婁源媛,陳昌銘,劉新苗,龔賢夫,陳鴻琳,林振智
(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司,廣州510600;2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,杭州310027;3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,廣州510080)
近年來,臺風(fēng)、冰災(zāi)等極端自然災(zāi)害嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。例如,2015年臺風(fēng)“彩虹”造成廣東湛江電網(wǎng)大停電[1];2017年臺風(fēng)“天鴿”造成珠海電網(wǎng)對澳供電停電51 min[2];2019年英國倫敦一段輸電線路受到雷擊跳線,導(dǎo)致110萬用戶被迫停電[3]。因此,有必要研究具備抗災(zāi)性能的骨干網(wǎng)架,以減少極端自然災(zāi)害對電力系統(tǒng)造成的破壞和損失。
篩選骨干網(wǎng)架需要基于多種指標(biāo),如節(jié)點線路重要度、網(wǎng)架抗災(zāi)性能等。在節(jié)點線路重要度指標(biāo)方面,文獻[4]在傳統(tǒng)電氣介數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合了線路關(guān)鍵度評價指標(biāo),提出能夠兼顧電網(wǎng)脆弱性及線路關(guān)鍵度的綜合電氣介數(shù)。文獻[5]運用熵權(quán)法對節(jié)點和線路各重要度評估指標(biāo)進行客觀賦權(quán)。文獻[6]建立了考慮線路和節(jié)點重要度的骨干網(wǎng)架規(guī)劃模型,并采用離散粒子群算法對模型進行求解。文獻[7]在電網(wǎng)節(jié)點、線路重要度評估基礎(chǔ)上,基于圖論算法給出了一種電網(wǎng)核心骨干網(wǎng)架構(gòu)建方法。在網(wǎng)架抗災(zāi)性能指標(biāo)方面,文獻[8 - 9]均從抗毀性、可恢復(fù)性、連通性三個方面構(gòu)建生存性指標(biāo)體系,并以生存性指標(biāo)最大為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建骨干網(wǎng)架規(guī)劃模型,采用改進生物地理學(xué)優(yōu)化算法進行求解。文獻[10]從自然環(huán)境條件、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度和設(shè)備抗冰水平3個維度設(shè)計了抗冰骨干網(wǎng)架綜合評價指標(biāo)體系,并根據(jù)該抗冰指標(biāo)體系篩選出抗冰骨干網(wǎng)架。文獻[11]對現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在的防風(fēng)抗災(zāi)薄弱環(huán)節(jié)進行分析,并據(jù)此給出防風(fēng)骨干網(wǎng)架規(guī)劃方法。文獻[12]計及骨干網(wǎng)架的網(wǎng)架特性和電氣特性,從可抵抗性、可恢復(fù)性、安全性和連通性4個方面分別構(gòu)建了骨干網(wǎng)架的生存性指標(biāo)體系,并采用線性判別分析與主成分分析相結(jié)合的方法對骨干網(wǎng)架的規(guī)劃方案進行生存性評估。文獻[13]提出一種基于系統(tǒng)生存性的骨干網(wǎng)架搜索方法,從系統(tǒng)可抗性、運行狀態(tài)波動性和災(zāi)后可恢復(fù)性三方面建立生存性綜合指標(biāo)作為骨干網(wǎng)架綜合抗災(zāi)能力的評估標(biāo)準(zhǔn)。
上述文獻為骨干網(wǎng)架規(guī)劃研究做出了重要貢獻,但是它們構(gòu)建的均為單目標(biāo)函數(shù),無法全面評估骨干網(wǎng)架的抗災(zāi)性能。為此,文獻[1]以最大化經(jīng)濟性、系統(tǒng)可恢復(fù)性和網(wǎng)絡(luò)抗毀性為多目標(biāo)構(gòu)建抗災(zāi)型骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型,并引入圖論修復(fù)策略對骨干網(wǎng)架拓?fù)溥M行修復(fù)。文獻[3]提出以網(wǎng)架生存性、抗毀性和系統(tǒng)可恢復(fù)性為多目標(biāo)的抗災(zāi)型骨干網(wǎng)架的優(yōu)化模型,以提高骨干網(wǎng)架在災(zāi)害各階段的抗災(zāi)性能,同時運用圖論修復(fù)策略加速骨干網(wǎng)架拓?fù)涞纳?。文獻[14]基于支路和節(jié)點重要度指標(biāo),并引入網(wǎng)絡(luò)整體抗毀性指標(biāo),構(gòu)建了考慮元件重要度和網(wǎng)絡(luò)抗毀性的骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型。然而,上述文獻考慮的多目標(biāo)函數(shù)不夠全面,例如文獻[3]并未考慮骨干網(wǎng)架規(guī)劃的經(jīng)濟性,文獻[1]忽略了骨干網(wǎng)架生存性,文獻[14]則同時忽略了骨干網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)濟性、生存性和可恢復(fù)性。要得到各方面性能均衡的骨干網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)果,需要兼顧經(jīng)濟性和多階段抗災(zāi)性能。
在多目標(biāo)優(yōu)化模型求解方面,非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA)是在遺傳算法的基礎(chǔ)上進行改進的一種智能算法,相比傳統(tǒng)的遺傳算法,具有求解速度快、解集收斂性好等優(yōu)點,是現(xiàn)代多目標(biāo)求解算法的典型算法之一。然而,NSGA具有非支配排序的高計算復(fù)雜性、缺少精英策略等缺點。因此,改進的非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ, NSGA-Ⅱ)引入了精英策略、擁擠度估計策略和快速非支配排序策略來對傳統(tǒng)的NSGA進行改進,其在收斂性、均勻度等方面相比NSGA具有優(yōu)勢[14 - 15]。
針對現(xiàn)有研究的不足,本文提出一種兼顧經(jīng)濟性和多階段抗災(zāi)性能的骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃方法。首先,以骨干網(wǎng)架規(guī)劃的經(jīng)濟性、生存性、抗毀性及可恢復(fù)性為多目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型;然后,運用嵌入圖論修復(fù)策略的改進非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ, NSGA-Ⅱ)對模型求解,得到骨干網(wǎng)架規(guī)劃策略的Pareto最優(yōu)解集;接著,運用熵權(quán)法篩選出骨干網(wǎng)架規(guī)劃策略的Pareto最優(yōu)折中解;最后,以某區(qū)域?qū)嶋H輸電網(wǎng)為算例來驗證本文所提模型的有效性。
為兼顧骨干網(wǎng)架規(guī)劃的經(jīng)濟性和多階段抗災(zāi)性能,本文以最大化骨干網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)濟性、生存性、抗毀性以及可恢復(fù)性為多目標(biāo)函數(shù)。其中,生存性、抗毀性和可恢復(fù)性分別反映災(zāi)害來臨時、災(zāi)害持續(xù)階段以及災(zāi)害結(jié)束時的骨干網(wǎng)架抗災(zāi)性能。
1.1.1 最大化骨干網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)濟性
骨干網(wǎng)架規(guī)劃所需的費用為節(jié)點加固費用和線路加固費用。因此,本文定義骨干網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)feco為骨干網(wǎng)架節(jié)點和線路加固費用的倒數(shù):
(1)
1.1.2 最大化骨干網(wǎng)架生存性
骨干網(wǎng)架生存性好壞的評價標(biāo)準(zhǔn)為:在臺風(fēng)等極端天氣情況下,骨干網(wǎng)架中能夠保障的重要電力用戶供電量[3]。因此,本文定義骨干網(wǎng)架生存性目標(biāo)函數(shù)fsur為骨干網(wǎng)架在自然災(zāi)害下的負(fù)荷保障度。
(2)
1.1.3 最大化骨干網(wǎng)架抗毀性
骨干網(wǎng)架抗毀性的優(yōu)劣可以通過臺風(fēng)等極端天氣情況下骨干網(wǎng)架維持穩(wěn)定運行和抵抗連鎖故障的能力來反映[16 - 17]。骨干網(wǎng)架連通度指標(biāo)Icon定義為骨干網(wǎng)架的任意節(jié)點被毀壞后,剩余骨干網(wǎng)架中仍連通的節(jié)點對的平均值與原骨干網(wǎng)架的連通節(jié)點對的比值,能夠有效反映骨干網(wǎng)架的抗毀性[18]。因此,本文將骨干網(wǎng)架連通度指標(biāo)作為抗毀性目標(biāo)函數(shù)fdes。
(3)
1.1.4 最大化電力系統(tǒng)可恢復(fù)性
電力系統(tǒng)可恢復(fù)性的好壞可以通過災(zāi)后骨干網(wǎng)架為全網(wǎng)恢復(fù)供電的效率來反映:網(wǎng)架覆蓋率越高,說明骨干網(wǎng)架保留的重要節(jié)點和線路越多,且與未恢復(fù)節(jié)點的距離越近,則電力系統(tǒng)的可恢復(fù)性越強。因此,本文將骨干網(wǎng)架覆蓋度指標(biāo)[19]作為骨干網(wǎng)架可恢復(fù)性目標(biāo)函數(shù)frec:
(4)
(5)
(6)
(7)
本文所提骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型的約束條件包括網(wǎng)絡(luò)連通性約束、重要節(jié)點線路保留約束以及潮流約束。
1.2.1 網(wǎng)絡(luò)連通性約束
骨干網(wǎng)架中不應(yīng)包含孤島,所有節(jié)點均需有支路進行連通。因此,骨干網(wǎng)架的網(wǎng)絡(luò)連通性約束可以通過式(8)表示。
(8)
式中Ωline為骨干網(wǎng)架支路集合。
1.2.2 重要節(jié)點、支路保留約束
電力系統(tǒng)中存在部分高重要性的節(jié)點和支路,例如醫(yī)院、變電站、500 kV線路等,這些重要節(jié)點和支路需要保障其持續(xù)供電,如式(9)—(10)所示:
(9)
(10)
Buckling Impact Analysis of Cylinderial Shells with Opening and Reinforcement Under Axial Compression HU Fuquan,LI Pengfei,HE Zheng(60)
1.2.3 潮流約束
為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,骨干網(wǎng)架需要滿足潮流約束[21 - 22],如式(11)—(14)所示:
(11)
(12)
(13)
(14)
本文運用NSGA-Ⅱ?qū)λ峁歉删W(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型進行求解,可以得到骨干網(wǎng)架Pareto最優(yōu)解集[23]。由于NSGA-Ⅱ新生成的子代種群具有隨機性,會出現(xiàn)較多不滿足式(8)所示的網(wǎng)絡(luò)連通性約束的子代,若采用罰函數(shù)等方法淘汰劣子代,會影響算法的尋優(yōu)效率。因此,本文采用基于廣度優(yōu)先搜索算法的圖論修復(fù)策略[24]來修復(fù)不滿足骨干網(wǎng)架網(wǎng)絡(luò)連通性約束的子代基因,修復(fù)步驟如下。
步驟1:輸入電力系統(tǒng)拓?fù)洌鶕?jù)拓?fù)淝蟮秒娏ο到y(tǒng)鄰接矩陣Wgrid;以支路電抗為權(quán)重求得電力系統(tǒng)加權(quán)鄰接矩陣Wgrid,w;根據(jù)Wgrid和Wgrid,w求得電力系統(tǒng)節(jié)點對間的最短電氣距離矩陣Wgrid,d以及最短電氣距離對應(yīng)的最短路徑矩陣Wgrid,p。
步驟2:輸入重要節(jié)點矩陣、重要支路矩陣以及當(dāng)前的子代基因,確定當(dāng)前的骨干網(wǎng)架拓?fù)?;根?jù)骨干網(wǎng)架拓?fù)淝蟮霉歉删W(wǎng)架鄰接矩陣Wbone和骨干網(wǎng)架節(jié)點對間的最短電氣距離矩陣Wbone,d。
步驟3:運用廣度優(yōu)先搜索算法對骨干網(wǎng)架進行搜索,求得骨干網(wǎng)架的連通片矩陣Wbone,ltp;根據(jù)Wbone,ltp對電力系統(tǒng)加權(quán)鄰接矩陣Wgrid,w進行修改,將連通片內(nèi)的節(jié)點對間的最短電氣距離置0。
步驟4:刪除Wbone,ltp中只包含1個節(jié)點的連通片;運用弗洛伊德算法[1]求得各個連通片之間的最短電氣距離矩陣Wbone,ltp,d。
步驟5:將Wbone,ltp,d作為權(quán)重,運用克魯斯卡爾算法求得所有連通片之間的最小生成樹。
步驟6:根據(jù)最小生成樹對骨干網(wǎng)架進行修復(fù),即對于任意兩個相連的連通片,根據(jù)Wgrid,d和Wgrid,p選擇兩個連通片間最短電氣距離最小的節(jié)點對作為修復(fù)路徑的首末節(jié)點,其對應(yīng)的最短路徑作為修復(fù)路徑。
基于前述的圖論修復(fù)策略,本文提出一種嵌入圖論修復(fù)策略的NSGA-Ⅱ算法,該算法的求解流程如圖1所示。
圖1 嵌入圖論修復(fù)策略的NSGA-Ⅱ算法流程圖Fig.1 Flow chart of NSGA-Ⅱ embedded graph theory restoration strategy
通過嵌入圖論修復(fù)策略的改進NSGA-Ⅱ算法可以得到骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)解集。然而,解集中的解的多目標(biāo)函數(shù)值往往無法同時達到最優(yōu),因此工作人員需要權(quán)衡各方面的因素進行綜合考慮,在求得的骨干網(wǎng)架Pareto最優(yōu)解集中篩選出最合適的骨干網(wǎng)架規(guī)劃方案,即Pareto最優(yōu)折中解。常用的選取Pareto最優(yōu)折中解的方法有線性加權(quán)法、模糊推理法、層次分析法等方法,但是這些方法在確定各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)時易受決策者偏好的影響。熵權(quán)法是一種通過信息熵理論確定系統(tǒng)中各項指標(biāo)賦權(quán)大小的方法。相較于線性加權(quán)法、模糊推理法、層次分析法等主觀賦權(quán)法,熵權(quán)法作為客觀賦權(quán)法能更好地避免主觀因素的影響,從而提高分析的可信度和精確度。為此,本文采用熵權(quán)法來求取骨干網(wǎng)架規(guī)劃的多目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù),具體步驟如下所示。
步驟1:由于骨干網(wǎng)架規(guī)劃模型各個目標(biāo)函數(shù)的量綱不同,因此在篩選出骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)折中解之前,需要對骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)解集中所有解的多個目標(biāo)函數(shù)值進行線性標(biāo)準(zhǔn)化處理[25]。目標(biāo)函數(shù)可以分為效益類目標(biāo)函數(shù)和成本類目標(biāo)函數(shù),其中效益類目標(biāo)函數(shù)值越大越好,成本類目標(biāo)函數(shù)值越小越好。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)類別的不同,效益類和成本類目標(biāo)函數(shù)的線性標(biāo)準(zhǔn)化處理公式也不同,如式(15)所示。
(15)
步驟2:計算骨干網(wǎng)架規(guī)劃模型各個目標(biāo)函數(shù)的熵權(quán)系數(shù)。熵能夠反映同一目標(biāo)函數(shù)的不同解之間的差距情況。針對具有M個目標(biāo)函數(shù)和它們對應(yīng)的N個解的Pareto最優(yōu)解集,第i個目標(biāo)函數(shù)的熵Si可通過式(16)求得。
(16)
求得第i個目標(biāo)函數(shù)的熵之后,即可通過式(17)求出第i個目標(biāo)函數(shù)的熵權(quán)系數(shù)Wi。
(17)
步驟3:計算每個Pareto解的綜合指標(biāo),根據(jù)綜合指標(biāo)選取最優(yōu)解。第j個解的綜合指標(biāo)Zj可由式(18)求得。
(18)
求得骨干網(wǎng)架Pareto最優(yōu)解集的所有解的綜合指標(biāo)后,篩選出的綜合指標(biāo)最大的解即為骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)折中解。
本文以某區(qū)域?qū)嶋H輸電網(wǎng)為算例對所提骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型的有效性進行驗證。該輸電網(wǎng)共有125個節(jié)點(9個500 kV節(jié)點,40個220 kV非發(fā)電機節(jié)點、12個220 kV發(fā)電機節(jié)點和64個110 kV節(jié)點)和155條線路,其拓?fù)鋱D如圖2所示。根據(jù)式(6)和式(7)求得的輸電網(wǎng)節(jié)點和線路重要度歸一化指標(biāo)如圖3所示。由圖3可知,辨識出的重要節(jié)點和線路(即歸一化重要度指標(biāo)大于0.5)包括全部500 kV節(jié)點和線路以及大部分220 kV節(jié)點和線路,這也與實際中電壓等級越高的節(jié)點和線路越重要這一常識相符合。
圖2 某區(qū)域?qū)嶋H輸電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology of an actual regional transmission network
圖3 輸電網(wǎng)節(jié)點和線路重要度指標(biāo)Fig.3 Importance index of nodes and lines in transmission network
通過嵌入圖論修復(fù)策略的NSGA-Ⅱ算法求得骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)解集,再根據(jù)熵權(quán)法求出經(jīng)濟性、生存性、抗毀性和可恢復(fù)性4個目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重依次為0.27、0.45、0.17和0.11?;诟髂繕?biāo)函數(shù)的權(quán)重對骨干網(wǎng)架Pareto最優(yōu)解集進行篩選,得到骨干網(wǎng)架加固策略的Pareto最優(yōu)折中解如圖4所示。圖4所示的骨干網(wǎng)架加固策略和全網(wǎng)加固策略的對比如表1所示。
結(jié)合圖4和表1可知,所有500 kV節(jié)點和92%的發(fā)電機節(jié)點均包含在圖4所示的骨干網(wǎng)架加固策略中,因為這些節(jié)點在輸電網(wǎng)受到災(zāi)害損壞的情況下是實現(xiàn)電力系統(tǒng)恢復(fù)的重要一環(huán)。將骨干網(wǎng)架的生存性、抗毀性和可恢復(fù)性指標(biāo)除以Pareto最優(yōu)解集中各指標(biāo)的最大值進行歸一化,從而得到圖4所示的骨干網(wǎng)架加固策略的生存性、抗毀性和可恢復(fù)性歸一化指標(biāo)分別為0.90、0.95和0.89,可見該最優(yōu)折中解具有較高的多階段抗災(zāi)性能。此外,由表1可知,圖4所示的骨干網(wǎng)架加固策略僅需加固121條線路和115個節(jié)點,加固費用僅為1 902.6萬元,相比全網(wǎng)加固策略分別少加固34條線路和10個節(jié)點,節(jié)省了20.5%的投資成本,具有更好的經(jīng)濟性。
表1 本文的骨干網(wǎng)架加固策略和全網(wǎng)加固策略的對比Tab.1 Comparison of backbone grid reinforcement strategy obtained by the proposed model and whole grid reinforcement strategy
圖4 骨干網(wǎng)架的Pareto最優(yōu)折中解Fig.4 Pareto optimal compromise solution of backbone grid
為了更好地驗證本文所提骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型的有效性,將本文所提骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃模型(M-MO)與經(jīng)濟性最優(yōu)規(guī)劃模型(M-ECO)、生存性最優(yōu)規(guī)劃模型(M-SUR)、抗毀性最優(yōu)規(guī)劃模型(M-DES)、可恢復(fù)性最優(yōu)規(guī)劃模型(M-REC)所求得的骨干網(wǎng)架規(guī)劃方案在歸一化后的經(jīng)濟性、生存性、抗毀性、可恢復(fù)性4個方面進行對比,結(jié)果如表2所示。
表2 M-ECO、M-SUR、M-DES、M-REC和M-MO在歸一化后的經(jīng)濟性、生存性、抗毀性和可恢復(fù)性的對比Tab.2 Comparison of economy, survivability, invulnerability and recoverability of M-ECO, M-SUR, M-REC and M-MO after normalization
由表2可知,M-ECO追求最好的經(jīng)濟性,因此其生存性、抗毀性、可恢復(fù)性等抗災(zāi)性能遠低于其他模型;M-SUR的生存性最高,但由于該輸電網(wǎng)的負(fù)荷節(jié)點大多數(shù)并不位于連接多個支路的重要中樞位置,因此其抗毀性僅為0.36;同理,M-DES雖然具有最高的抗毀性,但其生存性僅為0.65;M-REC的可恢復(fù)性最高,意味著骨干網(wǎng)架保留的重要線路和節(jié)點越多,但同時帶來的是1 958.2萬元的高昂加固費用,因此其經(jīng)濟性僅為0.25;本文所提M-MO的生存性、抗毀性、可恢復(fù)性和經(jīng)濟性分別為0.90、0.95、0.89和0.53,這反映了其能夠在保證優(yōu)秀的抗災(zāi)性能的同時具有良好的經(jīng)濟性。此外,表2將5種模型的經(jīng)濟性、生存性、抗毀性和可恢復(fù)性通過熵權(quán)法求得的加權(quán)系數(shù)按照式(18)進行加權(quán)得到綜合指標(biāo),其中M-MO的綜合指標(biāo)達到0.81,高于其他4個模型,進一步驗證了本文所提M-MO的有效性。
為驗證本文所提嵌入圖論修復(fù)策略的改進NSGA-Ⅱ在收斂性能方面的有效性,將本文所提算法和嵌入圖論修復(fù)策略的粒子群算法[1 - 3]在收斂性能方面進行對比,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,本文所提算法在迭代過程中,每一代的Pareto最優(yōu)解的歸一化多目標(biāo)函數(shù)加權(quán)值總體上呈增加趨勢,而粒子群算法則處于不斷波動的狀態(tài),可見本文所提算法在收斂性方面優(yōu)于粒子群算法。此外,在個體/粒子數(shù)均為100,迭代次數(shù)均為100的前提下,本文所提算法和粒子群算法的模型求解時間分別為3 076 s和3 646 s,驗證了本文所提算法在計算性能方面也更具優(yōu)勢。
圖5 本文所提算法和粒子群算法在收斂性能方面的對比Fig.5 Comparison of the proposed NSGA-Ⅱ and particle swarm optimization on convergence performance
本文提出一種以最大化骨干網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)濟性、生存性、抗毀性和可恢復(fù)性為多目標(biāo)函數(shù)的骨干網(wǎng)架多目標(biāo)規(guī)劃方法。算例分析結(jié)果表明,本文所提模型得到的骨干網(wǎng)架規(guī)劃策略能夠兼顧骨干網(wǎng)架的規(guī)劃經(jīng)濟性和多階段抗災(zāi)性能,相比骨干網(wǎng)架單目標(biāo)規(guī)劃模型而言,能夠給出在經(jīng)濟性、生存性、抗毀性和可恢復(fù)性等方面更加均衡和全面的骨干網(wǎng)架規(guī)劃策略。