基于共識算法的多微電網系統自愈操作的研究與分析

潘凱巖，盧建剛，趙瑞鋒，余志文，劉宏達

（1.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，哈爾濱 150000；2.廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣州 518000；3.東方電子股份有限公司，煙臺 264000）

0 引言

隨著智能電網的集成，具有單向潮流的傳統配電網絡的性質已從無源配電網絡（ADN）轉變為主動配電網絡（ADNs）[1-4]。主動配電網絡的某些部分可以考慮為多個互連的配電網絡，即所謂的微電網（MG），它可以在并網或具有許多DG的獨立模式下運行[5]。微電網是低壓或中壓的小型電網，必須能夠將一組消費者連接到許多DG和儲能系統（ESS）[6]。

將ADN分區到微電網可能對消費者和許多應用程序具有許多優勢，例如作為本地控制策略，以最大限度地減少不同微電網之間的交互[7]。因此，它促進了強大的自愈操作基礎設施。微電網的規劃有許多主要特征，微電網的可靠性和自給性是影響電力網絡實現的兩個主要目標[8]?；诩夹g和經濟問題的觀點，可靠性對于配電網的設計和運行至關重要。自愈技術作為智能電網的主要屬性之一，使配電自動化的發展成為可能[9]。此功能定義為在中斷期間提供自愈的快速反應能力。

由于自然事件、設備故障和人為錯誤，配電網中的停電會發生[10]。自愈的一個關鍵方面取決于電源管理系統和設計控制如何響應事件[11]。因此，適當的控制操作可以更快地恢復停止服務負載。通過自愈控制操作，可以恢復中斷的負載，同時保持網絡的約束。這些操作都有助于配電網運營商提供可靠和安全的運行狀態[12]。

本文旨在探討多微電網系統自愈技術的框架。在這項研究中，自愈是在ADN的技術中實現的，ADN被劃分為幾個微電網。該網絡只有可再生能源和ESS。因此，與具有可調度能源的網絡相比，在此類網絡中實現自愈操作相對困難。本文提出一個多微電網系統中自愈操作的框架。采用共識算法，盡可能減少上游網絡的功率。這是通過上游微電網和下游微電網的通信來實現的。通過使用存儲在ESS中的能量來計算島運行時間，可以直到故障完全清除。

1 微電網自愈

自愈技術被定義為快速故障檢測、隔離和及時恢復電網服務的能力。通常，自愈有兩個步驟：第一步是緊急反應，其中系統已檢測到故障并與故障部分隔離。第二步是系統還原，還原計劃涉及一些操作，例如負載卸除、系統重新配置或生成啟動/關閉。當微電網發生故障時，根據故障的位置可能會丟失一些負載。為了應對干擾，自愈行動可以阻止故障傳播。

圖1顯示了微電網的框架，這些微電網可以通過本地生成和存儲相互支持。正常運行下的微電網可以支持故障段的電力短缺[13-14]。

圖1 微電網框架

在正常操作模式下，每個微電網的LCS調度其可獲取的資源。當出現故障時，系統將切換到自愈模式。在這里，諸如配電線路丟失之類的故障被視為緊急情況。根據正常運行步驟中完成的時間表，無故障的微電網LCS與鄰近的LCS進行通信，并決定將每個正常的微電網的共享能力發送到島上。為此，本文提出了一種分散的通信協議來交換微電網之間的信息。因此，每個微電網僅與其相鄰的微電網通信。雖然也可以使用集中式算法來實現這種方法，但這將導致增加基礎設施成本并降低可靠性。

本文的目的是通過更接近故障位置的微電網提供最大島荷載。這意味著，如果島可以供應其負載，直到故障被移除，則無需連接操縱線。否則，如果多個微電網在連接機動線后能夠支撐該島，則最靠近故障區域的微電網將優先于島補給。距離故障位置最近的操縱線是指操縱線與故障位置之間的最短阻抗距離。這里，假設故障的清除時間為5小時。如果運行狀況良好的微電網無法提供故障部分的總負載，則未提供的負載將由上游微電網提供服務。

根據故障部分的負載量有兩種情況。

1）供應島嶼負載所需的電力少于本節中發電和儲存能源的總和。如果負載可以供應到故障完全清除（5小時），則故障區域可以保持為孤島。否則，必須連接操縱線。

2）故障區內的負載供電所需的功率超過該區域發電和儲存能量的總和。在這種情況下，可以通過關閉常開的拉桿開關來提供負載。

如果供電負載所需的功率大于發電量和ESS容量之和，則故障位置最近的操縱線對應的撥動開關將立即關閉。

如果這些微電網的剩余發電量小于或等于故障部分所需的功率，則它們都將有助于部分負載的供應，如果需要，其余的功率將從上游網絡接收。但是，如果這些微電網的總發電量超過故障部分所需的功率，則最接近故障位置的微電網優先提供負載。在這里，通過使用平均共識算法實現對微電網的功率分配。通過這種方式，每個微電網中的LCS與相鄰的LCS進行通信，并且在交換信息后，確定每個微電網的份額。分配由每個微電網中的本地LCS實現，以進行相應的調度。最后，健康微電網的總功率輸出將與所需功率緊密匹配。在這里，平均共識算法被用作LCS之間的協調，以分布式方式將所需的功率分配給每個LCS。實際上，目標是就每個LCS的值達成一致。

平均共識算法以分散的方式實現，為分散控制提供了公平的解決方案。分配給每個微電網的功率量由每個微電網的LCS用于調度可用資源。其目的是使每個微電網的總分配功率盡可能接近所需功率，以供應故障部分的負載。

根據本節所述，在本研究中，本文只關注自我修復的第二步，即負荷恢復；因此故障檢測和隔離不屬于本文的討論范圍。所提出方法的流程圖如圖2所示。

圖2 自愈框架

2 共識算法

2.1 算法簡介

在串聯聯網微電網中，當微電網在某處發生故障時，根據故障下游側的發電和負載值請求其故障功率。這種功率的值應盡可能由正常的微電網提供。因此，故障部分所需的功率量在正常運行的微電網之間共享。目標是找到分配給每個微電網的共享功率，總功率定義如下：

等式(2)定義為一個故障下游側所需的總有功功率與儲能系統最大可調輸出的比值：

式(3)的第一項表示每個微電網控制其ESS以遵循本地目標功率值，第二項表示發電和負載不匹配。實際上，有兩個因素會影響每個普通微電網的分配功率。首先，在ESS中存儲功率的部分考慮了式(2)中定義的指標，其次，每個微電網的產生和負載之間的差異。

每個LCS都可以通過調整其儲能系統來提供自己的電力份額。因此，這種功率分配僅取決于每個微電網中的儲能容量，如前所述，平均共識算法用于設計多微電網系統中所有LCS中請求功率的分配方案。因此，Δh通過迭代地采用平均共識算法進行計算[15]。假作為步驟k和初始值處的迭代變量，迭代變量更新如下：

其中ε表示步長。該值將收斂到平均值，如下所示：

拉普拉斯矩陣的特征值在共識算法的收斂中具有主要作用。實際上，拉普拉斯的第二個最小特征值是測量共識算法收斂的速度。將拉普拉斯矩陣的特征值視為L，其中λg(L)為實數并表示拉普拉斯矩陣gth的最大特征值ε∈(0,2/λg(L))。應該注意的是，平均收斂速率取決于步長。

2.2 約束條件

微電網的功率分配應以提供最大負載的方式進行。因此，通過平均共識算法分配給每個微電網的份額功率應盡可能接近每個微電網在實踐中轉移的功率量。因此，為了實現這一點，定義了目標函數，目的是最大限度地減少分配給正常微電網的聚合功率與傳遞到故障部分的總實際功率的差異，如下所示：

電壓限制

功率平衡

有功功率

存儲的能量限制

根據ESS的使用壽命，考慮0.2×WESS,max為最小充電狀態。

初始充電狀態

改變ESS中存儲的能量的必要性

正常的微電網功率傳輸實際上受到了限制

3 仿真結果

為了證明本文所提辦法的有效性，采用了兩個基準案例：33輛公共汽車和119輛公共汽車的配電網絡。這兩個系統都已成為多微電網系統。此外，這些系統中的最佳ESS分配在之前的工作中完成。

3.1 33總線配電網

首先，在修改后的33總線配電網上作小規模徑向配電網測試。該系統的標稱電壓為12.66kV，峰值負載為3715 kW，該網絡如圖3所示。該網絡被劃分為MG1到MG5，與操縱線（并列開關）對應的開關編號為S1至S5。此分配網絡中的虛線表示MG邊界。每日負載曲線如圖4所示。

圖3 33總線配電網規劃

圖4 配電網日負荷曲線

在本案例研究中，對于第23-24段第15小時的故障位置，結果如表1所示?？梢杂^察到，在23號線失去后，斷電的MG2將網絡分為兩部分。由于該線路位于MG2中，因此其他上游MG1、MG3、MG4和MG5必須根據其發電量和負載量發送所需的功率。從結果中可以看出，MG1無法提供任何動力。因此，其余的MG支持該島所需的電力。實際上，MG3、MG4和MG5可以通過關閉連接開關S5在故障的下游側提供如此大的功率。

表1 23-24段故障數據

每個正常微電網的份額分別為353.74kW、56.60kW和22.03kW。在故障發生后每小時計算一次島上存儲的發電量、消耗量和電力量，以計算孤島持續時間。如果在故障清除前每小時都有發電和用電的平衡，該島可以繼續正常運行。因此，與此變量對應的列中的每個數字都表示故障發生后該島可以繼續運行的總小時數。此表的最后一列顯示孤島在島中可以保留多長時間。對于此故障的發生，根據仿真結果，總線24和25無法繼續在島式模式下運行。

在某些情況下，孤島部分可能會在有限的時間內繼續其孤島作業。因此，此時無需關閉并列開關。例如，如果 18號線（2-19）在第15小時被移除，則包含19-22路公交車的孤島路段將在島上保留一小時。但是，一小時后，必須關閉并聯開關。

每個單元中的破折號表示負載供應中不涉及相應的MG。當然，在這種情況下，負載是完全供電的，它不需要從其他MG接收電力。本節所需的功率為175.74kW。唯一可以提供這種動力的MG是MG3。然而，由于其在擬議框架的第1階段執行的時間表，它僅提供約135.51kW的功率。因此，在S2關閉后，該島的其余部分所需的功率，即剩余的40.23kW，是從上游網絡中獲取的。

表2顯示了在第23行（23-24）第15小時發生故障后，正常運行的微電網中的RESs生成、存儲和負載量。通過將此表與表1進行比較，可以看出每個微電網在為其負載供電后提供了該島所需的一些功率。MG以525.02kW的速率提供負載，并向該島提供353.74kW的功率。同樣，可以對MG4和MG5進行這樣的分析。表3顯示了每個島嶼可以繼續運行的時間。

表2 23-24段MG3-MG5的發電量

表3 持續運行的時間

根據表3，如果5號線（5-6）在第10小時發生故障，則必須立即關閉扎帶開關，但如果此故障發生在第15小時，則該島可以繼續運行長達2小時而無需關閉拉桿開關。22號線（22-23號線）13-16小時發生的故障結果如表4所示。

表4 22-23段MG3-MG5的發電量

4 結語

本研究針對基于兩階段網絡通信網絡架構的徑向互聯微電網自愈問題提出了一個自愈操作框架。在第一階段，每個微電網中的本地控制系統（LCS）根據本地功耗目標調度可訪問的資源。在第二階段，許多LCS在全球范圍內進行通信以執行自愈操作。LCS的通信是使用共識算法完成的。然而，當微電網發生故障時，由第一階段的需求和供應信息，正常的微電網會盡可能地提供停電負載。為了驗證擬議框架的有效性，采用了兩個基準配電網絡（33總線和119總線）。通過使用遺傳算法，每個微電網的分配功率與每個微電網實際提供的功率相匹配。如果運行狀況良好的微電網無法提供所有必需的電源，則其余電源來自上游網絡。在基于平均共識算法的信息交換之后，指定分配給每個微電網的功率份額以提供島請求的功率。使用存儲在ESS中的能量來計算島運行時間，可以直到故障完全清除。