技术领域
[0001] 本发明涉及光伏型配电网的重合闸和故障恢复策略的技术领域，尤其涉及一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法。
相关背景技术
[0002] 故障恢复是指在故障发生并隔离后，通过操作相应的联络开关和线路开关，改变网络拓扑结构，以最大程度地恢复非故障失电负荷的供电，降低故障后停电带来的损失。故障供电恢复是目前配电网自动化中最基本、最重要的功能之一，故障恢复能力的高低直接影响配电网的供电质量。配电网直接面向用户，完善、快速的故障恢复系统可以有效减小停电范围，缩短停电时间，提高故障处理的智能化水平。
[0003] 在分布式电源接入配电网早期，为了避免DG对配电网传统保护带来的不利影响，控制装置在馈线发生故障时主动将所有DG退出运行，使配网恢复无源辐射状网络，以使原有的保护能够正常动作。但随着配电网中DG渗透率的提高，全部切除DG不仅不能发挥DG接入在配网故障时给予的系统电压支撑的积极作用，而且有可能进一步加剧电网功率失衡，影响电网稳定运行。为最大限度地发挥DG的发电能力，IEEEE新标准不再禁止有意识的孤岛存在，而是鼓励电网运营商和用户尽可能通过技术手段实现分布式电源的计划孤岛运行。
[0004] 现有的故障恢复方法中，大多为传统的集中式控制，其依赖于主站控制。因此，一种不依赖于主站的配电网分布式控制方法近年来成为研宄的热点，每一个智能终端都具有计算和控制能力，通过终端之间的相互通信就能完成整个网络的信息交换，从而实现全网的故障恢复。
具体实施方式
[0076] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0077] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0078] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0079] 再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0080] 实施例1
[0081] 参照图1～图4，为本发明的一个实施例，提供了一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法，包括：
[0082] S1：基于分布式光伏电源相对于本地负荷的平衡能力，采用弱通信条件下分布式发电配电网中重合闸协调配合方法，求取不同位置重合装置的动作时间整定值，减小重合闸期间对配电网的冲击。应说明的是：
[0083] 如图1所示，当并网联络线发生故障时，线路两侧无延时由方向电流速断保护动作，使得断路器B3和B5跳闸，系统侧保护3建议采用“检线路无压”方式重合闸，光伏侧保护5建议采用“检线路有压母线无压”方式重合闸，保证分布式光伏电源跳离线路后恢复供电，系统侧保护3处重合闸配置的具体方案为：重合闸启动检测到线路电压，当未满足线路无压条件，说明分布式光伏电源未正确跳开，重合闸闭锁退出；否则，当满足检无压条件时，重合闸动作，若故障为瞬时性故障，重合成功。若故障为永久性故障，重合不成功，保护再次动作于跳闸，重合闸闭锁退出；系统侧保护3处重合装置的动作时间应整定为：
[0084] tAR3＝t保护5‑t保护3+tu
[0085] 其中，t保护3为光伏侧方向电流速断保护动作与断路器B5动作的时间和，t保护5为光伏侧方向电流速断保护动作与断路器B5动作的时间和，tu为故障点电弧熄灭时间、绝缘强度的恢复时间以及裕度时间之和。
[0086] 系统侧保护3处重合闸不成功，保护5不再进行重合闸动作；当保护3重合闸成功，分布式光伏侧保护5处重合闸配置的具体方案为：光伏侧检测到联络线线路有压，而光伏侧母线检测到母线无压；当满足检无压线路有压条件时，重合闸动作，若故障为瞬时性故障，重合成功；若故障为永久性故障，重合不成功，保护再次动作于跳闸，重合闸闭锁退出；当分布式光伏由于与本地负荷匹配度较高发生概率极低的孤岛运行时，光伏电侧由于检测到母线有压，重合闸不会动作；因此，该种方式可以有效避免重合闸过程中非同期重合闸后动态过程对光伏逆变器本身的损坏；光伏侧保护5处重合装置的动作时间应整定为：
[0087] tAR5＝max{(t保护3‑t保护5+tu)，t孤岛}
[0088] 其中，t孤岛为瓜岛保护最大动作时间之和。
[0089] S2：基于配网中DG和负荷容量，划分计划孤岛运行区域，避免配电网在故障恢复过程中因故障重合失败而切除DG。应说明的是：
[0090] 为了充分发挥DG在配电网发生故障时的积极作用，通过技术方式实现DG的计划孤岛运行，提高配电网供电可靠性。
[0091] 基于配网中DG和负荷容量，预先为每一个DG划分一个或多个适当的计划孤岛运行区域。
[0092] 检测每一个DG所划分的计划孤岛运行区域在故障隔离后是否仍完整，决定实施不同的重合闸方案。
[0093] 当故障发生并隔离后，如果非故障失电区域负荷因故障不与主电源相连接，但和DG之间存在相连的路径，而且配电网中的DG具有相对稳定的供电能力，那么应该考虑通过DG的计划孤岛实现故障恢复，提高配电网供电可靠性。因此，为每一个DG划分若干个适当的计划孤岛区域；具体的含DG的配电网故障恢复方案的流程图如图2所示：
[0094] 预先划分计划孤岛区域，检测故障发生区域，判断故障是否发生在DG下游侧或相邻馈线上；
[0095] 若否，则按照传统重合闸程序进行供电恢复，配电网故障恢复完成；
[0096] 若是，则判断是否存在完整孤岛区域；
[0097] 若不存在完整孤岛区域，则按照传统重合闸程序进行供电恢复，配电网故障恢复完成；
[0098] 若存在完整孤岛区域，则判断PCC处电压首次跌落是否低于50％额定电压；
[0099] 若低于50％额定电压，则主动断开相应开关，实现计划孤岛运行，闭合联络开关，恢复馈线故障，将计划孤岛运行的DG同期并网，配电网故障恢复完成；
[0100] 若不低于50％额定电压，则按照传统重合闸程序进行供电恢复，配电网故障恢复完成。
[0101] S3：将最大化恢复负荷量以及优先恢复负荷权重大的负荷作为目标函数，构建基于动态孤岛的分布式故障恢复方案的数学模型。应说明的是：
[0102] 根据一个由N个节点组成的辐射状配电网络，将节点集合表示为N＝{1,Λn}，配网支路表示为L＝{(i‑j)}，i∈N,j∈N，将含DG复杂配电网的故障恢复表示为混合整数规划问题，目标函数表达式如下：
[0103]
[0104] 其中，fpload表示考虑负荷优先级的被恢复的负荷量，wi表示与节点i处的负荷相关联的优先级权重，并且wi的较大值表示较高优先级，N表示节点集合，k表示DG形成的孤岛，K表示所有的孤岛集合，γik表示节点i和孤岛k之间的连接关系，γik＝1表示节点i可以由孤岛k供电，γik＝0表示节点i不能由孤岛k供电。
[0105] 目标函数同时满足节点集中约束、网络连通性约束、孤岛中待恢复的负荷约束、孤岛中待恢复的负荷约束、有功功率约束、节点电压约束和开关约束。
[0106] 节点集中约束中，若节点i处的负荷可由孤岛恢复供电，则该节点i只能属于K个孤岛中的一个。
[0107] 若当线路发生永久性故障时，一些节点可能无法连接到任何孤岛而存在孤立状态。
[0108] 节点集中约束表示为：
[0109]
[0110] 定义a∈{0,1}，表示节点i是否属于孤岛K，若节点i属于孤岛K，aik＝1，否则aik＝0。
[0111] 其中，当节点i和DG连接在同一母线上时，节点i属于此DG所在的孤岛。
[0112] 网络连通性约束中，若把一个辖射状配电网看作是树网络，则每个孤岛都可以设为子树网络，根节点是DG安装处的节点，由于树的连通性特征，只有当父节点(对于该孤岛)属于孤岛k时，一个节点才属于孤岛k，其可以表示为以下不等式约束：
[0113] 网络连通性约束表示为：
[0114] aik≤ajk
[0115] 其中，j表示在孤岛k中节点i的父节点。
[0116] 如果节点i的负荷能够通过孤岛k供电，则应同时满足以下两个条件：
[0117] 节点i属于孤岛k表示为aik＝1。
[0118] 与负荷相连的开关是闭合状态，使得负荷与节点i是连通的，表示为si＝1。
[0119] 这两个条件可以统一为：aik·si＝1，这是二次约束，是一个非线性问题，为了更方便计算，将其进行线性化处理，设置一个辅助变量γik∈{0，1}，并定义为γik＝aik·si，此二次非线性等式约束可以进一步转换为以下三个线性不等式约束，则孤岛中待恢复的负荷约束表示为：
[0120] γik≤aik
[0121] γik≤si
[0122] γik≥aik+si‑1
[0123] 其中，si表示为节点i的负荷开关状态，闭合为1，断开为0。
[0124] 每个孤岛的稳定运行还需要满足各节点的功率平衡等运行约束，由于无功功率一般就地进行补偿，因此在构建孤岛进行故障恢复的过程中，只对有功功率平衡约束进行考虑分析。
[0125] 令Pik表示流入孤岛k中节点i的有功功率；由于每个孤岛都是DG在根节点处的树形拓扑结构，因此每个节点仅具有一个流入功率。根据节点流入的功率等于节点流出的功率，孤岛k中每一个节点处的有功功率平衡即有功功率约束表示为：
[0126]
[0127] 其中，sik表示孤岛k中节点的子节点集，若节点i不属于孤岛k(即aik＝0)，流入孤k岛k的有功功率(即Pi)应为零，若节点i确定由孤岛A恢复供电，则其流入的有功功率应该不小于其本身的负荷功率，则可通过以下不平等约束来表示：
[0128] γik·pi≤Pik≤aik·Pimax
[0129] 其中，Pimax表示在孤岛k中DG的有功容量。
[0130] 设DG所在节点处的电压为参考值，对于孤岛k用 表示，节点i上的电压用 表示，节点电压约束表示为：
[0131]
[0132] 其中，Ri、Xi分别表示支路i‑j的电阻和电抗， 表示设置的一个松弛变量，使得当节点i不属于孤岛k但其父节点j属于孤岛k时等式约束依然有效，则松弛变量的约束表示为：
[0133]
[0134] 若节点i属于孤岛k, 反之则Vik＝0，这种情况可以用以下不等式约束表示为：
[0135]
[0136] 开关约束包括，若对于故障区域两侧的线路开关，在故障恢复过程中只能处于“跳闸”状态，即cij＝‑1；当负荷必须保证供电时，其负荷开关只能处于“合闸”状态，即si＝1。
[0137] 采用多代理系统引用平均一致算法，获取基于动态孤岛的分布式故障恢复方案的数学模型所须的配电网参数如下：
[0138] 如图4所示，为了获取求取基于动态孤岛的分布式故障恢复方案的数学模型所必须的配电网参数，运用多代理系统(MAS)，即配电网系统的每一条母线均被分配了一个母线代理(BA)，BA获取的信息包括所连母线的电压、与其相连接的电源和负荷节点的相关参数、与其连接的可控开关的状态信息、流过所控开关的电流信息与其相连的线路的相关信息等。每个代理的地位是平等的，且每个代理均具有足够的数据处理能力，具有一定自治性；MAS中每个代理都不具有独立完成控制目标的能力，单个代理若只依靠自身所获取的信息不进行信息交互，就不能够做出正确的开关动作；为了某一共同的目标，各个代理之间需要相互协调，互换信息。
[0139] 平均一致算法包括：
[0140] 配电网中流入节点的净有功功率时变信号以及线路和负荷的开关状态信号进行动态追踪，最终每个代理就跟踪的信号达成一致平均，从而获取了所有线路开关和负荷开关状态的全局信息。
[0141] 如图3所示，通过对每一个母线代理i的获取信息过程进行如下迭代：
[0142]
[0143] 其中，i＝1,Λn，n表示配电网中代理的数量， 表示代理i的本地的初始化状态量， 分别表示第k次迭代和第k+1次迭代通过代理i所获取的状态量信息，aij表示在相邻代理i和j之间信息交换的步长，若代理i和j之间相邻，则0＜aij＜1，否则aij＝0，Ri表示与代理i直接相邻的代理集合。
[0144] 设N表示配电网中代理的集合，n表示代理的数量，线路开关集合表示为L，负荷开关集合表示为S，为了获取全局信息，将每个代理设计成具有三个向量pi、ci和si，分别表示配电网中流入节点i的净有功功率(本节点电源可提供的有功功率减去负荷功率)，BAi所控线路开关状态和节点i负荷开关状态。
[0145] 向量pi长度为n，其中第m个位置对应于中的第m个节点，每个代理根据其所代表的流入本地节点的净有功功率初始化其向量pi，用 表示，且 的第m个元素可以表示为：
[0146]
[0147] 的平均值用 表示，对于所有的代理均有以下计算：
[0148]
[0149] 此时，通过平均一致性算法的迭代收敛，最终所有代理获取了n个节点有功功率的全局信息。
[0150] 同理，对于线路开关，我们定义一组{‑1，0，1}来表示不同的开关状态，其中“1”表示闭合状态，用集合Lc总表示；“‑1”表示断开状态，用集合L0表示；“0”表示正常运行状态。相同的开关状态定义同样适用于负荷开关，向量ci长度为1，第m个位置对应于第m条线路；类似地，向量si长度为n，第m个位置对应于第m个节点。每个代理根据其所代表的当地开关的初始化其向量ci和si，分别用 和 表示， 和 的第m个元素可以表示为如下：
[0151]
[0152]
[0153] 和 的平均值分别用 和 表示，对于所有代理均可有以下计算：
[0154]
[0155]
[0156] 此时，通过一致性算法的迭代收敛，最终所有代理获取了所有线路开关和负荷开关状态的全局信息。
[0157] 本实施例还提供一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复系统，包括：
[0158] 方法构建模块，用于基于分布式光伏电源相对于本地负荷的平衡能力，采用弱通信条件下分布式发电配电网中重合闸协调配合方法，求取不同位置重合装置的动作时间整定值，减小重合闸期间对配电网的冲击。
[0159] 划分模块，用于基于配网中DG和负荷容量，划分计划孤岛运行区域，避免配电网在故障恢复过程中因故障重合失败而切除DG。
[0160] 模型搭建模块，用于将最大化恢复负荷量以及优先恢复负荷权重大的负荷作为目标函数，构建基于动态孤岛的分布式故障恢复方案的数学模型。
[0161] 计算模块，采用多代理系统引用平均一致算法，获取基于动态孤岛的分布式故障恢复方案的数学模型所须的配电网参数。
[0162] 本实施例还提供一种计算设备，适用于一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法的情况，包括：
[0163] 存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法。
[0164] 该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0165] 本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法。
[0166] 本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。
[0167] 实施例2
[0168] 参照图5～图7，为本发明的另一个实施例，提供了一种考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
[0169] 本发明的考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法，与传统配电网故障恢复方法的比较，将以如下仿真案例进行说明：
[0170] 以图5为例，设图5中，母线2和母线4、母线5所连负荷容量均为2MW，DG1的额定功率均为2MW，则可以根据DG和所连母线负荷容量将DG1划分为如图5中的计划孤岛区域，用虚线框表示。
[0171] 假设在F1处发生永久性故障，并令F1处距离DG1下游100m，故障类型选择三相短路故障，且再故障恢复过程中，DG1公共耦合处的电压始终高于并网运行的穿越条件；根据传统重合闸方案，整个故障过程中DG1公共耦合处电压变化曲线如图6所示。
[0172] 故障发生在t＝0.3s左右，且DG1公共耦合处的电压第一次跌落到系统额定电压的50％以下，在约t＝1.1s时近电源侧开关K5进行故障重合闸操作，但重合于永久性故障重合闸失败，电压发生二次骤降，此时DG1公共耦合处的电压不满足并网运行的穿越条件，则DG1公共耦合处开关K7断开，使DG1退出运行。
[0173] 根据本发明所提的配电网故障恢复方案，当F2处发生永久性故障时，馈线断路器K5、K6跳闸以隔离故障，故障位置处于DG1所连母线的下游侧，DG1的计划孤岛区域1保持完整，并检测到DG1公共耦合处电压第一次降低到额定电压的50％及以下，则此种故障情况满足DG1计划孤岛运行条件。在F2处故障被隔离后，应该主动跳开开关K4，使DG1计划孤岛运行，之后，再将DG1与配电网进行同期并网运行；整个故障恢复过程中所得DG1公共耦合处电压变化曲线如图7所示。
[0174] 通过对比图6和图7可得，本发明的考虑孤岛动态划分的配电网故障恢复方法中，分布式电源DG1公共耦合处电压不再发生二次骤降，有效避免了重合闸失败对于分布式电源乃至整个配电网的冲击，有利于实现配电网的安全稳定运行。
[0175] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
