智能配电网条件下的网络重构与供电恢复探讨

史常凯，徐斌，孟晓丽，宋晓辉，孙军平

(1.中国电力科学研究院，北京市，100192;2.陕西渭南供电局，渭南市，714000)

0 引言

配电网处于电网末端，担负着分配电能、服务客户的重要任务，并具有点多面广、构成复杂等特点。随着配电网规模不断扩大，网络复杂程度日益加深以及对供电可靠性要求的提高，以及分布式电源等主动性、交互性负荷的发展，配电网逐步向多源复杂的智能配电网［1-2］转变的趋势明显，与之相对应的配电网运行控制技术也面临着新的技术需求。

配电自动化与自愈控制技术是智能配电网运行控制的核心技术，其中的配电网络重构和供电恢复技术作为重要的运行控制手段，是优化控制、恢复控制［3-4］的重要实现方式。本文重点分析在智能配电网条件下网络重构和供电恢复问题面临的若干技术需求，对与之相对应的研究方向或思路进行了探讨，以期为后续研究提供参考。

1 网络重构与供电恢复的定位

配电网络重构(简称“网络重构”)简单来说，就是在满足系统各项约束的条件下(譬如拓扑约束、电气约束和供电指标约束等)，通过闭合/开断网络中的分段、联络开关来改变网络拓扑结构，以实现系统运行方式的改变，从而达到优化某项或多项指标的目的。网络重构主要应用于2个方面:在系统正常运行状态下，配电网络重构作为优化控制的手段，主要是以优化系统运行状态为目的，比如减小网损、消除过载、提高供电质量等;在系统故障情况下，主要是通过分段、联络开关的开、断状态转换，实现非故障停电区域的快速恢复供电［5］。本文所论述的网络重构主要限定在以优化系统运行状态为目标的范围内。

供电恢复问题严格来说属于配电网故障情况下的网络重构范畴，作为恢复控制的重要手段，主要任务是在满足配电网运行约束的前提下，以恢复负荷最大化、开关操作次数最小化、网络运行方式优化等为目标，通过网络重构将尽可能多的断电负荷转移到正常供电区域［6］。

2 网络重构技术需求

2.1 网络重构的优化目标

配电网实际运行中，随着负荷大小、分布以及系统供电能力、电气参数的实时变化，其运行状态也是实时变化的。从理论上讲，不同运行状态应该对应着一个最优的网络结构［7］，在这个网络结构下，可以实现电网运行损耗最小、电能质量最好、负荷分布最均衡等某项目标最优或某几个目标的综合最优。网络重构的优化目标可以有多种选择。

2.1.1 经济运行

现实中配电系统潮流分布在不断变化中，因此以有功功率损耗最小为目标，或者说是以配电网经济运行为目标的最优结构也可能随之发生改变。以经济运行为优化目标的网络重构目标函数可以表示为

式中:N为支路数;Pi、Qi是支路i末端流过的有功功率和无功功率;Vi是支路i末端电压幅值。

2.1.2 负荷均衡分布

负荷均衡分布包括配电系统各馈线间、各变电站间2个层次的概念，是指系统负荷分布与各馈线、变电站的供电能力相匹配，以提高系统设备的运行效率，提高系统供电能力、降低网络损耗和降低过负荷风险等。以负荷均衡分布为优化目标的配电网重构目标函数可以表示为

式中:Eqj、Eqsys分别是馈线负荷平衡系数和系统负荷平衡系数;L为馈线数量;Sj、Sjmax是馈线出口功率、最大容量。上述公式同样适用于变电站间负荷均衡分布的目标。

2.1.3 提高可靠性

影响配电网供电可靠性的众多因素中，配电网的运行方式是十分重要的环节。搜索可以在不改变其他条件情况下系统可靠性最优的网络运行方案，可以有效减少停电频次和时间。以提高可靠性为优化目标的配电网重构目标函数可以表示为式中:M为负荷点数量;Pk是负荷点k的年平均负荷;Ck(R)是负荷点k在系统开关状态组合R下的年停电时间。

2.1.4 多目标优化

网络重构应该是一个多目标协调优化的问题，通过网络重构不仅希望带来经济性方面的改善，也期望可以改善电压质量、提高可靠性等。目前对配电网络重构多目标优化的处理，大多是以经济性目标为主体，通过罚函数的形式将负荷均衡、电压质量等目标进行量化，然后与经济运行目标进行综合，实现在某种程度上的综合优化。

2.2 重点研究方向探讨

网络重构技术在智能配电网条件下，需要着重应对大规模复杂网络、多能源形式接入等带来的挑战。具体来说重点研究需求包括网络重构启动策略、大规模复杂网络的离线/在线网络重构和计算方法选择等网络重构研究固有问题，以及计及分布式电源的网络重构等新问题。

2.2.1 网络重构启动策略

从理论上讲每个时间断面都可能对应1个最优的网络结构，使得系统损耗、负荷点电压水平等优于其他可能的网络结构。但在实际电网运行管理中，不论从网络重构计算能力、设备寿命还是电网运行维护习惯来说，都不可能允许分段、联络开关处于一种开/断状态高频次切换、网络结构不断调整的状态。这样就带来一个需要关注的研究方向，即在何种情况下应该启动网络重构，或者说是网络重构启动策略问题。

(1)综合历史、实时和预测数据的重构方案。

当网络重构作为系统正常运行状态下的优化控制手段时，为避免网络结构的频繁变换和开关的频繁操作，不能仅仅依赖某一时间断面的数据，而是应该综合供需双方的历史、当前和预测数据，以获得某一时间段内(如1个月、1个季度)累积效果最优或较优的方案。

可以通过一定等值计算采用阶梯形曲线来近似替代实际的系统运行状态变化曲线，也可以考虑引入概率模型来模拟未来一段时间内的系统运行状态，结合开关性能、运维习惯等，以确定某给定时间段内的最优或较优重构方案。

(2)设置合理的重构启动阈值。

当网络重构作为系统正常运行状态下的优化控制手段时，结合历史、实时、预测数据确定的重构方案并付诸实施一般可以获得较好的运行效果，但是在实际配电网运行过程中，当预测数据与实际情况有较大出入时，则可能新的网络重构方案相对于现有网络组态的优化效果更为明显，当优化效果超过一定阈值时，就应该启动新一轮的网络重构方案。

当网络重构作为紧急情况下的控制手段时，比如可能危及系统安全性的重载/过载情况，则应该研究设定一定阈值，即在何种情况下需要尽快启动网络重构以消除这种可能性。

2.2.2 离线/在线网络重构和计算方法的选择

网络重构的理想状态是可以实时或基本实时地跟踪系统运行状态，达到系统运行方式的动态优化目的。由于系统规模、网架结构、开关性能、通信信道、仿真计算速度等实际因素的制约，真正实现实时跟踪的动态网络重构十分困难，并且在许多情况下具备实时调整能力的网络重构并无必要，同时也不符合电网实际运行维护习惯。需要说明的是在某些较为紧急场景下，具备一定在线计算和操作能力的网络重构确实是必要的。

(1)离线/在线网络重构适用场景。

配电网正常运行情况下，以减少网络损耗、提高系统经济运行水平，调整系统负荷均衡水平(非超载/重载条件下)，提高系统可靠性等为目标(非故障情况下)的网络重构基本都可以接受离线计算方式。因为正常运行状态下，对网络重构计算的时效性要求不高，更强调的是方案优化问题，并且智能配电网的网络结构复杂、开关组合信息庞大，采用离线计算方式可以得出更为科学的操作方案。

在某些较为紧急场景下，比如某条馈线或变电站重载情况严重并有可能影响系统安全性的情况，这些场景下的网络重构应及时反应并采取相应措施，需要以实时或准实时运行数据为计算决策依据，在线快速得出网络运行调整方案并执行，也就是需要在线计算方式的网络重构。

(2)离线/在线网络重构计算策略的选择。

离线/在线方式的网络重构适用于不同目标场景，对计算时间、精度的要求也不尽相同，因此应该在不同应用条件下采用适宜的网络重构计算策略。

对离线方式而言，对计算速度要求不高，因此可以考虑计算时间较长但可以得到最优(或接近最优)的计算方法，比如一些人工智能方法［8-9］或者多种方法的混合使用;对于在线(准实时)计算而言，则适宜采用可以快速得到较优可行解的计算方法，比如基于规则的启发式方法［10-11］等，或多种方法的混合使用。

2.2.3 含分布式电源的网络重构

分布式电源接入的位置、注入功率以及功率因数的不同，都将对网络重构方案造成影响，例如功率因数由滞后到超前的变化，则分布式电源就从提供无功功率转化到从系统吸收无功功率，网络重构方案将可能随着发生变化;总出力相同的分布式电源集中接入和分散式接入，重构结果也可能不同;随着分布式电源注入有功功率的增加，系统有功损耗降低、节点电压升高，同样也会影响到重构方案。因此应该综合考虑各类因素，尽量得出整体较优结果。

对不含储能装置的风力、光伏发电等不可调度式分布式电源而言，其输出功率由风速、光强等因素决定，随机性较强，导致网络最优结构也可能随时发生改变。为避免频繁的开关操作，目前主流做法是选择给定时间段内某时刻的分布式电源输出功率和峰值负荷状态作为系统代表状态，然后就这一状态下的目标函数最优化提出网络重构的开关操作方案，但这种方法只得出某一时刻的优化方案，往往不是整体较优的结果，因此未来应该在网络重构计算中结合分布式电源出力预测和系统负荷预测，研究在一定时间段内的综合优化方案。

对于可调度式分布式电源［12］而言，因其具有优良的调节性能，其输出功率可根据要求进行控制，为充分发挥其对提高配电网经济运行、电能质量和供电可靠性的作用，则应从系统和分布式电源两个方面出发，也就是要对开关状态和分布式电源注入功率两种控制变量同时进行优化，以达到整体较优结果，这也是未来的一个重要研究方向。

3 供电恢复技术需求

3.1 供电恢复的优化目标

供电恢复的核心目标是在允许的电气、拓扑等约束条件下，通过开关的开、断操作，尽可能多地将非故障停电区域的负荷转供到正常的馈线上，同时考虑到开关操作寿命等，要求开关的操作次数越少越好。故障恢复的主要目标包括以下几点。

(1)负荷恢复最大化。

要求供电恢复决策应尽可能多地恢复非故障停电区域的用户供电，或者是尽可能少地切负荷，这是供电恢复最重要也是最基本的目标。负荷恢复最大化可以是绝对量的最大化，也可以综合考虑负荷重要程度来进行加权处理。以负荷恢复最大为目标的供电恢复目标函数可以表示为

式中:Pk为待恢复供电负荷k的负荷量;yk是恢复状态量，1表示可恢复，0表示不能恢复;R是非故障停电区待恢复负荷的集合。

(2)开关操作最少化。

供电恢复最终是要通过分段、联络开关状态的变化来实现非故障停电区负荷的转供。由于开关寿命与操作次数密切相关，更为重要的是在实际电网中还有很多开关的操作不能实现遥控，这样开关操作数量就与供电恢复所花费的时间密切相关，因此供电恢复决策的一个很重要指标就是要求在恢复负荷得到保证的前提下尽可能减少开关操作数量。开关操作次数最小化的目标函数可以表示为

式中:Ns表示供电恢复过程中所需的开关操作次数。

(3)运行指标优化。

不同的供电恢复方案在执行后，可能对配电网经济运行、负荷均衡等系统优化方面的效果并不一致，因此在满足恢复负荷最大化等基本目标的基础上还要适当考虑对系统运行优化的影响。

经济运行目标可以用转供路径所增加的功率损耗最小来表达，目标函数可以表示为

式中:Ntran表示在某一供电恢复方案中转供路径的数量;d Plj表示非故障停电区转供负荷后沿第j条转供路径所增加的功率损耗。

负荷均衡目标是指恢复方案应尽量将失电区域的负荷按照各个联络馈线的转供能力均匀分配，即转带负荷后各联络馈线的负载率比较均衡，目标函数可以表示为

式中:F、Ftran分别表示在某一供电恢复方案中起到转供作用馈线的集合和数量;Si、Simax分别表示馈线出口功率和最大容量。

(4)多目标优化。

供电恢复也应该是一个多目标优化的问题，但是各目标的优先级不一样，因此在处理具体问题时，可以根据实际情况选择几个指标作为目标函数，采用加权处理或者分级处理的方式，实现计及多目标的综合优化。

3.2 供电恢复的重点研究方向探讨

供电恢复是目前配电自动化中最基本、最重要也是应用最广泛的功能之一，可以有效减小停电范围、停电时间，提高故障处理的业务自动化和决策智能化水平。目前供电恢复研究面临的主要挑战包括配电网结构日益复杂、分布式电源接入、自然灾害应对等问题，因此可以面向实际工程应用的大规模复杂配电网供电恢复、计及分布式电源支持能力的供电恢复以及大面积停电情况下的快速恢复供电都成为需要尽快解决的问题。

3.2.1 大规模复杂配电网的快速供电恢复

未来配电网的结构将会更加复杂，系统规模越来越大，系统面临的不可预测事件将会越来越多，这些问题使得想从全局来考虑、适应各种复杂结构并且可以快速得出较优供电恢复方案的想法越来越难以实现。

近年来关于供电恢复的研究很多，但往往存在2个方面问题:(1)面向实际工程应用的供电恢复方法一般以追求简单实用为主，着眼于快速得出可行方案，这样往往在解决较复杂网络的供电恢复问题上不尽满意;(2)学术研究领域已经开展许多理论性较强的算法研究，但同时存在与实际电网运行、维护、管理情况不尽符合的情况，或者是为得出较优解需要耗费较长时间，难以在实际工程中应用。综合上述，未来供电恢复的研究需要更加注重实用性、先进性相结合，注重与电网实际运行维护情况、设备性能现状等方面的吻合，同时还要适应未来复杂配电网的要求。

可以从以下几个方面重点研究:(1)由于现有各类供电恢复计算方法都有各自优缺点和适用范围，未来实现各类算法的合理结合将是一个趋势，比如启发式搜索和模糊推理相结合，建立故障恢复算法集和模糊专家系统来实现故障信息与算法的匹配等;(2)供电恢复计算过程中有部分计算可以采用离线方式实现，可以考虑离线和在线计算相结合，缩短在线计算时间从而可以快速得出恢复方案;(3)为进一步提高恢复效率，缩短恢复时间，如何采用并行式处理手段，开发出更加全面可靠的综合智能技术也将是重要的研究方向。

3.2.2 含分布式电源的配电网供电恢复

分布式电源类型众多，其数学模型及在电网中承担的任务不尽相同，不能按照常规电网中的电源进行处理，因此含分布式电源的供电恢复问题不能直接套用传统的恢复算法［13］。

含分布式电源的供电恢复问题需要首先考虑充分利用分布式电源对系统的支持作用，即当配电网发生故障时，首先由主保护切除故障，然后利用孤岛划分算法根据故障前的实时数据制定合理的孤岛划分方案，最后执行孤岛划分方案，将配电网转化为孤岛运行方式。孤岛的划分应全面考虑孤岛运行的特点以及电力系统对供电可靠性的要求，既保证孤岛的稳定运行，又尽量使系统的停电损失降到最小。这样就需要结合各类分布式电源系统的运行控制特点，研究科学的孤岛划分方法，可以在故障发生后快速地使配电网过渡到孤岛运行方式，在故障被清除后，再恢复到正常运行状态。

3.2.3 大面积断电情况下快速供电恢复

随着配电网规模的日益扩大和系统内关联性的加强，以及局部地区自然灾害频繁带来的压力，配电网大面积断电的风险持续存在，为减少可能情况对用户、电网的影响，研究大面积停电情况下的快速供电恢复方法就显得十分必要。

对于配电网而言，大面积断电供电恢复主要是指对于发生单座或多座主变电站的多条10 kV母线失压这类影响较大的事故后，研究如何在不造成过负荷的原则下，以甩负荷量最小为基本目标(或通过一定权值处理后的甩负荷量)来最大限度地将受影响的负荷成批快速转移到其他健全电源点上。主要研究方向包括线路最小甩负荷策略生成、连通系最小甩负荷批量负荷转移策略生成、自动生成最佳开关操作顺序等方面。

4 结语

智能配电网条件下，网络重构、供电恢复面临着大规模复杂网络、分布式电源等众多新的挑战，但同时也存在许多有利条件，例如通过大量智能量测设备可以获得更加全面、丰富、可信的电网运行信息，分布式/并行计算技术的发展与应用等。未来网络重构和供电恢复技术必将在提高配电网可靠、高效运行水平以及实现各类分布式清洁电源高效利用等方面发挥越来越重要的作用。

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