馮豆， 劉邦， 曲鴻春, 王康， 姚庭鏡， 王高潔

(國網(wǎng)亳州供電公司，安徽 亳州 236800)

0 引 言

伴隨配電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，備用電源自動投入裝置(busbar automatic transfer switch, BATS)的合理配置及相應投退策略的開發(fā)對經(jīng)濟性有著正向影響。基于國內(nèi)BATS配置設計規(guī)范，合理的投入策略需兼顧BATS上下級之間的配合關系：典型BATS配合方式可分為“自下而上”和“自上而下”兩類，基于電壓等級進行投入動作時間的整定，必要時也需與線路、主變等保護進行折衷處理[1]。蘇宜強等[2]通過分析各主變性能差異研究了BATS動作配合對事故后主變負荷的影響，并引入BATS次日停用系數(shù)和緊急停用系數(shù)實現(xiàn)單個BATS投退控制的約束，但BATS間的動作組合有效性未能充分體現(xiàn)。為實現(xiàn)系統(tǒng)中上下級的BATS配合方案，劉若溪等[3]通過厘清各BATS裝置位置矩陣，并設定假想故障構建了故障與BATS動作組合之間的初步映射關系，重新設計了一種用于實時在線優(yōu)化BATS投退組合的算法，能適應多種電網(wǎng)拓撲結構下的故障處理 。此外，N-1準則被廣泛應用于電網(wǎng)靜態(tài)安全性評估之中，利用N-1準則定義的BATS投入策略可全面考慮越限約束[4]。李俊格等[5]通過能量管理系統(tǒng)改善了BATS負荷高峰時段的退出問題，系統(tǒng)可通過獲取電網(wǎng)運行信息并構建在線BATS模型，計及N-1靜態(tài)安全因素，最后可完成投退組合的優(yōu)化和自動閉環(huán)控制，但N-1校核算法遍歷速度慢也制約著該方案的普及。綜上，目前BATS投入策略對上下級配合、N-1靜態(tài)安全約束和優(yōu)化算法等研究處于割裂狀態(tài)，如何通盤考慮諸多因素以提升電網(wǎng)的負荷轉供能力，仍需進一步研究。

1 BATS現(xiàn)有策略規(guī)則

1.1 BATS與N-1故障關聯(lián)集

BATS動作可看作電網(wǎng)中實際故障的自動響應，其關聯(lián)關系受過載或越限條件約束[6-7]?；贜-1原則投退控制思路如圖1所示，即以每一個N-1故障為起始點，并對關聯(lián)BATS動作后的電網(wǎng)狀態(tài)進行核驗，如此循環(huán)遍歷N-1故障集中的所有故障。

圖1 基于N-1準則BATS投退控制

輻射狀區(qū)域電網(wǎng)中，N-1故障常與BATS動作呈一對多的對應關系。根據(jù)負荷優(yōu)先級和轉移負荷能力等額外約束可找出N-1故障下的最優(yōu)BATS動作組合，其關聯(lián)矩陣通?？杀碚鳛椋?/p>

(1)

式中：Bi,j為第i個N-1故障對應的第j個BATS狀態(tài)，其中0、1分別表示BATS閉鎖、投入狀態(tài)。

1.2 多電壓等級BATS動作順序

BATS與N-1故障關聯(lián)矩陣確定了任一N-1故障發(fā)生時BATS的動作組合，但BATS間的動作延時卻有較大差異[8-9]。目前區(qū)域電網(wǎng)中多采用自上而下的BATS動作順序，即上級(高壓側)BATS較下級(低壓側)BATS的動作整定時間短，如果上級BATS動作有效則不需要下級BATS再動作[10]。但無論是自上而下，抑或是自下而上的動作順序均存在固有局限：自上而下的方式具有BATS調(diào)整量小和故障處理時間短的優(yōu)勢，但也易導致元件過載的可能性；自下而上的方式可有效避免上級變電站出現(xiàn)過載，但若是故障出現(xiàn)在上級變電站處，則存在多電壓級下BATS裝置相繼動作。此外，區(qū)域電網(wǎng)大量使用T形接線形式，這也使得BATS電壓等級相同和所處變電站不同而造成的動作分級紊亂情況頻發(fā)。以圖2為例，假設A線斷開，各BATS均會因母線失電而觸發(fā)動作條件，而在自上而下的動作順序下，BATS1動作優(yōu)先級最高。實際中，BATS1動作后可恢復母線1、2的供電，但母線3仍處于失電狀態(tài)，此情況下BATS1、BATS3應同時動作。因此，僅根據(jù)母線電壓等級區(qū)分BATS上下級順序并不合理，其動作等級矩陣更應考慮T接線的特殊情況。

圖2 T接線下BATS典型配置

電氣系統(tǒng)中，下級母線需經(jīng)過與其關聯(lián)的上級母線以獲得電源。如圖2所示，假設BATS1備用母線1失電，則母線2同時也失去電源，由此也可判斷母線1為母線2的上級母線，而根據(jù)母線與BATS之間的映射關系，也能得出BATS1為BATS2的上級BATS。

2 BATS投入策略優(yōu)化算法

2.1 方法簡介

鑒于動作BATS組合仍需基于電網(wǎng)拓撲結構兼顧動作時序、動作有效性等因素，故障發(fā)生后的BATS投入方式的獲得，不僅是一個多參數(shù)、多目標的優(yōu)化問題，還需綜合考慮動作次數(shù)和負荷轉供能力等方面。如圖3所示，遍歷組合通過搜尋所有可能動作組合，并綜合動作次數(shù)、動作登記進行排序和校核，直至模型可輸出滿足實際需求的第一個解作為最優(yōu)解。遍歷組合可通過自定義的評價系數(shù)實現(xiàn)全局計算校核，但優(yōu)化結果的好壞卻與評價系數(shù)的定義息息相關。

圖3 全局遍歷優(yōu)化流程

圖4中的遺傳算法可生成多個“種子”動作組合，并基于其計算結果迭代“下一代”動作組合，其結果收斂情況與種子數(shù)、迭代次數(shù)有直接關系，這也加大了該方式的實用風險。

圖4 遺傳算法優(yōu)化流程

本文研究了基于動態(tài)規(guī)劃和全局評價系數(shù)分階段遍歷的可行性。動態(tài)規(guī)劃多用于多階段和多決策動態(tài)行為的優(yōu)化領域，與本文BATS主體的投入動作、動作時序和動作次數(shù)等組合形式不謀而合。假設需進行N次動作BATS，可將每次BATS動作視為一個階段，每一次選擇視為該階段中的決策，由此便能將N次BATS動作最優(yōu)時序求解轉化為動態(tài)規(guī)劃模型，可兼顧“自上而下”和“自下而上”兩種動作順序的優(yōu)化。如圖5所示，動態(tài)規(guī)劃無需對所有階段(N次)進行完整遍歷，實際中為減少BATS動作數(shù)量，若是遍歷到n階段之后便可達到優(yōu)化收斂，即可提前停止計算。

圖5 動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化流程

2.2 目標函數(shù)

1) 切負荷量最少

即確保過負荷有效解決的前提下，構建切負荷量最少的函數(shù)目標：

(2)

式中：m為切除負荷的數(shù)量；Pi為第i個N-1故障對應的負荷量；PK為過負荷量。

2) 電網(wǎng)損耗最低

BATS動作組合發(fā)生后，區(qū)域電網(wǎng)拓撲結構出現(xiàn)變化，此時區(qū)域電網(wǎng)損耗極值為：

(3)

式中：n為電網(wǎng)所有負荷線路的總數(shù)；Si為BATS開關狀態(tài)，即開關合位為1，分位為0；Ri為線路電阻；Pi、Qi分別為有功、無功功率；Ui為電壓幅值。

3) 動作次數(shù)最少

BATS動作會導致電網(wǎng)運行方式、線路潮流隨之變化，因此降低區(qū)域電網(wǎng)BATS動作次數(shù)也可提升組合策略的有效性。

(4)

為對BATS投入策略方案進行優(yōu)劣區(qū)分，可對切負荷量、電網(wǎng)損耗和動作次數(shù)極值求解。通過設定權重系數(shù)，將此多目標優(yōu)化問題整合為一個目標函數(shù)，其中切負荷量和動作次數(shù)優(yōu)先級最高。

F(x)=0.4×f1(x)+0.2×f2(x)+0.4×f3(x)

(5)

式中：f1(x)、f2(x)和f3(x)分別為切負荷量、電網(wǎng)損耗和動作次數(shù)的函數(shù)式最小值；F(x)為優(yōu)化目標函數(shù)。

2.3 約束條件

BATS動作后的電網(wǎng)拓撲結構更新需進行相應的階段潮流計算，并對母線電壓、支路電流及功率越限情況進行甄別。此外，聯(lián)絡線轉供容量和主變壓器容量也是策略優(yōu)化中的重點約束目標。

1) 聯(lián)絡線轉供容量約束

Aij≤Cij

(6)

式中：Aij為故障供電單元i通過第j個聯(lián)絡線開關所在的聯(lián)絡線轉帶的負荷；Cij為所在聯(lián)絡線轉帶的最大負荷容量。

2)主變壓器容量約束

Gi+Ci≤Li

(7)

式中：Gi為供電單元i中主變原有分負荷；Ci為主變所轉帶負荷；Li為主變額定容量。

2.4 優(yōu)化流程分析

BATS投入策略優(yōu)化為含有約束的非線性模型，為此本文提出了基于動態(tài)規(guī)劃的BATS投入優(yōu)化流程，相比單一全局遍歷效果更佳，如圖6所示。首先基于區(qū)域電網(wǎng)拓撲結構形成N-1故障集合，結合母線失電的思路尋出其關聯(lián)的BATS組合集，并對動作優(yōu)先級展開排序；隨后對BATS動作后的電網(wǎng)進行潮流計算，結合目標函數(shù)的極值求解尋得策略最優(yōu)解；最后根據(jù)約束邊界，確定此投退狀態(tài)結果的合理性。

圖6 基于動態(tài)規(guī)劃的BATS投入策略

以蒙城生物電廠望月變35 kV線路為例，其全長近3.6 km。望月變六回35 kV出線均配置有RCS9611型BATS裝置，線路兩側設有全線速斷的電流差動保護。利用典型全局遍歷、遺傳算法及動態(tài)規(guī)劃對BATS投入策略進行優(yōu)化匯總，發(fā)現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法和全局遍歷收斂速度以此遞減，如圖7所示，動態(tài)規(guī)劃可有效規(guī)避局部收斂的同時，系統(tǒng)轉供能力較遺傳算法提升3.5%，且N-1潮流及電壓無越限現(xiàn)象。

圖7 算法收斂對比

3 結束語

(1) 基于N-1準則的BATS投入策略優(yōu)化需兼顧動作組合與動作順序之間的配合，而采用BATS與N-1故障關聯(lián)矩陣能快速定義全網(wǎng)BATS狀態(tài)，通過區(qū)域電網(wǎng)拓撲結構可方便定義BATS間的上下級關系。

(2) 基于動態(tài)規(guī)劃理念的BATS投入策略優(yōu)化可全面反映目標函數(shù)極值與約束極限限制間的trade-off關系，精度效果和計算速度更佳，也為實際配電網(wǎng)中的BATS動作規(guī)范提供了參考。