一种电力应急资源两阶段规划方法及系统与流程

1.本发明涉及能源领域，特别是涉及一种电力应急资源两阶段规划方法及系统。


背景技术：

2.在碳达峰、碳中和目标约束下，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为我国电力系统发展的必然趋势。21世纪以来，电网发展突飞猛进，呈现出高比例可再生能源和高比例电力电子装备接入的新特征。与此同时，随着智能电网和能源互联网的建设和发展，电网信息-物理系统深度耦合，电网的形态结构和运行方式日趋复杂，使得电网的安全运行比以往更容易受到极端天气、自然灾害、恶意攻击等因素的威胁。电网韧性是衡量电网在内外部的各类威胁和扰动下减小故障造成的损失并尽快恢复到正常供电状态的能力，考虑韧性提升的电网优化已成为目前国内外研究的热点问题。
3.提升配电网韧性的措施一般可分为如下三个维度：极端事件发生前的应急资源提前规划布局、事件过程中的应急资源紧急调配和事件发生后的应急资源快速响应。现有针对配电网韧性的研究大多集中在应急资源的紧急调配和快速恢复供电方面，电力应急资源的规划是保障应急资源事中紧急响应、事后快速恢复供电的前提，对提升电网韧性具有至关重要的作用，其既涉及应急服务点的优化选址，也包括应急资源在各应急服务点的容量配置，现有研究未能实现两者的有机结合。因此，需要开展考虑不确定性和负荷重要度的电力应急资源两阶段规划方法的相关研究，为提高配电网韧性提供理论支撑。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电力应急资源两阶段规划方法及系统，以实现电力应急服务点的选址规划与应急资源的优化配置，提高电力系统的韧性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种电力应急资源两阶段规划方法，所述方法包括：
7.构建考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型；
8.以负荷点停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型；
9.建立以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型；
10.采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得待规划配电网的应急服务点选址集合；
11.考虑各负荷点应急资源需求的不确定性，建立以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型；
12.将所述电力应急资源配置模型转化为乐观优化模型和悲观优化模型；
13.基于待规划配电网的应急服务点选址集合，利用线性规划算法求解待规划配电网的乐观优化模型和悲观优化模型，获得待规划配电网的应急服务点向负荷点运输应急资源的数量。
14.可选的，所述考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型为
[0015][0016]
式中，ri为负荷点i的单位时间停电风险，pi为在给定时段内负荷点i发生停电故障的概率，ρi为负荷点i的重要度，h(ρi)为负荷点i的单位停电损失，li为负荷点i的功率需求，pi为负荷点i的备用发电容量，q0为用户的单位停电成本。
[0017]
可选的，所述以负荷点停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型，具体包括：
[0018]
以负荷点停电风险作为负荷点的权重，构建电力应急网络赋权无向图模型为其中，表示无向图，表示电力应急网络的负荷点集合，v1、v2和vv分别表示电力应急网络中的第1、2和v个负荷点，ε＝{e1，e2，
…
，ee}表示电力应急网络的路径集合，e1、e2和ee分别表示电力应急网络中的第1、2和e个路径，表示电力应急网络负荷点的权重集合，此处采用负荷点停电风险来表征负荷点的权重，r1、r2和rv分别表示电力应急网络中的第1、2和v个负荷点的权重；
[0019]
根据所述电力应急网络赋权无向图模型，建立基于图论的电力应急网络模型为其中，l(vi，vj)表示无向图中负荷点vi和负荷点vj之间的最短距离，l(vi，v
p
)表示无向图中负荷点vi和负荷点v
p
之间的最短距离，l(v
p
，vj)表示无向图中负荷点v
p
和负荷点vj之间的最短距离，l(vi，vq)表示无向图中负荷点vi和负荷点vq之间的最短距离，l(v
p
，vq)表示无向图中负荷点v
p
和负荷点vq之间的最短距离，且负荷点vj在无向图中负荷点v
p
和负荷点vq之间。
[0020]
可选的，所述以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型为
[0021][0022]
式中，f1表示负荷点停电风险，f2表示应急服务点的投资成本，表示负荷点i到应急服务点选址集合的最短距离，满足d
avg
表示应急资源在交通网络上的平均行驶速度；si为0-1变量，当si＝1时，表示负荷点为应急服务点的选址，否则si＝0；ci表示负荷点为应急服务点时应急服务点的等值投资成本，c0表示应急服务平台的运维成本，t
i，max
表示负荷点i的最大允许停电时间，c
max
为应急服务点规划投资的成本上限。
[0023]
可选的，所述采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得
待规划配电网的应急服务点选址集合，具体包括：
[0024]
将多点多目标选址规划模型转化为单目标优化模型为式中，表示第k个子优化问题中应急服务点的投资成本f2的上限，和分别表示应急服务点的投资成本f2的上下限；k表示将f2的取值范围平均分为k段；
[0025]
根据待规划配电网的基础数据，对所述单目标优化模型进行求解，获得待规划配电网的应急服务点选址集合
[0026]
可选的，所述以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型为
[0027][0028]
约束条件为：
[0029][0030][0031][0032]
式中，f
allo
表示应急资源的总成本，表示电力应急资源的总运输成本，表示应急资源的投资成本，表示电力应急资源的集合，h表示应急资源类型数，π
rjh
表示应急服务点r向负荷点j运输应急资源h的数量，l(vr,vj)表示应急服务点r和负荷点j之间的最短距离，ρj表示在给定时段内负荷点j发生停电故障的概率，表示应急资源h的单位距离运输成本，m
rh
表示应急服务点r中应急资源h的数量，表示应急资源h的单位投资成本，d
jh
表示负荷点j电力应急资源h的需求，表示负荷点j电力应急资源h的需求，和d
jh
分别表示该不确定区间的上下边界，表示应急服务点r的应急资源h的数量上限。
[0033]
可选的，所述乐观优化模型为
[0034][0035][0036][0037][0038]
所述悲观优化模型为
[0039][0040][0041][0042][0043]
可选的，所述线性规划算法为单纯型法或分支定界法。
[0044]
一种电力应急资源两阶段规划系统，所述系统包括：
[0045]
负荷点停电风险模型构建模块，用于构建考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型；
[0046]
电力应急网络模型建立模块，用于以负荷点停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型；
[0047]
多点多目标选址规划模型建立模块，用于建立以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型；
[0048]
应急服务点选址集合获得模块，用于采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得待规划配电网的应急服务点选址集合；
[0049]
电力应急资源配置模型建立模块，用于考虑各负荷点应急资源需求的不确定性，建立以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型；
[0050]
模型转化模块，用于将所述电力应急资源配置模型转化为乐观优化模型和悲观优化模型；
[0051]
应急资源配置规划模块，用于基于待规划配电网的应急服务点选址集合，利用线性规划算法求解待规划配电网的乐观优化模型和悲观优化模型，获得待规划配电网的应急服务点向负荷点运输应急资源的数量。
[0052]
可选的，所述考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型为
[0053][0054]
式中，ri为负荷点i的单位时间停电风险，pi为在给定时段内负荷点i发生停电故障的概率，ρi为负荷点i的重要度，h(ρi)为负荷点i的单位停电损失，li为负荷点i的功率需求，
pi为负荷点i的备用发电容量，q0为用户的单位停电成本。
[0055]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0056]
本发明公开一种电力应急资源两阶段规划方法及系统，在第一阶段，考虑不同类型负荷停电损失的差异化特性，构建考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型；以停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型；建立以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型，采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得待规划配电网的应急服务点选址集合，实现电力应急服务点的选址规划；在第二阶段，基于第一阶段的应急服务点选址规划结果，考虑各负荷点应急资源需求的不确定性特征，引入区间数来表征各负荷点的应急资源需求，提出基于区间优化的应急资源在各服务点的优化配置模型，针对所构建区间规划模型，引入乐观优化问题和悲观优化问题，提出了区间规划问题的确定性转化与求解方法，实现了应急资源的优化配置，为应急资源的事中紧急调配提供决策支持，保障应急资源事中紧急响应、事后快速恢复供电，提高电力系统的韧性。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明提供的一种电力应急资源两阶段规划方法的流程图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
本发明的目的是提供一种电力应急资源两阶段规划方法及系统，以实现电力应急服务点的选址规划与应急资源的优化配置，提高电力系统的韧性。
[0061]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0062]
本发明提供了一种电力应急资源两阶段规划方法，如图1所示，方法包括：
[0063]
步骤101，构建考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型。
[0064]
电力系统一般通过事件或故障发生的概率与其造成损失的乘积来对风险进行量化。对于发生同样的破坏性事件，其对不同类型的用户带来的损失不同，考虑不同类型负荷停电损失的差异化特性，提出考虑负荷重要度的停电风险量化模型。
[0065]
对于负荷点i，假定其在给定时段内发生停电故障的概率为pi(该值可通过可靠性评估来获取，此处不再进行详细分析)，考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型为
[0066][0067]
式中，ri为负荷点i的单位时间停电风险，pi为在给定时段内负荷点i发生停电故障的概率，h(ρi)为负荷点i的单位停电损失，li为负荷点i的功率需求，pi为负荷点i的备用发电容量，q0为用户的单位停电成本。其中ρi为负荷点i的重要度，当ρi取值越接近0，表征负荷点i的重要程度越低，反之重要程度越高。
[0068]
步骤102，以负荷点停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型。
[0069]
具体包括：
[0070]
假定给定电力应急网络包含v个负荷点和e条交通路径，以负荷点停电风险作为负荷点的权重，构建电力应急网络赋权无向图模型为其中，表示无向图，表示电力应急网络的负荷点集合，v1、v2和vv分别表示电力应急网络中的第1、2和v个负荷点，ε＝{e1，e2，
…
，ee}表示电力应急网络的路径集合，e1、e2和ee分别表示电力应急网络中的第1、2和e个路径，表示电力应急网络负荷点的权重集合，此处采用负荷点停电风险来表征负荷点的权重，r1、r2和rv分别表示电力应急网络中的第1、2和v个负荷点的权重；
[0071]
根据电力应急网络赋权无向图模型，建立基于图论的电力应急网络模型为其中，l(vi，vj)表示无向图中负荷点vi和负荷点vj之间的最短距离，l(vi，v
p
)表示无向图中负荷点vi和负荷点v
p
之间的最短距离，l(v
p
，vj)表示无向图中负荷点v
p
和负荷点vj之间的最短距离，l(vi，vq)表示无向图中负荷点vi和负荷点vq之间的最短距离，l(v
p
，vq)表示无向图中负荷点v
p
和负荷点vq之间的最短距离，vi，且负荷点vj在无向图中负荷点v
p
和负荷点vq之间。
[0072]
步骤103，建立以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型。
[0073]
构建应急服务点多目标规划模型，综合考虑负荷点停电风险和应急服务点的投资成本，优化目标如下：
[0074][0075][0076]
构建应急服务点多目标规划模型，约束条件如下：
[0077]
应急服务时限约束：
[0078][0079]
投资成本约束：
[0080][0081]
因此，以负荷点停电风险和应急服务点的投资成本最小化为目标的多点多目标选
址规划模型为
[0082][0083]
式中，f1表示负荷点停电风险，f2表示应急服务点的投资成本，表示负荷点i到应急服务点选址集合的最短距离，满足d
avg
表示应急资源在交通网络上的平均行驶速度；si为0-1变量，当si＝1时，表示负荷点为应急服务点的选址，否则si＝0；ci表示负荷点为应急服务点时应急服务点的等值投资成本，c0表示应急服务平台的运维成本，t
i，max
表示负荷点i的最大允许停电时间，c
max
为应急服务点规划投资的成本上限。
[0084]
步骤104，采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得待规划配电网的应急服务点选址集合。
[0085]
ε-约束法的一般思路是从多目标优化模型中选取重要的目标作为优化对象，剩下的目标作为附加约束条件，从而可将原多目标优化问题转化为一系列单目标优化问题。给定多目标优化问题的一般化形式如下：
[0086]
min{f1(x)，f2(x)，
…
，f
l
(x)}
[0087]
s.t.x∈ω
[0088]
其中，x为决策变量，f1(x)，
…
，fl(x)为l个目标函数，ω为x的可行域。选取f1(x)为主要目标，则考虑ε-约束法后可转化为：
[0089]
min{f1(x)，f2(x)，
…
，f
l
(x)}
[0090]
s.t.f2(x)≤ε2[0091]
…
[0092]fl
(x)≤ε
l
[0093]
x∈ω
[0094]
其中，ε2，
…
，ε
l
分别为目标函数f2(x)，
…
，f
l
(x)的上限。
[0095]
基于此，对于本文的应急服务点规划模型，以目标函数f1为主要目标，将目标函数f2的取值范围平均分为k段，则将多点多目标选址规划模型转化为单目标优化模型为
式中，表示第k个子优化问题中应急服务点的投资成本f2的上限，知分别为应急服务点的投资成本f2的上下限；
[0096]
采集交通和电力网络拓扑、负荷点功率需求以及备用电源容量等。
[0097]
对单目标优化模型进行求解，获得待规划配电网的应急服务点选址集合
[0098]
步骤105，考虑各负荷点应急资源需求的不确定性，建立以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型。
[0099]
电力应急资源的优化配置，需在深入分析各负荷点的应急资源需求的基础上，通过在各类应急资源在各应急服务点优化分配，实现应急资源运输成本最小的目标。由于天气、人为等因素造成电力元件设备停运存在强不确定性，采用区间形式来表征各负荷点的应急资源需求，以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型为
[0100][0101]
约束条件为：
[0102][0103][0104][0105]
式中，f
allo
表示应急资源的总成本，表示电力应急资源的总运输成本，表示应急资源的投资成本，表示电力应急资源的集合，h表示应急资源类型数，π
rjh
表示应急服务点r向负荷点j运输应急资源h的数量，l(vr,vj)表示应急服务点r和负荷点j之间的最短距离，ρj表示在给定时段内负荷点j发生停电故障的概率，表示应急资源h的单位距离运输成本，m
rh
表示应急服务点r中应急资源h的数量，表示应急资源h的单位投资成本，d
jh
表示负荷点j电力应急资源h的需求，表示负荷点j电力应急资源h的需求，和d
jh
分别表示该不确定区间的上下边界，表示应急服务点r的应急资源h的数量上限。
[0106]
步骤106，将电力应急资源配置模型转化为乐观优化模型和悲观优化模型。
[0107]
对于区间优化模型，其优化目的是要得出应急资源配置方案的区间解。因此，为了求得该区间解的上下边界，一般化思路是将该区间优化模型转化为两个确定性模型，即乐观优化问题和悲观优化问题。通过求解两个确定性优化问题，可得到应急资源配置方案的乐观解和悲观解。
[0108]
乐观优化问题为：
[0109][0110][0111][0112][0113][0114]
其中，w
jh
表示负荷点j需要的应急资源h的数量。
[0115]
由于乐观优化问题内外层均为求最小化，可直接合并为单层优化问题进行求解。为了保证求得解为区间优化问题的下界，将不确定区间松弛为下界以保证可行域最大，故转化后的乐观优化模型为
[0116][0117][0118][0119][0120]
悲观优化问题为：
[0121][0122][0123][0124][0125][0126]
对于悲观优化问题，希望优化的可行域尽可能小，则将不确定区间松弛为上界，故转化后的悲观优化模型为
[0127]
[0128][0129][0130][0131]
步骤107，基于待规划配电网的应急服务点选址集合，利用线性规划算法求解待规划配电网的乐观优化模型和悲观优化模型，获得待规划配电网的应急服务点向负荷点运输应急资源的数量。
[0132]
基于区间优化的电力应急资源配置模型已转化为两个确定性的线性规划问题，可采用单纯型法、分支定界法等方法进行求解。
[0133]
在所提两阶段规划框架中，在第1阶段，考虑不同类型负荷停电损失的差异化特性，提出负荷重要度及停电风险量化模型；以停电风险作为负荷点的权重，建立电力应急网络的赋权无向图模型；考虑负荷点停电风险、应急服务时限、服务点投资成本等因素，提出应急服务点多点多目标选址规划模型，提出基于ε-约束的多目标规划模型求解方法，符合应急服务点的实际选址需求。在第2阶段，基于第1阶段的应急服务点选址规划结果，考虑各负荷点应急资源需求的不确定性特征，引入区间数来表征各负荷点的应急资源需求，提出基于区间优化的应急资源在各服务点的优化配置模型；针对所构建区间规划模型，引入乐观优化问题和悲观优化问题，提出了区间规划问题的确定性转化与求解方法。
[0134]
本发明所提的两阶段规划方法，可实现电力应急服务点的选址规划与应急资源的优化配置，提高电力系统的韧性，具有一定的实际应用价值。
[0135]
通过采用本发明所述的电力应急资源两阶段规划方法，可将其优化后的结果应用到实际电力系统的应急服务点优化选址和应急资源在各应急服务点的容量配置。本发明中的两阶段规划方法所依据的基础数据包括交通和电力网络拓扑、负荷点功率需求以及备用电源容量等，符合电力系统的发展实际情况；考虑不同类型负荷停电损失的差异化特性，提出负荷重要度及停电风险量化模型；以停电风险作为负荷点的权重，建立电力应急网络的赋权无向图模型；考虑负荷点停电风险、应急服务时限、服务点投资成本等因素，提出应急服务点多点多目标选址规划模型，提出基于ε-约束的多目标规划模型求解方法，符合应急服务点的实际选址需求。引入区间数来表征各负荷点的应急资源需求，体现了各负荷点应急资源需求的不确定性特征；针对所构建区间规划模型，引入乐观优化问题和悲观优化问题，提出了区间规划问题的确定性转化与求解方法，简化求解过程。通过使用本发明所述两阶段规划方法，将优化结果应用到应急服务点选址与应急资源容量配置的整合规划中，可实现电力应急服务点的选址规划与应急资源的优化配置，为应急资源的事中紧急调配提供决策支持，保障应急资源事中紧急响应、事后快速恢复供电，提高电力系统的韧性。
[0136]
本发明还提供了一种电力应急资源两阶段规划系统，系统包括：
[0137]
负荷点停电风险模型构建模块，用于构建考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型；
[0138]
电力应急网络模型建立模块，用于以负荷点停电风险作为负荷点的权重，建立基于图论的电力应急网络模型；
[0139]
多点多目标选址规划模型建立模块，用于建立以负荷点停电风险和应急服务点的
投资成本最小化为目标的多点多目标选址规划模型；
[0140]
应急服务点选址集合获得模块，用于采用ε-约束法求解待规划配电网的多点多目标选址规划模型，获得待规划配电网的应急服务点选址集合；
[0141]
电力应急资源配置模型建立模块，用于考虑各负荷点应急资源需求的不确定性，建立以区间形式表征各负荷点应急资源需求的电力应急资源配置模型；
[0142]
模型转化模块，用于将电力应急资源配置模型转化为乐观优化模型和悲观优化模型；
[0143]
应急资源配置规划模块，用于基于待规划配电网的应急服务点选址集合，利用线性规划算法求解待规划配电网的乐观优化模型和悲观优化模型，获得待规划配电网的应急服务点向负荷点运输应急资源的数量。
[0144]
考虑负荷重要度的负荷点停电风险模型为
[0145][0146]
式中，ri为负荷点i的单位时间停电风险，pi为在给定时段内负荷点i发生停电故障的概率，h(ρi)为负荷点i的单位停电损失，li为负荷点i的功率需求，pi为负荷点i的备用发电容量，q0为用户的单位停电成本。
[0147]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0148]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。