一種最優化變電倒閘操作票的全整數規劃模型及求解方法

2013-10-15 03:24:04鐘世民史先好

山東電力技術 2013年4期

鐘世民，史先好，李晨，宋佳

（青島供電公司，山東青島 266002）

0 引言

倒閘操作是變電運行人員的主要工作之一，改變電網運行方式，設備停電檢修等都需要通過倒閘操作實現，而倒閘操作票則是變電運行人員進行倒閘操作的依據，運行人員必須嚴格按照操作票中的操作內容和操作順序進行操作，不得擅自更改操作票［1］；大型倒閘操作的操作用時大都超過1 h，而敞開式設備變電站的操作用時較六氟化硫封閉式組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）設備變電站更長，因此，如能縮短操作用時，則可以減少運行人員的工作量，提高檢修工作的效率，有利于電網的安全穩定運行。

目前，關于倒閘操作票的研究大都聚焦于操作票自動生成系統的開發與研制上［2－4］，其中又以調度員使用的倒閘操作票居多，文獻［5］提出了基于SCADA系統的調度操作票系統的設計，解決了傳統操作票系統與SCADA系統之間接口的不穩定性；文獻［6］提出了基于網絡重構技術的調度操作票系統設計，基于網絡重構及靜態安全分析，找出最佳開關操作方案；文獻［7］把以潮流計算為基礎的電網靜態安全校驗與操作票專家系統相結合，對執行操作票后可能對電網造成的影響預先進行計算分析，并以此為基礎研制了調度操作票專家系統；目前關于變電運行人員使用的倒閘操作票則涉及較少，而關于最優化變電倒閘操作票的理論、算法研究及應用研究尚未見報道。

操作用時取決于操作人員操作的熟練程度，由一個操作地點到另一個操作地點的行進速度和操作票的合理度。當操作人員確定后，熟練程度和行進速度即為確定量，由此，著重討論操作票的合理度對操作用時的影響，引出了最優操作票的概念，并對其數學模型及求解方法進行了研究，最后以一個220 kV主變壓器停電的操作票為例，驗證本文模型和算法的合理性和有效性。

1 最優操作票的概念及數學模型

在220 kV變電站，尤其是敞開式設備的變電站中操作，變換操作地點所消耗的時間在操作總用時中所占的比重最大，因此，如果操作票能將操作人員的移動距離降至最小，將有效的縮短操作用時。

最優操作票是指操作項目符合電力安全工作規程的要求，同時在操作中操作人員不至于多跑路，跑彎路或者重復上下樓梯的操作票［8］。最優操作票要求在整個操作過程中，操作人員移動距離最小，同時又受電力安全工作規程的約束。

1.1 目標函數

式（1）的含義為整個操作過程中的移動距離最小，n為操作票中操作項的總數，d為操作項xi的移動距離函數。

1.2 約束條件

1）操作地點的約束，該約束表征操作項xi的操作地點，可描述為

式中：p為操作項xi的操作地點函數；μi為常量。

2）操作項在操作票中的排序約束，該約束保證操作票符合電力安全工作規程，變電站現場運行規程及調度指令的要求，從而保證該操作票的合格、規范。描述為

式中：index表示操作項xi在操作票中的排序函數；Δ表示上下限值，為常整數。

3）關聯約束，表示變量之間的耦合關系，令index（xi）＝c，則 xi＝index－1（c），表述為

式中：D為兩個操作地點之間的距離函數。由此，公式（1）～（4）構成本文最優操作票問題的數學模型。

2 模型分析及求解策略

最優操作票模型為全整數規劃模型［9］，整數規劃的可行解域是一個有限集合，若能把這個集合的每一個點對應的目標函數值都計算出來，即可獲得整數規劃問題的最優解，這種方法稱為完全枚舉法。該方法的問題是計算量太大，當變量數和約束條件增加時，該算法所需時間與問題規模成非線性增長，甚至是不可實現的，因此，通常的處理方法是將完全枚舉法轉換為部分枚舉法［9］。

對數學模型進行分解，分解為問題1、問題2，問題1只考慮約束（3），為一組不等式約束，以獲得操作項在操作票中的排列順序，一般情況下，某幾項操作在操作票中的位置是固定的，利用這一性質，可以將有效組合確定在一個較小的范圍內，并分塊進行，可大大降低求解難度，例如：假定操作項xm，xr在操作票里的位置確定，則可將只能排在操作項xm之前的操作項進行捆綁，只能排在操作項xm，xr之間的操作項進行捆綁，只能排在操作項xr之后的操作項進行捆綁，形成三個塊，先將各個塊里的操作項進行排序，再對塊與塊之間進行排列組合，最終獲得操作票中操作項的排列順序。問題2以式（1）為目標函數，考慮約束（2）、（4），以獲得操作項在操作票中的最優排列順序，最終獲得最優操作票。計算流程如圖1所示。

圖1 算法流程

3 算例分析

以青島供電公司220 kV水清溝變電站2號主變壓器停電操作票為例，對模型和算法進行驗證。算法所需程序均在Matlab7.10.0上實現。

水清溝變電站220 kV側為雙母線帶旁路接線［9］，雙母線正常并列運行，35 kV為四段母線接線，1號主變供甲母線、2號主變供乙Ⅰ、乙Ⅱ母線，3號主變供丙母線，甲乙Ⅰ分段開關、乙Ⅱ丙分段開關配置備用電源自投裝置。其一次接線圖如圖2所示，操作票中的主要操作項如表1所示，各操作地點之間的距離如表2所示。

圖2 水清溝變電站一次接線圖

表1 水清溝變電站2號主變停電主要操作項

表2 水清溝變電站操作地點之間的距離

3.1 問題1的求解

本算例中，約束（3）包含以下幾方面：

1）2號主變停電，其所供的乙Ⅰ、乙Ⅱ母線不能對外限電，因此，應該在拉開主變低壓側開關之前合上甲乙Ⅰ分段開關和乙Ⅱ丙分段開關，合上分段開關之前需要先停用相應的備用電源自投裝置。

2）主變停電時，先停低壓側、再停高壓側，因此，低壓側開關必須在高壓側開關之前拉開。

3）主變停電操作時，主變中性點必須接地，目的是為了防止操作過電壓［8］，同時，整個電網的中性點接地數目應該保持不變，以保證零序電流的大小和分布與保護的整定相適應，這就存在倒中性點的操作，本算例中2號主變中性點本來在合位，因此合上3號主變中性點刀閘的操作應該在2號主變高壓側開關拉開之前，3號主變間隙過流過壓保護應該在合上中性點接地刀閘之前停用。

4）兩臺主變并列運行時，其分頭位置必須一致，因此，合上任何一個分段開關之前應檢查并列的主變分頭位置一致。

5）調度指令順序，要求先合乙Ⅱ丙分段開關，拉開2號主變低壓側乙開關；再合甲乙Ⅰ分段開關，拉開2號主變低壓側甲開關。

由以上對約束（3）的分析，本算例中的操作項可以分為5個相對獨立的塊，如表3所示。

在滿足約束（3）的基礎上，先對每個塊里的操作項進行排序，再對5個獨立塊進行組合，即可得各操作項可行的排列方案，亦即合格可行的操作票。形成的可行方案如表4所示。