一种最优化变电倒闸操作票的全整数规划模型及求解方法

2013-10-15钟世民史先好

山东电力技术 2013年4期

钟世民，史先好，李晨，宋佳

（青岛供电公司，山东青岛 266002）

0 引言

倒闸操作是变电运行人员的主要工作之一，改变电网运行方式，设备停电检修等都需要通过倒闸操作实现，而倒闸操作票则是变电运行人员进行倒闸操作的依据，运行人员必须严格按照操作票中的操作内容和操作顺序进行操作，不得擅自更改操作票［1］；大型倒闸操作的操作用时大都超过1 h，而敞开式设备变电站的操作用时较六氟化硫封闭式组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备变电站更长，因此，如能缩短操作用时，则可以减少运行人员的工作量，提高检修工作的效率，有利于电网的安全稳定运行。

目前，关于倒闸操作票的研究大都聚焦于操作票自动生成系统的开发与研制上［2－4］，其中又以调度员使用的倒闸操作票居多，文献［5］提出了基于SCADA系统的调度操作票系统的设计，解决了传统操作票系统与SCADA系统之间接口的不稳定性；文献［6］提出了基于网络重构技术的调度操作票系统设计，基于网络重构及静态安全分析，找出最佳开关操作方案；文献［7］把以潮流计算为基础的电网静态安全校验与操作票专家系统相结合，对执行操作票后可能对电网造成的影响预先进行计算分析，并以此为基础研制了调度操作票专家系统；目前关于变电运行人员使用的倒闸操作票则涉及较少，而关于最优化变电倒闸操作票的理论、算法研究及应用研究尚未见报道。

操作用时取决于操作人员操作的熟练程度，由一个操作地点到另一个操作地点的行进速度和操作票的合理度。当操作人员确定后，熟练程度和行进速度即为确定量，由此，着重讨论操作票的合理度对操作用时的影响，引出了最优操作票的概念，并对其数学模型及求解方法进行了研究，最后以一个220 kV主变压器停电的操作票为例，验证本文模型和算法的合理性和有效性。

1 最优操作票的概念及数学模型

在220 kV变电站，尤其是敞开式设备的变电站中操作，变换操作地点所消耗的时间在操作总用时中所占的比重最大，因此，如果操作票能将操作人员的移动距离降至最小，将有效的缩短操作用时。

最优操作票是指操作项目符合电力安全工作规程的要求，同时在操作中操作人员不至于多跑路，跑弯路或者重复上下楼梯的操作票［8］。最优操作票要求在整个操作过程中，操作人员移动距离最小，同时又受电力安全工作规程的约束。

1.1 目标函数

式（1）的含义为整个操作过程中的移动距离最小，n为操作票中操作项的总数，d为操作项xi的移动距离函数。

1.2 约束条件

1）操作地点的约束，该约束表征操作项xi的操作地点，可描述为

式中：p为操作项xi的操作地点函数；μi为常量。

2）操作项在操作票中的排序约束，该约束保证操作票符合电力安全工作规程，变电站现场运行规程及调度指令的要求，从而保证该操作票的合格、规范。描述为

式中：index表示操作项xi在操作票中的排序函数；Δ表示上下限值，为常整数。

3）关联约束，表示变量之间的耦合关系，令index（xi）＝c，则 xi＝index－1（c），表述为

式中：D为两个操作地点之间的距离函数。由此，公式（1）～（4）构成本文最优操作票问题的数学模型。

2 模型分析及求解策略

最优操作票模型为全整数规划模型［9］，整数规划的可行解域是一个有限集合，若能把这个集合的每一个点对应的目标函数值都计算出来，即可获得整数规划问题的最优解，这种方法称为完全枚举法。该方法的问题是计算量太大，当变量数和约束条件增加时，该算法所需时间与问题规模成非线性增长，甚至是不可实现的，因此，通常的处理方法是将完全枚举法转换为部分枚举法［9］。

对数学模型进行分解，分解为问题1、问题2，问题1只考虑约束（3），为一组不等式约束，以获得操作项在操作票中的排列顺序，一般情况下，某几项操作在操作票中的位置是固定的，利用这一性质，可以将有效组合确定在一个较小的范围内，并分块进行，可大大降低求解难度，例如：假定操作项xm，xr在操作票里的位置确定，则可将只能排在操作项xm之前的操作项进行捆绑，只能排在操作项xm，xr之间的操作项进行捆绑，只能排在操作项xr之后的操作项进行捆绑，形成三个块，先将各个块里的操作项进行排序，再对块与块之间进行排列组合，最终获得操作票中操作项的排列顺序。问题2以式（1）为目标函数，考虑约束（2）、（4），以获得操作项在操作票中的最优排列顺序，最终获得最优操作票。计算流程如图1所示。

图1 算法流程

3 算例分析

以青岛供电公司220 kV水清沟变电站2号主变压器停电操作票为例，对模型和算法进行验证。算法所需程序均在Matlab7.10.0上实现。

水清沟变电站220 kV侧为双母线带旁路接线［9］，双母线正常并列运行，35 kV为四段母线接线，1号主变供甲母线、2号主变供乙Ⅰ、乙Ⅱ母线，3号主变供丙母线，甲乙Ⅰ分段开关、乙Ⅱ丙分段开关配置备用电源自投装置。其一次接线图如图2所示，操作票中的主要操作项如表1所示，各操作地点之间的距离如表2所示。

图2 水清沟变电站一次接线图

表1 水清沟变电站2号主变停电主要操作项

表2 水清沟变电站操作地点之间的距离

3.1 问题1的求解

本算例中，约束（3）包含以下几方面：

1）2号主变停电，其所供的乙Ⅰ、乙Ⅱ母线不能对外限电，因此，应该在拉开主变低压侧开关之前合上甲乙Ⅰ分段开关和乙Ⅱ丙分段开关，合上分段开关之前需要先停用相应的备用电源自投装置。

2）主变停电时，先停低压侧、再停高压侧，因此，低压侧开关必须在高压侧开关之前拉开。

3）主变停电操作时，主变中性点必须接地，目的是为了防止操作过电压［8］，同时，整个电网的中性点接地数目应该保持不变，以保证零序电流的大小和分布与保护的整定相适应，这就存在倒中性点的操作，本算例中2号主变中性点本来在合位，因此合上3号主变中性点刀闸的操作应该在2号主变高压侧开关拉开之前，3号主变间隙过流过压保护应该在合上中性点接地刀闸之前停用。

4）两台主变并列运行时，其分头位置必须一致，因此，合上任何一个分段开关之前应检查并列的主变分头位置一致。

5）调度指令顺序，要求先合乙Ⅱ丙分段开关，拉开2号主变低压侧乙开关；再合甲乙Ⅰ分段开关，拉开2号主变低压侧甲开关。

由以上对约束（3）的分析，本算例中的操作项可以分为5个相对独立的块，如表3所示。

在满足约束（3）的基础上，先对每个块里的操作项进行排序，再对5个独立块进行组合，即可得各操作项可行的排列方案，亦即合格可行的操作票。形成的可行方案如表4所示。