基于改造措施的智能配電系統(tǒng)優(yōu)化模型分析

高 騫，楊俊義，洪 宇,孫小磊，朱前進(jìn)

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000； 2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 連云港分公司，江蘇 連云港 222000； 3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司，江蘇 南京 210000； 4.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

當(dāng)前，配電網(wǎng)建設(shè)改造的投資數(shù)額較大，為了保證投資效益的最大化，研究改造措施，精確投資技術(shù)非常重要。在配電網(wǎng)中，投資對(duì)象除了需要進(jìn)行傳統(tǒng)線路改造以及變電站設(shè)備的升級(jí)改造之外，還需要進(jìn)行儲(chǔ)能裝置、配電自動(dòng)化等元素的改造。因此，如何精確的評(píng)估測(cè)算不同改造措施，如何進(jìn)行投資成效是當(dāng)前需要解決的重要問題。在面對(duì)改造措施時(shí)，存在的主要問題是與網(wǎng)絡(luò)安全約束的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型。嘗試通過改造措施與配電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)進(jìn)行投資規(guī)劃模型的建立，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)投資改造方案的合理性。本文基于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，將其作為約束條件進(jìn)行投資規(guī)劃，建立基于關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型。

1 智能電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于放松管制電力市場(chǎng)格局下，對(duì)智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)方法，建立不同層次的綜合評(píng)價(jià)體系，并在此基礎(chǔ)之上提出一種關(guān)于協(xié)同群決策的綜合評(píng)價(jià)模型，通過算例分析仿真驗(yàn)證綜合評(píng)價(jià)方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性與可靠性。隨著市場(chǎng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，配電系統(tǒng)的規(guī)劃決策模式發(fā)生改變，由傳統(tǒng)垂直的一體化管理轉(zhuǎn)為多邊參與，在市場(chǎng)化條件的驅(qū)使下，得到智能配電網(wǎng)各個(gè)參與主體的需求劃分；智能配電網(wǎng)規(guī)劃的參與主體及需求如表1所示。在復(fù)雜的電力市場(chǎng)環(huán)境下，不同主體進(jìn)行智能電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)所產(chǎn)生的權(quán)責(zé)范圍會(huì)發(fā)生沖突，雖然不同主體存在相同的利益關(guān)注，但在同一種需求狀態(tài)下，不同主體之間的各自評(píng)價(jià)分類卻大相徑庭。

表1 智能配電網(wǎng)規(guī)劃的參與主體及需求Tab.1 Participants and demands of intelligent distribution network planning

2 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)改造措施與可靠性分析

要想提升電網(wǎng)的性能需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行改造，以可靠性作為改造性能指標(biāo)；表2為配電網(wǎng)的改造措施。

表2 配電網(wǎng)的改造措施Tab.2 Transformation measures of distribution network

在進(jìn)行改造時(shí)，可以通過改造指標(biāo)推測(cè)出改造的措施對(duì)可靠性帶來的影響，改造措施與可靠性之間存在著密切聯(lián)系，可以通過挖掘相關(guān)規(guī)則的形式獲取可靠性指標(biāo)，進(jìn)而得到具體的改造措施。

3 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)改造措施與可靠性分析

要想提升電網(wǎng)的性能需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行改造，以可靠性作為改造性能指標(biāo)，表2給出了關(guān)于配電網(wǎng)的具體改造措施。在進(jìn)行改造時(shí)，可以通過改造指標(biāo)推測(cè)出改造的措施對(duì)可靠性帶來的影響，因?yàn)楦脑齑胧┡c可靠性之間存在著密切聯(lián)系，可以通過挖掘相關(guān)規(guī)則的形式獲取可靠性指標(biāo)，進(jìn)而得到具體的改造措施。

可靠性作為衡量電力系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)，需要不斷向電力用戶供應(yīng)電力。為了更好地反映出在改造措施下配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，通過收集用戶一年之中的平均停電時(shí)間、供電量以及供電可考慮等衡量電網(wǎng)可靠性。根據(jù)停電時(shí)間的不同，當(dāng)停電后，可將用戶區(qū)分為上游區(qū)段、下游區(qū)段能通以及下游區(qū)段不能同等3種類型，則可靠性指標(biāo)的估算公式：

(1)

式中：ID、IE、IR表示指標(biāo)值；λF表示饋線故障率；PL表示饋線負(fù)荷總量；β1-β3表示停電用戶的分布情況。

當(dāng)前的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型容易受到網(wǎng)絡(luò)安全的約束，改造措施與可靠性指標(biāo)之間的關(guān)系需要通過外嵌的評(píng)估程度迭代實(shí)現(xiàn)，無法直接通過公式獲取。在網(wǎng)絡(luò)安全的約束下，進(jìn)行電網(wǎng)投資計(jì)劃模型設(shè)計(jì)，不僅可達(dá)到非線性模型效果，還可以得到不凸起的模型，利用智能優(yōu)化算法求解問題。改造措施和可靠性指標(biāo)的相關(guān)規(guī)則，獲得正確的指標(biāo)評(píng)價(jià)，以相關(guān)規(guī)則為約束條件，獲得電網(wǎng)的非線性約束模型，通過重復(fù)程序可以簡(jiǎn)化模型的計(jì)算難度。改造措施與性能指標(biāo)的可靠性之間關(guān)系密切，應(yīng)當(dāng)通過發(fā)掘相關(guān)規(guī)則的方法解決。需要使用多元回歸進(jìn)行分析，得到顯性的關(guān)聯(lián)表達(dá)式；如果耦合性較差，則需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行解決。

要想實(shí)現(xiàn)改造措施與可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，需要有配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的支持。當(dāng)配電網(wǎng)中含有DG、儲(chǔ)能以及柔性符合等元素時(shí)，通過集成配電線路或者技術(shù)管理的方式解決改造措施，通過時(shí)序模擬的方式，對(duì)不同的改造方法進(jìn)行時(shí)序模擬，從而獲取最具價(jià)值的仿真模擬數(shù)據(jù)，將獲取的仿真模擬數(shù)據(jù)與改造措施進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。在配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)供電可靠性的指標(biāo)預(yù)測(cè)；在誤差反向傳播中，多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的映射能力好，可以解決復(fù)雜的內(nèi)部問題，將配電網(wǎng)的改造措施、DG等元素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，將可靠性指標(biāo)作為輸出向量，對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析；在下降梯度的關(guān)系下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的迭代，完成關(guān)聯(lián)規(guī)則行為。

4 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)投資規(guī)劃模型

4.1 配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型中，投資者需要在資金限制的情況下選擇出最佳的項(xiàng)目組合，從而實(shí)現(xiàn)投資的利益最大化。在投資效益方面，以目標(biāo)函數(shù)為配電網(wǎng)進(jìn)行措施改造，將投資總額作為配電網(wǎng)的條件，從而得到公式：

(2)

式中：F表示投資效益；Xi表示改造措施；n表示改造數(shù)量；C(Xi)表示改造費(fèi)用；Cmax表示最大投資；ψ表示項(xiàng)目庫(kù)；Pi、Qi分別表示有功潮流和無功潮流；Vi(Vj)、Gij、θij、Bij分別表示節(jié)點(diǎn)電壓、線路電導(dǎo)、功角以及電納矩陣；L(y)表示參數(shù)集合；Lmax(y)、Lmin(y)分別表示上、下限。

改造措施的決策變量：

(3)

在求解潮流約束以及網(wǎng)絡(luò)安全約束時(shí)，因求解方法困難，可靠性指標(biāo)作為迭代目標(biāo)。通過外嵌的方式進(jìn)行投資規(guī)劃，在規(guī)劃過程中，將重點(diǎn)放在改造措施與可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則上；通過關(guān)聯(lián)規(guī)則求解約束，得到基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析模型，公式：

Φi(Ii,Xi,w,t,w′,t′)=0

(4)

式中：Φi表示關(guān)聯(lián)規(guī)則的隱函數(shù)；w、t,w′、t′表示權(quán)重值和閾值。

根據(jù)改造措施與可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則與傳統(tǒng)的投資規(guī)劃模型進(jìn)行對(duì)比，通過進(jìn)一步的求解，得到配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，解決了傳統(tǒng)模型中存在的迭代復(fù)雜問題，提高了模型的可行性，提高了求解進(jìn)度。因此，基于關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型可以用公式進(jìn)行表示：

(5)

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的不同，分析了投資決策中存在的問題，在特定的需求下可以降低或限制投資成本，從而提高可靠性，得到最優(yōu)的投資決策模型。 在可靠性指標(biāo)的約束下，通過降低投資成本改善供電方的經(jīng)濟(jì)，解決供電房的供電質(zhì)量低下問題。以用電效益最大化為設(shè)計(jì)原則，得到電網(wǎng)的最佳可靠性，將成本降到最低。電力的總成本包含了電力部分的建設(shè)和供應(yīng)成本，同時(shí)還包含了因電力不足所引起的斷電帶來的損失。

在一定的投資費(fèi)用要求下，以提升可靠性為目標(biāo)，將配電網(wǎng)的投資總額作為提升可靠性水平的約束條件，考慮在特定的投資限額情況下，將可靠性的指標(biāo)提升到最佳，可以得到：

(6)

4.2 確定最佳投資規(guī)劃方案

對(duì)于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資優(yōu)化模型，通常情況下采用智能算法或者數(shù)值法進(jìn)行問題解決，從而獲取最優(yōu)的投資方案。但是隨著電力市場(chǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資優(yōu)化模型需要升級(jí)，以更好的滿足當(dāng)下電力市場(chǎng)的需求。因此，設(shè)計(jì)并分析基于關(guān)聯(lián)規(guī)則分析所得到的改造措施與可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，獲取投資規(guī)劃最優(yōu)模型，結(jié)合改造方案的實(shí)際情況，確定最佳方案。如果改造措施與可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系明顯，可以采取回歸分析的方法進(jìn)行表示，采用嵌入式投資計(jì)劃模型作為關(guān)聯(lián)的約束條件。如果相關(guān)關(guān)系不明顯，可以借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來完成重建措施，以改造措施作為投資規(guī)劃模型的優(yōu)化值，設(shè)計(jì)最優(yōu)投資規(guī)劃方案；二者之間的關(guān)系：

γBCR=ΔCEENS/ΔCinvest

(7)

式中：γBCR表示效益成本比；ΔCEENS表示停電損失成本變化值；ΔCinvest表示投資成本變化值。

式(7)表示通過量化各類改造措施投資，提高配電網(wǎng)的可靠性效益。為了獲得最優(yōu)初始值，可以對(duì)修正措施進(jìn)行排序，根據(jù)投資金額的設(shè)置，以提升到可靠性指標(biāo)為前提，模擬投資目的的樣本和指標(biāo)，分析二者之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在關(guān)聯(lián)規(guī)則約束下的改造措施和可靠性指標(biāo)分析，從而獲得準(zhǔn)確的可靠性預(yù)測(cè)，獲得提高效益的成本，完成排序后，從而獲取最優(yōu)的投資方案。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型一旦受到大量改造的沖擊時(shí)，非常容易出現(xiàn)求解速度慢、收斂性差的問題。在此基礎(chǔ)之上，提出了一種關(guān)于改造措施與性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型，通過對(duì)其進(jìn)行深入的了解，建立了基于配電網(wǎng)投資決策的安全通道，以可靠性作為建設(shè)指標(biāo)，對(duì)配電網(wǎng)的功能進(jìn)行優(yōu)化，從而獲取更好的投資平臺(tái)。在改造措施下，通過輸入模擬樣本，挖掘出不同類型的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型與改造措施，然后與配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以獲得最佳結(jié)果。將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改造措施與可靠性指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以取代傳統(tǒng)投資規(guī)劃模型，規(guī)避了很多繁雜的建模過程，實(shí)現(xiàn)了基于關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型，提升了模型的求解效率，最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的投資規(guī)劃方案選擇。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型一旦受到大量改造的沖擊時(shí)，非常容易出現(xiàn)求解速度慢、收斂性差的問題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種關(guān)于改造措施與性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)規(guī)則驅(qū)動(dòng)的配電網(wǎng)投資規(guī)劃模型，通過對(duì)其進(jìn)行深入了解，建立了基于配電網(wǎng)投資決策的安全通道，以可靠性作為建設(shè)指標(biāo)，對(duì)配電網(wǎng)的功能進(jìn)行優(yōu)化，從而獲取更好的投資平臺(tái)。在改造措施下，通過輸入模擬樣本，挖掘出不同類型的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型與改造措施，然后與配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以獲得最佳結(jié)果。將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改造措施與可靠性指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以取代傳統(tǒng)投資規(guī)劃模型，規(guī)避了很多繁雜的建模過程，實(shí)現(xiàn)了基于關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型，提升了模型的求解效率，最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的投資規(guī)劃方案選擇。