CN102097805A - 一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法。通过对目标配电网各个环节的损耗进行分析，建立目标配电网的技术性节能降损措施的专家规则系统及优化模型，然后提出其优化目标以及约束条件，并对目标配电网进行优化求解，得出最优的配电网节能降损技术改造决策方案。本发明能全面综合考虑节能降损技术措施的成本收益以及停电风险，弥合各种降损技术措施之间的相互影响，使节能降损改造决策过程依据于科学的计算结果，决策方案更具针对性，改造资金分配更有效。

Description

一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法

技术领域

本发明涉及电力系统，特别涉及一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法。

背景技术

随着全球范围内一次能源日益减少，配电网节能降损成了电力系统面临的首要问题。近年来出现了各种类型的节能降损技术，但是目前的节能降损技术多数是基于单项的节能降损技术，没有综合考虑各种节能降损技术的相互影响以及效益差别。因此需要一种智能化的专家系统对节能降损技术改造进行优化。

配电网的节能降损优化技术包括降损技术的优化选用以及改造元件的优化选用。采用专家规则系统针对电网的运行参数和设备信息进行分析，专家规则指出配电网中需要更换的各元器件以及各元器件可能的技改选型。所有需要更换的元器件及其技改选型的排列组合，组成了该配电网改造的可选方案。由于配电网中需要被更换的元器件较多，每个元器件可能的技改选型有好几种，因此排列组合出的可选方案可能在“万”级，这个时候通过一些筛选标准进行人机交互后，通过设定目标和约束进行后续的操作和优化，从诸多方案中挑选满足设定目标和约束的最优方案。并且通过管理者参与、调整优化决策过程，最终确定可以实施的投资改造方案。

发明内容

针对上述现有技术及其存在的缺陷，本发明的目的旨在提供一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法，通过对目标配电网各个环节的损耗进行分析，建立目标配电网的技术性节能降损措施的专家规则系统及优化模型，然后提出其优化目标以及约束条件，并对目标配电网进行优化求解，得出最优的配电网节能降损技术改造决策方案。本发明能全面综合考虑节能降损技术措施的成本收益以及停电风险，弥合各种降损技术措施之间的相互影响，使节能降损改造决策过程依据于科学的计算结果，决策方案更具针对性，改造资金分配更有效。

为实现上述的目的，本发明采取的技术方案是：依据线损计算和优化决策理论，首先提出了城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法，包括城乡配电网高、中、低压配电网，其中高压配电网包括一次输电网，110kV变电站；中压配电网包括10kV馈线，配电变压器，配变无功补偿，线路无功补偿，线路调压器；低压配电网包括供电台区，表箱，机械式或电子式电表，低压线路；通过对高中低压配电网的节能降损技术改造引入专家规则进行需要改造设备的一次筛选；将筛选出来的改造设备进行各种方案的组合；通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案。

本发明再根据城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法，通过不同改造措施的相互影响及收益差别计算，实现节能降损技术的优化选用和配电网元器件的改造优选即决策方案的优选。为实现上述的城乡配电网综合节能降损技术的优化决策而采用的技术方案包括以下内容与步骤：

1)、对目标配电网进行电网建模，录入相应设备参数和典型日或典型月的电网运行数据，确定实施改造的配电网原始拓扑结构。

2)、基于某配电网的网络拓扑结构，选择当前配电网几个典型日的典型负荷以及典型日和典型负荷对应的运行方式，分析当前场景的线损情况，包括理论线损计算分析和统计线损的计算分析；

3)、依据潮流计算的结果，以及必要的基础业务数据和补充数据，根据不同的配电网节能降损技术的特点并考虑到新技术推广的要求，进行专家规则分析，将筛选出的可改造设备再进行人机交互审核，确定参与优化的待改造设备；

4)、将待改造设备进行各种方案的组合，生成备选方案，同时计算各个备选方案的成本及收益、风险值；

5)、通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案。

本发明的有益效果是：

本发明通过对城乡配电网节能降损技术改造引入专家规则筛选和优化决策计算，以及人机交互参与改造方案的决策过程，使配电网节能降损技术改造决策人员从繁重的人工筛选和复杂计算中解放出来，专注于节能降损技术改造的总体目标分配和改造约束设定，通过不同改造措施的相互影响及收益差别计算，实现节能降损技术的优化选用和配电网元器件的改造优选。本发明将有效解决配电网节能降损技术改造人工决策过程中的盲目性，以科学的潮流计算结果和成本收益计算结果作为决策基础，使有限的改造资金投向配电网的关键环节，实现降损的目标。

附图说明

图1是本发明所述城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法流程图。

下面结合附图对本发明进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，是本发明所述城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法流程图。通过对目标配电网进行潮流计算、线损计算及优化计算，实现配电网节能降损的综合改造，减少不同节能降损技术之间的相互影响，其实施步骤如下：

1、对目标配电网进行电网建模，录入相应设备参数和典型日或典型月的电网运行数据，确定实施改造的配电网原始拓扑结构；包括城乡配电网高、中、低压配电网，其中高压配电网包括220kV和110kV输电网，110kV变电站，变电站内三绕组变压器和两绕组变压器；中压配电网包括10kV馈线，配电变压器，配变无功补偿，线路无功补偿，线路调压器；低压配电网包括供电台区，表箱，机械式或电子式电表，低压线路；其中电网运行数据包括能量管理系统EMS、电能量计量计费系统TMR、营销系统、负荷控制系统、配电SCADA系统(数据采集与监视控制系统)，以及人工输入的数据；

2、基于某配电网的网络拓扑结构，选择当前配电网几个典型日的典型负荷以及典型日和典型负荷对应的运行方式，分析当前场景的线损情况，包括理论线损计算分析和统计线损的计算分析；以某地区电网一条10kV馈线为例，通过理论线损计算得线损率为：6.12％。

3、依据潮流计算的结果，以及必要的基础业务数据和补充数据，根据不同的配电网节能降损技术的特点并考虑到新技术推广的要求，进行专家规则分析，将筛选出的可改造设备再进行人机交互审核，确定参与优化的待改造设备；其中配电网节能降损技术专家规则包括线路改造、变压器改造、无功补偿改造、负荷分布改造、谐波治理、新技术推广、表计更换等；其中新技术推广包含非晶合金变压器、单相变压器、线路调压器等；基础业务参数，包括各设备成本数据，年运行维护费用，是否启用该设备类型；补充数据包括，某些设备为高危设备。

4、将待改造设备进行各种方案的组合，生成备选方案，同时计算各个备选方案的成本及收益、风险值；以某地区电网一条10kV馈线为例，使用专家规则筛选后需要改造的元器件48个，人机交互审核后以9个设备更换为例(其中有4个变压器、2个馈线段和3个无功补偿)，其中4个变压器为S7型属于高耗能变压器，进行强制改造；馈线更换和配变增加无功补偿的可选改造选型分别为2种。因此，计算备选方案共有1⁴×2²×2³＝32个。

5、通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案。

④目标及约束管理

a)目标管理

目标管理设定节能降损所需达到的目标，主要包括线损降损目标，成本控制目标以及风险控制目标。所有目标可以设置优先级，可以设定一个或多个目标。举例说明如下：

●综合线损率降低1％；

●10kV及以下线损率降低1％---1.5％；

●110-35kV线损率降低0.3％；

●成本不考虑，或者成本1-2亿之间；

●风险约束条件：3％。

b)投资改造使用范围的约束

对于节能降损措施的限制约束主要是不同节能降损措施的适用范围约束；对于改造范围、规模的限制约束主要包括对于某些区域，不准进行投资改造、对于某类手段措施的采用限制在某种范围、规模之内、对于某些手段，在某些区域必须采用等。

⑤综合节能优化方案的求解

当目标及约束设定完成之后，可以进行综合节能优化方案的求解。当优化求解并未求得解时，可以通过结果查看影响该结果的条件约束，通过松弛约束条件再求解；当对于解不满意时，可以通过结果查看影响该结果的目标和条件约束，修改相关的目标或者约束重新计算。通过优化计算获得一系列节能降损措施后，可以根据具体情况，手工调整某项节能措施，调整之后可以再验证计算是否满足设定的目标及约束。

⑥数学模型建立

a)目标函数

Objective＝Max(W₁P₁-W₂P₂-W₃P₃)(W₁，W₂，W₃是优化的权重，作为参数可调，一般为默认值)

其中：

$P_1=\mathrm{TotalLoss\; Re\; duction}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{lr}};$

$P_2=\mathrm{TotalCost}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*(s_{\mathrm{rc}}+s_{\mathrm{mc}});$

$P_3=\mathrm{TotalRisk}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*\left(s_r\right);$

b)约束

●对于所有的馈线都必须选择一套改造方案；

$\underset{s\∈S_{\mathrm{sn}}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s=1;\∀\mathrm{sn}\∈\mathrm{Subnets}$

●所采用的改造方案的总成本必须小于最大资金成本；

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{rc}}\≤\mathrm{MaxCost};$

●所采用的改造方案的总体降损不得小于最小降损限制；

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{lr}}\≥\mathrm{MinLoss\; Re\; duction};$

●所采用的改造方案所造成的总停电时户数不得大于停电时户数限制；

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_r\≤\mathrm{MaxRisk};$

●在任一分区上所采用的改造方案的总成本必须小于该分区规定的最大成本；

●在任一分区上所采用的改造方案的总体降损不得小于改分区上的最小降损限制；

●在任一分区上所采用的改造方案所造成的总停电时户数不得大于改分区上的停电时户数限制；

●对于任一特殊设备，改造的数量不得大于或者少于规定数量；

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_e\≥e_{\min };\∀e\∈\mathrm{Equipments}$

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_e\≥e_{\min };\∀e\∈\mathrm{Equipments}$

c)各个变量的含义

sn∈Subnets             馈线集合；

s∈Solutions            馈线改造方案集合；

r∈Re gions             分区集合；

e∈Wquipments           特殊设备集合；

rs∈Re gionSolutions    馈线改造方案按分区划分的集合；

ss∈SepcialSolutions    馈线改造方案使用特殊设备集合；

MinLoss Re duction      实施改造的降损值下限；

MaxCost                 实施改造的成本上限；

sc_d   场景sc所在区县；

sn_d   馈线sn所在区县；

sn_sc  馈线sn所在场景；

sn_ol  馈线sn当前损耗值；

sn_ns  馈线sn可实施的改造方案数量；

S_sn馈线sn可实施的改造方案集合；

s_sn改造方案s所属馈线；

s_rc实施改造方案s需要的成本；

s_mc实施改造方案s后每年所需的维护成本；

s_lr实施改造方案s后降损值；

s_r实施改造方案s时所造成的停电时户数；

s_e    实施改造方案s时使用特殊设备e的数量；

rs_s分区改造方案rs所属的改造方案；

rs_r分区改造方案rs所属的区域；

rs_rc  实施分区改造方案rs所需的改造成本；

rs_mc  实施分区改造方案rs所需的维护成本；

rs_lr  实施分区改造方案rs后降损值；

rs_r实施分区改造方案rs时所造成的停电时户数；

r_maxc   分区改造方案的最大资金限制；

r_minlr  分区改造方案的最小降损限制；

r_maxr   分区改造方案的最大停电时户数限制；

e_max  特殊设备e的最多使用数量；

e_min  特殊设备e的最少使用数量；

dvSolution_s：对于子网改造方案s，如果它被采用，则dvSolution_s＝1；否则

dvSolution_s＝0。

以某地区电网一条10kV馈线为例，，设定目标为成本上限为30万元，停电风险为停电时户数上限为1000，进行优化计算后得到节能降损改造最优方案为：改造设备数为6个，成本为19.433万元，降损率为0.104％。

综上所述，本发明的具体实施过程如下：依据线损计算和优化决策理论，首先对目标配电网进行电网建模，录入设备参数和典型运行数据，并进行潮流计算和线损计算；通过对高中低压配电网的节能降损技术改造引入专家规则进行需要改造设备的一次筛选；将筛选出来的改造设备进行各种方案的组合；通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种用于城乡配电网综合节能降损技术的优化决策方法，其特征在于，通过对目标配电网进行电网建模、潮流计算、线损计算及规则分析、优化计算，实现配电网节能降损的综合改造，减少不同节能降损技术之间的相互影响，包括以下步骤：

1)、对目标配电网进行电网建模，录入相应设备参数和典型日或典型月的电网运行数据，确定实施改造的配电网原始拓扑结构；

2)、基于目标配电网的网络拓扑结构，选择当前配电网几个典型日的典型负荷以及典型日和典型负荷对应的运行方式，进行潮流计算，分析当前场景的线损情况，包括理论线损计算分析和统计线损的计算分析；

3)、依据潮流计算的结果，以及必要的补充数据，根据不同的配电网节能降损技术特点，并考虑到新技术推广要求，进行专家规则筛选，将筛选出的可改造设备再进行人机交互审核，确定参与优化的待改造设备；

4)、将待改造设备进行各种方案的组合，生成备选方案，同时计算各个备选方案的成本及收益、风险值；

5)、通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案。

2.根据权利要求1所述城乡配电网综合节能降损优化决策方法，其特征在于：

1)、对目标配电网进行电网建模，录入相应设备参数和典型日或典型月的电网运行数据，确定实施改造的配电网原始拓扑结构；所述目标配电网包括城乡配电网高、中、低压配电网，其中高压配电网包括220kV和110kV输电网，110kV变电站，变电站内三绕组变压器和两绕组变压器；中压配电网包括10kV馈线，配电变压器，配变无功补偿，线路无功补偿，线路调压器；低压配电网包括供电台区，表箱，机械式或电子式电表，低压线路；其中电网运行数据包括能量管理系统EMS、电能量计量计费系统TMR、营销系统、负荷控制系统、配电SCADA系统(数据采集与监视控制系统)，以及人工输入的数据；

2)、所述理论线损计算分析和统计线损的计算分析，包括：

统计线损：集成用户现有系统，统计分析用户电网的实际损耗数据；

理论线损计算分析：依据配电网的实际损耗模型及数据指标库，设定负荷随着时间变化的特征，计算各子网及全网的损耗数据，所述实际损耗模型包括拓扑结构、设备参数、电源和负荷参数；

管理线损的计算分析：根据实际统计线损值和理论线损值来得到管理线损的数据；

损耗分解模型：精细化分析，得出损耗分布，包括按照公司分布、区域分布和电压等级分布、设备分布；

3)、依据潮流计算的结果，以及必要的基础业务数据和补充数据，根据不同的配电网节能降损技术的特点并考虑到新技术推广的要求，进行专家规则分析，将筛选出的可改造设备再进行人机交互审核，确定参与优化的待改造设备；其中配电网节能降损技术专家规则包括线路改造、变压器改造、无功补偿改造、负荷分布改造、谐波治理、新技术推广、表计更换等；其中新技术推广包含非晶合金变压器、单相变压器和线路调压器；基础业务参数，包括各设备成本数据，年运行维护费用，是否启用该设备类型；补充数据包括，某些设备为高危设备；

4)、将待改造设备进行各种方案的组合，生成备选方案，同时计算各个备选方案的成本及收益、风险值；

5)、通过优化目标管理及投资改造约束，进行所有备选方案的优化计算，对综合节能优化方案进行求解，得到满足目标及约束的城乡配电网综合节能降损优化决策方案：

①目标及约束管理

a)目标管理

目标管理设定节能降损所需达到的目标，包括线损降损目标，成本控制目标以及风险控制目标，所有目标可设置优先级，并设定一个或多个目标；

b)投资改造使用范围的约束

对于节能降损措施的限制约束包括不同节能降损措施的适用范围约束；对于改造范围、规模的限制约束包括对于某些区域，不准进行投资改造、对于某类手段措施的采用限制在某种范围、规模之内以及对于某些手段在某些区域必须采用；

②综合节能优化方案的求解

当目标及约束设定完成之后，进行综合节能优化方案的求解，当优化求解并未求得解时，通过结果查看影响该结果的条件约束，通过松弛约束条件再求解；当对于解不满意时，通过结果查看影响该结果的目标和条件约束，修改相关的目标或者约束重新计算；通过优化计算获得一系列节能降损措施后，可以根据具体情况，手工调整某项节能措施，调整之后可以再验证计算是否满足设定的目标及约束；

③数学模型建立

a)目标函数

Objective＝Max(W₁P₁-W₂P₂-W₃P₃)

其中：

W₁，W₂，W₃是优化的权重，作为参数可调，一般为默认值

$P_1=\mathrm{TotalLoss\; Re\; duction}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{lr}};$

$P_2=\mathrm{TotalCost}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*(s_{\mathrm{rc}}+s_{\mathrm{mc}});$

$P_3=\mathrm{TotalRisk}=\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*\left(s_r\right);$

b)约束

对于所有的馈线都必须选择一套改造方案：

$\underset{s\∈S_{\mathrm{sn}}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s=1;\∀\mathrm{sn}\∈\mathrm{Subnets}$

所采用的改造方案的总成本必须小于最大资金成本：

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{rc}}\≤\mathrm{MaxCost};$

所采用的改造方案的总体降损不得小于最小降损限制：

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_{\mathrm{lr}}\≥\mathrm{MinLoss\; Re\; duction};$

所采用的改造方案所造成的总停电时户数不得大于停电时户数限制：

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_r\≤\mathrm{MaxRisk};$

在任一分区上所采用的改造方案的总成本必须小于该分区规定的最大成本：

在任一分区上所采用的改造方案的总体降损不得小于改分区上的最小降损限制：

在任一分区上所采用的改造方案所造成的总停电时户数不得大于改分区上的停电时户数限制：

对于任一特殊设备，改造的数量不得大于或者少于规定数量：

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_e\≤e_{\max };\∀e\∈\mathrm{Equipments\; or}$

$\underset{s\∈\mathrm{Solutions}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{dv}{\mathrm{Solution}}_s*s_e\≥e_{\min };\∀e\∈\mathrm{Equipments}$

c)各个变量的含义

sn∈Subnets     馈线集合；

s∈Solutions    馈线改造方案集合；

r∈Regions      分区集合；

e∈Equipments   特殊设备集合；

rs∈RegionSolutions     馈线改造方案按分区划分的集合；

ss∈SepcialSolutions    馈线改造方案使用特殊设备集合；

MinLoss Re duction      实施改造的降损值下限；

MaxCost                 实施改造的成本上限；

sc_d   场景sc所在区县；

sn_d   馈线sn所在区县；

sn_sc  馈线sn所在场景；

sn_ol  馈线sn当前损耗值；

sn_ns  馈线sn可实施的改造方案数量；

S_sn馈线sn可实施的改造方案集合；

s_sn改造方案s所属馈线；

s_rc实施改造方案s需要的成本；

s_mc实施改造方案s后每年所需的维护成本；

s_lr实施改造方案s后降损值；

s_r实施改造方案s时所造成的停电时户数；

s_e实施改造方案s时使用特殊设备e的数量；

rs_s分区改造方案rs所属的改造方案；

rs_r分区改造方案rs所属的区域；

rs_rc  实施分区改造方案rs所需的改造成本；

rs_mc  实施分区改造方案rs所需的维护成本；

rs_lr  实施分区改造方案rs后降损值；

rs_r实施分区改造方案rs时所造成的停电时户数；

r_maxc   分区改造方案的最大资金限制；

r_minlr  分区改造方案的最小降损限制；

r_maxr   分区改造方案的最大停电时户数限制；

e_max    特殊设备e的最多使用数量；

e_min    特殊设备e的最少使用数量；

dvSolution_s：对于子网改造方案s，如果它被采用，则dvSolution_s＝1；否则

dvSolution_s＝0。

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