华北电力大学万海洋、刘文霞 等：城市电网灾后应急资源的集中匹配-分布调度策略

阅读提示：本文约 3400 字

为保障城市电网重要负荷的正常运行，极端灾害影响后的电网需要在短时间内制定应急恢复方案。受城市电网多电压等级交杂和拓扑结构复杂的影响，该应急过程面临：故障元件与应急资源数量繁多、应急方案决策速度慢、不同电压等级电网的故障元件抢修工作存在耦合等难题。 因此，本文分别提出了适用于城市电网灾后应急资源与故障元件的快速匹配方法以及计及多电压等级电网间耦合关系的双层负荷恢复优化模型。结果表明该方法能够在有效地降低城市电网负荷损失的同时，大幅降低求解时间。

研究背景

城市电网是支撑城市功能正常运行的关键基础设施，及时制定电网灾后应急策略对维护城市各生命线系统功能具有重要意义。与单一输、配电网不同，城市电网具有多电压等级交杂和拓扑结构复杂等特点，传统研究仅针对单一电压等级电网的方式已无法满足城市电网的灾后电网应急工作，因此需要提出一种适用于城市电网的灾后高效应急恢复方法。

论文所解决的问题及意义

1、城市电网中含有多个重要程度不同的配电网，受灾后应急资源数量远小于故障元件数量的影响，独立地对各中压配电网进行资源分配，将导致整体资源的分配不均，致使受损程度更大的中压配电网难以及时恢复。

2、极端灾害影响后，城市电网中输电网与配电网均存在故障元件，现有研究忽略了二者的负荷恢复和故障抢修工作间存在耦合。

3、灾后大型城市电网具有灾损范围大、故障数量众多等特点，需建立的应急决策模型规模庞大，当前基于时空全局最优的统一式决策方法的求解效率会大幅降低，无法在灾后不确定性环境中实现实时决策。

因此，需要计及城市电网的特征，快速准确制定灾后城市电网的全域高效应急恢复策略，降低极端灾害对城市电网的综合影响。

论文方法及创新点

1、基于赋权二分图的应急资源与故障元件快速匹配方法

（1）构建表示应急资源和故障元件间匹配关系的赋权二分图：首先，根据应急资源和故障元件的属性（例如抢修小队的效率和故障元件的类型等），分别建立二者的特征参数集；其次，根据应急资源和故障元件间的匹配条件（例如故障类型集合为抢修小队能力属性的子集等），生成二者间的匹配边集合；最后，根据各匹配关系下的匹配收益（减少的负荷损失）和成本（消耗的经济成本），计算各匹配关系的权重大小。

图1 应急资源和故障元件间的二分图展示

（2）基于补点法的库恩-曼克尔斯算法，设计了用于快速最优匹配应急资源和故障元件的求解算法：该方法首先通过添加虚拟顶点，将应急资源和故障元件间的赋权二分图转换为赋权完全二分图，从而解决匹配异常的问题；其次在设置初始匹配路径的基础上，通过扩展增广路径和修改顶杆值的交替迭代，获取应急资源和故障元件的最大权匹配对。

图2 应急资源和故障元件的最优匹配算法

2、基于双层优化模型的多电压等级电网协同恢复方法

在上层模型中，高压配电网根据当前网架结构，通过优化线路开关状态和潮流分布，确定各变电站节点负荷的最大恢复量，并传递给中压配电网作为其恢复过程的上限边界值；下层模型是将每一个高压配电网变电站节点连接的所有中压配电网视为一个集团，分别建立以失负荷最小为目标，以应急资源调度、系统运行和网架动态重构为约束条件的优化模型，并在分布式开展灾后故障抢修与负荷恢复工作后，将满足边界条件的负荷实际值传递给高压配电网作为其恢复过程的上限边界值，从而能够达到多电压等级电网协同调度的目的。

图3 高压配电网与中压配电网灾后协同恢复的双层优化模型

3、适用于灾后不确定性环境的城市电网在线应急决策方法

为降低故障元件位置、故障抢修时间等大量不确定性因素对灾后应急计划的影响，提出的在线决策方法在每个时间步长内，根据城市电网中新探明的应急资源和故障元件的实时信息更新二分图，重新寻找最优匹配方式，并制定各电网的负荷恢复策略，直至所有故障元件均抢修完毕。

图4 城市电网灾后在线应急决策方法

4、实验结果

本文算例仿真分析采用的城市电力系统网架结构如图5所示。城市电网峰值负荷为1305 MW+j1044 Mvar，其中输电网含8个变电站节点，各节点均与火力发电厂相连接；高压配电网含29个变电站节点，各变电站节点均连有三个不同结构的中压配电网，共计57个中压配电网。

图5 城市电力系统网架结构

与采用现有灾后恢复常用的集中式优化（策略2）和滚动式优化方法（策略3）相比，本文所提方法（策略1）能够利用每个时步的实时信息，通过二分图方法制定应急资源与故障元件的最优匹配结果（如图6所示），并能够协调高压配电网和中压配电网中故障元件和负荷恢复进程（如图7所示）。

此外，策略1通过避免将与应急资源与故障元件匹配相关的大量二进制变量融入整体恢复模型中求解，大幅降低了模型的求解时间。在两种预设的故障场景下，虽然策略1的负荷削减比例较策略2和3增加了0.1%-0.2%左右，但求解时间大幅降低了近40倍。由于灾后恢复过程相当看重调度计划的制定时间，因此，本文认为用较少的精确性换取高效的求解效率是可取的。

表1 各类优化策略的仿真结果

图6 典型时刻应急资源与故障元件的最优匹配结果

图7 高压配电网与中压配电网的负荷恢复和故障元件抢修进程

结论

本文建立了城市电网灾后应急资源与故障元件间的集中式匹配-分布式调度模型，协同调度了城市电网中各电压等级电网的各类型应急资源，实现了城市电网的全域高效应急恢复。具体结论如下：

1）与现有集中式和滚动式调度策略相比，本文所提方法能够得到类似的优化调度结果，且算法具有较好的收敛性，验证了本文方法的有效性。

2）本文所提方法将应急资源和故障抢修匹配过程独立求解，大幅降低了灾后故障抢修和负荷恢复模型的计算规模，在极端灾害发生后的较短时间内，能够快速高效地制定出较为精确的应急恢复计划。

团队介绍

华北电力大学输配电系统研究所刘文霞教授团队主要研究方向为电力系统优化规划、可靠性与风险评估、脆弱性与韧性等。近五年完成多项国家级课题的研究与示范工程研发工作，在国际国内著名学术刊物发表SCI/EI论文30余篇。

刘文霞

教授，博士生导师，华北电力大学电气与电子工程学院输配电研究所所长，城市能源电力系统韧性研究国家级重大项目技术总师，国际大电网组织C6国家委员，国际供电会议C5国家委员、电力系统可靠性标委会委员、电力资产管理标委会委员，中国电机工程学会高级会员。主持完成“未来城市电力基础设施脆弱性与防御关键技术研究”重大项目4项、多项国家863、科技支撑计划和智能电网重大专项子课题研究工作，发表SCI/EI论文150余篇，授权发明专利30多项，出版著作3部。主要成果“新能源电力系统风险评估及其应用关键技术研究”获教育部科技进步二等奖（排名1），获得其他省部级奖项10项（排名2或3）。主要研究方向为城市能源电力基础设施韧性、新能源电力系统规划与可靠性评估、信息物理社会系统建模与安全评估。

万海洋

华北电力大学博士研究生，研究方向城市电力系统的韧性分析等

本工作成果发表在2024年第23期《电工技术学报》，论文标题为“城市电网灾后应急资源的集中匹配-分布调度策略“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

万海洋, 刘文霞, 石庆鑫, 刘佳怡, 张帅. 城市电网灾后应急资源的集中匹配-分布调度策略[J]. 电工技术学报, 2024, 39(23): 7463-7480. Wan Haiyang, Liu Wenxia, Shi Qingxin, Liu Jiayi, Zhang Shuai. A Post-Disaster Centralized Matching and Decentralized Dispatch Strategy for Emergency Resources in Urban Power Network. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(23): 7463-7480.

阅读全文

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

大赛官方微信

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：dgjsxb@vip.126.com ☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：dianqijishu@126.com ☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》：电话：010-63256823；邮箱：cestems@126.com ☎️ 编务：010-63256994 ☎️ 订阅：010-63256817 ☎️ “电工技术学报”微信号运营编辑：13121222619（微信同号） ☎️ “CES电气”微信号运营编辑：18500877291（微信同号）