基于矩阵算法的主动配电网交直流混合网络供电恢复策略研究

网络供电恢复策略研究唐学用I,韩死桓2,李庆生I,黄玉辉2,赵庆明I,罗宁I(1.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵州贵阳550033；2.上海金智晟东电力科技有限公司，上海200233)摘要：考虑到直流输电技术的发展，直流配电应用于配电网中是未来配电网的研究重点。本文为解决主动配电网

交直流混合网络的供电恢复问题，提出含直流.配电线路的主动配电网供电恢复方案，当交流配电线路出现故障时， 考虑直流侧配电线路网损、换流器以及分布式电源影响下的供电恢复方案；当直流配电线路出现故障时，考虑转换

直流侧运行方式或让失电的直流负荷转入计划孤岛运行模式，以保证直流侧重要负荷的持续供电，分别提出交流侧

和直流侧约束条件，并在约束条件下选取网络损耗、线路末端电压越限节点个数以及开关操作次数作为指标构建目 标函数，依据矩阵算法对供电恢复过程的不同恢复方案进行大数据分析与处理，得出最优方案。通过改进的IEEE 123节点算例证明，提出餉方案能够有效的解决主动配电网餉供电恢复问题。关键词：主动配电网；供电恢复；直流配电线路;矩阵算法；大数据分析文章编号=2096-4633(2019)10-0043 -08 中图分类号:TM744文献标志码：B分布式电源和直流负荷通过直流配电线路接入

交流配电网,会有效提高主动配电网的供电效率，但

因此，本文提出改进的矩阵算法，利用矩阵算法对多节点DG高渗透率的电网模型进行大数据分 析。针对交直流混联配电网，分别将交流侧和直流

也会对配电网故障定位与非故障区供电恢复带来新 的问题与挑战［1-2］o随着分布式电源渗透率的日益

提高，通过划分孤岛由DG为失电负荷恢复供

侧开关状态、末端电压及网损等网络数据矩阵化，并

应用矩阵间运算得到多目标优化模型，对多个供电

恢复策略进行数据的横向比较，同时充分考虑直流

电可大大提高用户的供电可靠性o文献［6］将一个常开/常闭开关对的操作视为 一个阶段,将配电网重构看作多阶段决策问题，用动

线路加入传统配电网后对算法以及各节点潮流数据

的影响，提出故障恢复时直流侧的约束条件,将直流 线路的有功损耗和开关操作次数等数据作为直流侧

故障恢复的重要指标，并通过直流侧故障和换流器

态规划的方法进行求解，文献［7］提出一种改进的

支路交换法，根据实际负荷电流与理想转移负荷电

流的差值大小确定打开的分段开关，且一次操作可

故障验证算法的可行性,算例结果表明，改进的矩阵 算法可以有效的处理多节点大电网供电恢复时的大量

数据,并通过配电网交直流侧的分层分类，对恢复后的 大数据进行分析,得到有效的供电恢复策略。该方法 已体现在贵州电网公司科技项目(067600KK52170015) 贵州电网主动化管理与评估体系研究。以实施多个拓扑调整，提髙了计算效率。文献

［8］提岀一种快速支路交换法，根据最佳转移负荷

的符号和大小确定能最大程度降低损耗的开关组

合，在重构过程中不需进行潮流计算，显著提高了计 算速度。文献［9］提出了结合二进制粒子群算法和 离散粒子群算法的混合粒子群算法，有效降低了无

效粒子的产生概率，文献［10］建立了配电网重构的

1交直流配电线路供电恢复考虑配电网供电恢复的目标是在允许的操作条件

和电气约束下，通过网络重构尽可能多地将停电 区域的负荷转供到正常的馈线上⑴)。实际情况

多目标优化模型，对于不同的温度采用不同的收敛

指标,提高了模拟退火算法的求解速度。但是直流

配电线路加入配电网，以及直流配电网接入分布式

电源对供电恢复的影响，使得传统的供电恢复算法

不再符合新的要求。下，配网调度员应快速的恢复供电，同时，考虑到 开关操作寿命和有限的人力资源，要求开关的操

• 43 •电力大数据第22卷作次数越少越好。当直流配电网出现故障后,经过故障定位，隔离

2.1.1 网络损耗M等步骤将故障切除，故障点下游的负荷失电也被切

min P = X (>=i(1)除,随后恢复直流侧供电,这种处理方法可以使直流

式中:M为配电网中的支路总数；匕为支路j的 末端电压活为支路j的电阻;号、Q分别为流过支

侧大部分负荷稳定运行,但失电负荷被切除后，无法

再进行并网运行，使失电负荷区域处于停电状态。

本文提出两种供电恢复方法:第一种通过改变直流

路j的有功功率和无功功率詢表示支路j上开关的

状态,断开为0、闭合为1。2.1.2 线路末端电压越限节点个数配电网的运行方式来进行直流配电网的供电恢复,

尽量减少直流侧的失电负荷量;第二种利用宜流配

电线路中的分布式电源，建立孤岛，使失电的宜流负

荷恢复供电。/=厶⑺ JY](2)式中上(j)为供电恢复后线路末端越限节点的

个数；2配电网供电恢复策略与算法2. 1目标函数针对目标函数可选取的指标有:配电网网络损

2. 1.3 开关操作次数min

= sum(A -Ao)

(3)耗,开关操作次数，失电负荷量，负荷均衡等[，，-，2]o

本文选取网络损耗、线路末端电压越限节点个数和开

其中:F为供电恢复后的配电网M为供电恢复 后配电网网络拓扑的邻接矩阵;血为故障后配电网 网络拓扑的邻接矩阵；对其内的元素取绝对值后，

关操作次数作为目标函数。除此之外,配电网需要满 足辐射状网络拓扑约束，电压约束，线路容量约束等

sum()表示对括号内矩阵的所有元素累加。本文将网络损耗、线路末端电压越限节点个数 以及开关操作次数作为指标，通过加权求和的方式

约束条件,结合传统交流配电网供电恢复时的约束条

件，本文提出直流配电网需要满足的约束条件。MS

构建目标函数如下：NZA(» YK仏)f=叭 -----+妙2飞—+Wi~ir~

邛仏)XAGo)*0 = 1(4)J0 = l式中：P(i)为供电恢复后节点的网络损耗， 要求电压的波动范围为±5%。(2) 供电恢复的可用供电容量P(i。)为供电恢复前节点的网络损耗；K仏)用来表

示第k号开关是否动作，若动作则KW = 1，否则

K仏)=0 ； £(；)为供电恢复后越限节点总数；

L(j°)为供电恢复前越限节点总数;N为开关总数；

X PrXr W Gq q W S (6)式中：匕为流过支路r的功率；％”为1或0,为 支路r的决策变量，％ = 1表示支路r包含于恢复路

吗、％、吗为3个目标的权重系数。定义3个系数的取值分别为：=0. 5 , w2 =

0. 1,气=0.4,整个恢复过程以网络损耗和开关操作 次数最少为主要目标，因此权重系数w,.w2的取值

最大;本文考虑到直流侧供电恢复时,改变其运行模

径；耳为以母线q为起始节点的支路集合；G,为从 带电母线q可获得的恢复功率;S为与失电区域相

连的带电母线集合。(3) 支路容量条件式,对开关操作影响较大，所以开关操作次数将作为

供电恢复策略的必要考虑因素。2.2约束条件(7)式中，Pk为流过支路k的功率；Pg为支路k

的最大容量。(4) 功率平衡2. 2. 1 交流配电线路约束条件(1)电压约束定义电压偏差函数：f = min %； %

・44・(5)工Pk =工P* +也

keTi

keFi(8)式中:T,为向母线i供电的支路数。第10期唐学用，等:基于矩阵算法的主动配电网交直流混合网络供电恢复策略研究DG(5)功率约束点的描述矩阵如下所示。DG的注入功率不应超过DG的最大容量。(1) 源点分布矩阵由一个含N个元素的行矩阵

A表示,4 =[如，＜12,…，a” ]1 xN,如果节点i是源

2. 2.2 直流配电线路约束条件(1) 直流网络方程点，则 a； = 1,否则 a； =0[14] 0(9)L'W □；；]电流。方程(2) 耦合点(T节点)分布矩阵由一个含N个元素的行矩阵T表示，T

…，切]1 x N,如果节式中,R为直流输电线路电阻；心、%、Idi、 5分别为直流系统整流侧和逆变侧的直流电压和

(2) 供电恢复时，负荷削减前后功率因数等式

点i是耦合点，则t,- = 1，否则t： =0。(3) 末梢点分布矩阵由一个含N个元素的行矩

阵B表示,B = [bx,b2,-,bN]\\ xN,如果节点i是末

梢点，则6 = 1,否则心=0。(4) 节点状态矩阵由一个含N个元素的行矩阵

潮流方程应有如下考虑：当节点没有连接换流 器时，该节点的潮流方程是交流系统的普通潮流方

M表示M= [ ® ,叫，…，m”] 1 x N。如果节点i处

在闭合状态，则6=1,否则仇=0。(5) 线路有功功率，无功功率损耗矩阵:假设网

程;当节点i接有换流器k时,原来的潮流方程就要 加入换流器的等效注入功率：络中W条线路，线路有功功率损耗矩阵P = [P1 ,p2, …,P”]l xw,是由一个含W个元素的行矩阵，线路 无功功率损耗矩阵是由一个含W个元素的行矩阵

J Pdcl =iQdei = V/Qarup*(3) 直流系统的不等式约束(10)Q = [gi,g2,…,gjl x W, o(6) 开关状态矩阵:设网络中W条线路，开关

直流系统的不等式约束包括换流站的直流电压

与直流电流约束、换流变压器变比约束和换流器控

状态矩阵由一个含W个元素组成的行矩阵表示F = [i,i,---,0,1,---,131 x w,,其中，元素 1 表示线

路上的开关处于闭合状态，元素0表示线路上的开

制角约束，即：丄 dpk W』dpk W 丄 dpk

nTkpnin v j v rmax 关处于断开状态。(11)根据2. 1节中选取的目标函数，需要计算系

沪”4 V严iw®

统的网络损耗，开关操作次数，线路末端电压越 限节点个数。网络中的线损通过如下公式进行

\"『\"we* we?\"式中,s』为所有换流器节点的集合，&为换流 器的控制角，对应整流器的触发延迟角或逆变器的

计算：熄弧角。2.3算法步骤如果把配电网中的每条馈线都当作是一条

网络中的变压器损耗通过如下公式进行计算：AP, = AP + K0 - A(? (14)无向边或者是一条弧，假如配电网网络结构中的

因此，系统中的网络损耗为线路损耗加变压器

节点数为N,则用一个阶矩阵对配电网结构进行

描述，该矩阵记作D,则矩阵D称作为网基结构矩阵[⑶。\"12 *损耗。开关操作次数通过比较供电恢复前后开关

状态矩阵中元素的变化次数，得到开关的操作

• dlN~D =〃21〃次数。22・•汕2N* 汕NN.NxN(12)线路末端电压越限节点个数通过仿真图得出。针对含有备用电源的线路主干,若备用电源大

于等于两个，优先选取备用容量大的电源进行供电 恢复;若系统发生多个故障，无法同时处理,则需要 对每个故障单独分析逐个处理[15-18]O非故障区停

如果节点i与j中有一条馈线连接即一条边，则

= = 1,否则 djj = djj = 0 o在网基中，如果网络中节点总数为N,建立各节电负荷转移框图如图1所示。• 45 •电力大数据第22卷3算例分析利用DlgSILENT/PowerFactoiy软件对配电网的供 电恢复进行仿真验证。根据IEEE123节点标准算例进 行修改，用于改进配电网的潮流分析，并利用模型数据

制定供电恢复方案。下面对该算例修改进行说明。(1) 节点80 -85所在区域改为直流供电，节点 52 ~66所在区域改为直流供电。(2) 在节点62,处增加分布式电源风机1和

风机2。(3) 在节点55 ,57处增加燃料电池1和2。以改进IEEE 123节点配电网作为算例，其拓扑

结构如图2所示。该配电系统的总负荷为3 4 kW + jl 545 kvar,交流侧额定电压为10.7 kV,直流侧

额定电压为20 kVo在该配电系统中引入DG,DG 的具体接入节点以及功率如表1所示，节点类型为

PQ节点。换流器VSC3采用VdcQ控制，VSC1、

VSC2和VSC4采用PQ控制。假设改进的IEEE 123节点配电系统中交流侧

线路76 -86处和VSC2发生永久性故障，提出以下

三种供电恢复方案。方案一：断开开关76 -86,断 开VSC2两端开关,闭合联络开关16 -95；方案二:

断开开关76 -86断开VSC2两端开关，闭合联络开

图1非故障区停电负荷供电恢复流程图关13-95；方案三：断开开关76 -86,断开VSC2两

Fig. 1 Flow chart of power supply recovery for power端开关，闭合联络开关13 -95和联络开关67 -87O

failure load in Non-fault zone供电恢复前后的配电网参数及恢复结果见表2。图2模型仿真图Fig. 2 Model simulation diagram• 46 •第10期 唐学用，等:基于矩阵算法的主动配电网交直流混合网络供电恢复策略研究表1配电网区域分布式电源接入情况Tab. 1 Distributed power access in distribution network regional配电网

i長入点66DGPV1容量/kVA250P1 mp”kwP“kw实际功率1962001006184PV21501001009849PV3PV450直流配网82625020049WindlWind2BatteryFC200150150100150100100501505755交流配网101108PV520025010096.06MT150表2供电恢复结果Tab. 2Power restoration results供电恢复前断开开关76-86,VSC2两端开关386、87、88、90、92、94、95、96方案一方案二闭合联络开关13-95方案三闭合联络开关13-95和联络开关67-87开关操作闭合联络开关16-95开关操作次数停电负荷节点停电负荷总功率1无01无09. 424 582 kV2无09. 650 168 kV340 kW + 170 kvar最低节点电压线路末端电压越限节点数目标函数值9. 431 479 kV49. 424 561 kV0000. 988 0590. 983 60. 741 9由表2可知,交流侧76-86处和VSC2发生永

久性故障时，故障点下游的负荷节点均将受到停电

闭合两联络开关，虽然开关操作次数增加，增加了联

络开关所在线路的网损，但整个系统的网络损耗大 大减少，目标函数值明显降低,所以在交流侧76 -

影响。在供电恢复后，停电负荷节点由原来的8个

减少到0个，线路末端电压越限节点由5个减少到

86处和VSC2发生永久性故障时，选择方案三对供

电恢复的处理效果更优。0个。首先比较方案一和方案二，二者的目标函数值

相差不大，但方案二相对较小，仿真结果与13 - 18 处供电恢复结果相似，因此可以得出结论：由于联络 开关13-95接于系统的主干线上，联络开关16 -

假设改进的IEEE 123节点配电系统中直流侧

线路60 -620处发生永久性故障，若不考虑孤岛运

行与恢复重构，直流侧负荷62-66以及直流-直流 换流器均被切除,系统中其他设备和负荷正常运行,

95接于系统的支路上,通过闭合与系统主干线相连 的联络开关,来达到供电恢复要求的方案，要比闭合

若考虑孤岛运行与恢复重构，可将负荷62-66与风

机1、风机2、光伏1组成计划孤岛，一旦线路60 - 620或其上游线路出现故障导致负荷62 -66停止

支路上联络开关的恢复方案更优。其次，重点分析方案三与方案一、二的区别，方

供电，便可启动孤岛运行模式,供电恢复前后的配电

案三考虑将非故障区停电负荷进行双端恢复供电， 网参数及恢复结果见表3。• 47 •电力大数据第22卷表3供电恢复结果Tab. 3 Power restoration results供电恢复前方案一切除负荷62-66方案二开关操作断开开关60 - 620计划孤岛运行0无开关操作次数停电负荷节点停电负荷总功率162-66370 kW&519 6 kV062-66370 kW09. 457 6 kV最低节点电压9. 457 6 kV0线路末端电压越限节点数目标函数值400. 5297& 5260. 5297& 526交流线路网损/kV直流线路网损/kV42. 30943. 285由表3可知，切除负荷62-66是系统处理直流 侧故障最直接的供电恢复策略，但切除的直流负荷 间的直流线路以及VSC3与节点60间的直流线路 均发生单极接地故障，故障定位和隔离后，有两种恢

复方案，方案一:将直流配电网1的运行模式由双极

无法恢复供电,如果负荷等级较高,这种策略对经济 以及社会的负面影响是巨大的，因此，考虑计划孤岛

运行，风机1、风机2和光伏1恒定输出2 000 kW的

运行转换为单极运行，此时，直流配电网1中的所有 直流线路均需要开关操作转换其运行模式；方案二:

将直流配电网1转换为孤岛运行模式，由分布式电

功率,利用其中分布式电源与负荷62 -66组成孤 岛，恢复负荷62-66的供电。源PV2对孤岛进行供电。故障恢复前后的配电网参数及恢复结果见表4

假设改进的IEEE 123节点配电系统的直流配 电网1中直流线路152-52、换流器VSC2与节点54

所示。表4供电恢复结果Tab. 4 Power restoration results供电恢复前断开 VSC1、VSC2、VSC3 与直流配网间的开关3方案一运行模式转换，双极运行转换

方案二开关操作为单极运行9计划孤岛运行开关操作次数停电负荷节点停电负荷总功率最低节点电压/kV352-60180 kW& 700 5无0无09. 572 600.819. 326 1线路末端电压越限节点数目标函数值400. 9672& 607交流线路网损/kV直流线路网损/kV703. 24136. 971.291针对此算例，选择方案一更好。若故障引起大 需要大量的开关操作，目标函数值会迅速增加;若目

面积直流负荷失电，由双极运行转换为单极运行则 标函数中开关操作次数所赋予的权重最高，则对于• 48 •第10期唐学用，等:基于矩阵算法的主动配电网交直流混合网络供电恢复策略研究开关操作次数少的方案，其目标函数值会更小。因

YI Haichuan, ZHANG Bide, WANG Haiying, et al. Distribution

此需结合实际情况,选取合适的目标函数及权重，获 得相应的最优恢复方案。network dynamic reconfiguration method for improving distribution

network' s ability of accepting DG [J]. Power System Technology, 2016,40(05):1431 - 1436.4结语本文提岀矩阵算法对交直流配电线路进行故障 恢复，针对改进的IEEE123节点算例，分别对交流 侧和直流侧潮流计算后，进行大数据分析与处理，得

[7] 杨丽君，张广超，吕雪姣，等•考虑可控负荷的含分布式电源配 电网短时故障供电恢复[J].电力自动化设备,2016,36(11)： 11 -17 +26.YANG Lijun, ZHANG Guangchao, LV Xuejiao, et al. Power restoration considering controllable load for short-time fault of

出如下结论：(1) 本方法能够实现交流侧故障下的供电恢 复,故障位置数目的不同，会得到不同的供电恢复方

案，均能恢复失电负荷，具有较强的实际应用。(2) 交宜流混联电网由于节点多，系统复杂多 样，供电恢复方案需处理数据量大，通过矩阵算法可

简化数据处理过程，得到有效的目标函数值。(3) 改进的矩阵算法能够实现直流线路故障下 的供电恢复，通过改变宜流侧运行方式或采用直流

计划孤岛运行，减少失电负荷量。(4) 对于直流配电线路，如果不改变直流配电

网的运行方式，可以考虑分级控制的方式对直流侧

进行供电恢复，需要进一步的研究。参考文献：[1] 郭统林，刘俊勇，魏震波，等.配电网供电能力研究综述[J].电

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作者简介：唐学用（1984）,男，硕士，高级工程师，主要从事主动

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-142.（本文责任编辑：范 斌）Research on power supply recovery strategy of AC/DC hybrid network based

on matrix algorithm in active distribution network

TANG Xueyong* ,HAN Qihuan2 ,LI Qingsheng*, HUANG Yuhui2 ,ZHAO Qingming1 ,LUO Ning1(1. Power Grid Planning and Research Center of Guizhou Power Grid Co. , Ltd. , Guiyang 550033 Guizhou, China ；2. Shanghai Wiscom Sunest Power Technology Co. ,Ltd. ,Shanghai 200233 ,China)Abstract: Considering the development of DC transmission technology, the application of DC power distribution in distribution networks

is the focus of future distribution network research. In order to solve the power supply recovery problem of AC/DC hybrid network in active distribution network, The article proposes an active distribution network power restoration scheme with DC distribution lines. When an AC distribution circuit failure occurs, the power restoration scheme will be considered under the influence of network

loss, inverter, and distributed power supply on the DC side of the distribution network ； When a fault occurs on the DC distribution circuit, consider converting the DC-side operation mode or transferring the de-energized DC load to the planned island operation mode to

ensure continuous power supply for important DC-side loads. The AC side and DC side constraints are proposed separately, and the network loss and line terminal voltage overrun are selected under the constraints. The number of points and the number of switching

operations are taken as indicators to construct the objective function, according to the matrix algorithm, big data analysis and processing are performed on different recovery schemes of the power restoration process, and the optimal solution is obtained. Through the improved IEEE 123 node calculation example, the proposed scheme can effectively solve the power restoration problem of active distribution networks.Key words: active distribution network ； power supply restoration ； direct-current distribution circuit ； matrix algorithm ； big data analysis・50・