主動配電網安全態勢評估和災害防御策略研究

金鵬 王淏 魏玉璽

（國網遼寧省電力有限公司 遼寧省沈陽市 110003）

1 前言

隨著智能電網的不斷發展和配電系統日趨復雜，對配電網的災害預警和防御能力提出了更高的要求。2008年的南方冰災暴露出我國現有災害防御體系仍存在很多缺陷[1]，因此不斷加強我國電網的災害應對能力是非常必要且亟待解決的問題。傳統的災害預警評估體系缺點明顯，主要體現在信息采集范圍有限，不能有效的掌控配電網各種態勢及變化趨勢，無法實現配電網故障預測的精準性以及風險預警的靈敏度。另外，國內外有諸多從電力系統調度運行角度考慮的電網安全防御體系的研究，主要分為三類，一類是安全防御系統的研究與開發[2-4]，一類是考慮信息安全的電網防御體系架構[5-6]，還有主要的一類是針對大電網的被動防御[7-9]。但目前的研究仍然缺乏決策的自適應協調能力[10]，大多方法都是基于預案的匹配方法。諸多文獻提出了安全防御的相關設想與技術分析[11-13]，但缺乏具體的防御策略研究。

現階段的防御模式是“根據典型的場景制定預案，取匹配的預案作為決策”，這種模式顯然無法滿足實時在線決策的要求，其信息利用度非常低，暴露出兩個缺陷：

（1）配電網安全防御策略的自適應協調能力差。

（2）缺乏配電網局部與全局的協調控制方案，無法保障資源的有效利用和負荷最大限度的保供電。

本文采取多源信息融合技術，綜合考慮氣象數據、地理數據和社會發展數據等構建完善的災害應對能力指標體系，利用層次分析-熵權法建立配電網全過程安全態勢評估模型；同時，本文針對目前主動配電網安全防御策略的不足，結合防御孤島的自運行能力，提出了一種考慮場景優化的主動配電網安全防御協調控制策略研究，該方法首先基于配電網事故集的風險評估結果對電力網絡進行動態劃分，并根據電網風險狀態進行多場景分析及優化，確定風險場景集；防御策略的制定考慮了有限資源的約束，以負荷損失量最小為目標函數，同時，考慮策略轉換的經濟性，建立供電設備出力、負荷轉移、切負荷三者間的聯動機制，形成安全孤島、轉移并網、緊急孤島三者協調配合的配電網主動防御演化策略，從橫向和縱向兩個角度，尋找主動配電網實時風險場景到防御策略的有向演化路徑，實現主動配電網安全防御策略在局部和全局的協調控制，提高防御策略的自適應協調優化控制能力。為風險事故處理提供科學決策。

2 配電網安全態勢評估

2.1 多源信息融合技術

圖1：多角度風險評估指標體系

圖2：災害環境下配電網的預警過程

多源信息(多傳感器)融合[14]是對多種數據進行認知、綜合、判斷的過程，其原理是模擬人類大腦對接收到的多方面多角度信息進行加工處理，然后根據歷史經驗或相關理論知識對數據進行綜合分析，消除因單一信息采集傳輸過程中的誤差導致的誤診斷，從而提高整個傳感器融合系統的準確性和有效性。

2.2 災害應對能力指標體系

災害應對能力評估指標的多維度綜合考慮使得評估結果更加符合配電網安全性、可靠性和經濟性的要求。本文從外部致災指標、電網靜態指標和電網動態指標三個角度實現配電網全景信息的量化評估。其中外部致災指標涉及氣象數據和地理數據，氣象數據包括了對自然災害的各項測量指標，方便評估過程中對災害等級的分析，不同程度等級的自然災害對于配電網影響的嚴重程度也是不同的?；跉庀髷祿?，對災害影響范圍進行分析，方便于我們對停電損失進行相應的評預估。采集并將氣象數據輸入進配電網災害應對能力綜合評估體系中，有利于我們更加合理和科學的分析自然災害對配電網的影響以及配電網在受到自然災害影響下的災害應對能力情況，使得評估結果具有較高的準確性。同樣，對于地理數據的采集，有利于分析該地區的氣象災害發生特點，考慮到不同自然災害的致災因子和災害的作用機理，地理條件的差異與災害對配電網的影響程度有著密切的聯系，因此通過采集地理條件信息，對研究自然災害對配電網的影響以及配電網的災害應對能力評估同樣有著至關重要的作用。電網指標除了必要的電網數據和設備的數據，方便對于評估地區配電網的相關設備、運行情況進行分析和處理，還有另外一類的數據需要同樣作為綜合評估體系的輸入，即社會發展數據。不同地區的社會發展程度不同，導致該地區的救災和災后恢復能力也不同?？紤]到上述這一影響因素，在考慮評估某地區配電網的災害應對能力時，需要采集和輸入該地區的社會發展情況數據，使其更加真實地反映該地區真實的災害應對能力大小。配電網災害應對能力評估指標體系中的每個指標都從不同角度對配電網的性能進行了量化分析，如圖1 所示。

2.3 配電網全過程安全態勢評估模型

考慮到災害電網風險評估的多面性和復雜性特點，上述所建立的各個分項指標對于系統運行的影響因子都不盡相同，加之系統運行工況的偶然性，單一指標受隨機誤差的影響就會相應大一些，要想對系統整個運行狀態進行全面的衡量，提高電網安全態勢預警的靈敏度，還需要將各分項指標進行綜合，建立配電網全過程安全態勢評估模型。

層次分析法是一種解決多目標問題的綜合決策方法，屬于主觀評價方法；熵權法是基于信息熵原理提出的一種客觀評價指標權重方法，屬于客觀評價方法。本文結合各自方法的優點提出層次分析-熵權法評估方法[15]，彌補了單一方法的不足，從而提高風險指標權重評價結果的準確性。

對于所有對象的評價指標來說，基于層次分析法和熵權法的主客觀權重的偏差理應越小越好。假設由層次分析法和熵權法得到的各指標權重分別為ωj，φj，建立最小二乘法優化組合權重模型如下：

2.4 事故場景集的生成與優化

配電系統元件眾多，線路數目巨大，有必要根據線路事故出現的可能性和不確定性對事故場景進行組合優化。本文首先根據配電網全過程安全態勢評估模型評估外部環境惡化對配電網線路的影響程度和狀態水平，得到線路實時風險值并建立初始事故場景集，然后利用場景閾值對初始場景集進行組合優化，削減場景個數，更新場景集。

表1：災害預警等級劃分

表2：冰災環境下配電網的冰災態勢評估結果及排名

表3：兩種防御策略結果比較

2.4.1 初始場景集生成

任意一條66kV 饋線風險值對應一個場景，設配電系統中有m條饋線，則對應場景集為：

2.4.2 場景閾值

場景閾值可分為風險閾值和距離閾值。線路的場景閾值是評判是否需要生成主動防御演化策略的關鍵。

（1）風險閾值。風險閾值作為配電網風險評估的重要評價標準，在配電網運行風險異常的判斷和預防方面起到重要的作用。定義線路的風險閾值為：

式中，Vi是第i 條線路的風險閾值；V0是標準閾值，一般取0.55-0.6 之間，該線路權重越大則V0越大；(1-I)表示線路權重越大其線路越敏感；該公式表示線路的閾值是線路權重與線路標準閾值綜合作用的結果。若Rk>Vk，則表示第k 條線路風險值越限，此時第k 條線路處于風險預警狀態。

（2）距離閾值。對于配電線路i，j，設事故場景距離為d(i,j)=|Pgi-Pgj|。定義dth為兩線路的距離閾值。

2.4.3 場景組合與優化

若兩線路場景距離小于等于距離閾值，即d ≤dth，且兩線路的風險值均大于風險閾值則將兩個線路場景組合。具體做法為：遍歷所有場景Nt0，計算超過風險閾值的場景距離d，并進行事故場景削減，然后更新事故場景集，假設可削減的場景個數為Ntd，可得新場景個數為：

根據配電自動化系統、實時天氣預報等實時監測信息，對配電網實時安全態勢進行評估預測，匹配事故場景集，一旦超過事故場景閾值，則進入主動防御周期，生成主動防御演化策略。

3 主動配電網安全防御技術

圖3：冰災環境下遼寧省各城市配電網的安全水平雷達圖

圖4：IEEE33 節點配電網絡

圖5：負荷轉移后的網絡結構

圖6：采取協調策略后的網絡結構

3.1 配電網災害等級劃分與預警流程

風險監測和預警發布是電網災害應急管理的重要環節。根據災害風險的致險性和影響區域，將預警級別劃分為五級，分別為I級（非常嚴重狀態），II 級（嚴重狀態），III 級（較嚴重狀態），IV（不正常狀態），V 級（安全狀態）。同時，采用不同顏色來標識預警級別，等級劃分如表1 所示。

本文進行配電線路氣象災害預警的思路：首先根據線路歷史故障事件信息和歷史氣象信息，通過預警模型和判定指標，確定預警閾值，然后在當前的氣象預報條件和當前的線路運行狀態下，根據配電網全過程安全態勢評估模型進行線路風險值的實時預測，參考預警閾值的大并確定預警等級，發布預警信息，同時，根據預警結果對比線路實際故障對預警閾值進行校正，如圖2 所示。

3.2 考慮場景優化的配電網協調防御策略

本文首先基于配電網安全態勢評估值生成初始場景集并根據場景優化方法形成新場景集；對于超過閾值的高風險線路啟動防御周期。其次在配電網風險場景優化的基礎上，以線路潮流為控制量，在有限資源的約束下，以負荷損失最小為目標函數，建立供電設備出力、負荷轉移、切負荷三者間的聯動機制，形成主動孤島、負荷轉供、緊急孤島三者配合的配電網主動防御演化策略，尋找主動配電網風險場景到防御策略的有向演化路徑，實現主動配電網安全防御演化策略的生成。

本文考慮了供電設備出力、負荷轉移、切負荷三者間的聯動機制，建立策略間的互聯互通、協調組合模式，以實現主動配電網的局部自治和全局最優的安全防御協調控制。隨著主動配電網的高度發展，配電網中投入的分布式供電設備及可移動供電設備的配備率大大提高。因此，當線路上配備后備電源時，可以采取主動孤島的方式保障部分重要負荷的安全供電；而當線路中無可用后備電源，又需要保供電的重要負荷進行負荷轉供分析，即當線路中存在二級及以上重要負荷時，必須保障該類負荷的供電穩定性和可靠性，可以操作聯絡開關，以聯絡線盡可能多的轉移負荷，并相應增加相鄰線路的發電機出力，以減少切負荷和電量損失，提高系統安全性，或者可以采用可移動電源進行緊急孤島策略。

3.3 主動防御演化策略的生成求解

橫向上，任意時刻的某高風險線路nk對應生成防御策略n'k，此時必須考慮資源有限的約束條件，以及失負荷最小的目標函數，以此為原則對防御策略進行適當的重組選擇，尋找最優的演化策略；縱向上，災害發生的整個周期中，所有高風險線路的防御策略必須考慮策略轉換過程中的開關操作次數以及可移動電源的調度次數，以實現短期內調度運行的經濟性最優。

具體算法如下：

（1）對每個高風險線路按方向進行尋道匹配，該匹配路徑的起點必須為“風險場景”，終點必須為“策略”，記作有向路徑Cij[ni,vj]，每條路徑表示風險場景ni對應的防御策略vj，有向路徑的集合為C，有向路徑Cij[ni,vj]的資源消耗記作ΔZ(Cij)，其負荷損失記作ΔPcut(Cij)；

（2）橫向上，失負荷最小為目標函數：

以資源有限為約束條件：

（3）縱向上，調度經濟性（開關次數與可移動電源調度次數總和最?。槟繕耍?/p>

式中：Ms表示場景演化時策略轉換的開關操作次數；Md表示可移動電源的調度次數。

（4）考慮到失負荷量是判斷防御策略經濟性的重要指標，因此在對經濟性和失負荷量標準化后，采用賦權值進行整合。標準化可得：

式中：Mtotal表示動作區域內配電系統包含的操作開關總個數；Ptotal表示配電區域內采取主動防御策略前的負荷總量。

總目標函數：

式中：α+β=1，且通常情況下，α<β。

根據上述算法對主動配電網安全防御演化策略進行優化求解，并對防御策略的安全性和可靠性進行校驗?？梢詫崿F冰災的實時監控、事故場景的預判、策略的演化尋優，降低災害事故對配電網的影響，保障主動配電網的安全穩定性。

4 實例分析

4.1 風險評估算例分析

運用構建的災害環境下配電網全過程安全態勢評估模型，以冰災為例定量評估遼寧省各地區配電網在覆冰災害中的安全水平的實際情況，運用構建的覆冰配電網的全過程安全態勢評估模型進行實證分析，并從綜合能力、經濟水平及災害損失相關性等方面展開論述，力求更為全面地展現遼寧省配電網冰災應對能力的基本情況和更為全面地展示遼寧省覆冰配電網的安全態勢評價情況，如表2 所示。

表2 顯示了遼寧省配電網在覆冰情況下的安全態勢評估結果的整體情況。觀察發現：遼寧省各地區安全態勢評估結果差異較大，沈陽、大連、鞍山表現最為優異，位列前三甲，其綜合得分依次為2.647、2.581、2.545；其它地區的綜合得分低于省內平均水平（1.669），這說明遼寧省各市的配電網安全水平不一致，其應對自然災害的能力有待提高，在防災減災水平上應均衡發展，提高整體水平。

從圖3 可以看出，遼寧省沈陽市和大連市配電網應對覆冰災害時的安全水平最強，其綜合能力得分分別為2.188 和2.098，其原因在于沈陽市和大連市預防與應急準備能力和監測與預警能力排在前面，其次，依次是鞍山、撫順、本溪、營口、錦州、丹東等?？梢娺|寧省配電網在冰凍災害下安全水平的區域差異主要是由綜合經濟區間差異造成的，應盡可能縮小各地區間的電網規劃差異，提升配電網的整體抗災水平。

4.2 主動防御仿真分析

本文采用如圖4所示的IEEE33節點的配電網絡系統作為算例。初始狀態時，聯絡支路全部打開，分段支路全部閉合。假設節點6-7處發生故障，若不采取任何措施，則下游節點7-17 將全部失去供電。

采取負荷轉移策略后的網絡結構如圖5 所示。

采取主動孤島與負荷轉移協調策略后的網絡結構如圖6 所示。

分別采取負荷轉移策略和本文的主動孤島與負荷轉移協調策略進行主動防御。假設在節點13 處配置一定容量的后備電源可供使用。得到兩種防御策略結果與不采取措施時的比較，如表3 所示。

從表3 中可以看出，僅采用負荷轉移的方法能減小一定的失負荷量，而與僅采用負荷轉移方法相比，本文方法所得到的目標函數（包括開關動作次數和失負荷量）更低，開關次數從4 次降低為2 次，失負荷量顯著減小，說明本文所提方法得到的防御策略較優，其防御結果更加理想。

4 結論

本文首先利用多源信息融合技術整合覺察到的數據和信息，如歷史數據、實時運行、防御資源等，并分析態勢相關性，創造性的提出配電網災害應對能力指標體系，并依據配電網全過程安全態勢評估模型確定初始風險場景集，然后依據場景閾值對其進行優化更新，然后結合遼寧省沈陽地區實際的配電網區域情況，以冰災氣候為例進行了算例分析，驗證了所提風險評估方法的精確性，為配電網實時預警提供了合理有效的保障，提高了配電網災害防御的及時性和靈活性。另外，提出了一種考慮場景優化的配電網主動防御演化策略，充分考慮供電設備出力、負荷轉移、切負荷三者間的聯動機制，建立策略間的互聯互通、協調組合模式，并利用防御孤島提高風險狀態下的主動配電網的協調控制能力，最大限度的保障負荷供電。該防御策略滿足了配電網主動防御的在線自適應演化需求，兼顧了配電網主動防御的局部自治和全局最優的協調控制，彌補了目前主動防御策略上的不足，對進一步提升主動配電網的安全防御水平具有重要意義。