CN111767656B - 一种弹性配电网远动开关优化配置方法、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹性配电网远动开关优化配置方法、存储介质及设备,获取配网系统所连变压器数据、配网负荷数据以及系统拓扑结构信息;应用鲁棒优化的CCG算法进行迭代,在每次迭代中,对于给定的远动开关配置方案,以切负荷功率最大为目标求解最严重的攻击方式,并将攻击方式包含进鲁棒优化的不确定集中,随后针对当前所得的由一系列攻击方式组成的不确定集,以电网切负荷功率最小为目标求解最优开关配置方案,通过不断迭代使电网在遭受最严重的攻击时能最大限度维持电力供应。本发明通过合理的开关配置,当电网遭到极端灾害事件的打击出现故障后,能及时操作开关隔离故障,减小停电范围及损失。
Description
技术领域
本发明属于电力系统安全规划运行技术领域,具体涉及一种面向弹性提升的弹性配电网远动开关优化配置方法、存储介质及设备。
背景技术
有必要开展提升配电网弹性和恢复能力的研究。信息物理系统的深度融合为配电网动态、远程控制提供了技术支持,远动开关(Remote-controlled switch)可以在配电网遭受极端事件攻击后隔离故障,缩小故障区范围,并参与网络重构恢复负荷。出于经济性的考虑,对每一条线路都配置远动开关是不现实的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种面向弹性提升的弹性配电网远动开关优化配置方法、存储介质及设备,在一定预算下优化开关配置位置,从而最小化严重故障后的切负荷损失,提升电网弹性和恢复能力。
本发明采用以下技术方案:
一种弹性配电网远动开关优化配置方法,包括以下步骤:
S1、获取配网系统所连变压器数据、配网负荷数据以及系统拓扑结构信息;
S2、在给定攻击场景下,以约束形式建立远动开关配置位置、攻击位置、线路状态、配网潮流的关系,以切负荷量最小为目标优化远动开关的位置;
S3、应用鲁棒优化的CCG算法对步骤S2进行迭代,在每次迭代中,对于给定的远动开关配置方案,以切负荷功率最大为目标求解最严重的攻击方式,并将攻击方式包含进鲁棒优化的不确定集中,随后针对当前所得的由一系列攻击方式组成的不确定集,以电网切负荷功率最小为目标求解最优开关配置方案,通过不断迭代使电网在遭受最严重的攻击时能最大限度维持电力供应。
具体的,步骤S2中,优化目标函数为:
其中,V为配电网节点的集合,h表示规划决策变量,u表示攻击决策变量,z表示潮流运行变量,Pshed,j为节点j的负荷切除功率。
进一步的,远动开关配置位置约束为:
其中,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置开关;CN为最大可配置远动开关的数量预算。
远动开关配置位置约束为:
其中,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置开关;CN为最大可配置远动开关的数量预算。
进一步的,建立开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系;若一段配网线路受到攻击且两侧无开关对故障进行隔离,则故障将传播至其相邻线路,直到有开关隔离故障为止,引入二进制变量xj表示节点j是否受到故障传播的影响,当xj取1时表示节点受到故障传播影响。
更进一步的,
建立开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系,当线路(i,j)受到攻击且在节点j侧未安装远动开关时,节点j受到故障传播的影响,具体如下:
其中,M为一个比较大的常数,Bij为二进制变量,取1时表示线路(i,j)受到攻击并故障,取0时表示线路未受到攻击,V为配电网节点的集合,π(j)为节点j父节点的集合;δ(j)为j子节点的集合,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置;
当节点i受到故障影响且线路(i,j)两侧均未安装远动开关时,节点j将受到故障传播的影响,具体为:
当节点所连线路满足以下三条件之一,则节点j不会受到来自节点i方向的故障影响:1)线路(i,j)的j侧配置远动开关;2)线路(i,j)未受攻击且i侧配置远动开关;3)线路(i,j)未受攻击且节点i未受故障影响,具体为:
进一步的,基于开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系,线路开断与闭合状态关系的约束具体为:
若线路两侧至少有一个节点受到故障影响xi+xj≥1且至少有一侧安装远动开关yij,1+yij,2≥1,则线路将断开,具体为:
若线路受到攻击Bij=1且至少有一侧安装远动开关yij,1+yij,2≥1,则线路将断开,具体为:
若线路两侧均未安装远动开关,则线路无论是否故障均视为保持闭合状态,具体为:
在线路配置远动开关的情况下,yij1+yij2≥1,须同时满足线路未受攻击、线路两侧节点未受故障传播影响两个条件,线路为闭合状态,具体为:
其中,M为常数,Bij为二进制变量,L为配电网线路的集合,cij为表示线路(i,j)闭合与开断状态的二进制变量,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量。
具体的,步骤S3具体为:
S301、将鲁棒优化问题分解为两个子问题;
S302、通过上下层问题不断迭代,采用CCG算法向上层问题中增加约束,当上下层问题的解收敛至给定间隔后,上层问题所求得的远动开关配置方案即为考虑最严重场景的最优方案。
进一步的,步骤S301中,上层问题是在给定攻击下优化远动开关的配置位置,下层问题是在给定远动开关配置方案下优化出针对该系统的最严重的攻击策略。
本发明的另一个技术方案是,一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
本发明的另一个技术方案是,一种计算设备,包括:
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种弹性配电网远动开关优化配置方法,通过建立刻画N-K的多重故障传播影响的方法,建立线路状态、攻击位置与开关配置状态的关系,并将其应用在最优规划方案与最严重攻击方式的求解中,通过合理配置远动开关,当电网受到攻击后隔离故障、缩小故障区范围,从而减小停电损失。本发明可以为提升配电网弹性及恢复能力的规划提供参考建议。
进一步的,所提优化模型为鲁棒优化,目标函数为提出一种开关配置方案,使其在遭受最严重攻击时通过潮流优化实现负荷切除损失最小化。通过鲁棒优化可以提升电网对严重风险的抵抗能力,求解得到的开关配置方案相比于其他方案在面临最严重的灾害事件时可以更有效地减小停电损失。
进一步的,远动开关配置位置约束的目的为限制最多可配置的远动开关数量,即相当于电网规划预算。
进一步的,攻击位置约束的目的是限制灾害最多可以攻击的线路数量,即相当于电网规划需要针对的灾害严重等级。
进一步的,线路开断与闭合状态约束刻画了开关配置位置、攻击位置与线路开断与闭合状态关系,基于该约束可以在给定攻击方式下求解最优开关配置位置或在给定开关配置位置下求解最严重的攻击方式。该约束为本专利核心创新点。
进一步的,采用线性化的配网潮流模型建立潮流运行约束,可以实现快速潮流优化。
进一步的,所应用的CCG算法将鲁棒优化问题分解为两个子问题:上层问题和下层问题。下层问题在给定开关配置方案下求解相应的使系统失负荷最大的最严重攻击方式,并将攻击方式包含进不确定集中,上层问题针对不确定集中包含的攻击方式求解最优开关配置方案,使切负荷最小化。通过上层和下层问题不断迭代,当上层问题和下层问题目标取值收敛后,可以得到能应对最严重攻击方式的开关配置方案。
综上所述,本发明通过合理的开关配置,当电网遭到极端灾害事件的打击出现故障后,能及时操作开关隔离故障,减小停电范围及损失。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为节点j将受到来自线路ij方向的故障影响的示意图,其中,(a)为当线路(i,j)受到攻击且在节点j侧未安装远动开关隔离故障时,节点j将受到故障传播的影响,(b)为节点i受到其他线路故障影响且线路(i,j)两侧均未安装远动开关时,节点j将受到故障传播的影响;
图2为节点j将不会受到来自线路ij方向的故障影响的示意图,其中,(a)为线路(i,j)的j侧配置远动开关,(b)为线路(i,j)未受攻击且i侧配置远动开关,(c)为线路(i,j)未受攻击且节点i未受故障影响
图3为IEEE 37节点配网系统图;
图4为具体负荷数据图;
图5为当规划预算CN=7、最大攻击线路数CB=3时最优配置结果与对应的最严重攻击方式。
具体实施方式
本发明提供了一种面向弹性提升的弹性配电网远动开关优化配置方法,获取配网系统所连变压器数据、配网负荷数据以及系统拓扑结构信息;在给定攻击场景下,以约束形式建立远动开关配置位置、攻击与线路状态、配网潮流的关系,以切负荷量最小为目标优化远动开关的位置;应用鲁棒优化的CCG算法(column-and-constraint generation)通过进行迭代不断寻找最严重的攻击场景,从而优化出远动开关配置方案,使得电网在遭受最严重的攻击时能最大限度维持功能。利用本发明所述方法可以制定合理的开关配置措施,当电网受到攻击后隔离故障、缩小故障区范围,从而减小停电损失。本发明可以为提升配电网弹性及恢复能力的规划提供参考建议。
本发明一种面向弹性提升的弹性配电网远动开关优化配置方法,包括以下步骤:
S1、获取配网系统所连变压器数据、配网负荷数据以及系统拓扑结构信息;
S2、在给定攻击场景下,以约束形式建立远动开关配置位置、攻击位置、线路状态、配网潮流的关系,以切负荷量最小为目标优化远动开关的位置;
优化目标函数为:
其中,V为配电网节点的集合,h表示规划决策变量,u表示攻击决策变量,z表示潮流运行变量,Pshed,j为节点j的负荷切除功率。
约束条件为:
1)潮流运行约束
各节点的功率平衡约束列写如下:
其中,Pij、Qij表示流经线路(i,j)的有功、无功功率;PDG,j、QDG,j为节点j的分布式电源有功、无功出力;PL,j为节点j的有功负荷需求,QL,j、Qshed,j分别为无功负荷需求以及负荷切除功率。
采用下式建立相邻节点间电压大小关系:
其中,L为配电网线路的集合,Uj为节点j的电压大小,rij和xij分别为线路(i,j)的电阻和电抗,U0为额定电压,cij为表示线路(i,j)闭合与开断状态的二进制变量,取1时表示线路闭合,M为一个大数,用来在线路断开(cij=0)时松弛约束。
线路容量约束和节点电压大小约束分别为:
假设内配网负荷均为可控负荷,负荷约束为:
其中,xj为节点j是否受到故障传播影响的二进制变量,取1时表示受到故障传播影响,此时节点负荷将全部切除。变量xj将在稍后的式(10)中进行详细介绍。
机组出力约束列写如下:
2)规划预算与攻击位置约束
远动开关配置数量不应超过规划预算,约束为:
其中,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置开关。CN为最大可配置远动开关的数量预算。
假设极端事件最多可同时攻击CB条线路并使其故障,造成N-CB的多重故障,其约束为:
其中,CB为极端事件最多可攻击的线路数,Bij为二进制变量,取1时表示线路(i,j)受到攻击并故障,取0时表示线路未受到攻击,L为配电网线路的集合。
该约束的可行域构成鲁棒优化的不确定集。
3)开关配置、攻击位置与线路状态约束
引入二进制变量xj表示节点j是否受到故障传播的影响,当xj取1时表示节点受到故障传播影响;当节点j所连线路至少有一条满足场景A、B之一时,xj为1,其约束可建立如下:
其中,M为一个比较大的常数,Bij为二进制变量,取1时表示线路(i,j)受到攻击并故障,取0时表示线路未受到攻击,V为配电网节点的集合,π(j)为节点j父节点的集合;δ(j)为j子节点的集合,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置。
式(10)的上式建立节点j相连线路故障与该节点是否受到故障传播影响的关系。以线路(i,j)为例进行说明,如图1(a)所示,当线路(i,j)受到攻击(Bij=1)且在节点j侧未安装远动开关(yij,2=0)时,节点j将受到故障传播的影响(xj=1)。
式(10)的下式建立节点j的相邻节点状态与该节点是否受到故障影响的关系。以(i,j)为例,如图1(b)所示,当节点i受到故障影响(xi=1)且线路(i,j)两侧均未安装远动开关(yij,1=yij,2=0)时,节点j将受到故障传播的影响(xj=1)。
当节点j与所有相连线路均不属于上述影响方式时,节点不应受到故障传播影响,此时需要将xj限制为0。
式(11)上式表示若节点所连线路满足以下三条件之一,则节点j不会受到父节点方向的故障影响:
1)线路(i,j)的j侧配置远动开关(yij2=1),如图2(a)所示;
2)线路(i,j)未受攻击(Bij=0)且i侧配置远动开关(yij1=1),如图2(b)所示;
式(11)的中式为相应的子节点方向故障传播约束。
式(11)的下式表示若两方向均未受到故障影响,则xj=0。
线路开断与闭合状态约束建立如下:
式(12)表示若线路两侧至少有一个节点受到故障影响(xi+xj≥1)且至少有一侧安装远动开关(yij,1+yij,2≥1),则线路将断开。
式(13)表示若线路受到攻击(Bij=1)且至少有一侧安装远动开关(yij,1+yij,2≥1),则线路将断开。
式(14)表示若线路两侧均未安装远动开关,则线路无论是否故障均视为保持闭合状态,由于约束(7)、(8)的限制,受故障影响的区域发电与负荷均为0,此时闭合状态的线路仍无功率流通。
式(15)表示在线路配置远动开关的情况下(yij1+yij2≥1),须同时满足线路未受攻击、线路两侧节点未受故障传播影响两个条件,线路为闭合状态。
S3、应用鲁棒优化的CCG算法通过对步骤S2进行迭代不断寻找最严重的攻击场景,从而优化出远动开关配置方案,使得电网在遭受最严重的攻击时能最大限度维持功能。
S301、将鲁棒优化问题分解为两个子问题,上层问题是在给定攻击下优化远动开关的配置位置;
S302、下层问题是在给定远动开关配置方案下优化出针对该系统的最严重的攻击策略;
S303、通过上下层问题不断迭代,CCG算法不断向上层问题中增加约束,当上下层问题的解收敛至给定间隔后,上层问题所求得的远动开关配置方案即为考虑最严重场景的最优方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
采用IEEE 37节点配网作为算例,如图3所示,3个容量为500kVA的分布式电源分别配置在节点709、734、744。节点701与变电站相连,连接线路上配置有断路器,假设该段线路不会受到攻击。变电站容量为5MVA,节点电压大小可行区间为0.9~1.1p.u,线路容量为0.5MVA,系统负荷总量为981.58kW+544.02kvar,具体负荷如图4所示。20条候选线路两侧位置可配置远动开关,其中8个位置已经配置。优化问题的求解采用MATLAB环境下的Gurobi求解器。
请参阅图5,展示了当规划预算CN=7、最大攻击线路数CB=3时最优配置结果与对应的最严重攻击方式。对优化配置结果进行分析可以看出,分布式电源所在节点的相邻线路配置远动开关的频率较高,是开关配置的关键位置。此外,连接线路数较多的节点出线侧同样有较高的配置优先级,因为节点一侧故障容易对更多的线路造成影响。
综上所述,本发明一种面向弹性提升的弹性配电网远动开关优化配置方法,为面向弹性提升的智能配电网远动开关配置提供参考,通过合理配置远动开关,当电网受到攻击后隔离故障、缩小故障区范围,从而减小停电损失。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种弹性配电网远动开关优化配置方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、获取配网系统所连变压器数据、配网负荷数据以及系统拓扑结构信息;
S2、在给定攻击场景下,以约束形式建立远动开关配置位置、攻击位置、线路状态、配网潮流的关系,以切负荷量最小为目标优化远动开关的位置,优化目标函数为:
其中,V为配电网节点的集合,h表示规划决策变量,u表示攻击决策变量,z表示潮流运行变量,Pshed,j为节点j的负荷切除功率;
基于开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系,线路开断与闭合状态关系的约束具体为:
若线路两侧至少有一个节点受到故障影响xi+xj≥1且至少有一侧安装远动开关yij,1+yij,2≥1,则线路将断开,具体为:
若线路受到攻击Bij=1且至少有一侧安装远动开关yij,1+yij,2≥1,则线路将断开,具体为:
若线路两侧均未安装远动开关,则线路无论是否故障均视为保持闭合状态,具体为:
在线路配置远动开关的情况下,yij1+yij2≥1,须同时满足线路未受攻击、线路两侧节点未受故障传播影响两个条件,线路为闭合状态,具体为:
其中,M为常数,Bij为二进制变量,L为配电网线路的集合,cij为表示线路(i,j)闭合与开断状态的二进制变量,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量;
S3、应用鲁棒优化的CCG算法对步骤S2进行迭代,在每次迭代中,对于给定的远动开关配置方案,以切负荷功率最大为目标求解最严重的攻击方式,并将攻击方式包含进鲁棒优化的不确定集中,针对当前所得的由攻击方式组成的不确定集,以电网切负荷功率最小为目标求解最优开关配置方案,通过不断迭代使电网在遭受最严重的攻击时能够最大限度维持电力供应。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,建立开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系;若一段配网线路受到攻击且两侧无开关对故障进行隔离,则故障将传播至其相邻线路,直到有开关隔离故障为止,引入二进制变量xj表示节点j是否受到故障传播的影响,当xj取1时表示节点受到故障传播影响。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,建立开关配置位置、攻击位置与故障传播的关系,当线路(i,j)受到攻击且在节点j侧未安装远动开关时,节点j受到故障传播的影响,具体如下:
其中,M为一个比较大的常数,Bij为二进制变量,取1时表示线路(i,j)受到攻击并故障,取0时表示线路未受到攻击,V为配电网节点的集合,π(j)为节点j父节点的集合;δ(j)为j子节点的集合,yij,1表示是否在线路(i,j)的节点i侧配置远动开关的二进制变量,yij,2表示是否在线路(i,j)的节点j侧配置远动开关的二进制变量,取1时表示配置;
当节点i受到故障影响且线路(i,j)两侧均未安装远动开关时,节点j将受到故障传播的影响,具体为:
当节点所连线路满足以下三条件之一,则节点j不会受到来自节点i方向的故障影响:1)线路(i,j)的j侧配置远动开关;2)线路(i,j)未受攻击且i侧配置远动开关;3)线路(i,j)未受攻击且节点i未受故障影响,具体为:
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3具体为:
S301、将鲁棒优化问题分解为两个子问题;
S302、通过上下层问题不断迭代,采用CCG算法向上层问题中增加约束,当上下层问题的解收敛至给定间隔后,上层问题所求得的远动开关配置方案即为考虑最严重场景的最优方案。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤S301中,上层问题是在给定攻击下优化远动开关的配置位置,下层问题是在给定远动开关配置方案下优化出针对系统的最严重的攻击策略。
7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,其特征在于,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法。
8.一种计算设备,其特征在于,包括:
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法的指令。
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