基于共識(shí)算法的多微電網(wǎng)系統(tǒng)自愈操作的研究與分析

潘凱巖，盧建剛，趙瑞鋒，余志文，劉宏達(dá)

（1.哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 518000；3.東方電子股份有限公司，煙臺(tái) 264000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的集成，具有單向潮流的傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)已從無源配電網(wǎng)絡(luò)（ADN）轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)絡(luò)（ADNs）[1-4]。主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)的某些部分可以考慮為多個(gè)互連的配電網(wǎng)絡(luò)，即所謂的微電網(wǎng)（MG），它可以在并網(wǎng)或具有許多DG的獨(dú)立模式下運(yùn)行[5]。微電網(wǎng)是低壓或中壓的小型電網(wǎng)，必須能夠?qū)⒁唤M消費(fèi)者連接到許多DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）[6]。

將ADN分區(qū)到微電網(wǎng)可能對(duì)消費(fèi)者和許多應(yīng)用程序具有許多優(yōu)勢(shì)，例如作為本地控制策略，以最大限度地減少不同微電網(wǎng)之間的交互[7]。因此，它促進(jìn)了強(qiáng)大的自愈操作基礎(chǔ)設(shè)施。微電網(wǎng)的規(guī)劃有許多主要特征，微電網(wǎng)的可靠性和自給性是影響電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)主要目標(biāo)[8]?；诩夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)問題的觀點(diǎn)，可靠性對(duì)于配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)重要。自愈技術(shù)作為智能電網(wǎng)的主要屬性之一，使配電自動(dòng)化的發(fā)展成為可能[9]。此功能定義為在中斷期間提供自愈的快速反應(yīng)能力。

由于自然事件、設(shè)備故障和人為錯(cuò)誤，配電網(wǎng)中的停電會(huì)發(fā)生[10]。自愈的一個(gè)關(guān)鍵方面取決于電源管理系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制如何響應(yīng)事件[11]。因此，適當(dāng)?shù)目刂撇僮骺梢愿斓鼗謴?fù)停止服務(wù)負(fù)載。通過自愈控制操作，可以恢復(fù)中斷的負(fù)載，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)的約束。這些操作都有助于配電網(wǎng)運(yùn)營商提供可靠和安全的運(yùn)行狀態(tài)[12]。

本文旨在探討多微電網(wǎng)系統(tǒng)自愈技術(shù)的框架。在這項(xiàng)研究中，自愈是在ADN的技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的，ADN被劃分為幾個(gè)微電網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)只有可再生能源和ESS。因此，與具有可調(diào)度能源的網(wǎng)絡(luò)相比，在此類網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)自愈操作相對(duì)困難。本文提出一個(gè)多微電網(wǎng)系統(tǒng)中自愈操作的框架。采用共識(shí)算法，盡可能減少上游網(wǎng)絡(luò)的功率。這是通過上游微電網(wǎng)和下游微電網(wǎng)的通信來實(shí)現(xiàn)的。通過使用存儲(chǔ)在ESS中的能量來計(jì)算島運(yùn)行時(shí)間，可以直到故障完全清除。

1 微電網(wǎng)自愈

自愈技術(shù)被定義為快速故障檢測、隔離和及時(shí)恢復(fù)電網(wǎng)服務(wù)的能力。通常，自愈有兩個(gè)步驟：第一步是緊急反應(yīng)，其中系統(tǒng)已檢測到故障并與故障部分隔離。第二步是系統(tǒng)還原，還原計(jì)劃涉及一些操作，例如負(fù)載卸除、系統(tǒng)重新配置或生成啟動(dòng)/關(guān)閉。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障的位置可能會(huì)丟失一些負(fù)載。為了應(yīng)對(duì)干擾，自愈行動(dòng)可以阻止故障傳播。

圖1顯示了微電網(wǎng)的框架，這些微電網(wǎng)可以通過本地生成和存儲(chǔ)相互支持。正常運(yùn)行下的微電網(wǎng)可以支持故障段的電力短缺[13-14]。

圖1 微電網(wǎng)框架

在正常操作模式下，每個(gè)微電網(wǎng)的LCS調(diào)度其可獲取的資源。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將切換到自愈模式。在這里，諸如配電線路丟失之類的故障被視為緊急情況。根據(jù)正常運(yùn)行步驟中完成的時(shí)間表，無故障的微電網(wǎng)LCS與鄰近的LCS進(jìn)行通信，并決定將每個(gè)正常的微電網(wǎng)的共享能力發(fā)送到島上。為此，本文提出了一種分散的通信協(xié)議來交換微電網(wǎng)之間的信息。因此，每個(gè)微電網(wǎng)僅與其相鄰的微電網(wǎng)通信。雖然也可以使用集中式算法來實(shí)現(xiàn)這種方法，但這將導(dǎo)致增加基礎(chǔ)設(shè)施成本并降低可靠性。

本文的目的是通過更接近故障位置的微電網(wǎng)提供最大島荷載。這意味著，如果島可以供應(yīng)其負(fù)載，直到故障被移除，則無需連接操縱線。否則，如果多個(gè)微電網(wǎng)在連接機(jī)動(dòng)線后能夠支撐該島，則最靠近故障區(qū)域的微電網(wǎng)將優(yōu)先于島補(bǔ)給。距離故障位置最近的操縱線是指操縱線與故障位置之間的最短阻抗距離。這里，假設(shè)故障的清除時(shí)間為5小時(shí)。如果運(yùn)行狀況良好的微電網(wǎng)無法提供故障部分的總負(fù)載，則未提供的負(fù)載將由上游微電網(wǎng)提供服務(wù)。

根據(jù)故障部分的負(fù)載量有兩種情況。

1）供應(yīng)島嶼負(fù)載所需的電力少于本節(jié)中發(fā)電和儲(chǔ)存能源的總和。如果負(fù)載可以供應(yīng)到故障完全清除（5小時(shí)），則故障區(qū)域可以保持為孤島。否則，必須連接操縱線。

2）故障區(qū)內(nèi)的負(fù)載供電所需的功率超過該區(qū)域發(fā)電和儲(chǔ)存能量的總和。在這種情況下，可以通過關(guān)閉常開的拉桿開關(guān)來提供負(fù)載。

如果供電負(fù)載所需的功率大于發(fā)電量和ESS容量之和，則故障位置最近的操縱線對(duì)應(yīng)的撥動(dòng)開關(guān)將立即關(guān)閉。

如果這些微電網(wǎng)的剩余發(fā)電量小于或等于故障部分所需的功率，則它們都將有助于部分負(fù)載的供應(yīng)，如果需要，其余的功率將從上游網(wǎng)絡(luò)接收。但是，如果這些微電網(wǎng)的總發(fā)電量超過故障部分所需的功率，則最接近故障位置的微電網(wǎng)優(yōu)先提供負(fù)載。在這里，通過使用平均共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的功率分配。通過這種方式，每個(gè)微電網(wǎng)中的LCS與相鄰的LCS進(jìn)行通信，并且在交換信息后，確定每個(gè)微電網(wǎng)的份額。分配由每個(gè)微電網(wǎng)中的本地LCS實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度。最后，健康微電網(wǎng)的總功率輸出將與所需功率緊密匹配。在這里，平均共識(shí)算法被用作LCS之間的協(xié)調(diào)，以分布式方式將所需的功率分配給每個(gè)LCS。實(shí)際上，目標(biāo)是就每個(gè)LCS的值達(dá)成一致。

平均共識(shí)算法以分散的方式實(shí)現(xiàn)，為分散控制提供了公平的解決方案。分配給每個(gè)微電網(wǎng)的功率量由每個(gè)微電網(wǎng)的LCS用于調(diào)度可用資源。其目的是使每個(gè)微電網(wǎng)的總分配功率盡可能接近所需功率，以供應(yīng)故障部分的負(fù)載。

根據(jù)本節(jié)所述，在本研究中，本文只關(guān)注自我修復(fù)的第二步，即負(fù)荷恢復(fù)；因此故障檢測和隔離不屬于本文的討論范圍。所提出方法的流程圖如圖2所示。

圖2 自愈框架

2 共識(shí)算法

2.1 算法簡介

在串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)中，當(dāng)微電網(wǎng)在某處發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障下游側(cè)的發(fā)電和負(fù)載值請(qǐng)求其故障功率。這種功率的值應(yīng)盡可能由正常的微電網(wǎng)提供。因此，故障部分所需的功率量在正常運(yùn)行的微電網(wǎng)之間共享。目標(biāo)是找到分配給每個(gè)微電網(wǎng)的共享功率，總功率定義如下：

等式(2)定義為一個(gè)故障下游側(cè)所需的總有功功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)最大可調(diào)輸出的比值：

式(3)的第一項(xiàng)表示每個(gè)微電網(wǎng)控制其ESS以遵循本地目標(biāo)功率值，第二項(xiàng)表示發(fā)電和負(fù)載不匹配。實(shí)際上，有兩個(gè)因素會(huì)影響每個(gè)普通微電網(wǎng)的分配功率。首先，在ESS中存儲(chǔ)功率的部分考慮了式(2)中定義的指標(biāo)，其次，每個(gè)微電網(wǎng)的產(chǎn)生和負(fù)載之間的差異。

每個(gè)LCS都可以通過調(diào)整其儲(chǔ)能系統(tǒng)來提供自己的電力份額。因此，這種功率分配僅取決于每個(gè)微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能容量，如前所述，平均共識(shí)算法用于設(shè)計(jì)多微電網(wǎng)系統(tǒng)中所有LCS中請(qǐng)求功率的分配方案。因此，Δh通過迭代地采用平均共識(shí)算法進(jìn)行計(jì)算[15]。假作為步驟k和初始值處的迭代變量，迭代變量更新如下：

其中ε表示步長。該值將收斂到平均值，如下所示：

拉普拉斯矩陣的特征值在共識(shí)算法的收斂中具有主要作用。實(shí)際上，拉普拉斯的第二個(gè)最小特征值是測量共識(shí)算法收斂的速度。將拉普拉斯矩陣的特征值視為L，其中λg(L)為實(shí)數(shù)并表示拉普拉斯矩陣gth的最大特征值ε∈(0,2/λg(L))。應(yīng)該注意的是，平均收斂速率取決于步長。

2.2 約束條件

微電網(wǎng)的功率分配應(yīng)以提供最大負(fù)載的方式進(jìn)行。因此，通過平均共識(shí)算法分配給每個(gè)微電網(wǎng)的份額功率應(yīng)盡可能接近每個(gè)微電網(wǎng)在實(shí)踐中轉(zhuǎn)移的功率量。因此，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，定義了目標(biāo)函數(shù)，目的是最大限度地減少分配給正常微電網(wǎng)的聚合功率與傳遞到故障部分的總實(shí)際功率的差異，如下所示：

電壓限制

功率平衡

有功功率

存儲(chǔ)的能量限制

根據(jù)ESS的使用壽命，考慮0.2×WESS,max為最小充電狀態(tài)。

初始充電狀態(tài)

改變ESS中存儲(chǔ)的能量的必要性

正常的微電網(wǎng)功率傳輸實(shí)際上受到了限制

3 仿真結(jié)果

為了證明本文所提辦法的有效性，采用了兩個(gè)基準(zhǔn)案例：33輛公共汽車和119輛公共汽車的配電網(wǎng)絡(luò)。這兩個(gè)系統(tǒng)都已成為多微電網(wǎng)系統(tǒng)。此外，這些系統(tǒng)中的最佳ESS分配在之前的工作中完成。

3.1 33總線配電網(wǎng)

首先，在修改后的33總線配電網(wǎng)上作小規(guī)模徑向配電網(wǎng)測試。該系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓為12.66kV，峰值負(fù)載為3715 kW，該網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)被劃分為MG1到MG5，與操縱線（并列開關(guān)）對(duì)應(yīng)的開關(guān)編號(hào)為S1至S5。此分配網(wǎng)絡(luò)中的虛線表示MG邊界。每日負(fù)載曲線如圖4所示。

圖3 33總線配電網(wǎng)規(guī)劃

圖4 配電網(wǎng)日負(fù)荷曲線

在本案例研究中，對(duì)于第23-24段第15小時(shí)的故障位置，結(jié)果如表1所示?？梢杂^察到，在23號(hào)線失去后，斷電的MG2將網(wǎng)絡(luò)分為兩部分。由于該線路位于MG2中，因此其他上游MG1、MG3、MG4和MG5必須根據(jù)其發(fā)電量和負(fù)載量發(fā)送所需的功率。從結(jié)果中可以看出，MG1無法提供任何動(dòng)力。因此，其余的MG支持該島所需的電力。實(shí)際上，MG3、MG4和MG5可以通過關(guān)閉連接開關(guān)S5在故障的下游側(cè)提供如此大的功率。

表1 23-24段故障數(shù)據(jù)

每個(gè)正常微電網(wǎng)的份額分別為353.74kW、56.60kW和22.03kW。在故障發(fā)生后每小時(shí)計(jì)算一次島上存儲(chǔ)的發(fā)電量、消耗量和電力量，以計(jì)算孤島持續(xù)時(shí)間。如果在故障清除前每小時(shí)都有發(fā)電和用電的平衡，該島可以繼續(xù)正常運(yùn)行。因此，與此變量對(duì)應(yīng)的列中的每個(gè)數(shù)字都表示故障發(fā)生后該島可以繼續(xù)運(yùn)行的總小時(shí)數(shù)。此表的最后一列顯示孤島在島中可以保留多長時(shí)間。對(duì)于此故障的發(fā)生，根據(jù)仿真結(jié)果，總線24和25無法繼續(xù)在島式模式下運(yùn)行。

在某些情況下，孤島部分可能會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)其孤島作業(yè)。因此，此時(shí)無需關(guān)閉并列開關(guān)。例如，如果 18號(hào)線（2-19）在第15小時(shí)被移除，則包含19-22路公交車的孤島路段將在島上保留一小時(shí)。但是，一小時(shí)后，必須關(guān)閉并聯(lián)開關(guān)。

每個(gè)單元中的破折號(hào)表示負(fù)載供應(yīng)中不涉及相應(yīng)的MG。當(dāng)然，在這種情況下，負(fù)載是完全供電的，它不需要從其他MG接收電力。本節(jié)所需的功率為175.74kW。唯一可以提供這種動(dòng)力的MG是MG3。然而，由于其在擬議框架的第1階段執(zhí)行的時(shí)間表，它僅提供約135.51kW的功率。因此，在S2關(guān)閉后，該島的其余部分所需的功率，即剩余的40.23kW，是從上游網(wǎng)絡(luò)中獲取的。

表2顯示了在第23行（23-24）第15小時(shí)發(fā)生故障后，正常運(yùn)行的微電網(wǎng)中的RESs生成、存儲(chǔ)和負(fù)載量。通過將此表與表1進(jìn)行比較，可以看出每個(gè)微電網(wǎng)在為其負(fù)載供電后提供了該島所需的一些功率。MG以525.02kW的速率提供負(fù)載，并向該島提供353.74kW的功率。同樣，可以對(duì)MG4和MG5進(jìn)行這樣的分析。表3顯示了每個(gè)島嶼可以繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。

表2 23-24段MG3-MG5的發(fā)電量

表3 持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間

根據(jù)表3，如果5號(hào)線（5-6）在第10小時(shí)發(fā)生故障，則必須立即關(guān)閉扎帶開關(guān)，但如果此故障發(fā)生在第15小時(shí)，則該島可以繼續(xù)運(yùn)行長達(dá)2小時(shí)而無需關(guān)閉拉桿開關(guān)。22號(hào)線（22-23號(hào)線）13-16小時(shí)發(fā)生的故障結(jié)果如表4所示。

表4 22-23段MG3-MG5的發(fā)電量

4 結(jié)語

本研究針對(duì)基于兩階段網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的徑向互聯(lián)微電網(wǎng)自愈問題提出了一個(gè)自愈操作框架。在第一階段，每個(gè)微電網(wǎng)中的本地控制系統(tǒng)（LCS）根據(jù)本地功耗目標(biāo)調(diào)度可訪問的資源。在第二階段，許多LCS在全球范圍內(nèi)進(jìn)行通信以執(zhí)行自愈操作。LCS的通信是使用共識(shí)算法完成的。然而，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由第一階段的需求和供應(yīng)信息，正常的微電網(wǎng)會(huì)盡可能地提供停電負(fù)載。為了驗(yàn)證擬議框架的有效性，采用了兩個(gè)基準(zhǔn)配電網(wǎng)絡(luò)（33總線和119總線）。通過使用遺傳算法，每個(gè)微電網(wǎng)的分配功率與每個(gè)微電網(wǎng)實(shí)際提供的功率相匹配。如果運(yùn)行狀況良好的微電網(wǎng)無法提供所有必需的電源，則其余電源來自上游網(wǎng)絡(luò)。在基于平均共識(shí)算法的信息交換之后，指定分配給每個(gè)微電網(wǎng)的功率份額以提供島請(qǐng)求的功率。使用存儲(chǔ)在ESS中的能量來計(jì)算島運(yùn)行時(shí)間，可以直到故障完全清除。