CN103049799A - 一种基于多目标优化的电网规划设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多目标优化的电网规划设计方法，其综合考虑了经济性适应度指标、可靠性适应度指标和地理适应度指标，将可靠性指标转化成经济形式加入目标函数，使优化方案的综合效益达到最佳，而且可以对规划方案的经济性和可靠性进行灵活地评价，正确地反映投入资金对可靠性指标的增幅之间的确定关系，从而使电网规划的成本计算更为准确。

Description

一种基于多目标优化的电网规划设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于多目标优化的电网规划设计方法，属于电力系统领域。

背景技术

电网规划对于指导城市电网的建设和改造至关重要，但在实际工作中往往没有引起足够的重视。同时由于受到地方政府或人为干预、资金不足等因素的影响，电网的规划缺乏统一性、连续性以及可操作性，各地城市发展的多样性又使得电网规划不能有一个成熟的、标准化的模式，而且中小城市的发展速度异常迅猛，但相应的城市电网规划没有及时超前进行，表现明显的主要是中国西部欠发达地区且经济发展迅速的中小城市，所以这些地区的电网规划的需求十分迫切。因此，对电网规划问题进行研究，以期最大限度地提高规划质量，具有重大的现实意义。

目前，实际的电网仍然按照在满足一定运行条件下使电网开发成本最小的原则进行规划，可靠性分析只是应用于对已有的规划方案进行可靠性指标的校验计算。这一传统的处理方法，不能够对规划方案的经济性和可靠性进行灵活地评价和比较，特别是对可靠性指标有要求的规划问题以及投入资金对可靠性指标增幅的确定问题更是无法解决，而这恰恰是电力系统规划中所面临的重要问题。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于多目标优化的电网规划设计方法，能够在规划时兼顾经济性和可靠性，对规划方案的经济性和可靠性进行灵活地评价。 

技术方案：本发明采用的技术方案为一种基于多目标优化的电网规划设计方法，包括以下步骤：

1）对规划区电网运行的历史数据，进行技术合理性、运行安全性和电网转供能力分析，作出电网现状评估。

2）收集、分析规划区的经济、人口、政府的有关政策和城市总体发展规划等资料，利用空间电力负荷预测方法进行负荷预测。

3）根据步骤2）得出的电力负荷总量，对规划区进行电力电量分析，确定规划区的电压等级序列、电网结构形式和设备选择原则，并且要与当地的地方电网规划原则相适应。

4）将规划区按地块功能、地理环境和行政划分的因素划分为若干个相互独立、多层次的供电区域。

5）利用地理信息系统的数据库，在规划区内建立一个坐标系，确定各负荷中心的坐标。

6）基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则对变电站进行优化初步选址，并根据地理情况做相应的站址调整，选出候选变电站站址，并计算其相应的经济性适应度。

7）运用多层次分析法分析候选变电站站址的地理适应度，得出各候选变电站站址的地理适应度。

8）根据经济性指标和地理适应度组合所形成的评价函数，求解各候选变电站站址的综合适应度。

9）将各候选变电站站址，按照综合适应度的高低进行排序，并将最优和次优的站址作为本次规划的优选站址。

10）在步骤9）中选出的优选站址和电网现状评估的基础上，对电网进行网架优化。

11）根据步骤9）得到的网架优化的结果，选取最优和次优的两套方案，作为优选网架方案。

12）根据优选变电站站址和优选网架方案的结果，制定规划方案，并进行技术经济评估，得出一个最佳方案。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1）中的技术合理性分析包括规划区电网的综合容载比、变电站负载率、出线间隔、主干线长度和主干导线截面积的分析；运行安全性分析包括线路接线模式、线路负载率的分析；电网转供能力分析包括线路N-1或N-2校验、主变N-1校验和主变站全停电校验。所述步骤7）中的地理适应度，是根据用地性质、交通情况、施工条件、防洪排水、对通信的干扰和地形地质6个方面评分得出。所述步骤10）中的网架优化是以经济性指标和可靠性指标作为优化的目标函数，进行多目标优化。

有益效果：本发明综合考虑了经济性适应度指标、可靠性适应度指标和地理适应度指标，将可靠性指标转化成经济形式加入目标函数，使优化方案的综合效益达到最佳，而且可以对规划方案的经济性和可靠性进行灵活地评价，正确地反映投入资金对可靠性指标的增幅之间的确定关系，从而使电网规划的成本计算更为准确。 

附图说明

图1为本发明用的技术方案为一种基于多目标优化的电网规划设计方法的流程图；

图2为电网现状评估体系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1及图2所示，本发明包括了以下步骤：

1）对规划区电网运行的历史数据，进行技术合理性、运行安全性和电网转供能力分析，作出电网现状评估。其中技术合理性包括规划区电网的综合容载比、变电站负载率和出线间隔、主干线长度和主干导线截面积等情况的分析，运行安全性包括线路接线模式、线路负载率，电网转供能力包括线路N-1或N-2校验、主变N-1校验和主变站全停电校验。

2）收集、分析规划区的经济、人口、政府的有关政策和城市总体发展规划等资料，利用空间电力负荷预测等方法进行负荷预测。

3）根据步骤2）中得到的电力负荷总量，对规划区进行电力电量分析，确定规划区的电压等级序列、电网结构形式和设备选择原则（含变电站定容），并且要与当地的地方电网规划导则相适应。

4）将规划区按地块功能、地理环境和行政划分等条件，将规划区划分为若干个相互独立、多层次的供电区域。

5）利用地理信息系统的数据库，在规划区内建立一个坐标系，确定各负荷中心的坐标。

6）变电站优化初步选址，是建立一个基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则等4种方法的多目标优化的多源连续选址，并根据地理情况做相应的站址调整，选出候选变电站站址，并计算其相应的经济性适应度。

多源连续选址就是在一个规划区中同时确定几个变电站的站址，在建立模型时，基于不同目标所建立的模型不同。这里设所研究的问题有m个变电站，向n个负荷点供电，则基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则的多源连续选址的目标函数分别为：

                   (1)

                 (2)

                  (3)

                (4)

s.t.    

(i=1,2,3,…,n)                    (5)

式中： 

—各负荷点功率（kW）

—给负荷点i供电的配电线路的截面积

—单位距离、单位负荷的费用系数

n—负荷点的总个数

m—变电站的总个数

—第j个变电站的站址坐标

—第i个负荷点的坐标

约束条件（5）是保证任何一个负荷点的负荷，一般都不由一个以上的电源供电。这是因为城市电网一般以闭环设计开环运行，各负荷点同时只能由一个电源来供电。

上述四种模型是分别基于不同原则建立的，各种模型都有其适应的范围。考虑到不同地区的不同负荷状况，几种计算模型都难以做到具有普遍适应性。因此将四个原则综合考虑，引入经济性适应度评价函数E(f)，即

    (6)

式中有E(f)=E(U,V)，各目标函数均进行了标量化处理，以避免因不同原则建立的模型函数值差值过大而失衡，

表示评价函数中各目标函数的相应的权系数。

为求解以上权系数，本发明引入了均差排序法，求解上述各项目标函数赋予的权重。步骤如下：

先在其可行域上极小化各目标函数

，得极小点

。

        (7)

利用这m个极小点，可以算出第i

个目标关于各个极小点的离差

        (8)

当j=i时，有

。

除了上式外，第i个目标关于其他各目标的离差共为m-1个，对这些离差做算术平均可得到第i个目标关于各极小值点得的平均离差：

，并且

，为使权系数规范化，可取

作为目标

对应的权系数，所以评价函数可表示为

                        (9)

式中

为

的标量化。

    通过评价函数评分，选出k个候选变电站站址。

7）对变电站的候选站址进行多层次分析法分析其地理适应度，其中地理适应度指标包括用地性质、交通情况、施工条件、防洪排水、对通信的干扰和地形地质等6个方面，通过专家进行评分，得出各候选站址的地理适应度。

 使用AHP法进行地理适应度指标分析， 这里引入地理适应度指标F(U,V)，即

   

               (10)

式中：m—变电站的总个数

—第i个新建变电站的第j个候选站址评分

—第i个新建站所有候选站址中评分最高值

    根据用地性质、交通情况、施工条件、防洪排水、对通信的干扰和地形地质等6个方面进行评分，确定初选地址的地理适应度指标值。

8）求解各站址的综合适应度，即经济性适应度和地理适应度组合所形成的评价函数，评价函数值越大，其综合适应度越好。

引入综合适应度H(U,V)，作为经济适应度指标和地理适应度指标的综合评价函数,即  

             (11)

式中，

表示评价函数中各目标函数的相应的权系数。该式表明，经济性评价函数值越小，地理适应度指标越大，其综合适应度越优。

9）将各候选站址，按照综合适应度的大小进行排序，并将最优和次优的站址作为本次规划的优选站址，作为两套规划方案，根据需要选用。

10）在步骤9）中选好的变电站站址和电网现状评估的基础上，对电网网架进行优化规划，其中以经济性指标和可靠性指标作为优化的目标函数，进行多目标优化。

根据电网规划的经济性和可靠性分析，以供应方开发成本（包括投资成本和运行成本）的贴现值最小和需求方缺电成本的贴现值最小为多目标电网规划问题的优化目标分别为：

      (12)

          (13)

s.t.  

式中：T—规划期内的总阶段数

s(t) —第t阶段的网络状态

u(t) —从第t阶段到第t+1阶段的网络扩展方案

—第t阶段新增线路的投资费用

—按方案u(t-1)扩展网络到状态s(t)后网络的运行费用（包括网损费用和维护费用）

—第t阶段的缺电成本

—规划初期到第t阶段末的总年数

引入评价函数Q(U,V),令

        (14)

式中

，

分别表示上式目标函数的权系数。

     网架优化规划分两阶段进行，第一阶段利用遗传算法求解单目标函数，第二阶段利用均差排序法求解出评价函数，其中评价函数值越小越好，表示供应方和需求方的损失达到最小。通过评价函数值大小排序来确定最优和次优方案。

11）根据步骤10）中电网网架优化的评价函数的结果，选取最优和次优的两套方案，作为优选网架方案。

12）优选变电站站址和优选网架方案的结果，制定规划方案，并进行技术经济评估，得出一个最佳方案。

Claims (4)

1.一种基于多目标优化的电网规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对规划区电网运行的历史数据，进行技术合理性、运行安全性和电网转供能力分析，作出电网现状评估； 

2）收集、分析规划区的经济、人口、政府的有关政策和城市总体发展规划等资料，利用空间电力负荷预测方法进行负荷预测；

3）根据步骤2）得出的电力负荷总量，对规划区进行电力电量分析，确定规划区的电压等级序列、电网结构形式和设备选择原则，并且要与当地的地方电网规划原则相适应；

4）将规划区按地块功能、地理环境和行政划分因素划分为若干个相互独立、多层次的供电区域；

5）利用地理信息系统的数据库，在规划区内建立一个坐标系，确定各负荷中心的坐标；

6）基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则对变电站进行优化初步选址，并根据地理情况做相应的站址调整，选出候选变电站站址，并计算其相应的经济性适应度；

7）运用多层次分析法分析候选变电站站址的地理适应度，得出各候选变电站站址的地理适应度；

8）根据经济性指标和地理适应度组合所形成的评价函数，求解各候选变电站站址的综合适应度；

9）将各候选变电站站址，按照综合适应度的高低进行排序，并将最优和次优的站址作为本次规划的优选站址；

10）在步骤9）中选出的优选站址和电网现状评估的基础上，对电网进行网架优化；

11）根据步骤10）中得到的网架优化的结果，选取最优和次优的两套方案，作为优选网架方案；

12）根据优选变电站站址和优选网架方案的结果，制定规划方案，并进行技术经济评估，得出一个最佳方案。

2.根据权利要求1所述的基于多目标优化的电网规划设计方法，其特征在于，所述步骤1）中的技术合理性分析包括规划区电网的综合容载比、变电站负载率、出线间隔、主干线长度和主干导线截面积的分析；运行安全性分析包括线路接线模式、线路负载率的分析；电网转供能力分析包括线路N-1或N-2校验、主变N-1校验和主变站全停电校验。

3.根据权利要求1所述的基于多目标优化的电网规划设计方法，其特征在于，所述步骤7）中的地理适应度，是根据用地性质、交通情况、施工条件、防洪排水、对通信的干扰和地形地质6个方面评分得出。

4.根据权利要求1所述的基于多目标优化的电网规划设计方法，其特征在于，所述步骤10）中的网架优化是以经济性指标和可靠性指标作为优化的目标函数，进行多目标优化。

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