劉海泳, 代佰華, 朱洪防, 何海山, 汪穎
(1. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司,山東 濱州 256610;2. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610065)
隨著半導(dǎo)體數(shù)字化等技術(shù)的發(fā)展,新型用電設(shè)備在各行各業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。電壓暫降作為電能質(zhì)量中最突出的問(wèn)題,已經(jīng)成為用電設(shè)備的主要威脅[2]。對(duì)暫降進(jìn)行監(jiān)測(cè),有助于分析其產(chǎn)生原因、評(píng)估其擾動(dòng)水平、為用戶選取最佳接入點(diǎn)或電網(wǎng)改造等提供數(shù)據(jù)支撐[3],因此合理配置暫降監(jiān)測(cè)裝置具有重要的實(shí)際意義[4]。
目前,針對(duì)暫降監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)化配置研究,最主要的模型是基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)可觀測(cè)域(monitor reach area,MRA)法[5—6]。該模型以暫降監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少為目標(biāo),以暫降全網(wǎng)可觀為約束[7],可以使用遺傳[7]、粒子群[8]、整數(shù)線性規(guī)劃[9]等算法求解。然而該模型通常多解且難以確定最優(yōu)解[10],一方面是因?yàn)槿狈π碌膬?yōu)化目標(biāo),導(dǎo)致尋優(yōu)條件不足;另一方面是傳統(tǒng)方法默認(rèn)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)同等重要,配置缺乏針對(duì)性。后續(xù)研究通過(guò)引入新的優(yōu)化目標(biāo)來(lái)確定配置方案的最優(yōu)解,比如:暫降可觀性指數(shù)最大[11]、暫降嚴(yán)重指數(shù)最大[12]、暫降權(quán)重系數(shù)最大[13]、不確定區(qū)域指數(shù)最小[14]、抗擾指數(shù)最大[15]等。這些研究都能唯一確定監(jiān)測(cè)方案,但有的增加了監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目,有的對(duì)暫降敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力還可進(jìn)一步提升[16]。此外,同步相量測(cè)量單元(phasor measurement unit,PMU)能高頻采集電流、電壓信息,在暫降等擾動(dòng)下記錄錄波數(shù)據(jù)[17],理論上可以用于輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降。
基于上述分析,文中認(rèn)為系統(tǒng)中的暫降敏感區(qū)域更重要,并提出一種考慮暫降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)可靠性和PMU布點(diǎn)的暫降監(jiān)測(cè)裝置聯(lián)合優(yōu)化配置模型。首先提出使用Zeroin迭代法提高暫降域計(jì)算的準(zhǔn)確性;然后在暫降域的基礎(chǔ)上定義了風(fēng)險(xiǎn)域矩陣來(lái)細(xì)化系統(tǒng)中不同位置的暫降敏感程度;接著分別以監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少、覆蓋暫降敏感區(qū)域范圍最大為目標(biāo),以暫降全網(wǎng)可觀為約束,引入優(yōu)先因子,簡(jiǎn)化后形成多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化配置模型。在模型中考慮配置PMU用于輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降,減少暫降監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目,同時(shí)提高暫降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)可靠性。由IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真結(jié)果可知,文中方法能唯一獲得滿足配置經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)需求的方案,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障能引起敏感負(fù)荷所處節(jié)點(diǎn)暫降幅值低于整定暫降閾值的區(qū)域,就是節(jié)點(diǎn)在該整定幅值下的暫降域。故障點(diǎn)在系統(tǒng)中某一線路上移動(dòng)時(shí),敏感負(fù)荷所在節(jié)點(diǎn)處的暫降幅值是一個(gè)開(kāi)口向下的單峰函數(shù),并且近似二次函數(shù),可以直接使用線路上0,0.5,1這3個(gè)位置的暫降幅值進(jìn)行二次插值,并與暫降閾值形成方程求解臨界點(diǎn)[18]。為了提高臨界值的計(jì)算準(zhǔn)確性,文獻(xiàn)[19]給出了一種分段二次插值的技巧。求解暫降域的關(guān)鍵過(guò)程如下。
1.1.1 負(fù)荷點(diǎn)殘余電壓計(jì)算
系統(tǒng)中線路發(fā)生短路是導(dǎo)致敏感負(fù)荷節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生暫降的主要原因,因此求解暫降域首先需要獲取不同短路類型下的負(fù)荷點(diǎn)殘余電壓。電力系統(tǒng)短路計(jì)算模型見(jiàn)圖1。其中m為待求敏感節(jié)點(diǎn);i,j為節(jié)點(diǎn);f為故障點(diǎn);p為故障點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)i的歸一化距離。
圖1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算模型
1.1.2 支路判別矩陣計(jì)算
短路計(jì)算完成之后,需要根據(jù)短路計(jì)算結(jié)果形成判別矩陣Bsag和Lsag,分別用于判斷不同節(jié)點(diǎn)和線路在敏感節(jié)點(diǎn)暫降域中的包含情況。首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)m的暫降幅值向量Vsag為:
(1)
ΔVsag=[Δvsag,1… Δvsag,u… Δvsag,n]T=Vsag-Vth
(2)
(3)
若bsag,u=1,則u在暫降域內(nèi);若bsag,u=0,則u在暫降域外。設(shè)線路條數(shù)為v,根據(jù)矩陣Bsag可進(jìn)一步確定線路的參數(shù)矩陣Lsag如下:
(4)
式中:bsag,i,bsag,j為矩陣Bsag的元素,其下標(biāo)i,j分別為其所在行對(duì)應(yīng)線路的兩端節(jié)點(diǎn)編號(hào)。Lsag中元素為0表示對(duì)應(yīng)線路ij不在m暫降域中,后續(xù)無(wú)須計(jì)算;為1表示線路ij中包含1個(gè)臨界點(diǎn);為2表示有2個(gè)臨界點(diǎn)。確定線路臨界點(diǎn)的個(gè)數(shù)之后,可以通過(guò)合適的區(qū)間及端點(diǎn)值擬合暫降幅值,計(jì)算線路中的臨界點(diǎn)[19]。
短路導(dǎo)致的暫降是隨機(jī)的,暫降監(jiān)測(cè)裝置配置的關(guān)鍵就是能否準(zhǔn)確識(shí)別任意短路故障引起的暫降事件。系統(tǒng)的電壓暫降可觀性可以用電壓暫降可觀性矩陣,也稱作MRA矩陣來(lái)反映。設(shè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,線路分段數(shù)為s,則任意短路故障類型下的MRA矩陣Mw可以表示如下:
(5)
其中,w為故障類型,其取值0,1,2,3分別表示三相短路、單相接地短路、兩相短路和兩相接地短路。Mw是二進(jìn)制矩陣,其元素mab,w(a=1,2,…,n;b=1,2,…,s)按照如下規(guī)則進(jìn)行取值:
(6)
式中:vab為線路段b發(fā)生短路時(shí),節(jié)點(diǎn)a處的暫降幅值;vth為Vth中相應(yīng)位置的元素,表示暫降監(jiān)測(cè)裝置整定的暫降閾值。若mab=1,則線路段b發(fā)生短路會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)a處暫降并被該處的監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到;若mab=0,則表示不能被監(jiān)測(cè)。由于Mw中的行代表了對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的暫降監(jiān)測(cè)范圍,所以如果能確定部分節(jié)點(diǎn),并使其監(jiān)測(cè)范圍的并集能覆蓋整個(gè)電力系統(tǒng),則不用在所有節(jié)點(diǎn)配置監(jiān)測(cè)裝置,即可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)暫降可觀。
(7)
步驟1:選取初始值x,y,使得f(x),f(y)的符號(hào)相反,初始值取端點(diǎn)值即可。
步驟2:將x的值賦給z。
步驟3:若f(y),f(x)符號(hào)相同,將z賦值給x。
步驟4:若|f(x)|<|f(y)|,則將y的值賦給z,然后對(duì)調(diào)x,y的值。
步驟5:如果z≠x,利用x,y,z及其函數(shù)值作逆二次插值并賦值給z;如果z=x,則用x,y及其函數(shù)值做割線迭代并賦值給z。
步驟6:如果步驟5中迭代的結(jié)果z∈[x,y],則將z賦值給y,否則取x,y的平均作為z值,并將z賦值給y。
步驟7:重復(fù)步驟3—6,直到f(y)=vth或y-x<ε|y|,其中ε為誤差控制閾值。遍歷系統(tǒng)中的線路,重復(fù)步驟1—7就可以獲取節(jié)點(diǎn)m的暫降域。
設(shè)系統(tǒng)總共n個(gè)節(jié)點(diǎn),配置暫降監(jiān)測(cè)裝置的決策向量可以表示為:
X=[x1x2…xn]
(8)
X是二進(jìn)制向量,其元素按照式(9)取值:
(9)
按照配置原則,以暫降全網(wǎng)可觀構(gòu)造約束條件,即須滿足任意故障所引發(fā)的暫降能夠至少被1臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置記錄這一基本原則,如式(10)所示。
(10)
考慮實(shí)際應(yīng)用中,監(jiān)測(cè)裝置費(fèi)用高昂,配置應(yīng)該以監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目最少為目標(biāo),如式(11)所示。
(11)
上述配置方法默認(rèn)所有節(jié)點(diǎn)同等重要,此外尋優(yōu)條件不足也導(dǎo)致配置方案并不唯一。暫降敏感區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障,對(duì)系統(tǒng)和用戶造成的危害巨大。從提高系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性的角度出發(fā),可以認(rèn)為暫降敏感區(qū)域更為重要,在暫降可觀的基礎(chǔ)上著重提高對(duì)暫降敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)冗余性,有助于在短路導(dǎo)致暫降時(shí)及時(shí)采取相關(guān)治理措施,盡可能降低暫降帶來(lái)的危害,提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,節(jié)點(diǎn)重要性的劃分也避免了配置的盲目性。暫降域能呈現(xiàn)系統(tǒng)中的暫降敏感區(qū)域,但暫降域是針對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言的概念,在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,設(shè)備必然分布于多個(gè)節(jié)點(diǎn)?;诖?,文中提出如式(12)所示的風(fēng)險(xiǎn)域矩陣來(lái)進(jìn)一步刻畫(huà)系統(tǒng)中不同區(qū)域的暫降敏感程度。
(12)
式中:下標(biāo)l為系統(tǒng)線路總數(shù)。當(dāng)矩陣任意元素rcd≠0時(shí),其值為線路d被包含在所有節(jié)點(diǎn)暫降域中的總次數(shù),且只有線路d在節(jié)點(diǎn)c的暫降域中時(shí),rcd才不為0。若rcd>1,則表明線路d處于不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)的暫降域中,且rcd值越大,對(duì)暫降越敏感。式(12)是單一故障類型下的風(fēng)險(xiǎn)域矩陣,為了綜合考慮4種故障類型,須作如下修正:
R=λ1R1+λ2R2+λ3R3+λ4R4
(13)
式中:R1,R2,R3,R4分別為三相短路、單相短路、兩相短路和兩相接地短路時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)域矩陣;λ1,λ2,λ3,λ4分別為4種故障發(fā)生的概率,取值為0.7,0.15,0.1,0.05[21]。以式(11)為一級(jí)目標(biāo),利用式(13)所示的風(fēng)險(xiǎn)域矩陣,以監(jiān)測(cè)裝置覆蓋更廣、更敏感的薄弱環(huán)節(jié)為二級(jí)目標(biāo),如式(14)所示。
(14)
為了便于求解,需要根據(jù)2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的實(shí)際特性進(jìn)行變形。對(duì)式(11)引入優(yōu)先因子α,則可以將2個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(15)。
(15)
為了確定α的值,對(duì)式(14)作靈敏性分析。設(shè)暫降監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目變動(dòng)一個(gè),即:
(16)
則二級(jí)目標(biāo)變化量為:
(17)
因此式(15)的改變量為:
(18)
其中β∈[0,nl],要保證一級(jí)目標(biāo)先于二級(jí)目標(biāo)被滿足,則須滿足α>>β即α>>nl,將二級(jí)目標(biāo)除以nl,則優(yōu)化配置模型可以表示為:
(19)
PMU可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)、暫態(tài)穩(wěn)定分析與預(yù)測(cè)、故障定位、系統(tǒng)保護(hù)等諸多專業(yè)領(lǐng)域,具有十分重要的地位[22],因此國(guó)內(nèi)在統(tǒng)一規(guī)劃部署PMU方面作了大量工作。一方面,PMU能高頻率、高分辨率地對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓向量、流經(jīng)節(jié)點(diǎn)的支路電流采樣[23],完全滿足監(jiān)測(cè)電壓暫降的要求[17];另一方面,電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置同PMU一樣,由于造價(jià)較高,短期內(nèi)難以全面鋪設(shè)。PMU鋪設(shè)必要性高,理論上也能監(jiān)測(cè)電壓暫降,將電網(wǎng)已經(jīng)安裝的PMU裝置用于輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降,可以進(jìn)一步降低暫降監(jiān)測(cè)裝置的安裝成本。
聯(lián)合PMU的電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置的首要目標(biāo)是保證安裝的監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少,其次是提高暫降敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)冗余性。首先使用式(10)、式(11)所示的優(yōu)化配置模型獲取所有能保證暫降全網(wǎng)可觀且監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少的配置方案,然后判斷現(xiàn)有PMU鋪設(shè)節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)在這些配置方案中。如果出現(xiàn),則從包含PMU節(jié)點(diǎn)的配置方案中選出使式(14)最大的一組配置方案。如果沒(méi)有出現(xiàn),表明現(xiàn)有已安裝的PMU用于輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降時(shí),由于暫降可觀的約束將不能減少暫降監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)目。但可通過(guò)改進(jìn)式(19)所示的優(yōu)化模型,并利用PMU輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降得到對(duì)暫降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)冗余性最高的暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置方案,改進(jìn)后的優(yōu)化配置模型如式(20)所示。
(20)
式中:xk為決策向量中的元素,k為安裝了PMU的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。模型構(gòu)建邏輯如圖2所示。
圖2 配置模型構(gòu)建邏輯
為了驗(yàn)證文中方法的可行性和有效性,在IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試,系統(tǒng)由37條線路連接30個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)20號(hào)節(jié)點(diǎn)處暫降閾值為0.841 p.u.,分別用黃金分割法[18]、二分法[19]及Zeroin方法獲取線路l24的臨界點(diǎn),結(jié)果如圖3所示。
圖3 線路臨界點(diǎn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比
圖3中2條虛線分別為黃金分割法和二分法使用二次插值擬合暫降幅值的結(jié)果,虛線與暫降閾值交點(diǎn)向橫軸的投影代表線路中的臨界點(diǎn),圖中實(shí)線為Zeroin方法計(jì)算得到的故障點(diǎn)隨線路移動(dòng)時(shí)的暫降幅值。線路中2個(gè)臨界點(diǎn)的準(zhǔn)確值為0.148 8和0.370 1,使用黃金分割法和二分法得到的解分別為0.213 2,0.493 4和0.305 6,0.376 1,文中使用Zeroin法迭代求解暫降幅值方程,由于沒(méi)有擬合曲線,因此結(jié)果0.148 7,0.370 0與實(shí)際值的誤差小,表明了該方法能夠有效提高暫降域求解的準(zhǔn)確性。
為了說(shuō)明不同方法的計(jì)算效率,以節(jié)點(diǎn)2,4之間線路單相短路故障為例,計(jì)算臨界點(diǎn)。設(shè)定收斂條件為ε=0.000 1,圖4為幾種方法各自達(dá)到設(shè)定閾值所需要的迭代次數(shù),其中的誤差是不同方法迭代值與符合方法自身收斂條件的解的誤差,不是如圖3所示的與真實(shí)值的誤差。此外從圖4中可以看出,在計(jì)算速度上,Zeroin法也有較大優(yōu)勢(shì)。
圖4 不同方法迭代次數(shù)與誤差的關(guān)系
首先求解式(10)、式(11)所示的傳統(tǒng)配置模型,得到實(shí)現(xiàn)0.9 p.u.暫降全網(wǎng)可觀的配置方案,如表1所示。在暫降全網(wǎng)可觀的約束下,僅滿足監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少這一目標(biāo)的方案并不唯一。為了利用文中所提多目標(biāo)優(yōu)化模型并獲得最優(yōu)配置方案,首先獲取系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的暫降域,然后統(tǒng)計(jì)線路出現(xiàn)在不同節(jié)點(diǎn)暫降域中的總次數(shù),次數(shù)越高說(shuō)明該線路越需要被重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。此外,不同暫降域中線路包含情況見(jiàn)表3。
表1 傳統(tǒng)方法得到的配置方案
表2 線路在不同暫降域中出現(xiàn)的總次數(shù)
基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果,利用式(12)形成風(fēng)險(xiǎn)域矩陣,進(jìn)而利用式(19)所示的多目標(biāo)優(yōu)化模型解得最優(yōu)方案為:在節(jié)點(diǎn)7,30各配置1臺(tái)暫降監(jiān)測(cè)裝置。最后從傳統(tǒng)方法解得的配置方案中隨機(jī)選取1組方案,如5,26與文中方法所得方案7,30進(jìn)行對(duì)比?;诒?和表3,統(tǒng)計(jì)得2種監(jiān)測(cè)方案被監(jiān)測(cè)裝置覆蓋的線路出現(xiàn)在系統(tǒng)各個(gè)暫降域內(nèi)的總次數(shù)分別為573次和804次,說(shuō)明文中方法能更多地監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)中對(duì)暫降敏感的線路。為了直觀呈現(xiàn)出2種監(jiān)測(cè)方案對(duì)暫降敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)冗余性, 通過(guò)暫降域計(jì)算結(jié)果繪制2種方案監(jiān)測(cè)范圍,如圖5所示。
表3 不同暫降域中線路分布情況
圖5只列舉了單相短路故障時(shí)的情形,其余故障下結(jié)果類似。由圖5可得,2種監(jiān)測(cè)方案中不同監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)范圍的并集均能覆蓋整個(gè)系統(tǒng),表明2種方案均能實(shí)現(xiàn)暫降的全網(wǎng)可觀,但從對(duì)敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力來(lái)看,由于傳統(tǒng)方案中2個(gè)監(jiān)測(cè)裝置
圖5 2種方案監(jiān)測(cè)范圍對(duì)比示意
共同覆蓋的敏感區(qū)域范圍更小,當(dāng)單一監(jiān)測(cè)裝置故障時(shí),剩余監(jiān)測(cè)裝置對(duì)敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力與文中方案相比不足,表明文中方法能提高對(duì)暫降風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域的監(jiān)測(cè)可靠性。
假設(shè)9號(hào)節(jié)點(diǎn)安裝了PMU,由于表1所示的方案中不含該節(jié)點(diǎn),因此暫降監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目仍為2臺(tái)。求解式(20)所示優(yōu)化配置模型,得到監(jiān)測(cè)裝置鋪設(shè)節(jié)點(diǎn)為7,30號(hào)。此時(shí)9號(hào)節(jié)點(diǎn)處的PMU輔助監(jiān)測(cè)暫降聯(lián)合監(jiān)測(cè)下的監(jiān)測(cè)范圍如圖6所示。
圖6 PMU輔助監(jiān)測(cè)暫降時(shí)的監(jiān)測(cè)范圍
PMU輔助監(jiān)測(cè)電壓暫降時(shí)監(jiān)測(cè)裝置能覆蓋的線路出現(xiàn)在系統(tǒng)不同暫降域中的總次數(shù)為1 188次,該方案對(duì)暫降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)可靠性有進(jìn)一步提高但并未增加暫降監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)目。
文中基于暫降域的概念構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)域矩陣,刻畫(huà)出不同線路故障產(chǎn)生暫降對(duì)系統(tǒng)造成的危害程度,從而為不同區(qū)域劃分重要性等級(jí)。這一劃分原則也契合電力系統(tǒng)運(yùn)行要保證安全可靠?jī)?yōu)質(zhì)供電的基本要求,避免了傳統(tǒng)方法在暫降監(jiān)測(cè)裝置的安裝過(guò)程中認(rèn)為所有節(jié)點(diǎn)同等重要導(dǎo)致的配置盲目性。求解系統(tǒng)暫降域時(shí),利用Zeroin迭代將二分法的穩(wěn)定性和拋物線法、割線法的快速收斂性相結(jié)合的優(yōu)勢(shì),提高了求解速度,與擬合方法相比準(zhǔn)確性有大幅提高。文中提出一種以提高暫降敏感區(qū)域監(jiān)測(cè)冗余性為目標(biāo)的滿足暫降可觀性和配置經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化模型,解決了傳統(tǒng)優(yōu)化配置模型因多解難以唯一確定符合工程需求的方案這一問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上提出將PMU與暫降監(jiān)測(cè)裝置聯(lián)合優(yōu)化配置,盡可能保證暫降監(jiān)測(cè)裝置數(shù)目最少,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的暫降敏感區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力最大。