基于綜合量化與模糊推理的運行規劃分負荷輔助決策

2020-01-09 09:35:54劉婷盧海尚慧玉

云南電力技術 2019年6期

劉婷，盧海，尚慧玉

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 510620）

0 前言

保證電力系統安全穩定運行是電網運行的首要任務，電網結構的合理性是電力系統安全穩定運行的基礎[1]。目前關于分負荷方面的研究主要為運行規劃分負荷，包括電網分層分區方案研究[2-4]和110 kV 及以下低壓配網網絡重構優化方案研究[5-8]。

由于網絡結構特性的不同，110 kV 以下配網網絡重構技術難以直接應用到220 kV 及以上電網分負荷優化研究中。文獻[9]則介紹了涵蓋電網規劃、運行和控制等多狀態的智能分負荷研究框架。電力系統一直處于動態發展過程中，在發展的不同階段，同一分負荷方案具有不同的適應性，因此非常有必要根據電網運行情況，把握進行方式調整的時機和制訂妥善的輔助決策方案。

電網分負荷包括電磁環網開合環、負荷在不同分區間轉供，是個全局性的問題，特別是220 kV 電網層次分負荷，對系統安全性、經濟性、供電可靠性等均產生一定的影響。現有對運行規劃分負荷方案的決策更多依賴于專家的經驗[2-5]，難以統籌兼顧分負荷方案對系統的綜合影響。本文結合電網運行控制的實際問題以及建設智能電網的內在需求，提出了基于綜合量化分析與模糊決策技術的220 kV 電網運行規劃分負荷輔助決策方法。

運行規劃分負荷輔助決策研究是在確定電源出力情況下，考慮不同分負荷方案對系統安全穩定性、短路電流水平、供電可靠性和經濟性等方面的綜合影響，識別優化方案。運行規劃分負荷策略本質上是個復雜的多目標優化計算問題，但由于220 kV 電網呈現區域內部聯系緊密，區域間聯系相對薄弱的特點，可行的備選方案通常是有限的，無需在全網進行策略搜索，可轉化為對有限多個目標方案進行優化選擇的問題?；谏鲜鲅芯克悸?，本文重點研究不同分負荷方案的多目標評價量化指標和綜合考慮多方面影響的方案優選方法。

1 評價指標及量化計算

電網分負荷是一個全局性的問題，必須統籌考慮對系統整體的影響，需涵蓋經濟性、安全性和可靠性等多個方面。按照內涵明確、具有代表性、獨立性、完備性、實際可操作性等原則，應用層次分析法的基本原理，采用表1所示運行規劃分負荷方案評價指標。

表1 分負荷考核指標

1.1 有功網損評價指標

電網運行的經濟性是我國建設節約型社會的重要組成部分，獲得電網運行單位的高度重視。關于配電網經濟性的指標包括負荷、電網設備和網架結構等多個方面[10]。不同分負荷方案主要涉及220 kV 網架結構的變化，對電網經濟性的影響重點表現為網損，本文利用有功網損作為分負荷方案經濟性的評價指標，不同方案下有功網損可通過潮流計算獲得。

1.2 短路電流評價指標

對于聯系緊密的電網，短路電流超標已成為影響電網安全供電和運行方式安排的重要因素。電磁環網開環（將兩個區域聯合供電的負荷轉由一個區域供電）可明顯降低兩個區域的短路電流；將某個220 kV 變電站負荷轉供到相鄰區域供電，也可有效降低本區域的母線的短路電流。可見合理分負荷是減少短路電流經濟、有效的手段。考慮電網實際運行中的動態變化，短路電流距遮斷容量還需保持一定的裕度。

短路電流計算包括系統中不同等級母線的單相、三相短路電流。各開關具有不同的遮斷容量，需制定一個量化指標，統一評估不同等級、具有不同遮斷容量母線的短路電流水平。

單母線短路電流裕度指標ηI定義為：

其中：I0為遮斷容量，I為短路電流水平。母線斷流電流裕度取單相短路電流裕度和三相短路電流裕度中的最小值，系統短路電流裕度取所有母線短路電流裕度中的最小值。

1.3 暫態安全評價指標

暫態安全性包括暫態功角穩定性、暫態電壓安全性和暫態頻率安全性三個方面。其中暫態電壓（或頻率）安全性包括暫態電壓（或頻率）穩定性和暫態電壓（或頻率）偏移可接受性，是評價分負荷方案對系統影響的重點指標。

1）基于EEAC 理論[11]，暫態功角穩定裕度ηθ定義為：

其中：Ainc和Adec分別表示動能增加面積和動能減少面積。如果Adec＞Ainc，則系統功角穩定；如果Adec＜Ainc，則系統失去功角穩定；如果Adec=Ainc，則系統功角臨界穩定。

2）暫態電壓安全包括暫態電壓跌落可接受性和暫態電壓穩定性[12]。根據參考文獻[12]，暫態電壓穩定裕度ηvs采用式（3）計算：

其中：S為感應電動機的滑差，t為時間，－dS/dt為滑差導數的負值；Mm為感應電動機的初始機械功率；H為感應電動機的慣性常數。

根據參考文獻[12]，暫態電壓偏移可接受性裕度采用式（4）計算：

其中：Vmin為暫態電壓最小值；Vcr為電壓跌落門檻值；Tcrv為電壓跌落持續時間；kv為電壓參數因子。

則暫態電壓安全裕度ηv為ηvs和ηvd之間的小者，即ηv=min(ηvs，ηvd)。

3）與電壓跌落可接受性的分析方法類似，根據參考文獻[13]，暫態頻率偏移可接受性裕度ηfd采用式（5）計算：

其中：fmin為暫態頻率最小值；fcr為頻率跌落門檻值；Tcrf為頻率跌落持續時間；kf為頻率參數因子。

電力系統暫態安全量化分析已得到了實際工程應用，研究中可采用現有成熟算法和軟件[11-14]。

1.4 靜態安全

電力系統穩定導則規定了電力系統靜態安全分析應用N-1 原則，逐個無故障開斷線路和變壓器等元件，檢查其他元件是否因此過負荷和電網低電壓，用以檢驗運行方式是否滿足安全運行要求。

靜態安全裕度包括元件N-1 開斷下其它元件過載裕度和母線電壓越限裕度。

元件過載裕度ηL定義為：

其中：Lrat表示監測元件負載額定值，L表示N-1 開斷下監測元件負載計算值。ηL為負值表示系統存在元件潮流越限，正值表示監測元件潮流在指定范圍內，零值表示系統潮流臨界安全。系統過載安全裕度定義為所有監測元件中安全裕度的最小值。

電壓越限裕度ηv定義為：

其中和分別表示監測元件電壓額定值的上下限，VL表示N-1 開斷下監測元件電壓計算值。負值表示系統存在元件電壓越限，正值表示監測元件電壓在指定范圍內，零值表示系統電壓臨界安全。當母線電壓處于電壓額定值的上下限均值時裕度最大，為100%。

系統靜態電壓越限裕度取所有母線電壓越限裕度最小值。

1.5 負荷損失風險

供電可靠性指的是電力系統對用戶提供充足電力的能力。通常利用供電可靠率、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數、系統停電等效小時數等基于長時間周期的統計指標來反映，適用于對電網規劃等方面的研究，難以應用到對確定方式下供電可靠性的評估。

本文基于風險的概念，提出利用負荷損失風險指標來表征當前方式下的供電可靠性。若有N 個考核故障，則系統負荷損失風險Rf定義為：

其中：為故障i的概率；為故障i導致的負荷損失。

2 分負荷方案的優化決策

2.1 多目標決策方法的選擇

綜合決策是在確定指標下，如何綜合多個指標去評估一個問題。目前主要包括三類方法[15]：一是綜合指標法，將不同量綱標指標準化，利用各種方法將它們提煉成一個綜合指標，用該指標對研究問題進行決策；二是綜合評分法，通過給各指標打分，設置權重后，用加權平均值作為評判標準；三是綜合決策法，直接對多個指標進行統計分析，建立評價模型進行綜合決策，如模糊決策方法等。

分負荷方案評價涉及短路電流、安全裕度、負荷損失風險和網損等不同量綱的指標，難以提煉成統一指標。不同評判標準決定了綜合評分法的決策結果，受主觀因素影響較大，難以用于分負荷方案的優化決策。模糊決策方法可很好解決具有多目標屬性的優化決策問題[16]，本文采用該方法研究分負荷方案優化決策。