臧志斌，鄭培昊，魏本海，翟再培，馬勝國(guó)

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配電網(wǎng)可靠性評(píng)估與優(yōu)化系統(tǒng)重構(gòu)算法

臧志斌，鄭培昊，魏本海，翟再培，馬勝國(guó)

（深圳市國(guó)電科技通信有限公司，廣東 深圳 518000）

基于配電網(wǎng)可靠性和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方面的研究，提出了一種考慮配電網(wǎng)可靠性下的重構(gòu)快速方法。首先通過(guò)對(duì)可靠性指標(biāo)體系研究，確定以有功網(wǎng)絡(luò)損耗（LOSS）、系統(tǒng)供電量不足（ENS）和平均供電可用率（ASAI）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行了歸一化構(gòu)建配電網(wǎng)多目標(biāo)模型，運(yùn)用判斷矩陣法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為新的單一目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化快速計(jì)算。算法在重構(gòu)后期引入可靠性評(píng)估，提高了配電網(wǎng)最優(yōu)解的求解效率。通過(guò)IEEE69算例驗(yàn)證了新的配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化算法在獲得全局最優(yōu)解的同時(shí)，降低了計(jì)算時(shí)間，能有效解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。

可靠性評(píng)估；配電網(wǎng)重構(gòu)；有功網(wǎng)絡(luò)損耗

1 引言

配電系統(tǒng)是電力輸送的核心環(huán)節(jié)，其供電可靠性對(duì)于生產(chǎn)生活都有直接影響[1-3]。配電系統(tǒng)中通過(guò)有效技術(shù)手段降低故障發(fā)生率、線損率等滿足供電要求。而配電網(wǎng)中存在大量隔離開關(guān)、斷路器等設(shè)備，在電網(wǎng)運(yùn)行或檢修過(guò)程中，調(diào)度人員斷開或接通隔離開關(guān)來(lái)調(diào)整電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種方式即網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，配網(wǎng)重構(gòu)主要用來(lái)均勻負(fù)荷、降低線損、消除過(guò)載，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和供電質(zhì)量[4]，是配電管理系統(tǒng)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

目前相關(guān)學(xué)者針對(duì)配電網(wǎng)可靠性研究和重構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了多方面研究[5-8]。如基于配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中提出解析法[9,10]（故障樹分析法（FTA）、網(wǎng)絡(luò)等值法（NE）等）、模擬法和組合法。這些研究方法各有優(yōu)勢(shì)，如解析法具有精確度高、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但不能提供可靠性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化特征[11]；模擬法能獲取更多的指標(biāo)信息，但存在模擬時(shí)間長(zhǎng)等缺陷[12]；組合法計(jì)算速度快，計(jì)算簡(jiǎn)單，但計(jì)算量大，且可靠性指標(biāo)受到一定限制[13]。而基于配電網(wǎng)重構(gòu)算法中可分為傳統(tǒng)算法和現(xiàn)代算法，其中典型的有支路交換法[14]、隨機(jī)類算法[15]、最優(yōu)流法[16]等。傳統(tǒng)優(yōu)化算法中在求解全局最優(yōu)解時(shí)缺乏一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)代人工智能算法存在計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)且易局部最優(yōu)的問(wèn)題。

從上述研究中可以看出，當(dāng)前對(duì)配電網(wǎng)可靠性和重構(gòu)優(yōu)化的研究更多的是獨(dú)立進(jìn)行的，并未實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估下的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)化研究。且針對(duì)配電系統(tǒng)元件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，采用傳統(tǒng)的評(píng)估方式和重構(gòu)法可能造成效率低下、解的精度下降等問(wèn)題。本文提出了一種考慮配電網(wǎng)可靠性的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)快速方法，構(gòu)建了基于可靠性指標(biāo)的多目標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)重構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)體系

配電網(wǎng)重構(gòu)的目標(biāo)是提高供電質(zhì)量、降低網(wǎng)損、平衡負(fù)荷。系統(tǒng)網(wǎng)損越低，配電網(wǎng)負(fù)荷越平衡、節(jié)點(diǎn)分布電壓越均勻[17]。而有功網(wǎng)損同時(shí)是配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠性的重要指標(biāo)，隨著用戶對(duì)供電可靠性的進(jìn)一步提高，表征配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)主要分為系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)。

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)主要分為兩類，即基于負(fù)荷電量的能量指標(biāo)以及基于用戶的概率類指標(biāo)[18]。與用戶有關(guān)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)間用戶平均斷電頻率和系統(tǒng)平均停電頻率，描述的是停電次數(shù)和電網(wǎng)平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間指標(biāo)。與負(fù)荷電量能量有關(guān)的指標(biāo)側(cè)重于電網(wǎng)內(nèi)總供電不足，考慮的是系統(tǒng)總供電量對(duì)用戶電量的影響。系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)結(jié)構(gòu)層次

3 考慮可靠性的重構(gòu)優(yōu)化新模型

3.1 重構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)重構(gòu)通常是基于系統(tǒng)有功網(wǎng)損優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)[19]。綜合考慮配電網(wǎng)系統(tǒng)和負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)體系，采用系統(tǒng)可靠性指標(biāo)作為重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)來(lái)反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)劣。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系中的指標(biāo)基本都是針對(duì)同一個(gè)問(wèn)題提出的不同描述方式，利用其中任意一個(gè)指標(biāo)來(lái)描述系統(tǒng)可靠性都滿足描述要求，且不同類指標(biāo)存在關(guān)聯(lián)性，任意兩個(gè)指標(biāo)都能表征出其他指標(biāo)值。綜合考慮傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的有功網(wǎng)損指標(biāo)，選用平均供電可用率（average service availability index，ASAI）和系統(tǒng)供電量不足（ENS）、有功網(wǎng)損（LOSS）3個(gè)指標(biāo)作為配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

考慮到選定的3個(gè)指標(biāo)是3個(gè)不同的量綱，因而在對(duì)選定的3個(gè)指標(biāo)優(yōu)劣度進(jìn)行比較時(shí)，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)量值比較，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型前，需要對(duì)不同量綱指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)造滿意度評(píng)估函數(shù)。

（1）有功網(wǎng)損指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中，為保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量，要求系統(tǒng)有功網(wǎng)損保持在低水平。為反映重構(gòu)方案中有功網(wǎng)損存在的差異性，構(gòu)造基于系統(tǒng)有功網(wǎng)損的滿意度評(píng)估函數(shù)對(duì)不同重構(gòu)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，為：

（2）平均供電可用率指標(biāo)

指標(biāo)直接反映故障對(duì)生產(chǎn)生活的影響程度。理論上配電系統(tǒng)不可能達(dá)到1.0的水平。配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，平均供電可用率指標(biāo)在0.99附近表征效果更明顯。根據(jù)指標(biāo)特點(diǎn)，確定指標(biāo)的滿意度評(píng)估函數(shù)為：

（3）系統(tǒng)供電量不足指標(biāo)

表征配電網(wǎng)總供電能不足，直接反映故障的影響范圍，是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失的指標(biāo)之一。通常這一指標(biāo)為系統(tǒng)平均總有功的5~10倍，指標(biāo)的滿意度和取值為線性關(guān)系，確定指標(biāo)的滿意度評(píng)估函數(shù)為：

3.2 目標(biāo)函數(shù)約束條件

重構(gòu)后的配電網(wǎng)模型除滿足基本的“回路”和“孤島”的約束外[20]，同時(shí)需要滿足以潮流方程等式約束、支路傳輸功率約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束的約束條件。

潮流方程等式約束條件為：

節(jié)點(diǎn)電壓約束條件為：

支路傳輸功率約束條件為：

3.3 目標(biāo)函數(shù)的處理

配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化模型是一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，且各目標(biāo)的重要程度不同，為將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)求解，采用判斷矩陣法[21]進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

由判斷矩陣法，根據(jù)重要性不同將不同目標(biāo)分為3個(gè)等級(jí)：系統(tǒng)供電量不足是衡量經(jīng)濟(jì)損失的一個(gè)主要指標(biāo)，平均供電可用率反映供電故障對(duì)生產(chǎn)生活的影響效果，這兩個(gè)指標(biāo)側(cè)重的是對(duì)供電效應(yīng)的描述，將其作為第二等級(jí)目標(biāo)；有功網(wǎng)損反映配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是供電、配電和用電方面的綜合反映指標(biāo)，因此將其作為最重要的第一等級(jí)目標(biāo)。不同等級(jí)目標(biāo)重要性不同，其中第一等級(jí)最重要，往后次之。同一等級(jí)目標(biāo)具有相同的重要性。

4 重構(gòu)算法的優(yōu)化求解

針對(duì)新模型的特點(diǎn)，按以下設(shè)計(jì)思路進(jìn)行可靠性前提下的配電網(wǎng)重構(gòu)求解。

（1）重構(gòu)前期僅計(jì)算系統(tǒng)的有功網(wǎng)損，不考慮配電網(wǎng)的可靠性計(jì)算機(jī)，以有功網(wǎng)損作為判斷網(wǎng)絡(luò)方案優(yōu)劣性的唯一準(zhǔn)則，確定最優(yōu)方案。

（2）重構(gòu)后期，引入對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的計(jì)算，通過(guò)式（9）計(jì)算獲得函數(shù)的最大目標(biāo)值，尋找最優(yōu)方案的最優(yōu)解。

求解過(guò)程中，以有功網(wǎng)損的變化來(lái)作為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)前期、后期判斷依據(jù)：重構(gòu)前期有功網(wǎng)損的變化幅度大。當(dāng)連續(xù)3次重構(gòu)結(jié)構(gòu)獲得的有功網(wǎng)損降幅大于3%時(shí)，定義為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)前期；當(dāng)連續(xù)3次獲得的有功網(wǎng)損降幅小于3%時(shí)，則為重構(gòu)后期。

4.1 算法流程

考慮到配電網(wǎng)系統(tǒng)有功網(wǎng)損和可靠性指標(biāo)的特點(diǎn)和相互關(guān)聯(lián)性，結(jié)合新模型的求解思路，構(gòu)造基于配電網(wǎng)可靠性的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)計(jì)算法則，算法的詳細(xì)的計(jì)算步驟如下。

步驟1 配電系統(tǒng)基本參數(shù)的讀取和算法控制參數(shù)的輸入，設(shè)置重構(gòu)計(jì)算標(biāo)識(shí)符：=1。

步驟2 根據(jù)式（1）~式（3）分別計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的有功網(wǎng)損、系統(tǒng)供電量不足、平均供電可用率3個(gè)指標(biāo)的滿意度評(píng)估函數(shù)。

步驟3 計(jì)算配電網(wǎng)的初始有功網(wǎng)損。計(jì)算連續(xù)3次的有功網(wǎng)損變化幅值，判斷重構(gòu)計(jì)算處于何種階段。

步驟5 判斷重構(gòu)結(jié)果的收斂性，若結(jié)構(gòu)收斂，則計(jì)算結(jié)束，輸出計(jì)算結(jié)果；若結(jié)構(gòu)不收斂，則返回步驟3繼續(xù)尋優(yōu)。

4.2 算例分析

表1 元件可靠性參數(shù)

4.2.1 結(jié)果分析

圖2 IEEE69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

表2 不同情況下的重構(gòu)結(jié)果

表3為可靠性前后的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)值。從表3中獲得的結(jié)果可知，配電網(wǎng)系統(tǒng)在可靠性前的滿意度為0.65，配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的有功網(wǎng)損為101.82 kW，而考慮可靠性后獲得的滿意度為0.63，配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行有功網(wǎng)損為102.63 kW。對(duì)比可靠性前后的滿意度和有功網(wǎng)速可知，二者差別不大。但和就體現(xiàn)出了較大差別，可靠性前的實(shí)際值為0.988 9，滿意度為0，實(shí)際值為7.621 3，滿意度為0.51，可靠性后的實(shí)際值為0.993 1，滿意度為0.68，實(shí)際值為6.843 1，滿意度為0.60?？煽啃郧昂蟮奶岣?.004 2，滿意度提高0.68；指標(biāo)提高0.778 2，滿意度提高0.09。對(duì)比分析可知，在配電網(wǎng)重構(gòu)中加入可靠性指標(biāo)能明顯提高系統(tǒng)的可靠性。從新的總目標(biāo)函數(shù)看，盡管配電網(wǎng)系統(tǒng)的有功網(wǎng)損滿意度出現(xiàn)了一定程度的下降，但得到了提高，可靠性后新的目標(biāo)函數(shù)總滿意度提升到0.632 1，因而重構(gòu)后的系統(tǒng)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面都有了很大提升。

表3 不同情況下指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

4.2.2 算法性能分析

表4為加入可靠性指標(biāo)后重構(gòu)過(guò)程中，利用本文提供的計(jì)算方式和單一的可靠性指標(biāo)計(jì)算獲得的對(duì)比結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，兩種計(jì)算方式獲得的結(jié)果是完全相同的，表明本文中提出的簡(jiǎn)化型算法是可取的。且新算法耗時(shí)14.62 s，而采用單一的可靠性指標(biāo)計(jì)算耗時(shí)39.21 s，相較于新算法耗時(shí)有明顯增長(zhǎng)，因此，采用本文中提出的新算法在保證結(jié)果精確度的同時(shí)也大大提高了計(jì)算效率，優(yōu)勢(shì)明顯。

表4 算法的計(jì)算對(duì)比結(jié)果

為分析可靠性指標(biāo)對(duì)計(jì)算效率效率的作用，模擬了不同有功網(wǎng)損降幅下可靠性指標(biāo)迭代次數(shù)和收斂到最優(yōu)解的計(jì)算時(shí)間。從獲得的結(jié)果可以看出，不同有功網(wǎng)損降幅下的結(jié)構(gòu)都能得到最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，但迭代次數(shù)和收斂計(jì)算時(shí)間有一定差異性，其中直接加入可靠性指標(biāo)和網(wǎng)損降幅分別為6%、8%和10%條件下的迭代次數(shù)均為12次。而1%網(wǎng)損下的迭代次數(shù)達(dá)到20次，這是由于尋優(yōu)初期，有功網(wǎng)損下降，系統(tǒng)的可靠性升高，而較小有功網(wǎng)損下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整易導(dǎo)致迭代網(wǎng)損劇烈變化，迭代次數(shù)增加，整體來(lái)講，有功網(wǎng)損降幅與迭代次數(shù)成反比。有功網(wǎng)速在3%時(shí)的迭代次數(shù)為14次。

表5 指標(biāo)對(duì)計(jì)算時(shí)間和迭代次數(shù)的影響

收斂最優(yōu)解計(jì)算時(shí)間方面，1%有功網(wǎng)損下的計(jì)算時(shí)間最長(zhǎng)，其后依次是直接接入和10%和8%有功網(wǎng)損下的收斂計(jì)算時(shí)間依次遞減。在3%下的收斂計(jì)算時(shí)間最少，這是因?yàn)楸M管新算法的迭代次數(shù)高于大有功網(wǎng)損，但算法前期不許對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，所以計(jì)算收斂時(shí)間更少。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性研究基礎(chǔ)上，在配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化中引入系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，構(gòu)建了基于可靠性指標(biāo)的多目標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和重構(gòu)優(yōu)化的快速計(jì)算，提高了算法的效率和經(jīng)濟(jì)型。本文主要結(jié)論如下。

? 建立了可靠性指標(biāo)的配電網(wǎng)重構(gòu)模型。以AISI、ENS可靠性指標(biāo)和有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)需求。

? 建立基于多目標(biāo)函數(shù)的快速算法。通過(guò)判斷矩陣法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為新的單一目標(biāo)函數(shù)，在重構(gòu)后期加入可靠性指標(biāo)的重構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中，提高了配電網(wǎng)最優(yōu)解的求解效率，降低了求解計(jì)算時(shí)間。

? 通過(guò)IEEE69算例驗(yàn)證表明，本文提出的配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化算法同時(shí)滿足了網(wǎng)絡(luò)可靠性和經(jīng)濟(jì)型需求，算法在獲得全局最優(yōu)解的同時(shí)降低了計(jì)算時(shí)間，能有效解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。

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Algorithm of grid reliability assessment and reconstruction optimization system

ZANG Zhibin, ZHENG Peihao, WEI Benhai, ZHAI Zaipei, MA Shengguo

Shenzhen Guodian Science and Technology Communication Co., Ltd., Shenzhen 518000, China

Based on the research of the reliability of distribution network and the reconstruction of network, a new method was put forward to reconstruct the power grid reliability. Firstly, the evaluation index system was proposed, which included the active network LOSS (LOSS), lack of system power supply (ENS) and the average power supply availability (ASAI). A multi-objective model of distribution network was constructed by normalization, and the multi-objective function was transformed into a new single objective function by using the judgment matrix method, which realized fast calculation of power distribution network reconstruction and optimization. Through IEEE69 example verification, the optimization algorithm can obtain the global optimal solution and reduce the computational time at the same time, effectively solve the problem of the reconstruction of the complex network optimization.

reliability assessment, grid reconstruction, active network loss

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017344

2017?10?10；

2017?11?30

山地城市電動(dòng)汽車分時(shí)租賃模式及支撐技術(shù)研究與示范應(yīng)用（No. 2015BAG10B00）

Research and Demonstration Application of Time Sharing Leasing Model and Supporting Technology for Electric Vehicles in Mountain Cities (No. 2015BAG10B00)

臧志斌（1974?），男，深圳市國(guó)電科技通信有限公司高級(jí)工程師，主要從事用電信息采集系統(tǒng)、電動(dòng)車運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)、電能計(jì)量與采集應(yīng)用研究、新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃方面的工作。

鄭培昊（1978?），男，深圳市國(guó)電科技通信有限公司副高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充換電技術(shù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

魏本海（1974?），男，深圳市國(guó)電科技通信有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充換電技術(shù)、智能用電技術(shù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能電網(wǎng)。

翟再培（1988?），男，深圳市國(guó)電科技通信有限公司工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車服務(wù)平臺(tái)技術(shù)、配網(wǎng)自動(dòng)化和大數(shù)據(jù)。

馬勝國(guó)（1985?），男，深圳市國(guó)電科技通信有限公司工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車服務(wù)平臺(tái)技術(shù)、電能計(jì)量與采集應(yīng)用研究、智能用電技術(shù)等。