解智剛,韓蓓,李國杰
(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系,上海 200240)
近年來,柔性開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)一直是配電領(lǐng)域的研究熱點。其中,智能軟開關(guān)(SOP)是一種替代聯(lián)絡(luò)開關(guān)的電力電子設(shè)備,被視為柔性開關(guān)設(shè)備的雛形[1]。SOP的作用主要是作為電網(wǎng)中相鄰饋線之間的靈活互連設(shè)備。與聯(lián)絡(luò)開關(guān)相比,SOP可以通過控制相鄰饋線之間的功率流動來平衡饋線負載并提高節(jié)點電壓[2-3]。在故障條件下,SOP能夠快速閉鎖,并在故障隔離后根據(jù)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)切換控制模式提供功率支持。
配電網(wǎng)供電恢復(fù)旨在故障隔離后盡可能恢復(fù)供電,是配電系統(tǒng)中最重要的問題之一。過去,關(guān)于供電恢復(fù)的研究主要集中在恢復(fù)算法上,包括啟發(fā)式搜索、智能算法和數(shù)學(xué)優(yōu)化算法[4-8]。此外,一些文獻研究了SOP在配電網(wǎng)供電恢復(fù)中的作用。文獻[9]采用二階錐規(guī)劃方法將含有SOP的配電網(wǎng)模型進行轉(zhuǎn)化求解得到了影響SOP供電恢復(fù)能力的因素。文獻[10]借助雙層優(yōu)化,在供電恢復(fù)過程中對SOP出口電壓進行優(yōu)化。文獻[11]研究了SOP和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的運行優(yōu)化,但未深入研究其在供電恢復(fù)中的作用。
綜合來看,目前對于SOP在供電恢復(fù)中的作用已有了初步的研究,因此如何在供電恢復(fù)中,充分發(fā)揮SOP的作用是值得研究的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生多重故障后,需要聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP的協(xié)調(diào)合作才能完成恢復(fù)供電。在實際場景中,聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作需要工作人員去現(xiàn)場操作,并且需要一定的時間才能完成,因此開關(guān)操作的先后順序會對恢復(fù)效果產(chǎn)生影響。當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作后,系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會變化,相應(yīng)地SOP的控制模式需要改變。這樣來看,在供電恢復(fù)中考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP的協(xié)調(diào)合作,本質(zhì)上是一個多目標多階段的優(yōu)化決策問題。然而,目前尚未有這方面的研究。
針對上述多目標多階段決策問題,文章以聯(lián)絡(luò)開關(guān)的數(shù)量作為階段數(shù),聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合情況作為狀態(tài),采用動態(tài)規(guī)劃法解決聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序問題。在每一個階段中采用二階錐規(guī)劃(SOCP)來解決SOP控制模式切換的問題。文章對SOP的概念和控制模式進行闡述;介紹了含SOP的多階段供電恢復(fù)流程,并針對供電恢復(fù)的動態(tài)規(guī)劃進行改進;提出以最小失電量和最小網(wǎng)損為目標的配電網(wǎng)支路潮流優(yōu)化模型。通過改進的IEEE 33節(jié)點算例驗證了文中所提多階段供電恢復(fù)策略的可行性和有效性。
SOP是代替?zhèn)鹘y(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的全控電力電子設(shè)備[12-13]。目前主要有三種表現(xiàn)形式:背靠背電壓源換流器(B2B VSC),靜態(tài)同步串聯(lián)補償器(SSSC)和統(tǒng)一功率控制器(UPFC)。文中以背靠背電壓源換流器為例,研究供電恢復(fù)的相關(guān)問題,SOP的一般應(yīng)用場景如圖1所示。
圖1 SOP的應(yīng)用場景Fig.1 Application scenario of SOP
由圖1可以看出,SOP的兩個VSC在結(jié)構(gòu)上完全對稱,通過使用不同的控制模式來實現(xiàn)所需的功能。因此與傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)相比,SOP可以進行潮流的精細控制,實時準確地調(diào)整相連饋線間的功率流動。當(dāng)一端傳輸?shù)挠泄β首兓瘯r,另一端傳輸?shù)挠泄β蕰戎底兓?,而一端無功功率變化時,另一端無功功率不變,實現(xiàn)了有功和無功的獨立調(diào)節(jié)。
在正常運行時,SOP的控制模式通常為PQ-VdcQ。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時,SOP可以根據(jù)故障發(fā)生的位置調(diào)整控制模式,以達到快速恢復(fù)部分失電區(qū)域供電的目的。假設(shè)VSC2側(cè)發(fā)生故障,VSC1側(cè)相當(dāng)于電源側(cè)。在這種情況下,VSC1側(cè)的控制模式通常是定直流電壓控制VdcQ。VSC2側(cè)的控制模式取決于故障隔離后故障側(cè)是否有電源供電。如果故障側(cè)沒有電源供電,這一側(cè)的控制模式是Vf控制或者VdcV。否則,該側(cè)的控制模式是PQ控制,如表1所示。
表1 不同運行狀態(tài)下SOP的控制模式Tab.1 Control mode of SOP under different operating conditions status
供電恢復(fù)問題關(guān)注的重點是故障切除后如何改變網(wǎng)絡(luò)運行條件[14-15],使電網(wǎng)達到最優(yōu)的運行狀態(tài)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單重故障時,系統(tǒng)憑借SOP對兩側(cè)功率的調(diào)節(jié)能力或者有限次開關(guān)操作能夠為失電用戶恢復(fù)供電。但是當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生多重故障時,需要SOP和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的協(xié)調(diào)配合才能快速恢復(fù)失電區(qū)域的供電??紤]聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序后,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會不斷變化,為此SOP需要快速地完成控制模式的切換。因此,文章的研究重點為配電網(wǎng)供電恢復(fù)過程中SOP和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的協(xié)調(diào)配合,其中SOP需要考慮其在運行中控制模式的切換,聯(lián)絡(luò)開關(guān)需要考慮投切的先后順序,該問題本質(zhì)上屬于多階段的規(guī)劃問題[16]?;诖?,文章建立了基于SOP的多階段供電恢復(fù)模型。
(1)失電量最小
多階段供電恢復(fù)的主要目標是故障恢復(fù)期間系統(tǒng)的故障損失成本最低,即恢復(fù)期間系統(tǒng)損失電量最小,如下所示:
(1)
式中N為多階段過程中的階段數(shù);λk,j為第k個階段時第j個負荷的恢復(fù)系數(shù);Pj為第j個負荷的額定有功功率;Δt為每個階段的時間間隔。
(2)網(wǎng)損最小
(2)
式中Ik,ij為k階段時支路ij的電流有效值;Rij為支路ij的電阻值。
(3)開關(guān)操作次數(shù)最小
(3)
式中K表示開關(guān)的狀態(tài);LS為故障前分段開關(guān)構(gòu)成的集合;BS為故障前聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成的集合。
供電恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要滿足潮流約束,文中以支路潮流的形式進行描述。
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Umin≤Ui≤Umax
(12)
0≤Ii≤Imax
(13)
0≤Cj≤1
(14)
式(4)和式(5)表示節(jié)點j處的有功功率和無功功率的平衡。Pij和Qij為經(jīng)支路ij流入節(jié)點j的有功功率和無功功率。Pik和Qik為經(jīng)支路ik流出節(jié)點k的有功功率和無功功率。式(6)和式(7)表示節(jié)點j處的電源和SOP的注入功率。Cj為節(jié)點j處負荷的恢復(fù)系數(shù),是一個0~1的連續(xù)變量。
在含SOP的配電網(wǎng)中,SOP使系統(tǒng)具備了部分區(qū)域閉環(huán)運行的條件。因此,每個階段的優(yōu)化過程中,加入了拓撲識別環(huán)節(jié),即含SOP的線路允許成環(huán)運行,不含SOP的線路只允許開環(huán)運行。
0=CXijPij-CRijQij
(15)
式中C為系統(tǒng)回路關(guān)聯(lián)矩陣。當(dāng)SOP所在支路允許閉環(huán)后,每個階段的總策略數(shù)大大減少,降低了動態(tài)規(guī)劃算法在計算過程中的循環(huán)數(shù),整體減少了計算時間。
SOP的控制模式是基于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓撲情況進行改變,因此每個階段在聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作后都需要進行拓撲辨識。SOP的控制模式有PQ、VdcQ和Vf。第i個SOP的控制模式用2×3的0~1矩陣表示Pi。其中,每個行向量代表SOP某端的控制模式狀態(tài),3列分別代表3種控制模式。若P1=[100; 010],表示編號為1的SOP的一端為PQ控制,另一端為VdcQ控制。
基于動態(tài)規(guī)劃的思路,提出可以求解多階段的供電恢復(fù)優(yōu)化模型。文中的求解策略是先進行分段尋優(yōu),再進行全局尋優(yōu)。首先得到本次供電恢復(fù)過程共需要操作的聯(lián)絡(luò)開關(guān)個數(shù)N,按照聯(lián)絡(luò)開關(guān)的個數(shù)將本次供電恢復(fù)過程分為N個階段,在每個階段進行二階錐優(yōu)化得到每個階段的SOP最優(yōu)控制模式及其控制變量大小,最后以整個恢復(fù)過程的損失電量和網(wǎng)損最小為目標得到聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序。
當(dāng)含SOP的配電網(wǎng)發(fā)生多重故障時,SOP會立即閉鎖,待故障切除后,SOP根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)快速切換控制模式,給故障側(cè)用戶提供功率支持。在每次開關(guān)操作后,系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,SOP的控制模式也會隨之變化。SOP的控制模式切換時間很短,遠小于聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作時間。因此,為了更好地發(fā)揮SOP在供電恢復(fù)中的作用,在恢復(fù)過程中SOP的控制模式可以多次切換。文章考慮SOP和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的協(xié)調(diào)問題,在每次開關(guān)操作后,進行一次SOP控制模式的切換,最終達到故障后最優(yōu)的運行方式。文中將含聯(lián)絡(luò)開關(guān)的整數(shù)規(guī)劃問題與SOP的優(yōu)化問題解耦,采用動態(tài)規(guī)劃算法和二階錐規(guī)劃混合算法對供電恢復(fù)模型進行求解,其中動態(tài)規(guī)劃用來獲得聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序,二階錐規(guī)劃用來求解在當(dāng)前階段的開關(guān)操作下含SOP的系統(tǒng)最優(yōu)運行狀態(tài),多階段供電恢復(fù)的總流程圖如圖2所示。
如圖2所示。第一部分是供電恢復(fù)的初始化階段,從故障的發(fā)生到故障隔離的過程。SOP可以先于保護裝置動作,若SOP的兩端有故障出現(xiàn)會立即閉鎖,防止停電區(qū)域擴大。在故障隔離后,保存該狀態(tài)下的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),確定停電區(qū)域。同時,記錄后續(xù)供電恢復(fù)策略需要的聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)N,作為第二部分動態(tài)規(guī)劃算法的階段數(shù)。
圖2 多階段供電恢復(fù)流程圖Fig.2 Flow chart of the multi-stage power restoration
第二部分是供電恢復(fù)的關(guān)鍵步驟。通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與SOP的協(xié)調(diào)配合,在最短的時間內(nèi)恢復(fù)更多的用戶,降低停電損失。為了與實際相符,文中假設(shè)所有的聯(lián)絡(luò)開關(guān)需要工作人員去現(xiàn)場進行開關(guān)操作,每次只能操作一個聯(lián)絡(luò)開關(guān),同時,每個聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作時間為10 min。在每一次聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作后,SOP兩端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。假若在開關(guān)操作后,SOP的某一端口從無源端轉(zhuǎn)換成有源端,其端口的控制模式將會從VdcQ控制變?yōu)镻Q控制。此外,為了更多地恢復(fù)負荷并減少網(wǎng)損,在當(dāng)前控制模式下,需要對SOP的控制參數(shù)進行優(yōu)化。因此,每次迭代需要進行一次聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作和一次SOP的控制模式切換,迭代的總次數(shù)為第一部分所確定的聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)N。當(dāng)?shù)鶱次后,跳出循環(huán),得到最終的聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作順序和每次開關(guān)操作時SOP的控制模式以及其優(yōu)化后的控制參數(shù)。
動態(tài)規(guī)劃是用來求解某類最優(yōu)性質(zhì)的問題。在該問題中,可以將優(yōu)化過程分解成若干個相互聯(lián)系的階段,在每一個階段都要做出決策,從而整個過程達到最優(yōu)的效果。各階段的決策既依賴于當(dāng)前面臨的狀態(tài),又影響之后的發(fā)展[17-19]。
在整個供電恢復(fù)過程中,每個階段開始時電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)稱為該階段的狀態(tài),文中用鄰接矩陣來表示,記為A。一個階段的狀態(tài)確定后,可以做出不同的選擇,從而進入到下一個階段的某個狀態(tài)。如圖3所示,若第2階段狀態(tài)變量為A(2-1),接下去選擇了u1(A(2,1))進入到第3階段A(3-1),這種選擇稱之為該階段的某個決策,每個階段的決策集合稱之為當(dāng)前階段決策變量,用uk表示。文中用uk的向量組來表示,向量組中每個數(shù)表示的是聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài),是一個二進制變量。
圖3 動態(tài)規(guī)劃狀態(tài)圖Fig.3 Dynamic programming state diagram
結(jié)合供電恢復(fù)問題對多階段動態(tài)規(guī)劃算法的定義如下:
(1)階段:將整個供電恢復(fù)所需聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作的個數(shù)看成整個多階段供電恢復(fù)的階段數(shù),每一次聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合為一個階段;
(2)狀態(tài):文中的狀態(tài)表示每個階段系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)??紤]到故障切除后供電恢復(fù)過程優(yōu)化的變量主要是聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP,因此t階段所得到的聯(lián)絡(luò)開關(guān)開閉情況是該階段的一個狀態(tài),即A(t,i);
(3)決策:ut-1(A(t,i))為狀態(tài)A(t-1,j)在t-1階段的決策變量;
(4)指標函數(shù):用來衡量某一決策優(yōu)劣的指標。模型中的指標函數(shù)選擇每個階段的系統(tǒng)最小失電量。
考慮到求解的是供電恢復(fù)問題,動態(tài)規(guī)劃算法采用逆推法的思路進行求解,從k=N開始由后向前推算,求得各個階段的最優(yōu)決策和最優(yōu)指標函數(shù),最后算出第一階段的最優(yōu)指標函數(shù)值。然后從k=1開始,利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程確定各個階段的最優(yōu)策略。
每個階段如何通過指標函數(shù)選擇最優(yōu)的策略是一個最優(yōu)潮流問題。針對最優(yōu)潮流問題,采用經(jīng)二階錐轉(zhuǎn)化后的支路潮流進行求解。
配電網(wǎng)中,線路中的電阻、電抗比值大,其最優(yōu)潮流算法與輸電網(wǎng)有較大的區(qū)別,傳統(tǒng)輸電網(wǎng)中最優(yōu)直流潮流的算法無法在配電網(wǎng)中適用。配電網(wǎng)的交流潮流具有非線性的特征,屬于非線性規(guī)劃領(lǐng)域。由于智能算法存在明顯的求解速度慢、容易陷入局部最優(yōu)解等問題,很多學(xué)者開始探索數(shù)值分析法來加快配電網(wǎng)潮流求解速度,保證結(jié)果的最優(yōu)性。二階錐規(guī)劃通過將非凸的初始模型轉(zhuǎn)化成凸規(guī)劃的形式。
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
如式(16)和式(17)所示,平方變量用一階變量代替。在二階錐變換之后,式(11)可以推導(dǎo)為式(19)。方程(20)是一個無限范數(shù),用于驗證放松后最優(yōu)解的精度。通過平方置換和二階錐松弛變換,將SOP的功率恢復(fù)問題從非凸非線性規(guī)劃模型轉(zhuǎn)換為線性凸規(guī)劃模型。
當(dāng)目標函數(shù)是凸函數(shù)和嚴格遞增函數(shù)時,上述二階錐松弛在轉(zhuǎn)換過程中的徑向模型是嚴格準確的。該模型在運行時執(zhí)行多次迭代,直到目標函數(shù)收斂到一定程度以獲得最優(yōu)解[20-22]。此外,當(dāng)式(20)的松弛偏差足夠小時,可以認為最優(yōu)解是準確的。
文中提出的多階段供電恢復(fù)策略在IEEE 33節(jié)點上進行測試,SOP代替了節(jié)點25與節(jié)點29之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān),SOP兩端VSC的容量為10 MVA。為了使供電恢復(fù)效果更加明顯,在原有的負荷基礎(chǔ)了進行了翻倍,當(dāng)前系統(tǒng)總負荷為(11.145+j3.9)MVA,如圖4所示。
假設(shè)在節(jié)點5與節(jié)點6、節(jié)點9與節(jié)點10以及節(jié)點3與節(jié)點23之間發(fā)生了永久性故障。同時,假設(shè)所有的聯(lián)絡(luò)開關(guān)需要工作人員去現(xiàn)場進行開關(guān)操作,每次只能操作一個聯(lián)絡(luò)開關(guān),并且,每個聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作時間為10 min。工作人員去現(xiàn)場需要20 min。因此不同的開關(guān)操作順序會影響供電恢復(fù)的效果,用所提方法進行計算,并設(shè)置以下場景進行對比。
圖4 IEEE 33節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.4 Network topology of the IEEE 33-node
場景1:節(jié)點25與節(jié)點29之間不含SOP;
場景2:節(jié)點25與節(jié)點29之間含SOP。
在多重故障下,配電網(wǎng)大范圍失去電荷,若不含SOP只能通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作進行供電恢復(fù);若配電網(wǎng)中含有SOP可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)和SOP的配合進行供電恢復(fù)。各場景多階段動態(tài)規(guī)劃過程如表2所示。
表2 多階段動態(tài)規(guī)劃結(jié)果Tab.2 Multi-stage dynamic programming result
在場景1中,工作人員趕到現(xiàn)場需要20 min,對聯(lián)絡(luò)開關(guān)21-8進行閉合操作,10 min后完成,接著轉(zhuǎn)往聯(lián)絡(luò)開關(guān)12-22所在位置進行閉合操作,共耗時30 min,最后是對聯(lián)絡(luò)開關(guān)25-29的閉合操作,同樣花費了30 min,因此從出發(fā)到完成共耗時90 min。
在場景2中,工作人員趕到現(xiàn)場進行聯(lián)絡(luò)開關(guān)21-8的閉合操作,在30 min后開關(guān)閉合。開關(guān)閉合后負荷6,7,8,9,26,27,28,29,30,31,32,33,23,24,25恢復(fù)供電,同時SOP由閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換成Vf-VdcQ的控制模式上。之后,工作人員趕到下一個地點繼續(xù)操作,經(jīng)過30 min后,聯(lián)絡(luò)開關(guān)12-22閉合,負荷10,11,12,13,14,15,16,17,18恢復(fù)供電,同時SOP由Vf-VdcQ控制轉(zhuǎn)換成Vf-VdcV的控制模式。從出發(fā)到完成共耗時60 min。
場景1和場景2的恢復(fù)結(jié)果如圖5和圖6所示。場景2每個階段下SOP的控制模式以及各控制參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果如表3所示。
圖5 場景1的恢復(fù)情況Fig.5 Restoration situation of scenario 1
圖6 場景2的恢復(fù)情況Fig.6 Restoration situation of scenario 2
表3 SOP控制策略Tab.3 SOP control strategy
結(jié)合表2和表3可以發(fā)現(xiàn)所提方法能夠在供電恢復(fù)過程中同時考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開關(guān)順序以及SOP的控制模式切換的問題。兩個場景下供電恢復(fù)的最終結(jié)果如表4所示。圖7給出了不同場景下在不同時刻的失電負荷情況。
表4 供電恢復(fù)結(jié)果Tab.4 Result of power restoration
圖7 供電恢復(fù)中未恢復(fù)的負荷Fig.7 Unrestored load during power restoration
結(jié)合表4和圖7可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)配電網(wǎng)某區(qū)域含有SOP時,SOP能夠在系統(tǒng)故障后發(fā)揮作用。相比于聯(lián)絡(luò)開關(guān),SOP可以通過控制模式切換讓更多的失電負荷恢復(fù)供電,減小了在供電恢復(fù)過程中電網(wǎng)的失電量,從而降低了停電損失。同時考慮了聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序后,在每個開關(guān)操作過程都能夠讓停電損失控制在最小范圍內(nèi)。
但由于SOP的造價成本較高,雖然理論上SOP的優(yōu)勢巨大,但仍無法大面積推廣[23]。目前認為SOP適合安裝在對電網(wǎng)可靠性要求高,不允許停電損失過大的區(qū)域內(nèi)。待電力電子器件的成本下降后,SOP會有更大的發(fā)揮空間。
文章提出了多階段供電恢復(fù)策略,在供電恢復(fù)中同時考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序和智能軟開關(guān)的控制模式切換及優(yōu)化,從而建立了多階段供電恢復(fù)模型,采用動態(tài)規(guī)劃和二階錐規(guī)劃的混合優(yōu)化算法進行求解,在IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)中,對所提策略進行了驗證,結(jié)果如下:
(1)SOP能夠在配電網(wǎng)發(fā)生故障后靈活調(diào)控潮流,可以更多地恢復(fù)負荷,減小在供電恢復(fù)過程中電網(wǎng)的失電量,從而降低停電損失;
(2)文章所提多階段供電恢復(fù)策略能夠同時考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)的操作順序和SOP的控制模式切換。結(jié)果表明所提策略可以提高配電網(wǎng)供電恢復(fù)的效果,最大程度減少供電恢復(fù)過程中的損失。