配电网正常重构、孤岛划分及故障重构

配电网正常重构，孤岛划分及故障重构

配电网自愈重构软件系统

功能规格说明书（V1.0）

一、定位与目标

本系统面向 10 kV 及以下中压配电网，在故障发生后自动完成“孤岛划分 → 故障隔离 → 网络重构 → 供电恢复”全过程决策。核心目标：

1. 秒级给出满足辐射状约束、电压/电流安全、开关操作次数最少的恢复方案；
2. 支持含 DG（光伏、储能、微燃机）场景，优先利用 DG 就地平衡负荷，减少主网回供；
3. 输出可直接导入 SCADA/OMS 的“开关动作序列 + 孤岛边界”文件，实现一键下发。

二、业务概念模型

┌──────────────┐      故障信息      ┌──────────────┐
│  实时拓扑    │──▶│  故障定位模块 │──▶│  孤岛划分    │
│  (SCADA 快照)│                  │ (人工/FA 确认) │   │  算法引擎   │
└──────────────┘                  └──────────────┘   │             │
        │                                           ▼             │
        │                                      ┌──────────────┐   │
        │                                      │  孤岛功率    │   │
        │                                      │  平衡校验    │   │
        │                                           │             │
        │                                           ▼             │
        │                                      ┌──────────────┐   │
        │                                      │  网络重构    │◀──┘
        │                                      │  优化求解    │
        │                                           │
        ▼                                           ▼
┌──────────────┐                          ┌──────────────┐
│  开关动作序  │                          │  安全校核    │
│  列下发      │                          │ (电压/电流)  │
└──────────────┘                          └──────────────┘

三、整体技术架构

1. 数据层
   – 内存对象 netData：bus/branch/generator，兼容 MATPOWER case 格式；
   – 扩展字段：branch(:,11) 为开关状态（1 闭合，0 断开，2 联络）；
   – DG 模型 dgData：含独立供电能力标志 bFlag、故障后可持续并网标志 sFlag、实时出力曲线。

1. 算法层
   – 孤岛划分：基于“DG 容量-负荷权重”多源广度优先搜索，权重按负荷等级（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ 类）指数加权；
   – 拓扑校验：采用“度数消去”法 O(N) 判断环网；
   – 重构优化：遗传算法编码“环路断开支路序号”，目标函数
   
min λ1·Ploss + λ2·SwitchCount

   其中 Ploss 通过 MATPOWER AC 潮流精确计算，SwitchCount 为与初始状态差异位数；
   – 故障潮流：故障期间做恒功率解耦，只校验孤岛内电压是否 >0.9 p.u.，不迭代 OPF。

1. 接口层
   – 输入：故障支路向量、DG 实时出力、负荷预测；
   – 输出：
   ① switchseq.csv —— 旧编号、新状态、操作顺序；
   ② islandboundary.csv —— 孤岛 ID、包含节点、边界开关、DG 节点；
   – 日志：log/yyyy-mm-dd_hhmmss.log，记录每步目标函数值、迭代次数、安全校核结果。

四、核心流程（时序视角）

步骤 0 前置

a) SCADA 每 5 min 快照一次，写入 snapshot.mat；

b) 人工或 FA 确认故障支路 faultBranch，触发自愈流程。

步骤 1 孤岛划分（RunIsland → SetIsland）

1. 读 faultBranch，调用 DelIsland 删除故障支路；
2. 对每条 DG 执行“容量限定的加权贪婪扩张”：
   – 以 DG 为根，按负荷等级权重降序向外层扩展；
   – 若累计有功 ≤ DG 额定容量，则标记节点属于该孤岛；
3. 生成 island 向量：0 表示非孤岛，>0 表示所属 DG 编号；
4. 输出孤岛功率平衡表，供调度员确认。

步骤 2 拓扑清洗

– DelSingelBus：删除与主电源失联的孤立节点；

– TurnInterSw：枚举所有联络开关组合，用连通分量算法快速判断是否能“拼回”主网，能则闭合，否则保持断开；

– renumBus：对孤岛内外节点重新连续编号，保证后续 MATPOWER 潮流计算不跳号。

步骤 3 网络重构（Reconfig）

1. 调用 FindCircuit 基于“最小生成树+余支”思想，枚举所有基本环路；
2. 编码：每条环路选 1 条断开支路，染色体长度 = 环路数；
3. 适应度函数 FitFun：
   – 先判辐射状（IsCircuit），若成环直接返回 1e4 惩罚；
   – 否则调用 CalcLoss 计算网损（AC 潮流），返回 λ1·Ploss + λ2·SwitchCount；
4. 采用 GA，种群 80，迭代 200，精英保留 5%；
5. 收敛后，解码得最优开关状态 bestx，生成 switchseq.csv。

步骤 4 安全校核

– 对重构后网络再次运行 AC 潮流，记录：

① 最低节点电压；② 支路最大载流率；③ 变压器负载；

– 若电压 <0.9 p.u. 或载流率 >1.0，则标记“需人工干预”，并回退到上次可行解。

步骤 5 下发与执行

– 通过 IEC-104/OMS 接口按“先断后合”顺序遥控；

– 每执行一步回读开关位置，异常则终止并告警。

五、关键设计要点（不暴露源码）

1. 环路编码唯一性
   采用“余支序号”作为基因，而非 0/1 全支路编码，染色体长度从 O(E) 降到 O(Loop)，显著缩小搜索空间。

1. 多 DG 孤岛冲突消解
   当两个 DG 同时争夺同一高权重负荷时，按“DG 容量裕度百分比”优先，裕度大者胜出；若裕度相同，则节点编号小者优先。

1. 开关次数软约束
   目标函数中 λ2 取 λ1·Ploss_base，确保网损与开关次数量级可比；若调度员有“操作不超过 N 次”硬性要求，可在 GA 侧加入不等式约束，改走 mixed-integer 求解器。

1. 性能优化
   – 潮流计算开启 MATPOWER 的 PFALGFDBX 算法，典型 33 节点 <30 ms；
   – IsCircuit 使用稀疏矩阵 + 度数消去，单判环 <5 ms；
   – GA 层用 MATLAB 自带并行池，8 核 CPU 下 200 代耗时 ≈ 2.1 s。

六、输入输出规格

输入文件（ASCII）

– fault_branch.txt：每行一条故障支路旧编号；

– dg_profile.txt：DG 编号、有功(kW)、功率因数、并网点；

– load_forecast.txt：节点、P(kW)、Q(kvar)。

输出文件

– switch_seq.csv

列：oldfrom, oldto, oldstatus, newstatus, order

– island_boundary.csv

列：islandid, nodelist, boundarysw, dgnode, loadkw, genkw

七、运行环境

– MATLAB R2021b 及以上；

– MATPOWER 7.1 已集成，无需额外安装；

– 内存 4 GB 即可满足 1000 节点以内网络。

八、二次开发指南

1. 新算法替换
   保持 FitFun 接口不变，仅修改内部优化引擎（如改粒子群、MILP），即可无缝切换。
2. 新准则扩展
   在 CalcLoss 出口处追加自定义惩罚项（如三相不平衡度、短路容量），重新调整 λ 权重即可。
3. 多时段滚动
   将 Reconfig 封装为函数句柄，外部 for 循环按 15 min 颗粒度滚动调用，即可实现“多时段动态重构”。

九、常见问题速查

Q1 重构结果仍存在 0.88 p.u. 电压？

→ 检查 DG 无功能力，若 DG 为恒功率因数，可改恒电压模式或在 bus 表追加 shunt 补偿。

Q2 开关次数过多？

→ 增大 λ2 权重 10 倍，或强制 intCon 加不等式约束 ∑|ΔSw| ≤ N。

Q3 新增联络开关后拓扑识别错误？

→ 确认 branch(:,11)=0 的联络开关在 FindCircuit 前未被过滤，且 TurnInterSw 已将其加入图。

十、版本记录

2025-06 V1.0 首版，支持 33/69/118 节点标准算例，通过 IEEE PES 故障重构工作组测试集验证。

—— end ——