2024台风灾害下的弹性配电网故障抢修决策方法研究报告

台风灾害下的弹性配电网故障抢修决策方法研究 天津大学：吴昊 hwu@tju.edu.cn 湖北宜昌2024年5月11日 个人基本情况 吴昊 天津大学助理研究员博士后，博士后导师：贾宏杰老师 南京理工大学博士，博士导师：谢云云老师 研究方向：电力系统弹性提升及灾后恢复 ◆以第一作者在IEEETransactionsonPowerSystems、Energy等期刊 发表SCI论文5篇； ：主持了国家重点研发计划子课题1项、入选2023年度博士后基金天津联合资助备选人员名单(纳入天津市第一批博士后创新岗位资助项目)； 、作为项目骨干参与联合基金项目、自然科学基金项目、南方电网重点科 技项目和国家电网公司总部科技项目多项。 研究背景 背景台风灾害给我国电力系统安全稳定运行带来了巨大的挑战 全球气候变暖导致极端灾害日益频发 我国东南沿海地区属于台风灾害高发地区 ?台风灵害引发配电网大量线路故障 用户供电长时间中断造成巨大经济损失 西蒸平洋生昆台风登陆我国台风数量 195919691979年份195199920052015 1949-2019年西太平洋生成台风数量和登陆我国台风数量 停电停电 事故损失 线路杆塔故障负荷供电长时间中断台风灾害直接经济损失统计图 研究背景 背景台风灾害下弹性配电网故障抢修的支撑条件 紧计装机 可再生能源开发实现“碳达峰，碳中和”增装机 海上风电保持年均近60%的增长率 风电位于东南沿海地区，靠近负荷中心 大规模海上风电在抢修过程中提供功率支撑 海上风电接入2016-2021新增装机容 数字技术与电网融合推动“数字新基建” 》配电网的信息采集、传输、处理等能力提升 整合配网与设备数据，建设灾后应急指挥系统 为配网故障抢修提供了全局信息与平台支撑 配电网数字化应急指挥系统建设 研究背景 背景针对台风灾害不同特点，分析当前研究存在的问题 台风风速波动随机造成风电出力不确定性台风极端风速恶劣造成高风速风机切机 由于风电出力和风速正当恶劣极端风速超过风 相关，台风风速随机波 机安全风速后，风电机 动会导致风机出力具有组为了保护自身风机结 不确定性，造成电压失 稳甚至二次停电事故。切入风速 构会收桨停机，风机切机会加剧功率短缺导致 At(m)更多负荷停电。 台风影响周期长但故障抢修多阶段耦合不足台风覆盖区域广造成主配网均故障停电 台风灾害的影响周期长由于台风灾害覆盖区 且路径可预测，可以分域广，会造成主配网 为灾前、灾中和灾后阶段，但现有研究仅关注 均故障导致大规模停电事故，而现有研究 主要假设主网正常工 灾后故障抢修，缺少多作，缺少主配网协同 阶段耦合。恢复的研究。 目录 考虑风电出力不确定性的故障抢修决策方法考虑风机切机的配网故障抢修双层优化方法考虑灾前灾中与灾后协同的故障抢修优化方法 四考虑主配网协同的故障恢复调度策略优化方法 1.1考虑多重不确定性的鲁棒优化模型 台风风速随机波动会导致风机出力不确定性，威胁配电网恢复安全基至 造成二次停电事故。构建max-min-max鲁棒优化模型，利用c&cG算法和强 对偶理论进行求解，保证恢复方案的鲁棒性。 不确定性影响不确定性集合 矩形不确定性集丹布式电池 PFePEPI,PIE+PVi,V POEPC,POE+F 地工人员 频率越限 列和约束生成(C&CG)算法 原问题主问题子问题 ,qxenanxem ob.J,=max) s.≤by oy.f,minmax'y 5.J.Gy+Ex+Kp≥s objfs +(Ex"s)+A(I*_ s.t.Ax≥gAx≥g Gy+Ex+Kp≥sGy+Ex+Kp≥s Hy+Ix+Np +d'd-dad 57.+,G+^,H≤0 P=dN+XI+H Hy+Ix+Np A≥0,,froe 电压越限d+d'd-dd强对偶理论 1.2多类型恢复资源的协同优化模型 针对多种恢复资源的协调、施工队和移动电源的建模、调度策略如何影响配网恢复等问题，提出不同类型恢复资源的协同优化方法，构建施工队和移动电源调度模型，并提出耦合约束构建调度策略和配网运行状态的关系。 多种恢复资源协同恢复施工队和移动电源调度模型 Depot F35 调度路径调度逻朝调度时刻 资源调度和配网运行耦合约束 施工队IFIA*移动电源 移动电源车cb. O≤P"Ssu.P",Vi,Vt,Vm 配网网架重构风电等构建微网 接入状态 VM,Vi 0≤Of≤sM.Ow,Vi,Vt,Vm 故障线路Z,,+Z,JATA'TA"'s= repfys.Vi修复状态IA'A"A"s="Z+F"Z 1.3算例分析 结果展示 ￥IA2 F5 GD 0.2 二E1 F3011551015 0.6 浅路故障施工队移动电池·移动电源接口风储系线0.4 150.8 90.6 施工队和移动电源调度路线0.4 移动电源施工队2 移动时间 &修复时间 供电时间 0.2 0.8 0.6 时步10 施工队1 ≤0.2 91315 时步5时步1015 0.4 0.2 时步1015 施工队和移动电源调度时刻孤岛微网中风电和储能出力示意图 [1]HaoWu,etal.Robustcoordinationofrepairanddispatchresourcesforpost-disasterservicerestorationofthedistributionsystem.InternationalJournalofElectricalPower&EnergySystems,2022,136:107611. 1.3算例分析 所提的灾后抢修方法通过协同施工队、移动电源、网架重构和微网划分，能够有效恢复停电负荷，增强电网弹性。鲁棒优化方法基于不确定性的最差场景，能在电网灾后恢复过程中避免安全约束越限，确保恢复方法的鲁棒性。 100% 本文方法 不考忠网架重构 --不考虑分布式电源 确定性方法+随机方法+鲁样方法 80%不考忠移动电源 60% 10 荷恢复量百分40% 20% 0% 05时步1015 5101520 场示数 [1]HaoWu,etal.Robustcoordinationofrepairanddispatchresourcesforpost-disasterservicerestorationofthedistributionsystem.InternationalJournalofElectricalPower&EnergySystems,2022,136:107611. 目录 考虑风电出力不确定性的故障抢修决策方法 二考虑风机切机的配网故障抢修双层优化方法考虑灾前灾中与灾后协同的故障抢修优化方法 四考虑主配网协同的故障恢复调度策略优化方法 11 2.1高风速下风机切机建模 当台风恶劣极端风速超过风机安全风速后，风电机组为保证自身安全会收桨停机，为此提出考虑风机切机的配网恢复方法，并建立风机切机模型并将其线性化为混合整数线性规划的形式。 实际功率爬坡》功率短缺 机风甲》负荷削减 出 值电源出 力 荷恢复量 电压越限 微网崩溃 tit,t,a11:二次停电 高风速风机切机分布式电源出力调节负荷恢复量削减 切入风速款定风理切机风 A(mg) 0 P"=P(v-vm)/(v.-vm) Y,<'in,y,?V... Y,≤y,<vour 1=+5+5+5+5 y$vms++ye+vo..$++Met 风机切机示意图风机切机模型分段函数线性化 2.2长短时间尺度协同优化模型 施工队和移动电源调度需要考虑移动时间和修复时间，无法同电网运行调度那样快速响应。因此提出长短时间尺度的两阶段协同调度方法、长时间尺度下的调度优化鲁棒模型：短时间尺度下的调度优化确定性模型 开始 皮阜电源车 移动电源和施工队调度电网运行调度小时级别分钟级别 更新配网障和修读源信息。 求解主问区3.46)得到抢修第路求解子问题（3.47)得到最差场景 是否收 力和能 更新机组出执行第一个时步的调度第 长时间尺度模型 配网信息长时问尽度故障抢修鲁持优化 风主出力 Soc等配网 状态信息 更新批修资源状态信息 拓扑结构后续故障 实损状态 求解短附问见度模型(3.46) 不确定集 T“流动优化 调整配网内机组出力 滚动优化 移动储能短时间尺度模型 台风风连修复完成 负荷需求短时间尽度确定性出力调整否 数据输入长短时间尺度双层优化模型抢修谢度方案结束 2.3算例分析 结果展示因后续故障导 +*+FG 致的方案调整 F4 故障节点移动指能接口品施工以五分布式电源故障节点●动拍能接口品工 分布式月源 同标故障孕的情能换口 五：分市式电话交通节点移动造能施工队起点 配电网与交通网耦合网 交通节点口动使能·施二以男点 施工队和移动储能滚动优化调度方案示意图 主网动 发电机出力发电机出力 电机出力 -400L 长短时间尺度下的电源出力/负荷需求柱状图 [2]HaoWu,etal.ResilientschedulingofMEsSsandRCsfordistributionsystemrestorationconsideringtheforcedcut-offofwindpower.Energy,2022,244:123081. 2.3算例分析 所提方法能够通过调度移动电源等方法减轻风机切机导致的功率不平衡，减少负荷损失，增强电网弹性。两阶段鲁棒优化方法能够保证电网恢复过程中的安全约束不越限，通过短时间尺度下调整电源出力，可以进一步减少鲁 棒优化策略的保守性。 18 发电成本 16风电削减35 阶段随机方法 两阶段确定性方法文方法 14负荷损失 总成本 2 成本荷恢复量(MW) 本文方法方法A方法B方法C 方法A不考虑移动电源：方法B不考虑风机切机： 方法C不考虑网架重构。 [2]HaoWu,etal.ResilientschedulingofMEsSsandRCsfordistributionsystemrestorationconsideringtheforcedcut-off ofwindpower.Energy,2022,244:123081. 15 0100 200 300400 场景数 L 500 目录 考虑风电出力不确定性的故障抢修决策方法 考虑风机切机的配网故障抢修双层优化方法三考虑灾前灾中与灾后协同的故障抢修优化方法四考虑主配网协同的故障恢复调度策略优化方法 16 3.1考虑灾前灾中灾后的三阶段协同方法 由于台风灾害的影响周期长且路径可预测，提出灾前灾中灾后三阶段的协同调度优化方法，考虑施工队、移动电源、故障隔离和风机切机，用于增强台风灾害下的电网弹性。 合风灾前预质措施 理想状态弹性措范传统措施 R. 预防措施质 灾前阶段1灾中阶段灾害阶段时间 灾前：主动孤岛、移动电源布置： KDHO rd.(c) 移动电源 灾中：故障隔离、出力调整：通电区域移动电源接口手动开关打开灾后：网架重构、微网划分、移动电源再故障区域一一远动开关打开部署、施工队故障抢修。 3.2故障隔离及不同区域建模 采用灾前主动孤岛用于预防，故障发生后操作远动开关（灾中、灾后）和手动开关（灾后）隔离故障，并引入通电状态、故障状态、停电状态三个变量用于表示电网不同区域。 停电区域 接地故障极大的对地电流 设备无法工作节点电压为零 通电区域故障区域 停电区域 -1+Ji+sf≤st≤1-JIAA$$+*. f.s≤s≤1+fi.,i,Vt,Vs通电状态 隔离故障SAA1A'(7s-1)≤"T 线路开关操作 3.3三阶段随机优化模型 针对多阶段多重不确定性（风机风速、负荷需求、线路故障）以及大量概率场景带来的计算负担，选取条件风险价值（CVaR）作为目标函数，用于减少极端场景下的负荷损失风险，并应用PHA算法对多概率场景的随机优化 模型求解，用于减少计算负担。 12345. 12345..* T12345 OHHHHHHHHOHHHHHHHOHHHHHO 012 Decisionstages 条件风险价值（CVaR） 1 1 6