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配电系统应急物流模型与算法研究

——Ⅰ:考虑故障的可靠性规划

Nathalie Perrier, Bruno Agard, Pierre Baptiste, Jean-Marc Frayret, Andre′ Langevin,

Robert Pellerin, Diane Riopel, Martin Tre′panier

数学与工业工程系，蒙特利尔大学工学院

摘要：配电系统的应急响应行动涉及可靠性和应急规划层面的一系列决策问题。这些操作包括故障诊断、故障定位、故障隔离、恢复和修复。作为两部分调查的第一部分，本文回顾了配电运行故障情况下可靠性规划问题的优化模型和解决方法。第二部分讨论了应急分配响应的应急规划问题。本文对配电变电站单故障容量的确定、多负荷的重新分配、配电系统的配置、区域划分和库房选址等问题进行了研究。

关键词：电力分配； 应急响应；优化；系统配置；区域设计；库房选址

目录

1. 引言

2. 配电系统

2.1分配操作状态

2.2考虑故障的可靠性规划问题

3．配电变电站故障能力和负荷重新分配模型

4. 考虑故障的系统配置与模型

4.1供电配置模型

4.2配电变压器配置模型

4.3复合馈线变压器和变电站配置模型

4.4复合变电站容量、负荷再分配和系统配置模型

5.区设计模型

6.资源和材料库房选址模型

7.结论

1. 引言

应急分配响应规划的操作涉及到大量可以使用运筹学方法解决的决策问题。从故障情况对客户和电力公司的影响来看，这些问题的重要性是显而易见的。在配电系统服务中断的“极端”状态下，故障情况可能导致服务质量下降，给电力公司造成经济损失。这些损失很难用金钱来量化，但在特定情况下可能会很严重。例如，2008年1月发生在中国中部-东部-南部地区的暴风雪导致多个省份的电力线路和电线杆瘫痪，影响了中国近三分之二的土地，造成了约100亿美元的经济损失。

正如C urcic等人所强调的那样，发电和输电系统规划长期以来一直是运筹学发展和应用的理想领域，这是由于这些系统相关问题的复杂性和挑战性，高额的投资 运营和停机成本以及巨大的受系统的可能性中断影响的顾客数目。然而，有关应急的分配反应的文献经历了缓慢的增长。由于大多数分配系统的径向特点，分配系统占据所有客户信赖度问题的90％以上，这些情况令人有些吃惊。

事实上，应急分配响应中运营研究的缓慢进展凸显了这些问题有相当大的困难。由于像网络的拓扑特征，操作能力和应用的操作设备之类的特性不同，公用事业分配规划人员面临的问题是复杂和特定于站点的。 Khator和Leung之前的一项调查表明，配电规划中的大多数早期贡献都是处理简化的模型，要么未能解决设备故障问题，要么仅通过考虑安全设备容量来解决问题。然而，在过去的二十年中，文献中出现了越来越多的运行研究应用于应急分配响应。分配系统中涉及的大量组件，配电网络的复杂性以及公用事业运营这些网络能力的不断提高都促使在电力分配实用程序中使用各种级别的优化技术。

配电系统中的应急响应物流提出了各种决策问题，可以根据所涉及的规划期限分为两个重要类别：可靠性规划水平和应急水平。可靠性规划水平涉及了设计可靠且稳健的配电网络相关的战略规划决策，其中考虑了故障情况。可靠性问题的规划期通常为五年左右。与配电变电站容量规划，配电系统配置以及服务中心和服务区域的建立相关的决策具有战略意义。应急规划水平涉及了应急响应物流资源的实时管理相关的决策。例如，可以将对紧急响应单元的服务呼叫的分配和紧急响应单元的路由称为实时。

本文是关于配电系统中应急响应的可靠性和应急计划问题的优化模型和解决方案算法中，两部分调查中的第一部分。本文的目的是提供与应急分配操作相关的可靠性规划问题的优化模型和解决方法的全面调查。这些问题包括确定配电变电站的单故障容量，重新分配超额负荷，配置配电系统，将地理区域划分为服务区域，以及定位物料仓库和仓库。第二部分涉及配电系统中应急响应服务恢复，修理车辆路线，维修人员调度和应急响应人员分配模型。

本文的结构如下:第2节描述了配电系统的运行状态以及与配电运行相关的故障考虑的可靠性规划问题。第3节介绍了确定分布变电站单故障容量和超负荷重新分配的模型。第4节介绍了解决具有故障考虑因素的可靠配电网络配置的模型。第5节重点介绍将地理区域划分为服务区域以进行紧急分配操作。第6节介绍了处理应急分配响应的资源和材料库位置的模型。最后一节介绍了分发应急响应计划的结论和未来研究路径。

2. 配电系统

电力是通过发电，输电和配电系统生产交付给消费者。发电系统包括发电厂从另一种形式的能源（化石燃料，核燃料或水力发电）产生电能，以及将发电厂连接到输电线路的发电变电站。传输系统从发电变电站到为变速箱或配电系统提供服务的变电站长距离输送电力。配电系统从大型电力系统向零售客户提供电力。为此，配电变电站从输电网接收电力，并通过电力变压器降压。由许多配电馈线组成的初级配电系统提供的这些变压器，通常是安装在电线杆或地下埋设或管道电缆组上的架空配电线路，从配电变电站向配电变压器供电。通过这些变压器，电源再次降低电压，达到最终利用电压，并在非常靠近消费者的地方或直接连接到消费者的仪表上的目的。由于支线路径必须通过每个客户附近，因此每个子系统使用多个馈线来覆盖指定的服务区域，与其他馈线无关的变电站馈线称为独立馈线。这些馈线为隔离负载需求供电。与相邻变电站的馈线相连的馈线称为连接馈线。在紧急情况下，连接馈线允许变电站的负载转移到相邻的变电站。图1显示了整个电力系统及其发电，输电和配电子系统的简化图。这里，配电变电站提供四个独立的馈电线来覆盖其服务区域。

图1 电力系统及其子系统

配电系统可以设计为径向，环路或网络系统，具体取决于配电馈线与变电站相互连接的方式。径向系统的特征表现为每个消费者和变电站之间仅具有一条路径。径向馈线设计的替代方案是环路系统，其由分布设计组成，其中在变电站和每个消费者之间具有两条路径。网络系统具有从变电站到消费者的多个电路径。径向系统比环路或网络系统成本低得多，并且在规划，设计和操作方面更加简单。然而，径向系统不如其他两种替代方案可靠，因为功率仅从单个路径流出变电站并流向消费者。因此，如果沿着该路径的任何元件发生故障，则会导致消费者完全丧失电力。以下部分简要介绍了配电系统的配电运行状态，然后讨论了与配电系统中的应急响应相关的可靠性规划问题，这些问题已通过运营研究方法得到解决。

2.1分配操作状态

配电系统必须不断地进行监控，调整，扩展，维护和维修，这些活动被统称为分配系统操作。正如Gutie rrez等人所强调的那样，分配系统操作可分为五种操作状态：正常，警报，紧急，极端和恢复状态。当所有客户在可接受的电压容差范围内充分供应，所有组件均正常运行，系统以其通常方式配置且设备负载水平在设计限制内时，该系统被称为正常运行状态。当系统的安全级别降低时，系统处于警报运行状态，但系统仍在允许的限制范围内运行。 C urcic等人将警报状态认定为运行限制处于危险状态的停电前状态。例如，当一台设备趋于过载并且为了保护设备可能使其停止服务时，就会发生预停电状态。这种情况启动将系统恢复到正常状态所需的预防措施。在紧急运行状态，也可称为停电状态，由于短路（称为故障）而违反运行限制。例如，馈线线路断开，变压器停止运行，或断路器在不应该打开时打开。在架空馈线组件上发生的故障称为馈线故障，并且在变电站组件上发生短路，变电站故障，停止服务的设备在清除中断原因之前无法恢复运行。如果可以快速完成，系统可以恢复到正常状态。如果不是，则系统首先进入极端操作状态，其中违反操作限制并且为一个或多个客户中断服务。然后，系统进入恢复操作状态，为剩余的设备提供最佳服务。当系统处于恢复状态时，系统设备的一部分将断开连接，以隔离故障部分，从而导致客户服务中断。清除中断原因可使系统返回正常状态，图2示出了五种操作状态之间的可能转换。

2.2考虑考虑故障的可靠性规划问题

最基本地，处理故障的可靠性策略解决了配电站单故障容量的确定以及对变电站的过载需求的重新分配（第3节）问题。在许多大型电力公用事业中，变电站容量的确定是根据紧急情况下可以处理的最大负载。在大型电力公用事业中广泛使用的一种紧急政策，称为单故障政策，它允许在任何给定时间内，在服务区域的变电站之间发生单一的变压器故障。更多涉及的可靠性策略，考虑了故障情况，通过添加新的馈线，变电站变压器或变电站来重新配置系统（第4节）。

将地理区域划分为紧急修复区（第5节）也是个具有考虑故障因素在内的可靠性计划。鉴于大多数紧急分配业务的地理范围分散很大，公用事业公司通常将其服务区域划分为区域的子区域。所有地区由不同的工作人员同时处理，以便于组织紧急维修操作，从而减少电力中断的持续时间。区域设计问题包括根据连续性，规模和工作量等几个标准将大型服务区划分为不重叠的小区。如果每对基本单元都连接在一个区域，那么它就是一个区域。基本单位是用于将服务区域划分为区域的分析单位，并被定义为小型地理实体。此外，如果区域的大小大致相同并且分配了相同的资源，那么区域的工作量就会平衡。紧急修复区的设计类似于Bergey等人研究的电力分配问题。在解除管制的市场背景下，一些竞争性业务部门负责传输和分配功能，其紧急修复区的设计也有一些特点，涉及了电弧布线应用的限制问题，例如Bodin和Levy在邮政投递和垃圾收集部门设计中研究的电弧划分问题[14,19， 7]。最后，考虑故障的可靠性计划可以帮助找到资源库（第6节）。资源库是存储用于恢复当地电力的资源的地方，这些资源包括维修人员，车辆，电线杆和变压器。仓库可以是不同的，即每个仓库中的资源类型和每种类型的资源的量可以是不同的。资源库位置问题包括同时选择适当的站点以分配具有资源容量的不同仓库，以及确定从仓库运送到各个地理位置分散的位置或客户的资源量，以满足客户的需求，同时最大限度地降低电力恢复的总运输成本。

3. 配电变电站单故障容量和负荷重新分配模型

Leung等人为了确定变电站的单故障能力问题，提出了一个线性规划公式。设S是服务区内的变电站的集合（包括变电站k，被评估的变电站），变电站变压器的容量之和称为正常变电站容量，即变电站在正常条件下可以处理的负载。当变压器在变电站发生故障时，故障变压器的负载可以转移到剩余的在线变压器，这些变压器在短时间内以100％以上的紧急速率运行，直到变压器得到修复。变电站运行中，变压器运行超出设计限值的容量总和称为紧急变电站容量。对于每个变电站iisin;S，让UDi为非负实数变量，表示变电站i的未满足需求，并将NCi，ECi，LDi和FCi定义为变电站的正常容量，应急容量，负荷需求和馈线传输容量。在满足负载需求的情况下，变电站的输送能力是变电站的过剩馈线容量。设SiCS是变电站i，iisin;S的相邻变电站的集合，对于每个变电站iisin;S和每个相邻变电站jisin;Si，让Pij为非负实数变量，当变电站i处于紧急状态时，通过连接馈线从变电站j传输到变电站i的电量，并让AFCij表示馈电线的总容量将变电站j连接到变电站i，将M定义为总功率传输限制。我们在这里提出了Leung等人的等效非线性版本，关于变电站单断层容量问题的公式（我们消除了Leung等人引入的附加约束和变量以使模型线性化）。

图2 配电系统的运行状态

约束条件：

目标函数（3.1）最大化了变电站k在单故障策略下可以处理的负载。当变电站k的最大变压器发生故障时，变电站k的单故障容量对应于第一项，即其紧急负载容量与通过相邻变电站馈线接收的功率之和。参数aki是考虑馈线电压降的折扣因子。允许配电系统中的电压降降低系统需求。当相邻变电站到子站k的最大变压器发生故障时，变电站k的单故障容量对应于第二项，即在为相邻变电站供电后变电站的剩余容量。两个容量中的最小值是变送器在单故障策略下可以处理的最大负载。对于未满足的需求，参数d是较小的惩罚值。约束（3.2）和（3.3）是保证在发生变压器故障时满足服务区的负载需求。约束条件（3.4） - （3.6）是确保分配容量，变电站正常容量和预测负载需求，所施加的功率传输限制得到成功。变电站的配电容量是变电站供电的容量之和。约束条件（3.4）和（3.5），假设变电站的负载可以在紧急情况下在其变压器之间重新分配，但是，如果无法在变电站内进行负载重新分配，则必须使用以下约束替换这些约束。

对于每个变电站iisin;S和每个相邻的变电站jisin;Si，让FLij成为连接i和j的馈线上的负载。然后，约束（3.10）确保连接馈线的传输容量或其相邻站的馈线上的负载所施加的功率传输限制得到保证。通过约束集（3.7）在紧急情况下，对所有相邻变电站转移到任何变电站的总功率的限制，对服务区域中的每个变电站重复模型（3.1）-（3.9）。

在同一篇论文中，Leung等人提出了一种线性规划公式，将过量负荷需求重新分配给变电站，以便在故障发生后及时恢复某些负荷。当变电站的变压器发生故障时，相邻的变电站可以通过连接的馈线向其转移电力，从而暂时满足部分变电站的需求负荷。然而，当变电站的预测负荷需求超过变电站的最大负荷时，公用事业规划人员可以永久性地将过剩负荷重新分配给相邻的变电站，而无需新的资本投资，例如建筑物馈电线，购买变压器或建造新的变电站。对于每个变电站iisin;S和每个相邻变电站jisin;Si，让Rij为非负实数变量，表示从变电站j重新分配到相邻变电站i的负载量，并且让Vij表示馈线从变电站j到变电站i可以相对于电压额定值重新分配的最大负载。

目标函数（3.11）最小化了相邻变电站的总负载。约束（3.12）和（3.13）分别确保了，在变电站或相邻变电站处于紧急状态时的，单故障紧急情况下的负载重新分配后满足负载需求要求

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