主動配電網(wǎng)安全態(tài)勢評估和災害防御策略研究

金鵬 王淏 魏玉璽

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼寧省沈陽市 110003）

1 前言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和配電系統(tǒng)日趨復雜，對配電網(wǎng)的災害預警和防御能力提出了更高的要求。2008年的南方冰災暴露出我國現(xiàn)有災害防御體系仍存在很多缺陷[1]，因此不斷加強我國電網(wǎng)的災害應對能力是非常必要且亟待解決的問題。傳統(tǒng)的災害預警評估體系缺點明顯，主要體現(xiàn)在信息采集范圍有限，不能有效的掌控配電網(wǎng)各種態(tài)勢及變化趨勢，無法實現(xiàn)配電網(wǎng)故障預測的精準性以及風險預警的靈敏度。另外，國內(nèi)外有諸多從電力系統(tǒng)調(diào)度運行角度考慮的電網(wǎng)安全防御體系的研究，主要分為三類，一類是安全防御系統(tǒng)的研究與開發(fā)[2-4]，一類是考慮信息安全的電網(wǎng)防御體系架構(gòu)[5-6]，還有主要的一類是針對大電網(wǎng)的被動防御[7-9]。但目前的研究仍然缺乏決策的自適應協(xié)調(diào)能力[10]，大多方法都是基于預案的匹配方法。諸多文獻提出了安全防御的相關(guān)設想與技術(shù)分析[11-13]，但缺乏具體的防御策略研究。

現(xiàn)階段的防御模式是“根據(jù)典型的場景制定預案，取匹配的預案作為決策”，這種模式顯然無法滿足實時在線決策的要求，其信息利用度非常低，暴露出兩個缺陷：

（1）配電網(wǎng)安全防御策略的自適應協(xié)調(diào)能力差。

（2）缺乏配電網(wǎng)局部與全局的協(xié)調(diào)控制方案，無法保障資源的有效利用和負荷最大限度的保供電。

本文采取多源信息融合技術(shù)，綜合考慮氣象數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)和社會發(fā)展數(shù)據(jù)等構(gòu)建完善的災害應對能力指標體系，利用層次分析-熵權(quán)法建立配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型；同時，本文針對目前主動配電網(wǎng)安全防御策略的不足，結(jié)合防御孤島的自運行能力，提出了一種考慮場景優(yōu)化的主動配電網(wǎng)安全防御協(xié)調(diào)控制策略研究，該方法首先基于配電網(wǎng)事故集的風險評估結(jié)果對電力網(wǎng)絡進行動態(tài)劃分，并根據(jù)電網(wǎng)風險狀態(tài)進行多場景分析及優(yōu)化，確定風險場景集；防御策略的制定考慮了有限資源的約束，以負荷損失量最小為目標函數(shù)，同時，考慮策略轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟性，建立供電設備出力、負荷轉(zhuǎn)移、切負荷三者間的聯(lián)動機制，形成安全孤島、轉(zhuǎn)移并網(wǎng)、緊急孤島三者協(xié)調(diào)配合的配電網(wǎng)主動防御演化策略，從橫向和縱向兩個角度，尋找主動配電網(wǎng)實時風險場景到防御策略的有向演化路徑，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)安全防御策略在局部和全局的協(xié)調(diào)控制，提高防御策略的自適應協(xié)調(diào)優(yōu)化控制能力。為風險事故處理提供科學決策。

2 配電網(wǎng)安全態(tài)勢評估

2.1 多源信息融合技術(shù)

圖1：多角度風險評估指標體系

圖2：災害環(huán)境下配電網(wǎng)的預警過程

多源信息(多傳感器)融合[14]是對多種數(shù)據(jù)進行認知、綜合、判斷的過程，其原理是模擬人類大腦對接收到的多方面多角度信息進行加工處理，然后根據(jù)歷史經(jīng)驗或相關(guān)理論知識對數(shù)據(jù)進行綜合分析，消除因單一信息采集傳輸過程中的誤差導致的誤診斷，從而提高整個傳感器融合系統(tǒng)的準確性和有效性。

2.2 災害應對能力指標體系

災害應對能力評估指標的多維度綜合考慮使得評估結(jié)果更加符合配電網(wǎng)安全性、可靠性和經(jīng)濟性的要求。本文從外部致災指標、電網(wǎng)靜態(tài)指標和電網(wǎng)動態(tài)指標三個角度實現(xiàn)配電網(wǎng)全景信息的量化評估。其中外部致災指標涉及氣象數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括了對自然災害的各項測量指標，方便評估過程中對災害等級的分析，不同程度等級的自然災害對于配電網(wǎng)影響的嚴重程度也是不同的?；跉庀髷?shù)據(jù)，對災害影響范圍進行分析，方便于我們對停電損失進行相應的評預估。采集并將氣象數(shù)據(jù)輸入進配電網(wǎng)災害應對能力綜合評估體系中，有利于我們更加合理和科學的分析自然災害對配電網(wǎng)的影響以及配電網(wǎng)在受到自然災害影響下的災害應對能力情況，使得評估結(jié)果具有較高的準確性。同樣，對于地理數(shù)據(jù)的采集，有利于分析該地區(qū)的氣象災害發(fā)生特點，考慮到不同自然災害的致災因子和災害的作用機理，地理條件的差異與災害對配電網(wǎng)的影響程度有著密切的聯(lián)系，因此通過采集地理條件信息，對研究自然災害對配電網(wǎng)的影響以及配電網(wǎng)的災害應對能力評估同樣有著至關(guān)重要的作用。電網(wǎng)指標除了必要的電網(wǎng)數(shù)據(jù)和設備的數(shù)據(jù)，方便對于評估地區(qū)配電網(wǎng)的相關(guān)設備、運行情況進行分析和處理，還有另外一類的數(shù)據(jù)需要同樣作為綜合評估體系的輸入，即社會發(fā)展數(shù)據(jù)。不同地區(qū)的社會發(fā)展程度不同，導致該地區(qū)的救災和災后恢復能力也不同?？紤]到上述這一影響因素，在考慮評估某地區(qū)配電網(wǎng)的災害應對能力時，需要采集和輸入該地區(qū)的社會發(fā)展情況數(shù)據(jù)，使其更加真實地反映該地區(qū)真實的災害應對能力大小。配電網(wǎng)災害應對能力評估指標體系中的每個指標都從不同角度對配電網(wǎng)的性能進行了量化分析，如圖1 所示。

2.3 配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型

考慮到災害電網(wǎng)風險評估的多面性和復雜性特點，上述所建立的各個分項指標對于系統(tǒng)運行的影響因子都不盡相同，加之系統(tǒng)運行工況的偶然性，單一指標受隨機誤差的影響就會相應大一些，要想對系統(tǒng)整個運行狀態(tài)進行全面的衡量，提高電網(wǎng)安全態(tài)勢預警的靈敏度，還需要將各分項指標進行綜合，建立配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型。

層次分析法是一種解決多目標問題的綜合決策方法，屬于主觀評價方法；熵權(quán)法是基于信息熵原理提出的一種客觀評價指標權(quán)重方法，屬于客觀評價方法。本文結(jié)合各自方法的優(yōu)點提出層次分析-熵權(quán)法評估方法[15]，彌補了單一方法的不足，從而提高風險指標權(quán)重評價結(jié)果的準確性。

對于所有對象的評價指標來說，基于層次分析法和熵權(quán)法的主客觀權(quán)重的偏差理應越小越好。假設由層次分析法和熵權(quán)法得到的各指標權(quán)重分別為ωj，φj，建立最小二乘法優(yōu)化組合權(quán)重模型如下：

2.4 事故場景集的生成與優(yōu)化

配電系統(tǒng)元件眾多，線路數(shù)目巨大，有必要根據(jù)線路事故出現(xiàn)的可能性和不確定性對事故場景進行組合優(yōu)化。本文首先根據(jù)配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型評估外部環(huán)境惡化對配電網(wǎng)線路的影響程度和狀態(tài)水平，得到線路實時風險值并建立初始事故場景集，然后利用場景閾值對初始場景集進行組合優(yōu)化，削減場景個數(shù)，更新場景集。

表1：災害預警等級劃分

表2：冰災環(huán)境下配電網(wǎng)的冰災態(tài)勢評估結(jié)果及排名

表3：兩種防御策略結(jié)果比較

2.4.1 初始場景集生成

任意一條66kV 饋線風險值對應一個場景，設配電系統(tǒng)中有m條饋線，則對應場景集為：

2.4.2 場景閾值

場景閾值可分為風險閾值和距離閾值。線路的場景閾值是評判是否需要生成主動防御演化策略的關(guān)鍵。

（1）風險閾值。風險閾值作為配電網(wǎng)風險評估的重要評價標準，在配電網(wǎng)運行風險異常的判斷和預防方面起到重要的作用。定義線路的風險閾值為：

式中，Vi是第i 條線路的風險閾值；V0是標準閾值，一般取0.55-0.6 之間，該線路權(quán)重越大則V0越大；(1-I)表示線路權(quán)重越大其線路越敏感；該公式表示線路的閾值是線路權(quán)重與線路標準閾值綜合作用的結(jié)果。若Rk>Vk，則表示第k 條線路風險值越限，此時第k 條線路處于風險預警狀態(tài)。

（2）距離閾值。對于配電線路i，j，設事故場景距離為d(i,j)=|Pgi-Pgj|。定義dth為兩線路的距離閾值。

2.4.3 場景組合與優(yōu)化

若兩線路場景距離小于等于距離閾值，即d ≤dth，且兩線路的風險值均大于風險閾值則將兩個線路場景組合。具體做法為：遍歷所有場景Nt0，計算超過風險閾值的場景距離d，并進行事故場景削減，然后更新事故場景集，假設可削減的場景個數(shù)為Ntd，可得新場景個數(shù)為：

根據(jù)配電自動化系統(tǒng)、實時天氣預報等實時監(jiān)測信息，對配電網(wǎng)實時安全態(tài)勢進行評估預測，匹配事故場景集，一旦超過事故場景閾值，則進入主動防御周期，生成主動防御演化策略。

3 主動配電網(wǎng)安全防御技術(shù)

圖3：冰災環(huán)境下遼寧省各城市配電網(wǎng)的安全水平雷達圖

圖4：IEEE33 節(jié)點配電網(wǎng)絡

圖5：負荷轉(zhuǎn)移后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

圖6：采取協(xié)調(diào)策略后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3.1 配電網(wǎng)災害等級劃分與預警流程

風險監(jiān)測和預警發(fā)布是電網(wǎng)災害應急管理的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)災害風險的致險性和影響區(qū)域，將預警級別劃分為五級，分別為I級（非常嚴重狀態(tài)），II 級（嚴重狀態(tài)），III 級（較嚴重狀態(tài)），IV（不正常狀態(tài)），V 級（安全狀態(tài)）。同時，采用不同顏色來標識預警級別，等級劃分如表1 所示。

本文進行配電線路氣象災害預警的思路：首先根據(jù)線路歷史故障事件信息和歷史氣象信息，通過預警模型和判定指標，確定預警閾值，然后在當前的氣象預報條件和當前的線路運行狀態(tài)下，根據(jù)配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型進行線路風險值的實時預測，參考預警閾值的大并確定預警等級，發(fā)布預警信息，同時，根據(jù)預警結(jié)果對比線路實際故障對預警閾值進行校正，如圖2 所示。

3.2 考慮場景優(yōu)化的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)防御策略

本文首先基于配電網(wǎng)安全態(tài)勢評估值生成初始場景集并根據(jù)場景優(yōu)化方法形成新場景集；對于超過閾值的高風險線路啟動防御周期。其次在配電網(wǎng)風險場景優(yōu)化的基礎上，以線路潮流為控制量，在有限資源的約束下，以負荷損失最小為目標函數(shù)，建立供電設備出力、負荷轉(zhuǎn)移、切負荷三者間的聯(lián)動機制，形成主動孤島、負荷轉(zhuǎn)供、緊急孤島三者配合的配電網(wǎng)主動防御演化策略，尋找主動配電網(wǎng)風險場景到防御策略的有向演化路徑，實現(xiàn)主動配電網(wǎng)安全防御演化策略的生成。

本文考慮了供電設備出力、負荷轉(zhuǎn)移、切負荷三者間的聯(lián)動機制，建立策略間的互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)組合模式，以實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的局部自治和全局最優(yōu)的安全防御協(xié)調(diào)控制。隨著主動配電網(wǎng)的高度發(fā)展，配電網(wǎng)中投入的分布式供電設備及可移動供電設備的配備率大大提高。因此，當線路上配備后備電源時，可以采取主動孤島的方式保障部分重要負荷的安全供電；而當線路中無可用后備電源，又需要保供電的重要負荷進行負荷轉(zhuǎn)供分析，即當線路中存在二級及以上重要負荷時，必須保障該類負荷的供電穩(wěn)定性和可靠性，可以操作聯(lián)絡開關(guān)，以聯(lián)絡線盡可能多的轉(zhuǎn)移負荷，并相應增加相鄰線路的發(fā)電機出力，以減少切負荷和電量損失，提高系統(tǒng)安全性，或者可以采用可移動電源進行緊急孤島策略。

3.3 主動防御演化策略的生成求解

橫向上，任意時刻的某高風險線路nk對應生成防御策略n'k，此時必須考慮資源有限的約束條件，以及失負荷最小的目標函數(shù)，以此為原則對防御策略進行適當?shù)闹亟M選擇，尋找最優(yōu)的演化策略；縱向上，災害發(fā)生的整個周期中，所有高風險線路的防御策略必須考慮策略轉(zhuǎn)換過程中的開關(guān)操作次數(shù)以及可移動電源的調(diào)度次數(shù)，以實現(xiàn)短期內(nèi)調(diào)度運行的經(jīng)濟性最優(yōu)。

具體算法如下：

（1）對每個高風險線路按方向進行尋道匹配，該匹配路徑的起點必須為“風險場景”，終點必須為“策略”，記作有向路徑Cij[ni,vj]，每條路徑表示風險場景ni對應的防御策略vj，有向路徑的集合為C，有向路徑Cij[ni,vj]的資源消耗記作ΔZ(Cij)，其負荷損失記作ΔPcut(Cij)；

（2）橫向上，失負荷最小為目標函數(shù)：

以資源有限為約束條件：

（3）縱向上，調(diào)度經(jīng)濟性（開關(guān)次數(shù)與可移動電源調(diào)度次數(shù)總和最小）為目標：

式中：Ms表示場景演化時策略轉(zhuǎn)換的開關(guān)操作次數(shù)；Md表示可移動電源的調(diào)度次數(shù)。

（4）考慮到失負荷量是判斷防御策略經(jīng)濟性的重要指標，因此在對經(jīng)濟性和失負荷量標準化后，采用賦權(quán)值進行整合。標準化可得：

式中：Mtotal表示動作區(qū)域內(nèi)配電系統(tǒng)包含的操作開關(guān)總個數(shù)；Ptotal表示配電區(qū)域內(nèi)采取主動防御策略前的負荷總量。

總目標函數(shù)：

式中：α+β=1，且通常情況下，α<β。

根據(jù)上述算法對主動配電網(wǎng)安全防御演化策略進行優(yōu)化求解，并對防御策略的安全性和可靠性進行校驗?？梢詫崿F(xiàn)冰災的實時監(jiān)控、事故場景的預判、策略的演化尋優(yōu)，降低災害事故對配電網(wǎng)的影響，保障主動配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

4 實例分析

4.1 風險評估算例分析

運用構(gòu)建的災害環(huán)境下配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型，以冰災為例定量評估遼寧省各地區(qū)配電網(wǎng)在覆冰災害中的安全水平的實際情況，運用構(gòu)建的覆冰配電網(wǎng)的全過程安全態(tài)勢評估模型進行實證分析，并從綜合能力、經(jīng)濟水平及災害損失相關(guān)性等方面展開論述，力求更為全面地展現(xiàn)遼寧省配電網(wǎng)冰災應對能力的基本情況和更為全面地展示遼寧省覆冰配電網(wǎng)的安全態(tài)勢評價情況，如表2 所示。

表2 顯示了遼寧省配電網(wǎng)在覆冰情況下的安全態(tài)勢評估結(jié)果的整體情況。觀察發(fā)現(xiàn)：遼寧省各地區(qū)安全態(tài)勢評估結(jié)果差異較大，沈陽、大連、鞍山表現(xiàn)最為優(yōu)異，位列前三甲，其綜合得分依次為2.647、2.581、2.545；其它地區(qū)的綜合得分低于省內(nèi)平均水平（1.669），這說明遼寧省各市的配電網(wǎng)安全水平不一致，其應對自然災害的能力有待提高，在防災減災水平上應均衡發(fā)展，提高整體水平。

從圖3 可以看出，遼寧省沈陽市和大連市配電網(wǎng)應對覆冰災害時的安全水平最強，其綜合能力得分分別為2.188 和2.098，其原因在于沈陽市和大連市預防與應急準備能力和監(jiān)測與預警能力排在前面，其次，依次是鞍山、撫順、本溪、營口、錦州、丹東等?？梢娺|寧省配電網(wǎng)在冰凍災害下安全水平的區(qū)域差異主要是由綜合經(jīng)濟區(qū)間差異造成的，應盡可能縮小各地區(qū)間的電網(wǎng)規(guī)劃差異，提升配電網(wǎng)的整體抗災水平。

4.2 主動防御仿真分析

本文采用如圖4所示的IEEE33節(jié)點的配電網(wǎng)絡系統(tǒng)作為算例。初始狀態(tài)時，聯(lián)絡支路全部打開，分段支路全部閉合。假設節(jié)點6-7處發(fā)生故障，若不采取任何措施，則下游節(jié)點7-17 將全部失去供電。

采取負荷轉(zhuǎn)移策略后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

采取主動孤島與負荷轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)策略后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

分別采取負荷轉(zhuǎn)移策略和本文的主動孤島與負荷轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)策略進行主動防御。假設在節(jié)點13 處配置一定容量的后備電源可供使用。得到兩種防御策略結(jié)果與不采取措施時的比較，如表3 所示。

從表3 中可以看出，僅采用負荷轉(zhuǎn)移的方法能減小一定的失負荷量，而與僅采用負荷轉(zhuǎn)移方法相比，本文方法所得到的目標函數(shù)（包括開關(guān)動作次數(shù)和失負荷量）更低，開關(guān)次數(shù)從4 次降低為2 次，失負荷量顯著減小，說明本文所提方法得到的防御策略較優(yōu)，其防御結(jié)果更加理想。

4 結(jié)論

本文首先利用多源信息融合技術(shù)整合覺察到的數(shù)據(jù)和信息，如歷史數(shù)據(jù)、實時運行、防御資源等，并分析態(tài)勢相關(guān)性，創(chuàng)造性的提出配電網(wǎng)災害應對能力指標體系，并依據(jù)配電網(wǎng)全過程安全態(tài)勢評估模型確定初始風險場景集，然后依據(jù)場景閾值對其進行優(yōu)化更新，然后結(jié)合遼寧省沈陽地區(qū)實際的配電網(wǎng)區(qū)域情況，以冰災氣候為例進行了算例分析，驗證了所提風險評估方法的精確性，為配電網(wǎng)實時預警提供了合理有效的保障，提高了配電網(wǎng)災害防御的及時性和靈活性。另外，提出了一種考慮場景優(yōu)化的配電網(wǎng)主動防御演化策略，充分考慮供電設備出力、負荷轉(zhuǎn)移、切負荷三者間的聯(lián)動機制，建立策略間的互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)組合模式，并利用防御孤島提高風險狀態(tài)下的主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制能力，最大限度的保障負荷供電。該防御策略滿足了配電網(wǎng)主動防御的在線自適應演化需求，兼顧了配電網(wǎng)主動防御的局部自治和全局最優(yōu)的協(xié)調(diào)控制，彌補了目前主動防御策略上的不足，對進一步提升主動配電網(wǎng)的安全防御水平具有重要意義。