基于改造措施的智能配電系統(tǒng)優(yōu)化模型分析

高 騫，楊俊義，洪 宇,孫小磊，朱前進

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

當前，配電網(wǎng)建設改造的投資數(shù)額較大，為了保證投資效益的最大化，研究改造措施，精確投資技術非常重要。在配電網(wǎng)中，投資對象除了需要進行傳統(tǒng)線路改造以及變電站設備的升級改造之外，還需要進行儲能裝置、配電自動化等元素的改造。因此，如何精確的評估測算不同改造措施，如何進行投資成效是當前需要解決的重要問題。在面對改造措施時，存在的主要問題是與網(wǎng)絡安全約束的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型。嘗試通過改造措施與配電網(wǎng)的關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動進行投資規(guī)劃模型的建立，以實現(xiàn)配電網(wǎng)投資改造方案的合理性。本文基于關聯(lián)規(guī)則挖掘方法，將其作為約束條件進行投資規(guī)劃，建立基于關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型。

1 智能電網(wǎng)規(guī)劃綜合評價指標體系

基于放松管制電力市場格局下，對智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案進行綜合評價方法，建立不同層次的綜合評價體系，并在此基礎之上提出一種關于協(xié)同群決策的綜合評價模型，通過算例分析仿真驗證綜合評價方法在實際應用中的可行性與可靠性。隨著市場化進程的不斷推進，配電系統(tǒng)的規(guī)劃決策模式發(fā)生改變，由傳統(tǒng)垂直的一體化管理轉(zhuǎn)為多邊參與，在市場化條件的驅(qū)使下，得到智能配電網(wǎng)各個參與主體的需求劃分；智能配電網(wǎng)規(guī)劃的參與主體及需求如表1所示。在復雜的電力市場環(huán)境下，不同主體進行智能電網(wǎng)規(guī)劃時所產(chǎn)生的權責范圍會發(fā)生沖突，雖然不同主體存在相同的利益關注，但在同一種需求狀態(tài)下，不同主體之間的各自評價分類卻大相徑庭。

表1 智能配電網(wǎng)規(guī)劃的參與主體及需求Tab.1 Participants and demands of intelligent distribution network planning

2 基于關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的電網(wǎng)改造措施與可靠性分析

要想提升電網(wǎng)的性能需要對配電網(wǎng)進行改造，以可靠性作為改造性能指標；表2為配電網(wǎng)的改造措施。

表2 配電網(wǎng)的改造措施Tab.2 Transformation measures of distribution network

在進行改造時，可以通過改造指標推測出改造的措施對可靠性帶來的影響，改造措施與可靠性之間存在著密切聯(lián)系，可以通過挖掘相關規(guī)則的形式獲取可靠性指標，進而得到具體的改造措施。

3 基于關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的電網(wǎng)改造措施與可靠性分析

要想提升電網(wǎng)的性能需要對配電網(wǎng)進行改造，以可靠性作為改造性能指標，表2給出了關于配電網(wǎng)的具體改造措施。在進行改造時，可以通過改造指標推測出改造的措施對可靠性帶來的影響，因為改造措施與可靠性之間存在著密切聯(lián)系，可以通過挖掘相關規(guī)則的形式獲取可靠性指標，進而得到具體的改造措施。

可靠性作為衡量電力系統(tǒng)質(zhì)量標準的重要指標，需要不斷向電力用戶供應電力。為了更好地反映出在改造措施下配電網(wǎng)的可靠性指標，通過收集用戶一年之中的平均停電時間、供電量以及供電可考慮等衡量電網(wǎng)可靠性。根據(jù)停電時間的不同，當停電后，可將用戶區(qū)分為上游區(qū)段、下游區(qū)段能通以及下游區(qū)段不能同等3種類型，則可靠性指標的估算公式：

(1)

式中：ID、IE、IR表示指標值；λF表示饋線故障率；PL表示饋線負荷總量；β1-β3表示停電用戶的分布情況。

當前的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型容易受到網(wǎng)絡安全的約束，改造措施與可靠性指標之間的關系需要通過外嵌的評估程度迭代實現(xiàn)，無法直接通過公式獲取。在網(wǎng)絡安全的約束下，進行電網(wǎng)投資計劃模型設計，不僅可達到非線性模型效果，還可以得到不凸起的模型，利用智能優(yōu)化算法求解問題。改造措施和可靠性指標的相關規(guī)則，獲得正確的指標評價，以相關規(guī)則為約束條件，獲得電網(wǎng)的非線性約束模型，通過重復程序可以簡化模型的計算難度。改造措施與性能指標的可靠性之間關系密切，應當通過發(fā)掘相關規(guī)則的方法解決。需要使用多元回歸進行分析，得到顯性的關聯(lián)表達式；如果耦合性較差，則需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法進行解決。

要想實現(xiàn)改造措施與可靠性指標的關聯(lián)規(guī)則分析，需要有配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的支持。當配電網(wǎng)中含有DG、儲能以及柔性符合等元素時，通過集成配電線路或者技術管理的方式解決改造措施，通過時序模擬的方式，對不同的改造方法進行時序模擬，從而獲取最具價值的仿真模擬數(shù)據(jù)，將獲取的仿真模擬數(shù)據(jù)與改造措施進行關聯(lián)規(guī)則分析。在配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎上，實現(xiàn)供電可靠性的指標預測；在誤差反向傳播中，多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡的映射能力好，可以解決復雜的內(nèi)部問題，將配電網(wǎng)的改造措施、DG等元素作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入向量，將可靠性指標作為輸出向量，對其進行關聯(lián)規(guī)則分析；在下降梯度的關系下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的迭代，完成關聯(lián)規(guī)則行為。

4 基于關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的電網(wǎng)投資規(guī)劃模型

4.1 配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選設計

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型中，投資者需要在資金限制的情況下選擇出最佳的項目組合，從而實現(xiàn)投資的利益最大化。在投資效益方面，以目標函數(shù)為配電網(wǎng)進行措施改造，將投資總額作為配電網(wǎng)的條件，從而得到公式：

(2)

式中：F表示投資效益；Xi表示改造措施；n表示改造數(shù)量；C(Xi)表示改造費用；Cmax表示最大投資；ψ表示項目庫；Pi、Qi分別表示有功潮流和無功潮流；Vi(Vj)、Gij、θij、Bij分別表示節(jié)點電壓、線路電導、功角以及電納矩陣；L(y)表示參數(shù)集合；Lmax(y)、Lmin(y)分別表示上、下限。

改造措施的決策變量：

(3)

在求解潮流約束以及網(wǎng)絡安全約束時，因求解方法困難，可靠性指標作為迭代目標。通過外嵌的方式進行投資規(guī)劃，在規(guī)劃過程中，將重點放在改造措施與可靠性指標的關聯(lián)規(guī)則上；通過關聯(lián)規(guī)則求解約束，得到基于神經(jīng)網(wǎng)絡的關聯(lián)規(guī)則分析模型，公式：

Φi(Ii,Xi,w,t,w′,t′)=0

(4)

式中：Φi表示關聯(lián)規(guī)則的隱函數(shù)；w、t,w′、t′表示權重值和閾值。

根據(jù)改造措施與可靠性指標的關聯(lián)規(guī)則與傳統(tǒng)的投資規(guī)劃模型進行對比，通過進一步的求解，得到配電網(wǎng)的可靠性指標，解決了傳統(tǒng)模型中存在的迭代復雜問題，提高了模型的可行性，提高了求解進度。因此，基于關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型可以用公式進行表示：

(5)

根據(jù)目標函數(shù)的不同，分析了投資決策中存在的問題，在特定的需求下可以降低或限制投資成本，從而提高可靠性，得到最優(yōu)的投資決策模型。 在可靠性指標的約束下，通過降低投資成本改善供電方的經(jīng)濟，解決供電房的供電質(zhì)量低下問題。以用電效益最大化為設計原則，得到電網(wǎng)的最佳可靠性，將成本降到最低。電力的總成本包含了電力部分的建設和供應成本，同時還包含了因電力不足所引起的斷電帶來的損失。

在一定的投資費用要求下，以提升可靠性為目標，將配電網(wǎng)的投資總額作為提升可靠性水平的約束條件，考慮在特定的投資限額情況下，將可靠性的指標提升到最佳，可以得到：

(6)

4.2 確定最佳投資規(guī)劃方案

對于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資優(yōu)化模型，通常情況下采用智能算法或者數(shù)值法進行問題解決，從而獲取最優(yōu)的投資方案。但是隨著電力市場的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資優(yōu)化模型需要升級，以更好的滿足當下電力市場的需求。因此，設計并分析基于關聯(lián)規(guī)則分析所得到的改造措施與可靠性指標的關聯(lián)性，獲取投資規(guī)劃最優(yōu)模型，結(jié)合改造方案的實際情況，確定最佳方案。如果改造措施與可靠性指標的關聯(lián)關系明顯，可以采取回歸分析的方法進行表示，采用嵌入式投資計劃模型作為關聯(lián)的約束條件。如果相關關系不明顯，可以借助神經(jīng)網(wǎng)絡算法來完成重建措施，以改造措施作為投資規(guī)劃模型的優(yōu)化值，設計最優(yōu)投資規(guī)劃方案；二者之間的關系：

γBCR=ΔCEENS/ΔCinvest

(7)

式中：γBCR表示效益成本比；ΔCEENS表示停電損失成本變化值；ΔCinvest表示投資成本變化值。

式(7)表示通過量化各類改造措施投資，提高配電網(wǎng)的可靠性效益。為了獲得最優(yōu)初始值，可以對修正措施進行排序，根據(jù)投資金額的設置，以提升到可靠性指標為前提，模擬投資目的的樣本和指標，分析二者之間的關聯(lián)規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡，在關聯(lián)規(guī)則約束下的改造措施和可靠性指標分析，從而獲得準確的可靠性預測，獲得提高效益的成本，完成排序后，從而獲取最優(yōu)的投資方案。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型一旦受到大量改造的沖擊時，非常容易出現(xiàn)求解速度慢、收斂性差的問題。在此基礎之上，提出了一種關于改造措施與性能指標關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型，通過對其進行深入的了解，建立了基于配電網(wǎng)投資決策的安全通道，以可靠性作為建設指標，對配電網(wǎng)的功能進行優(yōu)化，從而獲取更好的投資平臺。在改造措施下，通過輸入模擬樣本，挖掘出不同類型的網(wǎng)絡學習模型與改造措施，然后與配電網(wǎng)的可靠性指標進行關聯(lián)規(guī)則，可以獲得最佳結(jié)果。將基于神經(jīng)網(wǎng)絡的改造措施與可靠性指標進行關聯(lián)規(guī)則，可以取代傳統(tǒng)投資規(guī)劃模型，規(guī)避了很多繁雜的建模過程，實現(xiàn)了基于關聯(lián)規(guī)則分析的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型，提升了模型的求解效率，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)的投資規(guī)劃方案選擇。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型一旦受到大量改造的沖擊時，非常容易出現(xiàn)求解速度慢、收斂性差的問題。在此基礎上，提出了一種關于改造措施與性能指標關聯(lián)規(guī)則驅(qū)動的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型，通過對其進行深入了解，建立了基于配電網(wǎng)投資決策的安全通道，以可靠性作為建設指標，對配電網(wǎng)的功能進行優(yōu)化，從而獲取更好的投資平臺。在改造措施下，通過輸入模擬樣本，挖掘出不同類型的網(wǎng)絡學習模型與改造措施，然后與配電網(wǎng)的可靠性指標進行關聯(lián)規(guī)則，可以獲得最佳結(jié)果。將基于神經(jīng)網(wǎng)絡的改造措施與可靠性指標進行關聯(lián)規(guī)則，可以取代傳統(tǒng)投資規(guī)劃模型，規(guī)避了很多繁雜的建模過程，實現(xiàn)了基于關聯(lián)規(guī)則分析的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型，提升了模型的求解效率，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)的投資規(guī)劃方案選擇。