一种三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法

技术领域

本发明属于配电网调度优化及台风灾害防御技术领域，具体涉及一种三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法。

背景技术

近年来极端气候灾害频发对电网造成重大影响，特别是台风灾害可在短时间内造成N-k故障。面对小概率极端事件，从弹性角度思考电网防御规划，能够在灾前部署分布式电源(Distributed generation，DG)、线路加固，灾中灾后进行机组组合、网络重构等弹性策略，快速恢复电网性能。

在灾前阶段，线路加固是最有效的弹性提升方式之一。线路一旦被加固，可认为将不再受台风影响，弹性得以提升。例如：一种弹性电网框架，进行台风灾害前线路加固及DG选址，有助于电网长期规划；一种极端天气情景下的杆塔及线路加固优化策略，可以减小灾害损失。但是，线路加固和全面升级系统成本较高，一般要同其它弹性策略相结合。对于台风灾害，灾害日当天机组组合状态不能在灾后确定，需在灾前进行决策，以确保灾中机组稳定运行。然而，上述方法都没有同时考虑灾前线路加固及机组组合进行弹性提升，难以在成本与效益间达成平衡。此外，以上方法都是在台风灾前电网拓扑结构保持不变的情况下进行，台风登陆后，由于线路、设备故障等必然导致电网拓扑结构改变，上述措施未必能很好地发挥作用。

台风灾中、灾后阶段，电网故障无法在短时间内修复，为防止故障进一步传播，网络重构技术已广泛应用于电网操作优化。当台风等极端自然灾害对电网造成破坏后，DG可依靠联络线及远程控制开关进入孤岛模式以隔离故障，形成微网供应关键负荷。例如：一种改进孤岛微电网方法减少关键负荷削减；一种考虑孤岛和重构的台风灾后电网弹性提升方法，隔离故障线路，最大化DG利用率；考虑维修人员调度、动态网络重构和DG调度进行综合协同优化，增强配电系统对N-k极端灾害的弹性；同时考虑线路加固、开关安装及网络重构，以应对电网故障。但上述方法仅考虑灾情最严重时刻进行弹性提升，在实际电网防风应急调度中，要求制定灾害日前调度策略，研究时间应扩展至24小时。

关键设施防御的“防御者-攻击者-防御者”(Defender-Attacker-Defender，DAD)模型可在预算有限的情况下防御最恶劣攻击情景，融入多种弹性提升措施。虽然DAD框架一般适用于人为错误或恶意攻击，其目标是在一定的攻击预算下使损失最大化。但近年已经有研究将其扩展到自然灾害领域，以求防御最恶劣灾害情况。

综上所述，在当前台风灾害下主动配电系统弹性提升方法中，存在着以下不足：

(1)没有综合应用线路加固、机组组合、孤岛划分及网络重构等多种电网弹性提升方法。

(2)大多数配电网调度优化方法只关注负荷峰值时段，没有考虑灾害日24小时。

(3)执行电网弹性提升策略时，认为电网状态是一成不变的，没有将故障线路修复纳入考虑范围。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法，包括：综合考虑线路加固、机组组合、线路修复、计划孤岛及动态网络重构多种弹性提升方法，建立实时线路状态模型，考虑线路修复对弹性提升策略的影响；建立基于“防御者-攻击者-防御者”(Defender-Attacker-Defender，DAD)模型的三层鲁棒优化弹性提升框架；模型中台风攻击策略与电网防御策略相互迭代升级，以获得最优电网弹性提升策略；所述三层鲁棒优化框架的每层均是混合整数线性规划问题，采用Nested Column-and-Constraint Generation(NC&CG)算法求解，最终实现配电网对台风灾前、灾中及灾后进行全方位防御。

本发明的技术方案为：

一种三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法，该方法包括以下步骤：

根据线路加固、机组组合、线路修复、计划孤岛及动态网络重构多种弹性提升措施建立基于DAD模型的三层鲁棒优化弹性提升框架及其目标函数；

建立灾害日24小时输电线路状态辨识框架，实时反映线路受台风影响情况；

使用NC&CG算法求解，获得电网弹性提升策略。

进一步的，基于DAD模型的三层鲁棒优化弹性提升框架包括：

第一层从电网设计规划角度考虑，目标是最小化多条线路故障场景下系统加权失负荷量，采用线路加固和机组组合策略提升台风灾难日配电网弹性；

第二层从攻击者，即台风攻击线路角度建模，目标是最大化已知线路加固计划和机组组合状态下系统加权失负荷量，以构建最恶劣台风故障情景；攻击决策取决于最攻击预算、线路加固决策及线路抢修时间；

第三层从配电网操作视角建模，目标是最小化灾后恢复阶段系统加权失负荷量，采取灾后动态网络重构DNR和分布式电源DG计划孤岛恢复负荷，此时加固计划、攻击计划和机组组合状态已由前两层确定；配电网操作完毕后需将网络拓扑反馈至第二层，以继续寻找最恶劣线路攻击场景；

由于存在关于DNR和计划孤岛的整数变量，需采用NC&CG算法迭代求解，决策过程分上层UP和下层LP，下层又分主层LMP和从层LSP：首先，在LP中，LSP提供网络拓扑给LMP，LMP提供攻击计划给LSP，LMP-LSP联合迭代，输出最恶劣攻击场景，并将攻击计划反馈给UP；然后UP提供加固计划和机组组合状态给LP；UP-LP联合迭代确定最恶劣场景下攻击计划和关于该场景的加固计划和机组组合状态。

进一步的，基于DAD模型的三层鲁棒优化弹性提升框架建模为灾前防御—灾中攻击—灾后恢复的min-max-min问题，采用系统加权失负荷量指标衡量配电网弹性，目标函数如下：

式中，h,o分别表示UP的加固计划和机组组合状态决策变量，v表示LMP中攻击计划决策变量，γ,z分别表示UP和LSP中关于网络重构DNR和分布式电源DG计划孤岛决策变量；ε、

进一步的，调度周期t取24h，仿真步长为1h。

进一步的，输电线路状态辨识框架包括：

用虚拟二进制变量qq

qq

式中，h

若qq

a

式中，z

假设台风在调度周期T内仅对配电网发起一次攻击，且各条线路均在同一时段被攻击；引入二进制攻击标志变量x

当且仅当全部线路在时段t未受攻击影响，即qq

用s

每条线路开关次数应不超过上限

线路状态变量间逻辑关系如上。

进一步的，采用线性化DistFlow模型来处理含多台DG的潮流计算问题，与该模型相关的运行约束如下：

式中，m∈δ(j)为节点j的子节点；i∈π(j)为节点j的父节点；

进一步的，拓扑约束参考基于单商品流方法的约束，并将仿真时间范围从负荷峰值时刻拓展至调度周期T：

式中，

进一步的，使用NC&CG算法求解包括：

(1)第一层UP：第一层问题是最小化问题；该层目标是在给定攻击计划

(2)第二层LMP：第二层问题是最大化问题；该层目标是在给定加固计划

(3)第三层LSP：第三层问题是最小化问题；该层目标是在前两层明确加固计划

由此，目标函数转换为：

进一步的，求解流程包括：

(1)第一层UP和第三层LSP可用调度策略都包括DNR和DG计划孤岛；由于在加固和恢复阶段拓扑变化相互独立，因此在UP，使用γ′和z′区分；

(2)第二层LMP网络拓扑是确定的，目标是找到最恶劣线路攻击场景；

(3)第一层UP决策与LP确定的线路攻击场景相关，LP每次迭代求得的新决策变量和约束集将用于下次上下层联合迭代；而在LP的每次主从联合迭代中，由LSP确定的关于网络拓扑的新迭代变量和约束集将增添到LMP中去。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明可从台风灾前、灾中及灾后三阶段思考电网防御规划，综合应用线路加固、机组组合、线路修复、计划孤岛及动态网络重构多种策略提供电网弹性。面对台风灾害，考虑灾害日24小时内电网受台风影响及线路故障时间，从而为电网日前调度提供参考。此外，执行电网弹性提升策略时，将故障线路恢复时间也纳入考虑范围，可以制定更为灵活的弹性提升策略。本发明方案可有效减少电网失负荷量。

附图说明

图1为三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法流程图；

图2为台风灾害下主动配电网弹性提升框架流程图；

图3为线路状态变量间逻辑关系图；

图4为NC&CG算法求解流程图；

图5为改进IEEE 33节点配电系统图；

图6为加固可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量图；

图7为未加固可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量图；

图8为加固不可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量图；

图9为未加固不可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量图；

图10为四种情形下加权失负荷量比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的三层鲁棒优化的台风下主动配电系统弹性提升方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：根据线路加固、机组组合、线路修复、计划孤岛及动态网络重构多种弹性提升措施建立三层鲁棒优化弹性提升目标函数。

步骤2：建立灾害日24小时输电线路状态辨识框架，实时反映线路受台风影响情况。建立基于DAD模型的三层鲁棒优化弹性提升框架。

步骤3：对所提的弹性提升框架使用NC&CG算法求解，最终获得电网弹性提升策略。

本发明提出一个基于三层RO(Robust Optimization，鲁棒优化)的台风灾害下主动配电网弹性提升框架，重点针对最恶劣场景，总体框架如图2所示。第一层从电网设计规划角度考虑，目标是最小化多条线路故障场景下系统加权失负荷量。采用线路加固和机组组合策略提升台风灾难日配电网弹性。

第二层从攻击者，即台风攻击线路角度建模，目标是最大化已知线路加固计划和机组组合状态下系统加权失负荷量，以构建最恶劣台风故障情景。攻击决策取决于最攻击预算、线路加固决策及线路抢修时间影响。

第三层从配网操作视角建模，目标是最小化灾后恢复阶段系统加权失负荷量。采取灾后动态网络重构(Dynamic Network Reconstruction,DNR)和分布式电源(DG)计划孤岛恢复负荷，此时加固计划、攻击计划和机组组合状态已由前两层确定。配网操作完毕后需将网络拓扑反馈至第二层，以继续寻找最恶劣线路攻击场景。

本发明存在关于DNR和计划孤岛的整数变量，需采用NC&CG(Nested C&CG)算法迭代求解，决策过程分上层(Upper-level Problem,UP)和下层(Lower-level Problem,LP)，下层又分主层(Lower-level Master Problem,LMP)和从层(Lower-level Slave Problem,LSP)：首先，在LP中，LSP提供网络拓扑给LMP，LMP提供攻击计划给LSP，LMP-LSP联合迭代，输出最恶劣攻击场景，并将攻击计划反馈给UP。然后UP提供加固计划和机组组合状态给LP。UP-LP联合迭代确定最恶劣场景下攻击计划和关于该场景的加固计划和机组组合状态。

本发明的三层鲁棒优化弹性提升框架建模为灾前防御—灾中攻击—灾后恢复的min-max-min问题，采用系统加权失负荷量指标衡量配电网弹性，目标函数如下：

式中，h,o分别表示UP的加固计划和机组组合状态决策变量，v表示LMP中攻击计划决策变量，γ,z表示UP和LSP中关于网络重构(DNR)和分布式电源(DG)计划孤岛决策变量；

步骤2中用虚拟二进制变量qq

qq

式中，h

若qq

a

式中，z

假设台风在调度周期T内仅对配电网发起一次攻击，且各条线路均在同一时段被攻击。引入二进制攻击标志变量x

当且仅当全部线路在时段t未受攻击影响，即qq

为保证配电网运行经济性，本章对开关动作次数进行限制。用s

每条线路开关次数应不超过上限

线路状态变量间逻辑关系如图3所示。

本发明采用线性化DistFlow模型来处理含多台DG的潮流计算问题，与该模型相关的运行约束如下：

其中，前两个公式是线性化DistFlow模型。

拓扑约束参考基于单商品流方法的约束，并将仿真时间范围从负荷峰值时刻拓展至调度周期T：

步骤3中由于三层鲁棒优化框架的每层均是混合整数线性规划问题，采用NC&CG算法求解，具体流程见图4。

(1)第一层(UP)：第一层问题是最小化问题。该层目标是在给定攻击计划

(2)第二层(LMP)：第二层问题是最大化问题。该层目标是在给定加固计划

(3)第三层(LSP)：第三层问题是最小化问题。该层目标是在前两层明确加固计划

由此，目标函数可转换为：

为实现所提算法，模型求解必须遵循以下程序：

(1)第一层(UP)和第三层(LSP)可用调度策略都包括DNR和DG计划孤岛。由于在加固和恢复阶段拓扑变化相互独立，因此在UP，使用γ′和z′区分。

(2)第二层(LMP)网络拓扑是确定的，目标是找到最恶劣线路攻击场景。

(3)第一层(UP)决策与LP确定的线路攻击场景相关，LP每次迭代求得的新决策变量和约束集将用于下次上下层联合迭代。而在LP的每次主从联合迭代中，由LSP确定的关于网络拓扑的新迭代变量和约束集将增添到LMP中去。

各参数见表1。

表1参数表

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下面使用改进IEEE 33节点配电系统验证所提模型，在节点6，18，21，24与30处分别安装5台DG，总容量5MVA。拓扑结构见图5，全部仿真参数见表2。可重构系统在不同加固预算(B

表2仿真参数表

表3台风攻击计划和加权失负荷量表

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DG计划孤岛、网络重构和线路加固的协同影响：加固可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量见图6，总加权失负荷量为5.472MW·h。系统被划分成五个孤岛，每个岛均有一台DG参与供电，其中安装在节点6的DG并网运行，其余DG均脱网运行。未加固可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量见图7，此时总加权失负荷量为7.981MW·h。可见，线路S1在图6所示案例中被加固，但在图7所示案例中却被攻击。当同样线路攻击发生在加固可重构系统中，将造成0.485MW·h的总加权失负荷量，相比未加固可重构系统下降93.9％。说明加固线路能显著提升配电网弹性。加固不可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量见图8，总加权失负荷量为10.202MW·h。孤立节点9～17、25和31～33分别划归三个无源孤岛，余下节点由DG和变电站进行供电。可见，没有联络线，只有有限负荷能被恢复。未加固不可重构系统的计划孤岛方案和加权失负荷量见图9，总加权失负荷量为12.718MW·h。孤立节点7～17，25和31～33分别划归三个无源孤岛，余下节点由DG和变电站进行供电，与加固不可重构系统的唯一区别是攻击线路从S8移至S6，导致系统增加节点7和8的加权失负荷量。两种情形孤岛划分情况几乎一样，说明线路加固在不可重构系统中对配电网弹性提升并不明显，因为DG仅能与本馈线上邻近节点形成微网恢复有限负荷，联络线缺失杜绝DG为相邻馈线节点供电的可能性。四种情形下加权失负荷量比较见图10。

综上所述，本发明从台风灾前、灾中及灾后三阶段思考电网防御规划，综合应用线路加固、机组组合及网络重构等多种电网弹性提升方法；同时考虑灾害日24小时内电网受台风影响及线路故障时间，动态调整防御策略，而非只关注负荷峰值时段；此外执行电网弹性提升策略时将故障线路修复纳入考虑范围，充分利用有限资源。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。