考慮運行風險的配電網(wǎng)運行方式多目標優(yōu)化*

席旭亮， 劉耀俊， 王煥麗

(國網(wǎng)山西省電力公司技能培訓中心，山西 太原 030001)

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考慮運行風險的配電網(wǎng)運行方式多目標優(yōu)化*

席旭亮， 劉耀俊*， 王煥麗

(國網(wǎng)山西省電力公司技能培訓中心，山西 太原 030001)

將風險理論引入配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化中，從節(jié)點電壓越限和線路過載的角度定義運行風險指標，并采用效用函數(shù)度量故障嚴重程度，進而提出了考慮運行風險的配電網(wǎng)運行方式多目標優(yōu)化模型.以IEEE33母線系統(tǒng)為例，通過和聲算法進行優(yōu)化計算驗證了指標和算法的合理性與可行性.

配電網(wǎng)；運行方式；多目標優(yōu)化；運行風險；指標權重；和聲算法；

通過切換配電網(wǎng)中開關的狀態(tài)，可以改變配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構.配電網(wǎng)系統(tǒng)運行方式優(yōu)化主要是由改變聯(lián)絡開關和分段開關的開合狀態(tài)來改變網(wǎng)絡的拓撲，以在饋線或變電站之間實現(xiàn)負荷轉移，從而影響配電網(wǎng)絡中的功率流動，最終達到網(wǎng)絡運行優(yōu)化的目的[1,2].

近年來，眾多學者提出了很多方法解決配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化問題[3,4].[5]和[6]僅以網(wǎng)損最小為目標函數(shù)建立配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化模型，采用改進的智能算法提高搜索效率和尋優(yōu)性能；[7] 從線路負載率、負荷轉移能力、電壓偏離水平、網(wǎng)損等指標，對配電網(wǎng)運行方式綜合評價，以評分為目標函數(shù)進行優(yōu)化，但忽略了系統(tǒng)運行風險，不能為配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性和風險性之間的權衡提供決策支持.目前，一些研究人員將風險理論用于電力系統(tǒng)的安全評估中，對電力系統(tǒng)安全性做出了更科學的評估[8,9].[10]運用Pareto多目標優(yōu)化方法對系統(tǒng)風險水平進行量化；[11]將風險理論引入到發(fā)電優(yōu)化調(diào)度中，從節(jié)點電壓越限和線路過載兩個方面定義運行風險指標，量化系統(tǒng)風險水平；[12]結合K(N-1+1)準則和效用理論建立了配電網(wǎng)運行風險評估系統(tǒng)，然而該評估系統(tǒng)指標組成固定，忽略了配電網(wǎng)運行狀態(tài)不同時評估的重點不同，系統(tǒng)組成也應該不同.

本文提出了一種考慮運行風險的配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化模型，其中運行風險指標包括節(jié)點電壓越限風險和支路過載風險.該模型以同時降低系統(tǒng)運行風險和網(wǎng)損作為優(yōu)化目標，根據(jù)配電網(wǎng)運行狀態(tài)不同調(diào)整目標函數(shù)的具體指標組成，在此基礎上提出采用和聲算法，對配電網(wǎng)運行方式進行優(yōu)化求解.通過IEEE-33母線系統(tǒng)驗證了所提算法的合理性與可行性.

1 參數(shù)指標及層次結構

1.1 運行風險指標

基于風險的電力系統(tǒng)運行安全評估方法更能抓住事故的可能性和嚴重性，更能全面地反映系統(tǒng)運行的安全水平.通常采用概率和后果乘積和表達形式，用于計算系統(tǒng)風險值的公式為[13]

(1)

式中，i為評估元件集合；Xt為事故前的運行狀態(tài)；E為不確定的事故；C為不確定事故造成的后果；P(E/Xt)為在Xt下E出現(xiàn)的概率；Sev(C/E)為E產(chǎn)生C后果的嚴重度.

1.1.1 故障概率模型 本文綜合考慮影響故障概率的因素有統(tǒng)計事故概率和元件的投運年限，因此，電力系統(tǒng)故障概率(P)由統(tǒng)計的事故概率(P2)與元件投運年限(P1)相乘計算得到.P1主要取決于線路自身的特征與投運時間，一般設備在投運后老化失效概率呈現(xiàn)浴盆曲線的特性[14]，變化規(guī)律如圖1所示；從歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出電力系統(tǒng)的事故E基本符合泊松分布，單位時間內(nèi)元件故障概率為[15]

(2)

式中，F(xiàn)i為第i個元件發(fā)生故障；λi為系統(tǒng)事故Fi在單位時間內(nèi)發(fā)生的概率.

1.1.2 故障嚴重度模型 由電力系統(tǒng)實際情況可將系統(tǒng)故障嚴重度模型分為節(jié)點電壓越限和支路過載兩類.

(3)

式中，Ui為節(jié)點i的電壓幅值；Ui,min、Ui,max分別為節(jié)點i的電壓越限的上限和下限.

定義節(jié)點i的電壓越限嚴重程度為

(4)

當系統(tǒng)發(fā)生故障后支路i過載損失值wLi為

(5)

式中，Li表示第i條支路的有功負載率，為支路有功功率與該支路最大傳輸功率之比；L0為第i條支路的負載率上限.

定義支路i的過載嚴重程度為

(6)

1.1.3 系統(tǒng)運行風險計算 針對配電網(wǎng)的地域比較集中，網(wǎng)絡結構多樣、復雜，且存在數(shù)量眾多的聯(lián)絡開關和分段開關，結構及運行方式靈活等特點，本文提出的配電網(wǎng)風險指標包括節(jié)點電壓越限風險指標和線路過載風險指標，以分別反應節(jié)點電壓越限和線路過載的可能性與造成后果的嚴重性.

將這兩種風險指標根據(jù)各風險在電網(wǎng)運行中造成影響的程度大小進行加權綜合，得到配電網(wǎng)的綜合風險指標.該指標能綜合地反應系統(tǒng)的整體運行安全水平，系統(tǒng)的運行風險指標Rs為

Rs=ω1RV+ω2RL.

(7)

式中，RV、RL分別為節(jié)點電壓越限風險指標、線路過載風險指標和系統(tǒng)失負荷風險指標；ω1、ω2、分別為節(jié)點電壓越限風險和線路過載風險指標的權重，且滿足ω1+ω2=1.

1.2 網(wǎng)損指標

該參數(shù)指標為經(jīng)濟性指標，主要包括系統(tǒng)線路損耗和變壓器損耗，由配電網(wǎng)潮流計算得到，其中線路損耗的計算公式為

(8)

式中， Ui和Uj分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅值；Gij為節(jié)點i與j之間的節(jié)點導納實部；θij分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓相角之差.

2 配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

為滿足系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性條件的制約，本文將配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化問題轉化為系統(tǒng)運行風險和運行成本的多目標優(yōu)化問題，層次結構如圖3所示，其目標函數(shù)為

(9)

式中，ωR、ωC分別為風險性和經(jīng)濟性指標的權重，且滿足ωR+ωC=1.

本文通過改變各指標權重來調(diào)整目標函數(shù)的具體組成.配電網(wǎng)在正常運行時，需在不影響其可靠性和電能質量的前提下實現(xiàn)最經(jīng)濟運行，此時，經(jīng)濟指標權重所占比重最大；在檢修狀態(tài)下，應在考慮經(jīng)濟性的同時兼顧電網(wǎng)風險指標；在故障狀態(tài)下，可以不考慮經(jīng)濟性指標，而將系統(tǒng)風險降至最低.

2.2 求解方法

本文采用和聲算法(HS)來進行配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化計算.和聲搜索法是一種啟發(fā)式全局優(yōu)化算法，是由樂師們憑借自己的記憶，通過反復調(diào)整樂隊中各樂器的音調(diào)，最終達到一個美妙的和聲狀態(tài)[16].

配電網(wǎng)中開關狀態(tài)的不同，將產(chǎn)生不同的運行方式，因此，將開關狀態(tài)作為變量.開關狀態(tài)采用0和1二進制編碼方式，0代表開關斷開，1代表開關閉合.每一個解代表一種運行方式，并滿足電力系統(tǒng)本身的約束條件，且不能形成環(huán)路供電，即無孤島無環(huán)路.

算法首先產(chǎn)生HMS個初始解放入和聲記憶庫(HM)中，以概率HMCR在HM中搜索，以概率(1-HMCR)在HM外變量可能值域中搜索，然后以概率PAR對新解產(chǎn)生擾動.再判斷新解目標函數(shù)值是否優(yōu)于HM內(nèi)的最差解，若是，則替換.然后反復迭代尋優(yōu)計算，當目標函數(shù)值滿足收斂條件為止，得到相對最優(yōu)的運行方案，即為配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化的結果.詳細計算過程見[17].

3 算例分析

本文以IEEE-33母點配電系統(tǒng)為算例，如圖3所示，對配電網(wǎng)運行方式進行多目標優(yōu)化.在正常運行狀態(tài)下，圖4中各節(jié)點均保持正常供電；在檢修狀態(tài)下，假設檢修點為節(jié)點27，除該節(jié)點外，各線路均保持正常供電；在故障狀態(tài)下，假定節(jié)點9～10之間的線路發(fā)生斷路故障，該段線路停止供電，而其余線路保持正常供電.

表1 三種狀態(tài)下的指標權重值

表1為不同運行狀態(tài)下的指標權重.表2為初始狀態(tài)、檢修狀態(tài)和故障狀態(tài)下未優(yōu)化時的指標值.

在正常運行、檢修和故障三種狀態(tài)下求出的配電網(wǎng)最優(yōu)運行方式方案如表2所示，三種方案相應的指標值如表3和圖5所示.

表2 三種狀態(tài)下配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化結果

表3 三種狀態(tài)下配電優(yōu)化后的指標結果

從正常、檢修和故障三種運行狀態(tài)下的優(yōu)化結果可以看出，在不同的運行狀態(tài)下，由于配電網(wǎng)評估的側重點不同，所得到的優(yōu)化結果也不相同.在正常運行狀態(tài)下，由于經(jīng)濟性指標所占的權重最大，因此從優(yōu)化結果可以看出，此時經(jīng)濟性指標的優(yōu)化效果十分明顯；在故障運行狀態(tài)下時，因為只考慮風險性指標，而不考慮經(jīng)濟性，此時對經(jīng)濟指標改善作用較小，而對風險性指標的改善作用明顯.

4 結束語

本文將運行風險引入配電網(wǎng)運行方式的優(yōu)化中，并將其應用于配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化中，實現(xiàn)在正常、檢修和故障三種不同配電網(wǎng)運行狀態(tài)下的配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化.由算例IEEE-33母線系統(tǒng)表明，本文提出的優(yōu)化目標滿足不同狀態(tài)運行優(yōu)化的要求，有較強的可行性和實用性.

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責任編輯：龍順潮

Multi-Objective Optimization of Distribution Network Operation Mode Considering Operation Risk

XIXu-liang,LIUYao-jun*,WANGHuan-li

(The Skill Training Center of State Grid Shanxi Electric Power Company Shanxi Province,Taiyuan 030001 China)

To effectively evaluate the overall safety level of distribution network, this article will introduce the theoretical risk into the distribution network operation mode optimization. The operation risk index is defined from the node voltage and line overload point, and the utility function is used to measure the severity of fault. Then a multi-objective optimization model of distribution network operation mode considering operation risk is presented. The model’s objective function is reducing both operational risks and losses. Taking IEEE33 bus system as an example, harmony search algorithm is used to verify the rationality and feasibility of the index and the algorithm.

distribution network; operation mode; multi-objective optimization; operation risk; index weight; Harmony Search

2015-08-07

劉耀俊(1967- )，山西省 襄汾人，高級講師.E-mail:lyj9195@163.com

TM732

A

1000-5900(2015)04-0117-05