【复现】同时考虑考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、引言

在现代电力系统中，配电网作为连接输电网与用户的关键环节，其运行可靠性直接关系到社会生产生活的正常秩序。然而，配电网常面临自然灾害、设备老化、人为操作失误等多种因素引发的故障，一旦发生故障，若不能及时有效地进行恢复，将造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

传统的配电网故障恢复往往仅侧重于网络重构，通过改变网络拓扑结构来隔离故障区域、恢复非故障区域的供电，但这种方式在处理含有分布式电源（Distributed Generation，DG）的配电网时存在明显局限性。随着 DG 在配电网中的渗透率不断提高，其具备的发电能力为故障恢复提供了新的思路 —— 孤岛运行。孤岛运行是指将配电网中含有 DG 的部分非故障区域与主网断开，形成独立的供电孤岛，以维持该区域重要负荷的供电。因此，同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略，能够更充分地利用 DG 资源，提高故障恢复的效率和供电可靠性，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

二、配电网故障恢复的基本原则与关键技术

（一）基本原则

1. 安全性优先：在故障恢复过程中，必须确保配电网的设备和人员安全，严格遵守电力系统的安全运行规程，避免因恢复操作引发新的故障或安全事故。例如，在进行孤岛划分和网络重构时，要保证 DG 的输出功率与负荷需求相匹配，防止出现过电压、过电流等问题。

1. 可靠性提升：故障恢复的核心目标是尽快恢复非故障区域的供电，尤其是重要负荷的供电，最大限度地减少停电时间和停电范围，提高配电网的供电可靠性。对于医院、交通枢纽、重要工业用户等重要负荷，应优先保障其供电恢复。

1. 经济性合理：在满足安全性和可靠性要求的前提下，应尽量降低故障恢复的成本，包括设备损耗成本、运行维护成本等。例如，在选择网络重构路径时，应考虑线路的损耗情况，选择损耗较小的路径，以提高配电网的经济运行水平。

1. 协调性良好：孤岛运行与网络重构之间存在密切的联系，在故障恢复过程中需要实现两者的协调配合。例如，在进行孤岛划分时，要考虑后续网络重构的可能性，为网络重构创造有利条件；在进行网络重构时，要充分利用孤岛运行的成果，提高故障恢复的整体效率。

（二）关键技术

1. 故障检测与定位技术：准确、快速地检测和定位配电网故障是实现故障恢复的前提。目前，常用的故障检测与定位技术包括基于量测数据的故障定位方法、基于通信网络的故障定位方法等。基于量测数据的故障定位方法通过采集配电网中的电压、电流等量测数据，利用数学算法对故障位置进行判断；基于通信网络的故障定位方法则通过配电网中的通信设备，实时传输故障信息，实现故障的快速定位。

1. 孤岛划分技术：孤岛划分是实现孤岛运行的关键环节，其核心是根据 DG 的容量、位置以及负荷的分布情况，将配电网中含有 DG 的非故障区域划分为若干个独立的供电孤岛。在孤岛划分过程中，需要满足以下条件：一是孤岛内的 DG 总容量能够满足孤岛内负荷的需求，确保孤岛的稳定运行；二是孤岛的划分要尽量减少负荷的停电范围，提高供电可靠性；三是孤岛的边界要清晰，便于后续的控制和管理。常用的孤岛划分方法包括基于图形理论的方法、基于优化算法的方法等。

1. 网络重构技术：网络重构是通过改变配电网中的开关状态，调整网络拓扑结构，实现故障区域的隔离和非故障区域的供电恢复。网络重构的目标是在满足配电网运行约束条件（如电压约束、电流约束、功率平衡约束等）的前提下，优化配电网的运行指标（如网损最小、停电时间最短等）。常用的网络重构方法包括启发式算法、数学优化算法等。启发式算法基于经验规则和启发信息，能够快速找到可行的重构方案，但可能无法找到最优方案；数学优化算法则通过建立数学模型，利用优化算法求解最优重构方案，但计算复杂度较高，适用于小规模配电网。

1. DG 控制技术：在孤岛运行和网络重构过程中，需要对 DG 进行有效的控制，以保证配电网的稳定运行。DG 控制技术主要包括有功功率控制、无功功率控制、频率控制、电压控制等。在孤岛运行模式下，DG 需要承担起维持孤岛频率和电压稳定的责任，通过调整有功功率和无功功率的输出，使孤岛内的频率和电压保持在允许范围内；在并网运行模式下，DG 需要根据配电网的运行要求，调整自身的输出功率，实现与主网的协调运行。

三、考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略设计

（一）故障恢复总体流程

同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略的总体流程主要包括以下几个步骤：

1. 故障检测与定位：当配电网发生故障时，利用故障检测与定位技术，及时检测故障信号，准确确定故障位置和故障类型（如短路故障、接地故障等）。

1. 故障隔离：根据故障定位结果，通过操作配电网中的开关设备，将故障区域与非故障区域隔离开来，防止故障扩大。

1. 孤岛划分与评估：对非故障区域进行分析，识别含有 DG 的区域，根据 DG 的容量、负荷需求等因素进行孤岛划分，并对划分后的孤岛进行可行性评估，判断孤岛是否能够稳定运行。若孤岛能够稳定运行，则进入孤岛运行控制阶段；若孤岛无法稳定运行，则需要调整孤岛划分方案或考虑其他故障恢复方式。

1. 网络重构规划：在进行孤岛划分的同时，对非故障区域的网络重构进行规划。根据配电网的拓扑结构、负荷分布、DG 出力等情况，制定网络重构方案，确定需要操作的开关状态，以实现非故障区域的供电恢复。

1. 孤岛运行与网络重构协调控制：在故障恢复过程中，实现孤岛运行与网络重构的协调控制。根据孤岛运行的情况和网络重构的进度，及时调整 DG 的控制策略和开关操作顺序，确保故障恢复过程的安全性和稳定性。

1. 供电恢复验证与优化：在完成孤岛运行和网络重构后，对配电网的供电恢复情况进行验证，检查是否所有非故障区域都已恢复供电，供电质量是否满足要求。若存在问题，及时调整故障恢复方案，进行优化改进。

（二）孤岛运行策略

1. 孤岛划分方法优化

为了提高孤岛划分的合理性和有效性，提出一种基于多目标优化的孤岛划分方法。该方法以孤岛内负荷恢复率最大、DG 出力利用率最高、孤岛运行成本最低为目标函数，以 DG 容量约束、负荷需求约束、电压约束、电流约束等为约束条件，建立多目标优化模型。采用改进的非支配排序遗传算法（NSGA - Ⅱ）对模型进行求解，得到一组 Pareto 最优解。通过引入模糊综合评价法，对 Pareto 最优解进行评价和排序，选择最优的孤岛划分方案。

在建立目标函数时，负荷恢复率是指孤岛内恢复供电的负荷容量与孤岛内总负荷容量的比值，反映了孤岛划分对负荷供电的保障程度；DG 出力利用率是指孤岛内 DG 实际输出功率与 DG 额定容量的比值，反映了 DG 资源的利用效率；孤岛运行成本主要包括 DG 运行维护成本、网损成本等，反映了孤岛运行的经济性。

在确定约束条件时，DG 容量约束要求孤岛内 DG 的总容量不小于孤岛内负荷的总容量，以保证孤岛的稳定运行；负荷需求约束要求孤岛内恢复供电的负荷满足用户的基本用电需求；电压约束要求孤岛内各节点的电压在允许范围内（一般为额定电压的 ±5%）；电流约束要求孤岛内各线路的电流不超过线路的额定电流。

1. 孤岛稳定控制策略

孤岛运行的稳定性是保障孤岛内负荷正常供电的关键。为了提高孤岛运行的稳定性，提出一种基于分层控制的孤岛稳定控制策略，该策略分为本地控制层和中央控制层。

本地控制层主要负责 DG 的本地控制，包括有功功率控制和无功功率控制。在有功功率控制方面，采用下垂控制策略，根据孤岛频率的变化调整 DG 的有功功率输出，维持孤岛频率的稳定。下垂控制的基本原理是：当孤岛频率降低时，增加 DG 的有功功率输出；当孤岛频率升高时，减少 DG 的有功功率输出。在无功功率控制方面，采用电压下垂控制策略，根据孤岛电压的变化调整 DG 的无功功率输出，维持孤岛电压的稳定。电压下垂控制的基本原理是：当孤岛电压降低时，增加 DG 的无功功率输出；当孤岛电压升高时，减少 DG 的无功功率输出。

中央控制层主要负责孤岛内各 DG 之间的协调控制和负荷管理。通过采集孤岛内各 DG 的运行状态信息（如输出功率、频率、电压等）和负荷信息（如负荷容量、负荷类型等），对孤岛的运行状态进行监测和分析。当孤岛内的负荷或 DG 出力发生变化时，中央控制层通过调整各 DG 的控制参数，实现各 DG 之间的协调运行，确保孤岛频率和电压的稳定。同时，中央控制层还可以根据负荷的重要程度，对负荷进行分类管理，在孤岛出力不足时，优先切除非重要负荷，保障重要负荷的供电。

四、算例分析

（一）算例参数设置

选取一个典型的 10kV 配电网作为算例，该配电网包含 30 个节点、35 条线路、2 个变电站（主电源）以及 5 个 DG（分别为 2 个光伏电站、2 个风电场和 1 个燃气轮机发电机组）。配电网的负荷总容量为 12MW，其中重要负荷容量为 5MW（如医院、交通枢纽等），非重要负荷容量为 7MW。DG 的额定容量分别为：光伏电站 1# 1.5MW、光伏电站 2# 1.2MW、风电场 1# 2MW、风电场 2# 1.8MW、燃气轮机发电机组 3MW。线路的电阻和电抗参数根据实际配电网线路参数选取，节点电压的允许范围为 0.95~1.05pu，线路的额定电流为 300A。

（二）故障场景设置

假设配电网中节点 15 与节点 16 之间的线路发生三相短路故障，故障发生时间为 t=0 时刻。故障发生后，配电网的保护装置动作，将故障线路两端的开关断开，隔离故障区域。故障隔离后，需要对非故障区域进行故障恢复，分别采用仅考虑网络重构的故障恢复策略和同时考虑孤岛与重构的故障恢复策略进行对比分析。

（三）结果分析

1. 负荷恢复情况

仅考虑网络重构的故障恢复策略：通过调整配电网的开关状态，重构网络拓扑结构，恢复了非故障区域中除节点 17~20（该区域负荷容量为 1.8MW，其中重要负荷容量为 0.6MW）以外的其他区域的供电，负荷恢复率为（12 - 1.8）/12×100% = 85%，重要负荷恢复率为（5 - 0.6）/5×100% = 88%。

同时考虑孤岛与重构的故障恢复策略：首先对非故障区域进行孤岛划分，将含有 DG 的节点 17~20 区域划分为一个孤岛（该区域内的 DG 包括光伏电站 2# 和燃气轮机发电机组，总容量为 1.2 + 3 = 4.2MW，负荷容量为 1.8MW，DG 容量能够满足负荷需求）。然后通过网络重构恢复其他非故障区域的供电。最终，所有非故障区域的负荷均得到恢复，负荷恢复率为 100%，重要负荷恢复率为 100%。

1. 网损情况

仅考虑网络重构的故障恢复策略：重构后的配电网总网损为 0.35MW。

同时考虑孤岛与重构的故障恢复策略：由于孤岛内的 DG 能够为负荷提供部分电力，减少了主网的供电压力，重构后的配电网总网损为 0.28MW，相比仅考虑网络重构的策略，网损降低了（0.35 - 0.28）/0.35×100% = 20%。

1. 故障恢复时间

仅考虑网络重构的故障恢复策略：由于需要对配电网的拓扑结构进行较大调整，开关操作次数较多，故障恢复时间为 45min。

同时考虑孤岛与重构的故障恢复策略：孤岛划分过程相对简单，能够快速恢复孤岛区域的供电，网络重构的工作量也有所减少，故障恢复时间为 30min，相比仅考虑网络重构的策略，故障恢复时间缩短了 33.3%。

通过以上对比分析可以看出，同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略在负荷恢复率、重要负荷恢复率、网损以及故障恢复时间等方面均优于仅考虑网络重构的故障恢复策略，能够更有效地提高配电网的故障恢复能力和供电可靠性。

五、结论与展望

（一）结论

本文提出了一种同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略，通过对故障恢复的基本原则、关键技术进行分析，设计了故障恢复总体流程、孤岛运行策略、网络重构策略以及孤岛与重构的协调配合策略，并通过算例分析验证了该策略的有效性。主要结论如下：

1. 同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略能够充分利用 DG 资源，提高负荷恢复率和重要负荷恢复率，减少停电时间和停电范围。

1. 基于多目标优化的孤岛划分方法和基于分层控制的孤岛稳定控制策略能够实现孤岛的合理划分和稳定运行，提高 DG 的出力利用率和孤岛运行的经济性。

1. 基于混合整数线性规划的网络重构模型和改进的 PSO 算法能够快速、准确地求解网络重构问题，降低配电网的网损，提高配电网的经济运行水平。

1. 建立的信息共享机制和决策协调机制能够实现孤岛运行与网络重构的协调配合，确保故障恢复过程的安全性、稳定性和高效性。

（二）展望

尽管本文提出的同时考虑孤岛与重构的配电网故障恢复运行策略取得了较好的效果，但仍存在一些需要进一步研究和改进的方面：

1. 不确定性因素的考虑：目前的研究主要假设 DG 出力和负荷需求为已知确定值，但在实际运行中，DG 出力（如光伏、风电）和负荷需求均具有较强的不确定性。未来的研究应充分考虑这些不确定性因素，建立鲁棒性更强的故障恢复模型和策略。

1. 多微电网协同故障恢复：随着微电网技术的发展，配电网中将包含多个微电网。未来的研究应重点关注多微电网协同故障恢复问题，实现多个微电网之间的资源共享和协调配合，进一步提高配电网的故障恢复能力。

1. 人工智能技术的应用：人工智能技术（如深度学习、强化学习等）在电力系统中的应用具有广阔的前景。未来的研究可以将人工智能技术引入配电网故障恢复领域，提高故障检测与定位的准确性、故障恢复方案的优化效率和故障恢复过程的自适应能力。

1. 经济性与环保性的进一步优化：在未来的故障恢复策略研究中，应进一步考虑经济性与环保性的平衡，在降低故障恢复成本的同时，减少 DG 运行过程中的污染物排放，实现配电网的绿色、可持续发展。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 朱博.基于发电功率与短期负荷预测的微网经济运行策略研究[D].重庆大学,2012.DOI:10.7666/d.y2153128.

[2] 易波.基于二次协作优化方法的配电网重构[D].长沙理工大学,2013.DOI:10.7666/d.Y2306157.

[3] 米阳,蔡杭谊,宋元元,等.基于同步补偿的孤岛微电网无功均分研究[J].电工技术学报, 2019, 34(9):10.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180449.

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