观点｜城市电网智能辅助决策技术探讨

电网规模庞大，供电面积超过2000平方公里，供电用户超300万户，总装机容量超9000MVA；电压等级多，其中既包含500kV和220kV电压等级的输电网又包含110kV及以下电压等级的配电网；网架结构复杂，220kV及以上电压等级网络为保证电网运行可靠性呈环网运行，110kV及以下电压等级网络通常是采取“闭环设计，开环运行”的方式，呈辐射状，为保证用户的用电质量，大部分变电站以两分裂或三分裂的方式运行，网络中包含大量备用路线和备自投装置，提供了可灵活改变运行方式的可行性。

一、背景和意义

1.1电网智能辅助决策技术的时代背景

1.1.1城市电网结构的新特点

随着国民经济的发展，社会对电力需求逐年增长，对供电质量和供电可靠性要求越来越高。城市电网由城市供电电源、输配电网和电能用户组成，因此，对城市电网的运行要求也更加严格。通常的城市电网主要以辐射状接线的110kV电压等级为主，而大型城市电网呈现如下特点：电网规模庞大，供电面积超过2000平方公里，供电用户超300万户，总装机容量超9000MVA；电压等级多，其中既包含500kV和220kV电压等级的输电网又包含110kV及以下电压等级的配电网；网架结构复杂，220kV及以上电压等级网络为保证电网运行可靠性呈环网运行，110kV及以下电压等级网络通常是采取“闭环设计，开环运行”的方式，呈辐射状，为保证用户的用电质量，大部分变电站以两分裂或三分裂的方式运行，网络中包含大量备用路线和备自投装置，提供了可灵活改变运行方式的可行性。

因此，城市电网可操作的设备数量多、类型复杂、包含多个电压等级、潮流方式多样。在这样的背景下，对供电可靠性还提出了更高的要求，特别是变电站的全站失压事件会造成严重的后果，作为调度工作的重要考核内容，需要采用合理的调度决策，避免这类事件发生。

1.1.2城市电网调度辅助决策技术的新需求

随着城市电网规模的扩大，电力系统中的灵活性负荷增加，具有间歇性和波动性的可再生能源发电比例也不断提高，城市电网的运行调度更加复杂，极大增加了调度运行人员的工作负担。

在电网的调度决策过程中，降低变电站的失压风险是提高供电可靠性的重要手段之一，这也就意味着针对某些具有全站失压风险的场站，通过转供和串供等手段，提前将该变电站所带部分重要负荷转出，可以最大化的避免全站失压所造成的严重后果。为此，电网调度部门已提前制定了风险规避预案。当风险出现时，根据预案对城市电网运行方式进行调整达到规避风险的目的。但现行预案是根据历史运行数据生成，没有考虑在线运行的电网具有不同的运行方式和负荷水平，适应性与灵活性不足，且预案主要依据调度人员的人工经验制定，在存在多种风险相互耦合的场景下，如何权衡多种风险并最终选取哪种可行的预案，受人为主观因素影响较大。

因此需要探索降低城市电网运行风险的智能辅助决策技术，根据电网当前的运行状况，在线评估城市电网运行风险，针对不同的风险，给出相应的处理预案，并制定风险评价指标对可行的预案进行评价和筛选，为调度人员提供智能、全面的调度辅助决策。

1.2城市电网调度面临的挑战

1.2.1复杂的电网运行方式使调度操作面临新增风险

尽管从保障供电可靠性出发，城市电网的运行方式安排中已考虑了N-1的运行风险，即电网中任意一个元件退出运行，不应造成负荷失电的严重后果。甚至，在重要的区域电网中，通过N-2的校核以进一步提高供电可靠性。然而，对于大型城市电网，网络中的开关数量和作用庞杂，在发生N-1故障后，极易使电网面临新的网架风险和潮流过载风险；另外，在通过电网开关的调度操作对已有风险进行处置时，还有可能引入新的运行风险。特别是在具有多回出线的发电厂母线面临失压风险时，电网的多个负荷节点面临失电风险，在进行调度决策时需要进行全方面的考虑。

1.2.2城市电网的优化辅助决策是一个高维空间的搜索问题

城市电网的优化辅助决策的对象是电网中的海量开关变量，在进行决策时需考虑的等式和不等式约束包含元件负载约束、潮流约束（包含节点电压等信息），110kV及以下电网的辐射状拓扑约束，负荷的供电可靠性约束等。在解的可行域较大，而约束方程的个数较多时，使得优化模型的求解付出的时间和计算代价较高，需要探索大幅降低解的求解空间，降低模型求解成本，提高求解效率的方法。如对电网采用分区、分块、分层的基本思路进行优化求解。

二、降低城市电网运行风险的辅助决策技术

2.1电网风险在线定量评估技术

风险评估利用安全性指标给出电力系统事故可能对电网及用户造成的损失。风险指标可以灵活应用，既适用于单个元件，也适用于系统。最后，可以根据风险大小进行排序，做出相应决策。因风险评估方法可以从多角度全面地衡量电力系统不确定性事故所造成的安全性及经济性风险指标，故广泛应用在现阶段的电力系统安全分析中。

结合城市电网特点，可将城市电网运行风险划分为潮流风险与网架风险，其中潮流风险包括设备负载率、重载或过载设备数、N-1通过率或变压器重载持续时间等。网架风险包括重要用户损失数、全站失压风险等。

风险的量化评估可采用事故发生概率与可能造成的后果乘积方式来表示，对于一种风险存在需要多种指标同时来衡量的情况，以全站失压风险为例，其可通过失压场站数与失压负荷量两种安全性指标衡量，两种衡量指标互相影响，为保证城市电网可靠运行首先应该尽可能的避免失压场站数过多，所以在评价指标中会更加关注失压场站数指标即所占权重系数相对较大，同时，为了更加合理的量化评价失压负荷量，使用相对值会更加合理，即失压负荷量占该区域总负荷量的比值，为了将两种指标合成全站失压风险值，可采用对数合成的方式来计算，因为传统的加权和的指标合成方法并没有考虑指标之间的相关关系对评价结果的影响，而失压场站数和失负荷量实际上存在一定的联系，因此并不适合利用加法进行合成。在评价指标间有一定关联的场合，乘法合成是一个可取的方法，这是因为此指标在彼指标的基础上，由此各指标的乘积表现为整个事物的综合水平，但是乘法合成具有一定的放大效应，导致合成结果往往与人们的思维习惯不同，而对数合成缩小了指标数据的差异使评估结果的极差也得到缩小，可以克服乘法合成的缺点。

220kV及以上电压等级与110kV及以下电压等级的电网风险发生后造成的严重程度是不同的，在风险等级划分时应分开考虑，所以为能准确地分析城市电网风险，采用分层评估的方法，并且对于同一层内的风险应该既按照事故发生概率与可能造成的后果乘积来量化评定也需要重点关注某些重点场站发生事故的风险，使风险的量化评估更加合理。

2.2城市电网调度决策的一般原则

为了达到能够科学有效降低城市电网风险的目的，在对电网进行调度操作过程中应遵守一定的原则，具体可总结为如下几点：

1）为降低变电站的全站失压风险，应保证该变电站全站有两个或以上的供电来源；

2）当某220kV变电站成为终端站时，应考虑将该站下的110kV变电站负荷由具有供电路径的临近220kV变电站转供。

3）不满足转供条件的110kV负荷应考虑通过220kV变电站的110kV母线串供；

4）220kV变电站的本站负荷可考虑由临近110kV变电站串供；

5）在串供方案中，应尽量避免形成电磁环网，因此，需要变电站母联开关与线路开关配合操作，采用变电站分列运行和线路投退相互配合的方式打开电磁环网；

6）当串供场站较多，电网负载较重的时刻，单供风险场站周边的220kV电源可能存在过载情况，需要考虑风险场站周边电源的供电能力约束，通过重新分配转出负荷挂载的母线以及周边场站的转供，消除线路和变压器过载。

2.3电网调度智能辅助决策的拓扑搜索技术

降低城市电网风险的技术需要充分利用城市电网的特点，在城市电网具备一定自保供电能力的基础上，探索降低城市电网风险的技术。

通过对城市电网电压等级多，网架结构灵活且复杂等方面的深入研究，可采用首先对电网进行拓扑降维简化，结合电网数据对电网拓扑进行优化调整，最终得到最优的控制措施。

2.3.1基于分区分层的城市电网拓扑搜索简化方法

城市电网具有主配网共存的特点，220kV及以下电压等级电网采用环网结构，110kV及以下电压等级电网采用开环辐射状且不能存在孤岛，不同电压等级网络的环路形式和特点有所不同，220kV电网的环路可表述如下：从一个220kV供电电源点出发，每个110kV负荷点只经过一次，最后到达出发电源点或另一电源点的110kV供电回路。110kV电网中的负荷通常由多个电源提供供电路径，因此具有分层、分区的特点。由于高压配电网通过节点撕裂被分解成几个子网块，城市电网的拓扑重构问题可被分解为几个区块子网的拓扑重构子问题以达到简化拓扑，降低计算量的目的。

2.3.2城市电网辅助决策生成模型

如何准确、高效地降低城市电网的风险，是城市电网优化运行的首要问题。而城市电网优化以其操作简便、成本低廉、效果显著等自身无可比拟的优势，正逐步被国内外学者所推崇，并广泛应用到城市电网实际调度中。

在目标函数方面采用两阶段目标设置方法，第一阶段为风险未发生阶段，目标函数应更加关注电网运行数据的指标如节点电压偏移最小、输电线路与变压器负载率均衡，避免出现重载或越限情况；第二阶段为风险发生阶段，目标函数应更加注重负荷损失量最小，重要负荷失电量最少。两阶段都应满足的约束应为节点电压不越限，线路和变压器负载率不越限，网架结构满足辐射状要求。

模型求解方面，城市电网拓扑优化问题是多维数、多约束、非线性、组合优化的非确定多项式难题。随着研究的深入，对其处理方法主要分为3大类：数学优化算法、启发式算法和人工智能算法。数学优化算法在网络规模增大，节点较多时，不可避免的会出现维数灾，而导致算法失效。启发式算法先天劣势在于对初始值的过于依赖，结合分区计算降低搜索量后，启发式算法也可取得理想结果。而随着人工智能算法不断发展，以及在解决各行业难题上的优异表现，近年来更多的学者将人工智能算法运用到城市电网拓扑优化问题的研究中，并得到了一系列的可喜的成果。

三、城市电网辅助决策生成的历史地位

3.1考虑N-1-1运行风险的新思维

对于可能再次发生的N-1-1风险生成预防辅助决策，与传统的最优潮流相比，在生成决策的过程中即考虑了N-1后的运行方式，更关注新增的运行风险情况，且针对新增的运行风险，智能给出调度决策的建议。提高了调度操作的针对性，降低了变电站全站失压的风险，进一步保障了供电可靠性。另外，从拓扑优化的角度分析和解决电网运行风险问题，采用计算机实时计算和生成风险解决预案，符合城市电网调度运行的核心要求，是降低现代城市电网运行风险的新思路。

3.2支撑城市电网智能调度决策的新途径

城市电网运行风险评估及辅助决策技术基于电网运行数据可实现在线应用，达到实时风险评估、及时生成决策的效果，可嵌入现行调度模块中同步使用，为电网调度人员提供方便、快速、准确的决策支持，能够为智能调令生成提供信息参考；为调度模块提供了更多的信息交互，使电网调度能够满足日渐严格的安全性与可靠性要求，并使其智能化更进一步得到提升，成为支撑城市电网智能调度决策体系的新途径。

四、结语

城市电网作为直接与用户端连接的中枢环节，其安全风险防护的要求是十分严格的，进行城市电网的风险评估和风险规避，不断细化、完备城市电网风险评估，提高城市电网风险处置预案的科学性，为调度人员提供可靠的辅助决策，有助于调度人员作出更加快速、有效的处置风险的操作，有助于城市电网整体的安全、稳定的运行。城市电网将能够为人民提供更加优质、安全、可持续的电能供应。

本文首发自北极星输配电网 作者：刘雪飞（深圳供电局）转载请申请授权，注明来源及作者！