基于多代理系統(tǒng)的智能配電網(wǎng)分散協(xié)調(diào)恢復(fù)策略

楊麗君， 常雪婷， 曹玉潔， 安立明， 汪 明

(河北省電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004)

1 引言

智能配電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分，自愈是其主要特征，故障恢復(fù)是自愈的重要環(huán)節(jié)[1]。分布式電源(DG)、分布式儲(chǔ)能(DES)的快速發(fā)展和高滲透率接入給配電系統(tǒng)的恢復(fù)供電帶來了新資源，同時(shí)也正在或即將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式。以微電網(wǎng)方式接入配電網(wǎng)被認(rèn)為是解決目前分布式發(fā)電系統(tǒng)大量接入配電網(wǎng)的有效手段之一。目前構(gòu)建的微電網(wǎng)模式多是利用分布式電源配套的電力電子并網(wǎng)逆變器接入配電變壓器交流線路，再通過公共耦合點(diǎn)(PCC)開關(guān)接入配電網(wǎng)，這種接入方式存在一些不足，如設(shè)備多、體積大、控制不靈活、效率低。文獻(xiàn)[2,3]提出了電能交換器的概念，并對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及核心模塊提出了設(shè)計(jì)方案，電能交換器可以實(shí)現(xiàn)將不同電壓、不同頻率的各種分布式電能轉(zhuǎn)變成電壓靈活可控頻率恒定的交流電，從而使分布式電源和儲(chǔ)能即插即用接入配電網(wǎng)成為可能。

本文重點(diǎn)研究在故障準(zhǔn)確定位及隔離的基礎(chǔ)上，基于電能交換器構(gòu)建的分布式電源、儲(chǔ)能和配電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題。在智能配電網(wǎng)構(gòu)架下，故障恢復(fù)既可以合理協(xié)調(diào)分布式能源(DER)和饋線共同為停電區(qū)域供電[4,5]，也可以由未發(fā)生故障的DG孤島運(yùn)行恢復(fù)供電[6-8]。近年來由于分布式人工智能的需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，多代理技術(shù)迅速發(fā)展，因代理本身具有很強(qiáng)的自主能力和溝通能力，在電力系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9,10]。在故障恢復(fù)方面，文獻(xiàn)[11]提出一種完全分布式的多代理系統(tǒng)(MAS)來解決配電網(wǎng)的故障恢復(fù)問題，但代理采集的信息量大，信息傳遞過程中容易造成通信擁堵。文獻(xiàn)[12]基于IEC61850信息模型構(gòu)建的MAS緩解了通信壓力，確保了主動(dòng)配電網(wǎng)供電恢復(fù)的快速性和可靠性。文獻(xiàn)[13]綜合利用備用線路和內(nèi)部DG的孤島運(yùn)行，基于多代理技術(shù)構(gòu)建了多層分布式?jīng)Q策系統(tǒng)，為故障后的失電負(fù)荷恢復(fù)供電，但忽視了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的可操作性。在孤島劃分方面，文獻(xiàn)[14]利用基于分支定界理論的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法獲得孤島劃分方案；文獻(xiàn)[15]先利用隱枚舉法獲得初始孤島劃分方案，再通過可行性校驗(yàn)與調(diào)節(jié)得到最終劃分方案；文獻(xiàn)[16]給出了配電網(wǎng)故障下劃分孤島范圍的啟發(fā)式搜索方法；文獻(xiàn)[17,18]在已知DG容量的前提下劃定最佳孤島供電范圍，再對(duì)孤島外的停電區(qū)域最大限度地恢復(fù)供電。然而，文獻(xiàn)[14-18]缺少對(duì)沖突孤島協(xié)調(diào)方法的有關(guān)闡述，且沒有考慮不同時(shí)段內(nèi)DG出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)孤島劃分方案制定的影響。

本文采用電能交換器取代傳統(tǒng)的配電變壓器，將其連接于配電系統(tǒng)與DER、負(fù)載間，構(gòu)建一種智能配電系統(tǒng)。新標(biāo)準(zhǔn)IEEE1547-2003[19]鼓勵(lì)供電方及用戶通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，從而在滿足潮流約束的前提下，減少非故障停電區(qū)域的失電負(fù)荷，提高供電可靠性。當(dāng)智能配電網(wǎng)發(fā)生小面積停電時(shí)，故障點(diǎn)附近的DG直接孤島帶負(fù)荷運(yùn)行，大大縮短了恢復(fù)時(shí)間，提高了供電可靠性。當(dāng)智能配電網(wǎng)發(fā)生大面積停電時(shí)，利用本文提出的基于MAS的智能配電網(wǎng)故障后的分散協(xié)調(diào)恢復(fù)策略，合理調(diào)度DER和聯(lián)絡(luò)開關(guān)來恢復(fù)供電，并將具體的恢復(fù)策略分成孤島劃分與剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)兩個(gè)子問題。孤島劃分計(jì)及DG功率輸出的波動(dòng)性，由非故障失電區(qū)的DG代理通過等可能路徑組合[20]獲得初始最優(yōu)孤島劃分方案，再由電能交換器代理對(duì)存在矛盾的劃分方案進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化；剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)則由電能交換器代理通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整理當(dāng)前存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點(diǎn)-支路”連接關(guān)系，對(duì)其重新編號(hào)，采用改進(jìn)蟻群算法，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，得到剩余網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的理想組合，進(jìn)一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負(fù)荷。最后以IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例利用所提恢復(fù)策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 基于電能交換器的智能配電網(wǎng)架構(gòu)

電能交換器是一種高度融合電力電子變換技術(shù)和信息技術(shù)、可實(shí)現(xiàn)分布式電能高效利用和傳遞的新型全可控設(shè)備。通過電能交換器可以構(gòu)建分布式電源、儲(chǔ)能和配電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。由電能交換器統(tǒng)一進(jìn)行并網(wǎng)控制，統(tǒng)一提供交流和直流線路，而不需要其他變換器提供直流線路，也不需要加裝PCC開關(guān)。

圖1 基于電能交換器的DG、儲(chǔ)能和配電網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)Fig.1 Interconnected system based on energy switcher

每條饋線供電區(qū)域可看成一個(gè)自治區(qū)域[21]，一臺(tái)電能交換器控制一個(gè)自治區(qū)域，若干個(gè)由電能交換器控制的自治區(qū)域構(gòu)成整個(gè)智能配電網(wǎng)。電能交換器作為自治區(qū)域與主網(wǎng)的交互接口，一方面要負(fù)責(zé)自治區(qū)域內(nèi)部各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行和能量管理，另一方面要接受上一級(jí)電力調(diào)度中心的控制指令并上傳自治區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)。

3 智能配電系統(tǒng)故障恢復(fù)數(shù)學(xué)模型

3.1 孤島劃分模型

配電網(wǎng)發(fā)生停電事故時(shí)，由電能交換器快速、可靠地統(tǒng)一統(tǒng)籌和合理調(diào)度自治區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能，將這些清潔能源作為集中式發(fā)電的有效補(bǔ)充，建立短時(shí)間的孤島保障重要負(fù)荷用戶的持續(xù)供電，這樣可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

(1)孤島劃分的目標(biāo)函數(shù)

發(fā)生停電事故后的首要目標(biāo)在于最大限度恢復(fù)重要用戶電力供應(yīng)，根據(jù)分布式電源在故障修復(fù)期間的實(shí)際發(fā)電量，以在各個(gè)故障時(shí)段內(nèi)獲得穩(wěn)定供電的孤島重要負(fù)荷總用電量最大為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，即

(1)

式中，T為時(shí)段數(shù)；D為孤島內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集合；wi為位于節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷權(quán)重系數(shù)；Pi,t為在時(shí)段t孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷大小；xi,t為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)段t的狀態(tài)變化參數(shù)，xi,t=1表示恢復(fù)供電，xi,t=0表示未恢復(fù)供電。

(2)孤島內(nèi)功率約束

(2)

式中，PG,t為在時(shí)段t光儲(chǔ)系統(tǒng)的總出力值。

(3)功率平衡約束

(3)

(4)

式中，Pi,t、Qi,t為在時(shí)段t節(jié)點(diǎn)i注入的有功、無功；Gij、Bij、δij,t分別為節(jié)點(diǎn)i、j間的電導(dǎo)、電納以及在時(shí)段t節(jié)點(diǎn)i、j間的電壓相角差；n為孤島內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ui,t、Uj,t分別為在時(shí)段t節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值。

(4)支路功率約束

Pr,t≤Prmax

(5)

式中，Pr,t為在時(shí)段t支路r的有功功率；Prmax為支路r的有功功率最大容許值。

(5)節(jié)點(diǎn)電壓約束

Umin≤Ui,t≤Umax

(6)

式中，Ui,t為在時(shí)段t節(jié)點(diǎn)i的電壓值；Umax、Umin分別為節(jié)點(diǎn)i電壓上下限。

(6)配電網(wǎng)輻射運(yùn)行約束

g∈G

(7)

式中，g為故障恢復(fù)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；G為網(wǎng)絡(luò)輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集合。

3.2 剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型

若發(fā)生小面積停電，且失電區(qū)域含有DER，對(duì)含DER配電網(wǎng)進(jìn)行孤島劃分即可恢復(fù)全部失電負(fù)荷，則無需再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。若發(fā)生大面積停電，單靠分布式能源不能恢復(fù)全部失電負(fù)荷，則此時(shí)需要在孤島供電方案確定后，通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整理當(dāng)前存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點(diǎn)-支路”連接關(guān)系，對(duì)其重新編號(hào)，采用優(yōu)化算法得到剩余網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的理想組合，進(jìn)一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負(fù)荷，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)，即

(8)

式中，SY為剩余網(wǎng)絡(luò)支路集合；kb為支路b上開關(guān)狀態(tài)變量，0表示斷開，1表示閉合；rb為支路b的電阻；Pb、Qb分別為支路b末端流過的有功、無功功率；Ub為支路b末端節(jié)點(diǎn)的電壓。

其他約束條件同3.1節(jié)中式(3)～式(7)約束條件。

4 基于電能交換器構(gòu)建的多代理自愈系統(tǒng)

圖1中，電能交換器管轄的自治區(qū)域內(nèi)開關(guān)、負(fù)荷類型和DER等種類很多，并且每個(gè)元件功能各異。為提高供電恢復(fù)的快速性和可靠性，充分發(fā)揮智能配電網(wǎng)主動(dòng)控制和管理DER、負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)，本文在自治區(qū)域內(nèi)的每個(gè)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、負(fù)荷、分布式電源、儲(chǔ)能上設(shè)置一個(gè)元件代理，并由部署在電能交換器處的代理管理和協(xié)調(diào)各元件代理之間的矛盾與沖突；同時(shí)，電能交換器代理需要接受上層調(diào)度中心的調(diào)度指令，并將自治區(qū)域的用電情況、發(fā)電情況和實(shí)時(shí)電氣參數(shù)上報(bào)給上一級(jí)調(diào)度中心，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)能量管理。代理結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。其中，ACL(Agent Communication Language)為代理通信語言。

圖2 自治區(qū)域中2種代理結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of two agents in autonomy area

由電能交換器代理(Energy Switcher Agent，ESA)、分段開關(guān)代理(Sectional Switch Agent，SSA)聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理(Contact Switch Agent，CSA)、負(fù)荷代理(Load Agent，LA)、分布式電源代理(Distributed Generator Agent，DGA)、儲(chǔ)能代理(Energy Storage Agent，ESA)組成的多代理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 多代理系統(tǒng)控制架構(gòu)Fig.3 Multi-agent system based control framework

電能交換器代理中的各個(gè)模塊有其各自特殊的功能，其中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊負(fù)責(zé)將當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)匯報(bào)給綜合決策模塊；故障診斷模塊從SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫[22]中獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)監(jiān)控故障信息，確認(rèn)停電故障發(fā)生以后，根據(jù)自治區(qū)域數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的正常運(yùn)行狀態(tài)下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，定位故障區(qū)域并向綜合決策模塊匯報(bào)這些信息；綜合決策模塊通過與元件代理通訊獲取當(dāng)前全網(wǎng)DG出力、儲(chǔ)能出力及負(fù)荷需求情況，并在獲取故障信息的基礎(chǔ)上，通知失電區(qū)內(nèi)各DG代理準(zhǔn)備進(jìn)行孤島劃分，并對(duì)DG代理上報(bào)的初始孤島劃分方案進(jìn)行優(yōu)化，產(chǎn)生并下達(dá)協(xié)調(diào)恢復(fù)命令，以及對(duì)孤島外的剩余網(wǎng)絡(luò)采用嵌入其中的蟻群算法進(jìn)行尋優(yōu)，通過對(duì)分段開關(guān)代理和聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理下達(dá)開關(guān)調(diào)整指令實(shí)現(xiàn)剩余網(wǎng)絡(luò)故障重構(gòu)。具體過程如下：

(1)進(jìn)行故障定位、隔離后，電能交換器代理根據(jù)綜合決策模塊的分析結(jié)果“通知”失電區(qū)內(nèi)DG代理準(zhǔn)備執(zhí)行孤島劃分方案的確定任務(wù)，然后轉(zhuǎn)步驟(2)；若失電區(qū)內(nèi)無DG代理，則轉(zhuǎn)步驟(5)。

(2)各DG代理與附近的其他元件代理交互信息，根據(jù)嵌入綜合決策模塊中等可能路徑組合的尋優(yōu)方法得到各自的初始最優(yōu)孤島劃分方案，并將劃分方案上報(bào)給電能交換器代理。

(3)電能交換器代理對(duì)存在沖突的劃分方案進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，并將協(xié)調(diào)后的方案反饋給參與恢復(fù)任務(wù)的DG代理。DG代理組織相關(guān)的其他元件代理共同執(zhí)行孤島恢復(fù)方案。

(4)判斷停電區(qū)域負(fù)荷是否全部恢復(fù)供電，是，則運(yùn)算結(jié)束；否則轉(zhuǎn)至步驟(5)。

(5)電能交換器代理整理剩余網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點(diǎn)-支路”連接關(guān)系，對(duì)其重新編號(hào)，并根據(jù)嵌入綜合決策模塊中改進(jìn)蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行命令。

(6)判斷失電區(qū)是否全部恢復(fù)供電，是，則運(yùn)算結(jié)束，得到一組孤島劃分和開關(guān)操作方案；否則由電能交換器代理向上一級(jí)調(diào)度中心發(fā)送協(xié)助恢復(fù)的請(qǐng)求，運(yùn)算結(jié)束且由上一級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行恢復(fù)決策。

基于電能交換器構(gòu)建的多代理系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)恢復(fù)流程如圖4所示。

在集中控制中，由控制中心對(duì)故障恢復(fù)方案進(jìn)行統(tǒng)一判斷、統(tǒng)一決策，制定的恢復(fù)方案能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，但需要可靠的通信通道的支持，并需要承擔(dān)大量的分析計(jì)算任務(wù)；在分散控制中，需要本地信息，而不需要每個(gè)個(gè)體單元之間通信及信息交互，具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但缺少個(gè)體單元之間配合，使得到的恢復(fù)方案往往是局部最優(yōu)[23]。本文綜合考慮集中控制和分散控制的特點(diǎn)，提出的分散協(xié)調(diào)控制策略將集中控制方法中由電能交換器代理來完成的初始孤島劃分的工作，下放給DG代理來完成，其只需對(duì)各DG代理獲得的各故障時(shí)段的初始孤島劃分方案中存在包含關(guān)系或交叉關(guān)系的孤島進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，減少了工作量，又避免了生成的孤島方案只是各孤島的局部最優(yōu)。

圖4 多代理系統(tǒng)恢復(fù)流程Fig.4 Restoration flowchart of multi-agent system

未來智能配電網(wǎng)將由多個(gè)具有精確計(jì)算、可靠通信、精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程協(xié)作與自治功能的電能交換器代理統(tǒng)一管理調(diào)度自治區(qū)域內(nèi)的元件代理，參與解決各元件代理間公共資源的分配、矛盾的協(xié)調(diào)、任務(wù)的劃分等，可大大提高配電網(wǎng)故障后的快速響應(yīng)能力。同時(shí)，本文采用的信息傳遞原則是：分散在自治區(qū)域的各元件代理將各自收集的運(yùn)行狀態(tài)信息匯報(bào)給電能交換器代理，在電能交換器代理未作出恢復(fù)決策前各元件代理之間不進(jìn)行信息交互，一旦電能交換器代理“通知”DG代理準(zhǔn)備執(zhí)行孤島劃分方案的確定任務(wù)后，該DG代理才可與附近的其他元件代理進(jìn)行信息交互。因此，該多代理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可有效緩解信息逐級(jí)縱向傳遞和接收過程中容易造成的通信擁堵情況。

另外，為保證信息傳遞的可靠性和實(shí)時(shí)性，要求電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)具備容錯(cuò)能力。正常情況下，通信網(wǎng)絡(luò)中的任意2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)須保持至少2條獨(dú)立物理路由的連通，必須滿足N-1原則，盡量滿足N-2原則。

5 基于等可能路徑組合和改進(jìn)蟻群算法相結(jié)合的故障恢復(fù)方法

5.1 各DG代理等可能路徑組合恢復(fù)方法

各DG代理負(fù)責(zé)確定初始孤島劃分方案。非故障失電區(qū)的各DG代理接到電能交換器代理要求準(zhǔn)備進(jìn)行孤島劃分的“通知”后，與其附近的元件代理進(jìn)行通信，獲取負(fù)荷數(shù)據(jù)信息、開關(guān)狀態(tài)信息、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(SOC)信息等，并綜合電能交換器代理反饋的非故障失電區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及故障點(diǎn)信息，利用等可能路徑組合形成各自的初始最優(yōu)孤島劃分方案，其過程如圖5所示。

圖5 孤島劃分過程Fig.5 Flowchart of island partition

特別指出，為簡(jiǎn)化計(jì)算以及方便供電恢復(fù)方案的確定，本文采用分布式電源與儲(chǔ)能打包形式，以其聯(lián)合輸出功率計(jì)入后面的計(jì)算當(dāng)中。以光儲(chǔ)系統(tǒng)為例介紹各DG代理通過等可能路徑組合搜索恢復(fù)路徑的過程。借鑒文獻(xiàn)[24]中的光儲(chǔ)系統(tǒng)模型和負(fù)荷特性模型，根據(jù)配電網(wǎng)故障修復(fù)持續(xù)的時(shí)間，對(duì)光伏電源可用發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定光伏電源在故障發(fā)生后各時(shí)段的實(shí)際出力，并在某些光伏發(fā)電出力較低的時(shí)段調(diào)度儲(chǔ)能裝置的出力，保證在各故障時(shí)段內(nèi)恢復(fù)孤島中的光儲(chǔ)系統(tǒng)，使其能夠?yàn)楣聧u內(nèi)負(fù)荷可靠供電。特別說明，下文提到的DG容量皆表示光儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合出力。

具體過程主要分為以下3個(gè)部分：

(1)形成分支集合

以各光儲(chǔ)系統(tǒng)代理所在節(jié)點(diǎn)為搜索樹的根節(jié)點(diǎn)，讀取節(jié)點(diǎn)度數(shù)，即根節(jié)點(diǎn)分支數(shù)，生成包含各故障時(shí)段的分支集合{S(t)=[S1(t),S2(t)，…,Sn(t)],t=1,2,…,T}，此時(shí)各分支數(shù)組是空集；再按深度優(yōu)先搜索原則對(duì)某一分支進(jìn)行搜索，并將可中斷負(fù)荷的可中斷部分置零，當(dāng)搜索到某一節(jié)點(diǎn)為該分支的末端節(jié)點(diǎn)，或融入該節(jié)點(diǎn)后負(fù)荷功率超出光儲(chǔ)系統(tǒng)在某一故障時(shí)段總出力值時(shí)，則終止搜索，得到該時(shí)段該分支最大可能恢復(fù)區(qū)域；然后回溯，生成一系列該時(shí)段可行的恢復(fù)供電路徑，形成該故障時(shí)段分支數(shù)組Si(t),i=1,2,…,n。按上述方法生成其他故障時(shí)段的分支數(shù)組，最終形成涵蓋各故障時(shí)段的分支集合。

(2)初始可行方案和數(shù)據(jù)庫的生成

涵蓋各故障時(shí)段的分支集合生成后，同一故障時(shí)段的不同分支數(shù)組間的元素相互組合，得到可能滿足各故障時(shí)段約束條件的孤島劃分方案。每種方案成為最優(yōu)解的概率相同，將這些方案存入上層供電恢復(fù)協(xié)調(diào)代理的數(shù)據(jù)庫中，形成可行方案集，供上層協(xié)調(diào)代理對(duì)存在矛盾的恢復(fù)孤島進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化時(shí)使用。

(3)切負(fù)荷

將所有削減掉的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)標(biāo)記成未完成恢復(fù)的節(jié)點(diǎn)，并得到最終的初始孤島劃分范圍。

5.2 電能交換器代理協(xié)調(diào)優(yōu)化恢復(fù)方案

各DG代理采用等可能路徑相互組合的方法得到各故障時(shí)段的初始孤島劃分方案，將方案上報(bào)給電能交換器代理，電能交換器代理對(duì)存在沖突的劃分方案進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)形成的初始方案關(guān)系不同采取不同的協(xié)調(diào)方法，具體如下：

(1)如果在某故障時(shí)段出現(xiàn)孤島A包含于孤島B的情況，則將孤島A與B合并，合并后的DG發(fā)電量為：

式中，PAG,t、PBG,t分別為孤島A、B中光儲(chǔ)系統(tǒng)在時(shí)段t的發(fā)電量；I為故障時(shí)段t內(nèi)連接2個(gè)光儲(chǔ)系統(tǒng)線路上的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合；Pi,t為時(shí)段t位于節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷大小。

5.3 基于改進(jìn)蟻群算法的剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)流程

本文將改進(jìn)蟻群算法嵌入電能交換器代理的綜合決策模塊中，作為剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的優(yōu)化算法。若由DG代理確定的孤島供電方案不能恢復(fù)所有失電負(fù)荷，則由電能交換器代理整理剩余網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點(diǎn)-支路”連接關(guān)系，對(duì)其重新編號(hào)，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，具體運(yùn)算流程如圖6所示。圖6中，Tabu表示已連入樹中的節(jié)點(diǎn)集合，Nnode表示未連入樹中的節(jié)點(diǎn)集合，Nzhl表示可選的待建支路集合。

圖6 改進(jìn)蟻群算法流程圖Fig.6 Flow chart of improved ant colony optimization

6 算例分析

6.1 算例參數(shù)

以IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真。如圖7所示，該配電系統(tǒng)有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，37條支路，5條聯(lián)絡(luò)開關(guān)且處于斷開狀態(tài)，分別在母線11、17、24處接入光儲(chǔ)系統(tǒng)PV1、PV2、PV3，它們的出力如圖8所示?？傌?fù)荷為3715kW+j2300kVar，額定電壓為12.66kV，各支路阻抗參數(shù)及功率參數(shù)見文獻(xiàn)[25]，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等級(jí)如表1所示。一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)負(fù)荷單位權(quán)重系數(shù)分別取100、10、1。改進(jìn)蟻群算法相關(guān)參數(shù)與文獻(xiàn)[26]一致。

圖7 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 IEEE33 distribution system

6.2 算例結(jié)果及分析

(1)算例1

設(shè)支路2-3處發(fā)生永久性故障，且故障發(fā)生在9∶00，完成故障修復(fù)在16∶00，故障時(shí)間為7h，即T=7，以1h為一個(gè)步長(zhǎng)。光儲(chǔ)系統(tǒng)PV1、PV2、PV3的額定容量分別為400kW、400kW、1600kW，儲(chǔ)能的最大充放電功率為50kW。

圖8 光儲(chǔ)系統(tǒng)出力曲線(算例1)Fig.8 Output of PVs (example 1)

負(fù)荷等級(jí)節(jié)點(diǎn)編號(hào)一級(jí)負(fù)荷3、11、16、18、25、27二級(jí)負(fù)荷5、6、8、9、10、12、17、24、30三級(jí)負(fù)荷2、4、7、13、14、15、19～23、26、28、29、31～33

各DG代理以各自光儲(chǔ)系統(tǒng)所在節(jié)點(diǎn)11、17、24為根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始孤島劃分，然后由電能交換器代理對(duì)劃分方案進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。另外，由于不同時(shí)段光伏電源輸出功率存在差異，則DG代理需要根據(jù)SCADA系統(tǒng)上報(bào)的信息，適時(shí)調(diào)整恢復(fù)方案。其中，在第3個(gè)時(shí)段(11∶00～12∶00)內(nèi)各DG代理形成的初始最優(yōu)方案中，光儲(chǔ)系統(tǒng)PV1的DG代理和光儲(chǔ)系統(tǒng)PV2的DG代理形成的恢復(fù)方案在節(jié)點(diǎn)14、15、16出現(xiàn)相交，由于不滿足配電網(wǎng)輻射性約束，電能交換器代理需要對(duì)存在沖突的孤島范圍進(jìn)行協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)方案和結(jié)果如表2所示。

表2 相交孤島協(xié)調(diào)和最優(yōu)方案選取

電能交換器代理對(duì)上述兩種劃分方案進(jìn)行協(xié)調(diào)，從各DG代理形成的數(shù)據(jù)庫中選出不包含節(jié)點(diǎn)14、15、16，且目標(biāo)函數(shù)值最大的劃分方案，協(xié)調(diào)方案一得到的總目標(biāo)函數(shù)值為20940，小于方案二的23480，因此協(xié)調(diào)方案二為最終孤島劃分方案，其恢復(fù)結(jié)果如圖9所示。

所有故障時(shí)段各DG代理形成的恢復(fù)方案如表3所示。由于孤島供電方案確定后仍有失電負(fù)荷存在，電能交換器代理通過分析剩余網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整理當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的“節(jié)點(diǎn)-支路”連接關(guān)系，對(duì)其重新編號(hào)，并根據(jù)改進(jìn)蟻群算法的尋優(yōu)結(jié)果“通知”相關(guān)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)代理執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，進(jìn)一步恢復(fù)剩余網(wǎng)絡(luò)中的失電負(fù)荷。具體的重構(gòu)方案及結(jié)果如表4所示。

圖9 DG形成的最優(yōu)孤島劃分方案Fig.9 Optimal island partition scheme formed by DGs

時(shí)段各光儲(chǔ)系統(tǒng)恢復(fù)節(jié)點(diǎn)PV1PV2PV39∶00～10∶0010、12、1118、1723、2410∶00～11∶009、10、13、12、1115、16、18、174、3、23、25、2411∶00～12∶008、9、10、1114、15、16、18、1729、28、27、26、6、5、4、3、23、25、2412∶00～13∶008、9、10、1114、15、16、18、1728、27、26、6、5、4、3、23、25、2413∶00～14∶009、10、13、12、1115、16、18、176、5、4、3、23、25、2414∶00～15∶009、10、12、1116、18、1725、2415∶00～16∶0010、12、1118、1723、24

由表3和表4的仿真結(jié)果可以看出，由于故障期間光伏電源的輸出功率不斷變化，因此在故障修復(fù)完成前需要根據(jù)電源出力的波動(dòng)相應(yīng)地調(diào)整恢復(fù)方案，從而能夠充分利用清潔能源的可用發(fā)電出力為更多用戶提供電力供應(yīng)。另外，考慮了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的作用，通過對(duì)剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以進(jìn)一步恢復(fù)更多失電負(fù)荷，提高供電可靠性。

(2)算例2

設(shè)支路6-7處發(fā)生永久性故障，且故障發(fā)生的時(shí)間在9∶00，完成故障修復(fù)在16∶00，故障時(shí)間為7h，即T=7，以1h為一個(gè)步長(zhǎng)。

支路6-7故障，光儲(chǔ)系統(tǒng)PV3位于非故障區(qū)，不進(jìn)行孤島劃分，而采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。對(duì)PV1和PV2進(jìn)行光伏預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖10所示。儲(chǔ)能的最大充放電功率為50kW。以各DG代理所在光儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)11、17為根節(jié)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行孤島劃分，在第3個(gè)故障時(shí)段(11∶00～12∶00)內(nèi)具體劃分過程如圖11所示。

表4 剩余網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案及結(jié)果Tab.4 Reconfiguration schemes and results of residual network

圖10 光儲(chǔ)系統(tǒng)出力曲線(算例2)Fig.10 Output of PVs (example 2)

圖11 含分布式電源的最優(yōu)孤島劃分Fig.11 Optimal island partition with DGs

各DG代理按深度優(yōu)先搜索原則形成各自以最大供電半徑為約束的可行解區(qū)域，同時(shí)生成支路數(shù)組，通過等可能路徑組合獲得初始恢復(fù)方案，如圖11(b)所示。電能交換器代理判斷各孤島劃分方案之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光儲(chǔ)系統(tǒng)PV1恢復(fù)的節(jié)點(diǎn)包含于PV2中，則將兩孤島合并，并按5.2節(jié)方法重新生成新的恢復(fù)方案，最終結(jié)果如圖11(c)所示。由圖11可以看出，最終的孤島供電方案可以實(shí)現(xiàn)全部失電負(fù)荷恢復(fù)供電，此時(shí)無需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。因此，在發(fā)生小面積停電時(shí)，本文策略充分發(fā)揮可再生清潔能源發(fā)電的短時(shí)支撐潛力而無需進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，可迅速恢復(fù)重要用戶電力供應(yīng)。

7 結(jié)論

目前各種分布式發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能不能直接供給負(fù)荷或者接入電網(wǎng)，針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文利用電能交換器構(gòu)建了分布式電源、儲(chǔ)能與配電網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)，能夠滿足能量多向流動(dòng)和功率流的主動(dòng)準(zhǔn)確控制等要求。在此基礎(chǔ)上，利用本文建立的完全分布式用于故障恢復(fù)的MAS，可有效緩解信息逐級(jí)縱向傳遞和接收過程中容易造成的通信擁堵情況。分別對(duì)小面積失電情況和大面積失電情況采用不同的恢復(fù)策略，合理配合孤島劃分與電網(wǎng)重構(gòu)，共同確定最優(yōu)供電路徑，減少停電范圍。算例驗(yàn)證了本文所提方法的可行性和有效性，本文對(duì)智能配電網(wǎng)故障后的動(dòng)態(tài)安全調(diào)度具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 龐清樂, 高厚磊, 李天友 (Pang Qingle, Gao Houlei, Li Tianyou). 基于負(fù)荷均衡的智能配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Load balancing based fault service restoration for smart distribution grid) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2013, 37(2): 342-348.

[2] 段青, 盛萬興, 孟曉麗, 等 (Duan Qing, Sheng Wanxing, Meng Xiaoli, et al.). 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的新型能源子網(wǎng)系統(tǒng)研究(Research of energy sub grid for the future energy internet) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2016, 36(2): 388-398.

[3] 盛萬興, 段青, 梁英, 等 (Sheng Wanxing, Duan Qing, Liang Ying, et al.). 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的靈活配電系統(tǒng)關(guān)鍵裝備與組網(wǎng)形態(tài)研究(Research of power distribution and application grid structure and equipment for future energy internet) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2015, 35(15): 3760-3769.

[4] Higgins N, Vyatkin V, Nair N C, et al. Distributed power system automation with IEC 61850, IEC 61499, and intelligent control [J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 2011, 41(1): 81-92.

[5] 楊麗君, 魏玲玲, 盧志剛, 等 (Yang Lijun, Wei Lingling, Lu Zhigang, et al.). 考慮可中斷負(fù)荷的配電網(wǎng)分區(qū)動(dòng)態(tài)故障恢復(fù)(Fault partition dynamic recovery strategy for distribution network considering interruptible loads) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(8): 73-80.

[6] Balaguer I J, Lei Q, Yang S, et al. Control for grid-connected and intentional islanding operations of distributed power generation [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(1): 147-157.

[7] Vasquez J C, Guerrero J M, Luna A, et al. Adaptive droop control applied to voltage-source inverters operating in grid-connected and islanded modes [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(10): 4088-4096.

[8] 盧志剛, 劉照拯, 張晶, 等 (Lu Zhigang, Liu Zhaozheng, Zhang Jing, et al.). 含分布式電源的配電網(wǎng)災(zāi)后分階段搶修策略(Staged rush repair strategy of distribution networks with distributed generators after disaster) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(1): 69-74.

[9] 馬靜, 劉天琪, 李興源, 等 (Ma Jing, Liu Tianqi, Li Xingyuan, et al.). 基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預(yù)防研究(Method of coordinated prevention of commutation failure based on multi-agent in MIDC) [J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(3): 61-65.

[10] 段斌, 譚成, 劉艷, 等 (Duan Bin, Tan Cheng, Liu Yan, et al.). 基于IEC 61850和多代理技術(shù)的保護(hù)定值在線追蹤系統(tǒng)(An online tracking system of protection settings based on IEC 61850 and multi-agent technology) [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(7): 70-76.

[11] 黎恒烜, 孫海順, 文勁宇 (Li Hengyuan, Sun Haishun, Wen Jingyu). 含分布式電源的配電網(wǎng)多代理故障自恢復(fù)系統(tǒng)(A multi-agent system for reconfiguration of distribution systems with distributed generations) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2012, 32(4): 49-57.

[12] 劉丹丹, 段斌, 王俊, 等 (Liu Dandan, Duan Bin, Wang Jun, et al.). 基于IEC61850的主動(dòng)配電網(wǎng)故障自恢復(fù)多代理系統(tǒng)(A multi-agent system for fault self-recovery of distribution systems in active distribution network based on IEC61850) [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2015, 39(9): 119-126.

[13] 李振坤, 周偉杰, 紀(jì)卉, 等 (Li Zhenkun, Zhou Weijie, Ji Hui, et al.). 主從控制模式下有源配電網(wǎng)供電恢復(fù)研究(Service restoration of distribution system containing DG under master-slave control mode) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2014, 38(9): 2576-2581.

[14] 王旭東, 林濟(jì)鏗 (Wang Xudong, Lin Jikeng). 基于分支定界的含分布式發(fā)電配電網(wǎng)孤島劃分(Island partition of the distribution system with distributed generation based on branch and bound algorithm) [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2011, 31(7): 16-21.

[15] 向月, 劉俊勇, 姚良忠 (Xiang Yue, Liu Junyong, Yao Liangzhong). 故障條件下含分布式電源配電網(wǎng)的孤島劃分與重構(gòu)優(yōu)化策略研究(Optimization strategy for island partitioning and reconfiguration of faulted distribution network containing distributed generation) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2013, 37(4): 1025-1032.

[16] 易新, 陸于平 (Yi Xin, Lu Yuping). 分布式發(fā)電條件下的配電網(wǎng)孤島劃分算法(Islanding algorithm of distribution networks with distributed generators) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2006, 30(7): 50-54.

[17] 趙晶晶, 楊秀, 符楊 (Zhao JingJing, Yang Xiu, Fu Yang). 考慮分布式發(fā)電孤島運(yùn)行方式的智能配電網(wǎng)供電恢復(fù)策略研究(Smart distribution system service restoration using distributed generation islanding technique) [J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(Power System Protection and Control), 2011, 39(17): 45-49.

[18] 孫潔, 王增平, 王英男, 等 (Sun Jie, Wang Zengping, Wang Yingnan, et al.). 含分布式電源的復(fù)雜配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Service restoration of complex distribution system with distributed generation) [J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(Power System Protection and Control), 2014, 42(2): 56-62.

[19] IEEE Std.1547, IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].

[20] 楊麗君, 張廣超, 呂雪嬌, 等 (Yang Lijun, Zhang Guangchao, Lv Xuejiao, et al.). 考慮可控負(fù)荷的含分布式電源的配電網(wǎng)短時(shí)故障供電恢復(fù)(Power restoration considering controllable load for short-time fault of distribution network with DGs)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備(Electric Power Automation Equipment), 2016, 36(11): 11-17, 26.

[21] 于文鵬, 劉東, 余南華, 等 (Yu Wenpeng, Liu Dong, Yu Nanhua, et al.). 主動(dòng)配電網(wǎng)的局部自治區(qū)域供蓄能力指標(biāo)及其應(yīng)用(Power supply and storage capacity index of local autonomy area in an active distribution network and its applications) [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2014, 38(15): 44-55.

[22] 馬發(fā)勇, 厲啟鵬, 馬志斌, 等 (Ma Fayong, Li Qipeng, Ma Zhibin, et al.). 電力調(diào)度SCADA系統(tǒng)中歷史數(shù)據(jù)壓縮及存儲(chǔ)策略(The research of historical data compression and storage strategy in power dispatch SCADA system) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2014, 38(4): 1109-1114.

[23] 竇春霞, 李娜, 徐曉龍 (Dou Chunxia, Li Na, Xu Xiaolong). 基于多智能體系統(tǒng)的微電網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略(Multi-agent system based decentralized coordinated control strategy for micro-grids) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society), 2015, 30(7): 125-134.

[24] 王雨婷, 張?bào)慊? 唐巍, 等 (Wang Yuting, Zhang Xiaohui, Tangwei, et al.). 考慮光伏及負(fù)荷時(shí)變性的配電網(wǎng)故障恢復(fù)(Fault recovery of distribution network considering time variation of photovoltaic and load) [J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2016, 40(9): 2706-2713.

[25] Baran M E, Wu F F. Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, 4(2): 1401-1407.

[26] 楊麗君, 于琦, 魏玲玲, 等 (Yang Lijun, Yu Qi, Wei Lingling, et al.). 基于移動(dòng)多代理動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的配電網(wǎng)故障恢復(fù)研究(A distribution network fault recovery study on the dynamic alliance of mobile multi-agent) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society), 2016, 31(8): 147-155.