崔永建，周 強，張 濤，劉子川，呂道鑫

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司酒泉供電公司，甘肅酒泉 735000；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730000）

在配電網(wǎng)接收電能時，需要通過配電設(shè)備將電能分布到各個子區(qū)域，此過程的安全配置可以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。配電網(wǎng)在實際運行時，調(diào)度人員調(diào)度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難度高、復(fù)雜性強、風(fēng)險高[1]。因此，分析配電網(wǎng)最佳運行方案，促進系統(tǒng)自動化的發(fā)展，是目前配電網(wǎng)相關(guān)改革的方向。文獻[2]提出了基于混合隊列模型的配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)通信帶寬預(yù)測，從狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點出發(fā)，給出了滿足服務(wù)質(zhì)量要求的系統(tǒng)帶寬最優(yōu)求解方法，降低了混合業(yè)務(wù)并存時帶寬計算的復(fù)雜性，但是存在收斂速度較慢的問題；文獻[3]構(gòu)建了含分布式電源的主動式配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，并利用NSGA-Ⅱ和博弈理論進行求解。盡管采用這兩種方法可以快速地得到目標(biāo)數(shù)據(jù)，但是缺乏對運行風(fēng)險的分析，從而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與理想結(jié)果相差很大。針對這一問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建配電網(wǎng)運行方式多目標(biāo)優(yōu)化模型。

1 選取配電網(wǎng)運行方式參數(shù)指標(biāo)

在當(dāng)今復(fù)雜的配電網(wǎng)運行模式研究中，大多選取具有實時性和針對性的指標(biāo)作為評價配電網(wǎng)穩(wěn)定運行的標(biāo)準(zhǔn)。運行方式多目標(biāo)優(yōu)化可靠性指標(biāo)是配電網(wǎng)優(yōu)化的重點，其運行模式與變壓器負(fù)荷變化、線路連接良好、電壓穩(wěn)定等因素有關(guān)，具體指標(biāo)如下：

1）變壓器間負(fù)載率變化值

將變壓器間負(fù)載率變化值記為T1，用于評估現(xiàn)有配電網(wǎng)中變壓器負(fù)荷是否達到均衡狀態(tài)，從而保證整個配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[4]。變壓器間負(fù)載率變化值計算公式為：

式中，QLmax為配電網(wǎng)負(fù)載率最大值，QLmin為配電網(wǎng)負(fù)載率最小值。

2）線路最高負(fù)載率

將線路最高負(fù)載率記為T2，用于確定線路是否出現(xiàn)滿載、超載問題[5-7]。一旦某條線路出現(xiàn)超負(fù)荷運行，則說明配電網(wǎng)存在安全隱患[8]。線路最高負(fù)載率計算公式為：

式中，Qi為配電網(wǎng)運行線路i的負(fù)載率。

3）負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力

將負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力記為T3，用于評估不同線路間負(fù)荷轉(zhuǎn)載能力。在不同線路之間出現(xiàn)負(fù)荷過載問題時，將故障線路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他線路，使負(fù)荷達到平衡狀態(tài)，以恢復(fù)配電網(wǎng)的供電能力[9-11]。負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力計算公式為：

式中，qh為配電網(wǎng)處于故障狀態(tài)下通過其他線路轉(zhuǎn)移的負(fù)荷量，qd為配電網(wǎng)處于故障狀態(tài)下需要轉(zhuǎn)移的負(fù)荷量[12]。

4）電壓偏差

將電壓偏差記為T4，用于評估配電網(wǎng)實際電能質(zhì)量[13]。電壓偏差計算公式為：

式中，vs為實際電壓，va為額定電壓。

5）無功不合格配置比例

將無功不合格配置比例記為T5，用于評估功率因數(shù)大小[14]。當(dāng)該比例達到1∶1時，配電網(wǎng)處于無功補償階段，此時功率因數(shù)達不到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，由此確定無功配置不合格[15]。無功不合格配置比例計算公式為：

式中，為不合格配置節(jié)點數(shù)量，nt為總節(jié)點數(shù)量。

6）線路損耗

將線路損耗參數(shù)記為T7，屬于電網(wǎng)經(jīng)濟性指標(biāo)，在計算配電網(wǎng)潮流基礎(chǔ)上，評估線路損耗情況。線路損耗計算公式為：

式中，Ri為電阻，Ui為電壓，Pi為有功功率，qi為無功功率。

2 多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 配電網(wǎng)運行狀態(tài)分析

為分析配電網(wǎng)運行狀態(tài)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配電網(wǎng)運行狀態(tài)分析模型，如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運行狀態(tài)分析模型

由圖1 可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運行狀態(tài)分析模型分為三個層次：傳感層、應(yīng)用層和傳輸層。其中，傳感層主要包括各種數(shù)據(jù)采集單元和智能控制單元，負(fù)責(zé)采集和監(jiān)控配電網(wǎng)絡(luò)中的海量異構(gòu)信息[16]。

傳輸層主要包括串口、線路及網(wǎng)絡(luò)，基于4G/5G的有線和無線通信模式，負(fù)責(zé)將傳感層采集的大容量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綉?yīng)用層。

應(yīng)用層具有拓?fù)浞治?、環(huán)境監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等多個應(yīng)用功能，是配電網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)分析和智能運維的應(yīng)用平臺。

通過分析配電網(wǎng)運行狀態(tài)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可確定配電網(wǎng)運行風(fēng)險。

2.2 運行風(fēng)險分析

配電網(wǎng)的運行風(fēng)險與故障概率P有關(guān)，該指標(biāo)在一定程度上影響了配電網(wǎng)的運行風(fēng)險，其中包括故障概率P2和老化概率P1。裝備實際投入年限過長會出現(xiàn)設(shè)備老化問題，主要取決于設(shè)備連接線的特性和時間，在設(shè)備老化后，出現(xiàn)如圖2 所示的故障率曲線特征。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障率曲線

以圖2 為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)備使用年限，配電網(wǎng)設(shè)備故障符合泊松分布規(guī)律，在單位時間內(nèi)，配電網(wǎng)設(shè)備事故概率計算公式為：

式中，P2(M)為M設(shè)備事故概率，Pi為M設(shè)備在某個時間的故障概率。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

為了協(xié)調(diào)優(yōu)化多個子目標(biāo)，系統(tǒng)的性能必須達到最佳。在多目標(biāo)優(yōu)化過程中可以將最大化和最小化問題相互轉(zhuǎn)化，由此建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型：

式中，x為決策空間，f(x)為包含變壓器間負(fù)載率變化值、線路最高負(fù)載率、負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力、電壓偏差、無功不合格配置比例和線路損耗指標(biāo)的函數(shù)，p和q分別為不等式和等式約束。

對于配電網(wǎng)運行方式多目標(biāo)優(yōu)化問題，應(yīng)從正常和故障兩種情況下，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)模型并設(shè)計優(yōu)化流程，優(yōu)化流程如圖3 所示。

由圖3 可知，配電網(wǎng)運行優(yōu)化是指根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的運行狀態(tài)分析模型，找到當(dāng)前狀態(tài)下的最佳途徑。具體步驟如下：

圖3 配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化流程

步驟一：基于構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)運行狀態(tài)分析模型，分析配電網(wǎng)運行狀態(tài)；

步驟二：依據(jù)所獲得的運行狀態(tài)，分析當(dāng)前運行狀態(tài)；

步驟三：判定現(xiàn)有運行方式是否滿足要求，如果滿足，則認(rèn)為配電網(wǎng)處于最佳運行狀態(tài)；反之，利用多目標(biāo)優(yōu)化模型優(yōu)化運行狀態(tài)，獲取新的運行方式；

步驟四：對于新的運行方式，重復(fù)上述步驟，直到找到最佳運行方式。

通過上述步驟，可確定最佳配電網(wǎng)運行方式。

3 實例分析

3.1 實例介紹

使用PG&E69 節(jié)點系統(tǒng)模擬配電網(wǎng)不同運行模式，并對其進行優(yōu)化。該配電網(wǎng)共有26 條支路，選擇的基準(zhǔn)電壓為15 kV，負(fù)荷總量為38 kvar，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PG&E69節(jié)點配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖4 分析當(dāng)前配電網(wǎng)運行狀態(tài)為：正常運行模式下，每個節(jié)點都應(yīng)保證該條線路能正常運行；故障狀態(tài)下，節(jié)點17-20節(jié)點出現(xiàn)故障，其他節(jié)點正常。

3.2 結(jié)果與分析

結(jié)合上述配電網(wǎng)運行狀態(tài)，分別使用混合隊列模型、NSGA-Ⅱ和博弈理論和基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，在正常和故障兩種情況下繪制收斂曲線，對比如圖5 所示。

圖5 三種方法收斂曲線對比

由圖5 可知，使用混合隊列模型、NSGA-Ⅱ、博弈理論在正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的收斂曲線相似，均比基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化方法收斂速度慢。由此可知，該文方法收斂速度更快，適應(yīng)度也更優(yōu)。

為了更好地分析運行優(yōu)化結(jié)果，確定不同指標(biāo)優(yōu)化程度，計算公式為：

式中，K為指標(biāo)優(yōu)化程度，K0為初始狀態(tài)指標(biāo)值，K＇為優(yōu)化處理后的狀態(tài)指標(biāo)值?；谏鲜龉?，可得到各個指標(biāo)優(yōu)化程度，如表1 所示。

由表1 可知，正常情況下，使用混合隊列模型、NSGA-Ⅱ和博弈理論分別與理想值最大相差1.13%、0.86%，使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與理想值最大相差0.03%；故障情況下，使用混合隊列模型、NSGA-Ⅱ和博弈理論分別與理想值最大相差4.54%、2.54%，使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與理想值最大相差0.01%。綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果與理想結(jié)果更接近。

表1 不同方法優(yōu)化后指標(biāo)的改善程度

4 結(jié)束語

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將配電網(wǎng)絡(luò)分解成多種運行指標(biāo)，建立適合其運行優(yōu)化研究的結(jié)構(gòu)模型。同時，將變壓器間負(fù)載率變化值、線路最高負(fù)載率、負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力、電壓偏差、無功不合格配置比例和線路損耗指標(biāo)作為配電網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)，在正常和故障兩種情況下實現(xiàn)配電網(wǎng)優(yōu)化。