng)故障影響的電力系統(tǒng)重構(gòu)與故障元件修復(fù)協(xié)同將是下一步研究的重點。

[1] 別朝紅, 林超凡, 李更豐, 等. 能源轉(zhuǎn)型下彈性電力系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2020, 40(9):2735-2745.

BIE Zhaohong, LIN Chaofan, LI Gengfeng, et al. Development and prospect of resilient power system in the context of energy transition[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(9): 2735-2745.

[2] LIU J, QIN C, YU Y. Enhancing distribution system resilience with proactive islanding and RCS-based fast fault isolation and service restoration[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, 11(3): 2381-2395.

[3] MA S, SU L, WANG Z, et al. Resilience enhancement of distribution grids against extreme weather events[J], IEEE Transactions on Power Systems, 2018, 33(5): 4842-4853.

[4] WANG Y, CHEN C, WANG J, et al. Research on resilience of power systems under natural disasters—a review[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 31(2): 1604-1613.

[5] LI Z, SHAHIDEHPOUR M, AMINIFAR F, et al. Networked microgrids for enhancing the power system resilience[J]. Proceedings of the IEEE, 2017, 105(7): 1289-1310.

[6] 湯旻安, 張凱越, 許希元. 基于啟發(fā)式規(guī)則與AHP- CRITIC算法的配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(14): 1-9.

TANG Min'an, ZHANG Kaiyue, XU Xiyuan. Service restoration strategy of a distribution network based on heuristic rules and the AHP-CRITIC algorithm[J].Power System Protection and Control,2020, 48(14): 1-9.

[7] 劉珅, 趙麗萍, 李建萍, 等. 考慮開關(guān)狀態(tài)集調(diào)整的含光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)動態(tài)故障恢復(fù)方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(1): 24-31.

LIU Shen, ZHAO Liping, LI Jianping, et al. Dynamic fault recovery method of a photovoltaic distribution network considering switch state set adjustment[J].Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 24-31.

[8] D'ADAMO C, JUPE S, ABBEY C. Global survey on planning and operation of active distribution networks- update of CIGRE C6.11 working group activities[C] // CIRED 2009-20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution: Part 1, June 8-11, 2009, Prague, Czech: 1-4.

[9] 張煜, 牟龍華, 王蘊敏, 等. 計及可控負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(4): 104-110.

ZHANG Yu, MU Longhua, WANG Yunmin, et al.Optimal dispatching of an active distribution network considering dynamic regulation of controllable load[J].Power System Protection and Control,2021, 49(4): 104-110.

[10]倪識遠(yuǎn), 張林垚. 考慮動態(tài)重構(gòu)的主動配電網(wǎng)多目標(biāo)雙層優(yōu)化調(diào)度方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(20): 38-47.

NI Shiyuan, ZHANG Linyao.Multi-objective bi-level optimal dispatch method of an active distribution network considering dynamic reconfigurations[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(20): 38-47.

[11]BEDOYA J C, WANG Y, LIU C C. Distribution system resilience under asynchronous information using deep reinforcement learning[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2021, 36(5): 4235-4245.

[12]彭寒梅, 王小豪, 魏寧, 等. 提升配電網(wǎng)彈性的微網(wǎng)差異化恢復(fù)運行方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2019, 43(7): 2328-2335.

PENG Hanmei, WANG Xiaohao, WEI Ning, et al. Microgrid differentiated recovery operation for enhancing distribution system resilience[J]. Power System Technology, 2019, 43(7): 2328-2335.

[13]MOUSAVIZADEH S, ALAHYARI A, GHODSINYA S R M, et al. Incorporating microgrids coupling with utilization of flexible switching to enhance self-healing ability of electric distribution systems[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2021, 6(3): 300-310.

[14]王守相, 黃仁山, 潘志新, 等. 極端冰雪天氣下配電網(wǎng)彈性恢復(fù)力指標(biāo)的構(gòu)建及評估方法[J]. 高電壓技術(shù), 2020, 46(1): 123-132.

WANG Shouxiang, HUANG Renshan, PAN Zhixin, et al.Construction and evaluation of resilience restoration capability indices for distribution network under extreme ice and snow weather[J].High Voltage Engineering, 2020, 46(1): 123-132.

[15] BAJPAI P, CHANDA S, SRIVASTAVA A K. A novel metric to quantify and enable resilient distribution system using graph theory and Choquet integral[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2018, 9(4): 2918-2929.

[16]卞藝衡, 別朝紅. 面向彈性提升的智能配電網(wǎng)遠(yuǎn)動開關(guān)優(yōu)化配置模型[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(3): 33-39.

BIAN Yiheng, BIE Zhaohong. Resilience-enhanced optimal placement model of remote-controlled switch for smart distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(3): 33-39.

[17] MA S, LI S, WANG Z, et al. Resilience-oriented design of distribution system[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2019, 34(4): 2880-2891.

[18]湯一達(dá), 吳志, 顧偉, 等. 主動配電網(wǎng)故障恢復(fù)的重構(gòu)與孤島劃分統(tǒng)一模型[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(7): 2731-2740.

TANG Yida, WU Zhi, GU Wei, et al. Research on active distribution network fault recovery strategy based on unified model considering reconfiguration and island partition[J]. Power System Technology, 2020, 44(7): 2731-2740.

[19]霍崇輝, 王淳, 陶多才, 等. 考慮精準(zhǔn)負(fù)荷控制的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(10): 4020-4028.

HUO Chonghui, WANG Chun, TAO Duocai, et al. Restoration strategy of distribution network considering precise load control[J]. Power System Technology, 2020, 44(10): 4020-4028.

[20]高兆麗, 胥明凱, 丁素英, 等. 基于改進(jìn)人工蜂群算法的配電網(wǎng)多點故障應(yīng)急搶修優(yōu)化調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(13): 107-114.

GAO Zhaoli, XU Mingkai, DING Suying, et al. Optimization scheduling of multi-fault rush repair for distribution networks based on modified artificial bee colony algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(13): 107-114.

[21]楊麗君, 安立明, 楊博, 等. 基于可達(dá)性分析的主動配電網(wǎng)多故障分區(qū)修復(fù)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(20): 4864-4875.

YANG Lijun, AN Liming, YANG Bo, et al. Multi-fault partition repair strategy of active distribution network based on reachability analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4864-4875.

[22]YEN J Y. An algorithm for finding shortest routes from all source nodes to a given destination in general networks[J]. Quarterly of Applied Mathematics, 1970, 27(4): 526-530.

[23]陳彬, 于繼來. 考慮通信影響的配網(wǎng)恢復(fù)力評估及提升措施研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2019, 43(7): 2314-2320.

CHEN Bin, YU Jilai. Research on resilience assessment and improvement measures of distribution network considering the influence of communication system[J]. Power System Technology, 2019, 43(7): 2314-2320.

[24] 葛少云, 張成昊, 劉洪, 等. 考慮微能源網(wǎng)支撐作用的配電網(wǎng)彈性提升策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2019, 43(7): 2306-2317.

GE Shaoyun, ZHANG Chenghao, LIU Hong, et al.Resilience enhancement strategy for distribution network considering supporting role of micro energy grid[J]. Power System Technology, 2019, 43(7): 2306-2317.

[25] SEKHAVATMANESH H, CHERKAOUI R. A multi-step reconfiguration model for active distribution network restoration integrating DG start-up sequences[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2020, 11(4): 2879-2888.

Collaborative method for an active distribution network reconfiguration and component repair for resilience improvement

PENG Hanmei1, 2, LIU Ziwei1, TAN Mao1, 2, WANG Weishou1, SU Yongxin1, 2

(1. College of Automation and Electronic Information, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. Hunan Engineering Research Center of Multi-energy Cooperative Control Technology (Xiangtan University), Xiangtan 411105, China)

Extreme events will cause multiple failures in an active distribution network and involve a long repair time for faulty components. Traditional failure recovery methods will make the system less resilient. Considering the fault recovery stage of an active distribution network, we propose a collaborative method of reconfiguration and faulty component repair oriented to resilience improvement. First, combined with a resilience index of the active distribution network that takes into account the importance of the load, the main measures of resilience improvement in the fault recovery stage are analyzed. Then a framework for collaborative strategies for reconfiguration and faulty component repair is proposed, and the update and correlation of line state and node load power supply state variables in alternate coordination are given. Then, the objective functions of faulty component repair in the whole process and reconfiguration are established. There is a problem that it is difficult to distinguish the upstream and downstream relationship of faulty components. This is because of the characteristics of active distribution network with multiple distributed power sources. To tackle this problem, a distinguishing method based on the method of eliminating the fault loop and circling sourceequivalent method is proposed. Finally, example results show that the proposed method can effectively improve the resilience of the active distribution network.

active distribution network; resilience improvement; component repair; reconfiguration; collaborative method

10.19783/j.cnki.pspc.211517

國家自然科學(xué)基金項目資助(61873222)；湖南省自然科學(xué)基金項目資助(2020JJ4580)

This work is supported bythe National Natural Science Foundation of China (No.61873222).

2021-11-10；

2022-02-25

彭寒梅(1979—)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向為智能電網(wǎng)彈性分析及提升和綜合能源系統(tǒng)潮流計算；E-mail: penghanmei8@163.com

劉子威 (1997—)，男，碩士研究生，主要研究方向為主動配電網(wǎng)的彈性評估及提升；

譚 貌(1981—)，男，博士，教授，研究方向為綜合能源系統(tǒng)及其優(yōu)化。

(編輯 姜新麗)