面向风暴灾害的配电网韧性协同规划：机械开关优化配置与微网构建新方法

《Results in Engineering》：Coordinated and Proactive Resiliency-oriented Planning of Distribution Networks against Storms: Optimal Placement of Mechanical Switches and Microgrid Forming

为解决极端天气下配电网脆弱性高、恢复时间长的问题，研究人员开展了一项针对风暴灾害的配电网韧性协同规划研究。该研究创新性地提出机械开关优先故障协调概念，通过两阶段随机优化框架实现机械开关与电气开关的协同配置及微网形成。结果表明，该方法能有效预防杆塔级联倒塌，将恢复时间缩短80%，预期缺供电量（EENS）降低超35%，为高成本效益的韧性提升提供了新范式。

　　

随着气候变化加剧，洪水、台风、风暴等高频次、高影响的自然灾害对电力系统，特别是暴露在外的配电网络，构成了严峻挑战。传统的配电网在风暴面前尤为脆弱，强风裹挟着冰雪会在线路上积累，导致导线重量和张力急剧增加。一个常被忽视的关键问题是，导线的抗拉强度通常远高于其支撑结构——电线杆的机械强度。这意味着，在风暴中，导线往往能“幸存”下来，但其传递的巨大拉力却会先于自身断裂而拉垮电线杆。杆塔的倒塌不仅修复成本高昂、耗时漫长，更易引发连锁反应，造成大范围停电，显著推高预期缺供电量（EENS）和社会经济损失。以往提升韧性的方法，如杆塔加固、部署分布式电源（DG）和电气开关等，虽有一定效果，但往往面临成本过高或无法根本解决结构性脆弱的问题。因此，探索一种成本可控、能主动预防结构性破坏的创新韧性增强策略，已成为电力工程领域的迫切需求。

在此背景下，发表在《Results in Engineering》上的这项研究，提出了一种名为“韧性协调”的全新理念。其核心思想颇具巧思：与其被动等待昂贵的杆塔被拉垮，不如主动地、有控制地让成本更低、更易修复的导线在预设的“机械断裂点”先断开。这就像为配电网安装了一个“机械保险丝”。为了实现这一目标，研究人员构建了一个两阶段的随机、协同、主动的韧性规划框架。

为开展这项研究，作者团队主要应用了几个关键技术方法：首先，基于实验数据推导了导线和混凝土杆塔在不同拉力和覆冰条件下的脆弱性曲线（Fragility Curves），为量化风暴破坏风险提供了基础。其次，采用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）生成了大量包含线路可用性、负荷需求和天气条件不确定性的场景，并利用k-medoids聚类算法进行场景缩减，以平衡计算复杂度和精度。最后，将问题构建为一个混合整数非线性规划（MINLP）模型，并在GAMS环境中使用CPLEX求解器进行优化求解，以确定机械开关、电气开关、光伏（PV）和柴油发电机（DG）的最佳配置方案。研究基于修改后的IEEE 33节点配电系统进行测试。

1. 韧性协调新概念

研究通过对导线和杆塔（如12-400型杆和Hyena导线）的拉伸实验，量化了其失效概率。结果表明，导致导线断裂所需的拉力远大于杆塔的破坏阈值。这证实了风暴中“杆塔先于导线失效”是常态，从而为“让导线优先可控断裂”的韧性协调策略提供了理论依据。该策略可通过两种方式实现：一是调整组件脆弱性曲线，使导线在更低拉力下失效；二是在关键位置（如线路末端、转角杆塔处）优化安装机械开关，在拉力临界时主动切断导线，保护杆塔。

2. 模型构建

研究建立了分两阶段的优化模型。第一阶段以最小化机械开关投资成本、维护成本及紧急状况下的EENS成本为目标，优化机械开关的安装位置。第二阶段则在第一阶段确定的网络分割基础上，以最小化总投资（含PV、DG、电气开关）和总运行成本（正常与紧急场景）为目标，优化PV、DG和电气开关的配置，以形成孤岛运行的微网，最大限度保障故障后关键负荷的供电。

3. 仿真结果分析

在IEEE 33总线系统上的仿真结果表明，所提方法（案例4，同时使用机械和电气开关、PV和DG）相较于无任何增强措施的基础案例（案例1），总成本降低了35.5%。其中，机械开关的引入（案例2）使紧急场景运行成本骤降93%，凸显其防止杆塔倒塌、缩小故障范围的巨大作用。而微网形成技术（案例3和案例4）则进一步利用本地分布式能源降低了EENS。具体而言，案例4将网络恢复时间从传统方法的7小时以上缩短至约2小时，EENS在五年规划期内降低了约80%。

4. 敏感性分析

研究还探讨了预算约束、光伏渗透率、负荷水平、折扣率和能源价格增长率等因素对规划结果的影响。分析显示，对机械开关的适度投资即可带来显著的韧性收益，预算存在一个“饱和点”（约6000美元），超过后效益增长不再明显。提高光伏渗透率有助于降低长期运行成本，但受限于网络条件。研究结果对这些参数的变化展现出稳健性。

该研究的结论明确指出，将“机械韧性协调”理念融入配电网规划，通过优先控制导线故障来保护更昂贵、修复更困难的杆塔，是一种极具成本效益的韧性提升革命性思路。它不仅能够大幅降低风暴带来的停电时间和经济损失（EENS），而且通过与微网形成技术的协同，实现了从被动响应到主动防御的范式转变。该方法框架灵活，可适配不同网络结构和灾害类型，为电力公司应对日益频繁的极端天气事件提供了切实可行的新路径。尽管该研究在反应性功率考虑和动态天气建模方面尚有深化空间，但其开创性的理念和已验证的显著成效，无疑为未来智能韧性配电网的设计与规划树立了新的标杆。