楊麗君， 常雪婷， 曹玉潔， 安立明， 汪 明

(河北省電力電子節(jié)能與傳動控制重點實驗室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004)

1 引言

智能配電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分，自愈是其主要特征，故障恢復(fù)是自愈的重要環(huán)節(jié)[1]。分布式電源(DG)、分布式儲能(DES)的快速發(fā)展和高滲透率接入給配電系統(tǒng)的恢復(fù)供電帶來了新資源，同時也正在或即將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行方式。以微電網(wǎng)方式接入配電網(wǎng)被認為是解決目前分布式發(fā)電系統(tǒng)大量接入配電網(wǎng)的有效手段之一。目前構(gòu)建的微電網(wǎng)模式多是利用分布式電源配套的電力電子并網(wǎng)逆變器接入配電變壓器交流線路，再通過公共耦合點(PCC)開關(guān)接入配電網(wǎng)，這種接入方式存在一些不足，如設(shè)備多、體積大、控制不靈活、效率低。文獻[2,3]提出了電能交換器的概念，并對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及核心模塊提出了設(shè)計方案，電能交換器可以實現(xiàn)將不同電壓、不同頻率的各種分布式電能轉(zhuǎn)變成電壓靈活可控頻率恒定的交流電，從而使分布式電源和儲能即插即用接入配電網(wǎng)成為可能。

本文重點研究在故障準確定位及隔離的基礎(chǔ)上，基于電能交換器構(gòu)建的分布式電源、儲能和配電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題。在智能配電網(wǎng)構(gòu)架下，故障恢復(fù)既可以合理協(xié)調(diào)分布式能源(DER)和饋線共同為停電區(qū)域供電[4,5]，也可以由未發(fā)生故障的DG孤島運行恢復(fù)供電[6-8]。近年來由于分布式人工智能的需求以及計算機技術(shù)的不斷成熟，多代理技術(shù)迅速發(fā)展，因代理本身具有很強的自主能力和溝通能力，在電力系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9,10]。在故障恢復(fù)方面，文獻[11]提出一種完全分布式的多代理系統(tǒng)(MAS)來解決配電網(wǎng)的故障恢復(fù)問題，但代理采集的信息量大，信息傳遞過程中容易造成通信擁堵。文獻[12]基于IEC61850信息模型構(gòu)建的MAS緩解了通信壓力，確保了主動配電網(wǎng)供電恢復(fù)的快速性和可靠性。文獻[13]綜合利用備用線路和內(nèi)部DG的孤島運行，基于多代理技術(shù)構(gòu)建了多層分布式?jīng)Q策系統(tǒng)，為故障后的失電負荷恢復(fù)供電，但忽視了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的可操作性。在孤島劃分方面，文獻[14]利用基于分支定界理論的動態(tài)規(guī)劃算法獲得孤島劃分方案；文獻[15]先利用隱枚舉法獲得初始孤島劃分方案，再通過可行性校驗與調(diào)節(jié)得到最終劃分方案；文獻[16]給出了配電網(wǎng)故障下劃分孤島范圍的啟發(fā)式搜索方法；文獻[17,18]在已知DG容量的前提下劃定最佳孤島供電范圍，再對孤島外的停電區(qū)域最大限度地恢復(fù)供電。然而，文獻[14-18]缺少對沖突孤島協(xié)調(diào)方法的有關(guān)闡述，且沒有考慮不同時段內(nèi)DG出力的隨機性和波動性對孤島劃分方案制定的影響。

本文采用電能交換器取代傳統(tǒng)的配電變壓器，將其連接于配電系統(tǒng)與DER、負載間，構(gòu)建一種智能配電系統(tǒng)。新標準IEEE1547-2003[19]鼓勵供電方及用戶通過技術(shù)手段實現(xiàn)孤島運行，從而在滿足潮流約束的前提下，減少非故障停電區(qū)域的失電負荷，提高供電可靠性。當智能配電網(wǎng)發(fā)生小面積停電時，故障點附近的DG直接孤島帶負荷運行，大大縮短了恢復(fù)時間，提高了供電可靠性。當智能配電網(wǎng)發(fā)生大面積停電時，利用本文提出的基于MAS的智能配電網(wǎng)故障后的分散協(xié)調(diào)恢復(fù)策略，合理調(diào)度DER和聯(lián)絡(luò)開關(guān)來恢復(fù)供電，并將具體的恢復(fù)策略分成孤島劃分與剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)兩個子問題。孤島劃分計及DG功率輸出的波動性，由非故障失電區(qū)的DG代理通過等可能路徑組合[20]獲得初始最優(yōu)孤島劃分方案，再由電能交換器代理對存在矛盾的劃分方案進行協(xié)調(diào)優(yōu)化；剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)則由電能交換器代理通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，整理當前存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點-支路”連接關(guān)系，對其重新編號，采用改進蟻群算法，以網(wǎng)損最小為目標，得到剩余網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的理想組合，進一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負荷。最后以IEEE33節(jié)點系統(tǒng)為例利用所提恢復(fù)策略進行仿真驗證。

2 基于電能交換器的智能配電網(wǎng)架構(gòu)

電能交換器是一種高度融合電力電子變換技術(shù)和信息技術(shù)、可實現(xiàn)分布式電能高效利用和傳遞的新型全可控設(shè)備。通過電能交換器可以構(gòu)建分布式電源、儲能和配電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。由電能交換器統(tǒng)一進行并網(wǎng)控制，統(tǒng)一提供交流和直流線路，而不需要其他變換器提供直流線路，也不需要加裝PCC開關(guān)。

圖1 基于電能交換器的DG、儲能和配電網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)Fig.1 Interconnected system based on energy switcher

每條饋線供電區(qū)域可看成一個自治區(qū)域[21]，一臺電能交換器控制一個自治區(qū)域，若干個由電能交換器控制的自治區(qū)域構(gòu)成整個智能配電網(wǎng)。電能交換器作為自治區(qū)域與主網(wǎng)的交互接口，一方面要負責自治區(qū)域內(nèi)部各個設(shè)備的運行和能量管理，另一方面要接受上一級電力調(diào)度中心的控制指令并上傳自治區(qū)域的運行狀態(tài)。

3 智能配電系統(tǒng)故障恢復(fù)數(shù)學(xué)模型

3.1 孤島劃分模型

配電網(wǎng)發(fā)生停電事故時，由電能交換器快速、可靠地統(tǒng)一統(tǒng)籌和合理調(diào)度自治區(qū)域內(nèi)的風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能，將這些清潔能源作為集中式發(fā)電的有效補充，建立短時間的孤島保障重要負荷用戶的持續(xù)供電，這樣可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

(1)孤島劃分的目標函數(shù)

發(fā)生停電事故后的首要目標在于最大限度恢復(fù)重要用戶電力供應(yīng)，根據(jù)分布式電源在故障修復(fù)期間的實際發(fā)電量，以在各個故障時段內(nèi)獲得穩(wěn)定供電的孤島重要負荷總用電量最大為目標，建立目標函數(shù)，即

(1)

式中，T為時段數(shù)；D為孤島內(nèi)的節(jié)點集合；wi為位于節(jié)點i的負荷權(quán)重系數(shù)；Pi,t為在時段t孤島內(nèi)節(jié)點i的負荷大小；xi,t為節(jié)點i在時段t的狀態(tài)變化參數(shù)，xi,t=1表示恢復(fù)供電，xi,t=0表示未恢復(fù)供電。

(2)孤島內(nèi)功率約束

(2)

式中，PG,t為在時段t光儲系統(tǒng)的總出力值。

(3)功率平衡約束

(3)

(4)

式中，Pi,t、Qi,t為在時段t節(jié)點i注入的有功、無功；Gij、Bij、δij,t分別為節(jié)點i、j間的電導(dǎo)、電納以及在時段t節(jié)點i、j間的電壓相角差；n為孤島內(nèi)節(jié)點個數(shù)；Ui,t、Uj,t分別為在時段t節(jié)點i、j的電壓幅值。

(4)支路功率約束

Pr,t≤Prmax

(5)

式中，Pr,t為在時段t支路r的有功功率；Prmax為支路r的有功功率最大容許值。

(5)節(jié)點電壓約束

Umin≤Ui,t≤Umax

(6)

式中，Ui,t為在時段t節(jié)點i的電壓值；Umax、Umin分別為節(jié)點i電壓上下限。

(6)配電網(wǎng)輻射運行約束

g∈G

(7)

式中，g為故障恢復(fù)后的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；G為網(wǎng)絡(luò)輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)的集合。

3.2 剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型

若發(fā)生小面積停電，且失電區(qū)域含有DER，對含DER配電網(wǎng)進行孤島劃分即可恢復(fù)全部失電負荷，則無需再進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。若發(fā)生大面積停電，單靠分布式能源不能恢復(fù)全部失電負荷，則此時需要在孤島供電方案確定后，通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，整理當前存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點-支路”連接關(guān)系，對其重新編號，采用優(yōu)化算法得到剩余網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的理想組合，進一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負荷，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的目標函數(shù)，即

(8)

式中，SY為剩余網(wǎng)絡(luò)支路集合；kb為支路b上開關(guān)狀態(tài)變量，0表示斷開，1表示閉合；rb為支路b的電阻；Pb、Qb分別為支路b末端流過的有功、無功功率；Ub為支路b末端節(jié)點的電壓。

其他約束條件同3.1節(jié)中式(3)～式(7)約束條件。

4 基于電能交換器構(gòu)建的多代理自愈系統(tǒng)

圖1中，電能交換器管轄的自治區(qū)域內(nèi)開關(guān)、負荷類型和DER等種類很多，并且每個元件功能各異。為提高供電恢復(fù)的快速性和可靠性，充分發(fā)揮智能配電網(wǎng)主動控制和管理DER、負荷的優(yōu)勢，本文在自治區(qū)域內(nèi)的每個分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、負荷、分布式電源、儲能上設(shè)置一個元件代理，并由部署在電能交換器處的代理管理和協(xié)調(diào)各元件代理之間的矛盾與沖突；同時，電能交換器代理需要接受上層調(diào)度中心的調(diào)度指令，并將自治區(qū)域的用電情況、發(fā)電情況和實時電氣參數(shù)上報給上一級調(diào)度中心，以實現(xiàn)配電網(wǎng)實時能量管理。代理結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。其中，ACL(Agent Communication Language)為代理通信語言。

圖2 自治區(qū)域中2種代理結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of two agents in autonomy area

由電能交換器代理(Energy Switcher Agent，ESA)、分段開關(guān)代理(Sectional Switch Agent，SSA)聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理(Contact Switch Agent，CSA)、負荷代理(Load Agent，LA)、分布式電源代理(Distributed Generator Agent，DGA)、儲能代理(Energy Storage Agent，ESA)組成的多代理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 多代理系統(tǒng)控制架構(gòu)Fig.3 Multi-agent system based control framework

電能交換器代理中的各個模塊有其各自特殊的功能，其中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊負責將當前電網(wǎng)的運行結(jié)構(gòu)匯報給綜合決策模塊；故障診斷模塊從SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫[22]中獲取當前網(wǎng)絡(luò)的實時運行數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控故障信息，確認停電故障發(fā)生以后，根據(jù)自治區(qū)域數(shù)據(jù)庫中存儲的正常運行狀態(tài)下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，定位故障區(qū)域并向綜合決策模塊匯報這些信息；綜合決策模塊通過與元件代理通訊獲取當前全網(wǎng)DG出力、儲能出力及負荷需求情況，并在獲取故障信息的基礎(chǔ)上，通知失電區(qū)內(nèi)各DG代理準備進行孤島劃分，并對DG代理上報的初始孤島劃分方案進行優(yōu)化，產(chǎn)生并下達協(xié)調(diào)恢復(fù)命令，以及對孤島外的剩余網(wǎng)絡(luò)采用嵌入其中的蟻群算法進行尋優(yōu)，通過對分段開關(guān)代理和聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理下達開關(guān)調(diào)整指令實現(xiàn)剩余網(wǎng)絡(luò)故障重構(gòu)。具體過程如下：

(1)進行故障定位、隔離后，電能交換器代理根據(jù)綜合決策模塊的分析結(jié)果“通知”失電區(qū)內(nèi)DG代理準備執(zhí)行孤島劃分方案的確定任務(wù)，然后轉(zhuǎn)步驟(2)；若失電區(qū)內(nèi)無DG代理，則轉(zhuǎn)步驟(5)。

(2)各DG代理與附近的其他元件代理交互信息，根據(jù)嵌入綜合決策模塊中等可能路徑組合的尋優(yōu)方法得到各自的初始最優(yōu)孤島劃分方案，并將劃分方案上報給電能交換器代理。

(3)電能交換器代理對存在沖突的劃分方案進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，并將協(xié)調(diào)后的方案反饋給參與恢復(fù)任務(wù)的DG代理。DG代理組織相關(guān)的其他元件代理共同執(zhí)行孤島恢復(fù)方案。

(4)判斷停電區(qū)域負荷是否全部恢復(fù)供電，是，則運算結(jié)束；否則轉(zhuǎn)至步驟(5)。

(5)電能交換器代理整理剩余網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點-支路”連接關(guān)系，對其重新編號，并根據(jù)嵌入綜合決策模塊中改進蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行命令。

(6)判斷失電區(qū)是否全部恢復(fù)供電，是，則運算結(jié)束，得到一組孤島劃分和開關(guān)操作方案；否則由電能交換器代理向上一級調(diào)度中心發(fā)送協(xié)助恢復(fù)的請求，運算結(jié)束且由上一級調(diào)度中心進行恢復(fù)決策。

基于電能交換器構(gòu)建的多代理系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)恢復(fù)流程如圖4所示。

在集中控制中，由控制中心對故障恢復(fù)方案進行統(tǒng)一判斷、統(tǒng)一決策，制定的恢復(fù)方案能實現(xiàn)全局最優(yōu)，但需要可靠的通信通道的支持，并需要承擔大量的分析計算任務(wù)；在分散控制中，需要本地信息，而不需要每個個體單元之間通信及信息交互，具有簡單、可靠、易于實現(xiàn)的特點，但缺少個體單元之間配合，使得到的恢復(fù)方案往往是局部最優(yōu)[23]。本文綜合考慮集中控制和分散控制的特點，提出的分散協(xié)調(diào)控制策略將集中控制方法中由電能交換器代理來完成的初始孤島劃分的工作，下放給DG代理來完成，其只需對各DG代理獲得的各故障時段的初始孤島劃分方案中存在包含關(guān)系或交叉關(guān)系的孤島進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，減少了工作量，又避免了生成的孤島方案只是各孤島的局部最優(yōu)。

圖4 多代理系統(tǒng)恢復(fù)流程Fig.4 Restoration flowchart of multi-agent system

未來智能配電網(wǎng)將由多個具有精確計算、可靠通信、精準控制、遠程協(xié)作與自治功能的電能交換器代理統(tǒng)一管理調(diào)度自治區(qū)域內(nèi)的元件代理，參與解決各元件代理間公共資源的分配、矛盾的協(xié)調(diào)、任務(wù)的劃分等，可大大提高配電網(wǎng)故障后的快速響應(yīng)能力。同時，本文采用的信息傳遞原則是：分散在自治區(qū)域的各元件代理將各自收集的運行狀態(tài)信息匯報給電能交換器代理，在電能交換器代理未作出恢復(fù)決策前各元件代理之間不進行信息交互，一旦電能交換器代理“通知”DG代理準備執(zhí)行孤島劃分方案的確定任務(wù)后，該DG代理才可與附近的其他元件代理進行信息交互。因此，該多代理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可有效緩解信息逐級縱向傳遞和接收過程中容易造成的通信擁堵情況。

另外，為保證信息傳遞的可靠性和實時性，要求電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)具備容錯能力。正常情況下，通信網(wǎng)絡(luò)中的任意2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點須保持至少2條獨立物理路由的連通，必須滿足N-1原則，盡量滿足N-2原則。

5 基于等可能路徑組合和改進蟻群算法相結(jié)合的故障恢復(fù)方法

5.1 各DG代理等可能路徑組合恢復(fù)方法

各DG代理負責確定初始孤島劃分方案。非故障失電區(qū)的各DG代理接到電能交換器代理要求準備進行孤島劃分的“通知”后，與其附近的元件代理進行通信，獲取負荷數(shù)據(jù)信息、開關(guān)狀態(tài)信息、儲能荷電狀態(tài)(SOC)信息等，并綜合電能交換器代理反饋的非故障失電區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)以及故障點信息，利用等可能路徑組合形成各自的初始最優(yōu)孤島劃分方案，其過程如圖5所示。

圖5 孤島劃分過程Fig.5 Flowchart of island partition

特別指出，為簡化計算以及方便供電恢復(fù)方案的確定，本文采用分布式電源與儲能打包形式，以其聯(lián)合輸出功率計入后面的計算當中。以光儲系統(tǒng)為例介紹各DG代理通過等可能路徑組合搜索恢復(fù)路徑的過程。借鑒文獻[24]中的光儲系統(tǒng)模型和負荷特性模型，根據(jù)配電網(wǎng)故障修復(fù)持續(xù)的時間，對光伏電源可用發(fā)電出力進行預(yù)測，確定光伏電源在故障發(fā)生后各時段的實際出力，并在某些光伏發(fā)電出力較低的時段調(diào)度儲能裝置的出力，保證在各故障時段內(nèi)恢復(fù)孤島中的光儲系統(tǒng)，使其能夠為孤島內(nèi)負荷可靠供電。特別說明，下文提到的DG容量皆表示光儲系統(tǒng)聯(lián)合出力。

具體過程主要分為以下3個部分：

(1)形成分支集合

以各光儲系統(tǒng)代理所在節(jié)點為搜索樹的根節(jié)點，讀取節(jié)點度數(shù)，即根節(jié)點分支數(shù)，生成包含各故障時段的分支集合{S(t)=[S1(t),S2(t)，…,Sn(t)],t=1,2,…,T}，此時各分支數(shù)組是空集；再按深度優(yōu)先搜索原則對某一分支進行搜索，并將可中斷負荷的可中斷部分置零，當搜索到某一節(jié)點為該分支的末端節(jié)點，或融入該節(jié)點后負荷功率超出光儲系統(tǒng)在某一故障時段總出力值時，則終止搜索，得到該時段該分支最大可能恢復(fù)區(qū)域；然后回溯，生成一系列該時段可行的恢復(fù)供電路徑，形成該故障時段分支數(shù)組Si(t),i=1,2,…,n。按上述方法生成其他故障時段的分支數(shù)組，最終形成涵蓋各故障時段的分支集合。

(2)初始可行方案和數(shù)據(jù)庫的生成

涵蓋各故障時段的分支集合生成后，同一故障時段的不同分支數(shù)組間的元素相互組合，得到可能滿足各故障時段約束條件的孤島劃分方案。每種方案成為最優(yōu)解的概率相同，將這些方案存入上層供電恢復(fù)協(xié)調(diào)代理的數(shù)據(jù)庫中，形成可行方案集，供上層協(xié)調(diào)代理對存在矛盾的恢復(fù)孤島進行協(xié)調(diào)優(yōu)化時使用。

(3)切負荷

將所有削減掉的負荷節(jié)點標記成未完成恢復(fù)的節(jié)點，并得到最終的初始孤島劃分范圍。

5.2 電能交換器代理協(xié)調(diào)優(yōu)化恢復(fù)方案

各DG代理采用等可能路徑相互組合的方法得到各故障時段的初始孤島劃分方案，將方案上報給電能交換器代理，電能交換器代理對存在沖突的劃分方案進行協(xié)調(diào)，根據(jù)形成的初始方案關(guān)系不同采取不同的協(xié)調(diào)方法，具體如下：

(1)如果在某故障時段出現(xiàn)孤島A包含于孤島B的情況，則將孤島A與B合并，合并后的DG發(fā)電量為：

式中，PAG,t、PBG,t分別為孤島A、B中光儲系統(tǒng)在時段t的發(fā)電量；I為故障時段t內(nèi)連接2個光儲系統(tǒng)線路上的負荷節(jié)點集合；Pi,t為時段t位于節(jié)點i的負荷大小。

5.3 基于改進蟻群算法的剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)流程

本文將改進蟻群算法嵌入電能交換器代理的綜合決策模塊中，作為剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的優(yōu)化算法。若由DG代理確定的孤島供電方案不能恢復(fù)所有失電負荷，則由電能交換器代理整理剩余網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點-支路”連接關(guān)系，對其重新編號，根據(jù)改進蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，具體運算流程如圖6所示。圖6中，Tabu表示已連入樹中的節(jié)點集合，Nnode表示未連入樹中的節(jié)點集合，Nzhl表示可選的待建支路集合。

圖6 改進蟻群算法流程圖Fig.6 Flow chart of improved ant colony optimization

6 算例分析

6.1 算例參數(shù)

以IEEE33節(jié)點系統(tǒng)為例進行仿真。如圖7所示，該配電系統(tǒng)有33個節(jié)點，37條支路，5條聯(lián)絡(luò)開關(guān)且處于斷開狀態(tài)，分別在母線11、17、24處接入光儲系統(tǒng)PV1、PV2、PV3，它們的出力如圖8所示?？傌摵蔀?715kW+j2300kVar，額定電壓為12.66kV，各支路阻抗參數(shù)及功率參數(shù)見文獻[25]，各節(jié)點負荷等級如表1所示。一級、二級、三級負荷單位權(quán)重系數(shù)分別取100、10、1。改進蟻群算法相關(guān)參數(shù)與文獻[26]一致。

圖7 IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 IEEE33 distribution system

6.2 算例結(jié)果及分析

(1)算例1

設(shè)支路2-3處發(fā)生永久性故障，且故障發(fā)生在9∶00，完成故障修復(fù)在16∶00，故障時間為7h，即T=7，以1h為一個步長。光儲系統(tǒng)PV1、PV2、PV3的額定容量分別為400kW、400kW、1600kW，儲能的最大充放電功率為50kW。

圖8 光儲系統(tǒng)出力曲線(算例1)Fig.8 Output of PVs (example 1)

負荷等級節(jié)點編號一級負荷3、11、16、18、25、27二級負荷5、6、8、9、10、12、17、24、30三級負荷2、4、7、13、14、15、19～23、26、28、29、31～33

各DG代理以各自光儲系統(tǒng)所在節(jié)點11、17、24為根節(jié)點進行初始孤島劃分，然后由電能交換器代理對劃分方案進行協(xié)調(diào)優(yōu)化。另外，由于不同時段光伏電源輸出功率存在差異，則DG代理需要根據(jù)SCADA系統(tǒng)上報的信息，適時調(diào)整恢復(fù)方案。其中，在第3個時段(11∶00～12∶00)內(nèi)各DG代理形成的初始最優(yōu)方案中，光儲系統(tǒng)PV1的DG代理和光儲系統(tǒng)PV2的DG代理形成的恢復(fù)方案在節(jié)點14、15、16出現(xiàn)相交，由于不滿足配電網(wǎng)輻射性約束，電能交換器代理需要對存在沖突的孤島范圍進行協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)方案和結(jié)果如表2所示。

表2 相交孤島協(xié)調(diào)和最優(yōu)方案選取

電能交換器代理對上述兩種劃分方案進行協(xié)調(diào)，從各DG代理形成的數(shù)據(jù)庫中選出不包含節(jié)點14、15、16，且目標函數(shù)值最大的劃分方案，協(xié)調(diào)方案一得到的總目標函數(shù)值為20940，小于方案二的23480，因此協(xié)調(diào)方案二為最終孤島劃分方案，其恢復(fù)結(jié)果如圖9所示。

所有故障時段各DG代理形成的恢復(fù)方案如表3所示。由于孤島供電方案確定后仍有失電負荷存在，電能交換器代理通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，整理當前網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點-支路”連接關(guān)系，對其重新編號，并根據(jù)改進蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，進一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負荷。具體的重構(gòu)方案及結(jié)果如表4所示。

圖9 DG形成的最優(yōu)孤島劃分方案Fig.9 Optimal island partition scheme formed by DGs

時段各光儲系統(tǒng)恢復(fù)節(jié)點PV1PV2PV39∶00～10∶0010、12、1118、1723、2410∶00～11∶009、10、13、12、1115、16、18、174、3、23、25、2411∶00～12∶008、9、10、1114、15、16、18、1729、28、27、26、6、5、4、3、23、25、2412∶00～13∶008、9、10、1114、15、16、18、1728、27、26、6、5、4、3、23、25、2413∶00～14∶009、10、13、12、1115、16、18、176、5、4、3、23、25、2414∶00～15∶009、10、12、1116、18、1725、2415∶00～16∶0010、12、1118、1723、24

由表3和表4的仿真結(jié)果可以看出，由于故障期間光伏電源的輸出功率不斷變化，因此在故障修復(fù)完成前需要根據(jù)電源出力的波動相應(yīng)地調(diào)整恢復(fù)方案，從而能夠充分利用清潔能源的可用發(fā)電出力為更多用戶提供電力供應(yīng)。另外，考慮了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的作用，通過對剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以進一步恢復(fù)更多失電負荷，提高供電可靠性。

(2)算例2

設(shè)支路6-7處發(fā)生永久性故障，且故障發(fā)生的時間在9∶00，完成故障修復(fù)在16∶00，故障時間為7h，即T=7，以1h為一個步長。

支路6-7故障，光儲系統(tǒng)PV3位于非故障區(qū)，不進行孤島劃分，而采用并網(wǎng)運行方式。對PV1和PV2進行光伏預(yù)測，結(jié)果如圖10所示。儲能的最大充放電功率為50kW。以各DG代理所在光儲系統(tǒng)節(jié)點11、17為根節(jié)點，同時進行孤島劃分，在第3個故障時段(11∶00～12∶00)內(nèi)具體劃分過程如圖11所示。

表4 剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案及結(jié)果Tab.4 Reconfiguration schemes and results of residual network

圖10 光儲系統(tǒng)出力曲線(算例2)Fig.10 Output of PVs (example 2)

圖11 含分布式電源的最優(yōu)孤島劃分Fig.11 Optimal island partition with DGs

各DG代理按深度優(yōu)先搜索原則形成各自以最大供電半徑為約束的可行解區(qū)域，同時生成支路數(shù)組，通過等可能路徑組合獲得初始恢復(fù)方案，如圖11(b)所示。電能交換器代理判斷各孤島劃分方案之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光儲系統(tǒng)PV1恢復(fù)的節(jié)點包含于PV2中，則將兩孤島合并，并按5.2節(jié)方法重新生成新的恢復(fù)方案，最終結(jié)果如圖11(c)所示。由圖11可以看出，最終的孤島供電方案可以實現(xiàn)全部失電負荷恢復(fù)供電，此時無需進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。因此，在發(fā)生小面積停電時，本文策略充分發(fā)揮可再生清潔能源發(fā)電的短時支撐潛力而無需進行復(fù)雜繁瑣的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，可迅速恢復(fù)重要用戶電力供應(yīng)。

7 結(jié)論

目前各種分布式發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能不能直接供給負荷或者接入電網(wǎng)，針對這一現(xiàn)狀，本文利用電能交換器構(gòu)建了分布式電源、儲能與配電網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)，能夠滿足能量多向流動和功率流的主動準確控制等要求。在此基礎(chǔ)上，利用本文建立的完全分布式用于故障恢復(fù)的MAS，可有效緩解信息逐級縱向傳遞和接收過程中容易造成的通信擁堵情況。分別對小面積失電情況和大面積失電情況采用不同的恢復(fù)策略，合理配合孤島劃分與電網(wǎng)重構(gòu)，共同確定最優(yōu)供電路徑，減少停電范圍。算例驗證了本文所提方法的可行性和有效性，本文對智能配電網(wǎng)故障后的動態(tài)安全調(diào)度具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 龐清樂, 高厚磊, 李天友 (Pang Qingle, Gao Houlei, Li Tianyou). 基于負荷均衡的智能配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Load balancing based fault service restoration for smart distribution grid) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2013, 37(2): 342-348.

[2] 段青, 盛萬興, 孟曉麗, 等 (Duan Qing, Sheng Wanxing, Meng Xiaoli, et al.). 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的新型能源子網(wǎng)系統(tǒng)研究(Research of energy sub grid for the future energy internet) [J]. 中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE), 2016, 36(2): 388-398.

[3] 盛萬興, 段青, 梁英, 等 (Sheng Wanxing, Duan Qing, Liang Ying, et al.). 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的靈活配電系統(tǒng)關(guān)鍵裝備與組網(wǎng)形態(tài)研究(Research of power distribution and application grid structure and equipment for future energy internet) [J]. 中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE), 2015, 35(15): 3760-3769.

[4] Higgins N, Vyatkin V, Nair N C, et al. Distributed power system automation with IEC 61850, IEC 61499, and intelligent control [J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 2011, 41(1): 81-92.

[5] 楊麗君, 魏玲玲, 盧志剛, 等 (Yang Lijun, Wei Lingling, Lu Zhigang, et al.). 考慮可中斷負荷的配電網(wǎng)分區(qū)動態(tài)故障恢復(fù)(Fault partition dynamic recovery strategy for distribution network considering interruptible loads) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(8): 73-80.

[6] Balaguer I J, Lei Q, Yang S, et al. Control for grid-connected and intentional islanding operations of distributed power generation [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(1): 147-157.

[7] Vasquez J C, Guerrero J M, Luna A, et al. Adaptive droop control applied to voltage-source inverters operating in grid-connected and islanded modes [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(10): 4088-4096.

[8] 盧志剛, 劉照拯, 張晶, 等 (Lu Zhigang, Liu Zhaozheng, Zhang Jing, et al.). 含分布式電源的配電網(wǎng)災(zāi)后分階段搶修策略(Staged rush repair strategy of distribution networks with distributed generators after disaster) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(1): 69-74.

[9] 馬靜, 劉天琪, 李興源, 等 (Ma Jing, Liu Tianqi, Li Xingyuan, et al.). 基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預(yù)防研究(Method of coordinated prevention of commutation failure based on multi-agent in MIDC) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(3): 61-65.

[10] 段斌, 譚成, 劉艷, 等 (Duan Bin, Tan Cheng, Liu Yan, et al.). 基于IEC 61850和多代理技術(shù)的保護定值在線追蹤系統(tǒng)(An online tracking system of protection settings based on IEC 61850 and multi-agent technology) [J]. 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(7): 70-76.

[11] 黎恒烜, 孫海順, 文勁宇 (Li Hengyuan, Sun Haishun, Wen Jingyu). 含分布式電源的配電網(wǎng)多代理故障自恢復(fù)系統(tǒng)(A multi-agent system for reconfiguration of distribution systems with distributed generations) [J]. 中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE), 2012, 32(4): 49-57.

[12] 劉丹丹, 段斌, 王俊, 等 (Liu Dandan, Duan Bin, Wang Jun, et al.). 基于IEC61850的主動配電網(wǎng)故障自恢復(fù)多代理系統(tǒng)(A multi-agent system for fault self-recovery of distribution systems in active distribution network based on IEC61850) [J]. 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems), 2015, 39(9): 119-126.

[13] 李振坤, 周偉杰, 紀卉, 等 (Li Zhenkun, Zhou Weijie, Ji Hui, et al.). 主從控制模式下有源配電網(wǎng)供電恢復(fù)研究(Service restoration of distribution system containing DG under master-slave control mode) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2014, 38(9): 2576-2581.

[14] 王旭東, 林濟鏗 (Wang Xudong, Lin Jikeng). 基于分支定界的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤島劃分(Island partition of the distribution system with distributed generation based on branch and bound algorithm) [J].中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE), 2011, 31(7): 16-21.

[15] 向月, 劉俊勇, 姚良忠 (Xiang Yue, Liu Junyong, Yao Liangzhong). 故障條件下含分布式電源配電網(wǎng)的孤島劃分與重構(gòu)優(yōu)化策略研究(Optimization strategy for island partitioning and reconfiguration of faulted distribution network containing distributed generation) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2013, 37(4): 1025-1032.

[16] 易新, 陸于平 (Yi Xin, Lu Yuping). 分布式發(fā)電條件下的配電網(wǎng)孤島劃分算法(Islanding algorithm of distribution networks with distributed generators) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2006, 30(7): 50-54.

[17] 趙晶晶, 楊秀, 符楊 (Zhao JingJing, Yang Xiu, Fu Yang). 考慮分布式發(fā)電孤島運行方式的智能配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略研究(Smart distribution system service restoration using distributed generation islanding technique) [J]. 電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control), 2011, 39(17): 45-49.

[18] 孫潔, 王增平, 王英男, 等 (Sun Jie, Wang Zengping, Wang Yingnan, et al.). 含分布式電源的復(fù)雜配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Service restoration of complex distribution system with distributed generation) [J]. 電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control), 2014, 42(2): 56-62.

[19] IEEE Std.1547, IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].

[20] 楊麗君, 張廣超, 呂雪嬌, 等 (Yang Lijun, Zhang Guangchao, Lv Xuejiao, et al.). 考慮可控負荷的含分布式電源的配電網(wǎng)短時故障供電恢復(fù)(Power restoration considering controllable load for short-time fault of distribution network with DGs)[J]. 電力自動化設(shè)備(Electric Power Automation Equipment), 2016, 36(11): 11-17, 26.

[21] 于文鵬, 劉東, 余南華, 等 (Yu Wenpeng, Liu Dong, Yu Nanhua, et al.). 主動配電網(wǎng)的局部自治區(qū)域供蓄能力指標及其應(yīng)用(Power supply and storage capacity index of local autonomy area in an active distribution network and its applications) [J]. 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(15): 44-55.

[22] 馬發(fā)勇, 厲啟鵬, 馬志斌, 等 (Ma Fayong, Li Qipeng, Ma Zhibin, et al.). 電力調(diào)度SCADA系統(tǒng)中歷史數(shù)據(jù)壓縮及存儲策略(The research of historical data compression and storage strategy in power dispatch SCADA system) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2014, 38(4): 1109-1114.

[23] 竇春霞, 李娜, 徐曉龍 (Dou Chunxia, Li Na, Xu Xiaolong). 基于多智能體系統(tǒng)的微電網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略(Multi-agent system based decentralized coordinated control strategy for micro-grids) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(Transactions of China Electrotechnical Society), 2015, 30(7): 125-134.

[24] 王雨婷, 張筱慧, 唐巍, 等 (Wang Yuting, Zhang Xiaohui, Tangwei, et al.). 考慮光伏及負荷時變性的配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Fault recovery of distribution network considering time variation of photovoltaic and load) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2016, 40(9): 2706-2713.

[25] Baran M E, Wu F F. Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, 4(2): 1401-1407.

[26] 楊麗君, 于琦, 魏玲玲, 等 (Yang Lijun, Yu Qi, Wei Lingling, et al.). 基于移動多代理動態(tài)聯(lián)盟的配電網(wǎng)故障恢復(fù)研究(A distribution network fault recovery study on the dynamic alliance of mobile multi-agent) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(Transactions of China Electrotechnical Society), 2016, 31(8): 147-155.