一种新能源接入下配电网故障的恢复方法、系统与设备

本发明涉及配电网控制，特别涉及一种新能源接入下配电网故障的恢复方法、系统与设备。

背景技术：

1、配电网故障后最优恢复不仅是提升供电可靠性的关键，也对提升新能源消纳具有重要意义。

2、然而，在配网重构、合闸送电后，新能源机组由脱网状态恢复至正常出力水平需经历数十秒乃至数分钟。若忽略该过渡阶段，仅根据恢复后期新能源的正常出力值进行配网重构方案决策，将可能引起恢复初期系统节点电压过低越限(尤其在接有大量分布式新能源的较长配电馈线上)，分布式新能源无法按计划恢复并网，造成系统功率严重缺额，最终导致配网供电恢复失败。

3、现有的新能源配网故障恢复控制研究根据对新能源运行特性考虑的侧重不同可分为三类：1)基于新能源额定出力的静态控制类，2)涉及新能源出力不确定性的短时控制类，3)涉及新能源出力波动性的多时段规划控制类。其中，静态控制类方法在单一时间断面上构建恢复控制模型，将分布式新能源出力视为确定值进行网络重构方案决策。该类研究的控制模型和求解算法已较为成熟，但对分布式新能源的恢复运行特性考虑甚少，应用于高比例新能源配电系统时易受新能源不确定性和出力波动影响，导致恢复初期功率严重不平衡，甚至系统失稳；短时控制类方法通过对新能源出力进行概率建模、区间建模或采用鲁棒优化等方式将新能源出力不确定性纳入配网恢复方案决策。但该类研究本质上仍关注于分布式新能源出力恢复至正常水平后的阶段，同样缺乏对系统恢复初期新能源并网动态特性的考虑；多时段规划控制类方法则针对新能源出力和负荷在长时间尺度下大范围波动影响问题，提供配网动态规划方法。通过分析各时段配网运行状态间的关联耦合，利用新能源和负荷的长-短期预测结果，建立多层优化模型实现配网的全时段最优恢复控制。但该类方法需依赖不同时段下频繁切换地开关状态实现网络动态重构，不适用于解决新能源配网恢复初期系统运行短时大范围变化下的恢复控制难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新能源接入下配电网故障的恢复方法、系统与设备，以解决现有技术中不适用于解决新能源配网恢复初期系统运行短时大范围变化下的恢复控制的问题。

2、本发明具体提供如下技术方案：一种新能源接入下配电网故障的恢复方法，包括如下步骤：

3、获取配电网的负荷与配电线路参数，并根据配电网故障后重构的操作经验生成预重构方案集；其中所述配电线路参数包括线路的电阻、电抗和电导；

4、根据所述预重构方案集、负荷与配电线路参数构建雅可比矩阵，并通过所述雅可比矩阵构建新能源接入下配电网的双时间断面潮流计算方程；

5、将预重构方案集中的各方案输入所述双时间断面潮流计算方程中，计算恢复初期-后期双时间断面下的配网潮流和节点电压；

6、通过最大化负荷恢复量和最少开关操作次数构建配电网故障恢复控制的目标函数，并以故障恢复全过程节点的电压约束、系统潮流约束、支路载荷约束和辐射型拓扑约束作为约束条件；

7、设置约束条件的惩罚因子，将所述惩罚因子与目标函数加权求和获得各方案的评价函数，并将配网潮流和节点电压输入评价函数中计算各方案的评价值；

8、对所述评价值进行排序，以评价值最小方案获得当前最优粒子，通过所述最优粒子获得新能源配电网故障重构的最优方案。

9、优选的，通过所述雅可比矩阵构建新能源接入下配电网的双时间断面潮流计算方程，包括如下步骤：

10、在配电网合闸初期，以及全部新能源出力恢复至正常水平2个时刻下，获取双时间断面潮流功率方程，具体表达式为：

11、

12、其中，p0i和p’i分别为恢复初期、后期节点i的注入有功功率；q0i和q’i分别为初期、后期节点i的注入无功功率；和分别是节点i的初期、后期电压；是节点i-j间互导纳的共轭；⊙为哈达玛积算子，对维度相同的两矩阵进行逐元素相乘；和分别为接入节点i的分布式新能源输出有功、无功功率，以注入节点为参考正方向；所述出力就是指分布式新能源输出的有功功率；

13、对牛顿拉夫逊潮流计算方程进行增广扩充，构建得到新能源接入下配电网的双时间断面潮流修正的计算方程；

14、

15、其中，h0、n0、k0、l0和h’、n’、k’、l’分别为恢复初期、后期的雅克比元素矩阵；u0和u’分别是初期、后期节点电压幅值向量；δ0、δ’分别是初期、后期节点电压相位向量。

16、优选的，所述通过最大化负荷恢复量和最少开关操作次数构建配电网故障恢复控制的目标函数，具体表达式为：

17、

18、minf2＝norm(xr-x0)

19、其中，f1是最大化加权负荷恢复量，f2是最少开关操作次数；rn为恢复供电的节点集合；pi为第i节点所接负荷功率，为该负荷重要程度系数；x0和xr分别为配网重构前、后所有开关状态的集合向量；norm(·)表示向量范数算子，用于衡量重构前后开关操作次数。

20、优选的，所述以故障恢复全过程节点的电压约束、系统潮流约束、支路载荷约束和辐射型拓扑约束作为约束条件，具体表达式为：

21、

22、gr∈g

23、其中，un为配网额定电压幅值；u0i和u’i分别为第i节点恢复初期和后期的电压幅值；nn为配网节点集合；p0i和p’i分别为初期、后期节点i的注入有功功率；q0i和q’i分别为初期、后期节点i的注入无功功率；s0l和s’l分别为初期、后期支路l上流过的视在功率值，为支路l的最大载荷量；gr为重构后的配网拓扑；g为辐射型网络拓扑集合。

24、优选的，所述设置约束条件的惩罚因子，将所述惩罚因子与目标函数加权求和获得各方案的评价函数，包括如下步骤：

25、设置惩罚因子将约束条件转化为与最优解之间的距离量，其中所述各约束条件的惩罚因子计算表达式为：

26、

27、其中，tumin和tumax分别为节点电压超过低压限值和高压限值的惩罚因子，tloop为出现环路拓扑的惩罚因子；b1、b2和b3分别为各惩罚因子的基数，取值均为100；k1和k2分别为电压惩罚因子随电压越限程度增大的变化系数，取值均为10；k3为环路惩罚因子随重构网络中环路结构数量nloop增多的增长系数，取值设为100；

28、将所述目标函数和约束条件的惩罚因子加权求和，获得评价函数，利用所述评价函数对各备选网络重构方案进行评价排序；具体表达式为：

29、fobj＝wload(1-f1/p∑)+woprtf2+tumin+tumax

30、+tloop

31、其中，pσ为配网负荷总量；wload为恢复负荷量目标权重系数，woprt为开关操作次数目标权系数。

32、优选的，所述以评价值最小方案获得当前最优粒子，还包括如下步骤：

33、对当前最优粒子进行变异操作得到变异粒子，用变异粒子替代排序中评价值高于评价阈值的粒子，更新粒子群；

34、对所述更新粒子群的过程进行迭代寻优，获得满足最佳评价阈值条件的最优粒子；

35、其中，所述对当前最优粒子进行变异操作得到变异粒子，包括如下步骤：

36、引入高斯变异算子，按照高斯概率分布模型对各次迭代的最优粒子进行变异操作；具体表达式为：

37、

38、其中，和分别为第i次迭代中群体最优粒子的第d维变量的变异前、后取值；n(μ,σ)表示服从均值为μ，标准差为σ的高斯分布的随机数；

39、其中，粒子速度和位置更新公式如下所示：

40、

41、

42、式中：和分别为第k个粒子在第i+1次和第i次迭代中的速度，其中下角标k表示粒子编号，k＝1,2,…,ns，ns为种群粒子总数；为第k个粒子在第i次迭代中的位置，为第k个粒子在第i次迭代时的个体最优位置，为粒子群整体在第i次迭代时的群体最优位置；w为惯性权重系数，取值为0.8；c1和c2分别是个体和全局学习因子，取值为2；rand1、rand2和rand3为取值区间在[0,1]之间的随机数，取值；和分别为第i个粒子在第k次迭代时，第d维变量的位置和速度分量。

43、优选的，所述配电网故障后重构的操作经验包括：需闭合常开联络开关对故障点下游失电负荷进行转供和断开某个常闭区段以避免重构网络成环。

44、优选的，所述根据配电网故障后重构的操作经验生成预重构方案集，包括如下步骤：

45、根据各初始粒子通过对配网故障隔离后，原拓扑x0逐一改变，包括联络开关在内的各开关状态生成；具体表达式为：

46、

47、其中，x0i为故障隔离后网络内第i个开关的状态，i＝1,2,…nb，nb为开关总数，仅隔离后的故障区段和联络开关的对应位为0，其余线路开关均为1，r(·)为翻转算子，进行对应开关变量的0/1互换，粒子群规模ns不大于开关数量nb，且优先生成联络开关状态切换的粒子；所述粒子由所有开关状态组成表征配网重构获得。

48、本发明提供一种新能源接入下配电网故障的恢复系统，包括：

49、数据获取模块，用于获取配电网的负荷与配电线路参数，并根据配电网故障后重构的操作经验生成预重构方案集；其中所述配电线路参数包括线路的电阻、电抗和电导；

50、方程构建模块，用于根据所述预重构方案集、负荷与配电线路参数构建雅可比矩阵，并通过所述雅可比矩阵构建新能源接入下配电网的双时间断面潮流计算方程；

51、计算模块，用于将预重构方案集中的各方案输入所述双时间断面潮流计算方程中，计算恢复初期-后期双时间断面下的配网潮流和节点电压；

52、目标函数获取模块，用于通过最大化负荷恢复量和最少开关操作次数构建配电网故障恢复控制的目标函数，并以故障恢复全过程节点的电压约束、系统潮流约束、支路载荷约束和辐射型拓扑约束作为约束条件；

53、评价模块，用于设置约束条件的惩罚因子，将所述惩罚因子与目标函数加权求和获得各方案的评价函数，并将配网潮流和节点电压输入评价函数中计算各方案的评价值；

54、方案获取模块，用于对所述评价值进行排序，以评价值最小方案获得当前最优粒子，通过所述最优粒子获得新能源配电网故障重构的最优方案。

55、本发明提供一种设备，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有程序，所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述一种新能源接入下配电网故障的恢复方法的步骤。

56、与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

57、本发明提出了利用双时间断面潮流计算方程对各方案计算恢复初期-后期双时间断面下的配网潮流和节点电压，以最大化负荷恢复量和最少开关操作次数构建配电网故障恢复控制的目标函数，并设置相应约束条件，在实现恢复负荷最大化等控制目标的同时，可确保所选重构方案在供电恢复全过程满足配网电压安全约束，避免分布式新能源无法并网、功率缺额导致的供电恢复失败。同时根据配电网故障后重构的操作经验生成预重构方案集，以及将配网潮流和节点电压输入评价函数中计算各方案的评价值，通过评价值获得最优粒子，实现预初始化和优化操作，可在数十秒内完成最优配网重构方案决策，算法的收敛速度和全局寻优能力有效提升。