考虑敏感设备中断概率的电网...路改造优质供电运营模式研究_肖先勇.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）02-0584-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑敏感设备中断概率的电网线路改造优质供电运营模式研究肖先勇，秦铄，汪颖，胡文曦，陈韵竹（四川大学电气工程学院，四川省 成都市 610065）High Quality Power Supply Operation Mode of Power Grid Line Reconstruction Considering Outage Probability of Sensitive Equipment XIAO Xianyong,QIN Shuo,WANG Ying,HU Wenxi,CHEN Yunzhu(College of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan Province,China)ABSTRACT:Regulation at the grid side always reduces the impact of voltage sag events in a wider range,but the operation mode of voltage sag control at the grid side has seldom been deeply studied.Therefore,a high-quality power supply operation mode for the power grid line reconstruction considering the outage probability of the sensitive equipment is proposed.Based on the three characteristics of sag amplitudes,durations and interruption states of the small sample monitoring data in the uncertain intervals of the voltage sag of each sensitive equipment,the production interruption probability of the equipment is evaluated through the support vector machine(SVM)probability output,and the interruption times of the sensitive equipment are accurately assessed.With the goal of maximizing the benefits of the power grid companies and the sensitive users,considering the effects of every line reconstruction technology,the proportion of service charges is calculated by using the Nash product optimal solution of the game theory.The multi-objective optimization model of the voltage sag line reconstruction is established considering the constraints of the interruption frequency and the economic constraints.The non-dominated sorting genetic algorithm II(NSGA-)is used to solve the model and obtain the optimal reconstruction scheme.Taking the IEEE 33-bus system as an example,considering the two scenarios of the all users participating and the some users not participating in the reconstruction scheme,the economy and practicability of the high-quality power supply service mode proposed in this paper are verified.KEY WORDS:power quality;voltage sag;high quality power supply;line reconstruction;SVM probability output;multi-objective optimization 基金项目：国家自然科学基金项目(52077145)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(52077145).摘要：在电网侧进行治理能更大范围减少电压暂降事件的影响，而针对电网侧电压暂降治理的运营模式尚未深入研究。为此，提出了考虑敏感设备中断概率的电网线路改造优质供电运营模式。以各敏感设备电压暂降不确定区间内发生的小样本监测数据的暂降幅值、持续时间与中断状态 3 个特征，通过支持向量机(support vector machine，SVM)概率输出评估设备的生产中断概率，准确评估敏感设备的中断次数。以电网公司与各敏感用户收益最大为目标，考虑各线路改造技术的治理效果，用博弈理论纳什积最优解求取服务费比例，计及中断频次约束、经济约束等约束，建立电压暂降线路改造多目标优化模型。使用非支配排序多目标遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm II，NSGA-II)对所建模型进行求解，求取最优改造方案。以 IEEE33 节点系统进行算例仿真，考虑全部用户参与和部分用户不参与改造方案的 2 种场景，验证了所提优质供电服务模式的经济性和实用性。关键词：电能质量；电压暂降；优质供电；线路改造；SVM概率输出；多目标优化 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0314 0 引言 电压暂降事件造成工业用户生产中断、损失巨大，投诉与抱怨日益增加1-3。电网公司打造“基础性增值性”用电用能产品套餐4，从电网侧实施有偿电压暂降治理、优质供电服务，是提升电力营商环境、助力招商引资的必由之路。电网侧实施优质供电服务的主要技术途径是线路改造。作为有偿服务的业务运营，投资准、成本低、利益共享，是有效运营模式的三大特点。1）投资准准确评估敏感设备中断频次，明确用户需求。通过实验测试，获取敏感设备耐受能力5-6，具有结果准确的优点。相关学者对工业过第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 585 程的敏感设备进行了大量研究实验，测试可编程逻辑控制器7、调速驱动装置8和交流接触器9等，明确其敏感特性。但是，测试样本范围小、用户不配合测试等因素，使得以电网公司为主体的用户需求识别的工作难以开展。电网公司可获取的是用户进线处电压暂降监测数据和用户投诉时提供的设备跳停状态。研究以电压暂降幅值、持续时间、设备中断状态3个可获知数据为输入的用户敏感特性评估方法，是掌握用户敏感设备中断频次，做出合理优质供电投资判断，必须要解决的问题。2）成本低优化线路改造方案，实现技术经济效益最大化。现有电网侧电压暂降治理技术手段多样，例如使用限流熔断器、安装静止同步补偿器、线路电缆化、安装避雷器、树木修剪以及动物防护等，但大都仅限于治理效果定性分析。针对成本效益的定量研究，文献10提出了静止同步补偿器的多目标优化配置缓解电压暂降；文献11基于用户电压暂降耐受曲线和各种线路治理技术的治理效果，建立了面向配电网电压暂降治理的线路改造优化模型。工程上，如何优选和决策受众群体最大、经济效益最优、成本最低廉的线路改造方案，是尚未解决的问题。3）利益共享合理服务费用计算方法，保障供用电双方利益。在用户侧安装动态电压恢复器(dynamic voltage regulator，DVR)、不间断电源(uninterruptible power system，UPS)等容量较小、投资较低的定制电力设备12，实施优质供电服务，已形成了典型的用户侧优质供电利益共享方案。文 献13提出基于信托租赁的优质供电服务模式，并提出了该服务模式下的服务费用优化算法及各服务商利益分配办法。文献14提出了园区设备级协同治理优化方案和成本合理分摊的公私合营模式融资策略，但仅限于工业密集用户，难以应用于更大范围的电网。如何分配电网侧线路改造收益，从供用电双方的角度出发，制定多方利益共享的服务策略，尚未得到解决。针对以上问题，本文提出了考虑敏感设备中断概率的电网线路改造优质供电运营模式。以用户监测的小样本数据(包括电压暂降幅值、持续时间以及设备或过程的中断状态 3 类数据)作为先验数据，构建基于支持向量机(support vector machine，SVM)的敏感设备中断概率的评估模型，已知新发生电压暂降的幅值和持续时间时，计算敏感设备的中断概率。计及敏感用户设备中断经济损失和各技术治理效果及成本，以纳什积最优解的博弈理论求得服务费比例，满足中断频次约束、经济约束等约束，以电网公司与各敏感用户收益为目标，建立了电压暂降线路改造多目标优化模型。采用非支配排序多目标遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm II，NSGA-II)多目标优化算法进行求解，得出最优线路改造方案。以 IEEE33 节点系统为算例进行仿真分析，验证了本文优质供电服务模式的经济性和实用性。1 电网线路改造优质供电运营模式 1.1 运营模式 在电网公司提供的供电服务达到了供用电双方合同要求的基础上，基于敏感用户对减少电压暂降事件发生的诉求，在电网侧实施优质供电有偿服务，提出电网线路改造优质供电运营模式，制定多方受益的服务策略。通过本文建立的电压暂降线路改造多目标优化模型，准确评估中断频次，选取经济效益最优的治理方案，实现供用电双方的经济利益最大化。运营模式如图 1 所示，电网公司投入治理成本用于在电网侧改造输配电线路，从而降低多种故障引起的电压暂降的频次，减少敏感用户因设备中断导致的巨大经济损失。作为优质供电增值服务，电网公司向各敏感用户收取相应的服务费，获得的收益为电网中各敏感用户支付的服务费总和与电压暂降治理总投入费用之差，用户收益则为因治理减少的经济损失与服务费之差。电网公司线路改造用户服务费 图 1 电网线路改造优质供电运营模式 Fig.1 High quality power supply operation mode for power grid line reconstruction 1.2 线路改造技术 1.2.1 线路改造效果 电压暂降事件对敏感设备的影响所体现出的核心实质为电网电压暂降水平与敏感设备的电压暂降耐受能力的不兼容。通过减少系统中的短路故障的次数来降低电压暂降的频次从而减少设备中断次数是提高供电质量的有效途径，当前可以采取减少故障的方法有使用地下电缆、避雷器、屏蔽线、动物防护、修剪树枝等。设每年由雷击、动物接触、树木触碰及其他原因引发短路故障的次数占线路总故障次数的比例分别为 Pre_j(j1,2,3,