超大型城市復雜配電網(wǎng)高效重構(gòu)自愈控制方法

超大型城市復雜配電網(wǎng)高效重構(gòu)自愈控制方法高紅均副教授/博士生導師2024年12月研究背景口國家雙碳戰(zhàn)略低碳綠色要求◆根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2023年上半年我國光伏新增裝機7842.3萬千瓦，其中，分布式新增裝機新能源出力波動性新能源出力波動性負荷需求的不確定性大量電力電子設(shè)備接入配電網(wǎng)電氣化負荷高碳排城市配電網(wǎng)的低碳化運行成為要求要求√持續(xù)、穩(wěn)定供電能力要求√故障預測與預防的能力√快速定位的故障恢復能力我國2022年度：>用戶平均供電可靠率為99.869%開關(guān)倒閘轉(zhuǎn)供開關(guān)倒閘轉(zhuǎn)供供需求配不均優(yōu)點城市電網(wǎng)保供問題日益凸顯，尤其是在迎峰度夏/度冬負荷高峰期供電能力面臨嚴峻挑戰(zhàn)。研究背景作為配電網(wǎng)運行管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，動態(tài)重構(gòu)通過對分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的組合狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，能夠改善調(diào)度周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)潮流分布，在促進清潔能源消納和提高用戶供電可靠性方面具有關(guān)鍵地位。多省面臨“能耗雙控”壓力，高耗能企業(yè)拉閘限電常態(tài)化口提高電網(wǎng)供電能力經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定恢復全社會用電量持續(xù)增長時空靈活性需求口提高清潔能源消納凈負荷時空分布不均衡，棄光現(xiàn)象嚴重口大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移口全局動態(tài)重構(gòu)模型求解困難口數(shù)據(jù)通信壓力和計算能耗過大優(yōu)先局部自治滯后全局協(xié)調(diào)能源供給清潔化低碳化新能源逐漸成為裝機和電量主體口遠程自動控制開關(guān)口改善潮流分布口實現(xiàn)靈活運行有效途徑挑戰(zhàn)>研究背景口超大型城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜特大型城市負荷高速增長與“雙高”的接入，導致城市配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)模愈發(fā)巨大。目前，廣州城市配電網(wǎng)具有8000多條10kV饋線，以及數(shù)以萬計的聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)，由于城市配電網(wǎng)本身具備多個電壓等級，且大量開關(guān)的投入導致配電網(wǎng)存在廣泛的弱耦合關(guān)系，從而使得特大型城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)非常復雜，難以進行優(yōu)化分析計算。●提高城市配電網(wǎng)可靠性最常用且高效的調(diào)控手段為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)(開關(guān)重構(gòu));●我國城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在明顯的復雜特性：饋線繁多，且互聯(lián)關(guān)系復雜；●大規(guī)?；ヂ?lián)饋線交織在一起，開關(guān)數(shù)量大，重構(gòu)運行決策為大規(guī)模組合優(yōu)化問題，很難滿足實際調(diào)控的秒級決策時間要求；●復雜的聯(lián)絡(luò)關(guān)系不利于簡明高效的調(diào)控應用需求城市復雜配電網(wǎng)示意圖Q@注：僅為示意圖，未標注分段開關(guān)口聯(lián)絡(luò)開關(guān)變壓器3變壓器48變壓器1變壓器5變壓器6變壓器2變壓器8變壓器7>研究背景介組間協(xié)同分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)介組間協(xié)同●提出了“饋線組”思想，大大降低了原大規(guī)模配電網(wǎng)耦合重構(gòu)問題的求解難度，提高了實際配電網(wǎng)運行調(diào)控效率?！褚?先組內(nèi)自治、后展重構(gòu)調(diào)控高效決策●故障后非故障區(qū)段負荷恢復、迎峰度夏/度冬期負荷轉(zhuǎn)供；●達到“故障快復電、高峰少停電"目標。組內(nèi)自治組間協(xié)同拿口聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)供能力不一組內(nèi)自治企組間協(xié)同企組間協(xié)同組間協(xié)同組間協(xié)同組間協(xié)同組間協(xié)同高效重構(gòu)①饋線聚類分組②組內(nèi)自治優(yōu)化③組間協(xié)同互濟分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)>多類型聯(lián)絡(luò)開關(guān)多級重構(gòu)模式通過調(diào)節(jié)饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)、變壓器聯(lián)絡(luò)開關(guān)、變電站聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)組合，可以分別實現(xiàn)同；一變壓器供電、不同變壓器供電和不同變電站供電的兩條饋線之間的凈負荷轉(zhuǎn)移，即“饋線-變壓器-變電i站”三個層級的潮流轉(zhuǎn)移。饋線潮流轉(zhuǎn)移饋線潮流轉(zhuǎn)移Switchon(solids變壓器潮流轉(zhuǎn)移變壓器潮流轉(zhuǎn)移IS1.口Swichon(wldsuire)Switch變電站潮流轉(zhuǎn)移變電站潮流轉(zhuǎn)移√配電網(wǎng)自然分層特性：饋線層、變壓器層、變電站層分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)建立分層自治、逐級遞進(變壓器內(nèi)饋線間-站內(nèi)饋線間-站間)的多層級平衡機制(如圖所示)變壓器級平衡運行配電網(wǎng)重構(gòu)級別包括三類：饋線級、變壓器級、變電站級j!,不同級別的聯(lián)絡(luò)開關(guān)(潮流轉(zhuǎn)移)參與類別不同。饋線級i、變壓器級、變電站級重構(gòu)的潮流分布調(diào)節(jié)范圍逐漸擴大!,重構(gòu)區(qū)域由單一變壓器到單一變電站再到多變電站，實現(xiàn)了由局部自治到大范圍協(xié)調(diào)的多層級平衡運行。分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)復雜配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度量化-正常運行態(tài)轉(zhuǎn)供能力E歲=>分段開關(guān)普遍貢獻度較低>重構(gòu)操作離不開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，普遍貢獻度較高口對開關(guān)的貢獻度量化值進行排序，分界為50%:>如果開關(guān)的貢獻度量化值排名高于50%,則認定為重要開關(guān)>如果開關(guān)的貢獻度量化值排名低于50%,則認定為非>非重要的分段開關(guān)恒定閉合，非重要的聯(lián)絡(luò)開關(guān)恒定打開>將重要開關(guān)的動作組合作為模型的決策對象分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)>復雜配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度量化-故障恢復態(tài)轉(zhuǎn)供能力●聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度綜合量化方法聯(lián)絡(luò)開關(guān)負荷恢復能力計算電源節(jié)點v?—聯(lián)絡(luò)開關(guān)d對應的獨立負荷塊(負荷恢復能力)Ldd=L-L∩(E假定有c個電源節(jié)點s,…Sc,對于第d條聯(lián)絡(luò)開關(guān)kl(lk),其綜合負荷恢復能力為：LR?=max(L-,2-…,)+負荷鏈先后經(jīng)過“s-1-k”的聯(lián)絡(luò)開關(guān)l側(cè)的所有獨立負荷塊集合K側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)可替代關(guān)系分析分析聯(lián)絡(luò)開關(guān)d(kD)兩側(cè)的負荷鏈路徑可替代關(guān)系聯(lián)絡(luò)開關(guān)d可被其余聯(lián)絡(luò)開關(guān)完全替代的充分必要條件：兩側(cè)負荷鏈路均被完全包含聯(lián)絡(luò)開關(guān)d綜合重要度IMP?=σ·LR?,σ=0/1聯(lián)絡(luò)開關(guān)d可被其余聯(lián)絡(luò)開關(guān)完全替代聯(lián)絡(luò)開關(guān)d不可被其余聯(lián)絡(luò)開關(guān)完全替代LR?聯(lián)絡(luò)開關(guān)d綜合負荷恢復能力IMP?=0冗余開關(guān)，可被完全替代非關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)開關(guān)，IMP≠0IMP≠0A關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)開關(guān)，不可被完全替代分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)>復雜配電網(wǎng)聚類分組●考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度的饋線分組方法F4F4F7。7第一階段后，進一步針對饋線條數(shù)≥4的饋線組展開二次分組：基于開關(guān)重要度的饋線啟發(fā)式聚類分組基于開關(guān)重要度的饋線啟發(fā)式聚類分組對于負荷恢復重要度較離的聯(lián)絡(luò)開關(guān)應當被優(yōu)先保留(即作為連接組內(nèi)饋線的邊),而低重要度開關(guān)應當被優(yōu)先刪去(即作為組間聯(lián)絡(luò)邊)兩階段饋線分組方法流程(無需多輪迭代)s1.構(gòu)建階段1所得的饋線組為廣義圖模型G(V,E,W),V為饋線集合，E為聯(lián)絡(luò)開關(guān)集合，W為聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度。復雜配電網(wǎng)s2.將組內(nèi)聯(lián)絡(luò)開關(guān)e按照重要度從高到底排序，形成復雜配電網(wǎng)初步饋線組集合(存在較多回數(shù)≥4的饋線組)最終饋線組集合(僅有極少回數(shù)≥4的饋線組)下步驟：s3.b.若(v;,v)在同一個聚類中，則跳過當前聯(lián)絡(luò)開關(guān)(1)若(v.v)均木被分配到任意一個聚類，則創(chuàng)建新的饋線聚類(v,D)并加入到C中，即：(2)若(v,v)中的一條饋線屬于某個聚類而另一條饋線不屬于任何聚類，如C?≠0.G≠0,且饋線組C?內(nèi)少于4條饋線，則將饋線v,加入C:(3)若(v,v,)的兩條饋線屬于不同的聚類饋線組C?≠C個饋線組.s4.將剩余零散饋線劃入就近的饋線組中，并輸出各饋線組的最終結(jié)果第一輪優(yōu)化，三類聯(lián)絡(luò)即冗余聯(lián)絡(luò)缺省，不會導致可靠性的降低；第二輪優(yōu)化，二類聯(lián)絡(luò)即非關(guān)鍵聯(lián)絡(luò)缺省，在特定位置發(fā)生故障可能會導致可靠性降低的情況。否否是是Q否獨立負荷塊聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度分析判斷流程聯(lián)絡(luò)開關(guān)重要度分析判斷流程是查影響用戶數(shù)<15戶是否(回推迭代》分段開關(guān)饋線F4聯(lián)絡(luò)開關(guān)TS4所覆蓋的負荷區(qū)塊。獨立負荷塊的大小，反應在特定區(qū)分層分布式協(xié)同重構(gòu)運行架構(gòu)(一)聯(lián)絡(luò)開關(guān)分類情況4278個(占比72%),二類聯(lián)絡(luò)(非關(guān)鍵聯(lián)絡(luò))917個(占比15%),三類聯(lián)絡(luò)(冗余聯(lián)絡(luò))776個(占比13%)。三類聯(lián)絡(luò)(冗余聯(lián)絡(luò))分布情況：主要分布在越秀159個(占比全局20%)、白云125個(占比全局16%)、天河97個(占比全局13%)。二類聯(lián)絡(luò)(非關(guān)鍵聯(lián)絡(luò))分布情況：主要分布在白云191個(占比全局21%)、越秀136個(占比全局15%)、各區(qū)局聯(lián)絡(luò)分布占比情況各區(qū)局聯(lián)絡(luò)分布占比情況番禺91個(占比全局10%)。各區(qū)局三類聯(lián)絡(luò)開關(guān)分布情況077配電網(wǎng)大規(guī)模饋線聚類分組(二)饋線組劃分情況郊區(qū)局■優(yōu)化郊區(qū)局■優(yōu)化前■第一輪■第二輪越秀荔海海珠天河黃埔白云■優(yōu)化前■第一輪■第二輪39.93湖傳統(tǒng)集中式優(yōu)化口分層分布式運行sSTISST2s6T1s6T2s7TIS7T2>研究背景人SiTIsin2V暗。智能光伏樓宇110kV變電站110kV變電站充放電站智慧園區(qū))職責職責職責不平衡工況下的全局協(xié)調(diào)變電站內(nèi)部資源自治響應參與邊緣側(cè)柔性互動響應實現(xiàn)與邊緣側(cè)的互動協(xié)同重過載自愈運行方式主動控制四川大學云計算數(shù)據(jù)中心變電站轉(zhuǎn)移變壓器轉(zhuǎn)移D云計算數(shù)據(jù)中心變電站轉(zhuǎn)移變壓器轉(zhuǎn)移D邊——云能量流饋線轉(zhuǎn)移1)重構(gòu)級別2)開關(guān)變量決策結(jié)果1)重構(gòu)級別2)開關(guān)變量決策結(jié)果通信鏈路邊緣節(jié)點1邊緣節(jié)點2邊緣節(jié)點3snsn局部信息云端完成重構(gòu)級別識別，將多級重構(gòu)級別需求轉(zhuǎn)化為集中控制命令√分段饋線級重構(gòu)、變壓器級重構(gòu)由對應站點邊緣計算控制平臺執(zhí)行，開關(guān)動作方案轉(zhuǎn)化為控制命令對開關(guān)進行遠程控制。重過載自愈運行方式主動控制云邊協(xié)同運行控制技術(shù) 個個個◆重構(gòu)級別識別：考慮多變電站的強耦合關(guān)系 個個個◆重構(gòu)級別識別：考慮多變電站的強耦合關(guān)系,級別識別需同時計及系統(tǒng)內(nèi)各層級凈負荷轉(zhuǎn)移需求，表現(xiàn)為集中式優(yōu)化◆分段多級重構(gòu)：基于重構(gòu)級別識別結(jié)果，全網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個子網(wǎng)絡(luò)，可單獨進行分段重構(gòu)方案制定，表現(xiàn)為分布式優(yōu)化重構(gòu)級別識別分段多級動態(tài)重構(gòu)●決策變量：變電站、變壓器各時段重構(gòu)級別需求分段重構(gòu)級別p3"=max(β,Vrec),VjeB集中式優(yōu)化失負荷、開關(guān)動作成本饋線級重構(gòu)!隸屬變電站的!!變電站及關(guān)聯(lián)!變電站級重構(gòu)_變電站∈B分布式優(yōu)化>在各變電站設(shè)置邊緣節(jié)點，完成具體重構(gòu)方案計算,可以有效減小云端的集中計算能耗基于云邊協(xié)同的多級重構(gòu)，其集中-分布式聯(lián)合控制計算體系能夠適應配電網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展及分布式能源高比例集成重過載自愈運行方式主動控制重構(gòu)級別快速識別00育光(應構(gòu))p.T1)7012345678910111213141516(SD562失負荷/MW失負荷/MW345670123456789101112131415161718192021p(sI)β(s2)P,c2聚聚sm8585眼as)0分段多級重構(gòu)級別嘴ADe[22551別偏好低層級重構(gòu)下的“饋線-變壓器-變電站”多級重構(gòu)需求。重過載自愈運行方式主動控制兩階段優(yōu)化運行策略通過第一階段分段多級重構(gòu)兩階段優(yōu)化運行策略通過第一階段分段多級重構(gòu)和第二階段CL協(xié)調(diào)優(yōu)化能夠顯著減小棄光、失負P/MW求解時間P/MW求解時間全局動態(tài)重構(gòu)全局動態(tài)重構(gòu)集中式分段多級重構(gòu)CL場景1□CL場最2—場景2失負荷(有CL)一場錄1棄光(無CL)—場景2失負荷(無CL)00123456789101112131415161718192021分層自治重構(gòu)運行相比采用Cplex或二進制粒子群算法求解的全局動態(tài)重構(gòu)分層自治重構(gòu)運行相比采用Cplex或二進制粒子群算法求解的全局動態(tài)重構(gòu)模型，提出的云邊協(xié)同運行控制方法基于集中-分布式聯(lián)合優(yōu)化框架，在配網(wǎng)各層建立邊緣計算組服務分段多級重構(gòu)策略，能夠顯著降低求解難度、大幅度縮短重構(gòu)求解時間，實現(xiàn)了配電網(wǎng)分層自治運行。C時間/s調(diào)節(jié)次數(shù)開關(guān)成本/$成本/S棄光成本/$45678重過載自愈運行方式主動控制>配電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模：滿足三級>配電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模：滿足三級重構(gòu)模式且變電站數(shù)量≥3的配電網(wǎng)AbatchofdataD高效結(jié)合●集中訓高效結(jié)合●集中訓練：價值網(wǎng)絡(luò)部署于調(diào)度中心處，相鄰智能體之間的信息共享●分散執(zhí)行：策略網(wǎng)絡(luò)部署于相應變電站處，訓練完畢后獨立執(zhí)行動作vn長時間尺度：第一階段為長時間尺度有功優(yōu)化確定第二階段最佳拓撲為短時間尺度有功-無功口第一階段智能體執(zhí)行離散算法口為實現(xiàn)兩階段優(yōu)化的耦合，智能體獎勵函數(shù)的有功部分接收第二階段的反饋口第二階段智能體執(zhí)行連續(xù)動作任務，選用MASAC算法口為實現(xiàn)兩階段優(yōu)化的耦合，變電站1變電站1低計算成本全局決策能力低時延云耗時的訓練過程小批量數(shù)據(jù)策略梯度經(jīng)驗池回放小批量數(shù)據(jù)策略梯度更新更新數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)高延時集中式執(zhí)行動作局部觀測動作變電站2①①1ee1ex>研究背景故障自愈分布式高效復電控制針對傳統(tǒng)集中式自愈在處理故障的速度和效率方面面臨著日益嚴重的性能瓶頸，通過1-Relief特征篩選算法對故障數(shù)據(jù)特征庫進行降維，訓練生成基于機器學習的配電網(wǎng)故障智能研判專家知識庫；通過動態(tài)降維建模技術(shù)對饋線組進行簡化，基于供電恢復量、網(wǎng)損、切負荷量和開關(guān)動作次數(shù)等作為目標函數(shù)，構(gòu)建起基于深度學習的配電網(wǎng)負荷最優(yōu)自愈恢復路徑規(guī)則庫模型；基于云平臺分布式計算技術(shù)，高效賦能于基于機器學習的配電網(wǎng)故障智能研判和負荷最優(yōu)自愈恢復技術(shù)，實現(xiàn)對故障處理效率的基于I-Relief算法的特征篩選方法基于I-Relief算法的特征篩選方法數(shù)據(jù)據(jù)集①◎編山(D輸山層階地貝dd故障自愈分布式高效復電控制目標函數(shù)目標函數(shù)口分析饋線之間的拓撲連接關(guān)系，突破配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)關(guān)系復雜困境。口將配網(wǎng)拆分為若干個互不相連的子網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模動態(tài)降維處理。動態(tài)降維并行計算云平臺支撐測息06式項口將饋線組分配至多個自愈容器中，進行自愈任務集群化動態(tài)井行部署和調(diào)度。口應用云平臺分布式井行處理，提升配電網(wǎng)負荷最優(yōu)自愈恢復效率。節(jié)點電壓支路電流有功功率無功功率系統(tǒng)頻率A故障自愈分布式高效復電控制>基于事件化專家?guī)旄呷蒎e匹配關(guān)聯(lián)的故障智能研判方法問題，提出基于健全信息的配電網(wǎng)故障事件化仿真模擬技術(shù)，配電網(wǎng)故障信息校驗方法，以驗證信息的完整性。構(gòu)建適應非完備方法，引入了故障關(guān)鍵特征信息驅(qū)動與特征-故障關(guān)聯(lián)挖掘為基礎(chǔ)的模糊集理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，從而實現(xiàn)非健全信息環(huán)境下配電網(wǎng)故障準確研判。配電網(wǎng)故障特征分析與多源信息處理方法配電網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)配電網(wǎng)多源故障信息配電網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)配變失電開關(guān)動作配變失電開關(guān)動作斷路器動作單饋線多饋線ee巧_futn.白n白四口分經(jīng)開關(guān)分經(jīng)開關(guān)配電網(wǎng)故障信息節(jié)點網(wǎng)絡(luò)配變合并節(jié)點開關(guān)/斷路器節(jié)點故障指示器節(jié)點不同故障類型信息配電網(wǎng)故障信息節(jié)點網(wǎng)絡(luò)配變合并節(jié)點開關(guān)/斷路器節(jié)點故障指示器節(jié)點亞電省節(jié)點亞電省節(jié)點配變臺升節(jié)點開失/晰點申的灘編示器節(jié)點數(shù)據(jù)預處理電網(wǎng)路徑搜索算法電網(wǎng)路徑搜索算法元件編號下游元件元件狀態(tài)信息1021211區(qū)段故障事件信息3故障發(fā)生在區(qū)段3,該區(qū)段位丁10kV牛碳線03#桿與桿之間5故障發(fā)生在區(qū)段5,該區(qū)段位于10kV牛碳線11#什與什之間集生成相似度函數(shù)相似度函數(shù)"下配電模糊集i故障自愈分布式高效復電控制故障事件預學習與數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)故障事件預學習與數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)各種歷史故障事件數(shù)據(jù)集故障事件預測模型建立提取1細