CN103489047A - 一种中压配电网络分段开关的优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，该方法包括以下步骤：a、输入原始数据及所需参数；b、随机初始化种群；c、适应度计算；d、判断是否满足GA算法终止条件；e、如果不满足GA算法终止条件，执行选择操作、交叉操作、变异操作后执行步骤c；f、如果满足GA算法终止条件，输出最优结果，程序结束；本发明的方法通过遗传算法求解分段开关的最优数量和位置，计算量小，实现了可靠性和经济性的相互协调，达到了二者之间的最佳平衡点。

Description

一种中压配电网络分段开关的优化配置方法

技术领域

本发明涉及一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，属于供配电技术领域。

背景技术

中压配电网位于电力系统的末端，直接与广大用户相连，其主要功能是将电力安全、经济、可靠地分配到用户。中压配电网络一般为闭环结构、开环运行，其中分段开关的优化配置是配电网络结构优化的一项重要内容。配电网辐射线路中安装分段开关后，发生永久性故障时，可利用分段开关隔离故障段，使故障点上游的正常段受影响时间最小；而通过联络线和联络开关，可以使故障点下游正常线路段的负荷转接到其他馈线上，进一步缩小了故障影响的范围和时间。故障段负荷恢复时间取决于修复故障的时间；而上下游正常段负荷受影响的时间，只是分段/隔离开关的倒闸操作时间，从而显著减少了停电时间，增加了供电的可靠性。

如果忽略开关本身故障造成的影响，就提高供电可靠性而言，分段开关和联络开关越多，每段上用户就越少，则每次故障或计划维修造成停电影响的用户数就越少，可靠性也就越高。但从经济性上考虑，设备越多，其投资和设备维护的费用也越大，未必能获得最大的经济效益。

分段/联络开关的优化配置是一个非线性的组合优化问题。目前开关设备的配置多是以规程和导则为依据，根据具体的实际情况和经验，确定开关设备的位置和投资，属于简单的经验法,这种方法虽然有一定的定量计算，但很难得到通用的计算方法,而且依赖专家的经验，人为因素较多，难以实现开关配置的最优化，难以有效提高配电网的可靠性和经济性。近年来，国内外对此类优化问题进行了研究，取得了一些进展,有文献提出了一种确定单环网分段开关数量的“成本—收益分析法”，但是其前提是假定负荷均匀分布，各区间长度相等，负荷相等，与现场实际有一定的差距，不具普遍性。另外一种遗传算法和禁忌搜索算法相结合的混合算法确定分段开关的最优配置，以及采用一种外层使用二分法确定分段开关的最优安装数量，内层使用枚举法确定开关最优安装位置的算法，效率有所提高，但计算量仍然很大。

发明内容

本发明要解决的问题是针对以上问题，提供一种能够确定线路上分段开关的数量和安装位置、实现可靠性和经济性相互协调的中压配电网络分段开关的优化配置方法。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、输入原始数据及所需参数；

b、随机初始化种群；

c、适应度计算；

d、判断是否满足GA算法终止条件；

e、如果不满足GA算法终止条件，执行选择操作、交叉操作、变异操作后执行步骤c；

f、如果满足GA算法终止条件，输出最优结果，程序结束。

作为一种优化方案，所述步骤a中的参数包括计算开关投资费用的参数、计算运行维修费用的参数、计算用户停电损失的参数、计算供电可靠率指标的参数、“T”节点参数、分段开关待选位置参数、负荷节点参数、相邻的“T”节点之间馈线长度参数、负荷节点的负荷参数和负荷节点的用户数。

作为一种优化方案，所述开关投资费用的数学式及参数为：

$S_{\mathrm{COST}}=N_K{C}_S\frac{i{(1+i)}^p}{{(1+i)}^p-1}$

式中，N_K表示开关数量；C_S表示开关单台投资费用现值；i为电力工业投资回收率；p为分段开关的经济使用年限。

作为一种优化方案，所述运行维修费用的数学式及参数为：

M_COST=N_KC_MC_S

式中，C_M为年运行维护费用占投资费用的百分数。

作为一种优化方案，所述用户停电损失的数学式及参数为：

C_COST=C_C·E_ENS

C_C=α₁·K+α₂·b·d

式中，E_ENS为期望缺供电量，α₁,α₂分别为产电比法和平均电价折算倍数法的加权系数，K为产电比，b为单位停电电量电价与平均电价的比值，d为平均电价。

作为一种优化方案，所述供电可靠率指标的数学式及参数为：

式中，N_i为负荷点i的用户数；u_i为负荷点i的年平均停电时间。

本发明采取以上技术方案，具有以下优点：本发明的方法通过遗传算法求解分段开关的最优数量和位置，计算量小，实现了可靠性和经济性的相互协调，达到了二者之间的最佳平衡点。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

附图1为本发明实施例中一种中压配电网络分段开关的优化配置方法的程序流程图；

附图2为本发明实施例中算例1的线路图；

附图3为本发明实施例中算例2的线路图。

具体实施方式

实施例：如附图1所示，一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，该方法包括以下步骤：

a、输入原始数据及所需参数；

b、随机初始化种群；

c、适应度计算；

d、判断是否满足GA算法终止条件；

e、如果不满足GA算法终止条件，执行选择操作、交叉操作、变异操作后执行步骤c；

f、如果满足GA算法终止条件，输出最优结果，程序结束。

2、如权利要求1所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述步骤a中的参数包括计算开关投资费用的参数、计算运行维修费用的参数、计算用户停电损失的参数、计算供电可靠率指标的参数、“T”节点参数、分段开关待选位置参数、负荷节点参数、相邻的“T”节点之间馈线长度参数、负荷节点的负荷参数和负荷节点的用户数。

所述开关投资费用的数学式及参数为：

$S_{\mathrm{COST}}=N_K{C}_S\frac{i{(1+i)}^p}{{(1+i)}^p-1}$

式中，N_K表示开关数量；C_S表示开关单台投资费用现值；i为电力工业投资回收率；p为分段开关的经济使用年限。

所述运行维修费用的数学式及参数为：

M_COST=N_KC_MC_S

式中，C_M为年运行维护费用占投资费用的百分数。

所述用户停电损失的数学式及参数为：

C_COST=C_C·E_ENS

C_C=α₁·K+α₂·b·d

式中，E_ENS为期望缺供电量，α₁α₂分别为产电比法和平均电价折算倍数法的加权系数，K为产电比，b为单位停电电量电价与平均电价的比值，d为平均电价。

所述供电可靠率指标的数学式及参数为：

式中，N_i为负荷点i的用户数；u_i为负荷点i的年平均停电时间。

基于遗传算法的分段开关的最优配置优化计算前提：

(1)、每条辐射线路末端均有联络开关与其它馈线相连，故障后负荷转移不会引起线路过载和节点电压越限。

(2)、仅对具有一级分支线的主馈线进行分段处理，暂不考虑具有更多分支级数的网络。

(3)、只考虑线路、变压器的故障率和检修率，不考虑开关故障。

(4)、只考虑单一元件发生故障的情况，不考虑两个或多个元件同时故障的情况。

(5)、若考虑变压器备用情况，需用变压器更换备用的时间代替变压器故障修复时间和检修时间。

(6)、在开关待选位置安放具有自动分断能力的开关，如断路器、重合器、分段器，不考虑隔离开关、负荷开关的安装。

算例1：

算例线路图如附图2所示，算例只有一条馈线，出口设有断路器，图中编号为0，末端通过联络开关与其他馈线相连。正常运行时，联络开关处于断开状态；发生故障后，通过分段开关隔离故障区段后，闭合联络开关，实现负荷转移，从而减小停电范围。

图中，节点2、4、6、10、14、17、19、21、23为用户接入到主馈线上的“T”节点，分段开关可以设在每段线路的首段和末端，节点26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42为安装分段开关的待选位置，节点3、5、7、8、9、11、12、13、15、16、18、20、22、24、25为负荷节点。

表1为馈线数据。

表1

表2为负荷数据。

表2

开关单台投资现值为2.5万元/台，投资回收率为10％，经济使用年限为20年；开关年运行维护费用占投资费用的百分数为3％；产电比法和平均电价折算倍数法的加权系数分别取0.36和0.64，产电比取6.652元/千瓦时，电价倍数取25，平均电价为0.45元/千瓦时。线路的平均故障率为0.1次/公里年，线路平均修复时间为4h/次，联络开关倒闸时间为30min/次，供电可靠率下限取0.9999。

该程序中种群的初始化为随机初始化，遗传操作迭代终止次数为100次，表3给出了程序独立运行10次的优化结果，包括该馈线分段开关的最优安装数量和位置，并给出了相应的可靠性指标、期望缺电量和总费用。

表3

执行次数	开关最优安装位置	期望缺电量/kWh	总费用/元	ASAI
					优化前	/	6728.77	64560.7	0.999836
1	30、33、37	1783.52	28171.9	0.999956
					2	30、33、39	1797.65	28307.4	0.999956
3	30、33、39	1797.65	28307.4	0.999956
					4	30、33、37	1783.52	28171.9	0.999956
5	30、33、37	1783.52	28171.9	0.999956

6	30、33、38	1785.44	28190.3	0.999956
					7	30、33、37	1783.52	28171.9	0.999956
8	32、35、39	1913.32	29417.3	0.999954
					9	30、33、38	1785.44	28190.3	0.999956
10	30、33、39	1797.65	28307.4	0.999956

计算可得，未安装分段开关时，系统的ASAI为0.999836，期望缺电量为6728.77kWh，总费用即为用户停电损失64560.7元。

从表3中可以看出，执行10次程序所得到的结果不尽相同，这是因为种群初始化、选择交叉和变异都具有随机性，使最优结果不一定收敛于同一解。在这10组最优解中，总费用最小的方案是在30、33、37安装分段开关，总费用为28171.9元，增设分段开关后不仅明显提高了系统供电有效度，而且使总费用大大降低。10次程序中有4次收敛于这一解；其他方案的总费用与之相比相差不大，说明该算法具有良好的收敛性。

算例2：

以青州市孟马线——烟草线为算进行计算。

实际算例从拓扑结构和数据上都更为复杂，需做相应的简化和调整，以简化计算过程，确保优化结果：

（1）、干线上的用户作为单独的一个负荷节点；支线线路统一为一个负荷节点，该节点用户数及负荷功率为该条支线上所有的用户及负荷功率总和。

（2）、由于实际情况中缺少负荷节点处的功率数据，负荷节点的功率统一按该节点处变压器容量的40%计算。

（3）、由于实际系统规模较大，适当增加了遗传算法的迭代步数，以确保优化结果。

附图3为孟马线——烟草线简化后的线路图，如附图3所示，青州孟马线—烟草线算例有两条馈线，通过支线的联络开关相连，正常运行时，联络开关断开，两条馈线均设有出口断路器，分段开关可设在每段线路的首段和末端。

表4为孟马线—烟草线的馈线数据。

表4

起点	终点	馈线长度/km	起点	终点	馈线长度/km
						1	2	0.868	20	23	0.651
2	4	0.054	23	25	0.054
						4	7	0.109	30	31	0.336
7	9	0.054	31	33	0.42
						9	11	0.271	33	35	0.084
11	13	0.054	35	38	0.336
						13	15	0.054	38	40	0.042
15	17	0.271	40	42	0.126
						17	20	0.109	42	46	0.252

表5为孟马线—烟草线的负荷数据。

表5

节点	负荷(kW)	用户	节点	负荷(kW)	用户
						3	32	1	27	436	7
5	80	1	28	164	3
						6	20	1	29	416	6
8	200	1	32	32	1
						10	252	1	34	6.4	1
12	880	1	36	750	11
						14	32	1	37	80	1
16	1732	22	39	32	1
						18	32	1	41	200	1
19	80	1	43	204	3
						21	1120	2	44	1694	15
22	244	3	45	80	1
						24	320	1	47	920	3
26	180	2

其中节点2、4、7、9、11、13、15、17、20、23、25、31、33、35、38、40、42、46为“T”节点，节点3、5、6、8、10、12、14、16、18、19、21、22、24、26、27、28、29、32、34、36、37、39、41、43、44、45、47为负荷节点。节点48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81为分段开关待选位置。

表6给出了程序独立运行10的优化结果，包括馈线分段开关的最优安装数量和位置、相应的可靠性指标、期望缺电量和总费用。

表6

执行次数	开关最优安装位置	期望缺电量/kWh	总费用/元	ASAI
					优化前	/	8078.81	77513.9	0.999901
1	60、65、77	2793.07	37858.2	0.999963
					2	56、65、79	2835.65	38266.7	0.999963
3	57、65、79	2858	38481.2	0.999962
					4	60、65、79	2775.75	37692	0.999963
5	60、65、79	2775.75	37692	0.999963
					6	60、65、77	2793.07	37858.2	0.999963
7	59、65、76	2869.08	38587.5	0.999963
					8	58、65、79	2811.11	38031.3	0.999963
9	60、65、79	2775.75	37692	0.999963
					10	58、65、79	2811.11	38031.3	0.999963

在10次优化结果中，总费用最小的方案是在60、65、79处设置分段开关，即在王七支线与孟马线交汇处前、贝特化工支线与孟马线交汇处后、公安局汽修厂支线与烟草线交汇处前3处设置分段开关，对应期望缺电量2775.75kWh，总费用37692元，ASAI为0.999963。可见，增设分段开关后系统供电有效度明显提高，而且总费用显著降低。

对10kV中压馈线的最优分段问题进行研究，即通过优化配置分段开关，提高中压配电线路的可靠性和经济性。优化模型综合考虑了可靠性和经济性两方面的影响，并将可靠性指标转化为经济性指标，目标函数中综合考虑了开关的年投资、年运行维修和用户停电损失等费用，提出了一种在满足可靠性指标的基础上、使总费用最小的分段开关优化配置模型。采用遗传算法求解该非线性组合优化模型，可以以较大的概率获得全局最优解。

对算例系统和青州地区实际系统的优化计算表明，该方法能够较好的求解中压配电系统环网线路的分段开关优化问题，以较少的经济投资代价，显著提高供电可靠性，降低停电损失的期望值，节约系统运行成本。

Claims (6)

1.一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、输入原始数据及所需参数；

b、随机初始化种群；

c、适应度计算；

d、判断是否满足GA算法终止条件；

e、如果不满足GA算法终止条件，执行选择操作、交叉操作、变异操作后执行步骤c；

f、如果满足GA算法终止条件，输出最优结果，程序结束。

2.如权利要求1所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述步骤a中的参数包括计算开关投资费用的参数、计算运行维修费用的参数、计算用户停电损失的参数、计算供电可靠率指标的参数、“T”节点参数、分段开关待选位置参数、负荷节点参数、相邻的“T”节点之间馈线长度参数、负荷节点的负荷参数和负荷节点的用户数。

3.如权利要求2所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述开关投资费用的数学式及参数为：

$S_{\mathrm{COST}}=N_K{C}_S\frac{i{(1+i)}^p}{{(1+i)}^p-1}$

式中，N_K表示开关数量；C_S表示开关单台投资费用现值；i为电力工业投资回收率；p为分段开关的经济使用年限。

4.如权利要求2所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述运行维修费用的数学式及参数为：

M_COST=N_KC_MC_S

式中，C_M为年运行维护费用占投资费用的百分数。

5.如权利要求3所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述用户停电损失的数学式及参数为：

C_COST=C_C·E_ENS

C_C=α₁·K+α₂·b·d

式中，E_ENS为期望缺供电量，α₁,α₂分别为产电比法和平均电价折算倍数法的加权系数，K为产电比，b为单位停电电量电价与平均电价的比值，d为平均电价。

6.如权利要求3所述的一种中压配电网络分段开关的优化配置方法，其特征在于：所述供电可靠率指标的数学式及参数为：

式中，N_i为负荷点i的用户数；u_i为负荷点i的年平均停电时间。

Images