史常凱，徐斌，孟曉麗，宋曉輝，孫軍平

(1.中國電力科學研究院，北京市，100192;2.陜西渭南供電局，渭南市，714000)

0 引言

配電網(wǎng)處于電網(wǎng)末端，擔負著分配電能、服務客戶的重要任務，并具有點多面廣、構成復雜等特點。隨著配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡復雜程度日益加深以及對供電可靠性要求的提高，以及分布式電源等主動性、交互性負荷的發(fā)展，配電網(wǎng)逐步向多源復雜的智能配電網(wǎng)［1-2］轉變的趨勢明顯，與之相對應的配電網(wǎng)運行控制技術也面臨著新的技術需求。

配電自動化與自愈控制技術是智能配電網(wǎng)運行控制的核心技術，其中的配電網(wǎng)絡重構和供電恢復技術作為重要的運行控制手段，是優(yōu)化控制、恢復控制［3-4］的重要實現(xiàn)方式。本文重點分析在智能配電網(wǎng)條件下網(wǎng)絡重構和供電恢復問題面臨的若干技術需求，對與之相對應的研究方向或思路進行了探討，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 網(wǎng)絡重構與供電恢復的定位

配電網(wǎng)絡重構(簡稱“網(wǎng)絡重構”)簡單來說，就是在滿足系統(tǒng)各項約束的條件下(譬如拓撲約束、電氣約束和供電指標約束等)，通過閉合/開斷網(wǎng)絡中的分段、聯(lián)絡開關來改變網(wǎng)絡拓撲結構，以實現(xiàn)系統(tǒng)運行方式的改變，從而達到優(yōu)化某項或多項指標的目的。網(wǎng)絡重構主要應用于2個方面:在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，配電網(wǎng)絡重構作為優(yōu)化控制的手段，主要是以優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)為目的，比如減小網(wǎng)損、消除過載、提高供電質量等;在系統(tǒng)故障情況下，主要是通過分段、聯(lián)絡開關的開、斷狀態(tài)轉換，實現(xiàn)非故障停電區(qū)域的快速恢復供電［5］。本文所論述的網(wǎng)絡重構主要限定在以優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)為目標的范圍內。

供電恢復問題嚴格來說屬于配電網(wǎng)故障情況下的網(wǎng)絡重構范疇，作為恢復控制的重要手段，主要任務是在滿足配電網(wǎng)運行約束的前提下，以恢復負荷最大化、開關操作次數(shù)最小化、網(wǎng)絡運行方式優(yōu)化等為目標，通過網(wǎng)絡重構將盡可能多的斷電負荷轉移到正常供電區(qū)域［6］。

2 網(wǎng)絡重構技術需求

2.1 網(wǎng)絡重構的優(yōu)化目標

配電網(wǎng)實際運行中，隨著負荷大小、分布以及系統(tǒng)供電能力、電氣參數(shù)的實時變化，其運行狀態(tài)也是實時變化的。從理論上講，不同運行狀態(tài)應該對應著一個最優(yōu)的網(wǎng)絡結構［7］，在這個網(wǎng)絡結構下，可以實現(xiàn)電網(wǎng)運行損耗最小、電能質量最好、負荷分布最均衡等某項目標最優(yōu)或某幾個目標的綜合最優(yōu)。網(wǎng)絡重構的優(yōu)化目標可以有多種選擇。

2.1.1 經(jīng)濟運行

現(xiàn)實中配電系統(tǒng)潮流分布在不斷變化中，因此以有功功率損耗最小為目標，或者說是以配電網(wǎng)經(jīng)濟運行為目標的最優(yōu)結構也可能隨之發(fā)生改變。以經(jīng)濟運行為優(yōu)化目標的網(wǎng)絡重構目標函數(shù)可以表示為

式中:N為支路數(shù);Pi、Qi是支路i末端流過的有功功率和無功功率;Vi是支路i末端電壓幅值。

2.1.2 負荷均衡分布

負荷均衡分布包括配電系統(tǒng)各饋線間、各變電站間2個層次的概念，是指系統(tǒng)負荷分布與各饋線、變電站的供電能力相匹配，以提高系統(tǒng)設備的運行效率，提高系統(tǒng)供電能力、降低網(wǎng)絡損耗和降低過負荷風險等。以負荷均衡分布為優(yōu)化目標的配電網(wǎng)重構目標函數(shù)可以表示為

式中:Eqj、Eqsys分別是饋線負荷平衡系數(shù)和系統(tǒng)負荷平衡系數(shù);L為饋線數(shù)量;Sj、Sjmax是饋線出口功率、最大容量。上述公式同樣適用于變電站間負荷均衡分布的目標。

2.1.3 提高可靠性

影響配電網(wǎng)供電可靠性的眾多因素中，配電網(wǎng)的運行方式是十分重要的環(huán)節(jié)。搜索可以在不改變其他條件情況下系統(tǒng)可靠性最優(yōu)的網(wǎng)絡運行方案，可以有效減少停電頻次和時間。以提高可靠性為優(yōu)化目標的配電網(wǎng)重構目標函數(shù)可以表示為式中:M為負荷點數(shù)量;Pk是負荷點k的年平均負荷;Ck(R)是負荷點k在系統(tǒng)開關狀態(tài)組合R下的年停電時間。

2.1.4 多目標優(yōu)化

網(wǎng)絡重構應該是一個多目標協(xié)調優(yōu)化的問題，通過網(wǎng)絡重構不僅希望帶來經(jīng)濟性方面的改善，也期望可以改善電壓質量、提高可靠性等。目前對配電網(wǎng)絡重構多目標優(yōu)化的處理，大多是以經(jīng)濟性目標為主體，通過罰函數(shù)的形式將負荷均衡、電壓質量等目標進行量化，然后與經(jīng)濟運行目標進行綜合，實現(xiàn)在某種程度上的綜合優(yōu)化。

2.2 重點研究方向探討

網(wǎng)絡重構技術在智能配電網(wǎng)條件下，需要著重應對大規(guī)模復雜網(wǎng)絡、多能源形式接入等帶來的挑戰(zhàn)。具體來說重點研究需求包括網(wǎng)絡重構啟動策略、大規(guī)模復雜網(wǎng)絡的離線/在線網(wǎng)絡重構和計算方法選擇等網(wǎng)絡重構研究固有問題，以及計及分布式電源的網(wǎng)絡重構等新問題。

2.2.1 網(wǎng)絡重構啟動策略

從理論上講每個時間斷面都可能對應1個最優(yōu)的網(wǎng)絡結構，使得系統(tǒng)損耗、負荷點電壓水平等優(yōu)于其他可能的網(wǎng)絡結構。但在實際電網(wǎng)運行管理中，不論從網(wǎng)絡重構計算能力、設備壽命還是電網(wǎng)運行維護習慣來說，都不可能允許分段、聯(lián)絡開關處于一種開/斷狀態(tài)高頻次切換、網(wǎng)絡結構不斷調整的狀態(tài)。這樣就帶來一個需要關注的研究方向，即在何種情況下應該啟動網(wǎng)絡重構，或者說是網(wǎng)絡重構啟動策略問題。

(1)綜合歷史、實時和預測數(shù)據(jù)的重構方案。

當網(wǎng)絡重構作為系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的優(yōu)化控制手段時，為避免網(wǎng)絡結構的頻繁變換和開關的頻繁操作，不能僅僅依賴某一時間斷面的數(shù)據(jù)，而是應該綜合供需雙方的歷史、當前和預測數(shù)據(jù)，以獲得某一時間段內(如1個月、1個季度)累積效果最優(yōu)或較優(yōu)的方案。

可以通過一定等值計算采用階梯形曲線來近似替代實際的系統(tǒng)運行狀態(tài)變化曲線，也可以考慮引入概率模型來模擬未來一段時間內的系統(tǒng)運行狀態(tài)，結合開關性能、運維習慣等，以確定某給定時間段內的最優(yōu)或較優(yōu)重構方案。

(2)設置合理的重構啟動閾值。

當網(wǎng)絡重構作為系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的優(yōu)化控制手段時，結合歷史、實時、預測數(shù)據(jù)確定的重構方案并付諸實施一般可以獲得較好的運行效果，但是在實際配電網(wǎng)運行過程中，當預測數(shù)據(jù)與實際情況有較大出入時，則可能新的網(wǎng)絡重構方案相對于現(xiàn)有網(wǎng)絡組態(tài)的優(yōu)化效果更為明顯，當優(yōu)化效果超過一定閾值時，就應該啟動新一輪的網(wǎng)絡重構方案。

當網(wǎng)絡重構作為緊急情況下的控制手段時，比如可能危及系統(tǒng)安全性的重載/過載情況，則應該研究設定一定閾值，即在何種情況下需要盡快啟動網(wǎng)絡重構以消除這種可能性。

2.2.2 離線/在線網(wǎng)絡重構和計算方法的選擇

網(wǎng)絡重構的理想狀態(tài)是可以實時或基本實時地跟蹤系統(tǒng)運行狀態(tài)，達到系統(tǒng)運行方式的動態(tài)優(yōu)化目的。由于系統(tǒng)規(guī)模、網(wǎng)架結構、開關性能、通信信道、仿真計算速度等實際因素的制約，真正實現(xiàn)實時跟蹤的動態(tài)網(wǎng)絡重構十分困難，并且在許多情況下具備實時調整能力的網(wǎng)絡重構并無必要，同時也不符合電網(wǎng)實際運行維護習慣。需要說明的是在某些較為緊急場景下，具備一定在線計算和操作能力的網(wǎng)絡重構確實是必要的。

(1)離線/在線網(wǎng)絡重構適用場景。

配電網(wǎng)正常運行情況下，以減少網(wǎng)絡損耗、提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平，調整系統(tǒng)負荷均衡水平(非超載/重載條件下)，提高系統(tǒng)可靠性等為目標(非故障情況下)的網(wǎng)絡重構基本都可以接受離線計算方式。因為正常運行狀態(tài)下，對網(wǎng)絡重構計算的時效性要求不高，更強調的是方案優(yōu)化問題，并且智能配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構復雜、開關組合信息龐大，采用離線計算方式可以得出更為科學的操作方案。

在某些較為緊急場景下，比如某條饋線或變電站重載情況嚴重并有可能影響系統(tǒng)安全性的情況，這些場景下的網(wǎng)絡重構應及時反應并采取相應措施，需要以實時或準實時運行數(shù)據(jù)為計算決策依據(jù)，在線快速得出網(wǎng)絡運行調整方案并執(zhí)行，也就是需要在線計算方式的網(wǎng)絡重構。

(2)離線/在線網(wǎng)絡重構計算策略的選擇。

離線/在線方式的網(wǎng)絡重構適用于不同目標場景，對計算時間、精度的要求也不盡相同，因此應該在不同應用條件下采用適宜的網(wǎng)絡重構計算策略。

對離線方式而言，對計算速度要求不高，因此可以考慮計算時間較長但可以得到最優(yōu)(或接近最優(yōu))的計算方法，比如一些人工智能方法［8-9］或者多種方法的混合使用;對于在線(準實時)計算而言，則適宜采用可以快速得到較優(yōu)可行解的計算方法，比如基于規(guī)則的啟發(fā)式方法［10-11］等，或多種方法的混合使用。

2.2.3 含分布式電源的網(wǎng)絡重構

分布式電源接入的位置、注入功率以及功率因數(shù)的不同，都將對網(wǎng)絡重構方案造成影響，例如功率因數(shù)由滯后到超前的變化，則分布式電源就從提供無功功率轉化到從系統(tǒng)吸收無功功率，網(wǎng)絡重構方案將可能隨著發(fā)生變化;總出力相同的分布式電源集中接入和分散式接入，重構結果也可能不同;隨著分布式電源注入有功功率的增加，系統(tǒng)有功損耗降低、節(jié)點電壓升高，同樣也會影響到重構方案。因此應該綜合考慮各類因素，盡量得出整體較優(yōu)結果。

對不含儲能裝置的風力、光伏發(fā)電等不可調度式分布式電源而言，其輸出功率由風速、光強等因素決定，隨機性較強，導致網(wǎng)絡最優(yōu)結構也可能隨時發(fā)生改變。為避免頻繁的開關操作，目前主流做法是選擇給定時間段內某時刻的分布式電源輸出功率和峰值負荷狀態(tài)作為系統(tǒng)代表狀態(tài)，然后就這一狀態(tài)下的目標函數(shù)最優(yōu)化提出網(wǎng)絡重構的開關操作方案，但這種方法只得出某一時刻的優(yōu)化方案，往往不是整體較優(yōu)的結果，因此未來應該在網(wǎng)絡重構計算中結合分布式電源出力預測和系統(tǒng)負荷預測，研究在一定時間段內的綜合優(yōu)化方案。

對于可調度式分布式電源［12］而言，因其具有優(yōu)良的調節(jié)性能，其輸出功率可根據(jù)要求進行控制，為充分發(fā)揮其對提高配電網(wǎng)經(jīng)濟運行、電能質量和供電可靠性的作用，則應從系統(tǒng)和分布式電源兩個方面出發(fā)，也就是要對開關狀態(tài)和分布式電源注入功率兩種控制變量同時進行優(yōu)化，以達到整體較優(yōu)結果，這也是未來的一個重要研究方向。

3 供電恢復技術需求

3.1 供電恢復的優(yōu)化目標

供電恢復的核心目標是在允許的電氣、拓撲等約束條件下，通過開關的開、斷操作，盡可能多地將非故障停電區(qū)域的負荷轉供到正常的饋線上，同時考慮到開關操作壽命等，要求開關的操作次數(shù)越少越好。故障恢復的主要目標包括以下幾點。

(1)負荷恢復最大化。

要求供電恢復決策應盡可能多地恢復非故障停電區(qū)域的用戶供電，或者是盡可能少地切負荷，這是供電恢復最重要也是最基本的目標。負荷恢復最大化可以是絕對量的最大化，也可以綜合考慮負荷重要程度來進行加權處理。以負荷恢復最大為目標的供電恢復目標函數(shù)可以表示為

式中:Pk為待恢復供電負荷k的負荷量;yk是恢復狀態(tài)量，1表示可恢復，0表示不能恢復;R是非故障停電區(qū)待恢復負荷的集合。

(2)開關操作最少化。

供電恢復最終是要通過分段、聯(lián)絡開關狀態(tài)的變化來實現(xiàn)非故障停電區(qū)負荷的轉供。由于開關壽命與操作次數(shù)密切相關，更為重要的是在實際電網(wǎng)中還有很多開關的操作不能實現(xiàn)遙控，這樣開關操作數(shù)量就與供電恢復所花費的時間密切相關，因此供電恢復決策的一個很重要指標就是要求在恢復負荷得到保證的前提下盡可能減少開關操作數(shù)量。開關操作次數(shù)最小化的目標函數(shù)可以表示為

式中:Ns表示供電恢復過程中所需的開關操作次數(shù)。

(3)運行指標優(yōu)化。

不同的供電恢復方案在執(zhí)行后，可能對配電網(wǎng)經(jīng)濟運行、負荷均衡等系統(tǒng)優(yōu)化方面的效果并不一致，因此在滿足恢復負荷最大化等基本目標的基礎上還要適當考慮對系統(tǒng)運行優(yōu)化的影響。

經(jīng)濟運行目標可以用轉供路徑所增加的功率損耗最小來表達，目標函數(shù)可以表示為

式中:Ntran表示在某一供電恢復方案中轉供路徑的數(shù)量;d Plj表示非故障停電區(qū)轉供負荷后沿第j條轉供路徑所增加的功率損耗。

負荷均衡目標是指恢復方案應盡量將失電區(qū)域的負荷按照各個聯(lián)絡饋線的轉供能力均勻分配，即轉帶負荷后各聯(lián)絡饋線的負載率比較均衡，目標函數(shù)可以表示為

式中:F、Ftran分別表示在某一供電恢復方案中起到轉供作用饋線的集合和數(shù)量;Si、Simax分別表示饋線出口功率和最大容量。

(4)多目標優(yōu)化。

供電恢復也應該是一個多目標優(yōu)化的問題，但是各目標的優(yōu)先級不一樣，因此在處理具體問題時，可以根據(jù)實際情況選擇幾個指標作為目標函數(shù)，采用加權處理或者分級處理的方式，實現(xiàn)計及多目標的綜合優(yōu)化。

3.2 供電恢復的重點研究方向探討

供電恢復是目前配電自動化中最基本、最重要也是應用最廣泛的功能之一，可以有效減小停電范圍、停電時間，提高故障處理的業(yè)務自動化和決策智能化水平。目前供電恢復研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括配電網(wǎng)結構日益復雜、分布式電源接入、自然災害應對等問題，因此可以面向實際工程應用的大規(guī)模復雜配電網(wǎng)供電恢復、計及分布式電源支持能力的供電恢復以及大面積停電情況下的快速恢復供電都成為需要盡快解決的問題。

3.2.1 大規(guī)模復雜配電網(wǎng)的快速供電恢復

未來配電網(wǎng)的結構將會更加復雜，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，系統(tǒng)面臨的不可預測事件將會越來越多，這些問題使得想從全局來考慮、適應各種復雜結構并且可以快速得出較優(yōu)供電恢復方案的想法越來越難以實現(xiàn)。

近年來關于供電恢復的研究很多，但往往存在2個方面問題:(1)面向實際工程應用的供電恢復方法一般以追求簡單實用為主，著眼于快速得出可行方案，這樣往往在解決較復雜網(wǎng)絡的供電恢復問題上不盡滿意;(2)學術研究領域已經(jīng)開展許多理論性較強的算法研究，但同時存在與實際電網(wǎng)運行、維護、管理情況不盡符合的情況，或者是為得出較優(yōu)解需要耗費較長時間，難以在實際工程中應用。綜合上述，未來供電恢復的研究需要更加注重實用性、先進性相結合，注重與電網(wǎng)實際運行維護情況、設備性能現(xiàn)狀等方面的吻合，同時還要適應未來復雜配電網(wǎng)的要求。

可以從以下幾個方面重點研究:(1)由于現(xiàn)有各類供電恢復計算方法都有各自優(yōu)缺點和適用范圍，未來實現(xiàn)各類算法的合理結合將是一個趨勢，比如啟發(fā)式搜索和模糊推理相結合，建立故障恢復算法集和模糊專家系統(tǒng)來實現(xiàn)故障信息與算法的匹配等;(2)供電恢復計算過程中有部分計算可以采用離線方式實現(xiàn)，可以考慮離線和在線計算相結合，縮短在線計算時間從而可以快速得出恢復方案;(3)為進一步提高恢復效率，縮短恢復時間，如何采用并行式處理手段，開發(fā)出更加全面可靠的綜合智能技術也將是重要的研究方向。

3.2.2 含分布式電源的配電網(wǎng)供電恢復

分布式電源類型眾多，其數(shù)學模型及在電網(wǎng)中承擔的任務不盡相同，不能按照常規(guī)電網(wǎng)中的電源進行處理，因此含分布式電源的供電恢復問題不能直接套用傳統(tǒng)的恢復算法［13］。

含分布式電源的供電恢復問題需要首先考慮充分利用分布式電源對系統(tǒng)的支持作用，即當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，首先由主保護切除故障，然后利用孤島劃分算法根據(jù)故障前的實時數(shù)據(jù)制定合理的孤島劃分方案，最后執(zhí)行孤島劃分方案，將配電網(wǎng)轉化為孤島運行方式。孤島的劃分應全面考慮孤島運行的特點以及電力系統(tǒng)對供電可靠性的要求，既保證孤島的穩(wěn)定運行，又盡量使系統(tǒng)的停電損失降到最小。這樣就需要結合各類分布式電源系統(tǒng)的運行控制特點，研究科學的孤島劃分方法，可以在故障發(fā)生后快速地使配電網(wǎng)過渡到孤島運行方式，在故障被清除后，再恢復到正常運行狀態(tài)。

3.2.3 大面積斷電情況下快速供電恢復

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大和系統(tǒng)內關聯(lián)性的加強，以及局部地區(qū)自然災害頻繁帶來的壓力，配電網(wǎng)大面積斷電的風險持續(xù)存在，為減少可能情況對用戶、電網(wǎng)的影響，研究大面積停電情況下的快速供電恢復方法就顯得十分必要。

對于配電網(wǎng)而言，大面積斷電供電恢復主要是指對于發(fā)生單座或多座主變電站的多條10 kV母線失壓這類影響較大的事故后，研究如何在不造成過負荷的原則下，以甩負荷量最小為基本目標(或通過一定權值處理后的甩負荷量)來最大限度地將受影響的負荷成批快速轉移到其他健全電源點上。主要研究方向包括線路最小甩負荷策略生成、連通系最小甩負荷批量負荷轉移策略生成、自動生成最佳開關操作順序等方面。

4 結語

智能配電網(wǎng)條件下，網(wǎng)絡重構、供電恢復面臨著大規(guī)模復雜網(wǎng)絡、分布式電源等眾多新的挑戰(zhàn)，但同時也存在許多有利條件，例如通過大量智能量測設備可以獲得更加全面、豐富、可信的電網(wǎng)運行信息，分布式/并行計算技術的發(fā)展與應用等。未來網(wǎng)絡重構和供電恢復技術必將在提高配電網(wǎng)可靠、高效運行水平以及實現(xiàn)各類分布式清潔電源高效利用等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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