关键词：
台风灾害
输电线路
优化运行
加固策略
电力系统弹性
摘要：
台风是我国东南沿海地区电网面临的主要自然灾害之一,其强风、暴雨等现象会严重破坏输电线路,造成大面积停电。近年来,全球气候变暖导致台风频次、强度和影响范围增加,给电力系统安全可靠运行带来极大挑战。因此,开展应对台风灾害的电力系统优化运行与加固策略研究,提高电网综合抗灾能力,具有重要的社会和经济意义。本文受“国家自然科学基金(52022016)”的资助,从运行及规划两个层面研究电力系统应对台风灾害的措施方法,提高防灾应急能力。在运行层面,围绕灾前输电线路检修、灾中紧急运行调度、灾后故障协同恢复进行探索;在规划层面,对输电线路加固策略开展研究。针对已有灾前检修模型难以区分不同台风灾害强度下缺陷线路检修优先级等问题,建立考虑输电网络结构优化的缺陷线路检修三层鲁棒优化模型。建模过程中,第一层以最小化系统灾前、灾中运行总成本为目标,优化缺陷线路的检修安排和检修期间的输电网络结构;第二层以最大化灾中运行成本为目标,通过考虑线路灾中状态约束,区分正常线路和缺陷线路的脆弱性,优化台风对线路的破坏方案,得到最恶劣故障场景;第三层以最小化灾中运行成本为目标,针对第二层模型确定的最恶劣的线路故障场景,优化机组的有功出力。模型求解过程中,利用对偶理论将三层优化模型等效变换为两层优化模型,并采用列和约束生成算法进行求解。对修改的IEEE RTS-79系统进行算例分析,结果表明:所提方法确定了不同台风强度下需要检修的缺陷线路、优化了检修期间的输电网络结构,降低了灾前输电检修成本16.6%,有效提高检修经济性。针对现有考虑线路故障的灾中紧急运行调度多阶段优化模型计算效率低的问题,提出了基于近似动态规划算法的模型求解方法。首先,基于蒙特卡洛方法,结合台风经验轨迹模型、Batts风场模型以及输电线路故障概率特性,模拟得到线路故障场景。其次,将计及安全约束的灾中系统紧急运行调度问题建模为离散时间的马尔可夫决策过程,定义状态变量、决策变量和状态转移过程,以最小化灾中系统期望运行成本为目标,构造基于贝尔曼方程的目标函数。最后,在模型求解过程中,采用基于分段线性函数的近似动态规划算法对优化模型进行求解,并通过模拟得到的线路故障场景离线训练近似价值函数的斜率。对修改的IEEE RTS-79和IEEE-118系统进行算例分析,结果表明:所提方法计算时间由现有多阶段优化模型求解方法的小时级缩短至秒级;同时优化结果的近似最优性保证了决策质量,满足灾中在线紧急调度需求。针对灾后故障维修调度优化模型计算复杂度高的问题,提出考虑故障线路重要程度和故障点地理距离的维修任务划分方法,并将划分结果嵌入到灾后故障维修调度优化模型中。首先,利用潮流介数量化故障线路的重要程度,并通过故障点与维修站之间的直线距离近似表征故障点地理距离。其次,将所提维修任务划分方法建模为混合整数线性优化问题,实现维修任务在维修站之间合理划分。最后,以灾后恢复过程中的负荷缺供电量最小化为目标函数,建立考虑修复时间不确定性的灾后故障维修调度优化模型,其中维修任务划分结果在维修队伍调度约束中得到考虑,有效缩小优化模型解空间,提高求解效率。对修改的IEEE RTS-79和IEEE-118系统进行算例分析,结果表明:采用所提方法后,计算时间较未进行维修任务划分的灾后故障维修调度优化模型下降约80%,且所得决策和最优决策的缺供电量差距仅约3%,有助于系统灾后快速恢复。针对现有加固策略优化模型难以考虑加固决策与线路故障之间的决策依赖不确定性,可能导致加固策略经济性差的问题,通过线路加固后防风能力精细化建模,构建考虑决策依赖不确定性的输电线路加固策略模型。首先,根据历史统计数据拟合台风登陆参数概率分布,利用蒙特卡洛方法模拟不同台风灾害场景;其次,通过预先抽样一组确定性参数以表征不同加固措施下输电线路在台风灾害场景中的状态,解耦加固决策与线路状态之间的相互依赖关系;最后,以最小化系统期望成本为目标函数,建立两阶段随机优化模型,其中第一阶段确定加固策略,第二阶段根据加固策略确定线路在台风灾害中的状态,优化系统灾中运行及灾后修复过程,评估系统的缺供电量惩罚成本和维修成本。模型求解过程中,采用基于统计抽样思想的抽样平均近似算法,求取近似最优的加固方案及年期望成本的置信区间。对修改的IEEE RTS-79和IEEE-118系统进行算例分析,结果表明:所提方法得到的加固方案的年成本较鲁棒优化法降低13.9%,提高了加固策略的经济性。
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