考虑差异化加固的全阶段抗灾型骨干网架两阶段优化规划_陈昌铭.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0763-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑差异化加固的全阶段抗灾型骨干网架 两阶段优化规划 陈昌铭1，龚贤夫2，娄源媛2，陈鸿琳2，刘晟源1，林振智1（1浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027；2广东电网有限责任公司，广东省 广州市 510699）Two-stage Optimal Planning of All-stage Anti-disaster Backbone Network Considering Differential Reinforcement CHEN Changming1,GONG Xianfu2,LOU Yuanyuan2,CHEN Honglin2,LIU Shengyuan1,LIN Zhenzhi1(1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China;2.Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510699,Guangdong Province,China)ABSTRACT:In order to reduce the damage and loss of power systems caused by the extreme natural disasters such as typhoons,a two-stage optimal planning method of the all-stage anti-disaster backbone network considering differential reinforcement is proposed in this paper.Firstly,the differential reinforcement indexes(before the disaster),the invulnerability indexes(during the disaster)and the recovery indexes(after the disaster)for the transmission network that spans multiple typhoon disaster areas are proposed to evaluate the all-stage anti-disaster performances of the backbone network.The scenario analysis is utilized to address the randomness of the typhoon paths.On this basis,an optimal planning model of the all-stage anti-disaster backbone network is established to maximize the integrated index of the anti-disaster performance of the backbone network,and the proposed model is equivalently converted into a two-stage optimization model to improve the solution efficiency.Then,an improved non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-)based on the graph theory repair strategy and the genetic algorithm is proposed to solve the proposed two-stage model.Finally,a case study based on a regional transmission network in Guangdong province is used to verify the effectiveness and advantages of the proposed model.KEY WORDS:backbone network;differential reinforcement;all-stage anti-disaster characteristics;NSGA-;two-stage optimization planning 摘要：为减少台风等极端自然灾害对电力系统造成的破坏和损失，提出一种考虑差异化加固的全阶段抗灾型骨干网架两 基金项目：广东电网有限责任公司规划项目(031000QQ00210028)。Project Supported by Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Planning Project(031000QQ00210028).阶段优化方法。首先，针对横跨多个台风灾害区域的输电网提出灾前差异化加固指标、灾时抗毁能力指标以及灾后恢复能力指标来评价骨干网架的全阶段抗灾性能，并运用场景分析法处理台风路径的随机性。在此基础上，构建全阶段抗灾型骨干网架优化规划模型来最大化骨干网架抗灾性能综合指标，并提出一种两阶段等效转换方法将其转换为两阶段优化规划模型，以降低模型求解难度。然后，提出基于图论修复策略和遗传算法的改进非支配排序遗传算法的两阶段求解算法对所提模型进行求解。最后，以广东某区域输电网进行算例分析，验证了该文所提全阶段抗灾型骨干网架规划方法的有效性和优势。关键词：骨干网架；差异化加固；全阶段抗灾性能；NSGA-；两阶段优化规划 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2096 0 引言 近年来，台风、冰灾等极端自然灾害严重威胁着电力系统的安全稳定运行1。例如，2015 年台风“彩虹”造成广东湛江电网大停电；2016 年飓风“马修”导致美国东海岸大范围停电；2016 年强台风伴随暴风雨、冰雹导致南澳电网发生大停电；2018 年广西冰灾使得 17 万用户停电；2019 年台风“利奇马”造成东南沿海超 600 万用户停电2。因此，有必要研究具备抗灾性能的骨干网架，以减少台风等极端自然灾害对电力系统造成的破坏和损失3。现有文献关于骨干网架规划的主要研究思路为通过骨干网架节点和线路重要性、抗灾性能等评估指标筛选出骨干网架。在节点和线路重要性评估方面，文献4和5分别提出基于指标相关性的客观赋 权 法(criteria importance through intercriteria 764 陈昌铭等：考虑差异化加固的全阶段抗灾型骨干网架两阶段优化规划 Vol.47 No.2 correlation，CRITIC)和熵权法的电力系统节点和线路重要度评估方法；文献6提出了一种兼顾静态和动态性能指标的大容量电力系统关键节点排序方法，并通过考虑不同概率的负荷/发电调度场景来处理电力系统不确定性。在抗灾性能评估方面，文献7从抗毁性、可恢复性、连通性 3 个方面构建生存性指标体系，并以生存性指标最大为目标函数构建骨干网架规划模型，采用改进生物地理学优化算法进行求解；文献8在文献7的基础上将安全性也作为骨干网架生存性的一种评估指标；文献9计及骨干网架的网架特性和电气特性，采用线性判别分析与主成分分析相结合的方法来评估骨干网架生存性；文献10从自然环境条件、电网结构强度和设备抗冰水平 3 个维度设计了骨干网架抗冰性能综合评价指标体系；文献11对现有电网结构中存在的防风抗灾薄弱环节进行分析，并据此给出具备防风性能的骨干网架规划方法；文献12和13均基于电力系统节点和线路重要度评价结果，构建抗灾型骨干网架优化规划模型；文献14提出一种考虑灾后恢复供电速度和成功率的骨干网架规划方法；文献15提出以网架生存性、抗毁性和系统可恢复性为多目标的抗灾型骨干网架优化模型，以提高骨干网架在灾害各阶段的抗灾性能；文献16以最大化经济性、系统可恢复性和网络抗毁性为多目标，构建了抗灾型骨干网架多目标规划模型。上述文献对抗灾型骨干网架规划进行了较为全面的研究。然而，现有文献多按照单一的加固等级对骨干网架进行加固，由于我国 500kV 以上主网输电路径跨度较大，往往会跨越多个气象条件区域，若以单一加固等级对骨干网架进行加固，可能造成气象条件恶劣区域加固等级过低，抗灾性能不足，而气象条件较好的区域加固等级过高，浪费加固成本。针对上述问题，文献17和18均考虑到骨干网架横跨不同受灾程度的冰灾区域，提出考虑冰灾下线路综合故障率的骨干网架差异化加固规划方法，以兼顾骨干网架规划的经济性和生存性。然而，上述文献并未评估骨干网架的抗毁性、可恢复性等指标，不能充分考虑骨干网架的全阶段抗灾性能。此外，上述文献研究的是冰灾下的骨干网架规划，台风灾害下的线路故障率和冰灾差别较大，而关于台风灾害下考虑差异化加固的抗灾型骨干网架规划的研究尚未见报道。针对现有研究的不足，本文针对横跨多个台风灾害区域的输电网骨干网架规划进行研究，提出一种考虑差异化加固的抗灾型骨干网架两阶段优化规划方法。首先，提出台风灾前、灾时和灾后的骨干网架多阶段抗灾性能指标，并运用场景分析法处理台风路径的随机性；接着，以最大化骨干网架抗灾性能综合指标为目标函数构建抗灾型骨干网架优化规划模型，并提出一种两阶段等效转换方法将其转换为两阶段优化规划模型，以降低模型求解难度，其中第一阶段为考虑差异化加固的抗灾型骨干网架双层优化规划子模型，第二阶段为基于CRITIC的骨干网架Pareto最优折中解筛选子模型；然后，提出基于嵌入图论修复策略和遗传算法的改进 非 支 配 排 序 遗 传 算 法(non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA-)的抗灾型骨干网架优化规划模型的两阶段求解方法，对本文所提模型进行求解；最后，以广东某区域电网进行算例分析，验证了本文所提抗灾型骨干网架规划方法的有效性。1 骨干网架全阶段抗台风灾害性能评价指标 骨干网架的全阶段抗台风灾害性能可以通过灾前的差异化加固指标、灾时的抗毁能力指标以及灾后的恢复能力指标来反映。1.1 灾前：基于场景分析法的骨干网架差异化加固指标 本文运用场景分析法对台风路径的随机性进行处理。根据待规划电力系统所在区域的台风历史路径及对应风速信息构建 S 个典型台风场景，设第s 个台风场景出现的概率为 ps，则基于场景分析法的骨干网架差异化加固指标 FSTR定义为所有台风场景下的骨干网架差异化加固的可靠性及经济性的概率加权之和，即：STRSTR,RSTR,RSTR,ESTR,E1=()SssssssFp wFwF(1)式中：STR,RsF和STR,EsF分别为台风场景s下骨干网架差异化加固的可靠性指标和经济性指标；STR,Rsw和STR,Esw分别为台风场景s下可靠性指标和经济性指标的权重。STR,RsF定义为台风场景s下骨干网架中所有线路可靠度的平均值：BN,LSTR,RBN,BN,L11=Nss llFRN(2)式中：BN,LN为骨干网架的线路数量；BN,s lR为台风场景s下骨干网架线路l的可靠度。一条输电线路往往存在多个杆塔，本文假定同一线路的杆塔类型相同，参照串联系统可靠性评估第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 765 理论定义BN,s lR：BN,TBN,TT,/(1)BN,1(1)s ls llNs lRe(3)式中：BN,T,s l为台风场景s下骨干网架线路l的杆塔失效率；TlN为骨干网架线路l的杆塔数量。在台风天