[0001] 本发明属于配电网恢复领域，具体的，涉及一种计及孤岛融合与应急资源两阶段配电网故障恢复方法和系统。

[0002] 近年来，自然灾害、网络攻击等极端事件对配电系统的威胁日益严重，迫切需要在配电网发生大面积停电事故后制定有效的恢复策略。对于主网因故障不可用的情况，可利用高比例的分布式电源(distribution generator，DG)和移动式应急资源(一般包含配电网故障修复人员和应急电源车)等本地资源协调恢复配电网关键负荷。现有的研究方法一种是将配电网隔离故障后划分为多个自给自足的孤岛，每个孤岛包含一个DG或者一辆应急[1‑2]电源车 ，在多孤岛模式下，各孤岛内部电源受限于有限空间范围，仅能支撑本孤岛内负荷恢复，无法有效发挥在空间和时间维度的协调供电能力；一种是将整个系统划分为一个[3]
大孤岛 ，这种恢复方法下系统网损较高且恢复策略不够灵活。且配电网中存在因故障而无法利用本地DG供电的故障区域，需要考虑引入应急电源车(mobile power source，MPS)[4]
来快速支援故障区域重要负荷 ，以及调度配电网故障修复人员((repair crew，RC)抢修[5]
故障点并对配电网进行重构 。

[0003] 总体来说，综合协同分布式电源和移动式应急资源等本地资源的配电网故障恢复方法仍缺乏深入的讨论。

[0004] 引用文献：

[0005] [1]张磐,唐萍,丁一,姜惠兰,陈娟.考虑分布式发电波动性的有源配电网故障恢复策略[J].电力系统及其自动化学报,2018,30(01):115‑120；

[0006] [2]A.Sharma,D.Srinivasan and A.Trivedi,"A decentralized multi‑agent approach for service restoration in uncertain environment,"IEEE Trans.Smart 
Grid,vol.9,no.4,pp.3394‑3405,Jul.2018.；

[0007] [3]许寅,王颖,和敬涵,李晨.多源协同的配电网多时段负荷恢复优化决策方法[J].电力系统自动化,2020,44(02):123‑133；

[0008] [4]杨丽君,赵宇,赵优等.考虑交通路网应急电源车调度的有源配电网故障均衡恢复[J].电力系统自动化,2021,45(21):170‑180；

[0009] [5]T.Ding,Z.Wang and W.Jia,et al.,"Multiperiod Distribution System Restoration With Routing Repair Crews,Mobile Electric Vehicles,and Soft‑Open‑Point Networked Microgrids,"IEEE Trans.Smart Grid,vol.11,no.6,pp.4795‑4808,
Nov.2020。

[0067] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0068] 本发明根据配电网闭环设计、开环运行的实际结构，综合考虑符合配电网运行特征的辐射形拓扑约束、适用于辐射状网络的DistFlow潮流约束，以及常规的电源容量约束、系统频率约束、安全约束等，将整个恢复过程分为两个阶段，分别为孤岛融合阶段和移动应急资源调度阶段，主要包含:大停电后，主网不可用，基于多孤岛的恢复模式，判断不同孤岛是否满足孤岛融合条件，并选取最优孤岛融合方案利用联络线建立多个孤岛的沟通桥梁；同时，紧急调度MPS支援故障区域重要负荷，分派RC修复故障点，并在故障点修复后将故障区域重构接入孤岛融合恢复区域。当未参与融合的孤岛自身DG发电资源不足时，可重构接入孤岛融合区域，为保证故障重构后的功率平衡，考虑削减可控负荷。

[0069] 图1是根据本发明的一个实施例所示的计及孤岛融合与应急资源两阶段配电网故障恢复方法。如图1所示，该方法包括：

[0070] 步骤1：获取配电网及分布式电源数据，并基于故障信息将配电网划分成多个孤岛；

[0071] 步骤2：利用两阶段恢复方式进行故障恢复，所述两阶段恢复包括孤岛融合阶段和移动式应急资源调度阶段，其中，

[0072] 在孤岛融合阶段，利用源‑荷孤岛融合指标以及孤岛融合约束条件确定最优孤岛融合方案，并利用孤岛融合区域内的分布式电源对孤岛融合区域内的负荷恢复供电，得到孤岛融合恢复区域；

[0073] 在移动式应急资源调度阶段，发送信号紧急调度应急电源车以支援故障区域重要负荷并且发送信号以分派修复人员修复故障点；

[0074] 步骤3：在故障点得到修复之后，将故障区域重构接入孤岛融合恢复区域以恢复对故障区域的供电。

[0075] 进一步地，如图2所示，该方法还包括：

[0076] 步骤4：判断是否存在分布式电源因容量不足发生宕机，如果存在，执行步骤5，如果不存在，执行步骤9；

[0077] 步骤5：判断所述分布式电源是否属于孤岛融合区域，如果属于，则执行步骤8，如果不属于，执行步骤6；

[0078] 步骤6：对供电区域进行网架重构，并执行步骤7；

[0079] 步骤7：进行可控负荷消减，并执行步骤8；

[0080] 步骤8：判断剩余电源是否满足已恢复负荷的需求，如果不满足，返回步骤7；如果满足，执行步骤9；

[0081] 步骤9：应急电源车辅助多源协同恢复负荷并维持长时间运行。

[0082] 本发明中的故障恢复模型的优化目标可以分为3个部分，其中第1部分为最小化加权失电负荷量，也是目标函数中最重要的部分。其次，在网络重构和孤岛融合时，配电网拓扑结构发生变化，为保证恢复过程中能量的不必要损耗和电源出力平稳，第2部分和第3部分分别为最小化网络损耗和最小化电源出力变化。

[0083] 在一些实施例中，两阶段恢复方式进行故障恢复的目标函数为：

[0084]

[0085] 其中，w表示第一部分目标函数的权重；γi,k表示在孤岛k内节点i上负荷的权重系数；Pi,k表示表示在孤岛k内节点i上负荷的有功功率；t表示负荷恢复时段；T为所有恢复阶段的集合；Δt表示恢复过程中各阶段所用时长； 表示在t时段，在孤岛k内电源j出力变化的绝对值； 为0‑1整数变量，表示负荷i在t时段的供电状态， 代表节点i的负荷正常供电， 代表节点i的负荷尚未恢复； 表示t时段整个系统的网络损耗；L为节点
集合；G,C和B分别为分布式同步发电机、储能装置和应急电源车的集合。

[0086] 在孤岛融合阶段，源‑荷孤岛融合指标可以用以解决各孤岛之间电源容量不均衡问题，用公式可以表示为：

[0087]

[0088] 其中，Pi,k表示在融合区域的孤岛k内节点i的负荷的有功功率；Ej,k表示在融合区域的孤岛k内电源j的容量；L为节点集合；G和C分别表示分布式同步发电机和储能装置集合，源‑荷孤岛融合指标s越小，说明孤岛融合效果越好。

[0089] 在孤岛融合阶段，孤岛融合约束条件可以包括孤岛间联络线两端节点电压约束以及参与融合的孤岛内部运行频率约束，用公式表示为：

[0090]

[0091]

[0092] 其中， 与 为联络线(i,i')两端节点电压的在t时段的电压幅值的平方；α为电压系数；fk为孤岛k的运行频率；fn为孤岛n的运行频率；ΔU和Δf分别表示符合孤岛融合条件的最大电压偏差与最大频率偏差，E1为联络线集合，K为孤岛集合。

[0093] 在移动式应急资源调度阶段，针对配电系统中的部分故障区域难以利用本地分布式电源恢复供电的问题，本发明考虑调度应急电源车紧急供应故障区域的重要负荷并且分派配电网故障抢修人员修复故障点。

[0094] 假设移动式应急资源在交通网中匀速运输，采用广度优先搜索算法求解调度点到目的地点的最短路径，选取最短路径作为调度路径，求解得到移动式应急资源在交通网中的运输时间。

[0095] 配电网抢修人员抵达故障点时间为：

[0096]

[0097] 其中，Tr,m和Tr,n分别表示配电网抢修班组r到达故障点m和故障点n处的时刻；Tr,n‑m表示调度配电网抢修班组r从故障点n前往故障点m所需的交通时间； 表示配电网抢修班组r修复故障点n所用时间；R表示配电网抢修班组集合；X表示配电网故障点集合。

[0098] 移动式应急电源车接入配电网时间为：

[0099]

[0100] 式中：Tb,x和Tb,y分别表示应急电源车b到达可接入节点x和可接入节点y处的时刻；Tb,y‑x表示调度应急电源车b从可接入节点y前往可接入节点x所需的交通时间； 表示应急电源车b接入节点y的供电时间；M为可接入节点集合。

[0101] 对于故障区域，其可以由应急电源车直接接入网点对负荷进行供电，也可以在故障点修复后通过控制开关与其他孤岛恢复区域相连恢复负荷。因此，故障区域负荷恢复时间可以有两种表现形式：

[0102]

[0103] 式中：Tzrec表示故障区域z负荷恢复时间；b→z表示应急电源车b接入故障区域z内的可接入节点，r→z表示配电网抢修班组r前往修复与故障区域z相关联的故障点；Z表示故障区域集合。

[0104] 假设每个故障点仅由一个配电网抢修班组进行修复，且修复后不会再发生故障。本发明主要考虑恢复故障区域负荷与孤岛恢复区域的沟通，不以修复全部故障点为目的。
则故障点状态约束如下：

[0105]

[0106] 式中：xm,t为0‑1变量，表示故障点m在t时刻的状态，xm,t＝1，认为故障点已被修复，xi,t＝0，认为故障点尚未被修复。

[0107] 当某个故障区域与多个孤岛存在故障点时，需考虑故障点的优先修复顺序。按照故障点优先修复的决策指标进行故障点修复，其中，故障点优先修复的决策指标为：

[0108]

[0109]

[0110] 其中，θk,z表示故障区域z与孤岛k连接的决策指标，该指标越小则重构效果越好；xz,k和xz,o分别表示修复故障区域z与孤岛k或孤岛o之间的故障点；xt+1表示在t+1时段优先选择修复的故障点；Pi,k表示孤岛k内节点i的负荷的有功功率； 为0‑1整数变量，表示负荷i在t时段的供电状态， 代表节点i的负荷正常供电， 代表节点i的负荷尚未
恢复； 表示通过故障点m与孤岛k相连的故障区域z内部的待恢复负荷的有功功率；
表示在t时刻，孤岛k分布式电源或应急电源车的剩余发电容量；X表示故障点的集合；K表示孤岛的集合；Lk为孤岛k内的负荷集合；G,C和B分别为分布式同步发电机、储能装置和应急电源车的集合。

[0111] 由于未参与孤岛融合的孤岛恢复区域内部发电资源有限，当自身分布式电源因容量不足而宕机时，为维持该区域重要负荷正常用电，则步骤6包括：利用联络线将未融合孤岛与孤岛融合区域重构，其约束条件为：

[0112]

[0113] 其中，sii'表示未融合孤岛与孤岛融合区域之间联络线(i,i')的开关状态，sii'＝0代表断开联络线，sii'＝1代表闭合联络线； 和 分别表示未融合孤岛 内节点g处的分布式电源的待支撑负荷和最小电源出力；K表示孤岛的集合；E1为联络线集合；G和C分别为分布式同步发电机和储能装置的集合。

[0114] 为了保证网络重构时的功率平衡以及保障重要负荷供电，可考虑削减可控负荷。在步骤7中可控负荷消减约束为：

[0115]

[0116] 其中，Pacur,t和 分别表示可控负荷a在t时段的有功功率和无功功率，LC为可控cur负荷节点集合；Pa 和 分别表示可控负荷a的有功功率和无功功率。

[0117] 需要说明的是，以上对于约束的列举只是示例性的，对于整个配电网故障恢复阶段，均需满足相应的辐射状拓扑约束、潮流约束及安全约束等条件。在约束条件的限值下，对于目标函数求解过程中，本发明通过松弛潮流中的非线性约束将本模型转换成为混合整数二阶锥规划模型并利用商业求解器求解。

[0118] 本发明通过在第一阶段(即孤岛融合阶段)构建不同类型分布式电源的沟通桥梁，可以实现多源协同恢复，从而快速恢复负荷，延长负荷供电时间。

[0119] 本发明通过在第二阶段(即移动式应急资源调度阶段)，利用移动式应急资源的灵活调度特性，恢复故障点隔离的失电负荷，可以提高重要负荷的恢复率。

[0120] 本发明还提供了提供一种计及孤岛融合与应急资源两阶段配电网故障恢复系统，包括：

[0121] 孤岛划分模块，用于获取配电网及分布式电源数据，并基于故障信息将配电网划分成多个孤岛；

[0122] 故障恢复模块，用于利用两阶段恢复方式进行故障恢复，所述两阶段恢复包括孤岛融合阶段和移动式应急资源调度阶段，其中，故障恢复模块执行如下操作：

[0123] 在孤岛融合阶段，利用源‑荷孤岛融合指标以及孤岛融合约束条件确定最优孤岛融合方案，并利用孤岛融合区域内的分布式电源对孤岛融合区域内的负荷恢复供电，得到孤岛融合恢复区域；

[0124] 在移动式应急资源调度阶段，发送信号紧急调度应急电源车以支援故障区域重要负荷并且发送信号以分派修复人员修复故障点；

[0125] 在故障点得到修复之后，将故障区域重构接入孤岛融合恢复区域以恢复对故障区域的供电。

[0126] 进一步地，所述故障恢复模块还执行如下步骤：

[0127] 步骤4：判断是否存在分布式电源因容量不足发生宕机，如果存在，执行步骤5，如果不存在，执行步骤9；

[0128] 步骤5：判断所述分布式电源是否属于孤岛融合区域，如果属于，则执行步骤8，如果不属于，执行步骤6；

[0129] 步骤6：对供电区域进行网架重构，并执行步骤7；

[0130] 步骤7：进行可控负荷消减，并执行步骤8；

[0131] 步骤8：判断剩余电源是否满足已恢复负荷的需求，如果不满足，返回步骤7；如果满足，执行步骤9；

[0132] 步骤9：应急电源车辅助多源协同恢复负荷并维持长时间运行。

[0133] 为了验证本发明恢复方法的有效性，采用PG&E69节点配电网算例并进行适当修改，假设配电网发生大停电事故后，失去主网的电能供应，只能通过本地分布式电源恢复配电网内的失电负荷。根据本地分布式电源和故障点，将整个配电网划分为4个独立的孤岛恢复供电，其余失电负荷视为由故障点隔离形成的故障区域，具体划分形式如附图3所示。系统中，DG1与DG4为燃气轮机，DG2与DG3为柴油发电机，储能装置ES1、ES2与ES3为蓄电池。节点6、9、12、18、35、37、42、51、57、62为一级负荷；节点7、10、11、13、16、22、28、43、45、46、47、
48、59、60、63为二级负荷；其余为三级负荷。

[0134] 根据源‑荷孤岛融合指标，选取融合孤岛1、孤岛2和孤岛3作为最优的孤岛融合方案，并在此基础上调度移动式应急资源参与故障区域恢复，提高重要负荷恢复率，并延长已恢复负荷的供电时间。为充分体现本文提出的故障恢复方法的优势，分别从移动式应急资源调度、网架重构、孤岛融合等方面增加四个对比方案。

[0135] 方案1：不考虑移动式应急资源调度，仅考虑在最优的孤岛融合范围内协同多个分布式电源恢复供电；

[0136] 方案2：在方案1的基础上，考虑引入RC修复配电网故障点，优化配电网故障点的修复顺序，将故障区域内负荷接入孤岛进行恢复；

[0137] 方案3：在方案2的基础上，考虑引入MPS支援含有重要负荷的故障区域，优化故障点修复顺序及应急电源车调度顺序；

[0138] 方案4：不考虑孤岛融合，仅在利用分布式电源恢复各孤岛内负荷的同时，调度移动式应急资源辅助恢复故障区域负荷。

[0139] 根据实验结果可以看到，本发明的效果和优点体现为以下几点：

[0140] 引入移动式应急资源辅助故障区域负荷恢复可以有效提高一般负荷及重要负荷的恢复率，其具体对比结果可以参考图4和图5；

[0141] 通过在RC修复故障点后将故障区域重构接入孤岛融合恢复区域，以及对未融合孤岛DG发电资源不足宕机后重构接入孤岛融合区域，可以维持更多重要负荷长时间正常供电，整体恢复效果更优，如图4、图5所示；

[0142] 基于多孤岛模式，进行孤岛融合可以更好发挥多源协同供电优势，深化不同孤岛间电源互动，提高发电资源利用率，经济效益更好，如表1所示。

[0143] 表1负荷恢复情况

[0144]

[0145] 最后说明的是，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。