多能協(xié)同的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略

陳厚合 叢 前 姜 濤 張儒峰 李 雪

多能協(xié)同的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略

陳厚合 叢 前 姜 濤 張儒峰 李 雪

（現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)） 吉林 132012）

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)緊密耦合，多能協(xié)同效應(yīng)使得配電網(wǎng)運(yùn)行方式更為靈活，為配電網(wǎng)供能恢復(fù)提供了新思路。為此，該文提出一種考慮多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略，首先建立電-氣-熱耦合的多能流網(wǎng)絡(luò)模型；然后，從多能協(xié)同角度出發(fā)，提出適用于多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列替代控制和協(xié)調(diào)控制策略，分別從負(fù)荷用能類(lèi)型轉(zhuǎn)移和電源支撐兩方面研究多能協(xié)同效應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)主動(dòng)解列策略的影響；進(jìn)而，以配電網(wǎng)恢復(fù)供能量最大和負(fù)荷匹配度最高為目標(biāo)，綜合考慮負(fù)荷優(yōu)先級(jí)及可控性，構(gòu)建多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列模型，采用貪心算法求解故障下配電網(wǎng)的主動(dòng)解列策略；最后，通過(guò)PG&E69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)、32節(jié)點(diǎn)配熱網(wǎng)和11節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)耦合的多能耦合配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)算例，對(duì)所提配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略進(jìn)行分析、驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。

配電網(wǎng) 綜合能源系統(tǒng) 主動(dòng)解列 多能耦合 貪心算法

0 引言

配電網(wǎng)主動(dòng)解列作為最有效的供電恢復(fù)策略之一，能夠在輸電網(wǎng)發(fā)生故障不能持續(xù)為配電網(wǎng)進(jìn)行供電時(shí)，保證配電網(wǎng)中部分重要負(fù)荷持續(xù)供電，減少因停電造成的人身安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失[1]。配電網(wǎng)主動(dòng)解列后，將形成以分布式電源（Distributed Generator, DG）供電為主，且能夠安全運(yùn)行的電力孤島，減少故障對(duì)配電網(wǎng)的不利影響，并縮小停電范圍，提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量、供電安全性和可靠性[2-4]。

配電網(wǎng)主動(dòng)解列是指在系統(tǒng)崩潰前，通過(guò)求解一組合理的解列點(diǎn)，將系統(tǒng)分解為若干獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)，使系統(tǒng)失負(fù)荷量最小。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已應(yīng)用多種方法開(kāi)展配電網(wǎng)主動(dòng)解列的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5-6]采用啟發(fā)式算法，以恢復(fù)負(fù)荷量最大為目標(biāo)，在滿(mǎn)足配電網(wǎng)安全約束前提下，綜合考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷量、負(fù)荷優(yōu)先級(jí)及網(wǎng)絡(luò)潮流等信息制定啟發(fā)式規(guī)則，并以DG作為孤島內(nèi)初始節(jié)點(diǎn)，不斷向孤島內(nèi)添加相鄰節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，進(jìn)而得到最優(yōu)解列方式。文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)建立配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，分別采用分枝定界算法和分層優(yōu)化算法求解孤島劃分問(wèn)題，并制定孤島劃分方案，但上述算法沒(méi)有充分利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，未考慮配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)對(duì)供能恢復(fù)的作用。文獻(xiàn)[9-11]采用圖論算法，充分利用配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，分別采用圖論中的Prim、Dijkstra和Sollin算法求解配電網(wǎng)孤島劃分問(wèn)題，由于此類(lèi)方法基于最小生成樹(shù)算法進(jìn)行分析，最終只能得到一個(gè)孤島，導(dǎo)致?lián)p耗較大。文獻(xiàn)[12]采用改進(jìn)遺傳算法求解孤島劃分方案，有效縮小解集范圍，避免產(chǎn)生無(wú)效解。文獻(xiàn)[13]采用二進(jìn)制粒子群算法，綜合考慮配電網(wǎng)的故障重構(gòu)與孤島劃分，充分利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高配電網(wǎng)供電恢復(fù)效果。文獻(xiàn)[14]以恢復(fù)負(fù)荷量最大為目標(biāo)，建立二層規(guī)劃模型，采用蟻群算法求解孤島劃分方案。文獻(xiàn)[15-16]綜合考慮恢復(fù)負(fù)荷量最大及開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少，建立多時(shí)段的故障恢復(fù)模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的故障恢復(fù)。

上述研究主要從主動(dòng)解列模型及求解算法等方面提出了含有分布式電源的配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略。但分布式電源存在不確定性且易受外界環(huán)境影響等特點(diǎn)，其對(duì)電網(wǎng)供能恢復(fù)的作用有限。此外，配電網(wǎng)中部分負(fù)荷是以電力驅(qū)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其作用在于將電能轉(zhuǎn)換成熱、冷等多種形式的能源，在故障情況下該部分電負(fù)荷可轉(zhuǎn)由相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行供給。提升配電網(wǎng)的供能恢復(fù)能力，不僅要從配電網(wǎng)電源側(cè)進(jìn)行考慮，更要從配電網(wǎng)的多類(lèi)型負(fù)荷的靈活性角度入手，通過(guò)調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換設(shè)備等特殊的靈活性負(fù)荷，進(jìn)一步挖掘配電網(wǎng)的潛在供電恢復(fù)能力。

多能耦合的能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)正在轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘潆娋W(wǎng)為核心，融合電、氣、熱等多種能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的多能耦合能源系統(tǒng)[17]。由于其具有靈活的運(yùn)行方式和多能互補(bǔ)等特性，因此，一方面為配電網(wǎng)的主動(dòng)解列提供了更為優(yōu)質(zhì)、合理的方案，另一方面也為配電網(wǎng)的安全控制提供了新機(jī)遇[18]。相較于傳統(tǒng)的主動(dòng)解列策略，燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(Combined Heat and Power, CHP)等元件由于其具有良好的穩(wěn)定性和可控性，對(duì)配電網(wǎng)支撐作用明顯強(qiáng)于光伏、風(fēng)電等傳統(tǒng)的分布式電源，可通過(guò)定量增大耦合元件出力的方式為配電網(wǎng)主動(dòng)解列提供更有力的電源支撐；其次，電力驅(qū)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備可通過(guò)降低功率或直接停止工作等方式減輕配電網(wǎng)負(fù)荷，缺失的熱、冷等能量支撐可由相應(yīng)能源系統(tǒng)進(jìn)行供給，從而減少配電網(wǎng)待恢復(fù)負(fù)荷量。綜上，考慮多能互補(bǔ)效應(yīng)后，故障情況下多能耦合的能源系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)多類(lèi)型能源的方式為配電網(wǎng)提供電源支撐，并通過(guò)轉(zhuǎn)換熱、冷等網(wǎng)絡(luò)的能量供給方式削減配電網(wǎng)負(fù)荷，對(duì)提高系統(tǒng)故障恢復(fù)效果具有重要作用，但在此方面卻鮮有研究。

為此，本文充分發(fā)揮多能系統(tǒng)間的互補(bǔ)替代功能，分別從負(fù)荷用能類(lèi)型轉(zhuǎn)移和電源支撐兩個(gè)方面研究多能協(xié)同效應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)主動(dòng)解列策略的影響，進(jìn)而提出一種考慮多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略，以提升配電網(wǎng)的供電恢復(fù)能力，最后通過(guò)算例對(duì)所提策略的準(zhǔn)確性和有效性進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

1 多能耦合的配電網(wǎng)模型及求解

圖1給出了考慮多能耦合的配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以配電網(wǎng)為基礎(chǔ)，并利用耦合元件將配電網(wǎng)與熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)緊密連接，形成多能耦合的能源網(wǎng)絡(luò)。

圖1 考慮多能耦合的配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

1.1 考慮多能耦合的配電網(wǎng)模型

1.1.1 配電網(wǎng)模型

1）配電網(wǎng)負(fù)荷模型

配電網(wǎng)中的負(fù)荷可根據(jù)其重要性分為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)負(fù)荷，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)中各類(lèi)負(fù)荷所占比例確定該節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，進(jìn)而得到系統(tǒng)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的順位等級(jí)，任意節(jié)點(diǎn)的權(quán)重可表示為

式中，為節(jié)點(diǎn)的權(quán)重；1i、2i、3i、1i、2i、3i分別為節(jié)點(diǎn)中Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)負(fù)荷權(quán)重及所占比例，1i+2i+3i=1。

2）配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?/p>

本文中配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型采用節(jié)點(diǎn)賦權(quán)樹(shù)模型(,,)。其中分別表示節(jié)點(diǎn)、邊、節(jié)點(diǎn)權(quán)值的集合。節(jié)點(diǎn)的權(quán)值可表示為

式中，Gi、Li分別為節(jié)點(diǎn)v所連電源注入功率之和及所連負(fù)荷的功率之和。

3）配電網(wǎng)潮流模型

配電網(wǎng)是多能耦合能源系統(tǒng)的核心，是連接其他能源子系統(tǒng)的樞紐。本文采用經(jīng)典的交流潮流模型描述配電網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)的功率表達(dá)式為

4）SOP模型

相較于傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，柔性軟開(kāi)關(guān)（Soft Open Point, SOP）能夠靈活控制兩條饋線之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率，為配電網(wǎng)提供一定的電壓和頻率支撐[19]，優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布。本文采用B2B-VSC型SOP，其控制模式見(jiàn)表1。

表1 B2B-VSC型SOP的控制模式

Tab.1 Control mode of B2B-VSC type SOP

1.1.2 熱力系統(tǒng)模型

熱力系統(tǒng)可根據(jù)待求變量類(lèi)型不同，分為水力模型和熱力模型。水力模型包括熱水在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)需滿(mǎn)足的節(jié)點(diǎn)流量方程及壓頭損失方程，表達(dá)式為

式中，s為供熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣；為各管道流量；q為各節(jié)點(diǎn)流出的流量；h為供熱管網(wǎng)的回路-支路關(guān)聯(lián)矩陣；f為壓頭損失向量。

熱力模型包括熱功率方程、供回?zé)釡囟确匠碳肮?jié)點(diǎn)溫度混合方程，即

式中，s為供熱溫度；o為輸出溫度；qi為節(jié)點(diǎn)的流量；為節(jié)點(diǎn)熱功率；end為末端溫度；start為始端溫度；m為管道的流量；a為環(huán)境溫度；為管道的長(zhǎng)度；out、out和in、in分別為流出和流入的管道中水的流量、溫度；c為水的定壓比熱容；為管道的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

1.1.3 天然氣系統(tǒng)模型

不含壓縮機(jī)的天然氣網(wǎng)絡(luò)管道流量與節(jié)點(diǎn)壓力的關(guān)系為

式中，f為天然氣管道的穩(wěn)態(tài)流量；K為管道參數(shù)；s為符號(hào)函數(shù)，用以表示管道內(nèi)天然氣的流動(dòng)方向，其取值為1或-1；p、p分別為節(jié)點(diǎn)、的壓力。

天然氣系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)流量方程可表示為

式中，g為天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣；為管道天然氣流量；為各節(jié)點(diǎn)流出的流量。

1.1.4 耦合元件模型

耦合元件作為多能耦合能源系統(tǒng)中重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以將不同品位的能源緊密耦合，是實(shí)現(xiàn)多能耦合的關(guān)鍵。多能耦合能源系統(tǒng)中包含微型燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t和電鍋爐等多種類(lèi)型的耦合元件，可分別按照下述模型進(jìn)行描述。

CHP機(jī)組功率方程為

式中，CHP為CHP機(jī)組的熱電比；CHP,e為CHP機(jī)組發(fā)出的電功率；CHP,h為CHP機(jī)組發(fā)出的熱功率。

燃?xì)忮仩t功率方程為

式中，GB為燃?xì)忮仩t發(fā)出的熱功率；GB為天然氣系統(tǒng)注入天然氣的流量；為燃?xì)忮仩t的效率；g為天然氣的熱值。

電鍋爐功率方程為

式中，EB為電鍋爐發(fā)出的熱功率；EB為電鍋爐消耗的電功率；為電鍋爐的效率。

燃?xì)廨啓C(jī)功率方程為

式中，GT為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的電功率；為燃?xì)廨啓C(jī)的效率；GT為天然氣系統(tǒng)注入天然氣的流量。

1.2 考慮多能耦合的配電網(wǎng)多能流求解

計(jì)算系統(tǒng)多能流時(shí)，耦合元件可根據(jù)其供能側(cè)和負(fù)荷側(cè)的能源類(lèi)型，在對(duì)應(yīng)能源子系統(tǒng)中等值為源點(diǎn)或負(fù)荷點(diǎn)；SOP根據(jù)不同的運(yùn)行方式可等值為、或節(jié)點(diǎn)[20]。本文采用交替求解法[21]求解多能耦合的配電網(wǎng)多能流，該方法計(jì)算效率高，求解靈活，易于分析和控制耦合元件的運(yùn)行狀態(tài)，可為下文控制策略的提出奠定基礎(chǔ)。

2 多能耦合能源系統(tǒng)控制策略

各能源子系統(tǒng)間通過(guò)耦合元件緊密聯(lián)系，構(gòu)成多能耦合的能源網(wǎng)絡(luò)，為配電網(wǎng)的故障恢復(fù)提供了新思路?？紤]系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)，配電網(wǎng)主動(dòng)解列后，能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式發(fā)生如下變化：①配電網(wǎng)以孤島方式運(yùn)行，各個(gè)孤島由DG作為電源進(jìn)行供電；②配電網(wǎng)中部分負(fù)荷轉(zhuǎn)由非電子系統(tǒng)供給，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)供；③燃?xì)廨啓C(jī)、CHP機(jī)組等耦合元件可增大電出力，為配電網(wǎng)提供電源支撐，耦合元件作為多能耦合能源網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其運(yùn)行方式直接影響配電網(wǎng)的供能恢復(fù)效果。

本節(jié)將耦合元件按照供能側(cè)及負(fù)荷側(cè)的能源類(lèi)型分為三類(lèi)：①以電鍋爐等為代表的電供給型耦合元件，該類(lèi)耦合元件供給側(cè)能源為電能，耗能側(cè)為非電能源；②以燃?xì)廨啓C(jī)、CHP機(jī)組等為代表的電獲取型耦合元件，該類(lèi)耦合元件的供給側(cè)能源為非電能源，耗能側(cè)能源為電能；③以燃?xì)忮仩t等為代表的非電型耦合元件，該類(lèi)耦合元件的供給側(cè)與耗能側(cè)能源均為非電能源。本文針對(duì)不同類(lèi)型的耦合元件提出相應(yīng)的替代控制策略和協(xié)調(diào)控制策略，以提高配電網(wǎng)供能恢復(fù)質(zhì)量以及供能安全性和可靠性。

2.1 替代控制策略

替代控制策略是指利用多能耦合效應(yīng)，將電鍋爐等電供給型耦合元件所在節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，轉(zhuǎn)由相應(yīng)能源子系統(tǒng)進(jìn)行供能。在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全約束的前提下，通過(guò)增大燃?xì)忮仩t等非電型耦合元件或CHP機(jī)組等電獲取型耦合元件的出力，代替電鍋爐等電供給型耦合元件的負(fù)荷，如利用燃?xì)忮仩t替代電鍋爐為熱力系統(tǒng)供電，使得天然氣系統(tǒng)負(fù)荷增大，配電網(wǎng)負(fù)荷減少，從而實(shí)現(xiàn)替代配電網(wǎng)負(fù)荷的作用，減少配電網(wǎng)待恢復(fù)負(fù)荷，提升負(fù)荷恢復(fù)比例，改善配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)效果。

若能源網(wǎng)絡(luò)中存在電供給型耦合元件，可采用替代控制策略進(jìn)行供能恢復(fù)。對(duì)于任一電供給型耦合元件，其替代控制策略的數(shù)學(xué)模型為

配電網(wǎng)替代控制策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。電供給型耦合元件A、非電型耦合元件B、C的供給側(cè)發(fā)出功率與負(fù)荷側(cè)所需功率為線性關(guān)系，初始運(yùn)行點(diǎn)為a，非電型耦合元件B、C的初始運(yùn)行點(diǎn)分別為b、c。采取替代控制策略后，當(dāng)耦合元件A削減單位負(fù)荷Δr時(shí)，由于其運(yùn)行點(diǎn)由a轉(zhuǎn)換至a′，導(dǎo)致耦合元件A的負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)ηΔr的單位功率缺額，為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)中平衡節(jié)點(diǎn)需增大Δ的出力。通常選擇非電型耦合元件或能夠向多個(gè)能源系統(tǒng)供能的電獲取型耦合元件作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，如電鍋爐、CHP機(jī)組等。若耦合元件B作為負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，則其運(yùn)行點(diǎn)由b點(diǎn)轉(zhuǎn)至b′。經(jīng)多次迭代，若耦合元件B的出力達(dá)到閾值，則可選擇耦合元件C等耦合元件作為負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行替代控制策略。當(dāng)耦合元件A完全被替代或所有耦合元件出力達(dá)到上限時(shí)，替代過(guò)程結(jié)束。

圖2 替代控制策略實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制策略是指在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)安全約束前提下，通過(guò)增大燃?xì)廨啓C(jī)、CHP機(jī)組等電獲取型耦合元件的電出力，為配電網(wǎng)主動(dòng)解列提供電源支撐。對(duì)于能源系統(tǒng)中可增發(fā)電功率的電獲取型耦合元件，若負(fù)荷側(cè)僅為電力負(fù)荷，則僅需在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全約束的前提下增加電出力；若負(fù)荷側(cè)存在多類(lèi)負(fù)荷（CHP機(jī)組等），在增加電出力的同時(shí)，非電子系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)的出力也隨之增加，選擇非電子系統(tǒng)中非電型耦合元件為平衡節(jié)點(diǎn)，用以平衡電獲取型耦合元件增發(fā)功率。如增加CHP機(jī)組的電出力，CHP機(jī)組的熱出力也隨之增大，為滿(mǎn)足熱力系統(tǒng)安全運(yùn)行約束，需減小燃?xì)忮仩t等非電型耦合元件的熱出力。

若系統(tǒng)內(nèi)存在可增大電出力的電獲取型耦合元件，則可采取協(xié)調(diào)控制策略。對(duì)于任一電獲取型耦合元件，其協(xié)調(diào)控制策略的數(shù)學(xué)模型為

上述兩種控制策略分別從減少待恢復(fù)負(fù)荷量和增大電源出力兩方面為配電網(wǎng)主動(dòng)解列提供有利支撐。若系統(tǒng)內(nèi)不存在電供給型耦合元件，則采取協(xié)調(diào)控制策略；若系統(tǒng)內(nèi)存在電供給型耦合元件，則優(yōu)先采取替代控制策略，若系統(tǒng)仍有可增大電出力的耦合元件，則可繼續(xù)采取協(xié)調(diào)控制策略。兩種控制策略相結(jié)合，可充分發(fā)揮系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)，提高系統(tǒng)供能恢復(fù)水平，進(jìn)而保證系統(tǒng)供能的安全性和可靠性。

3 考慮多能耦合的配電網(wǎng)主動(dòng)解列模型及求解

當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部故障或失去主電源的能源供給時(shí)，易造成配電網(wǎng)功率不平衡，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為保證部分重要負(fù)荷持續(xù)不間斷供能，配電網(wǎng)應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)解列，以孤島方式運(yùn)行。傳統(tǒng)的解列方式由于受到負(fù)荷分布及分布式電源出力的限制，導(dǎo)致配電網(wǎng)供能恢復(fù)水平有限。若考慮多能耦合的配電網(wǎng)各子系統(tǒng)間協(xié)同運(yùn)行時(shí)，故障情況下可采取相應(yīng)的控制策略并通過(guò)調(diào)整耦合元件的出力，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提高配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)水平。

3.1 主動(dòng)解列模型

考慮多能耦合的配電網(wǎng)主動(dòng)解列模型主要由主動(dòng)解列目標(biāo)函數(shù)和安全運(yùn)行條件構(gòu)成。

3.1.1 主動(dòng)解列模型目標(biāo)函數(shù)

本文以配電網(wǎng)恢復(fù)負(fù)荷量最大和負(fù)荷的功率匹配度最高為目標(biāo)，構(gòu)建配電網(wǎng)主動(dòng)解列目標(biāo)函數(shù)為

式中，為最終形成的孤島；為孤島內(nèi)的節(jié)點(diǎn)；Li為節(jié)點(diǎn)所連的負(fù)荷功率；M為節(jié)點(diǎn)的功率匹配度。

進(jìn)行恢復(fù)供電過(guò)程中，在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，還需保證恢復(fù)供電負(fù)荷的功率匹配度最高，以保證負(fù)荷恢復(fù)的合理性。本文以電壓作為主要指標(biāo)評(píng)估恢復(fù)供電負(fù)荷的功率匹配度，其表達(dá)式為

式中，k為權(quán)重系數(shù)；ΔU為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷投入運(yùn)行導(dǎo)致的電壓變化量；Δmax為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷投入運(yùn)行導(dǎo)致電壓最大的變化量。

3.1.2 主動(dòng)解列模型約束條件

考慮多能協(xié)同的配電網(wǎng)求解主動(dòng)解列方案時(shí)，需要進(jìn)行安全校驗(yàn)，即能源網(wǎng)絡(luò)需滿(mǎn)足各個(gè)子系統(tǒng)安全約束條件。

1）配電網(wǎng)安全約束

配電網(wǎng)作為多能耦合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其運(yùn)行方式靈活、運(yùn)行設(shè)備復(fù)雜，因此為充分考慮電力系統(tǒng)安全運(yùn)行條件，可將電力系統(tǒng)安全約束分為機(jī)組出力約束、孤島內(nèi)功率平衡約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、SOP運(yùn)行條件約束及熱穩(wěn)定約束等。

對(duì)于配電網(wǎng)內(nèi)分布式電源，機(jī)組出力均應(yīng)滿(mǎn)足

式中，P、Q分別為發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功出力； Pmax、Pmin、max、Qmin分別為發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功出力上、下限。

為保證所形成孤島能夠?qū)崿F(xiàn)功率實(shí)時(shí)平衡，對(duì)具有波動(dòng)性的分布式電源如光伏電源等，需與燃?xì)廨啓C(jī)等穩(wěn)定電源共同作用，將穩(wěn)定電源作為備用，補(bǔ)償光伏等分布式電源出力的波動(dòng)性，其表達(dá)式為

式中，、NG分別為穩(wěn)定電源和不穩(wěn)定電源集合；Gi和Gimin分別為穩(wěn)定電源的實(shí)際出力與最小出力；Gjmax和Gjmin分別為不穩(wěn)定電源的最大出力和最小出力，二者差值即為不可靠電源的出力波動(dòng)量。

孤島內(nèi)功率平衡約束為

式中，GiGjmin分別為所形成的孤島內(nèi)穩(wěn)定電源節(jié)點(diǎn)的無(wú)功出力及不穩(wěn)定電源節(jié)點(diǎn)最小無(wú)功出力；Lk、Lk分別為孤島內(nèi)負(fù)荷有功和無(wú)功功率。

節(jié)點(diǎn)電壓約束為[22]

式中，U為節(jié)點(diǎn)的電壓幅值；Umax、Umin分別為節(jié)點(diǎn)電壓幅值的上、下限；= 1,2,…,e。

SOP采用dc-運(yùn)行模式，其運(yùn)行約束為

式中，SOP、SOP、SOP、SOP分別為SOP注入節(jié)點(diǎn)的有功功率和無(wú)功功率；SOP和SOP為SOP的損耗系數(shù)；SOP,L和SOP,L分別為接在節(jié)點(diǎn)、的換流器損耗；SOP和SOP分別為接在節(jié)點(diǎn)、的換流器容量；SOP為故障側(cè)SOP控制電壓；0為故障側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓，一般取1.0；、為SOP所接入配電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

熱穩(wěn)定約束為

式中，max、min、max、min分別為電力線路傳輸有功功率和無(wú)功功率的最大值和最小值；P、Q分別為節(jié)點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)之間線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率；= 1,2,…,e。

2）配電網(wǎng)負(fù)荷約束

本文采用多項(xiàng)式模型描述配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的靜態(tài)特性，其有功、無(wú)功表達(dá)式為

式中，L、L分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功功率；N、N分別為該節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功功率的額定值；、N分別為該節(jié)點(diǎn)實(shí)際電壓、額定電壓；zp(zq)、ip(iq)、pp(pq)分別為負(fù)荷的有功（無(wú)功）功率中恒阻抗、恒電流、恒功率所占比重，zp+ip+pp=1，zq+iq+pq=1。

配電網(wǎng)中含有部分可控負(fù)荷，按照負(fù)荷響應(yīng)特性可分為可平移負(fù)荷和可削減負(fù)荷。在時(shí)刻，可平移負(fù)荷的負(fù)荷量為

式中，move為可平移負(fù)荷所需的用電量；為可平移負(fù)荷狀態(tài)控制向量，0表示停止工作，1表示正常工作；Nmove為各可平移負(fù)荷的額定功率。

可削減負(fù)荷響應(yīng)約束為

式中，cut為可削減負(fù)荷的所需功率；cutmax、cutmin分別為可削減負(fù)荷允許的最大及最小功率值。

3）熱力系統(tǒng)安全約束

熱力系統(tǒng)安全約束包括管道流量約束和供回?zé)釡囟燃s束。

管道流量約束為

式中，m為節(jié)點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)之間傳輸水的質(zhì)量流量；max、min分別為熱力系統(tǒng)管道質(zhì)量流量的上、下限；,= 1,2,…,h，h為熱力系統(tǒng)中管道數(shù)量。

在實(shí)際運(yùn)行的熱力系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)供回?zé)釡囟鹊湫?，均在安全限制?nèi)，此處可忽略溫度的安全約束。

4）天然氣系統(tǒng)安全約束

天然氣系統(tǒng)安全約束包括管道流量約束和節(jié)點(diǎn)壓力約束等。

管道流量約束為

式中，f為節(jié)點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臍饬髁?；max、min分別為天然氣管道氣流量的上、下限；,= 1,2,…,p，p為天然氣系統(tǒng)中管道數(shù)量。

節(jié)點(diǎn)壓力約束為

式中，p為節(jié)點(diǎn)的壓力；max、min分別為天然氣節(jié)點(diǎn)壓力的上、下限；= 1,2,…,n，n為天然氣系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

3.2 主動(dòng)解列模型求解

配電網(wǎng)主動(dòng)解列方案求解實(shí)際是包含多個(gè)樹(shù)背包問(wèn)題[23]，由于大系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)組合爆炸的問(wèn)題，因此為解決此問(wèn)題本文采用貪心算法進(jìn)行求解。對(duì)于考慮多能耦合的配電網(wǎng)，其主動(dòng)解列方案求解過(guò)程主要分為初始多能流求解、確定初始孤島劃分方案、添加可控負(fù)荷及安全性校驗(yàn)等步驟，具體求解流程如下。

3.2.1 求解系統(tǒng)初始多能流分布

故障隔離后，根據(jù)多能耦合能源系統(tǒng)內(nèi)的耦合元件，確定是否采取替代控制策略或協(xié)調(diào)控制策略；根據(jù)負(fù)荷類(lèi)型及所采取的控制策略，得到耦合元件的出力、分布式電源的出力和配電網(wǎng)中負(fù)荷分布情況；而后，根據(jù)1.2節(jié)所提的求解算法，計(jì)算出考慮多能耦合配電網(wǎng)的多能流。

采取替代控制策略的算法流程如下：

1）選取電供給型耦合元件負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)中具備調(diào)節(jié)能力的耦合元件作為平衡節(jié)點(diǎn)。

2）確定配電網(wǎng)中電供給型耦合元件所在節(jié)點(diǎn)負(fù)荷削減步長(zhǎng)e，計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)出力增長(zhǎng)量Δ。

3）計(jì)算系統(tǒng)多能流，若此時(shí)系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行，則電供給型耦合元件繼續(xù)削減出力，并跳轉(zhuǎn)至步驟2），反之轉(zhuǎn)至步驟4）。

4）得到被替代的電負(fù)荷量，以及各耦合元件出力。

采取協(xié)調(diào)控制策略的算法流程如下：

1）在電獲取型耦合元件中選擇效率最高的耦合元件，并標(biāo)記。

2）確定電獲取型耦合元件供給側(cè)出力增長(zhǎng)的步長(zhǎng)，按照步長(zhǎng)逐步增加供給側(cè)出力，得到耦合元件負(fù)荷側(cè)增長(zhǎng)出力。

3）若此時(shí)系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行，則跳轉(zhuǎn)至步驟2），繼續(xù)增加出力，反之則繼續(xù)執(zhí)行。

4）調(diào)整非電型耦合元件的出力，若系統(tǒng)能夠恢復(fù)安全運(yùn)行狀態(tài)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟2），反之則繼續(xù)執(zhí)行。

5）標(biāo)記該耦合元件，若仍有電獲取型耦合元件未被標(biāo)記，則繼續(xù)執(zhí)行步驟2），反之則繼續(xù)執(zhí)行。

6）得到耦合元件的最終運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.2 確定初始孤島劃分方案

1）根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)，確定各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷分布，根據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建考慮多能耦合的配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停?jié)點(diǎn)的權(quán)重和負(fù)荷分別為w和P。

2）求解單電源的孤島劃分方案。

（1）將系統(tǒng)中未被標(biāo)記的DG且出力最大的節(jié)點(diǎn)作為初始節(jié)點(diǎn)0，記={0}，并標(biāo)記該DG。

（2）并按照式（28）～式（30）計(jì)算此時(shí)孤島內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的功率之和P、孤島內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的權(quán)重之和B以及剩余電源容量C，并校驗(yàn)此時(shí)系統(tǒng)是否滿(mǎn)足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行條件，若滿(mǎn)足則繼續(xù)執(zhí)行，反之則轉(zhuǎn)至步驟（6）。

（3）計(jì)算已形成孤島中節(jié)點(diǎn)元素和與之相連節(jié)點(diǎn)元素的權(quán)重w(），即

（4）選取權(quán)重最大且功率匹配度最高的節(jié)點(diǎn)，記為，若B不為0，則將節(jié)點(diǎn)添加至孤島內(nèi)，記={，}；反之則轉(zhuǎn)至步驟（6）。

（5）若P＜C，則轉(zhuǎn)至步驟（2）；反之則繼續(xù)執(zhí)行。

（6）計(jì)算P、B，得到孤島劃分方案。

3）重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，將形成的孤島方案中的節(jié)點(diǎn)壓縮為一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，并記為e+i號(hào)節(jié)點(diǎn)（i為形成孤島的個(gè)數(shù)），該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷為孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷之和，該節(jié)點(diǎn)的權(quán)重可表示為

4）若系統(tǒng)存在未被標(biāo)記的DG，則返回步驟2），繼續(xù)生成孤島；反之則得到初始孤島劃分方案。

3.2.3 主動(dòng)解列策略確定

1）計(jì)算初始孤島劃分方案中所有孤島的剩余功率，若存在剩余功率不為0的孤島，則選擇將與該孤島相鄰的節(jié)點(diǎn)中部分可削減負(fù)荷添加至該孤島內(nèi)。

2）利用交替求解法進(jìn)行多能流計(jì)算，若多能流計(jì)算結(jié)果不符合系統(tǒng)安全約束或孤島內(nèi)平衡節(jié)點(diǎn)功率越限，則切除該孤島內(nèi)部分優(yōu)先級(jí)低的可削減負(fù)荷，得到配電網(wǎng)最終的孤島劃分方案。

3）利用Prime算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，確定各開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)，得到配電網(wǎng)最終的主動(dòng)解列策略。

綜上，本文考慮系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)的配電網(wǎng)主動(dòng)解列求解流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)主動(dòng)解列方案求解流程

4 算例分析

本文以圖3所示的多能耦合配電網(wǎng)為例，驗(yàn)證所提配電網(wǎng)主動(dòng)解列策略的準(zhǔn)確性和有效性。圖4所示系統(tǒng)中的耦合元件包括燃?xì)廨啓C(jī)、CHP機(jī)組、電鍋爐和燃?xì)忮仩t，其分布情況見(jiàn)表2；PG&E69節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)[24]中節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)36連接光伏電源。系統(tǒng)中安全約束條件為：電力系統(tǒng)電壓約束為0.95(pu)～ 1.05(pu)；天然氣系統(tǒng)壓力約束為0.02～0.075bar (lbar= 105Pa)，管道流量約束為1 400m3/h；熱力系統(tǒng)管道質(zhì)量流量約束為5kg/s。

表2 耦合元件分布情況

Tab.2 Distribution of coupling components

當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，上級(jí)電源不能為配電網(wǎng)進(jìn)行供電，配電網(wǎng)出現(xiàn)大量功率缺額，進(jìn)而不能安全運(yùn)行，通過(guò)主動(dòng)解列來(lái)保證部分負(fù)荷持續(xù)供電，系統(tǒng)待恢復(fù)負(fù)荷量為3 802.19kW，負(fù)荷采用ZIP模型（10%恒阻抗+20%恒負(fù)荷+70%恒功率）。PG&E69節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)中負(fù)荷等級(jí)和可控性見(jiàn)表3，對(duì)于可轉(zhuǎn)移負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，本文設(shè)定可控負(fù)荷占比為10%。在故障恢復(fù)過(guò)程中，光伏電源的最小出力分別為250kW和50kW，燃?xì)廨啓C(jī)的電出力為1 300kW，CHP機(jī)組的電出力為400kW，熱出力為520kW，電鍋爐的熱出力為683.2kW。

分別分析以下四種場(chǎng)景下的供電恢復(fù)策略：①傳統(tǒng)分布式電源供電的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略；②多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略；③考慮SOP的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略；④多能協(xié)同與SOP協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略。

圖4 考慮多能耦合的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表3 PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)及可控性

Tab.3 PG&E69 node system load priority and controllable type

4.1 傳統(tǒng)分布式電源供電的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略分析

當(dāng)故障隔離后，配電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)解列以保證PG&E69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)內(nèi)部分負(fù)荷持續(xù)不間斷供電。為使負(fù)荷恢復(fù)效果最大，可增加部分DG的出力。燃?xì)廨啓C(jī)的出力可增加至額定功率1 500kW，CHP機(jī)組由于采取定熱電比的控制模式，增加電出力會(huì)導(dǎo)致熱出力隨之增加，影響熱力系統(tǒng)安全運(yùn)行，故此時(shí)CHP機(jī)組的電出力保持不變。

根據(jù)此時(shí)配電網(wǎng)DG的出力以及負(fù)荷分布情況，利用3.2節(jié)所提算法，求解配電網(wǎng)的主動(dòng)解列方案。利用傳統(tǒng)分布式電源進(jìn)行供能恢復(fù)，最終的孤島劃分方案如圖5所示，此時(shí)系統(tǒng)的功率匹配度最高。孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)53恢復(fù)負(fù)荷量為35kW，其余節(jié)點(diǎn)均全部恢復(fù)供電，可平移負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量為19.45kW，恢復(fù)供電的負(fù)荷量為2 186.5kW，其中I類(lèi)負(fù)荷的恢復(fù)量為358.95kW。此時(shí)，系統(tǒng)多能流均滿(mǎn)足安全約束條件。

由上述解列方案可知，利用傳統(tǒng)分布式電源恢復(fù)供電，負(fù)荷恢復(fù)量受到分布式電源出力及負(fù)荷分布的限制。此外，需要操作的開(kāi)關(guān)數(shù)量多，影響開(kāi)關(guān)的使用壽命，不僅不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)增加運(yùn)行成本。因此，可進(jìn)一步考慮利用系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)進(jìn)行供能恢復(fù)，提高系統(tǒng)的供電恢復(fù)水平。

圖5 利用分布式電源的孤島劃分方案

4.2 多能協(xié)同的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略分析

由于系統(tǒng)中存在電供給型耦合元件，因此優(yōu)先采用替代策略，首先利用燃?xì)忮仩t作為熱力系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)代替電鍋爐為熱力系統(tǒng)進(jìn)行供電。當(dāng)電鍋爐的熱出力減少至909.5kW，燃?xì)忮仩t的熱出力增加至839.5kW，熱力系統(tǒng)管道1的流量達(dá)到安全上限，此時(shí)燃?xì)忮仩t出力已達(dá)到最大，替代的電能量為171.87kW。在此基礎(chǔ)上，以CHP機(jī)組作為熱力系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)代替電鍋爐進(jìn)行供熱。當(dāng)電鍋爐的熱出力降至575kW，CHP機(jī)組的熱出力增加至846kW，熱力系統(tǒng)管道32流量達(dá)到安全上限，此時(shí)CHP機(jī)組的熱出力達(dá)到最大，替代的電能量為394.31kW。綜上所述，通過(guò)替代控制策略實(shí)現(xiàn)替代電能的總量為566.18kW。

此時(shí)系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)，仍可采用協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)增大燃?xì)廨啓C(jī)等電獲取型耦合元件的電出力，為配電網(wǎng)提供電源支撐。按照給定步長(zhǎng)逐步增加燃?xì)廨啓C(jī)出力，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的電出力增大到1 406kW時(shí)，天然氣系統(tǒng)管道1的出力達(dá)到上限。由于CHP機(jī)組的熱出力及天然氣系統(tǒng)熱源點(diǎn)所連管道的流量達(dá)到上限，故CHP機(jī)組的電出力不可增加。

根據(jù)此時(shí)配電網(wǎng)DG的出力及負(fù)荷分布情況，求解配電網(wǎng)的主動(dòng)解列方案?？紤]多能耦合效應(yīng)進(jìn)行供能恢復(fù)，最終的孤島劃分方案如圖6所示，此時(shí)系統(tǒng)的功率匹配度最高。孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)38負(fù)荷恢復(fù)量為10kW，其余節(jié)點(diǎn)均全部恢復(fù)供電，可平移負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量為69.15kW，通過(guò)主動(dòng)解列恢復(fù)供電的負(fù)荷量為2 928.15kW，其中Ⅰ類(lèi)負(fù)荷恢復(fù)量為410.95kW，通過(guò)系統(tǒng)多能互補(bǔ)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)供的電負(fù)荷量為566.18kW。配電網(wǎng)電壓均滿(mǎn)足安全約束，天然氣系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)的多能流如圖7所示。

相較于采用傳統(tǒng)分布式電源進(jìn)行恢復(fù)，考慮系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)后，采取替代控制策略和協(xié)調(diào)控制策略，為配電網(wǎng)提供電源支撐并替代部分電負(fù)荷，使得配電網(wǎng)供電恢復(fù)量顯著提高，供電恢復(fù)比例提高近20%。

圖6 考慮多能耦合效應(yīng)的孤島劃分方案

兩種恢復(fù)策略的系統(tǒng)多能流如圖7所示?？紤]系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)后，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，耦合元件的出力發(fā)生變化，系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變。熱力系統(tǒng)管道1和32的流量達(dá)到安全上限，天然氣系統(tǒng)管道1的流量達(dá)到安全上限。綜合考慮替代控制策略和協(xié)調(diào)控制策略，能夠充分挖掘系統(tǒng)供能潛力，顯著地提高配電網(wǎng)供電恢復(fù)水平。

由上述解列方案對(duì)比可知，綜合考慮多能互補(bǔ)作用后，多能耦合能源系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)多種形式的能源，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷用能類(lèi)型轉(zhuǎn)移，其電能替代量為566.18kW，并調(diào)節(jié)電獲取型耦合元件的出力，為配電網(wǎng)提供電源支撐，耦合元件增發(fā)的電出力為156.77kW。各耦合元件的出力見(jiàn)表4。

表4 三種場(chǎng)景下耦合元件出力

Tab.4 Coupling component output in three scenarios（單位：kW）

4.3 考慮SOP作用的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略分析

在場(chǎng)景①的基礎(chǔ)上，本節(jié)利用安裝在IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)35之間的SOP進(jìn)行供電恢復(fù)。按照3.2節(jié)所提算法進(jìn)行計(jì)算，得到SOP的控制策略見(jiàn)表5，最終的孤島劃分方案如圖8所示，此時(shí)系統(tǒng)的功率匹配度最高。孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)54恢復(fù)負(fù)荷量為27.9kW，其余節(jié)點(diǎn)全部恢復(fù)供電，可平移負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量為63.55kW，恢復(fù)供電的負(fù)荷總量為2 622.84kW，其中Ⅰ類(lèi)負(fù)荷恢復(fù)量為410.95kW。配電網(wǎng)電壓均滿(mǎn)足安全約束，天然氣系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)的多能流與場(chǎng)景①一致。

表5 SOP控制策略

圖8 考慮SOP作用的孤島劃分方案

相較于采用傳統(tǒng)分布式電源進(jìn)行恢復(fù)，考慮SOP的作用后，配電網(wǎng)供電恢復(fù)量顯著提高，供電恢復(fù)量提高436.34kW，但其恢復(fù)效果遠(yuǎn)不如考慮多能協(xié)同效應(yīng)的供電恢復(fù)策略。為將配電網(wǎng)供電恢復(fù)作用最大化，下面將綜合考慮SOP與多能協(xié)同效應(yīng)分析配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略。

4.4 綜合考慮多能協(xié)同效應(yīng)和SOP作用的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略分析

在考慮系統(tǒng)多能協(xié)同效應(yīng)基礎(chǔ)上，本節(jié)研究利用安裝在IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)22與PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)35之間的SOP進(jìn)行供電恢復(fù)，SOP的控制策略見(jiàn)表6。在此種負(fù)荷恢復(fù)策略下，僅節(jié)點(diǎn)39全部負(fù)荷失電，節(jié)點(diǎn)38恢復(fù)287kW負(fù)荷，其余負(fù)荷均可全部恢復(fù)?？善揭曝?fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)移量為69.15kW，恢復(fù)負(fù)荷總量為3 268.78kW，其中通過(guò)多能耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)替代的負(fù)荷量為566.18kW，Ⅰ類(lèi)負(fù)荷恢復(fù)量為410.95kW。

表6 SOP控制策略

由上述解列方案可知，SOP對(duì)于配電網(wǎng)解列方案有著積極的影響。在考慮SOP時(shí)，由于其兩側(cè)潮流可控，可以改善配電網(wǎng)的潮流分布，為配電網(wǎng)孤島提供電壓支撐，同時(shí)也能為配電網(wǎng)提供部分有功功率，起到電源支撐的作用。

僅考慮系統(tǒng)多能耦合效應(yīng)時(shí)，配電網(wǎng)主動(dòng)解列后，以燃?xì)廨啓C(jī)作為平衡節(jié)點(diǎn)，使得燃?xì)廨啓C(jī)以較低的功率因數(shù)運(yùn)行?？紤]SOP后，PG&E69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)以SOP所在節(jié)點(diǎn)作為平衡節(jié)點(diǎn)，保證燃?xì)廨啓C(jī)、CHP機(jī)組等耦合元件工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)改善配電網(wǎng)的電壓分布。考慮SOP前后，配電網(wǎng)部分末端節(jié)點(diǎn)電壓如圖9所示。

圖9 SOP作用前后配電網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)電壓

綜上所述，三種場(chǎng)景下，配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)情況與開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況見(jiàn)表7和表8?？紤]多能協(xié)同效應(yīng)后，能夠充分挖掘配電網(wǎng)供能潛力，提高配電網(wǎng)供電恢復(fù)比例，減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，對(duì)于保證配電網(wǎng)供能安全性與可靠性有著重要的作用。其次，SOP也能在一定程度上提高供電恢復(fù)量，改善系統(tǒng)的潮流分布。在系統(tǒng)多能協(xié)同效應(yīng)與SOP共同作用下，負(fù)荷恢復(fù)量顯著提高，負(fù)荷恢復(fù)量是僅利用分布式電源進(jìn)行供電恢復(fù)的近1.5倍。

表7 負(fù)荷恢復(fù)情況

Tab.7 Load recovery

表8 開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況

Tab.8 Switch action

5 結(jié)論

本文充分發(fā)揮多能系統(tǒng)的互補(bǔ)替代功能，提出一種考慮多能耦合的配電網(wǎng)主動(dòng)解列控制策略，通過(guò)修改的多能耦合配電網(wǎng)算例對(duì)所提方法進(jìn)行分析、驗(yàn)證，相關(guān)結(jié)論如下：

1）考慮系統(tǒng)多能協(xié)同效應(yīng)后，通過(guò)協(xié)調(diào)多種形式的能源互補(bǔ)替代功能，充分挖掘多能耦合系統(tǒng)的供能潛力，有效提高了配電網(wǎng)的供能恢復(fù)量，相較于傳統(tǒng)僅用分布式電源進(jìn)行供電恢復(fù)，所提方法形成的孤島開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)更少，有利于故障消除后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

2）在配電網(wǎng)供電恢復(fù)過(guò)程中，為充分發(fā)揮系統(tǒng)多能協(xié)同效應(yīng)，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇對(duì)應(yīng)的控制策略，若系統(tǒng)中存在電供給型耦合元件，則優(yōu)先采用替代控制策略，然后再根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷是否能夠采用協(xié)調(diào)控制策略。

3）在考慮配電網(wǎng)多能耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)上，借助SOP可進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的供電恢復(fù)能力，提高配電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)水平。

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Distribution Systems Restoration with Multi-Energy Synergy

Chen Houhe Cong Qian Jiang Tao Zhang Rufeng Li Xue

（Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China）

The multi-energy synergy makes the operation of the distribution systems more flexible, which provides a new idea for the distribution systems restoration. This paper proposed an active splitting control strategy for the distribution systems via the multi-energy synergy. A multi-energy flow network model of electric-gas-thermal integrated energy systems is formulated. Then, the active splitting alternative control and coordination control strategies for distribution systems are proposed considering the multi-energy synergy which includes load transfer of energy consumption type and power generation support. Further, an active splitting model of distribution network coupled multi-energy is developed with the reasonable control strategy and distribution system topology to restore more loads and higher load matching with regard of the load priority and controllability. And then, the active splitting strategy is solved by using the greedy algorithm (GA). The proposed method is evaluated by a distribution system coupled with heat and natural gas network, which comprise PG&E 69 distribution system, 32-node heat network and 11-node natural gas network. The results demonstrate the proposed active splitting strategy can significantly restore more loads of the distribution systems with taking into account of the multi-energy synergy.

Distribution network, integrated energy system, active splitting, multi-energy synergy, greedy algorithm

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201544

TM73

國(guó)家自然科學(xué)基金（52077028, 51877033, 52007026, 52061635103）和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20200403066SF）資助項(xiàng)目。

2020-11-21

2021-03-17

陳厚合 男，1978年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全性與穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。E-mail：chenhouhe@126.com

姜 濤 男，1983年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全性和穩(wěn)定性、可再生能源集成、綜合能源系統(tǒng)。E-mail：t.jiang@aliyun.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）