陳曉鋒，龔俊芳，孫成那

(浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州 310030)

電力系統(tǒng)的末端是配電網(wǎng)，配電網(wǎng)可以有效保證供電質(zhì)量和供電能力[1]，因此提高配電網(wǎng)的供電可靠性一直是電力系統(tǒng)發(fā)展中的重要問題之一。構(gòu)建配網(wǎng)自動化系統(tǒng)是提高配電網(wǎng)可靠性的一個有效方法。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的作用是實時對配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，從而及時發(fā)現(xiàn)故障位置。如果電網(wǎng)運行狀態(tài)正常，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)就保持優(yōu)化配電網(wǎng)的運行方式。一旦電網(wǎng)處于異常運行狀態(tài)，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)就會迅速動作，對有故障的區(qū)域進行快速查找、隔離，并恢復無故障區(qū)域的供電[2]。作為配網(wǎng)自動化的關鍵，饋線自動化一般采用“二遙”和“三遙”終端作為自動化終端[3]。不同地區(qū)的終端配置可以根據(jù)自身的可靠性要求進行優(yōu)化選擇，但選擇時還需要考慮投資和可靠性的關系，才能確保配電網(wǎng)建設運行的經(jīng)濟性和可靠性都達到最優(yōu)[4-7]。目前，很多研究者針對配電終端的優(yōu)化配置問題進行了深入研究，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的算法，然而這些算法普遍存在尋優(yōu)效率差的問題。

為解決這個問題，本文建立了一個三層優(yōu)化模型，將饋線的各種負荷類型作為決策變量。對于上中下三層模型，本文均采用粒子群算法求解，最后利用IEEERBTSBUS5算例驗證算法的有效性。

1 配電終端配置優(yōu)化模型求解算法研究

1.1 含配電終端的配電系統(tǒng)可靠性分析

2012年，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了Q/GDW 1738—2012《配電網(wǎng)規(guī)劃設計技術導則》，其中依據(jù)行政級別和負荷密度將供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D、E 6類。供電用戶最重要的是A+區(qū)域，要求保證用戶年平均停電時間不高于5 min；供電用戶最不重要的是E區(qū)域，要求為不低于(向)社會承諾的指標[8-9]。一般在A+區(qū)域安裝“三遙”終端設備快速進行故障隔離，及時恢復供電。在E區(qū)域安裝“二遙”或“一遙”終端設備[10-11]。系統(tǒng)故障時間T的計算公式為：

T=t1+t2+t3+t4

(1)

式中：t1，t2，t3，t4分別為故障定位時間、隔離時間、修復時間及聯(lián)絡開關定位時間。4類故障時間與不同配電終端類型之間的關系見表1。

表1 不同配電終端類型對系統(tǒng)4類故障時間的影響

由表1可以看出，在配電終端安裝“二遙”會對故障隔離時間及故障修復時間產(chǎn)生影響，“三遙”僅會對故障修復時間產(chǎn)生影響，“一遙”對4類故障時間均產(chǎn)生影響。為保證配置結(jié)果的經(jīng)濟性和尋優(yōu)效率，本文建立一個三層優(yōu)化模型來解決配電終端配置問題[12]。

1.2 上層優(yōu)化模型

在該模型中，將配電終端安裝位置作為決策變量，期望通過相關優(yōu)化最大化減少初始配置費。其目標函數(shù)為：

minC=CF

(2)

式中：CF為配電終端設備投資總費用；C為配電終端設備的前期配置費用。

C=K1Ps1+K2Ps2

(3)

式中：K1為“二遙”終端的數(shù)量；K2為“三遙”終端的數(shù)量；Ps1為“二遙”終端投資費用；Ps2為“三遙”終端投資費用。

1.3 中層優(yōu)化模型

該模型將饋線的各種負荷類型作為決策變量，并對維修與置換終端的費用做了優(yōu)化處理,目標函數(shù)為：

minC=CM+CR

(4)

式中：CM,CR分別為配電終端維修、置換費用。

(5)

式中：s為工程投資時間；L1和L2分別為“二遙”和“三遙”終端的使用期限。

1.4 下層優(yōu)化模型

配電終端配置下層優(yōu)化模型在優(yōu)化時要滿足系統(tǒng)平均供電可用率ASAI約束。

ASAI的數(shù)學表達式為：

(6)

式中：8 760為1年中的小時數(shù)；Ni為第i個用戶負荷數(shù)；Ti為第i個用戶平均停電持續(xù)時間。

下層優(yōu)化模型以停電損失費最小化作為優(yōu)化方向，并將配電終端安裝類型確定為決策變量。目標函數(shù)為:

(7)

式中：CL為停電損失費；Cj為用戶j平均損失費；ENSj為停電后用戶j缺供電量平均值；N為系統(tǒng)中用戶數(shù)量。

1.5 三層優(yōu)化模型的求解流程

上中下三層的優(yōu)化目標和決策變量互相影響、共同作用。比如，終端安裝類型的選擇需要在明確終端安裝位置的前提下進行。安裝類型明確后，需將結(jié)果反饋至上、中層模型，以實現(xiàn)對安裝位置的再次求解。然后下層模型會依據(jù)該結(jié)果執(zhí)行優(yōu)化措施。本文設構(gòu)建配電終端上層優(yōu)化模型的決策變量為0，1，利用二進制粒子群算法對其進行求解。設配電網(wǎng)中有gb個可變的配電終端開關，第i個粒子的位置為Xi,取0或1，速度為Vi。迭代過程中，粒子群逐漸趨于全局最優(yōu)位置和局部最優(yōu)位置。在迭代過程中按式(8)～(10)所示的計算方案對位置進行調(diào)整。

(8)

(9)

(10)

中層優(yōu)化模型的求解算法是粒子群算法，步驟如下：

第一步，進行種群初始化，即選擇一種編碼方案，在解空間內(nèi)利用隨機生成方式，初始化一定量的個體，組成遺傳種群。

第二步，對第一步中構(gòu)建的種群進行評估，即利用啟發(fā)式算法對種群中的個體生成排樣圖，并利用排樣圖計算個體的適應函數(shù)值，隨后保存當前種群中性能最好的個體。

第三步，選擇操作，即以種群中個體的適應度為判斷標準，利用期望值的方法選出適應度高的個體。

第四步，對選出的個體進行交叉操作，最后進行終止判斷。

中下層優(yōu)化模型能夠?qū)νｋ姄p失費進行函數(shù)計算，降低各項成本。在驗證模型的可靠性時，求解模型的時間會因此延長。當上、中層模型較為復雜時，下層模型的求解效率必然會降低，為此需要使用配置參數(shù)較少、尋優(yōu)成功率高的螢火蟲算法對下層優(yōu)化模型進行求解。

(11)

(12)

式中：Ii為螢火蟲i絕對亮度；Iij為相對亮度；γ為光吸收系數(shù)；rij為螢火蟲i到螢火蟲j的距離；ω0為最大吸引力；ωij為螢火蟲i到螢火蟲j的笛卡爾距離。

螢火蟲j被螢火蟲i吸引后，其位置更新方式如下：

xi(k+1)=xi+ωij(rij)(xi(k)-xj(k))+θ

(13)

式中：θ為常數(shù)；xi(k+1)為螢火蟲i新的位置。

模型求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程

1.6 算例參數(shù)

在列出各模型目標函數(shù)之后，以IEERBTSBUS5中的3條饋線對模型進行仿真實驗，IEEERTBSBUS5中3條饋線接線模式如圖2所示[13-14]，該接線由同一變電所不同母線或不同變電所的母線饋線連接形成配電環(huán)網(wǎng)，給沿線用戶配電。正常運行時，分段開關常閉，聯(lián)絡開關常開，一旦環(huán)路中某段區(qū)域發(fā)生故障，故障區(qū)域分段開關打開，環(huán)路聯(lián)絡開關閉合，其余區(qū)段可以繼續(xù)供電。

圖2 IEEERTBSBUS5 3條饋線接線示意圖

考慮到市場現(xiàn)狀，設“二遙”和“三遙”終端投資單價分別為1萬元和5萬元，預期運行期限設為5 a。未安裝配電終端時，故障處理時間取4 h；安裝“二遙”終端，故障處理時間取2 h；安裝“三遙”終端，故障處理時間取0.05 h；工程投資時間為10 a。系統(tǒng)給定的最低平均供電可用率取99.945%。

2 結(jié)果與討論

2.1 配電終端數(shù)量對系統(tǒng)各項成本的影響

在配電自動化建設項目中，需要根據(jù)終端數(shù)量求解相關的投入。如果“二遙”和“三遙”的終端數(shù)量不同，那么系統(tǒng)的各項成本也會存在差異。表2是系統(tǒng)成本與“二遙”和“三遙”終端數(shù)量的關系。

由表2可以看出，在“三遙”終端為0或1臺時，系統(tǒng)費用出現(xiàn)了上下波動，即緩慢下降后再上升。系統(tǒng)的供電可用率 隨“二遙”終端安裝數(shù)量的增加而升高。當“二遙”設備<2臺時，終端的配置費用的增幅小于系統(tǒng)停電損失費用的減小幅度，系統(tǒng)總成本呈下降趨勢。當“二遙”設備>3臺時，終端的配置費用的增幅大于系統(tǒng)停電損失費用的減小幅度，系統(tǒng)總成本呈上升趨勢。當“三遙”終端安裝數(shù)量超過1臺時不論“二遙”終端安裝數(shù)量為多少，系統(tǒng)總成本一直處于增加狀態(tài)。由此可見，系統(tǒng)成本與“二遙”和“三遙”終端數(shù)量存在復雜關系，應當通過科學、合理的計算方式，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下配置“二遙”和“三遙”終端，以節(jié)約工程費用。

表2 系統(tǒng)成本與“二遙”和“三遙”終端數(shù)量的關系

2.2 配電終端三層優(yōu)化模型求解結(jié)果

從表3中可以看出，在優(yōu)化模型和原始模型安裝的“三遙”終端數(shù)量相同時，優(yōu)化模型安裝的“二遙”終端數(shù)量比原始模型的“二遙”終端數(shù)量少，優(yōu)化模型在減小系統(tǒng)損失方面沒有原始模型效果好，但其總成本要比原始模型低。

表3 模型求解結(jié)果對比

3 結(jié)束語

本文對配電終端優(yōu)化配置模型的配電自動化技術進行研究，建立了配電終端三層優(yōu)化模型，并給出了各層的決策變量。其中，上中下層三層模型涉及終端安裝位置、安裝類型等變量，模型的優(yōu)化目標和終端置換、維修、安裝成本相關聯(lián)。利用算例對所提模型進行驗證，結(jié)果表明，該模型能夠有效解決傳統(tǒng)配置模型尋優(yōu)效率差的問題。對比優(yōu)化前后的模型可知，在保證可靠性的情況下，優(yōu)化模型能夠一定程度上減少配電終端“二遙”和“三遙”安裝數(shù)量，降低配置費用，讓配電終端變得更加經(jīng)濟。但本文的研究還存在一些不足，所提模型只能滿足對可靠性要求較低區(qū)域的配電需求，對于可靠性要求較高的區(qū)域，則要結(jié)合實際再進行更深入的研究與設計。