基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法

邱桂華, 湯志銳, 鄺梓佳

(廣東電網有限責任公司,佛山供電局,廣東,佛山 528000)

0 引言

電力系統中不同斷面間具有復雜的耦合關系,電力系統的特性以及形態伴隨運行狀態的變化存在較大變化[1-3],電網形態變化制約了電力系統發展的安全穩定性。電力系統步入過渡發展階段,電網的潮流方式存在較高波動性,配網調度系統應用其電網調度功能保障電力系統安全穩定運行的功能[4-6]。目前針對電力系統調度計劃安全校核的研究眾多,吳迪等[7]和呂穎等[8]分別針對電力系統調度計劃的安全校核開展了全時間維度以及并行計算調度的研究,以上兩種方法均可以實現電力系統調度計劃的安全校核,但并未考慮電力系統運行過程中的潮流變化情況,未對調度指令票的安全校核進行深入研究。研究基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法,將決策樹遍歷方法應用于配網調度指令票安全校核中,通過決策樹反復遍歷完成配網調度指令票的安全校核。

1 配網調度指令票安全校核方法

1.1 配網計劃潮流智能生成

依據調度操作數據和調度計劃計算配網的調度潮流,通過計算結果獲取配網交流收斂的校核斷面潮流,為配網調度指令票安全校核提供數據基礎。

配網潮流計算表達式如下:

(1)

式(1)中,Pi、Qi與Ui、Uj分別為節點i的有功功率、無功功率以及節點i與j的電壓,j∈i與ηij分別表示與節點i相連的節點以及節點i與節點j之間的相角差,Gij、Dij均為節點導納矩陣內的元素。

配網調度指令票的安全校核拓撲依據調度操作信息以及電力系統配網模型確定,即應用Gij與Dij確定配網校核斷面的拓撲結構,獲取待注入的節點功率Pi與Qi。將配網待校核斷面的節點電壓以及相角應用潮流方程確定,獲取最終配網的潮流分布結果。

選取牛頓潮流算法設置生成配網計劃潮流的功率約束如下:

(2)

將配網的跨區域聯絡線和省間斷面潮流應用分布式平衡機算法控制,設定配網斷面不平衡功率的分配方式如下:

(1)將不平衡機組應用發電機組承擔,選取具有自動發電控制(AGC)功能的機組以及主調頻廠機組依據配網中設置的機組比例分配不平衡功率;

(2)配網運行過程中,預測母線負荷過程中較易存在誤差,依據母線負荷預測值的比例分配母線負荷的不平衡功率。

1.2 配網調度指令票安全校核的決策樹生成

為了獲取最佳的配網調度指令票安全校核結果,制定待遍歷的最優決策樹,保障配網調度指令票安全校核的可靠性。應用新的條件熵改善決策樹中信息熵的局限性,體現決策樹中決策表的決策水平。

用V表示論域,可得屬性集合R(V/R={R1,R2,…,RM})的信息熵表達式如下:

(3)

式(3)中,|Ri|/|V|為屬性Ri在論域V內的概率。

設論域V中,存在等價關系集合用L與J表示,存在V/(L∪J)=V/L∩V/J。L(V/L={X1,X2,…,Xn})與T={t}(V/T={Y1,Y2,…,Ym})分別為屬于論域V內的條件屬性集合以及決策屬性集合,屬性L∪T的信息熵表達式如下:

(4)

式(4)獲取的信息熵中,|Xi∩Yi|/|V|與p(Yj|Xi)=|Xi∩Yi|/|Xi|分別表示決策規則的元素覆蓋程度以及決策表形成固定規則的可信度。結合信息熵,可以更加直觀地體現生成決策樹中決策表具有的決策水平。

用T={t}與L分別表示論域V內的決策屬性集合以及條件屬性集合,針對決策屬性t,L的新條件熵用H(T;L)表示,可得表達式如下:

H(T;L)=H(T|L)-E(L∪T)

(5)

采用ID3算法構造配網調度指令票安全校核的決策樹,為了改善該算法邏輯表達水平較差的缺陷,通過修正非葉節點屬性的選擇標準獲取更優的決策樹。

用V*表示論域內與決策樹其中一個分支節點具有較高關聯的元素集,T={t}與C分別表示決策屬性集以及條件屬性集,且B?C。針對V*,隨機屬性a∈C≤B的屬性重要性表達式如下:

SGF(a,B,V*,T)=H(T;B)-H(T;B∪{a})

(6)

當B=?時,SGF(a,?,V*,T)=-H(T;{a})。SGF(a,?,V*,T)數值越高時,表明當B為已知時,知識B對屬性a∈C≤B的重要性越高。運算SGF(a,?,V*,T)時,條件屬性子集B在迭代過程中,H(T;B)保持不變,因此a同時為SGF(a,?,V*,T)的最大屬性以及H(T;B∪{a})的最小屬性。將SGF(a,?,V*,T)設置為搜索最小知識約簡的啟發式信息時,僅計算H(T;B∪{a})即可獲取最優的決策樹,有效降低決策樹生成的計算量。

由以上分析可知,將空樹作為起始點,設置SGF(a,?,V*,T)的最大屬性a作為分支節點,應用自頂向下的方式遞歸生成決策樹。選取決策樹屬性時,需要同時考慮所選取的屬性相對于其他對象集的重要性,獲取最優的新屬性啟發式函數,令決策樹可以實現最優分類效果,改善ID3算法容易重復選擇某屬性的缺陷,獲取應用于配網調度指令票安全校核中的最優決策樹。

1.3 遍歷樹的配網調度指令票安全校核

依據配網調度潮流計算結果和安全校核邏輯,遍歷所生成的最優決策樹建立配網調度指令票安全校核的遍歷樹函數表達式如下:

y=f(x)

(7)

式(7)中,x與f分別表示輸入參數以及遍歷樹函數,用y表示遍歷樹的輸出結果,y的輸出結果分別0與1,輸出結果為1時遍歷成功,否則表示遍歷失敗。

基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法流程圖如圖1所示。

圖1 遍歷樹算法

通過圖1的遍歷樹算法對配網調度指令票的內容進行校核。依據配網調度指令票的安全校核邏輯,遍歷決策樹過程中,設置邊界條件如下:

(1)遍歷過程中發現元件后端為空狀態時,表示此處無連接元件;

(2)元件為單連接元件變壓器;

(3)元件為檢修狀態的開關或刀閘;

(4)元件為未處于檢修狀態的站內開關。

通過函數f(x)讀取其中一個配網調度元件x后,連接其中的配網調度元件,建立集合W={w1,w2,…,wn},遍歷集合W內的全部元件,嵌套調用f(wn)。遍歷其中的分路,遍歷至邊界1～邊界3時,完成該配網分支的遍歷,返回至分支節點,繼續遍歷下一個分支,直至全部元件x后端的全部路徑均完成遍歷后,輸出遍歷結果1,表示成功遍歷。遍歷配網調度指令票安全校核決策樹時,遍歷過程中遇見邊界4時,強制終結決策樹遍歷,輸出遍歷結果0。

電力系統配網結構為樹狀結構,由眾多元件連接于一個元件的后端,形成線路分支,遍歷過程中遇見線路分支時,需遍歷該分支中的全部節點。

基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法流程圖如圖2所示。

圖2 安全校核方法

配網調度人員依據配網計劃調度指令票在配網拓撲結構中將操作開關設置為檢修狀態,運行安全校核方法。讀取配網調度人員模擬操作的開關,通過配網開關的讀取結果建立開關庫集合S={s1,s2,…,sn},通過遍歷決策樹判定配網拓撲結構中的開關是否處于檢修狀態。開關未處于檢修狀態時,結束決策樹遍歷,終止安全校核,并發出告警;處于檢修狀態時,調用配網調度指令票安全校核的遍歷樹函數f(x),從節點s1開始進行遍歷,遍歷結果為0時,未通過安全校核,發出告警;遍歷結果為1時,設置迭代次數為n=n+1,調用配網調度指令票安全校核的遍歷樹函數f(x),從節點s2開始繼續遍歷。重復以上過程,直至n=N,完成最后一個開關s2的遍歷,輸出配網調度指令票安全校核成功結果。

2 實例分析

為驗證所研究基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法有效性,選取某電力企業的某調度區間作為研究對象,該配網調度區間包含線路數量為5248條,發電機組數量為1254臺,有效計算節點數量為7564個。

采用本文方法安全校核配網調度指令票,設置安全校核的配網調度指令票內容為將5號配電變壓器改接至2號配電柜的3號開關中,配網調度指令票中的安全措施為將2號配電柜的2號開關以及5號開關轉換至檢修狀態,保障配電系統滿足來電側的安全措施需求。配網調度員依據配網調度指令票模擬操作指令票中內容,安全校核所需要轉換為檢修狀態的開關是否可以順利轉換為檢修狀態。首先依據本文方法建立開關庫,檢驗開關庫內的全部開關狀態是否為檢修狀態,檢驗結果為全部處于安全狀態。從第一個開關開始遍歷全部開關,安全校核過程中,發現第一個開關的后側為配電變壓器,配電變壓器屬于單連接元件,此時校核結果可以滿足邊界條件(2),繼續進行下一輪的安全校核。選取第2個開關進行下一輪安全校核,第2個開關后端無連接元件,可滿足邊界條件(1),該開關為開關庫中的最后一個待校核元件。通過以上過程完成配網調度指令票的安全校核,實現配網調度指令票的成功安全校核,輸出安全校核結果生成調度指令票。

統計采用本文方法安全校核配網調度指令票,安全校核過程中的計算收斂性統計結果如表1所示。

表1 安全校核計算收斂性

表1實驗結果可以看出,選取牛頓潮流算法設置潮流計算的功率約束,使指令票安全校核的不收斂情況得到控制。

統計采用本文方法控制配網拓撲斷面功率的控制結果,統計結果如圖3所示。

圖3 計劃潮流控制結果

通過圖3實驗結果可以看出,本文方法采用多斷面功率控制算法設置配網計劃潮流的功率,改善配網潮流計算過程中缺少無功計劃數據的缺陷,獲取更加精準的配網潮流功率,提升了計劃潮流結果的合理性;應用分布式平衡機算法控制省間斷面潮流,預測母線負荷誤差后分配母線負荷的不平衡功率,提高了計劃潮流的有效性。

統計采用本文方法安全校核配網調度指令票,電力系統運行過程中,不同節點的電壓越限優化情況。將本文方法與未采用本文方法時的電壓越限結果對比,統計結果如圖4所示。

圖4 運行節點電壓波動

圖4實驗結果可以看出,應用分布式平衡機算法控制配網斷面不平衡功率的分配方式,將不平衡機組應用發電機組承擔,分配不平衡功率,使機電電壓處于合理范圍內。

將本文方法應用于該電力企業的電力系統中進行為期一年的測試,統計采用本文方法安全校核配網調度指令票,電力系統配網的全年停電時間變化情況。將本文方法與文獻[7]方法以及文獻[8]方法對比,對比結果如圖5所示。

圖5 配網停電時間變化

圖5實驗結果可以看出,通過遍歷所生成的最優決策樹實現配網調度指令票的安全校核能實現決策樹的快速運行,降低校核時間,從而縮短事故處理時間。

3 總結

為了避免配網調度過程中的人工審核錯誤情況,提升配網調度指令票的校核安全性以及校核效率,研究基于遍歷樹的配網調度指令票安全校核方法。設置安全校核邏輯作為遍歷樹的判定邊界,輔助配網調度員判斷下發的調度指令票是否滿足配網調度的工作需求;應用多斷面潮流控制的計劃潮流算法生成配網調度計算潮流,通過配網計劃潮流智能生成方法提升配網潮流的收斂性以及潮流運算合理性;應用改進的ID3算法生成配網調度指令票安全校核的決策樹,通過遍歷所生成的決策樹,提升配網調度指令票安全校核應用性,提升安全校核的實用化水平。