CN104143119B - 一种多尺度分层蜂窝输电网及其规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电网设计与规划技术领域中的一种多尺度分层蜂窝输电网及其规划方法。方法包括：以次高电压等级的电源节点构成的输电网电源层作为目标输电网电源层；根据多尺度分层蜂窝输电网规划模型，求解目标输电网电源层的电源节点容量和电网连线决策量最优解；将所述最优解代入上层输电网电源层，如果两层输电网电源层都满足全网经济性约束，则完成目标输电网电源层规划；否则，对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂；以下层输电网电源层作为目标输电网电源层，继续规划过程；本发明还提供了一种输电网。本发明降低了模型复杂度，提高了供电可靠性，实现了能源的高效利用与资源的合理配置。

Description

一种多尺度分层蜂窝输电网及其规划方法

技术领域

本发明属于电网设计与规划技术领域，尤其涉及一种多尺度分层蜂窝输电网及其规划方法。

背景技术

现代社会中，电力系统的发展与国民经济、居民生活等息息相关。输电网络作为电力系统中发电厂与电力用户之间输送电能的核心环节，其网架结构与电力系统的能源利用率以及资源配置状况密切相关。合理的输电网架结构不但能够适应电力系统发展过程中可能出现的负荷增长和电源建设等一系列不确定因素,还可以为电力系统的安全稳定运行提供客观的指导意见。

目前，世界各国都在积极研究能够更好地适应未来需求的新型的输电网架结构。受地理条件、负荷密度及经济发展水平等因素的影响，输电网的建设与规划所采用的设计准则也不尽相同，这造成了各国输电网架结构的千差万别，给分布式新能源的推广、输电系统的改革带来了巨大的阻力。

此外，输电网建设需要考虑电网具体的网络拓扑结构,所以在输电网规划模型中被涉及到的决策变量很多,加之根据现实需求，一种理想的输电网规划方案可能需要满足安全性、经济性、可靠性、适应性以及灵活性等多方面的要求,这使得输电网规划的约束条件极大地增加。

现有的电网规划设计存在以下问题：大量输电网缺乏统一规划，结构不合理；部分规划模型缺乏长期考虑，无法适应后期发展；规划模型涉及条件过多,大量的约束条件和高维的决策变量使规划模型变得十分复杂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多尺度分层蜂窝输电网及其规划方法，用于解决现有输电网架构的存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种多尺度分层蜂窝输电网，其特征是所述输电网包括电源节点和电网连线；

所述电源节点依据不同的电压等级构成多个输电网电源层，同一输电网电源层的电源节点的电压等级相同；

各输电网电源层的电源节点位于所属输电网电源层的蜂窝网格的顶点，下层输电网电源层的蜂窝网格由上层输电网电源层的蜂窝网格分裂得到；

所述蜂窝网格为正六边形网格，其边长依据输电网电源层中的电源节点平均供电半径确定；

同一输电网电源层的电网连线建造于所属输电网电源层的蜂窝网格的边上；

各输电网电源层与相邻的输电网电源层通过电源节点之间的电网连线相连。

所述下层输电网电源层的蜂窝网格的边长为其上层输电网电源层的蜂窝网格的边长的一半，且下层输电网电源层的蜂窝网格以上层输电网电源层的蜂窝网格的两个相邻顶点作为对顶顶点。

所述电源节点用于向所属输电网电源层的相邻电源节点以及下层输电网电源层的电源节点供电。

一种多尺度分层蜂窝输电网的规划方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：以次高电压等级的电源节点构成的输电网电源层作为目标输电网电源层；

步骤2：根据多尺度分层蜂窝输电网规划模型，求解目标输电网电源层的电源节点容量和电网连线决策量最优解；

步骤3：将所述最优解代入上层输电网电源层，如果两层输电网电源层都满足全网经济性约束，则执行步骤5；

步骤4：对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂；

步骤5：如果完成全网规划，输出各个输电网电源层规划结果；否则，以下层输电网电源层作为目标输电网电源层，转到步骤2。

所述多尺度分层蜂窝输电网规划模型包括目标函数和约束条件；

所述目标函数为：

其中，f(U,S(p_i),Q(p_i,p_j))＝C_power-con+C_power-oper+C_grid-con+C_grid-dep+C_loss；

U为电源节点的电压等级；

S(p_i)为电源节点p_i的容量；

Q(p_i,p_j)为电源节点p_i与电源节点p_j之间的电网连线决策量，当Q(p_i,p_j)＝1时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间建有电网连线，当Q(p_i,p_j)＝0时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间未建有电网连线；

C_power-con为电源节点的建造费用；

C_power-oper为电源节点的运行费用；

C_grid-con为电网连线的建造费用；

C_grid-dep为电网连线的折旧费用；

C_loss为网损费用；

i和j分别为电源节点p_i和电源节点p_j的下标标识；

所述约束条件包括负荷节点有功负荷约束、有功功率平衡约束和线路有功潮流约束；

所述负荷节点有功负荷约束为：

G_load为负荷节点有功负荷；

J_i为由电源节点p_i供电的负荷节点的集合；

W_j为负荷节点p_j的有功负荷；

S(p_i)为电源节点p_i的容量；

e(S(p_i))为电源节点p_i的负载率；

为功率因数；

S_max(p_i)为电源节点p_i的容量上限；

所述有功功率平衡约束为：

G_balance为有功功率；

为对与电源节点p_i相连的所有电源节点p_j求和；

U(p_i)和U(p_j)分别为电源节点p_i和电源节点p_j的节点电压；

P(p_i)为电源节点p_i的有功功率注入；

Q(p_i)为电源节点p_i的无功功率注入；

G(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电导；

B(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电纳；

φ(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的电压相角差；

所述线路有功潮流约束为：

G_powerflow为线路有功潮流；

Z(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的视在功率；

Z_min(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率下限；

Z_max(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率上限。

所述对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂包括：

子步骤B1:标定待分裂的蜂窝网格的连线；

子步骤B2:对标定的连线作中轴线；

子步骤B3:以中轴线为轴，以标定的连线为对角线，做边长为a/2的正六边形；其中，a为待分裂的蜂窝网格的边长；

子步骤B4:剔除待分裂的蜂窝网格外的网格连线以及电源节点。

本发明降低了模型复杂度，提高了供电可靠性，实现了能源的高效利用与资源的合理配置。

附图说明

图1是多尺度分层蜂窝输电网结构图；

图2是输电网电源层的蜂窝网格结构图；

图3是多尺度分层蜂窝输电网的规划方法流程图；

图4是多尺度分层蜂窝输电网节点坐标示意图；

图5是改进的免疫遗传规划流程图；

图6是蜂窝网格分裂流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在本发明所提供的多尺度分层蜂窝输电网结构图如图1所示。该输电网中包括电压等级分别为500kV、220kV以及110kV的电源节点(变电站)。电源节点依据电压等级的不同构成500kV、220kV以及110kV三个输电网电源层。

单一输电网电源层的电源节点电压等级相同，同一输电网电源层内的六个相邻电源节点围成一个蜂窝小区，多个蜂窝小区构成该电压等级的输电网电源层。电源节点建造于所在电源层的基准蜂窝网格及该基准网格下各级小区分裂蜂窝网格的顶点位置上，即各输电网电源层的电源节点位于所属输电网电源层的蜂窝网格的顶点，下层输电网电源层的蜂窝网格由上层输电网电源层的蜂窝网格分裂得到。蜂窝网格为正六边形网格，其边长依据输电网电源层中的电源节点平均供电半径确定。

单一输电网电源层的电网连线建造于所在电源层的基准蜂窝网格及该基准网格下各级蜂窝六边形小区分裂蜂窝网格的蜂窝网格连线位置上，即同一输电网电源层的电网连线建造于所属输电网电源层的蜂窝网格的边上。

如图2所示，每个六边形的顶点均为电源节点；每条六边形的边均为电网连线，实心圆点为真实建设的电厂、变电站或分布式发电站，实线为真实建设的电缆、架空线，电网连线所构成的网络称为蜂窝网格，由复数个蜂窝小区构成。

各输电网电源层与相邻的输电网电源层通过电源节点之间的电网连线相连，输电网电源层之间通过输电线路互通，不但可以形成双绕组接线，也能满足三绕组接线要求，形成跨级互连。

此外，在分层多尺度蜂窝网格状电网结构中，可以实现一个高电压等级电源节点下供若干低电压等级电源节点；同时，一个低电压等级电源节点也可以上接若干高电压等级电源节点，达到多电源供电，从纵、横两个方向保证重要输电网电源节点的供电可靠性，有效防止因短路或其它原因造成的区域停电。在单一输电网电源层内，电源节点仅可以向其所属的基准蜂窝网格的相邻电源节点及该基准网格下各级小区分裂蜂窝网格的蜂窝六边形小区内的低电压等级电源节点供电。

在不同的输电网电源层中，基准蜂窝网格上的蜂窝六边形的边长随着电源点电压等级的增大而增大。其蜂窝六边形的边长为其上一级蜂窝网格上的蜂窝六边形的边长的一半，并以上一级蜂窝网格上的蜂窝六边形的两个相邻顶点作为该小区分裂蜂窝网格上的蜂窝六边形的对顶顶点。在小区分裂时，只需在小区内新增电源节点而无需改变原有电源节点的位置，能够有效的保证电源节点建设的可持续性。各级小区分裂过程中，电源节点按照小区分裂级别成幂指数增加。若负荷按固定比例增长，只要电源节点的容量充足，小区分裂后的电源节点能够满足电力负荷持续增长的要求。

本发明还提供了一种多尺度分层蜂窝输电网的规划方法，针对图1所示的包含500kV、220kV以及110kV三个电压等级的多尺度分层蜂窝输电网，其过程如图3所示，包括：

多尺度分层蜂窝输电网的规划方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：以次高电压等级的电源节点构成的输电网电源层作为目标输电网电源层。

步骤2：根据多尺度分层蜂窝输电网规划模型，求解目标输电网电源层的电源节点容量和电网连线决策量最优解。

首先，应当建立适用于多尺度分层蜂窝输电网的包含多层多约束的误差反向传播集成规划模型，多尺度分层蜂窝输电网应满足输电网全网经济性约束。而对于各输电网电源层，优化目标为包含电源节点建造费用、电源节点运行费用、电网连线建造费用、电网连线折旧费用以及网损在内的经济费用最小。约束条件包含负荷点有功负荷约束、有功功率平衡约束以及线路有功潮流约束的开关约束。其次，从次高电压等级(即220kV)的输电网电源层开始，分层依次对多尺度分层蜂窝输电网进行规划，导入各电源节点编号及其坐标数据，并导入输电网其它参数。

多尺度分层蜂窝输电网规划模型包括目标函数为：

公式(1)中，f(U,S(p_i),Q(p_i,p_j))＝C_power-con+C_power-oper+C_grid-con+C_grid-dep+C_loss，U为电源节点的电压等级，S(p_i)为电源节点p_i的容量。Q(p_i,p_j)为电源节点p_i与电源节点p_j之间的电网连线决策量，当Q(p_i,p_j)＝1时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间建有电网连线，当Q(p_i,p_j)＝0时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间未建有电网连线。C_power-con为电源节点的建造费用，C_power-oper为电源节点的运行费用，C_grid-con为电网连线的建造费用，C_grid-dep为电网连线的折旧费用，C_loss为网损费用，i和j分别为电源节点p_i和电源节点p_j的下标标识。

约束条件包括负荷节点有功负荷约束、有功功率平衡约束和线路有功潮流约束。

其中，负荷节点有功负荷约束为：

公式(2)中，J_i为由电源节点p_i供电的负荷节点的集合，W_j为负荷节点p_j的有功负荷，S(p_i)为电源节点p_i的容量，e(S(p_i))为电源节点p_i的负载率，为功率因数，S_max(p_i)为电源节点p_i的容量上限。

有功功率平衡约束为：

U(p_i)和U(p_j)分别为电源节点p_i和电源节点p_j的节点电压，P(p_i)为电源节点p_i的有功功率注入，Q(p_i)为电源节点p_i的无功功率注入，G(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电导，B(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电纳，φ(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的电压相角差。

所述线路有功潮流约束为：

公式(4)中，Z(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的视在功率，Z_min(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率下限，Z_max(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率上限。

对于不同电压等级下的各输电网电源层，建立输电网节点的二元坐标如图4所示。设输电网电源层蜂窝六边形的边长为a，输电网中的电源节点容量与电网连线建设情况的决策量为S(p_i)∈R与Q(p_i,p_j)＝0,1，以及表征输电网节点之间距离的节点距离矩阵为D＝[d(p_i,p_j)]∈R^N×N。

对于上述目标函数，应用免疫遗传算法对目标输电网电源层求解，如图5所示，具体包括以下子步骤：

子步骤A1:确定抗原与抗体，算法初始化。抗原为电网经济性优化目标目标函数f(·,·)包含电源节点建造费用、电源节点运行费用、电网连线建造费用、电网连线折旧费用以及网损在内的经济费用等。抗体为决策量S(p_i)∈R与Q(p_i,p_j)＝0,1。其中，S(p_i)∈R为目标层输电网电源节点容量，Q(p_i,p_j)＝0,1为电网连线建设情况。p_i、p_j分别表示不同的电源节点。

约束条件包含负荷点有功负荷约束、有功功率平衡约束和线路有功潮流约束的开关约束等。此外，对以下免疫算法参数进行设定：N表征种群规模数，P_C表征遗传操作的交叉概率，P_m表征遗传操作的变异概率，M_max表征最大循环次数，ε_av表征单电源层收敛阈值。

子步骤A2:对参数进行编码。抗体基因编码涉及电源节点连线决策量Q(p_i,p_j)与电源节点容量S(p_i)。Q(p_i,p_j)直接采用0-1编码，S(p_i)为整数类型数据，根据其取值范围进行二进制编码。编码字串按电源节点编号依次排序，记第m次循环操作的第n个抗体为X_mn。

子步骤A3:初代免疫应答。抗体向量包括输电网节点与节点连线处电源点容量S(p_i)与电网连线建设情况的决策量Q(p_i,p_j)。在满足输电网约束的前提下，通过均匀随机选取的方法选择目标输电网电源层规划的初始解，并对初始解进行连通性校验。对存在孤岛节点以及独立小网等不连通情况的初始解的网络连通性进行随机的修正，使随机产生的初始解满足连通性条件。依照上述方法随机生成若干抗体向量，并从中选择N个满足约束条件的解作为初始种群(X_m1,X_m2,…,X_mN)。

子步骤A4:种群集合评价。按编码规则对抗体(X_m1,X_m2,…,X_mN)反向解码,获得电网连线建设情况的决策量Q(p_i,p_j)与输电网节点与节点连线处电源点容量S(p_i)，将其代入计算抗原与抗体的亲和力

子步骤A5:判断免疫循环算法是否满足终止条件。若循环次数m超过M_max或存在抗体使其与抗原的亲和力达到收敛阈值ε_av，转到子步骤A3；否则，转到子步骤A6。

子步骤A6:种群期望繁殖率计算。计算抗体X_mk和抗体X_ml之间的相似度其中，T_kl(i)为抗体X_mk和抗体X_ml中第i个位置上的数值差值的绝对值与该数值取值范围的比值。

计算抗体X_mk的浓度其中thres_ac是已确定的浓度阈值。计算抗体X_mk的期望繁殖率:抗体X_mk的期望繁殖率与抗体X_mk的浓度成反比，与抗原、抗体的亲和力成正比。对约束条件进行判断：判断各抗体X_mk结果是否满足上述约束条件，若满足则不作处理；反之，将期望繁殖率e_k置为0。

子步骤A7:生成新种群集合。参照子步骤A6计算所得期望繁殖率，对抗体种群中的抗体进行轮盘赌选择，从中选择M个父代个体，采用标准遗传算法中交叉和变异算子作为免疫系统的交叉和变异算子，采用随机多点变异对抗体进行进化，遗传操作的交叉与变异概率分别为P_C以及P_m，生成新抗体种群(X_m+1,1,X_m+1,2,…,X_m+1,N)。转到子步骤A4。

步骤3：将所述最优解代入上层输电网电源层，如果两层输电网电源层都满足全网经济性约束，则执行步骤5。

如果目标输电网电源层和其上层输电网电源层都满足如下公式：

C_power-con+C_power-oper+C_grid-con+C_grid-dep+C_loss≤C_max(U) (5)

其中，C_max(U)为总费用上限，则认定两层输电网电源层都满足全网经济性约束，转而执行步骤5。否则，执行步骤4。

步骤4：对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂。

对于目标输电网电源层，如果蜂窝网格上的节点不满足负荷点有功负荷约束，即对于该节点有或S(p_i)-S_max(p_i)>0，则该蜂窝网格需要进行分裂。

对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂如图6所示，包括：

子步骤B1:标定待分裂的蜂窝网格的连线。

子步骤B2:对标定的连线作中轴线。

子步骤B3:以中轴线为轴，以标定的连线为对角线，做边长为a/2的正六边形；其中，a为待分裂的蜂窝网格的边长。

子步骤B4:剔除待分裂的蜂窝网格外的网格连线以及电源节点。

步骤5：如果完成全网规划，输出各个输电网电源层规划结果；否则，以下层输电网电源层作为目标输电网电源层，转到步骤2。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种多尺度分层蜂窝输电网的规划方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：以次高电压等级的电源节点构成的输电网电源层作为目标输电网电源层；

步骤2：根据多尺度分层蜂窝输电网规划模型，求解目标输电网电源层的电源节点容量和电网连线决策量最优解；

步骤3：将所述最优解代入上层输电网电源层，如果两层输电网电源层都满足全网经济性约束，则执行步骤5；

步骤4：对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂；

步骤5：如果完成全网规划，输出各个输电网电源层规划结果；否则，以下层输电网电源层作为目标输电网电源层，转到步骤2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述多尺度分层蜂窝输电网规划模型包括目标函数和约束条件；

所述目标函数为：

其中，f(U,S(p_i),Q(p_i,p_j))＝C_power-con+C_power-oper+C_grid-con+C_grid-dep+C_loss；

U为电源节点的电压等级；

S(p_i)为电源节点p_i的容量；

Q(p_i,p_j)为电源节点p_i与电源节点p_j之间的电网连线决策量，当Q(p_i,p_j)＝1时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间建有电网连线，当Q(p_i,p_j)＝0时，表示电源节点p_i与电源节点p_j之间未建有电网连线；

C_power-con为电源节点的建造费用；

C_power-oper为电源节点的运行费用；

C_grid-con为电网连线的建造费用；

C_grid-dep为电网连线的折旧费用；

C_loss为网损费用；

i和j分别为电源节点p_i和电源节点p_j的下标标识；

所述约束条件包括负荷节点有功负荷约束、有功功率平衡约束和线路有功潮流约束；

所述负荷节点有功负荷约束为：

G_load为负荷节点有功负荷；

J_i为由电源节点p_i供电的负荷节点的集合；

W_j为负荷节点p_j的有功负荷；

S(p_i)为电源节点p_i的容量；

e(S(p_i))为电源节点p_i的负载率；

为功率因数；

S_max(p_i)为电源节点p_i的容量上限；

所述有功功率平衡约束为：

$G_{balance}=\left\{\begin{array}{c}P\left(p_i\right)-U\left(p_i\right)\underset{j}{\mathrm{\Σ}}U\left(p_j\right)\left(G\right(p_i,p_j\left)\cos \mathrm{\φ}\right(p_i,p_j)+B(p_i,p_j\left)\sin \mathrm{\φ}\right(p_i,p_j\left)\right)=0\\ Q\left(p_i\right)-U\left(p_i\right)\underset{j}{\mathrm{\Σ}}U\left(p_j\right)\left(G\right(p_i,p_j\left)\sin \mathrm{\φ}\right(p_i,p_j)-B(p_i,p_j\left)\cos \mathrm{\φ}\right(p_i,p_j\left)\right)=0\end{array}\right.;$

G_balance为有功功率；

为对与电源节点p_i相连的所有电源节点p_j求和；

U(p_i)和U(p_j)分别为电源节点p_i和电源节点p_j的节点电压；

P(p_i)为电源节点p_i的有功功率注入；

Q(p_i)为电源节点p_i的无功功率注入；

G(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电导；

B(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的导纳矩阵的电纳；

φ(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j的电压相角差；

所述线路有功潮流约束为：

G_powerflow为线路有功潮流；

Z(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的视在功率；

Z_min(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率下限；

Z_max(p_i,p_j)为电源节点p_i和电源节点p_j之间的支路上的功率上限。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述对目标输电网电源层中不满足负荷点有功负荷约束的蜂窝网格进行分裂包括：

子步骤B1:标定待分裂的蜂窝网格的连线；

子步骤B2:对标定的连线作中轴线；

子步骤B3:以中轴线为轴，以标定的连线为对角线，做边长为a/2的正六边形；其中，a为待分裂的蜂窝网格的边长；

子步骤B4:剔除待分裂的蜂窝网格外的网格连线以及电源节点。