丁建忠，陳 銘

(國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

基于貪心算法的配電網(wǎng)負荷轉供路徑搜索方法

丁建忠，陳 銘

(國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)供電的最后環(huán)節(jié)，能否緊急應對各類失電故障顯得尤為重要。介紹了國內(nèi)外對配網(wǎng)轉供方案的研究包括了啟發(fā)式算法、隨機優(yōu)化算法、專家系統(tǒng)法、混合算法等。提出了一種基于貪心算法的配電網(wǎng)轉供路徑搜索方法，能實現(xiàn)開關操作次數(shù)最少的情況下，快速找到可行的轉供方案，并且盡可能不切負荷，提高了配網(wǎng)的供電可靠性。算例驗證所提方法的有效性。

配電網(wǎng)轉供；N-1 安全準則；貪心算法；拓撲模型；路徑搜索

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，其供電可靠性直接決定了用電質量和客戶滿意度。當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，除了需要隔離故障區(qū)域并將其盡快修復，還需要通過負荷轉供來盡可能降低故障對配電網(wǎng)整體的影響[1]。

負荷轉供是指配電網(wǎng)發(fā)生故障并進行隔離之后，通過開關的操作以及部分不重要負荷的切除，在滿足安全約束的條件下，快速優(yōu)先恢復故障下游重要負荷供電的同時，也盡可能恢復其他負荷的供電。負荷轉供因其可以明顯降低故障帶來的損失，提高供電可靠性[2-3]，成為配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中重要的核心功能之一。目前國內(nèi)外許多學者對負荷轉供提出的方法基本可以分成以下幾類：啟發(fā)式算法[4-7]、隨機優(yōu)化算法[8-10]、專家系統(tǒng)法[11-14]、混合算法[15-16]。

(1)啟發(fā)式算法根據(jù)規(guī)則能夠有效縮小求解空間，并且對各種不同結構的網(wǎng)絡具有很好的通用性；但方案的最優(yōu)性是無法做到的，解的優(yōu)劣依賴于網(wǎng)絡的初始狀態(tài)。

(2)隨機優(yōu)化算法的模型相對完善，在足夠的計算時間內(nèi)可以獲得最優(yōu)或者次優(yōu)方案，但是計算時間往往較長，不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡中。

(3)專家系統(tǒng)根據(jù)某個領域一個或者多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，能夠自動生成恢復故障需要操作的方案，實時性好，適用性廣，可應用于網(wǎng)絡較大時的方案求解，但庫的建立和集成費時費力，而且故障種類眾多，無法記錄全部情況。

在承擔配電網(wǎng)規(guī)劃、改造、運行、調(diào)度與檢修等任務時，通常要采用N-1安全準則進行配電網(wǎng)重構的供電安全分析。N-1安全準則是指正常運行方式下電力系統(tǒng)中任意一元件(如線路、發(fā)電機、變壓器等)無故障或因故障斷開后，電力系統(tǒng)應能保持穩(wěn)定運行和正常供電，其他元件不過負荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。對配電網(wǎng)影響最大的情況，就是一個供電源出現(xiàn)故障。

目前，N-1安全準則的負荷轉供方法主要包括：負荷法[3,17]、主變互聯(lián)轉供法[18-20]、綜合轉移矩陣法等[21]。

(1)負荷法提出把主變間聯(lián)絡饋線作為負荷轉供途徑，形成站間負荷轉移的思想雛形，但計算過程較為繁瑣。

(2)主變互聯(lián)轉供法將故障主變的負荷平均分配給其存在聯(lián)絡關系的主變，轉供思路清晰，計算量小，但存在負荷轉移路徑通暢和設備容量充足的假定，并未計及網(wǎng)絡結構和設備容量的約束。

(3)綜合轉移矩陣法考慮主變和聯(lián)絡線路容量的約束，更貼近實際配電網(wǎng)系統(tǒng)運行狀況，但由于未考慮主變?nèi)葺d比，轉供后可能出現(xiàn)主變負載率偏高甚至越限，部分主變負載率偏低的情況。

本文使用了一種基于貪心算法的負荷轉供策略計算方法，在滿足N-1安全準則的前提下，實現(xiàn)通過對開關執(zhí)行最少次數(shù)的操作，來恢復失電區(qū)域的供電，考慮到配電網(wǎng)中分布式光伏的建設和發(fā)展，本文還討論了本文方法應用在含分布式光伏配電網(wǎng)時的適用性。

1 配網(wǎng)拓撲模型

對于一個配電網(wǎng)絡，可將其抽象為由點集N和邊集E構成的拓撲圖。根據(jù)各節(jié)點的不同性質，可將所有節(jié)點歸為3類集合——電源節(jié)點集、負荷節(jié)點集和母線節(jié)點集。因為母線可以認為是各點無差別的，所以抽象的看就是一個節(jié)點。所有節(jié)點統(tǒng)一編號，寫作代表節(jié)點性質字母的下標。拓撲圖上連接相鄰點的邊包含一個開關。

圖1為某配網(wǎng)接線圖，經(jīng)過抽象簡化后形成如圖2所示的拓撲圖。

圖1 某配電網(wǎng)接線圖

圖2 某配電網(wǎng)拓撲圖

根據(jù)圖2的拓撲圖，可以發(fā)現(xiàn)配網(wǎng)可以劃分為若干個供電區(qū)塊。每個供電區(qū)塊均呈樹狀，其中的負荷節(jié)點和電源節(jié)點均為樹狀圖中的葉子節(jié)點，即去掉任意電源節(jié)點或負荷節(jié)點，余下部分依然呈樹狀。

2 貪心轉供算法

當配網(wǎng)中任意一個電源節(jié)點因故障退出運行，為了盡可能保證該電源節(jié)點對應的供電區(qū)塊負荷不斷電，需要采取轉供手段，從其他供電區(qū)塊調(diào)取電力。

貪心算法決策的基本原則是當前最優(yōu)原則，即每一步動作只需要考慮如何使當前環(huán)境下的效益最大化，結合配網(wǎng)轉供的具體問題來看，即如何盡可能的使實際開關投切總次數(shù)最少化。例如，能只從一個相鄰供電區(qū)塊獲得全部所需的電力，就不從兩個相鄰供電區(qū)塊獲得。為了滿足供電可靠性的要求，本文提出的貪心算法分為2個過程。過程一不包含切負荷操作，即尋找一種不斷電的轉供方案；如果過程一找不到這種方案，則進入過程二，通過切除一部分負荷，獲得可行的轉供方案。

2.1 貪心算法過程一

當供電區(qū)塊的電源點退出運行，搜索所有與相鄰且處于正常供電狀態(tài)的區(qū)塊，并找到其為轉供所需要閉合的連接開關。記可為轉供電力的相鄰供電區(qū)塊總數(shù)為t。過程一分為多步，最多執(zhí)行的步驟數(shù)為t。

第一步：任意閉合一個連接開關，遍歷所有可能情況。若任意一種情況下，潮流計算結果滿足正常運行條件，則停止并記錄該轉供方案。否則，若，執(zhí)行過程一第二步；若，執(zhí)行過程二。

第二步：任意閉合兩個連接開關，遍歷所有可能情況。為了避免出現(xiàn)環(huán)狀結構，需要將劃分為2個子供電區(qū)、。以連接開關對應的中的2個節(jié)點為起、始點，搜尋供電干路。從任意一側開始，依次試斷開干路上的各開關。若任意一種情況下，潮流計算結果滿足正常運行條件，則停止并記錄該轉供方案。否則，若，執(zhí)行過程一第三步；若，執(zhí)行過程二。

第三步：任意閉合三個連接開關，遍歷所有可能情況。為了避免出現(xiàn)環(huán)狀結構，需要將劃分為3個子供電區(qū)、、。具體實現(xiàn)方法類似第二步。若任意一種情況下，潮流計算結果滿足正常運行條件，則停止并記錄該轉供方案。否則，若，執(zhí)行過程一第四步；若，執(zhí)行過程二。

后續(xù)步驟與上述過程類同。

2.2 貪心算法過程二

當過程一無法提供可行方案時，需要進入過程二，通過切除部分負荷，得到可行的轉供方案。定性分析可知，提供轉供電力的鄰近區(qū)塊越多，失電區(qū)塊所需切除的負荷就越少，因此在過程二中，t個連接開關均需閉合。搜索t個連接開關所在干路，試斷開干路上的t-1個開關將劃分為t個子供電區(qū)，直到滿足前t-1個子供電區(qū)最大程度的利用所連接的鄰近供電區(qū)塊。易知，最后一個子供電區(qū)必然不能正常運行。按照從小到大的順序依次切除連接其上的負荷，當余下負荷恰能滿足正常運行條件時，停止并記錄該可行轉供方案。

圖3為貪心算法整體流程。

圖3 貪心算法整體流程圖

3 應用于含分布式光伏配電網(wǎng)的情況

分布式光伏發(fā)電是分布式電源技術和光伏發(fā)電技術的結合產(chǎn)物，其利用光伏組件，將太陽能轉化為電能。相比于集中式的光伏發(fā)電，分布式光伏發(fā)電更加靠近用戶，減少了電力運輸過程中的損耗，降低了成本，是一種經(jīng)濟、安全、環(huán)保的新能源利用方式。獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于存在隨機性和波動性等缺點，直接接入電網(wǎng)，容易引發(fā)電壓波動、功率平衡等問題[22]，所以也會配套使用儲能系統(tǒng)，構成光伏-儲能系統(tǒng)，保證供電的穩(wěn)定性。

隨著化石能源的不斷枯竭，能源結構轉型實為大勢所趨，可以預見未來配網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所占比例會越來越大。為了增強本文所提方法的適用性，結合實時情況，可將配網(wǎng)中的一個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)等效為一個電源節(jié)點加上一個負荷節(jié)點。當該光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電源向外提供能量時，可將負荷節(jié)點消耗功率標記為0；當該光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電池吸收外界能量時，可將電源節(jié)點發(fā)電功率標記為0。在不改變配網(wǎng)拓撲的前提下，該方法能夠表征分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種工作情況。

4 算例分析

為了更好的理解算法，以圖2拓撲圖為例，討論各種情況下的轉供方案。圖2中的光伏-儲能系統(tǒng)處于吸收外界能量狀態(tài)，故等效的電源節(jié)點標記為0。該圖可以劃分為3個供電區(qū)塊。各負荷大小及電源節(jié)點容量上限見表1。

表1 節(jié)點參數(shù)表

本算例中，線路容量與對應的電源容量一致，故在電源不超載運行時，線路也可正常運行，所以線路容量約束條件在本算例可不考慮。

當因故退出運行，搜索的鄰近供電區(qū)塊，有，則t=2，連接開關分別為、。首先進入貪心過程一，因為t=2，所以最多執(zhí)行兩步：(1)第一步，閉合、中的任意一個開關。和的備用容量分別為800 kW和1 100 kW，而失電區(qū)總負荷為1 700 kW，易知第一步無任意情況滿足正常運行條件；(2)第二步，閉合、兩個開關。搜索與連接開關、對應節(jié)點、之間的供電干路。上不帶負荷，故應斷開開關。由于所帶總負荷為1 200 kW，超過備用容量，則第二步仍無任意情況滿足正常運行條件。進入貪心過程二，閉合、兩個開關。斷開，所在子供電區(qū)最大程度利用。切除，剩余，最后一個子供電區(qū)能正常運行。輸出轉供方案，過程結束。

5 結語

本文將配電網(wǎng)中的節(jié)點歸為三類，提出了一種配電網(wǎng)拓撲圖的生成方法。在此基礎上，提出了一種基于貪心算法的配網(wǎng)轉供路徑搜索方法。該方法分為兩個過程：過程一不進行任何切負荷操作；當過程一無法找到可行的轉供方案，過程二通過切除部分負荷，提供合適的轉供方案。該方法能實現(xiàn)開關操作次數(shù)最少的情況下，快速找到可行的轉供方案，并且盡可能滿足不切負荷，提高了配網(wǎng)的供電可靠性。經(jīng)算例驗證，本文所提方法有效。

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(本文編輯：楊林青)

Route Search Method for Distribution Network Load Transfer Based on Greedy Algorithm

DING Jian-zhong, CHEN Ming

(State Grid Wuxi Power Supply Company, Wuxi 214061, China)

It is particularly important for distribution network, as the final part of power system, to handle different kinds of blackout. This paper reviews the research on distribution network load transfer schemes, including heuristic algorithm, stochastic optimization algorithm, expert system method and mixed algorithm. Then it proposes a method to search load transfer route in distribution network based on greedy algorithm, which can locate a feasible way fast with the least switch operations, and shed as less load as possible to reach the reliability demand. Calculation has verified the effectiveness of the proposed method.

load transfer in distribution network; N-1 safety criterion; greedy algorithm; topological model; route search

10.11973/dlyny201606004

丁建忠(1969)，男，高級工程師，副總經(jīng)理，從事電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度及生產(chǎn)管理工作。

TM76

A

2095-1256(2016)06-0681-05

2016-10-11