智能配電網條件下的網絡重構與供電恢復探討

史常凱，徐斌，孟曉麗，宋曉輝，孫軍平

(1.中國電力科學研究院，北京市，100192;2.陜西渭南供電局，渭南市，714000)

0 引言

配電網處于電網末端，擔負著分配電能、服務客戶的重要任務，并具有點多面廣、構成復雜等特點。隨著配電網規模不斷擴大，網絡復雜程度日益加深以及對供電可靠性要求的提高，以及分布式電源等主動性、交互性負荷的發展，配電網逐步向多源復雜的智能配電網［1-2］轉變的趨勢明顯，與之相對應的配電網運行控制技術也面臨著新的技術需求。

配電自動化與自愈控制技術是智能配電網運行控制的核心技術，其中的配電網絡重構和供電恢復技術作為重要的運行控制手段，是優化控制、恢復控制［3-4］的重要實現方式。本文重點分析在智能配電網條件下網絡重構和供電恢復問題面臨的若干技術需求，對與之相對應的研究方向或思路進行了探討，以期為后續研究提供參考。

1 網絡重構與供電恢復的定位

配電網絡重構(簡稱“網絡重構”)簡單來說，就是在滿足系統各項約束的條件下(譬如拓撲約束、電氣約束和供電指標約束等)，通過閉合/開斷網絡中的分段、聯絡開關來改變網絡拓撲結構，以實現系統運行方式的改變，從而達到優化某項或多項指標的目的。網絡重構主要應用于2個方面:在系統正常運行狀態下，配電網絡重構作為優化控制的手段，主要是以優化系統運行狀態為目的，比如減小網損、消除過載、提高供電質量等;在系統故障情況下，主要是通過分段、聯絡開關的開、斷狀態轉換，實現非故障停電區域的快速恢復供電［5］。本文所論述的網絡重構主要限定在以優化系統運行狀態為目標的范圍內。

供電恢復問題嚴格來說屬于配電網故障情況下的網絡重構范疇，作為恢復控制的重要手段，主要任務是在滿足配電網運行約束的前提下，以恢復負荷最大化、開關操作次數最小化、網絡運行方式優化等為目標，通過網絡重構將盡可能多的斷電負荷轉移到正常供電區域［6］。

2 網絡重構技術需求

2.1 網絡重構的優化目標

配電網實際運行中，隨著負荷大小、分布以及系統供電能力、電氣參數的實時變化，其運行狀態也是實時變化的。從理論上講，不同運行狀態應該對應著一個最優的網絡結構［7］，在這個網絡結構下，可以實現電網運行損耗最小、電能質量最好、負荷分布最均衡等某項目標最優或某幾個目標的綜合最優。網絡重構的優化目標可以有多種選擇。

2.1.1 經濟運行

現實中配電系統潮流分布在不斷變化中，因此以有功功率損耗最小為目標，或者說是以配電網經濟運行為目標的最優結構也可能隨之發生改變。以經濟運行為優化目標的網絡重構目標函數可以表示為

式中:N為支路數;Pi、Qi是支路i末端流過的有功功率和無功功率;Vi是支路i末端電壓幅值。

2.1.2 負荷均衡分布

負荷均衡分布包括配電系統各饋線間、各變電站間2個層次的概念，是指系統負荷分布與各饋線、變電站的供電能力相匹配，以提高系統設備的運行效率，提高系統供電能力、降低網絡損耗和降低過負荷風險等。以負荷均衡分布為優化目標的配電網重構目標函數可以表示為

式中:Eqj、Eqsys分別是饋線負荷平衡系數和系統負荷平衡系數;L為饋線數量;Sj、Sjmax是饋線出口功率、最大容量。上述公式同樣適用于變電站間負荷均衡分布的目標。

2.1.3 提高可靠性

影響配電網供電可靠性的眾多因素中，配電網的運行方式是十分重要的環節。搜索可以在不改變其他條件情況下系統可靠性最優的網絡運行方案，可以有效減少停電頻次和時間。以提高可靠性為優化目標的配電網重構目標函數可以表示為式中:M為負荷點數量;Pk是負荷點k的年平均負荷;Ck(R)是負荷點k在系統開關狀態組合R下的年停電時間。

2.1.4 多目標優化

網絡重構應該是一個多目標協調優化的問題，通過網絡重構不僅希望帶來經濟性方面的改善，也期望可以改善電壓質量、提高可靠性等。目前對配電網絡重構多目標優化的處理，大多是以經濟性目標為主體，通過罰函數的形式將負荷均衡、電壓質量等目標進行量化，然后與經濟運行目標進行綜合，實現在某種程度上的綜合優化。

2.2 重點研究方向探討

網絡重構技術在智能配電網條件下，需要著重應對大規模復雜網絡、多能源形式接入等帶來的挑戰。具體來說重點研究需求包括網絡重構啟動策略、大規模復雜網絡的離線/在線網絡重構和計算方法選擇等網絡重構研究固有問題，以及計及分布式電源的網絡重構等新問題。

2.2.1 網絡重構啟動策略

從理論上講每個時間斷面都可能對應1個最優的網絡結構，使得系統損耗、負荷點電壓水平等優于其他可能的網絡結構。但在實際電網運行管理中，不論從網絡重構計算能力、設備壽命還是電網運行維護習慣來說，都不可能允許分段、聯絡開關處于一種開/斷狀態高頻次切換、網絡結構不斷調整的狀態。這樣就帶來一個需要關注的研究方向，即在何種情況下應該啟動網絡重構，或者說是網絡重構啟動策略問題。

(1)綜合歷史、實時和預測數據的重構方案。

當網絡重構作為系統正常運行狀態下的優化控制手段時，為避免網絡結構的頻繁變換和開關的頻繁操作，不能僅僅依賴某一時間斷面的數據，而是應該綜合供需雙方的歷史、當前和預測數據，以獲得某一時間段內(如1個月、1個季度)累積效果最優或較優的方案。

可以通過一定等值計算采用階梯形曲線來近似替代實際的系統運行狀態變化曲線，也可以考慮引入概率模型來模擬未來一段時間內的系統運行狀態，結合開關性能、運維習慣等，以確定某給定時間段內的最優或較優重構方案。

(2)設置合理的重構啟動閾值。

當網絡重構作為系統正常運行狀態下的優化控制手段時，結合歷史、實時、預測數據確定的重構方案并付諸實施一般可以獲得較好的運行效果，但是在實際配電網運行過程中，當預測數據與實際情況有較大出入時，則可能新的網絡重構方案相對于現有網絡組態的優化效果更為明顯，當優化效果超過一定閾值時，就應該啟動新一輪的網絡重構方案。

當網絡重構作為緊急情況下的控制手段時，比如可能危及系統安全性的重載/過載情況，則應該研究設定一定閾值，即在何種情況下需要盡快啟動網絡重構以消除這種可能性。

2.2.2 離線/在線網絡重構和計算方法的選擇

網絡重構的理想狀態是可以實時或基本實時地跟蹤系統運行狀態，達到系統運行方式的動態優化目的。由于系統規模、網架結構、開關性能、通信信道、仿真計算速度等實際因素的制約，真正實現實時跟蹤的動態網絡重構十分困難，并且在許多情況下具備實時調整能力的網絡重構并無必要，同時也不符合電網實際運行維護習慣。需要說明的是在某些較為緊急場景下，具備一定在線計算和操作能力的網絡重構確實是必要的。

(1)離線/在線網絡重構適用場景。

配電網正常運行情況下，以減少網絡損耗、提高系統經濟運行水平，調整系統負荷均衡水平(非超載/重載條件下)，提高系統可靠性等為目標(非故障情況下)的網絡重構基本都可以接受離線計算方式。因為正常運行狀態下，對網絡重構計算的時效性要求不高，更強調的是方案優化問題，并且智能配電網的網絡結構復雜、開關組合信息龐大，采用離線計算方式可以得出更為科學的操作方案。

在某些較為緊急場景下，比如某條饋線或變電站重載情況嚴重并有可能影響系統安全性的情況，這些場景下的網絡重構應及時反應并采取相應措施，需要以實時或準實時運行數據為計算決策依據，在線快速得出網絡運行調整方案并執行，也就是需要在線計算方式的網絡重構。

(2)離線/在線網絡重構計算策略的選擇。

離線/在線方式的網絡重構適用于不同目標場景，對計算時間、精度的要求也不盡相同，因此應該在不同應用條件下采用適宜的網絡重構計算策略。

對離線方式而言，對計算速度要求不高，因此可以考慮計算時間較長但可以得到最優(或接近最優)的計算方法，比如一些人工智能方法［8-9］或者多種方法的混合使用;對于在線(準實時)計算而言，則適宜采用可以快速得到較優可行解的計算方法，比如基于規則的啟發式方法［10-11］等，或多種方法的混合使用。

2.2.3 含分布式電源的網絡重構

分布式電源接入的位置、注入功率以及功率因數的不同，都將對網絡重構方案造成影響，例如功率因數由滯后到超前的變化，則分布式電源就從提供無功功率轉化到從系統吸收無功功率，網絡重構方案將可能隨著發生變化;總出力相同的分布式電源集中接入和分散式接入，重構結果也可能不同;隨著分布式電源注入有功功率的增加，系統有功損耗降低、節點電壓升高，同樣也會影響到重構方案。因此應該綜合考慮各類因素，盡量得出整體較優結果。

對不含儲能裝置的風力、光伏發電等不可調度式分布式電源而言，其輸出功率由風速、光強等因素決定，隨機性較強，導致網絡最優結構也可能隨時發生改變。為避免頻繁的開關操作，目前主流做法是選擇給定時間段內某時刻的分布式電源輸出功率和峰值負荷狀態作為系統代表狀態，然后就這一狀態下的目標函數最優化提出網絡重構的開關操作方案，但這種方法只得出某一時刻的優化方案，往往不是整體較優的結果，因此未來應該在網絡重構計算中結合分布式電源出力預測和系統負荷預測，研究在一定時間段內的綜合優化方案。

對于可調度式分布式電源［12］而言，因其具有優良的調節性能，其輸出功率可根據要求進行控制，為充分發揮其對提高配電網經濟運行、電能質量和供電可靠性的作用，則應從系統和分布式電源兩個方面出發，也就是要對開關狀態和分布式電源注入功率兩種控制變量同時進行優化，以達到整體較優結果，這也是未來的一個重要研究方向。

3 供電恢復技術需求

3.1 供電恢復的優化目標

供電恢復的核心目標是在允許的電氣、拓撲等約束條件下，通過開關的開、斷操作，盡可能多地將非故障停電區域的負荷轉供到正常的饋線上，同時考慮到開關操作壽命等，要求開關的操作次數越少越好。故障恢復的主要目標包括以下幾點。

(1)負荷恢復最大化。

要求供電恢復決策應盡可能多地恢復非故障停電區域的用戶供電，或者是盡可能少地切負荷，這是供電恢復最重要也是最基本的目標。負荷恢復最大化可以是絕對量的最大化，也可以綜合考慮負荷重要程度來進行加權處理。以負荷恢復最大為目標的供電恢復目標函數可以表示為

式中:Pk為待恢復供電負荷k的負荷量;yk是恢復狀態量，1表示可恢復，0表示不能恢復;R是非故障停電區待恢復負荷的集合。

(2)開關操作最少化。

供電恢復最終是要通過分段、聯絡開關狀態的變化來實現非故障停電區負荷的轉供。由于開關壽命與操作次數密切相關，更為重要的是在實際電網中還有很多開關的操作不能實現遙控，這樣開關操作數量就與供電恢復所花費的時間密切相關，因此供電恢復決策的一個很重要指標就是要求在恢復負荷得到保證的前提下盡可能減少開關操作數量。開關操作次數最小化的目標函數可以表示為

式中:Ns表示供電恢復過程中所需的開關操作次數。

(3)運行指標優化。

不同的供電恢復方案在執行后，可能對配電網經濟運行、負荷均衡等系統優化方面的效果并不一致，因此在滿足恢復負荷最大化等基本目標的基礎上還要適當考慮對系統運行優化的影響。

經濟運行目標可以用轉供路徑所增加的功率損耗最小來表達，目標函數可以表示為

式中:Ntran表示在某一供電恢復方案中轉供路徑的數量;d Plj表示非故障停電區轉供負荷后沿第j條轉供路徑所增加的功率損耗。

負荷均衡目標是指恢復方案應盡量將失電區域的負荷按照各個聯絡饋線的轉供能力均勻分配，即轉帶負荷后各聯絡饋線的負載率比較均衡，目標函數可以表示為

式中:F、Ftran分別表示在某一供電恢復方案中起到轉供作用饋線的集合和數量;Si、Simax分別表示饋線出口功率和最大容量。

(4)多目標優化。

供電恢復也應該是一個多目標優化的問題，但是各目標的優先級不一樣，因此在處理具體問題時，可以根據實際情況選擇幾個指標作為目標函數，采用加權處理或者分級處理的方式，實現計及多目標的綜合優化。

3.2 供電恢復的重點研究方向探討

供電恢復是目前配電自動化中最基本、最重要也是應用最廣泛的功能之一，可以有效減小停電范圍、停電時間，提高故障處理的業務自動化和決策智能化水平。目前供電恢復研究面臨的主要挑戰包括配電網結構日益復雜、分布式電源接入、自然災害應對等問題，因此可以面向實際工程應用的大規模復雜配電網供電恢復、計及分布式電源支持能力的供電恢復以及大面積停電情況下的快速恢復供電都成為需要盡快解決的問題。

3.2.1 大規模復雜配電網的快速供電恢復

未來配電網的結構將會更加復雜，系統規模越來越大，系統面臨的不可預測事件將會越來越多，這些問題使得想從全局來考慮、適應各種復雜結構并且可以快速得出較優供電恢復方案的想法越來越難以實現。

近年來關于供電恢復的研究很多，但往往存在2個方面問題:(1)面向實際工程應用的供電恢復方法一般以追求簡單實用為主，著眼于快速得出可行方案，這樣往往在解決較復雜網絡的供電恢復問題上不盡滿意;(2)學術研究領域已經開展許多理論性較強的算法研究，但同時存在與實際電網運行、維護、管理情況不盡符合的情況，或者是為得出較優解需要耗費較長時間，難以在實際工程中應用。綜合上述，未來供電恢復的研究需要更加注重實用性、先進性相結合，注重與電網實際運行維護情況、設備性能現狀等方面的吻合，同時還要適應未來復雜配電網的要求。

可以從以下幾個方面重點研究:(1)由于現有各類供電恢復計算方法都有各自優缺點和適用范圍，未來實現各類算法的合理結合將是一個趨勢，比如啟發式搜索和模糊推理相結合，建立故障恢復算法集和模糊專家系統來實現故障信息與算法的匹配等;(2)供電恢復計算過程中有部分計算可以采用離線方式實現，可以考慮離線和在線計算相結合，縮短在線計算時間從而可以快速得出恢復方案;(3)為進一步提高恢復效率，縮短恢復時間，如何采用并行式處理手段，開發出更加全面可靠的綜合智能技術也將是重要的研究方向。

3.2.2 含分布式電源的配電網供電恢復

分布式電源類型眾多，其數學模型及在電網中承擔的任務不盡相同，不能按照常規電網中的電源進行處理，因此含分布式電源的供電恢復問題不能直接套用傳統的恢復算法［13］。

含分布式電源的供電恢復問題需要首先考慮充分利用分布式電源對系統的支持作用，即當配電網發生故障時，首先由主保護切除故障，然后利用孤島劃分算法根據故障前的實時數據制定合理的孤島劃分方案，最后執行孤島劃分方案，將配電網轉化為孤島運行方式。孤島的劃分應全面考慮孤島運行的特點以及電力系統對供電可靠性的要求，既保證孤島的穩定運行，又盡量使系統的停電損失降到最小。這樣就需要結合各類分布式電源系統的運行控制特點，研究科學的孤島劃分方法，可以在故障發生后快速地使配電網過渡到孤島運行方式，在故障被清除后，再恢復到正常運行狀態。

3.2.3 大面積斷電情況下快速供電恢復

隨著配電網規模的日益擴大和系統內關聯性的加強，以及局部地區自然災害頻繁帶來的壓力，配電網大面積斷電的風險持續存在，為減少可能情況對用戶、電網的影響，研究大面積停電情況下的快速供電恢復方法就顯得十分必要。

對于配電網而言，大面積斷電供電恢復主要是指對于發生單座或多座主變電站的多條10 kV母線失壓這類影響較大的事故后，研究如何在不造成過負荷的原則下，以甩負荷量最小為基本目標(或通過一定權值處理后的甩負荷量)來最大限度地將受影響的負荷成批快速轉移到其他健全電源點上。主要研究方向包括線路最小甩負荷策略生成、連通系最小甩負荷批量負荷轉移策略生成、自動生成最佳開關操作順序等方面。

4 結語

智能配電網條件下，網絡重構、供電恢復面臨著大規模復雜網絡、分布式電源等眾多新的挑戰，但同時也存在許多有利條件，例如通過大量智能量測設備可以獲得更加全面、豐富、可信的電網運行信息，分布式/并行計算技術的發展與應用等。未來網絡重構和供電恢復技術必將在提高配電網可靠、高效運行水平以及實現各類分布式清潔電源高效利用等方面發揮越來越重要的作用。

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