許琬昱， 王增平， 趙 喬， 呂 哲， 張紹輝

(1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206； 2.國網(wǎng)河南省電力有限公司鄭州供電分公司， 河南 鄭州 450000)

0 引 言

配電網(wǎng)是聯(lián)系發(fā)、輸電系統(tǒng)與終端用戶的重要紐帶，作為電力系統(tǒng)的“最后一公里”，其安全穩(wěn)定運行直接影響著千家萬戶的可靠用電。然而配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行工況多變，每年超過80%的系統(tǒng)故障停電發(fā)生在配網(wǎng)側(cè)，由此造成的經(jīng)濟損失巨大[1]。隨著配電自動化系統(tǒng)的不斷完善以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；ㄔO(shè)，全息感知配電系統(tǒng)主設(shè)備的實時運行風險成為可能。利用風險源數(shù)據(jù)量化系統(tǒng)運行風險，對超出安全閾值的情況及時采取主動性預(yù)防控制措施，能夠從源頭上降低系統(tǒng)停電事故的概率與影響的范圍，具有較強的現(xiàn)實研究意義。

實施有效主動重構(gòu)措施的前提是建立合理的配電網(wǎng)風險評估體系，目前國內(nèi)外學者關(guān)于配電網(wǎng)的風險評估研究主要分為以下兩類：一類是以運行經(jīng)濟指標[2，3]或者設(shè)備健康指數(shù)[4]為目標，服務(wù)于系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計[5，6]與檢修任務(wù)[7，8]，其風險評估的周期較長，無法為配電系統(tǒng)進行實時安全防御控制提供指導(dǎo)；二是以制定預(yù)想事故集[9，10]為目標的負荷實時風險評估，即對配網(wǎng)正常運行時的工況進行事故預(yù)想，提前制定高風險故障發(fā)生后的負荷恢復(fù)轉(zhuǎn)供方案。其風險評估的目的是提高故障后配電網(wǎng)負荷恢復(fù)供電的速度，而非事前預(yù)警、消除存在的風險隱患。本文針對事故前的高風險工況，通過實施故障前的主動重構(gòu)措施，平衡設(shè)備越限情況，事前轉(zhuǎn)帶重要負荷，降低高概率事故影響范圍，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)實時風險防控的目標。

本文提出一種面向配電網(wǎng)風險預(yù)防的主動重構(gòu)策略，旨在配電網(wǎng)風險增加、惡化演變的過程中通過網(wǎng)絡(luò)主動重構(gòu)措施改變系統(tǒng)運行拓撲，降低故障風險，避免惡性停電事故的發(fā)生。文章首先建立配電網(wǎng)的實時風險評估模型，選取代表配電網(wǎng)設(shè)備運行可靠性與其停電后果嚴重程度的風險指標，通過量化分析確定系統(tǒng)的實時運行風險值；當風險值高出安全警戒線時，以降低風險值和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)開關(guān)操作次數(shù)最小為目標函數(shù)進行主動重構(gòu)，實現(xiàn)通過改變風險狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)的運行安全穩(wěn)定性的目標。

1 配電網(wǎng)運行風險評估

配電網(wǎng)風險運行具體表現(xiàn)為系統(tǒng)故障發(fā)生的概率高且造成的后果較為嚴重[11]。故從配電設(shè)備運行可靠性與設(shè)備故障造成的后果影響兩個方面對系統(tǒng)風險運行程度進行綜合量化分析，得出系統(tǒng)的實時風險值，同時為接下來的主動重構(gòu)策略提供可調(diào)控的目標函數(shù)。

1.1 設(shè)備運行可靠性診斷

影響設(shè)備故障停運的風險因素主要分為內(nèi)部風險源(運行工況、歷史不良記錄)與外部風險源(惡劣天氣、施工破壞)兩方面，對其進行量化分析以診斷設(shè)備的實時運行可靠性。

(1)運行工況，配電主設(shè)備運行在過負荷或電壓越限情況下物理性能會有一定程度的損傷，嚴重可能導(dǎo)致設(shè)備保護跳閘進而引發(fā)負荷失電。隨著電氣量越限程度與越限時間的雙重積累，設(shè)備的故障概率呈指數(shù)型上升趨勢，由此將設(shè)備過負荷以及電壓越限[12]的風險值定義為

(1)

(2)

式中：I為流經(jīng)設(shè)備的電流標幺值；LA為t時刻過負荷的風險瞬時值，將LA在評估周期Δt內(nèi)進行積分得到過負荷的風險累計值RA。

(3)

(4)

式中：V為節(jié)點電壓標幺值；LV為t時刻電壓越限的風險瞬時值，將LV在評估周期Δt內(nèi)進行積分可得到電壓越限的風險累計值RV。

(2)歷史不良記錄，指設(shè)備運行老化程度、歷史故障及越限運行記錄以及同批次設(shè)備的缺陷記錄等，以上數(shù)據(jù)將影響設(shè)備當前的健康狀況，進而給設(shè)備的實時運行可靠性帶來一定風險?；谠O(shè)備全運行過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可得歷史不良記錄影響下設(shè)備故障風險值：

(5)

式中：RH為歷史記錄影響下設(shè)備故障風險值，由老化程度、越限記錄及同批次設(shè)備缺陷記錄三部分組成；k1、k2、k3分別為各部分比例因子；A為設(shè)備老化參數(shù)；t為設(shè)備投運時長；T為設(shè)備額定壽命；Ej為設(shè)備第j次越限嚴重程度；ΔTj為設(shè)備歷史越限時長；Px為同批次設(shè)備的家族性的物理缺陷影響下的設(shè)備運行可靠性的置信水平。

(3)施工破壞，人為的施工會導(dǎo)致其附近配電設(shè)備發(fā)生概率性的破壞事件，影響設(shè)備可靠運行，故根據(jù)不同施工強度，對處于施工范圍內(nèi)的配電設(shè)備選取相應(yīng)的風險權(quán)重值RC。

(4)惡劣天氣，配電網(wǎng)主電氣設(shè)備大部分暴露在室外，易受如雷電、覆冰、降雨、臺風等氣象災(zāi)害的影響[13]，故對處于惡劣天氣范圍內(nèi)的配電網(wǎng)主電氣設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的風險權(quán)重值如表1所示。

表1 惡劣天氣的風險權(quán)值

綜上所述，配電網(wǎng)設(shè)備的實時運行工況、歷史記錄以及惡劣天氣、施工破壞等外界因素均會對設(shè)備運行可靠性造成一定的影響。將內(nèi)部風險值(運行工況、歷史記錄)累加作為設(shè)備自身的故障概率，其在外部風險源(惡劣天氣、施工破壞)的影響下呈現(xiàn)倍數(shù)性增大，故將設(shè)備的運行可靠性定義為

RP=(RA+RV+RH)×RW×RC

(6)

式中：RP為設(shè)備的運行可靠性；RA、RV為設(shè)備電氣量越限風險的累計值；RH為歷史記錄影響下的設(shè)備故障概率風險值；RW為惡劣天氣的風險權(quán)重值；RC為施工破壞影響下的風險權(quán)重值。

1.2 設(shè)備故障后果影響評估

配電網(wǎng)中，設(shè)備停運造成的后果與設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)拓撲位置密切相關(guān)。在輻射型網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備一旦退運，通過故障定位和故障隔離、轉(zhuǎn)供電等處理措施，該設(shè)備所處饋線上游負荷的電能質(zhì)量會受到一定程度的影響，而故障下游負荷則會出現(xiàn)不同程度的短時失電。故設(shè)備故障后果影響的評估主要參照其所在饋線的下游負荷量與負荷的重要程度權(quán)值。

根據(jù)電力用戶對供電可靠性的要求不同，設(shè)置負荷重要程度權(quán)重表，如表2所示。

表2 負荷重要程度權(quán)重表

設(shè)備停運導(dǎo)致其下游重要負荷短時失電比例越高，該設(shè)備停運造成的故障后果越嚴重。根據(jù)負荷等級，一級負荷發(fā)生停電事故的后果最嚴重，二級負荷次之，三級負荷最小。定義設(shè)備的故障后果值為

(7)

式中：RF為設(shè)備的故障后果評估值；Pi為該設(shè)備下游第i個負荷的有功功率；ci為此負荷的權(quán)重系數(shù)；M為下游負荷總數(shù)；Pj為設(shè)備所在饋線上第j個負荷的有功功率；cj為此負荷的權(quán)重系數(shù)；N為設(shè)備所在饋線上的負荷總個數(shù)。

1.3 系統(tǒng)風險評估體系

考慮到配電網(wǎng)風險的多面性和復(fù)雜性的特點，首先對系統(tǒng)中各個主設(shè)備進行“分診”。通常風險評估主要指各風險發(fā)生的可能性及其造成后果的嚴重性[14]。由此，本文通過評估設(shè)備運行可靠性及其故障后果影響，將二者的乘積定義為該設(shè)備的整體風險值。當設(shè)備運行可靠性較低且故障后果較為嚴重時，設(shè)備的風險值將會有顯著的增加。搭建系統(tǒng)風險評估體系如圖1所示，通過對各個設(shè)備的風險值的累加實現(xiàn)對配電網(wǎng)系統(tǒng)風險狀態(tài)的“會診”，如式(8)所示：

(8)

式中：VAR為配電系統(tǒng)風險值；RP,i為系統(tǒng)中第i臺設(shè)備的運行可靠性；RF,i為系統(tǒng)中第i臺設(shè)備的故障后果評估值；Q為系統(tǒng)中設(shè)備的總數(shù)。

圖1 系統(tǒng)實時風險評估體系Fig.1 Real-time risk assessment system

2 配電網(wǎng)風險防控模型

本文將主動重構(gòu)作為配電網(wǎng)風險防控的主要手段，下面詳細介紹其數(shù)學模型及實現(xiàn)過程。

2.1 目標函數(shù)

根據(jù)上文所述，同時考慮到應(yīng)盡量減少設(shè)備開關(guān)動作次數(shù)，提高運行可靠性，將配電系統(tǒng)實時風險值最小以及開關(guān)操作次數(shù)最小作為多目標函數(shù)進行分析計算。

minVAR

(9)

(10)

式中：VAR為配電系統(tǒng)風險值；NS為配電網(wǎng)中可操作開關(guān)總數(shù)；xi為重構(gòu)后開關(guān)i的狀態(tài)；xi0為重構(gòu)前開關(guān)i的狀態(tài)，開關(guān)的狀態(tài)通過二進制“0”和“1”來表示(“0”表示開關(guān)打開，“1”表示開關(guān)閉合)。式(10)的目標是配電網(wǎng)重構(gòu)過程中開關(guān)操作次數(shù)最小。

2.2 約束條件

(1)潮流約束：配電網(wǎng)重構(gòu)方案需滿足潮流約束方程。

(2)節(jié)點電壓約束為Ui,min≤Ui≤Ui,max，式中Ui,min、Ui,max分別為節(jié)點i的下、上限電壓。

(3)支路容量約束為il≤il,max，式中il、il,max分別為各支路流過的電流和允許的最大載流量。

(4)網(wǎng)絡(luò)拓撲約束：重構(gòu)后的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足輻射狀約束。

2.3 尋優(yōu)算法

應(yīng)用多目標免疫粒子群算法(IPSO)進行尋優(yōu)重構(gòu)，算法流程如圖2所示。算法中的粒子由系統(tǒng)中所有開關(guān)的開合狀態(tài)組成，代表網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的結(jié)果[15，16]。以風險防控為目標的主動重構(gòu)策略，即在保證配電網(wǎng)的輻射狀運行前提下，經(jīng)過粒子群的迭代尋優(yōu)，生成若干個降低系統(tǒng)風險值的非支配解作為主動重構(gòu)方案的解集。

引入免疫思想提升算法的種群多樣性與收斂速度。在粒子群的迭代過程中，根據(jù)濃度概率選擇機制選擇濃度較低的粒子，抑制濃度較高的粒子，由此保證粒子群體的多樣性和算法的全局搜索能力；在粒子篩選的過程中，保留與最優(yōu)解親和度較大的候選解，減少算法的迭代次數(shù)，提升算法速度。粒子的位置更新公式為

(11)

(12)

(13)

圖2 多目標免疫粒子群策略Fig.2 Multi-objective immune particle swarm optimization strategy

3 配電網(wǎng)風險防控系統(tǒng)

基于前述配電網(wǎng)風險狀態(tài)下的主動重構(gòu)策略，提出配電網(wǎng)的風險防控系統(tǒng)，如圖3所示。在配電網(wǎng)實時運行的過程中，利用配電網(wǎng)信息物理平臺，對當前運行方式下的電氣量運行水平、負荷強度、實時外部運行環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等信息進行實時態(tài)勢感知反饋，在風險評估模塊經(jīng)數(shù)據(jù)分析后得到當前系統(tǒng)實時風險值VAR，然后進行邏輯判斷，如果VAR低于預(yù)設(shè)定的安全警戒線VARset，則返回當前配電網(wǎng)的風險計算子模塊；如果高于VARset，則以最小風險值與最少開關(guān)操作次數(shù)為多目標進行主動性重構(gòu)。將優(yōu)化后的重構(gòu)方案上傳至配電網(wǎng)管理系統(tǒng)(DMS)，待決策人員通過后，利用高級配電自動化系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[17]。

圖3 風險防控系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Diagram of risk prevention and control system

所提風險防控系統(tǒng)既可用于配電網(wǎng)的在線安全監(jiān)測，指導(dǎo)風險狀態(tài)下的防控重構(gòu)策略，降低事故的概率與損失；也可以作為離線計算平臺，根據(jù)信息物理平臺存儲的歷史數(shù)據(jù)以及施工計劃等影響，離線計算系統(tǒng)安全可靠的運行方式，配合調(diào)整配電網(wǎng)的短期運行規(guī)劃。

4 仿真驗證

以IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)為例驗證本文所提模型與算法的有效性。如圖4所示，系統(tǒng)有37條支路，33個節(jié)點，5個聯(lián)絡(luò)開關(guān)，額定電壓為12.66 kV，各節(jié)點負荷等級如表3所示。根據(jù)城市微氣象站上傳的反饋信息，在圖中劃分惡劣天氣(雷雨大風)影響的配電范圍。

圖4 IEEE33節(jié)點拓撲圖 Fig.4 IEEE 33 bus system with its topological graph

負荷等級負荷節(jié)點一級負荷4,16,17,29,30二級負荷5,9,12,13,14,15,22,24,25三級負荷其余節(jié)點

采用本文所述風險評估體系對初始運行狀態(tài)下的配電系統(tǒng)進行風險評估計算，當前系統(tǒng)風險值為9.772。由于設(shè)備9～18受到惡劣天氣影響，且這些設(shè)備所帶下游負荷較多，導(dǎo)致系統(tǒng)的風險值上升。表4為典型高風險設(shè)備的計算結(jié)果。

以配電系統(tǒng)最小風險值和最少開關(guān)操作次數(shù)為優(yōu)化目標，利用多目標免疫粒子群算法進行主動重構(gòu)方案的尋優(yōu)，算法設(shè)種群規(guī)模為30，外部粒子群規(guī)模為10；ω=0.5，ωdamp=0.99，vmax=4，vmin=-4，最大迭代次數(shù)為50次。經(jīng)過算法迭代得到的pareto最優(yōu)解集如表5所示。

表4 初始狀態(tài)下部分設(shè)備風險計算結(jié)果

Tab.4 Risk calculation results under initial operation state

設(shè)備設(shè)備可靠性診斷RARVRHRWRC故障后果評估RF風險值VARi602.530110.7141.8061203.740.2210.2992.356170.124.450210.0600.548200.7900110.3910.309232.2500.2110.6961.702261.520.2630.2110.6371.263303.3980.4000110.3111.181

表5 最優(yōu)解集

由于本文使用多目標粒子群優(yōu)化算法，故會產(chǎn)生多組互不支配的解構(gòu)成最優(yōu)前沿。從尋優(yōu)結(jié)果來看，5個重構(gòu)方案都在盡量少的開關(guān)動作次數(shù)下，降低了系統(tǒng)的風險值。后續(xù)決策人員可根據(jù)實際情況選擇偏好的重構(gòu)方案。本文以風險值降低最為明顯的方案2為例進行討論分析，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，對應(yīng)設(shè)備的風險評估結(jié)果如表6所示。

對比通過方案2的重構(gòu)方式改善后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為兩方面：其一，減小低可靠性設(shè)備的故障后果影響，由圖4可以看出，重構(gòu)方案通過打開開關(guān)9和14將高風險設(shè)備置于供電路徑末梢以減少下游所帶負荷量，從而縮小設(shè)備停運后的造成負荷短時失電影響范圍；其二，保證重要負荷的供電路徑可靠性，重構(gòu)方案通過閉合開關(guān)37，打開開關(guān)28將高可靠性設(shè)備置于供電路徑中重要位置，即承擔相對較多的下游負荷量，由此提升重要負荷供電路徑的可靠性，降低重要負荷的失電概率。

圖5 重構(gòu)方案2網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.5 Network topology diagram of reconfiguration scheme 2

Tab.6 Risk calculation results after network reconfiguration

設(shè)備設(shè)備可靠性診斷RARVRHRWRC故障后果評估RF風險值VARi6000110.516012000.2210.2570.1031702.210210.0780.34420000110.652023000.2110.8310.16626000.2110.1970.039301.8192.760110.2531.15

通過算例分析，基于本文所提配電網(wǎng)風險評估體系量化風險，以疏解低可靠性設(shè)備的下游負荷量和提高重要負荷供電路徑的可靠性作為控制手段，使風險評估與主動重構(gòu)控制協(xié)同配合，能夠達到降低配電網(wǎng)系統(tǒng)停電事故風險的目標。

5 結(jié) 論

本文提出了一種面向風險防控的配電網(wǎng)主動重構(gòu)策略，首先綜合考慮設(shè)備可靠性與網(wǎng)絡(luò)風險值構(gòu)建了配電網(wǎng)實時風險模型，以有效評估配電網(wǎng)當前運行狀態(tài)的風險水平；對系統(tǒng)處于高風險狀態(tài)的情況，利用多目標免疫粒子群算法主動搜索更合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，改善設(shè)備運行工況。仿真測試表明所提策略能夠有效降低系統(tǒng)的事故風險，避免故障的發(fā)生。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，該主動重構(gòu)策略可集成至配電管理系統(tǒng)，利用電力物聯(lián)網(wǎng)信息與控制的雙向流動功能，實時把控系統(tǒng)風險，降低事故概率與損失，具有一定的工程實踐價值。