基于有向圖的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤島劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域，設(shè)及一種基于有向圖的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤 島劃分方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)現(xiàn)可控孤島劃分是提高供電可靠性，避免電網(wǎng)全面崩潰的重要措施。對(duì)配電網(wǎng) 而言，當(dāng)因故障原因與上級(jí)電網(wǎng)脫離時(shí)，配電區(qū)域?qū)⒚媾R失電的風(fēng)險(xiǎn)。分布式發(fā)電（光伏發(fā) 電、風(fēng)電）由于直接與配電網(wǎng)聯(lián)接，當(dāng)與上級(jí)電網(wǎng)解列后，通過孤島方式可實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷的 恢復(fù)供電，為故障檢修預(yù)留充足的時(shí)間，能有效解決故障時(shí)所造成的負(fù)荷損失問題。
[0003] 目前的孤島劃分方法主要是W負(fù)荷恢復(fù)總量最大化為目標(biāo)，兼顧重要負(fù)荷恢復(fù)量 等因素；所采用的劃分方法W描述孤島內(nèi)功率平衡、孤島運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主體，因目標(biāo) 函數(shù)和約束條件的不同而存在一定差異；求解模型的方法W啟發(fā)式捜索算法和智能算法為 主。所采用的啟發(fā)式方法由于其線性、開環(huán)的求解流程而無法得到全局最優(yōu)解，而智能算法 由于其求解過程的隨機(jī)性和不確定性而導(dǎo)致結(jié)果的不確定性。
[0004] 現(xiàn)有的配電網(wǎng)孤島劃分方法并沒有充分考慮到分布式電源具有出力不穩(wěn)定的特 性，忽視了配電網(wǎng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)影響孤島劃分的重要因素，如負(fù)荷 重要等級(jí)、負(fù)荷可控性等關(guān)注不夠，導(dǎo)致劃分的孤島方案在工程上缺少可操作性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于有向圖的含分布式發(fā)電配 電網(wǎng)孤島劃分方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的；一種基于有向圖的含分布式發(fā)電配 電網(wǎng)孤島劃分方法，包括W下步驟：
[0007] (1)建立基于節(jié)點(diǎn)-支路的配電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型：實(shí)際的配電系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配電 網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大，為簡(jiǎn)化孤島問題描述與計(jì)算量，需要對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本發(fā)明 把母線看成節(jié)點(diǎn)，母線間的變壓器、線路等連接設(shè)備看成支路，具體簡(jiǎn)化原則如下：
[000引 a.母線節(jié)點(diǎn)；把配電網(wǎng)中的開關(guān)站母線、變電站lOkV母線均簡(jiǎn)化為母線節(jié)點(diǎn)；母 線節(jié)點(diǎn)分為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與發(fā)電節(jié)點(diǎn)；
[0009] b.支路；把電纜支路、架空線路當(dāng)成支路，任一條支路均可W斷開與閉合，支路分 為聯(lián)絡(luò)支路與非聯(lián)絡(luò)支路，聯(lián)絡(luò)支路指具備聯(lián)絡(luò)開關(guān)職能的支路。
[0010] (2)增加虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬需求，構(gòu)建基于有根樹的配電網(wǎng)模型，具體包括W下子步 驟：
[0011] (2. 1)對(duì)配電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行遍歷，把母線節(jié)點(diǎn)視為分支節(jié)點(diǎn)或葉子節(jié)點(diǎn)，支路視 為連接節(jié)點(diǎn)的邊；接入DG的母線節(jié)點(diǎn)作為DG節(jié)點(diǎn)，僅攜帶負(fù)荷的母線節(jié)點(diǎn)作為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)， 將配電網(wǎng)描述成W母線為節(jié)點(diǎn)，供電線路為邊的樹T(V，E)，其中V= {vl，…，vn}為節(jié)點(diǎn)集 合，E為邊的集合；
[001引 （2.。增加虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬需求，對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)建立虛擬需求，增加對(duì)每條支路的 方向性描述及開合狀態(tài)的描述，形成基于有根樹的配電網(wǎng)模型r(V+Vu，EUE'，Sd，St)，其 中E'為虛擬支路集合，Sd為支路正向邊狀態(tài)集合，St為支路反向邊狀態(tài)集合。
[0013] 所述的虛擬節(jié)點(diǎn)具有W下特征：
[0014]a.該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)虛擬的獨(dú)立于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)，僅通過可開斷的虛擬支路與 配電網(wǎng)中各個(gè)DG節(jié)點(diǎn)相連；所述的虛擬支路是指虛擬的獨(dú)立于配電網(wǎng)之外的支路，僅與DG 節(jié)點(diǎn)和虛擬節(jié)點(diǎn)相連；
[0015] b.虛擬節(jié)點(diǎn)不消耗、發(fā)出或轉(zhuǎn)送功率，即與DG節(jié)點(diǎn)相連的虛擬支路不傳輸功率；
[0016] 節(jié)點(diǎn)的虛擬需求具有W下特征：
[0017]a.配電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，孤島范圍內(nèi)的每個(gè)帶電節(jié)點(diǎn)，包括DG節(jié)點(diǎn)，都具有1個(gè)單位 的虛擬需求；
[001引b.僅由虛擬節(jié)點(diǎn)提供虛擬供給；
[0019] C.虛擬需求的傳輸路徑由供電支路和虛擬支路組成；
[0020] 虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬需求的引入只是增加了帶電節(jié)點(diǎn)虛擬的需求屬性，而虛擬支路只 傳輸虛擬需求，并未改變系統(tǒng)樹形運(yùn)行結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)。
[0021] 為了描述考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)可操作時(shí)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行或孤島運(yùn)行情況下福射狀的 運(yùn)行結(jié)構(gòu)，引入有向圖的相關(guān)概念。有向圖具有入度（in-degree)和出度（out-degree)兩 個(gè)屬性，分別用Ain(Vi)、A°ut(Vi)表示。有根樹（rootedtree)作為有向圖的特例，能夠描 述配電網(wǎng)的開環(huán)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，但當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)投入使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)入度不滿足有根樹性質(zhì) 的情況，該時(shí)便可能需要斷開其它支路來保證福射狀運(yùn)行結(jié)構(gòu)。由于有根樹難W描述支路 方向和支路狀態(tài)的變化，可W在有向圖概念的基礎(chǔ)上，增加對(duì)每條支路的方向性描述及開 合狀態(tài)的描述。
[0022] (3)對(duì)負(fù)荷、出力和限額進(jìn)行設(shè)置，建立配電網(wǎng)電氣約束：電氣約束是配電網(wǎng)孤島 運(yùn)行所必須的條件，電氣約束至少包括電力平衡約束及線路傳輸限額約束；電力平衡要滿 足潮流約束、出力約束、負(fù)荷可控性約束=個(gè)條件，數(shù)學(xué)表達(dá)如下：
[0023] (3. 1)潮流約束
[0024]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于有向圖的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤島劃分方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 建立基于節(jié)點(diǎn)-支路的配電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型：把母線看成節(jié)點(diǎn)，母線間的連接設(shè)備看成 支路，所述連接設(shè)備包括變壓器、線路等，具體簡(jiǎn)化原則如下： a.母線節(jié)點(diǎn)：把配電網(wǎng)中的開關(guān)站母線、變電站10kV母線均簡(jiǎn)化為母線節(jié)點(diǎn)；母線節(jié) 點(diǎn)分為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與發(fā)電節(jié)點(diǎn)； b. 支路：把電纜支路、架空線路當(dāng)成支路，任一條支路均可以斷開與閉合，支路分為聯(lián) 絡(luò)支路與非聯(lián)絡(luò)支路，所述聯(lián)絡(luò)支路指具備聯(lián)絡(luò)開關(guān)職能的支路； (2) 增加虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬需求，構(gòu)建基于有根樹的配電網(wǎng)模型，具體包括以下子步驟： (2. 1)對(duì)配電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行遍歷，把母線節(jié)點(diǎn)視為分支節(jié)點(diǎn)或葉子節(jié)點(diǎn)，支路視為連 接節(jié)點(diǎn)的邊；接入DG的母線節(jié)點(diǎn)作為DG節(jié)點(diǎn)，僅攜帶負(fù)荷的母線節(jié)點(diǎn)作為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，將配 電網(wǎng)描述成以母線為節(jié)點(diǎn)，供電線路為邊的樹T(V，E)，其中V= {vl,…，vn}為節(jié)點(diǎn)集合， E為邊的集合； (2. 2)增加虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬需求，對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)建立虛擬需求，增加對(duì)每條支路的方向 性描述及開合狀態(tài)的描述，形成基于有根樹的配電網(wǎng)模型T'（V+V(l，EUE'，Sd，S〇，其中E' 為虛擬支路集合，Sd為支路正向邊狀態(tài)集合，S1^為支路反向邊狀態(tài)集合； 所述的虛擬節(jié)點(diǎn)具有以下特征： a.該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)虛擬的獨(dú)立于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)，僅通過可開斷的虛擬支路與配電 網(wǎng)中各個(gè)DG節(jié)點(diǎn)相連；所述的虛擬支路是指虛擬的獨(dú)立于配電網(wǎng)之外的支路，僅與DG節(jié)點(diǎn) 和虛擬節(jié)點(diǎn)相連； b. 虛擬節(jié)點(diǎn)不消耗、發(fā)出或轉(zhuǎn)送功率； 節(jié)點(diǎn)的虛擬需求具有以下特征： a.配電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，孤島范圍內(nèi)的每個(gè)帶電節(jié)點(diǎn)，包括DG節(jié)點(diǎn)，都具有1個(gè)單位的虛 擬需求； b. 僅由虛擬節(jié)點(diǎn)提供虛擬供給； c. 虛擬需求的傳輸路徑由供電支路和虛擬支路組成； (3) 對(duì)負(fù)荷、出力和限額進(jìn)行設(shè)置，建立配電網(wǎng)電氣約束：電氣約束至少包括電力平衡 約束及線路傳輸限額約束；電力平衡要滿足潮流約束、出力約束、負(fù)荷可控性約束三個(gè)條 件，數(shù)學(xué)表達(dá)如下： (3. 1)潮流約束
式⑴中，0-1變量，表示節(jié)點(diǎn)i的帶電狀態(tài)，0表示失電，1表示帶電；PDM為節(jié)點(diǎn)i的分布式發(fā)電有功出力，Pu表示節(jié)點(diǎn)i上有功負(fù)荷接入量；jGvi表示與節(jié)點(diǎn)i相連的 所有節(jié)點(diǎn)；的計(jì)算公式如式（2) Pij= s8廠6 j)/Xij (2) 式（2)中：Pf&為支路eu上流過的有功功率和支路電抗；S,為節(jié)點(diǎn)i的相角；S」 為節(jié)點(diǎn)j的相角； (3. 2)負(fù)荷可控性約束 (JN 104810853 A 丨入U(xiǎn) TJ 2/3貝
式中：￡u、K分別為節(jié)點(diǎn)i上所接負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力的上下限；對(duì)于不可控負(fù)荷，其上下 限相等； (3. 3)DG出力約束
式中：￡DCi、bffi分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的DG有功出力上下限； (3. 4)線路傳輸限額約束
式中：71為支路eij的有功功率傳輸限額； (4)建立配電網(wǎng)圖形約束：所述圖形約束包括連通性約束、輻射狀結(jié)構(gòu)約束、根結(jié)點(diǎn)結(jié) 構(gòu)及一致性約束，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： (4. 1)連通性約束
式中：fu為第i節(jié)點(diǎn)的虛擬需求，設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的虛擬需求為1個(gè)單位；fij為支路eu上傳輸?shù)奶摂M需求；N為待劃分區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Sij為表示支路開合狀態(tài)的變量，其中i <j，〇表示斷開，1表示閉合； (4. 2)輻射狀結(jié)構(gòu)約束
式（9)表示除根節(jié)點(diǎn)（虛擬節(jié)點(diǎn)）外，其余節(jié)點(diǎn)的入度大于等于該節(jié)點(diǎn)的帶電狀態(tài)值； 4表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j正向邊被選狀態(tài)，4表示節(jié)點(diǎn)j到節(jié)點(diǎn)i的反向邊被選狀態(tài)，〇表示 未被選擇，1表示被選擇； (4. 3)根節(jié)點(diǎn)約束
式中：4表示與根節(jié)點(diǎn)相連支路的正向邊的被選狀態(tài)；4。表示與根節(jié)點(diǎn)相連支路的 反向邊的被選狀態(tài)； (4. 4)支路-節(jié)點(diǎn)狀態(tài)一致性約束Sjj-1Xj-Xj^S；l_sjj(13) 式（13)表示支路開合狀態(tài)與所連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶電狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性； (5) 建立以全系統(tǒng)最優(yōu)解為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)；所述數(shù)學(xué)模型表達(dá)建立在以下假設(shè) 基礎(chǔ)上： a. 研宄的對(duì)象是在并網(wǎng)運(yùn)行情況下需要外部電網(wǎng)供電的配電網(wǎng)區(qū)域，即區(qū)域內(nèi)部DG 出力小于負(fù)荷總量； b. 需要進(jìn)行優(yōu)化劃分的配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)存在具有調(diào)頻能力的DG; c. 被劃分區(qū)域內(nèi)的可控負(fù)荷具有連續(xù)調(diào)節(jié)的能力； 所述數(shù)學(xué)模型表達(dá)的初始目標(biāo)函數(shù)如下：
式中：表節(jié)點(diǎn)i上所接負(fù)荷的權(quán)重，按重要程度將負(fù)荷分為一類負(fù)荷、二類負(fù)荷和 三類負(fù)荷；Pu表示節(jié)點(diǎn)i上有功負(fù)荷接入量； 對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行變換，對(duì)式（1)進(jìn)行降次處理，將式（1)和式（5)轉(zhuǎn)化成如下形式： (Sij-l)MPij_( 8j- 8 (1-sij)M(15)
式中：M為一個(gè)足夠大的正數(shù)，取M= 2/xiJ; 將式（2)~式（4)分別轉(zhuǎn)化成以下形式：
將式（6)~式（7)轉(zhuǎn)化成如下形式：
最終將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成：
(6) 建立數(shù)學(xué)模型后，通過CPLEX進(jìn)行求解，得到可信的孤島劃分方案。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有向圖的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤島劃分方法，通過引入虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬需求，建立了支路方向可變的配電網(wǎng)有向圖模型，保證了孤島運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的連通性和輻射狀結(jié)構(gòu)。不但解決了因分布式電源出力不穩(wěn)定而導(dǎo)致的無法獨(dú)立為孤島區(qū)域供電的問題，而且解決了配電網(wǎng)中因聯(lián)絡(luò)開關(guān)可操作性、負(fù)荷重要等級(jí)、負(fù)荷可控性等導(dǎo)致孤島劃分失效的重大問題，劃分的孤島方案在工程上貼近實(shí)際，更具有可操作性。
【IPC分類】G06Q50-06, H02J3-38
【公開號(hào)】CN104810853
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510233308
【發(fā)明人】李曉波, 蔣雪冬, 丁穎, 付俊強(qiáng), 胡哲晟
【申請(qǐng)人】杭州沃瑞電力科技有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日