基于二进制粒子群算法的配电网故障恢复方法

本发明涉及配电网故障恢复，具体涉及一种基于二进制粒子群算法的配电网故障恢复方法。

背景技术：

1、配电网故障恢复指配电网故障发生后，通过确定最优的开关组合方案，实现恢复失电负荷最多、开关操作次数最少、网损最小等目标，同时满足恢复后配电网连通性、辐射状、馈线不过载等。随着直流负荷的应用越来越广泛，交直流混合配电网开始受到人们的重视，通过交直流混合的主动配电网，可以实现广域潮流范围内的能量调度，这将是未来主动配电网的重要实现形式之一。

2、目前已有较多文献对配电网故障恢复问题进行了研究。例如现有文献中建立了基于等级偏好优序法和切负荷的配电网故障恢复模型。还有文献报道了考虑含光伏发电并网的配电网故障恢复模型，并且计及了光伏出力的不确定性，所建立的模型能够较好地应对这种情况。另外还有文献提出了配电网故障恢复的区间数灰色关联决策方法。更多的文献则是寻求更高效的求解算法，配电网故障恢复是一个多目标、多约束的非线性优化问题，最终得到的解是一系列开关状态组合。例如传统的配电网故障恢复求解方法主要有启发式搜索方法和遗传算法、禁忌搜索算法、蚁群算法、多代理理论等智能优化方法。

3、然而以上文献所建立的模型针对的都是传统交流配电网，目前还基本上没有文献针对交直流混合配电网建立其故障恢复模型。交直流混合配电网作为未来智能配电网的一种重要形式，其故障恢复问题也是一门重要课题。模型中需要考虑的目标函数和约束条件都会有不同的形式。故障恢复模型的目标函数一般考虑有失电负荷量、网损功率以及开关操作次数，交直流混合配电网故障恢复模型中网损的计算需要计及换流站支路的损耗，另外直流支路的网损计算方式也不同；交流配电网一般通过改变支路开关和联络线开关的状态进行故障恢复，而交直流混合配电网还能通过改变换流站的状态进行故障恢复。在约束条件的建立中，系统潮流约束需要计及直流网络，而这也导致还需要额外计及直流网络的节点电压约束以及换流站支路的支路传输约束等。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种基于二进制粒子群算法的配电网故障恢复方法。本发明针对交直流混合配电网构建其故障恢复模型。该模型考虑了交直流混合配电网相比于传统交流配电网在故障恢复方法中所需计及的不同形式目标函数和约束条件。针对模型在求解上高维度、多变量、离散空间等难题，采用二进制粒子群算法对模型设计两阶段求解流程。最后通过算例验证了本发明方法的有效性，能够适用于交直流混合配电网故障恢复问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于二进制粒子群算法的配电网故障恢复方法，该方法包括：

3、(1)构建交直流混合配电网故障恢复模型；

4、(2)在交直流混合配电网故障恢复模型的求解中，控制变量包括各类支路开关的状态和节点供电负荷，分两个阶段进行求解，第一阶段优化各类开关状态变量，第二阶段在第一阶段的基础上优化供电负荷量，同时进行潮流计算，向第一阶段反馈供电负荷量、网损功率以及开关变化次数；

5、(3)采用交直流混合配电网系统对故障恢复模型进行验证；

6、(4)采用所述交直流混合配电网故障恢复模型进行故障恢复。

7、优选地，在步骤(1)中，所述交直流混合配电网以交流部分为主体，交流网络与外网通过公共耦合点连接，整个系统以交直流断面区为分界线，分为交流网络和直流网络，其中，交直流断面区为由换流站组成的换流支路，交流负荷并网接入交流网络中，同时直流负荷并网接入直流网络中。

8、优选地，在步骤(1)中，所述交直流混合配电网故障恢复模型的目标函数采用故障恢复综合满意度指标，该指标受到多方面因素的影响，包括故障恢复后的系统供电负荷大小、开关操作次数、网损功率，该多目标函数的子目标一为最大化恢复后的供电负荷，如下式所示：

9、

10、其中，n为配电网的负荷节点数；uj表示恢复后的配电网是否对第j个负荷节点进行供电，uj＝1时表示进行供电，uj＝0时表示不进行供电；cj表示第j个负荷节点的重要程度权重；pj表示第j个负荷节点的负荷水平；

11、子目标二为最小化交流开关和换流站支路直流断路器操作次数，如下式所示：

12、

13、其中，m为配电网中交流开关数量；n为配电网中直流开关数量；ki和gi分别表示第i个交流开关在故障恢复前和故障恢复后的状态，当ki＝1、gi＝1时表示开关闭合，当ki＝0、gi＝0时表示开关断开；kj和gj分别表示第j个交流开关在故障恢复前和故障恢复后的状态，当kj＝1、gj＝1时表示开关闭合，当kj＝0、gj＝0时表示开关断开；

14、子目标三为最小化恢复后的配电网网损功率，如下式所示：

15、

16、优选地，在步骤(1)中，采用广度优先搜索法对给定的一个交直流混合配电网交流部分进行辐射状拓扑判断，具体步骤如下：

17、(1)从配电网中某个节点n0出发，访问并记录；

18、(2)依次访问与节点n0相邻的各个未被访问的节点，并将被访问的节点进行记录；

19、(3)分别从这些邻接节点出发，依次访问与这些节点相邻的未被访问的节点，直到所有的网络节点都被访问过为止；

20、(4)如果还存在没有被访问过的节点，则说明故障恢复后的网络存在孤岛，那么在孤岛内进行着(1)、(2)、(3)所示同样的访问进程。

21、优选地，在步骤(2)中，第一阶段优化采用二进制粒子群算法，二进制粒子群算法的速度更新公式如下式：

22、

23、优选地，在步骤(2)中，在二进制粒子群算法中，粒子位置中每一维变量均为二进制变量，而速度变量并不是表示粒子在该维上的运动速率，而是影响粒子位置在该维度上在下一代取为0和1的概率大小，粒子位置更新公式如下式：

24、

25、优选地，在步骤(2)中，采用二进制粒子群算法对交直流混合配电网故障恢复模型设计第一阶段求解流程如下：

26、(1)输入交直流混合配电网的故障预期消除时间范围、系统网架结构、故障点位置、节点负荷水平和支路阻抗等数据；

27、(2)初始化二进制粒子群算法的种群，输入二进制粒子群种群规模、最大迭代次数、学习因子和惯性权重；

28、(3)采用恢复后辐射状约束中的广度优先搜索算法检测初始种群是否满足交直流混合配电网辐射状结构，剔除不满足条件的个体；

29、(4)调用第二阶段优化模型，得到系统网损功率和供电负荷水平，同时计算开关状态变化次数；根据以上结果计算第一阶段优化模型的目标函数，进而得到每个粒子的适应度函数；

30、(5)更新二进制粒子的速度和位置，并更新全局最优粒子和每个粒子最优；

31、(6)判断全局最优解是否收敛，如果收敛则输出最优粒子对应的故障恢复方案，算法结束，否则返回步骤(3)。

32、优选地，在步骤(2)中，采用粒子群算法对交直流混合配电网故障恢复模型设计第二阶段求解流程如下：

33、(1)输入故障恢复后的系统网架结构、节点负荷水平和支路阻抗等数据；

34、(2)初始化粒子群算法的种群，输入粒子群种群规模，最大迭代次数、学习因子和惯性权重；

35、(3)对交直流混合系统进行潮流计算，得到系统网损功率和供电负荷水平，并据此计算每个粒子的适应度函数；

36、(4)更新粒子的速度和位置，并更新全局最优粒子和每个粒子最优；

37、(5)判断全局最优解是否收敛，如果收敛则向第一阶段优化反馈供电负荷和功率损耗，算法结束，否则返回步骤(3)。

38、通过上述技术方案，交直流混合配电网在故障恢复方面的特殊之处在于需要全面计及交直流混合配电网特殊的电气运行特性导致的模型中各项目标函数和约束条件形式的不同，也对模型求解方法有着更高的要求。本发明针对交直流混合配电网故障恢复问题，建立其故障恢复模型。所提出的模型更适用于交直流混合配电网故障恢复问题。本发明设计的两阶段求解方法能够有效降低求解难度、提高求解效率，更适用于交直流混合配电网故障恢复模型的求解。通过仿真算例表明，故障位置的不同对故障恢复策略有着较大影响。故障支路距离公共连接点越近，故障就越严重，这将导致故障恢复策略中开关操作次数更多，失电负荷越多，故障恢复综合满意度指标越低。