考慮時間風險的配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程優(yōu)化

霍 健，尹茂林

（國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

考慮時間風險的配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程優(yōu)化

霍 健，尹茂林

（國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

配電系統(tǒng)的調(diào)度操作應(yīng)兼顧供電可靠性與檢修工作有效時間，須在規(guī)定時間內(nèi)合理流暢地完成。但配電設(shè)備及環(huán)境狀況的復(fù)雜性，使操作時間存在風險，傳統(tǒng)的經(jīng)驗型調(diào)度操作流程安排已無法滿足要求。在闡述配電設(shè)備操作的時間風險及其度量方法的基礎(chǔ)上，利用粒子群優(yōu)化算法，提出考慮時間風險的配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程優(yōu)化方法，實際案例分析表明，通過該方法進行優(yōu)化，可以在保證供電可靠性的前提下，更合理迅速地完成配電設(shè)備的調(diào)度操作，以增加檢修工作的有效時間，提高配電系統(tǒng)運行檢修質(zhì)量。

配電系統(tǒng)；時間風險；操作流程；粒子群優(yōu)化

0 引言

配電系統(tǒng)承擔著直接對用戶供電的功能［1］，在調(diào)度操作及檢修環(huán)節(jié)要求縮短停電時間，以保證供電可靠性。但配電系統(tǒng)操作過程中設(shè)備情況、惡劣天氣等不確定因素［2］，使配電設(shè)備操作時間存在很大的不可預(yù)知性，構(gòu)成配電系統(tǒng)調(diào)度操作的時間風險。配電系統(tǒng)調(diào)度操作的時間風險對設(shè)備檢修工作有效時間造成不利影響，因此，對配電系統(tǒng)調(diào)度操作中的時間風險進行分析并在考慮時間風險情況下，制定合理科學(xué)的調(diào)度操作流程，有十分重要的現(xiàn)實意義。

對調(diào)度操作流程中的不確定因素及風險進行分析是優(yōu)化調(diào)度操作的重要手段［2-3］，文獻［2］在參數(shù)不確定情況下對期望風險值進行了概率分析；文獻［3］提出了調(diào)度操作中事故風險的量化指標，但未涉及調(diào)度操作的時間風險及操作流程的優(yōu)化。文獻［4］提出了工程中時間風險的度量方法，文獻［5-7］則將智能優(yōu)化算法應(yīng)用于工程操作序列的優(yōu)化，為考慮時間風險優(yōu)化配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程提供了理論支持。

在闡述配電設(shè)備倒閘操作的時間風險及其度量方法的基礎(chǔ)上，提出了考慮時間風險的調(diào)度操作流程優(yōu)化方法。根據(jù)每個操作項目的時間風險度量值建立優(yōu)化模型；利用粒子群優(yōu)化算法求解最優(yōu)方案；在粒子更新過程中，通過負荷校核保證操作方案的安全性。實際操作案例分析表明，通過該方法進行優(yōu)化，不僅可以在保證供電可靠性前提下，更合理迅速地完成配電系統(tǒng)調(diào)度操作，以增加設(shè)備檢修的有效工作時間；還可以通過不停電的負荷轉(zhuǎn)供操作提前檢驗設(shè)備操作性能，提高配電系統(tǒng)運行檢修質(zhì)量。

1 調(diào)度操作的時間風險及其度量

1.1 基于正態(tài)分布的操作時間風險度量

正態(tài)分布是自然及工程界存在最為普遍的分布。對設(shè)備操作的時間不確定性，可以建立正態(tài)分布模型對其進行研究［4］。針對不同類型的設(shè)備操作，根據(jù)其操作歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)標準［8］，可以得到某一項操作的時間最小值a、最大值b及最有可能的操作時間m。假設(shè)操作時間t為服從正態(tài)分布的隨機變量，即t~N（u，σ2），其中u為變量的均值，σ2為變量的方差，其概率密度函數(shù)p（t）表達式為

變量的密度函數(shù)為一條鐘形曲線［9］，由式（1）可知，該函數(shù)及其圖像由均值u和標準差σ唯一確定。根據(jù)操作時間最小值a、最大值b及最有可能的操作時間m，可以通過以下方式得到正態(tài)分布參數(shù)u及σ 分別為［4］

若某操作項目包含k個操作步驟，操作項目中每一操作步驟所用的時間為ti（i=1，2，…，k），操作該項目總時間T=t1+t2+…+tk服從正態(tài)分布，即T~N（u，σ2）。結(jié)合式（2），通過操作項目中每個操作步驟對應(yīng)的操作時間最小值ai、最大值bi及最有可能的操作時間mi，可以得到該操作項目在相應(yīng)概率下的分位數(shù)Tq為

式中：Zα為標準正態(tài)分布下概率為a的上分位數(shù)?？梢詫q作為相應(yīng)概率下操作項目的時間風險值，其物理意義為操作項目在不超過Tq時間內(nèi)能夠完成的概率為1-α。

1.2 配電設(shè)備操作時間風險度量

配電設(shè)備操作時間隨設(shè)備性能、環(huán)境及操作要求的不同有一定的不確定性。通常情況下，戶內(nèi)設(shè)備（如10kV配電線路站內(nèi)開關(guān)）相比于戶外設(shè)備（如配電線路上分段開關(guān)），由于環(huán)境穩(wěn)定，設(shè)備可靠性高，操作時間的穩(wěn)定性高，概率分布離散程度較低；開關(guān)類設(shè)備相比于刀閘類設(shè)備操作時間的穩(wěn)定性也較高。根據(jù)文獻［8］中相關(guān)規(guī)定及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，排除極端情況（如設(shè)備損壞需長時間維修、更換等），列出部分配電設(shè)備單項操作所需時間最小值a、最大值b及最有可能的值m如表1所示。

表1 部分配電設(shè)備單項操作所需時間 min

在配電系統(tǒng)中，對配電線路停復(fù)電、負荷轉(zhuǎn)供等基本操作項目，應(yīng)嚴格遵循電氣設(shè)備倒閘操作的基本原則，按照規(guī)定的操作順序執(zhí)行，如對配電線路的停電操作應(yīng)按照 “拉開關(guān)—拉開負荷側(cè)隔離開關(guān)—拉開電源側(cè)隔離開關(guān)—合接地隔離開關(guān)”的順序，不能變更，因此，可以根據(jù)執(zhí)行相應(yīng)單項操作所需的時間，計算每個操作項目的時間風險值。

圖1 典型10kV配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型10kV配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，對圖1所示的配電系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備倒閘操作的要求，可以確定相應(yīng)操作項目的具體步驟［8］，利用表1中配電設(shè)備單項操作時間，通過式（3）可以計算得到部分配電系統(tǒng)操作項目的時間風險值如表2所示。計算中，排除小概率事件（發(fā)生概率小于 5％）的影響［9］，取式（3）中的α=0.05。

表2 部分配電系統(tǒng)操作項目的時間風險值（α=0.05）min

2 考慮時間風險因素的調(diào)度操作流程優(yōu)化

2.1 優(yōu)化算法

通過粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）對配電網(wǎng)調(diào)度操作流程進行優(yōu)化。在粒子群算法中，把每個優(yōu)化問題的潛在解都想象成一個“粒子”（Particle），第i個粒子在D維空間中的位置表示為矢量xi=（xi，1，…，xi，d，…，xi，D），粒子群的規(guī)模為N。每個粒子都有一個被目標函數(shù)決定的適應(yīng)值，并且通過迭代計算在可行解中運動，以達到適應(yīng)值最優(yōu)的解，粒子的運動由一個速度變量vi決定方向和距離，速度變量表示為 vi=（vi，1，…，vi，d，…，vi，D）。 每次迭代過程中，每個粒子xi通過追蹤兩個極值來確定速度變量vi，一個是自己到目前為止最好位置pbesti，另一個是到目前為止整個群體中所有粒子發(fā)現(xiàn)的最好位置pbest（gbest），pbest（gbest）指所有pbest中的最優(yōu)值。

在第k次迭代的過程中，每個粒子根據(jù)以下方式更新自己的速度和位置：

式中：k為當前迭代次數(shù)；K為算法的總迭代次數(shù)；ωmax和ωmin分別為設(shè)定的最大慣性權(quán)重和最小慣性權(quán)重。

2.2 粒子的編碼與解碼

電力設(shè)備調(diào)度操作流程優(yōu)化安排問題屬于離散空間的非數(shù)值優(yōu)化問題，而粒子群算法是在連續(xù)域中搜索最優(yōu)解的方法，其“粒子”表達方式和位置、速度的更新無法與調(diào)度操作步驟的序列直接對應(yīng)。本文采用基于工序的粒子編碼方式［7］，將離散的操作流程優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為連續(xù)域內(nèi)矢量優(yōu)化問題。采用隨機數(shù)表法用（0，1）之間的隨機數(shù)對每個操作序列進行編碼，每個數(shù)字對應(yīng)一個操作項目，操作項目按照對應(yīng)數(shù)值的大小進行排序，這樣，每個粒子矢量可以映射出一組操作序列。

假設(shè)某調(diào)度操作任務(wù)需 A、B、C、D、E 5個操作項目，則粒子維數(shù)為5，對該操作任務(wù)各操作項目的編碼及解碼方法如表3所示。

表3 粒子編碼和解碼方式

表3中粒子Xi對應(yīng)的操作流程為E-B-D-A-C。利用該方法，粒子值Xi用于粒子群優(yōu)化過程中的迭代計算，進行速度和位置的更新，而對應(yīng)的目標函數(shù)則用解碼后的操作序列進行計算。

2.3 利用粒子群算法優(yōu)化配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程

配電系統(tǒng)擔負著直接對用戶供電的任務(wù)，為保證供電服務(wù)質(zhì)量，配電設(shè)備停電操作及檢修、搶修工作均需嚴格在規(guī)定的停電時間內(nèi)完成。因此，一般可以將不影響對用戶供電的饋線、母線負荷轉(zhuǎn)供等調(diào)電操作通過統(tǒng)籌規(guī)劃提前進行，但對用戶供電的饋線停電及其后續(xù)操作需在規(guī)定時間內(nèi)盡量快速地完成，以保證檢修工作的有效時間。對包含多個操作項目的配電系統(tǒng)調(diào)度操作任務(wù)，將停電操作開始至全部操作完成的時間區(qū)段作為該調(diào)度操作的關(guān)鍵時間區(qū)段，其時間風險值為Tq（C1st~end），其中 C1st指操作流程中第一項停電操作。

考慮時間風險對配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程進行優(yōu)化，兼顧供電可靠性與檢修工作有效時間，以Tq（C1st~end）最小作為目標函數(shù)，建立優(yōu)化模型，即

與一般工程問題中工藝流程優(yōu)化排序問題不同，電力系統(tǒng)的每一項操作都對應(yīng)著系統(tǒng)運行狀態(tài)的改變，因此，調(diào)度操作流程的優(yōu)化還應(yīng)考慮到每一步操作是否符合系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的要求。利用粒子群算法優(yōu)化調(diào)度操作流程，需對每次迭代更新后的粒子解碼，并對每一步操作進行安全校核，對配電系統(tǒng)，安全校核的主要內(nèi)容是校驗每次操作后的負荷是否滿足設(shè)備容量、系統(tǒng)穩(wěn)定的要求。

增加負荷校核步驟后，考慮操作的時間風險，利用粒子群算法對配電系統(tǒng)進行調(diào)度操作流程優(yōu)化的算法流程如圖2所示。

圖2 利用粒子群算法優(yōu)化配電系統(tǒng)調(diào)度操作算法流程

3 實例分析

以某地區(qū)220kV N站10kV 1號母線及其出線的負荷轉(zhuǎn)供及停電操作為例，驗證本文中方法的有效性，并將優(yōu)化結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗型方法安排的操作流程比較，說明該方法在保證檢修有效時間、檢驗設(shè)備可靠性等方面的優(yōu)越性。

220kV N站10kV 1號母線及其出線結(jié)構(gòu)及負荷電流如圖3所示，正常情況下，10kV 1號母線由1號主變壓器通過開關(guān)001供電，其10條10kV出線中，線路N1、線路N8分別通過開關(guān)L2107、L215與Z站線路Z19、Q站線路Q11聯(lián)絡(luò)（聯(lián)絡(luò)開關(guān)均為熱備用）；線路N2通過開關(guān)L205與T站線路T7聯(lián)絡(luò)（聯(lián)絡(luò)開關(guān)冷備用）。線路T7限流值為480 A，線路N2限流值為550 A。

因N站全部主變壓器需停電檢修，其10kV 1號母線需調(diào)整為通過線路N2由T站線路T7供電，根據(jù)負荷情況，為配合此次運行方式的調(diào)整，線路N3、N5及N9需停電備用，線路N1、N8的負荷需轉(zhuǎn)供至線路Z19和線路Q11。為兼顧供電可靠性及檢修有效工作時間，要求停電操作開始時間不得早于20∶00，且全部調(diào)度操作需在 20∶30 前完成。

此次調(diào)度操作任務(wù)包含3條線路停電備用，2條線路合環(huán)調(diào)電及10kV 1號母線通過10kV線路轉(zhuǎn)供。為更方便地表示操作流程的各項步驟，以英文字母及線路編號組合的方式分別表示各項操作如表4所示。

表4 220kV N站10kV系統(tǒng)調(diào)度操作步驟及其表示方式

表4中，為了使優(yōu)化計算結(jié)果的適應(yīng)值更優(yōu)，將10kV 1號母線通過線路N2轉(zhuǎn)供至線路T7拆解為兩項操作，即線路N2轉(zhuǎn)供至線路T7（TR2）和10kV 1號母線站內(nèi)轉(zhuǎn)供至線路N2（TRB）。

根據(jù)操作要求，以第一條線路停電操作開始至全部操作結(jié)束的時間風險值Tq（C1st~end）最小作為目標函數(shù)，建立粒子群優(yōu)化模型，C1st表示各粒子對應(yīng)的操作序列中C3、C5、C93項操作中第一項開始的時間點。粒子維度D=8，粒子編碼后最大速度vmax=0.5，式（6）中 ωmax和 ωmin分別取為 0.95 和 0.4，式（4）中c1和c2均取為2.0，最大迭代次數(shù) Kmax=500。計算Tq（C1st~end）時，仍取α=0.05。

為消除初始種群的隨機性對優(yōu)化結(jié)果造成的不利影響，計算重復(fù)執(zhí)行20次，取最優(yōu)結(jié)果，形成優(yōu)化后的調(diào)度操作方案。將該方案與傳統(tǒng)的根據(jù)經(jīng)驗安排的操作方案相比較，其調(diào)度操作項目執(zhí)行順序與時間風險值的結(jié)果如表5所示。

圖3 N站10kV 1號母線及其出線結(jié)構(gòu)及負荷示意圖

表5 調(diào)度操作流程優(yōu)化后結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗安排結(jié)果比較

在表5第一列傳統(tǒng)經(jīng)驗型方法安排的操作流程中，將TR2及TRB合并執(zhí)行，即在N3、N5、N93條線路停電后，直接將線路N2及N站10kV 1號母線通過L205轉(zhuǎn)供至線路T7，這樣的安排可以減少一組拉合變電站內(nèi)開關(guān)的操作，但由于戶外配電聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)備操作時間的不確定性大，將合L205及其兩側(cè)刀閘的操作安排在關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)，極大增加了操作時間的風險值，對保證檢修工作有效時間帶來不利影響。

利用粒子群算法優(yōu)化后的操作流程，將操作時間風險值較大的L205及其兩側(cè)刀閘的操作調(diào)整至N3、N5、N93條線路停電之前，有效規(guī)避了戶外配電設(shè)備操作的時間風險，在不影響供電可靠性的前提下，將時間風險值Tq（C1st~end）由 38.5min 縮短至 16min，保證了檢修工作的有效時間。

為了進一步驗證兩種方案的實際效果，分別按照表5中兩種方案的操作順序進行實際操作演練，操作過程中各操作項目的時間如圖4所示。圖4中，橫軸為時間軸，將停電操作開始的時間點作為時間軸的零點，停電前實施的調(diào)電操作時間在零點左側(cè)，以負數(shù)表示，關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)操作時間以正數(shù)表示，時間軸上方為優(yōu)化后操作流程的各項操作時間，下方為傳統(tǒng)經(jīng)驗方式安排的操作流程的各項操作時間。

在操作演練過程中，大部分操作項目均按照表1中操作時間參考值m完成，但由于設(shè)備老化等原因，線路N2、T7間聯(lián)絡(luò)L205刀閘卡澀，操作時間延長至17min。因此在圖4中，以傳統(tǒng)方式安排的調(diào)度操作流程因無法提前了解戶外配電設(shè)備狀況，關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)操作時間長達33min，未能按時間要求完成調(diào)度操作。

考慮時間風險將操作流程優(yōu)化后，在各單項操作時間不變的情況下，雖然全部操作整體時間較傳統(tǒng)方法增加7min，但時間不確定性較大的操作均安排在停電操作之前，不僅將關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)操作時間縮短至13min，按時完成了操作，而且在提前進行的負荷轉(zhuǎn)供操作中，檢驗了戶外聯(lián)絡(luò)開關(guān)、刀閘等設(shè)備的操作性能，通過這樣的操作流程，即便出現(xiàn)小概率設(shè)備故障需長時間修復(fù)的情況，運維人員也有充足時間處理，不影響關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)的調(diào)度操作流暢性及檢修工作的有效時間，能夠更好地保證檢修工作準時開工，及時送電。

圖4 兩種方案操作過程時間示意圖

4 結(jié)語

配電系統(tǒng)調(diào)度操作的時間受天氣、設(shè)備狀況等影響存在不確定性，對設(shè)備檢修工作有效時間及供電可靠性造成不利影響。本文在闡述配電設(shè)備操作的時間風險及其度量方法的基礎(chǔ)上，提出了配電系統(tǒng)調(diào)度操作流程優(yōu)化方法。根據(jù)每個操作項目的時間風險度量值建立優(yōu)化模型；利用粒子群優(yōu)化算法求解最優(yōu)方案；在粒子更新過程中，通過負荷校核保證操作方案的安全性。220kV N站10kV系統(tǒng)操作案例分析表明，相比于傳統(tǒng)的方式，通過該方法進行優(yōu)化后的操作流程，有效減少了關(guān)鍵時間區(qū)段內(nèi)的操作時間，保證了檢修工作有效時間；同時能夠提前檢驗配電設(shè)備操作性能，規(guī)避操作的時間風險，使調(diào)度操作流程更加合理，配電系統(tǒng)運行檢修水平得到提高。

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Optimization for Dispatch Operation Processes of Distribution Power System Considering Time Risk Factor

HUO Jian，YIN Maolin
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The dispatching operation of the distribution power systems is required to be performed quickly in a permitted time range to balance the reliability of the power supply and the effective-over-hauling-time.However，the complexity of conditions of the equipment and the environment make it difficult to predict the operation time.As a result，the traditional empirical method for arranging the dispatch operation processes can not satisfy the requirement.Based on an exposition of the evaluation of the time risk of the dispatching operation of distribution power systems，a method for optimizing the dispatching operation processes considering the time risk is proposed using PSO.Through the analysis of a practice case，it is proved that this method makes it faster and more practical to complete the operation without harming the reliability of the power supply so that the effective-over-hauling-time and the quality of the operation is improved.

distribution power system；time risk；operation processes；particle swarm optimization

TM732

：A

：1007－9904（2017）07－0011－06

2017-02-24

霍 健（1988），男，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制相關(guān)工作；尹茂林（1965），男，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制相關(guān)工作。