冰雪災(zāi)害時(shí)電網(wǎng)投資韌性提升和優(yōu)化模型

朱前進(jìn)，高 騫，楊俊義，洪 宇，孫小磊

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000；3 .國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 連云港分公司，江蘇 連云港 222000；4.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 210000)

近幾年，在全球變暖程度的不斷加劇下，極端惡劣天氣事件出現(xiàn)概率越來越高，尤其是冬季冰雪災(zāi)害天氣最為常見。一旦出現(xiàn)冰雪災(zāi)害天氣，很容易導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)長時(shí)間中斷問題，從而嚴(yán)重影響了居民供電的穩(wěn)定性和連續(xù)性，因此，不斷提高電網(wǎng)對(duì)冰雪災(zāi)害的韌性顯得尤為重要。為此，技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)優(yōu)化模型的構(gòu)建，確保電網(wǎng)在冰雪災(zāi)害天氣環(huán)境下，同樣具有較高的韌性，只有這樣，才能確保電網(wǎng)系統(tǒng)輕松應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害天氣，以滿足人們的用電需求。

1 冰雪災(zāi)害下韌性提升模型

通過將電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行劃分處理，使其被劃分為以下3個(gè)層次：

(1)受控制系統(tǒng)層。受控制系統(tǒng)層主要包含以下幾個(gè)組成部分：發(fā)電機(jī)、輸電線以及變電站。通過利用該層次，可以采用短路融冰方案，在嚴(yán)格按照設(shè)備抗冰相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，選用合適的抗冰防冰策略，借助不同類型的輸電線路，對(duì)同一場災(zāi)害進(jìn)行集中化處理。另外，還要根據(jù)冰雪災(zāi)害天氣所對(duì)應(yīng)的溫度、濕度和風(fēng)俗等參數(shù)，對(duì)覆冰厚度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整和控制；同時(shí)，還要根據(jù)不同級(jí)別，選用合適的攻擊方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化檢測和保護(hù)。最后，還要采用分級(jí)別保護(hù)方案，根據(jù)所設(shè)置好的優(yōu)勢情景，在科學(xué)劃分冰區(qū)的基礎(chǔ)上，采用低級(jí)保護(hù)法或者高級(jí)保護(hù)法，對(duì)覆冰進(jìn)行科學(xué)控制和保護(hù)，通常情況下，當(dāng)覆冰厚度達(dá)到20 mm時(shí)，為了提高電網(wǎng)系統(tǒng)的抵擋覆冰能力，需要優(yōu)先選用低級(jí)保護(hù)法；當(dāng)覆冰厚度達(dá)到30 mm時(shí)，為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)抵抗覆冰能力，需要優(yōu)先選用高級(jí)保護(hù)法，只有這樣，才能確保電網(wǎng)系統(tǒng)具有較高的抵抗力，從而更好地應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害；

(2)運(yùn)行控制系統(tǒng)層。運(yùn)行控制系統(tǒng)層主要用于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)控，該層主要包含以下幾個(gè)組成部分：通信單元、遠(yuǎn)程裝置和控制裝置。通過利用該層次，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)的搭建和應(yīng)用；同時(shí)，還能精確地監(jiān)測和了解輸電線路所對(duì)應(yīng)的覆冰情況，為后期預(yù)警信息的實(shí)時(shí)發(fā)布創(chuàng)造良好的條件；

(3)人為調(diào)度層。人為調(diào)度層屬于電網(wǎng)系統(tǒng)的最高控制層，通過利用該層次，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)員工專業(yè)技能的系統(tǒng)化培訓(xùn)；同時(shí)，還能員工更好地開展應(yīng)急演練工作，為災(zāi)后調(diào)度工作的有效開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急體系的制定和優(yōu)化，為后期更好地規(guī)范和約束應(yīng)急管理工作產(chǎn)生積極的影響。

總而言之，通過利用電網(wǎng)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的3個(gè)層次，在充分結(jié)合冰雪災(zāi)害天氣特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)電網(wǎng)韌性提升方案的制定和完善。

2 電網(wǎng)韌性規(guī)劃模型構(gòu)建

2.1 模型基本描述

在冰雪災(zāi)害天氣環(huán)境下，為了最大限度地提高電網(wǎng)系統(tǒng)韌性，需要將該系統(tǒng)韌性提升問題直接轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型構(gòu)建問題，該模型在具體的設(shè)計(jì)中，需要以下3類人員進(jìn)行參加：設(shè)計(jì)者、攻擊者和防御者。同時(shí)，設(shè)計(jì)者要在充分結(jié)合各個(gè)層次所對(duì)應(yīng)的起源基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和完善；還要做好對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)部署，從而提高該系統(tǒng)應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害天氣的能力。此外，冰雪災(zāi)害的出現(xiàn)，往往對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行造成不良影響，它主要采用覆冰的方式，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的輸電線路進(jìn)行直接破壞，導(dǎo)致該線路出現(xiàn)斷線、倒塌等問題，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)無法能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行，從而增加了該系統(tǒng)的損害程度。鑒于此，防御者要針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的損壞程度，制定出系統(tǒng)、完善的動(dòng)態(tài)融冰方案，從而降低冰雪災(zāi)害對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生的損害程度。此外，還要加強(qiáng)對(duì)剩余配電網(wǎng)絡(luò)功率流的自動(dòng)化調(diào)整和控制，只有這樣，才能將電網(wǎng)系統(tǒng)損失程度降到最低。此外，為了進(jìn)一步提高魯棒優(yōu)化效率和效果，保證電網(wǎng)規(guī)劃操作合理性，相關(guān)決策者要根據(jù)當(dāng)前冰雪災(zāi)害天氣，制定出系統(tǒng)、完善的電網(wǎng)規(guī)劃決策方案。最后，系統(tǒng)運(yùn)營商，要在充分考察當(dāng)前冰雪災(zāi)害天氣的基礎(chǔ)上，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)所遭受的損害程度進(jìn)行全面地調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，為后期制定相應(yīng)的動(dòng)態(tài)融冰方案打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，只有這樣，才能有效地縮小電網(wǎng)系統(tǒng)損失程度。

2.2 模型建立

在構(gòu)建模型期間，技術(shù)人員要利用所設(shè)置好的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)投資意圖，將電網(wǎng)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的最小權(quán)重值進(jìn)行求和，從而得出最終的甩負(fù)荷總值。此外，為了提高模型設(shè)計(jì)水平，還要根據(jù)客戶的實(shí)際使用需求，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的韌性進(jìn)行科學(xué)衡量，只有這樣，才能將電網(wǎng)系統(tǒng)損壞程度降到最低，使得該系統(tǒng)具有較高應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害天氣的能力。另外，通過利用韌性指標(biāo)，可以全面地了解和掌握電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害天氣的能力。在對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行部署期間，為了確保該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行，技術(shù)人員要根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建出相應(yīng)的不確定情景，避免因出現(xiàn)冰雪災(zāi)害天氣而導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)重大損害情景。最后，一旦檢測到外界天氣轉(zhuǎn)向冰雪災(zāi)害天氣，電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)啟用融冰方案，從而提高該系統(tǒng)應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害天氣的能力，為降低該系統(tǒng)損害程度創(chuàng)造良好的條件。對(duì)于第1層而言，其屬于投資設(shè)計(jì)保護(hù)時(shí)期，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)投資相關(guān)約束條件的科學(xué)調(diào)整和控制，技術(shù)人員要根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的使用需求，制定相應(yīng)的投資成本約束條件；同時(shí)，還要確?？偼顿Y成本達(dá)到最低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于總投資預(yù)算。對(duì)于第2層而言，其屬于破壞時(shí)期，該時(shí)期可以精確地反映出冰雪災(zāi)害破壞系統(tǒng)相關(guān)約束條件，一旦某輸電線路遭到不同程度破壞，勢必導(dǎo)致其他相同級(jí)別災(zāi)害同時(shí)發(fā)生，從而降低了電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能，使得該系統(tǒng)遭遇較大的損害。對(duì)于第3層而言，其融冰調(diào)度約束條件在具體的設(shè)置中，需要用到以下幾個(gè)參數(shù)，分別是節(jié)點(diǎn)功率、線路負(fù)荷、電壓、電流等，為了最大限度地提高融冰裝置運(yùn)行性能，需要在綜合考慮輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，盡可能降低相關(guān)裝置保護(hù)冗余性。另外，為了進(jìn)一步提高高級(jí)別攻擊效果，需要采用合適的高級(jí)保護(hù)方案，加強(qiáng)對(duì)線路的實(shí)時(shí)檢測和維護(hù)，避免因線路出現(xiàn)故障，而增加電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。此外，一旦輸電線路遭到不同程度的破壞，會(huì)直接影響電網(wǎng)直流電流供應(yīng)效果，為了避免以上不良現(xiàn)象的發(fā)生，技術(shù)人員要采用攻擊決策，對(duì)低級(jí)別進(jìn)行科學(xué)攻擊處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低級(jí)別或者高級(jí)別線路的實(shí)時(shí)保護(hù)，只有這樣，才能最大限度地提高電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)冰雪災(zāi)害能力，為保證居民用電的穩(wěn)定性和連續(xù)性產(chǎn)生積極的影響。

2.3 模型求解

在模型求解這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要根據(jù)系統(tǒng)所生成的約束條件，在充分結(jié)合魯棒優(yōu)化需求的基礎(chǔ)上，通過完成對(duì)通用分解算法框架的科學(xué)設(shè)計(jì)，提高最終計(jì)算結(jié)果的精確性和真實(shí)性。此外，還要將本文構(gòu)建的模型劃分為以下2個(gè)組成部分：外層主問題和外層子問題。但是，主要特別關(guān)注的問題是本文所設(shè)置的模型，當(dāng)無法直接計(jì)算并求解出外層子問題(SPI)，為了解決這一問題，技術(shù)人員要采用分解算法，精確地分析和講解內(nèi)層主問題和內(nèi)層子問題。

外層主問題

在分析和解決外層主問題期間，技術(shù)人員要在充分結(jié)合冰雪災(zāi)害破壞集合的基礎(chǔ)上，根據(jù)所設(shè)置好的給定攻擊狀態(tài)，精確地計(jì)算和求解出外層主問題所對(duì)應(yīng)的解。另外，還要借助標(biāo)量變量，制定出系統(tǒng)、完善的最優(yōu)解支配方案，從而精確地分析和統(tǒng)計(jì)電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的最大損害程度。此外，還要根據(jù)災(zāi)難情景，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的損害程度，采用迭代公式，精確地計(jì)算和統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)外層子問題所對(duì)應(yīng)的最終求解，需要特別注意的是，為了保證最終計(jì)算結(jié)果的精確性和真實(shí)性，技術(shù)人員要借助原始模型，構(gòu)建相應(yīng)的冰災(zāi)破壞情景，此時(shí)，對(duì)于外層主問題而言，其與原始模型兩者之間具有一定的等效關(guān)系。

外層子問題

在分析和處理外層子問題期間，技術(shù)人員要根據(jù)所設(shè)置好的最優(yōu)保護(hù)計(jì)劃，在充分結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)所遭受的最大損害程度的基礎(chǔ)上，制定系統(tǒng)、完善的破壞計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上，還要將外層子問題直接轉(zhuǎn)化為融冰求解問題，為后期求解操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，還要利用相關(guān)算法，選用合適的融冰方案，精確地分析和求解出外層子問題。另外，還要根據(jù)所設(shè)置好的非線性約束條件，確定出相應(yīng)的未知量；同時(shí)，還要根據(jù)線性約束所對(duì)應(yīng)的變量系數(shù)，對(duì)低層次問題進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其直接轉(zhuǎn)換為單一化線性規(guī)劃問題，從而降低了問題的分析和解決難度。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員還要選用合適的融冰方案，在充分結(jié)合對(duì)偶原理的基礎(chǔ)上，設(shè)置相應(yīng)的對(duì)偶變量參數(shù)，從而完成對(duì)對(duì)偶問題的分析和處理。之后，還要將標(biāo)量變量引入到所設(shè)置好的約束條件中，然后，采用合適的最優(yōu)求解方案，精確地分析和統(tǒng)計(jì)出電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的最小損害情況。最后，還要充分結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)最小損害情況，選用相應(yīng)的調(diào)度方案，利用迭代公式，完成對(duì)內(nèi)層子問題的精確分析和處理，從根本上解決原始模型出現(xiàn)的上限問題。另外，還要選用合適的融冰方案，對(duì)內(nèi)層主問題進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其轉(zhuǎn)換為SPI問題。通過選用合適的最優(yōu)攻擊方案，可以精確地計(jì)算電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的最小損害程度。

3 算例分析

在進(jìn)行算例分析期間，以某省的“500、220 kV高壓輸電網(wǎng)絡(luò)”為例，對(duì)其在冰雪災(zāi)害天氣環(huán)境下所對(duì)應(yīng)的韌性優(yōu)化問題進(jìn)行分析和解決。由于電力供應(yīng)作為一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)，主要用于對(duì)各個(gè)地區(qū)電能的實(shí)時(shí)輸送，為此，技術(shù)人員要將其設(shè)置為該算例所研究的重點(diǎn)對(duì)象，并對(duì)電網(wǎng)的韌性進(jìn)行一系列優(yōu)化和完善。在這一過程中，首先，要根據(jù)以上2種類型的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，繪制出如圖1所示的曲靖電網(wǎng)簡圖。

圖1 曲靖電網(wǎng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of Qujing power grid

圖1中的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2均代表發(fā)電端；節(jié)點(diǎn)3～節(jié)點(diǎn)5均代表傳輸節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變電站電壓值高達(dá)500 kV；節(jié)點(diǎn)6～節(jié)點(diǎn)14所對(duì)應(yīng)的變電站電壓值高達(dá)220 kV。此外，地區(qū)9所對(duì)應(yīng)的用戶往往比較重要，其權(quán)重較高，達(dá)到2；其余用戶的權(quán)重均為1。同時(shí)，該算法主要用到了間隙(gap)這一參數(shù)，該參數(shù)的值為0.5%。為了保證最終算例分析結(jié)果的精確性和真實(shí)性，技術(shù)人員要將MATLAB2014b設(shè)置為電網(wǎng)系統(tǒng)編程接口，然后，借助Inteli7-7700HQ-4核處理器，完成對(duì)MIP問題的科學(xué)分析和處理。

節(jié)點(diǎn)供應(yīng)量和節(jié)點(diǎn)需求量分別如表1、表2所示。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的需求量是未知的，因此，技術(shù)人員要根據(jù)各個(gè)地區(qū)GDP所對(duì)應(yīng)的比值，精確地計(jì)算和確定出最終的需求量。

表1 節(jié)點(diǎn)供應(yīng)量Tab.1 Node supply

表2 節(jié)點(diǎn)需求量Tab.2 Node demand

輸電線路保護(hù)價(jià)格如表3所示。

表3 輸電線路保護(hù)價(jià)格Tab.3 Transmission line protection price 萬元/km

從表3可以看出，對(duì)于500 kV輸電線路而言，其固定式直流融冰設(shè)備價(jià)格不菲，平均一套所對(duì)應(yīng)的價(jià)格高達(dá)60萬元；對(duì)于220 kV輸電線路而言，其移動(dòng)式直流融冰設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低，平均一套所對(duì)應(yīng)的價(jià)格，僅僅為40萬元。為整個(gè)線路劃分不同的分段，從而得出如表4所示的線路參數(shù)。

表4 線路參數(shù)Tab.4 Line parameters

當(dāng)投資預(yù)算達(dá)到0時(shí)，得出如表5所示的運(yùn)行結(jié)果。表5中的和分別代表低級(jí)別冰災(zāi)破壞課破壞輸電線路的最大數(shù)量、高級(jí)別冰災(zāi)破壞課破壞輸電線路的最大數(shù)量。

表5 運(yùn)行結(jié)果Tab.5 Running results

表5可真實(shí)、客觀地反映出電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前所對(duì)應(yīng)的韌性水平，當(dāng)達(dá)5時(shí)，該系統(tǒng)立即呈現(xiàn)出癱瘓死機(jī)狀態(tài)，此時(shí)該系統(tǒng)無法滿足用戶的使用需求。

當(dāng)投資預(yù)算達(dá)到8 000萬元時(shí)，通過利用本文所提出的算例分析法，精確地計(jì)算出gap值為0.5%。由此可見，通過利用直流融冰設(shè)備，在某種程度上，可以提高電網(wǎng)系統(tǒng)的韌性。

4 結(jié)語

綜上所述，在冰雪災(zāi)害天氣背景下，在充分結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)使用需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)部3層結(jié)構(gòu)，從韌性提升這一目標(biāo)出發(fā)，通過綜合運(yùn)用提升電網(wǎng)對(duì)冰雪災(zāi)害韌性相關(guān)方案和措施，不斷提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。此外，還要借助受控系統(tǒng)層，嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不斷增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的吸收力。另外，還要借助直流融冰，加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)適應(yīng)力的全面提升。最后，通過構(gòu)建3層數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的分級(jí)保護(hù)。只有這樣，才能確保電網(wǎng)系統(tǒng)在冰雪災(zāi)害天氣環(huán)境下，也能具備較高的韌性。