含分布式電源的配電網(wǎng)災(zāi)后分階段搶修策略

盧志剛，劉照拯，張晶，馮濤，顧紹柱，常磊

(1．燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北秦皇島066004; 2．國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北秦皇島066004)

含分布式電源的配電網(wǎng)災(zāi)后分階段搶修策略

盧志剛1，劉照拯2，張晶1，馮濤1，顧紹柱2，常磊2

(1．燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北秦皇島066004; 2．國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北秦皇島066004)

針對災(zāi)后配電網(wǎng)故障搶修需優(yōu)先保證重要負荷供電的實際情況，建立了含分布式電源(DG)的配電網(wǎng)災(zāi)后多小隊分階段搶修策略的優(yōu)化模型，DG通過形成微網(wǎng)、孤島運行及時恢復(fù)部分負荷的供電。定義設(shè)備故障經(jīng)濟損失特征值，用以保證故障搶修的優(yōu)先級，同時將聯(lián)絡(luò)開關(guān)當作虛擬故障，利用其倒閘操作以及應(yīng)急發(fā)電車的臨時供電配合小隊搶修，提高搶修效率。采用改進的離散細菌群體趨藥性算法(DBCC)優(yōu)化，快速得到搶修方案。算例結(jié)果證明了所提搶修策略優(yōu)化模型以及智能優(yōu)化算法的有效性和正確性。

災(zāi)后配電網(wǎng);分階段搶修;聯(lián)絡(luò)開關(guān);應(yīng)急發(fā)電車;分布式電源

1 引言

配電網(wǎng)災(zāi)后的故障搶修不同于一般故障修復(fù)問題，其強調(diào)搶修的快速性與時效性，如供電得不到快速恢復(fù)，則直接影響到災(zāi)區(qū)其他救援工作的順利進行。因此，如何在有限搶修人員和資源的情況下，快速產(chǎn)生合理的配電網(wǎng)故障搶修應(yīng)急方案成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。

當前分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，得到了越來越多的關(guān)注，其與大電網(wǎng)相互補充協(xié)調(diào)，綜合利用現(xiàn)有資源和設(shè)備，為用戶提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電能［1-3］。國內(nèi)外對于含DG的配電網(wǎng)故障方面的研究主要集中于操作開關(guān)的故障恢復(fù)和故障診斷等方面［4-8］，而對于配電網(wǎng)多故障搶修問題的研究相對較少。文獻［9］提出一種配電系統(tǒng)的混合多目標故障恢復(fù)模型，滿足在各種運行約束條件下以最短時間恢復(fù)供電。文獻［10］針對配電網(wǎng)故障恢復(fù)問題，根據(jù)DG的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了一種考慮DG的配電網(wǎng)故障恢復(fù)策略。文獻［11］建立了基于鄰接表并包含主變電站10kV母線的配電網(wǎng)簡化模型，論述了在緊急狀態(tài)下整個配電網(wǎng)大面積斷電的快速恢復(fù)流程。在故障搶修方面，文獻［12］將Dijkstra算法應(yīng)用于基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)配電網(wǎng)的最佳搶修路徑計算，但這僅僅是一種單純路徑最短的問題，與實際配電網(wǎng)搶修的復(fù)雜情況不符。文獻［13］建立了配電網(wǎng)突發(fā)多處故障情況下故障搶修與故障恢復(fù)相結(jié)合的多目標優(yōu)化模型。文獻［14］建立了配電網(wǎng)多處發(fā)生故障情況下的搶修策略優(yōu)化模型，但其僅考慮了一個搶修小隊執(zhí)行搶修任務(wù)，也沒有考慮配電網(wǎng)的開關(guān)操作等因素。

針對上述問題，本文在搶修過程中保證重要負荷快速供電，優(yōu)先恢復(fù)一級負荷與二級負荷，建立了含DG的災(zāi)后分階段應(yīng)急搶修策略，搶修過程中除利用聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘操作配合搶修外，同時考慮了DG的孤島運行以及應(yīng)急發(fā)電車為重要負荷臨時供電等對搶修的影響，提高搶修效率［15］。

2 含DG的配電網(wǎng)階段性搶修模型

2.1 搶修效率系數(shù)φ及故障經(jīng)濟損失特征值λ

設(shè)N為搶修小隊數(shù)目，i=1，2，．．．，N，則多小隊配合搶修作業(yè)時，考慮各搶修小隊搶修人員、配備搶修設(shè)備以及電力搶修專家不同，搶修能力亦不同，定義搶修效率系數(shù)φ來區(qū)分各小隊搶修效率。規(guī)定最優(yōu)搶修小隊修復(fù)故障時間為標準時間TB，搶修效率系數(shù)φB=1。其他小隊搶修效率低于最優(yōu)小隊，搶修系數(shù)φi＞1，修復(fù)故障設(shè)備時間Ti=φiTB。

為保證故障的搶修優(yōu)先級，定義故障經(jīng)濟損失特征值λ，其由該故障點引起失電負荷的時效緊迫性β1、故障設(shè)備的可維修性β2以及所帶負荷重要程度(用該故障點造成各級負荷停電功率Lp表示)決定，由式(1)可看出每一個故障設(shè)備對應(yīng)唯一的優(yōu)先級特征值。

式中，0＜β1＜1;0＜β2＜1;ωdj為負荷等級權(quán)重系數(shù);Ldj(x)為設(shè)備x故障造成負荷等級為dj的負荷停電功率值。

2.2 目標函數(shù)

配電網(wǎng)多故障搶修的優(yōu)化模型為:

(1)階段1，恢復(fù)重要負荷供電，即修復(fù)與一級負荷以及二級負荷連接的故障點，目標函數(shù)為:

可見，階段1為多目標優(yōu)化過程，在滿足一定約束的前提下，能夠得到包含一系列優(yōu)化方案的方案集。

(2)階段2，恢復(fù)三級負荷供電，目標函數(shù)為:

式中，X=(x1，x2，．．．，xi，…，xm+n)為故障設(shè)備的搶修和開關(guān)的操作策略;xi為故障或聯(lián)絡(luò)開關(guān)的編號。

f1(X)為配電網(wǎng)多故障搶修的經(jīng)濟性指標，即設(shè)備故障造成的停電經(jīng)濟損失:

式中，m為故障總數(shù);n為可進行操作的聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)，本文把聯(lián)絡(luò)開關(guān)當成虛擬故障點來處理，搶修時間為開關(guān)動作時間，車程時間計為零;TBmax為最優(yōu)搶修小隊搶修故障xj的最大允許時間;α為體現(xiàn)故障設(shè)備修復(fù)任務(wù)完成概率的值，在允許時間內(nèi)完成故障設(shè)備的修復(fù)，α=1(虛擬故障的α=1)，否則α=0;n'為應(yīng)急發(fā)電車以及形成孤島的DG數(shù)量; m'為供電負荷數(shù);Ti'為發(fā)電車以及DG臨時供電時間;Lj為發(fā)電車以及DG臨時供電的負荷功率;wj為該負荷的負荷等級系數(shù)。

2.3 約束條件

(1)不包含DG時，網(wǎng)絡(luò)輻射狀運行約束為:

式中，gk為已恢復(fù)供電區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu);GR為保證輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的集合。

(2)支路潮流容量約束為:

f2(X)為完成配電網(wǎng)故障搶修的時間，則:

式中，Pk為流過支路k的功率;Pkmax為支路k允許最大容量限值。

(3)發(fā)電車約束，即優(yōu)先考慮為容量匹配的重要負荷供電。

(4)節(jié)點電壓約束

在故障搶修和開關(guān)操作后，各節(jié)點電壓應(yīng)滿足:

式中，Umax、Umin分別為節(jié)點電壓上下限。

3 基于改進DBCC的配電網(wǎng)分階段搶修

3.1 離散化編碼方案

故障搶修順序和開關(guān)操作均屬于離散變量，而細菌群體趨藥性(Bacterial Colony Chemotaxis，BCC)算法是針對連續(xù)域的尋優(yōu)算法，因此首先需對所有故障進行統(tǒng)一離散化編碼。編碼前，首先根據(jù)故障點地理分布位置、配電網(wǎng)支路拓撲信息以及搶修小隊能力合理分配各小隊搶修故障點的集合，然后采用本文所提十進制細菌編碼策略，對搶修順序以及發(fā)電車派遣進行簡化編碼處理，如圖1所示。圖1中，a1，a2，．．．，ak為應(yīng)急發(fā)電車臨時供電負荷節(jié)點編號，k為發(fā)電車數(shù)量;x1，x2，．．．，xm+n為故障點搶修序列。

圖1 發(fā)電車及故障搶修策略混合編碼Fig．1 Coding of power cars and fault repair strategy

3.2 定向變異

種群空間分布的均勻程度直接影響最終是否能收斂找到最優(yōu)解。細菌分布過于擁擠容易陷入局部最優(yōu)，影響尋優(yōu)速度。為保證尋優(yōu)過程中細菌種群的多樣性，引入定向變異操作算子，在尋優(yōu)前期引導(dǎo)細菌向空間密度小的區(qū)域移動，增大細菌尋優(yōu)空間，進一步提高細菌的整體尋優(yōu)水平，保證搶修策略的快速制定。

(1)種群空間半徑Rav

式中，ri為細菌之間的歐幾里得距離;U為種群中任意兩個細菌歐幾里得距離個數(shù)之和。

(2)種群空間密度ρ

式中，Vi為細菌i在其種群空間半徑Rav內(nèi)包含其他細菌的個數(shù);K為細菌的種群規(guī)模。

空間密度越大，則種群越密集，引導(dǎo)過于擁擠的細菌向空間密度小的區(qū)域移動，進行定向變異。經(jīng)過定向變異，細菌更容易跳出局部收斂，搜索到最優(yōu)解序列。

3.3 搶修流程

(1)初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(細菌種群、迭代次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等)。

(2)細菌個體尋優(yōu)，得到下一步移動的目標位置X1，計算社會經(jīng)濟損失f1( X1)以及搶修時間f2( X1)。

(3)細菌群體尋優(yōu)，得到下一步移動的目標位置X2，計算社會經(jīng)濟損失f1( X2)以及搶修時間f2( X2)。

(4)比較X1位置與X2位置的適應(yīng)值f1(X)以及f2(X)，若X1優(yōu)于X2，即f1(X1)≤f1(X2)，同時f2(X1)≤f2(X2)，則細菌i移動到X1位置;若X2優(yōu)于X1，則細菌i移動到X2位置;若X1與X2位置不可比較，則細菌移動到X1位置，得到發(fā)電車臨時供電負荷點位置以及小隊搶修故障點的排序。

(5)種群空間密度小的細菌進行定向變異，增加細菌尋優(yōu)空間。

(6)判斷迭代次數(shù)是否達到最大迭代次數(shù)，若沒有，則返回至步驟(2)繼續(xù)迭代;否則跳出循環(huán)，輸出最優(yōu)搶修序列。

4 算例分析

本文采用配電網(wǎng)69母線系統(tǒng)［16］，以負荷、故障點和聯(lián)絡(luò)開關(guān)形成圖的節(jié)點，電源點作為根節(jié)點，負荷間的饋線段作為邊，對配網(wǎng)圖進行簡化和重新編號，如圖2所示。圖2中，22處設(shè)備發(fā)生故障，造成61處負荷停電，負荷等級如表1所示。0為根節(jié)點，節(jié)點1～13為連接一級負荷和二級負荷的故障點，節(jié)點14～16為可操作的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，節(jié)點17～25為只與三級負荷相連的故障點，節(jié)點26～94為負荷節(jié)點，DG1、DG2和DG3為分布式電源，DG1和DG2容量裕度大于孤島內(nèi)負荷容量，DG3容量裕度不足。

圖2 69母線系統(tǒng)簡化圖Fig．2 Simplified figure of69 buses system

表1 負荷等級明細表Tab．1 Load level

4.1 參數(shù)初始化

假設(shè)該供電公司有三個搶修小隊D1、D2和D3，其搶修效率系數(shù)分別為1、1.85和2.56，配備兩輛應(yīng)急發(fā)電車。給定最優(yōu)搶修小隊預(yù)計修復(fù)故障設(shè)備標準時間、最大允許修復(fù)時間以及兩兩故障設(shè)備間的車程時間等。設(shè)定任務(wù)完成概率α=0．98，負荷權(quán)重系數(shù)設(shè)置參考文獻［16］，階段1細菌種群規(guī)模M1=100，階段2細菌種群規(guī)模M2=50，迭代次數(shù)均設(shè)置50次。初始精度εbegin=2，最終精度εend=10－6，精度更新常數(shù)σ=1.25。

4.2 仿真分析

4.2.1 階段1優(yōu)化方案

考慮與失電負荷容量相匹配以及負荷重要度，確定發(fā)電車可派往的負荷節(jié)點為29、55、56、64、80、81。

第一階段優(yōu)先恢復(fù)一級負荷與二級負荷供電，由于篇幅原因，此處只從方案集中選擇兩種優(yōu)化方案加以說明。

(1)方案1:派遣發(fā)電車1為負荷節(jié)點29供電，發(fā)電車2為負荷節(jié)點81供電。DG1孤島運行，DG3甩負荷操作，單獨為負荷87供電。各搶修小隊故障點搶修順序見表2。

表2 方案1搶修小隊故障點搶修順序表Tab．2 Rush repair order of fault points in scheme 1

(2)方案2:派遣發(fā)電車1為負荷節(jié)點80供電，發(fā)電車2為負荷節(jié)點29供電。DG1孤島運行，DG3甩負荷操作，單獨為負荷87供電。各搶修小隊故障點搶修順序見表3。表4為兩種搶修策略系統(tǒng)經(jīng)濟損失以及搶修時間對照表。

表3 方案2搶修小隊故障點搶修順序表Tab．3 Rush repair order of fault points in scheme 2

表4 社會經(jīng)濟損失與搶修時間對照表Tab．4 Contrast table of socio-economic losses and rush repair time

通過上述優(yōu)化結(jié)果可以看出，方案1修復(fù)故障點6、7之后，通過倒閘操作閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)15，可恢復(fù)由故障9引起的失電負荷供電，本著快速恢復(fù)供電的原則，D3小隊修復(fù)故障點13之后，不去修復(fù)距離較近的故障9而是修復(fù)距離較遠的故障點10，體現(xiàn)了搶修小隊之間的協(xié)作性，符合實際搶修調(diào)度。方案2通過閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)15恢復(fù)由故障點9引起的失電負荷供電后，緊接著又去修復(fù)故障點9，未體現(xiàn)出小隊之間的協(xié)作搶修，但其搶修路徑較短，縮短了搶修整體時間。

4.2.2 階段2優(yōu)化方案

第二階段搶修剩余與三級負荷相連的故障點，故障時配電網(wǎng)解列，DG2孤島運行。優(yōu)化得到搶修順序為:22→DG2同期并網(wǎng)→24→25→20→閉合16→17→23→21→19→斷開44、45→18，最小社會經(jīng)濟損失為7477.2kW·h。由于聯(lián)絡(luò)開關(guān)16的倒閘配合，負荷45、46可轉(zhuǎn)移至中間支路供電，從而減少了不必要的經(jīng)濟損失。

為了更好地說明本文提出的操作算子的有效性，分別采用進行定向變異的DBCC算法以及未進行定向變異的DBCC算法優(yōu)化第二階段故障點序列，兩種算法得到的搶修序列均與實際最優(yōu)解結(jié)果一致。兩種算法的搶修策略收斂曲線如圖3所示，可以看出進行定向變異的DBCC算法明顯加快了收斂速度，優(yōu)于未改進前的算法。

圖3 搶修策略收斂曲線圖Fig．3 Convergence diagram of rush repair strategy

5 結(jié)論

本文建立了配電網(wǎng)災(zāi)后突發(fā)多處故障情況下含分布式電源的階段性搶修策略優(yōu)化模型。

(1)模型充分利用DG的發(fā)電能力，能夠優(yōu)先保證重要負荷快速供電，減少社會經(jīng)濟損失;同時在聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘操作以及應(yīng)急發(fā)電車的派遣配合下，提高了搶修效率。

(2)應(yīng)用改進的DBCC優(yōu)化算法對所提模型的優(yōu)化求解中，定向變異操作算子提高了算法的尋優(yōu)水平，加快了搶修策略的制定效率。

(3)算例仿真結(jié)果表明，該模型能夠有效地提高搶修效率，減少社會經(jīng)濟損失。

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Staged rush repair strategy of distribution networks w ith distributed generators after disaster

LU Zhi-gang1，LIU Zhao-zheng2，ZHANG Jing1，F(xiàn)ENG Tao1，GU Shao-zhu2，CHANG Lei2
(1．Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China;2．Qinhuangdao Electric Power Company of State Grid Jibei Electric Power Company Limited，Qinhuangdao 066004，China)

In the rush repair work of distribution networks after disaster，some important loads need the priority of power supply in emergency．In view of the actual situation of distribution networks，this paper developed a staged rush-repair strategy optimization model ofmulti-teams cooperation with distributed generators(DG)．DG restores the power supply of partial loads in time by formingmicro power grid and operating in island．The economic loss eigenvalue was developed to guarantee the priority of the faults thatwaiting for repair，and to improve the rush repair efficiency，and the interconnection switcheswere taken as the virtual faults，using its switching operations and the emergency generator cars’temporary power supply to cooperate with the teams．The bacterial colony chemotaxis (BCC)algorithm was improved and discreted to optimize themodel and get the repair scheme quickly．The results prove the effectiveness and correctness of themodel and the intelligent optimization algorithm．

distribution network after disaster;staged rush repair;interconnection switch;emergency generated car;distributed generator

TM732

A

1003-3076(2015)01-0069-06

2013-09-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(61071201)

盧志剛(1963-)，男，河北籍，教授/博導(dǎo)，博士，主要從事電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行與分析的研究;劉照拯(1986-)，男，河北籍，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)故障搶修、恢復(fù)等。