冰雪灾害时电网投资韧性提升和优化模型

朱前进，高 骞，杨俊义，洪 宇，孙小磊

(1.国网江苏省电力有限公司 宿迁分公司，江苏 宿迁 223800；2.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210000；3 .国网江苏省电力有限公司 连云港分公司，江苏 连云港 222000；4.国网江苏省电力有限公司 检修分公司，江苏 南京 210000)

近几年，在全球变暖程度的不断加剧下，极端恶劣天气事件出现概率越来越高，尤其是冬季冰雪灾害天气最为常见。一旦出现冰雪灾害天气，很容易导致电网系统出现长时间中断问题，从而严重影响了居民供电的稳定性和连续性，因此，不断提高电网对冰雪灾害的韧性显得尤为重要。为此，技术人员要加强对相关优化模型的构建，确保电网在冰雪灾害天气环境下，同样具有较高的韧性，只有这样，才能确保电网系统轻松应对冰雪灾害天气，以满足人们的用电需求。

1 冰雪灾害下韧性提升模型

通过将电网系统进行划分处理，使其被划分为以下3个层次：

(1)受控制系统层。受控制系统层主要包含以下几个组成部分：发电机、输电线以及变电站。通过利用该层次，可以采用短路融冰方案，在严格按照设备抗冰相关标准和要求的基础上，选用合适的抗冰防冰策略，借助不同类型的输电线路，对同一场灾害进行集中化处理。另外，还要根据冰雪灾害天气所对应的温度、湿度和风俗等参数，对覆冰厚度进行科学调整和控制；同时，还要根据不同级别，选用合适的攻击方案，实现对输电线路的自动化、实时化检测和保护。最后，还要采用分级别保护方案，根据所设置好的优势情景，在科学划分冰区的基础上，采用低级保护法或者高级保护法，对覆冰进行科学控制和保护，通常情况下，当覆冰厚度达到20 mm时，为了提高电网系统的抵挡覆冰能力，需要优先选用低级保护法；当覆冰厚度达到30 mm时，为了保证电网系统抵抗覆冰能力，需要优先选用高级保护法，只有这样，才能确保电网系统具有较高的抵抗力，从而更好地应对冰雪灾害；

(2)运行控制系统层。运行控制系统层主要用于对电网运行状态的自动化监控，该层主要包含以下几个组成部分：通信单元、远程装置和控制装置。通过利用该层次，可以实现对输电线路相关监测系统的搭建和应用；同时，还能精确地监测和了解输电线路所对应的覆冰情况，为后期预警信息的实时发布创造良好的条件；

(3)人为调度层。人为调度层属于电网系统的最高控制层，通过利用该层次，可以实现对员工专业技能的系统化培训；同时，还能员工更好地开展应急演练工作，为灾后调度工作的有效开展打下坚实的基础。另外，还能实现对应急体系的制定和优化，为后期更好地规范和约束应急管理工作产生积极的影响。

总而言之，通过利用电网系统所对应的3个层次，在充分结合冰雪灾害天气特点的基础上，完成对电网韧性提升方案的制定和完善。

2 电网韧性规划模型构建

2.1 模型基本描述

在冰雪灾害天气环境下，为了最大限度地提高电网系统韧性，需要将该系统韧性提升问题直接转化为数学模型构建问题，该模型在具体的设计中，需要以下3类人员进行参加：设计者、攻击者和防御者。同时，设计者要在充分结合各个层次所对应的起源基础上，对其内部3层结构进行不断地优化和完善；还要做好对电网系统的科学部署，从而提高该系统应对冰雪灾害天气的能力。此外，冰雪灾害的出现，往往对电网系统运行造成不良影响，它主要采用覆冰的方式，对系统内部的输电线路进行直接破坏，导致该线路出现断线、倒塌等问题，导致电网系统无法能够稳定、可靠、安全地运行，从而增加了该系统的损害程度。鉴于此，防御者要针对电网系统当前所面临的损坏程度，制定出系统、完善的动态融冰方案，从而降低冰雪灾害对该系统产生的损害程度。此外，还要加强对剩余配电网络功率流的自动化调整和控制，只有这样，才能将电网系统损失程度降到最低。此外，为了进一步提高鲁棒优化效率和效果，保证电网规划操作合理性，相关决策者要根据当前冰雪灾害天气，制定出系统、完善的电网规划决策方案。最后，系统运营商，要在充分考察当前冰雪灾害天气的基础上，对电网系统所遭受的损害程度进行全面地调查和统计，为后期制定相应的动态融冰方案打下坚实的基础，只有这样，才能有效地缩小电网系统损失程度。

2.2 模型建立

在构建模型期间，技术人员要利用所设置好的目标函数，根据投资意图，将电网系统所对应的最小权重值进行求和，从而得出最终的甩负荷总值。此外，为了提高模型设计水平，还要根据客户的实际使用需求，对电网系统的韧性进行科学衡量，只有这样，才能将电网系统损坏程度降到最低，使得该系统具有较高应对冰雪灾害天气的能力。另外，通过利用韧性指标，可以全面地了解和掌握电网系统应对冰雪灾害天气的能力。在对电网系统进行部署期间，为了确保该系统能够稳定、可靠、安全地运行，技术人员要根据该系统设计计划相关内容，构建出相应的不确定情景，避免因出现冰雪灾害天气而导致电网系统出现重大损害情景。最后，一旦检测到外界天气转向冰雪灾害天气，电网系统会在最短时间内自动启用融冰方案，从而提高该系统应对冰雪灾害天气的能力，为降低该系统损害程度创造良好的条件。对于第1层而言，其属于投资设计保护时期，为了实现对投资相关约束条件的科学调整和控制，技术人员要根据电网系统的使用需求，制定相应的投资成本约束条件；同时，还要确保总投资成本达到最低，远远低于总投资预算。对于第2层而言，其属于破坏时期，该时期可以精确地反映出冰雪灾害破坏系统相关约束条件，一旦某输电线路遭到不同程度破坏，势必导致其他相同级别灾害同时发生，从而降低了电网系统的整体运行性能，使得该系统遭遇较大的损害。对于第3层而言，其融冰调度约束条件在具体的设置中，需要用到以下几个参数，分别是节点功率、线路负荷、电压、电流等，为了最大限度地提高融冰装置运行性能，需要在综合考虑输电线路运行状态的基础上，尽可能降低相关装置保护冗余性。另外，为了进一步提高高级别攻击效果，需要采用合适的高级保护方案，加强对线路的实时检测和维护，避免因线路出现故障，而增加电网系统的运行风险。此外，一旦输电线路遭到不同程度的破坏，会直接影响电网直流电流供应效果，为了避免以上不良现象的发生，技术人员要采用攻击决策，对低级别进行科学攻击处理，从而实现对低级别或者高级别线路的实时保护，只有这样，才能最大限度地提高电网系统应对冰雪灾害能力，为保证居民用电的稳定性和连续性产生积极的影响。

2.3 模型求解

在模型求解这一环节中，技术人员要根据系统所生成的约束条件，在充分结合鲁棒优化需求的基础上，通过完成对通用分解算法框架的科学设计，提高最终计算结果的精确性和真实性。此外，还要将本文构建的模型划分为以下2个组成部分：外层主问题和外层子问题。但是，主要特别关注的问题是本文所设置的模型，当无法直接计算并求解出外层子问题(SPI)，为了解决这一问题，技术人员要采用分解算法，精确地分析和讲解内层主问题和内层子问题。

外层主问题

在分析和解决外层主问题期间，技术人员要在充分结合冰雪灾害破坏集合的基础上，根据所设置好的给定攻击状态，精确地计算和求解出外层主问题所对应的解。另外，还要借助标量变量，制定出系统、完善的最优解支配方案，从而精确地分析和统计电网系统当前所面临的最大损害程度。此外，还要根据灾难情景，对电网系统当前所面临的损害程度，采用迭代公式，精确地计算和统计出现外层子问题所对应的最终求解，需要特别注意的是，为了保证最终计算结果的精确性和真实性，技术人员要借助原始模型，构建相应的冰灾破坏情景，此时，对于外层主问题而言，其与原始模型两者之间具有一定的等效关系。

外层子问题

在分析和处理外层子问题期间，技术人员要根据所设置好的最优保护计划，在充分结合电网系统所遭受的最大损害程度的基础上，制定系统、完善的破坏计划，在此基础上，还要将外层子问题直接转化为融冰求解问题，为后期求解操作打下坚实的基础。此外，还要利用相关算法，选用合适的融冰方案，精确地分析和求解出外层子问题。另外，还要根据所设置好的非线性约束条件，确定出相应的未知量；同时，还要根据线性约束所对应的变量系数，对低层次问题进行转换处理，使其直接转换为单一化线性规划问题，从而降低了问题的分析和解决难度。在此基础上，技术人员还要选用合适的融冰方案，在充分结合对偶原理的基础上，设置相应的对偶变量参数，从而完成对对偶问题的分析和处理。之后，还要将标量变量引入到所设置好的约束条件中，然后，采用合适的最优求解方案，精确地分析和统计出电网系统当前所面临的最小损害情况。最后，还要充分结合电网系统最小损害情况，选用相应的调度方案，利用迭代公式，完成对内层子问题的精确分析和处理，从根本上解决原始模型出现的上限问题。另外，还要选用合适的融冰方案，对内层主问题进行转换处理，使其转换为SPI问题。通过选用合适的最优攻击方案，可以精确地计算电网系统当前所面临的最小损害程度。

3 算例分析

在进行算例分析期间，以某省的“500、220 kV高压输电网络”为例，对其在冰雪灾害天气环境下所对应的韧性优化问题进行分析和解决。由于电力供应作为一项重要产业，主要用于对各个地区电能的实时输送，为此，技术人员要将其设置为该算例所研究的重点对象，并对电网的韧性进行一系列优化和完善。在这一过程中，首先，要根据以上2种类型的高压输电网络，绘制出如图1所示的曲靖电网简图。

图1 曲靖电网简图Fig.1 Schematic diagram of Qujing power grid

图1中的节点1和节点2均代表发电端；节点3～节点5均代表传输节点，这些节点所对应的变电站电压值高达500 kV；节点6～节点14所对应的变电站电压值高达220 kV。此外，地区9所对应的用户往往比较重要，其权重较高，达到2；其余用户的权重均为1。同时，该算法主要用到了间隙(gap)这一参数，该参数的值为0.5%。为了保证最终算例分析结果的精确性和真实性，技术人员要将MATLAB2014b设置为电网系统编程接口，然后，借助Inteli7-7700HQ-4核处理器，完成对MIP问题的科学分析和处理。

节点供应量和节点需求量分别如表1、表2所示。由于各个节点所对应的需求量是未知的，因此，技术人员要根据各个地区GDP所对应的比值，精确地计算和确定出最终的需求量。

表1 节点供应量Tab.1 Node supply

表2 节点需求量Tab.2 Node demand

输电线路保护价格如表3所示。

表3 输电线路保护价格Tab.3 Transmission line protection price 万元/km

从表3可以看出，对于500 kV输电线路而言，其固定式直流融冰设备价格不菲，平均一套所对应的价格高达60万元；对于220 kV输电线路而言，其移动式直流融冰设备价格相对较低，平均一套所对应的价格，仅仅为40万元。为整个线路划分不同的分段，从而得出如表4所示的线路参数。

表4 线路参数Tab.4 Line parameters

当投资预算达到0时，得出如表5所示的运行结果。表5中的和分别代表低级别冰灾破坏课破坏输电线路的最大数量、高级别冰灾破坏课破坏输电线路的最大数量。

表5 运行结果Tab.5 Running results

表5可真实、客观地反映出电网系统当前所对应的韧性水平，当达5时，该系统立即呈现出瘫痪死机状态，此时该系统无法满足用户的使用需求。

当投资预算达到8 000万元时，通过利用本文所提出的算例分析法，精确地计算出gap值为0.5%。由此可见，通过利用直流融冰设备，在某种程度上，可以提高电网系统的韧性。

4 结语

综上所述，在冰雪灾害天气背景下，在充分结合电网系统使用需求的基础上，针对该系统内部3层结构，从韧性提升这一目标出发，通过综合运用提升电网对冰雪灾害韧性相关方案和措施，不断提高电网系统的运行性能。此外，还要借助受控系统层，严格按照相关设计标准，不断增强电网系统的吸收力。另外，还要借助直流融冰，加强对电网系统适应力的全面提升。最后，通过构建3层数学模型，以实现对电网系统的分级保护。只有这样，才能确保电网系统在冰雪灾害天气环境下，也能具备较高的韧性。