毛 杰， 彭 崗， 毛建維， 包義釗

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司遵義供電局，貴州遵義563000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，國家對于能源的需求越來越大，電能作為一種特殊的能源形式，是人們生產(chǎn)和生活不可或缺的一部分［1-3］。電力系統(tǒng)是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其安全可靠的運行需要各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障或漏洞，都會對整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)具有很高的實時性，發(fā)電、輸電、配電和用電幾乎在同一瞬間完成，電力系統(tǒng)的調(diào)度作用很大，是整個電力系統(tǒng)的大腦和中心［4-6］。對于整個電力系統(tǒng)來說，不同級別的電網(wǎng)很難利用一個調(diào)度控制中心進(jìn)行相應(yīng)的指揮和優(yōu)化，一個調(diào)度控制中心不可能做到對整個電力系統(tǒng)的調(diào)控和信息處理。在實際中需要構(gòu)建多級電力調(diào)度控制中心，從而不同電壓等級、不同區(qū)域的電網(wǎng)可以通過分級調(diào)度控制中心實現(xiàn)安全穩(wěn)定地運行［7］。

對于多級調(diào)度系統(tǒng)來說，通過分區(qū)分層的分布式調(diào)度，可以減小系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險，增加系統(tǒng)調(diào)度的靈活性，同時降低整個系統(tǒng)的計算難度。對于整個電力系統(tǒng)來說，進(jìn)行風(fēng)險調(diào)度可以顯著提升整個電力系統(tǒng)的風(fēng)險防控能力和安全系數(shù)，從而增加電力系統(tǒng)的安全性［8-10］。在對傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度以及安全約束調(diào)度進(jìn)行了相應(yīng)的研究之后，逐步通過發(fā)展和延伸，提出了風(fēng)險調(diào)度的概念，通過構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險調(diào)度模型，制定相應(yīng)的風(fēng)險調(diào)度方案，在保持整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時，還可以對系統(tǒng)的風(fēng)險進(jìn)行控制。關(guān)于風(fēng)險調(diào)度方面的研究已有一定的成果，國內(nèi)外學(xué)者通過對電力系統(tǒng)進(jìn)行故障的預(yù)想，并對電力系統(tǒng)的風(fēng)險調(diào)度進(jìn)行研究，從而得到一系列的基礎(chǔ)性結(jié)論和相應(yīng)的風(fēng)險調(diào)度優(yōu)化模型，并進(jìn)行了求解和模型的驗證［11-12］。同時，隨著研究的進(jìn)一步深入，不同的風(fēng)險調(diào)度方法不斷被提出，從而實現(xiàn)了不同的功能，達(dá)到了更加精確地控制目標(biāo)，利用風(fēng)險調(diào)度進(jìn)行電力系統(tǒng)的管控越來越成熟［13］。但是，目前對于風(fēng)險調(diào)度的研究多基于集中式的架構(gòu)，從而實現(xiàn)集中的風(fēng)險調(diào)度，但是這種調(diào)度方式存在一定的弊端，對于系統(tǒng)的電力潮流不能夠第一時間分散處理，一旦發(fā)生通信等故障時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓，各個級別的調(diào)度系統(tǒng)也不易進(jìn)行相互協(xié)調(diào)控制，因此需要對分布式風(fēng)險調(diào)度進(jìn)行研究。

為了實現(xiàn)更好調(diào)控效果，增加整個調(diào)度系統(tǒng)的安全可靠性和各個級別調(diào)控單位的靈活性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提出了一種分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度模型，該模型以目標(biāo)級聯(lián)分析為方法，不僅可以實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)中的分調(diào)控中心間的協(xié)調(diào)運行，還可以實現(xiàn)上下級調(diào)控中心的信息互聯(lián)，通過聯(lián)絡(luò)線功率的設(shè)定從而進(jìn)行相應(yīng)的子區(qū)域協(xié)調(diào)。

1 風(fēng)險調(diào)度的集中式建模

對于整個電力系統(tǒng)來說，可以通過集中式的調(diào)度架構(gòu)，整個調(diào)度中心一般依靠SCADA 等調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的信息收集和處理，根據(jù)相應(yīng)的信息進(jìn)行整個電力系統(tǒng)的風(fēng)險水平評估和判斷。對于集中式的風(fēng)險調(diào)度，通過相應(yīng)的事故預(yù)想來進(jìn)行集中式的風(fēng)險調(diào)度構(gòu)建模型：

式中：各個變量上標(biāo)中的0 表示電力系統(tǒng)的初始狀態(tài)；k表示第k 個故障狀態(tài)；NG表示電力系統(tǒng)中的發(fā)電機組集合，ND表示電力系統(tǒng)中的負(fù)載集合；C 表示系統(tǒng)發(fā)電總成本；R 表示電力系統(tǒng)的過載風(fēng)險指數(shù)，ai、bi、ci分別為發(fā)電機組i 不同的成本系數(shù)；PGi表示電力系統(tǒng)中的有功出力；PDj表示電力系統(tǒng)中的負(fù)荷功率；表示輸電線路l的有功承載上限和表示電力系統(tǒng)中發(fā)電機組的有功上限和下限；Tp表示初始狀態(tài)下的功率傳輸矩陣；表示第K 條線路的停運分布因子表示系統(tǒng)對于過載的容忍上限；KR表示操作人員對于電力系統(tǒng)的風(fēng)險容忍度。

對于集中式風(fēng)險調(diào)度模型，式（1）表示電力系統(tǒng)的成本約束條件，式（2）表示系統(tǒng)的功率供需平衡，式（3）表示電力系統(tǒng)正常情況下的安全約束條件，式（4）表示電力系統(tǒng)預(yù)想故障狀態(tài)下的安全約束條件，式（5）表示電力系統(tǒng)中的發(fā)電機組的出力約束條件，式（6）可以保證電力系統(tǒng)在過載方面的風(fēng)險可控。

2 分布式風(fēng)險調(diào)度模型構(gòu)建

對于整個調(diào)度系統(tǒng)來說，一般有不同電壓等級多級別的電力調(diào)度控制中心構(gòu)成，從而進(jìn)行各個級別電網(wǎng)的電力調(diào)控，各級調(diào)度控制機構(gòu)負(fù)責(zé)本轄區(qū)內(nèi)的電力的調(diào)控，而上級調(diào)度控制機構(gòu)負(fù)責(zé)信息的收集和協(xié)調(diào)，各級調(diào)度控制機構(gòu)之間不進(jìn)行相應(yīng)的信息交換，上級調(diào)控機構(gòu)和下級調(diào)控機構(gòu)之間進(jìn)行信息交換，通過相應(yīng)的協(xié)調(diào)算法實現(xiàn)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。這樣，在本轄區(qū)內(nèi)可以實現(xiàn)自主的調(diào)控，對相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的運行風(fēng)險進(jìn)行控制，實現(xiàn)分布式的調(diào)控目標(biāo)［14］。而對于全網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化和風(fēng)險把控來說，需要上級的調(diào)控機構(gòu)根據(jù)搜集到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行，從而實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)中各區(qū)域電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行和控制［15-16］。

2.1 目標(biāo)級聯(lián)算法

在相應(yīng)的分布式協(xié)調(diào)模型中，可以采用目標(biāo)級聯(lián)算法進(jìn)行相應(yīng)的各級電力調(diào)度控制中的協(xié)調(diào)優(yōu)化，通過利用該算法不僅可以實現(xiàn)下級調(diào)控機構(gòu)的自主優(yōu)化，還可以達(dá)到上級調(diào)控機構(gòu)對下級調(diào)控機構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化的目標(biāo)，從而在實現(xiàn)各下級電網(wǎng)中的調(diào)度優(yōu)化和整體電網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化。傳統(tǒng)應(yīng)用較多的對偶分解算法在迭代過程中容易出現(xiàn)反復(fù)振蕩，這樣就不利于進(jìn)行多次的計算和大電力系統(tǒng)的優(yōu)化，相比較而言，目標(biāo)級聯(lián)算法可以彌補這些缺點，不僅容易進(jìn)行參數(shù)的計算，還具有嚴(yán)格的收斂證明，可為實現(xiàn)復(fù)雜電力系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

為了達(dá)到相應(yīng)的分布式協(xié)調(diào)調(diào)度，將各個電力供應(yīng)區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率作為相應(yīng)的優(yōu)化變量，這樣可以降低各個下級調(diào)度控制機構(gòu)和上級調(diào)度控制機構(gòu)間的信息交換及處理的壓力，同時在計算和優(yōu)化過程中可以降低復(fù)雜性，提高整個系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化效率和準(zhǔn)確性。同時，采用目標(biāo)級聯(lián)算法進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化的過程中，上級調(diào)控中心的協(xié)調(diào)優(yōu)化可以看作是整個系統(tǒng)的主問題，而下級各個分調(diào)控中心的本地優(yōu)化可以看作是子問題，主問題主要進(jìn)行各個區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率的優(yōu)化，子問題主要進(jìn)行各個供電區(qū)域間風(fēng)險約束的計算優(yōu)化，從而通過主問題和子問題間的相互優(yōu)化配合便可實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化。

2.2 風(fēng)險調(diào)度子問題優(yōu)化計算

由傳統(tǒng)的集中式調(diào)度方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降恼{(diào)度方式，從而達(dá)到更優(yōu)更可靠的優(yōu)化和調(diào)控。通過利用目標(biāo)級聯(lián)算法進(jìn)行相關(guān)的分析，在各個級別的電網(wǎng)調(diào)度中，需要進(jìn)行下級與上級電網(wǎng)調(diào)度之間的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。通過對整個電力系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行分析，參照集中式的風(fēng)險調(diào)度模型進(jìn)行改進(jìn)，在相關(guān)的下級調(diào)控中心的關(guān)于風(fēng)險調(diào)度的子問題優(yōu)化模型可以表示為：

式中：NT表示的是各個區(qū)域電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線分割點組成的集合和表示的是上級調(diào)控機構(gòu)通過協(xié)調(diào)計算給定下級調(diào)控機構(gòu)的相關(guān)系數(shù)；Pa*表示的是上級調(diào)控機構(gòu)經(jīng)協(xié)調(diào)計算得到的各區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率大小。

對于上述公式構(gòu)成的子問題風(fēng)險調(diào)度模型中，為了保證各個區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率不超過最大值，設(shè)定式（11）和（13）所示的功率約束，從而保證在故障或者正常狀態(tài)下不會發(fā)生功率越限。同時對各個環(huán)節(jié)的約束和條件進(jìn)行設(shè)定，從而達(dá)到相應(yīng)的子問題間協(xié)調(diào)控制優(yōu)化。

圖1 子問題計算流程

在構(gòu)建了相應(yīng)的子問題風(fēng)險調(diào)度模型之后，需要根據(jù)相關(guān)的約束和條件進(jìn)行系統(tǒng)的求解和計算，從而得到具體的協(xié)調(diào)方案。具體的子問題計算流程如圖1所示。對于整個電力系統(tǒng)來說，下級調(diào)控區(qū)域間的協(xié)調(diào)問題相對比較復(fù)雜，為了對整個子問題進(jìn)行簡化，將整個問題進(jìn)行分解，通過相應(yīng)的最優(yōu)潮流校驗、故障潮流校驗以及風(fēng)險調(diào)度校驗3 個環(huán)節(jié)從而到達(dá)相應(yīng)的調(diào)控目標(biāo)，在相應(yīng)的系統(tǒng)中滿足最優(yōu)潮流的基本條件之后，開始對系統(tǒng)發(fā)生故障后的潮流進(jìn)行校驗，如果不滿足條件則需要進(jìn)行循環(huán)計算，經(jīng)過交替迭代求解之后直至達(dá)到合理數(shù)值，從而保證不超過相應(yīng)約束條件，進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險調(diào)度校核，通過不斷地循環(huán)求解從而滿足最終的調(diào)度約束，實現(xiàn)各個供電區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化數(shù)據(jù)。

2.3 風(fēng)險調(diào)度主問題優(yōu)化計算

在對風(fēng)險調(diào)度的子問題進(jìn)行優(yōu)化之后，得到的各個供電區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化數(shù)據(jù)，在更高級別的調(diào)控機構(gòu)得到這些聯(lián)絡(luò)線功率數(shù)值之后，通過整體的協(xié)調(diào)優(yōu)化計算，具體的問題描述如下所示：

由于在系統(tǒng)中兩個供電區(qū)域中聯(lián)絡(luò)線功率大小相等，方向相反，因此還需要滿足一致性約束，具體表示為：

式中：下級調(diào)控中心e 和f 均為整個下級調(diào)控中心機會a中的一部分，表示兩個供電區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率大小。

為了對整個分布式協(xié)調(diào)調(diào)控體系的上級調(diào)控主問題進(jìn)行求解計算，引入拉格朗日函數(shù)進(jìn)行計算，相應(yīng)的對系統(tǒng)的模型帶入拉格朗日函數(shù)得到下述關(guān)系：

在對上式（19）進(jìn)行計算之后，得到相應(yīng)的上級調(diào)控機構(gòu)對下級別調(diào)控機構(gòu)間的聯(lián)絡(luò)線功率的下發(fā)數(shù)值，從而通過不斷地迭代計算得到最終的協(xié)調(diào)變量數(shù)值大小。

3 分布式協(xié)調(diào)算法整體流程

通過述的建模和分析，得到分布式風(fēng)險調(diào)度模型主問題和子問題的求解思路，同時需要對整個模型的求解過程進(jìn)行進(jìn)一步梳理和協(xié)調(diào)，從而使整個過程更加地完整，在不斷地進(jìn)行計算分析之后，得到滿足相應(yīng)運行條件的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率，從而完成調(diào)控優(yōu)化。具體流程如下：

（1）在協(xié)調(diào)算法開始之初，需要在每個下級調(diào)控機構(gòu)中設(shè)定獨立的最大風(fēng)險值，從而作為各個下級調(diào)控中心的風(fēng)險調(diào)度約束數(shù)值，而上級調(diào)控機構(gòu)作為整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)者，需要將設(shè)定好的聯(lián)絡(luò)線功率原始數(shù)值以及乘子系數(shù)原始數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)下發(fā)，從而作為初步運行的參考數(shù)值。

（2）各下級調(diào)控機構(gòu)得到相應(yīng)的制定數(shù)據(jù)之后，利用子問題的分析過程，進(jìn)行相應(yīng)的分析計算，在通過不斷地迭代滿足局部最優(yōu)潮流、故障潮流以及局部風(fēng)險調(diào)度之后，將得到的結(jié)果上送至上級調(diào)控機構(gòu)，進(jìn)行進(jìn)一步協(xié)調(diào)優(yōu)化。

（3）在得到各個下級調(diào)控機構(gòu)的數(shù)值上送之后，上級調(diào)控機構(gòu)需要根據(jù)相應(yīng)的主問題協(xié)調(diào)算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使各個區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線功率數(shù)值偏差達(dá)到合理范圍，同時對系統(tǒng)的收斂條件進(jìn)行驗證，在不斷地修正過程中得到相應(yīng)的最佳數(shù)值。

4 仿真分析

為了對上述的分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度模型及計算流程進(jìn)行驗證，利用Matlab軟件建立6 節(jié)點的互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)，從而以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，具體的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖如圖2 所示。

圖2 6節(jié)點互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)

對于上圖的6 節(jié)點互聯(lián)系統(tǒng)來說，設(shè)定各線路的承受功率最大數(shù)值約束，相應(yīng)的線路最大功率數(shù)值L11～L13的Pmax分別為80，95，95；L21～L23的Pmax分別為100，95，95，發(fā)電機參數(shù)Pmax＝100 MW，Pmin＝10 MW，而D11、D12、D21、D22分別為60、70、85、85 MW。系統(tǒng)的整體故障率為0.001，兩個區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)險約束最大數(shù)值為0.3。在進(jìn)行各初始變量的設(shè)定之后，利用前述介紹的分布式風(fēng)險調(diào)度模型進(jìn)行相應(yīng)的分析，并將分析結(jié)果和傳統(tǒng)的調(diào)度方法進(jìn)行比較，從而驗證本文所提出方法的優(yōu)越性和有效性。

為了顯示本文提出的分布式風(fēng)險調(diào)度的特點，將本文的分布式風(fēng)險調(diào)度方案與經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案進(jìn)行比較，在表1 中為分布式風(fēng)險調(diào)度與經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案潮流對比結(jié)果，表2 中為分布式風(fēng)險調(diào)度與經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案效果對比結(jié)果。

表1 本方案與經(jīng)濟(jì)調(diào)度潮流對比

表2 本方案與經(jīng)濟(jì)調(diào)度效果對比

在得到相關(guān)指標(biāo)之后，對于整個電網(wǎng)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的總負(fù)載約為300 MW，由于區(qū)域1 內(nèi)的電網(wǎng)成本較低，因此在電網(wǎng)1 中的潮流向電網(wǎng)2 流動，從而保持一定的經(jīng)濟(jì)性。在經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案方面，由于以經(jīng)濟(jì)性為主要控制目標(biāo)，因此在聯(lián)絡(luò)線功率上較大，表明從區(qū)域電網(wǎng)1 向區(qū)域電網(wǎng)2 的流動功率較多，從而降低了使用成本，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性的要求。由于本方案還考慮了相應(yīng)的風(fēng)險方面的約束，因此在成本上略高，但是經(jīng)濟(jì)性上也可以滿足相關(guān)要求。而對于計算時間，兩者均為20 s左右，相差不大。對于風(fēng)險指標(biāo)，兩者差距較大。經(jīng)濟(jì)調(diào)度并不能有效地規(guī)避相關(guān)風(fēng)險，得到的風(fēng)險總數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了系統(tǒng)能承受的數(shù)值，表明系統(tǒng)有很大的故障發(fā)生概率，不利于整個系統(tǒng)的安全可靠運行，而本方案在風(fēng)險指標(biāo)方面維持了較低的數(shù)值，使系統(tǒng)在安全風(fēng)險之內(nèi)，而在線路潮流越限方面，本方案也具備明顯的優(yōu)勢。因此，所提出的分布式風(fēng)險調(diào)度方案雖然成本上具有一定的劣勢，但是由于考慮得更加全面，在系統(tǒng)風(fēng)險方面具有經(jīng)濟(jì)調(diào)度不可比擬的優(yōu)勢，說明所提出的方案達(dá)到了預(yù)期效果和目標(biāo)。

另一方面，對于經(jīng)濟(jì)調(diào)度屬于確定性的調(diào)度方案，當(dāng)系統(tǒng)的故障概率發(fā)生變化后，得到的最優(yōu)方案不會發(fā)生變化，這樣就失去了風(fēng)險指標(biāo)的評價。對于所提出的基于分布式風(fēng)險調(diào)度方案，不同的故障概率發(fā)生后會出現(xiàn)不同的風(fēng)險數(shù)值，得到的結(jié)果也有一定的差距，體現(xiàn)出所提出的調(diào)度方案可以根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)險的不同進(jìn)行系統(tǒng)運行的調(diào)整，從而對系統(tǒng)安全運行提供依據(jù)，表3 為不同故障概率下的分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度方案。在結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，如果隨著系統(tǒng)的變化，整體的故障概率增加，那么分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度方案可以進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險轉(zhuǎn)移，從而維持系統(tǒng)總的風(fēng)險可控。在風(fēng)險指標(biāo)中，總風(fēng)險指標(biāo)為區(qū)域1 和區(qū)域2 風(fēng)險的總和，為了保持兩個區(qū)域的風(fēng)險指標(biāo)均不超過0.2，需要進(jìn)行風(fēng)險的重新調(diào)配，從而使兩個區(qū)域的電網(wǎng)風(fēng)險可控，雖然在總風(fēng)險上，系統(tǒng)風(fēng)險隨著故障概率的增加而增加，但是分區(qū)域均保持了合理的風(fēng)險數(shù)值，在成本方面也略有增加。

表3 不同故障概率下的分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度方案

5 結(jié) 語

電力是人們生產(chǎn)和生活必不可少的一部分，電網(wǎng)安全可靠地運行關(guān)乎著每個人的利益。調(diào)控系統(tǒng)是整個電網(wǎng)的大腦，發(fā)揮著核心和指揮作用。為了使電網(wǎng)更加堅強地運行，提出了一種基于目標(biāo)級聯(lián)分析的分布式協(xié)調(diào)風(fēng)險調(diào)度方法，構(gòu)建了相關(guān)的模型，進(jìn)行了計算過程推演，并通過具體的算例分析進(jìn)行了方案可行性驗證。本調(diào)度方案可以實現(xiàn)多級電網(wǎng)的下級調(diào)控機構(gòu)與上級調(diào)控機構(gòu)、下級調(diào)控機構(gòu)與下級調(diào)控機構(gòu)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保持一定的經(jīng)濟(jì)性的同時，將系統(tǒng)各個區(qū)域的風(fēng)險維持在安全范圍之內(nèi)，從而提高整個電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。同時，在故障概率等系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化的時候，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際特點進(jìn)行調(diào)控方案的修正，達(dá)到繼續(xù)進(jìn)行安全可靠地運行。