CN104537580B - 基于K‑means聚类的配电网网架的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于K‑means聚类的配电网网架的构建方法，其包括：读取配电网中所有负荷节点的电力需求量及地理位置和主干网架单条线路的容量；通过电力需求量与主干网架容量计算配电网待分区的数目；根据所述负荷节点的地理位置和所述待分区的数目，基于K‑means聚类对配电网中所有负荷节点进行分区的划分，并获取每个分区内的等效负荷点；连接变电站和等效负荷节点，直至将变电站与所有等效负荷点形成环路构建成配电网主干网架；基于每个分区内的负荷节点导通时，分区内布置线缆最短的原则，连接每个分区内的负荷节点和等效负荷点构建成配电网网架。
Description
技术领域
本发明涉及配电网网架构建技术领域，具体涉及一种基于K-means聚类的配电网网架的构建方法。
背景技术
现今中国城市配电网正处于高速发展阶段，作为电力网络中最接近用户的部分，需要对配电网进行科学的优化规划，以期保证电网结构的合理性和运行的安全性、经济性，提高配电网供电质量。目前广泛采用粒子群算法、蚁群算法、遗传算法、模拟退火法、禁忌搜索法等算法对配电网网架进行优化。
但上述诸多算法对配电网网架进行优化时，均是一次性计入所有实际负荷点，计算难度大且难以产生全局最优解，也未能体现有序的网络结构和清晰的脉络，给运行人员的高效调度管理带来极大的阻碍。
此外，规划各阶段中决策变量的维度、准确性及稳定性将极大的影响网络的最终结构，传统规划方案的变量维度高且波动性强，易导致计算结果变化频繁，而工程实际中网络结构需具有较强的稳定性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种配电网层次结构简单清晰的基于K-means聚类的配电网网架的构建方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方为：
提供一种基于K-means聚类的配电网网架的构建方法，其包括以下步骤
读取配电网中所有负荷节点的电力需求量及地理位置和主干网架单条线路的容量；
通过电力需求量与主干网架容量计算配电网待分区的数目；
根据所述负荷节点的地理位置和所述待分区的数目，基于K-means聚类对配电网中所有负荷节点进行分区的划分，并获取每个分区内的等效负荷点；
连接变电站和等效负荷节点，直至将变电站与所有等效负荷点形成环路构建成配电网主干网架；
基于每个分区内的负荷节点导通时，分区内布置线缆最短的原则，连接每个分区内的负荷节点和等效负荷点构建成配电网网架。
本发明的有益效果为：将配电网中的负荷节点进行分区后，通过配电网中变电站和获得的等效负荷点进行配电网主干网架的构建，再对分区中的负荷节点进行连接来完成整个配电网网架的构建。
采用该方法构建的配电网架减小网架生成过程中的数学运算规模，其与传统配电网构建相比层次结构简单明朗，各分区范围明确，便于运行人员决策和管理。
由于整个配电网网架由主干网架和分区内负荷节点进行连接构成的次级网架构成，其网络层次与现有技术相比网络层级更少，可相应减少电力传输路径上的电压损耗；分区内负荷节点的连接基于布置线缆最短的原则，使配电网的线路建设费用远远低于传统的一次性计入所有实际负荷点的构建方式。
整个配电网网架基本上是基于线路最短的原则进行构建的，在线路建设费用方面远低于现有技术一次性计入所有实际负荷点的方式，采用分区理念可降低变电站出线端的载流量，选取性价比更优的线路。
主干网架亦采用环形设计，双重的转供保障使得配电网网架的结构具有更好的可靠性。
附图说明
图1为基于K-means聚类的配电网网架的构建方法的流程图。
图2为基于K-means聚类对配电网进行分区的划分和获取每个分区的等效负荷点的流程图。
图3为最短环路法的设计思路。
图4为配电网主干网架已构建完成后的一个示例图。
图5为每个分区内的负荷节点进行连接的流程图。
图6为33个负荷节点按标准接线方式构建的配电网网架。
图7为采取本方法构建的配电网网架。
图8为标准接线方式构建的配电网网架与采取本方法构建的配电网网架的负荷节点电压对比。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于K-means聚类的配电网网架的构建方法的流程图；该流程图包括步骤101到步骤105：
在步骤101中，读取配电网中所有负荷节点的电力需求量及地理位置和主干网架单条线路的容量。
在步骤102中，通过电力需求量与主干网架容量计算配电网待分区的数目。
在本发明的一个实施例中，通过电力需求量与主干网架容量计算配电网待分区的数目进一步包括：
计算电网中所有负荷节点的电力需求量之和与主干网架单条线路的容量的比值；
若比值为整数，将比值作为待分区的数目；若比值非整数，对比值取整后加一作为待分区的数目。
设计时，还可以在配电网中设置一些能够为电网提供一定电量的分布式电源，分布式电源的接入，能一定程度改善电网的线路负载率、电压水平及总网损。
若是在配电网中增加了分布式电源后，此时计算配电网待分区的数目时就还需要考虑所有分布式电源所提供的电量：
计算电网中所有负荷节点的电力需求量之和与所有分布式电源提供的电量之和的差值，并获取该差值与主干网架单条线路的容量的比值；
若比值为整数，将比值作为待分区的数目；若比值非整数，对比值取整后加一作为待分区的数目。
上述关于待分区的数目的获取可以采用下面的公式进行计算：
式中，di(1+r)T代表第i个负荷节点的负荷需求量；dk(1+r)T代表第k个分布式电源提供的电量；N代表供区内实际负荷节点的总数；r为年增长率；T为时间；P代表分布式电源的总数；Vn代表网络的额定电压；Ifmax代表所选线路的最大额定电流值；α代表线路电流值的裕度；Na代表分区数目，其中是主干网架单条线路的容量，Vn、Ifmax和α可以根据选取的线缆型号进行查表获取。
在步骤103中，根据负荷节点的地理位置和分区的数目，基于K-means聚类对配电网中所有负荷节点进行分区的划分，并获取每个分区内的等效负荷点。
本发明的一个实施例中，图2示出了基于K-means聚类对配电网进行分区的划分和获取每个分区的等效负荷点的流程图，该流程图包括步骤S1至步骤S7：
在步骤S1中，从配电网中的所有负荷节点中选取与分区数目相匹配的负荷节点作为初始聚类中心；
在步骤S2中，计算配电网中的每个负荷节点到每个初始聚类中心的距离；
在步骤S3中，比较每个负荷节点到每个初始聚类中心的距离，将负荷节点划分至离其最近的聚类中心所在的区域；
在步骤S4中，计算每个区域内所有负荷节点地理坐标的平均值作为每个区域的聚类中心；
在步骤S5中，判断通过每个区域内负荷节点地理坐标获得的聚类中心的次数：若大于等于两次，进入步骤S6；若小于两次，返回步骤S2；
在步骤S6中，比较每个区域最后两次得到的聚类中心的地理坐标：
若每个区域最后两次的聚类中心的地理坐标存在差异，返回步骤S2；
若每个区域最后两次的聚类中心的地理坐标无差异，进入步骤S7；
在步骤S7中，将最后一次划分的区域作为配电网的分区，将最后一次计算得到的聚类中心作为配电网每个分区的等效负荷点。
在步骤104中，连接变电站和等效负荷节点，直至将变电站与所有等效负荷点形成环路构建成配电网主干网架；配电网主干网架的具体构建流出为：
连接变电站与其临近的两个等效负荷点，并以两个等效负荷点为起点连接与其临近的等效负荷点，直至将变电站与所有等效负荷点形成环路构建成配电网主干网架。
在本发明的一个实施例中，配电网主干网架的构建基于“闭环设计，开环运行”的原则，兼顾经济性的考虑，采用最短环路法连接各等效负荷点和变电站，其中，路径长度以两点之间的欧式距离为测度，暂不考虑负荷大小对距离的影响。下面结合图3以一个实例对配电网主干网架的构建进行说明：
设图3中圆点1为变电站节点，其余圆点2-5为等效负荷点。第一步，选取两个距离变电站1最近的等效负荷点2、3进行连接；第二步，以等效负荷点2、3为新起点，在剩余等效负荷点中寻求距离等效负荷点2和距离等效负荷点3最近的等效负荷点连接；重复第二步，直至剩余唯一未连接点，如等效负荷点5，将等效负荷5与等效负荷2，等效负荷4连接形成最短环网形成配电网主干网架。
配电网主干网架采用环网设计遵循“开环运行”原则时，通常需设置一条备供线路，正常运行工况下该备供线路处于断开状态，故障时才能使该条备供线路投入运行。下面对配电网主干网架中备供线路的构建进行说明：
调整变电站两侧连接等效负荷点线缆上的等效负荷点的连接个数，直至变电站两侧线缆上的累积负荷量相近似，并将连接变电站两侧线缆末端的等效负荷点的线缆作为配电网主干网架的备供线路。
参考图4，图4示出了配电网主干网架已构建完成后的一个示例图，图中的虚线表示备供线路，变电站左侧连接等效负荷点的线缆(变电站左侧实线)上的累积负荷量与变电站右侧连接等效负荷点的线缆(变电站右侧实线)上的累积负荷量相近似。
在步骤105中，基于每个分区内的负荷节点导通时，分区内布置线缆最短的原则，连接每个分区内的负荷节点和等效负荷点构建成配电网网架。分区内各个负荷节点的连接也可以叫配电网次级网架的构建，配电网网架有配电网主干网架和配电网次级网架组成。
参考图5所示，下面对基于每个分区内的负荷节点导通时，分区内布置线缆最短的原则，连接每个分区内的负荷节点和等效负荷点构建成完整的配电网网架的优先实现方式进行说明，其包括步骤A1至步骤A5：
在步骤A1中，计算每个分区中等效负荷点与该分区中的所有负荷节点之间的距离；
在步骤A2中，连接所述等效负荷点与其距离最近的负荷节点；
在步骤A3中，计算每个分区中未连接的负荷节点与等效负荷点和已连接的负荷节点间的距离；
在步骤A4中，连接距离最短的两个负荷节点或距离最短的负荷节点和等效负荷点；
在步骤A5中，判断分区中是否存在未连接的负荷节点：
若存在未连接的负荷节点，返回步骤A3直至构建成完整的配电网网架。
下面以负荷节点配电网标准接线构建的配电网网架与本方法构建的配电网网架进行对比说明：
构建一个算例供电范围建立在100×100的坐标系中，代表实际建设区域为1km2的范围，电源网络首端基准电压10kV，33个负荷节点，负荷节点地理信息参考实际配电网分散布置。
图6中示出了33个负荷节点按标准接线方式构建的配电网网架，标准接线方式直接从变电站连出若干线路将负荷节点以辐射状网络串接，联络情况较少。其中，三角形为变电站，虚线为备供线路，正常情况下，该线路的联络开关为常开状态。
采取本方法构建的配电网网架的主干网架采用环形设计，为保证转供能力，线路至少应留有50％的备用容量，即是说线路载流裕度极限为0.5，此算例将α设置为极限值。采用型号为JKLYJ-10/120的线路铺设主干网架，其线路参数见表1。
表1架空线参数
按式(1)计算可得分区数应取3，运用K-means聚类分析算法进行区域划分和获取等效负荷点，具体的布线方式如图7所示：
该供区已被划分为三个分区(用点横线切割)，其中，子区间连接4条较粗的线路构成的环形表示网络的主干网架，虚线为备供线路，其余线路从属次级网络，较细的虚线为子区内的联络线，联络设置于线路末梢，以提高转供范围。该网络为主次双层结构，各分区相对独立，主、次网络均设置联络，以加强其可靠性。
对比两网络的性能，方案设置如下：1、标准接线方式构建的配电网网架，线路采用JKLYJ-240型；2、采取本方法构建的配电网网架，主干网架采用型号为JKLYJ-10/120的线路，每个分区的线路采用JKLYJ-10/50的架空线。对比方案各节点的电压值，如图8所示，本方法构建的配电网网架由于新增三个等效负荷点，节点数据共计36个，分别用节点34、35、36表征三个新增节点数值。两种方案的指标对比情况如表2所示：
表2两方案的指标对比
由以上对比可知：采用该方法构建的配电网架减小网架生成过程中的数学运算规模，其与传统配电网构建相比层次结构简单明朗，各分区范围明确，便于运行人员决策和管理。
由于整个配电网网架由主干网架和分区内负荷节点进行连接构成的次级网架构成，其网络层次与现有技术相比网络层级更少，可相应减少电力传输路径上的电压损耗；分区内负荷节点的连接基于布置线缆最短的原则，使配电网的线路建设费用远远低于传统的一次性计入所有实际负荷点的构建方式。
整个配电网网架基本上是基于线路最短的原则进行构建的，在线路建设费用方面远低于现有技术一次性计入所有实际负荷点的方式，采用分区理念可降低变电站出线端的载流量，选取性价比更优的线路。
主干网架亦采用环形设计，双重的转供保障使得配电网网架的结构具有更好的可靠性。
下面对电网中接入分布式电源后的实例进行说明：
随着分布式电源的逐步接入，安全高效的消纳清洁能源成为评判配电网优劣的新标准。本实例是在上述实例的基础上进一步研究本方法构建的配电网架对分布式电源的接纳能力。算例设置如下：1、分布式电源按负荷容量的5％接入配电网，即将有功出力为333kW的光伏加装在第24个负荷节点处。2、分布式电源按负荷容量的15％接入配电网，即在第3、6、7、23、29个负荷节点处分别设置容量为149kW、200kW、200kW、300kW、150kW的光伏。3、分布式电源按负荷容量的30％接入配电网，即在第23、24个负荷节点处设置500kW的光伏，在第6、7、29、30个负荷节点处分别设置为300kW、300kW、150kW、248kW的光伏。对比分析相关指标，如表3所示。
表3接入不同分布式电源后渗透率下的指标对比
对比本方案构建的配电网网架的三种分布式电源渗透率可知，分布式电源的接入能一定程度改善电网的线路负载率、电压水平及总网损。在设置的三种工况下，本方案构建的配电网网架的平均负载率均低于50％，且网络平均负载率也处于较低水平，说明此结构可有效应对分布式电源的增长和负荷转供，主干网架能保障较长时间的正常供电，适应中长期的网络增长，自身改建得以延缓。
Claims (4)
1.一种基于K-means聚类的配电网网架的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取配电网中所有负荷节点的电力需求量及地理位置和主干网架单条线路的容量；
通过电力需求量与主干网架容量计算配电网待分区的数目：
计算电网中所有负荷节点的电力需求量之和与主干网架单条线路的容量的比值；
若所述比值为整数，将所述比值作为所述待分区的数目；
若所述比值非整数，对所述比值取整后加一作为所述待分区的数目；根据所述负荷节点的地理位置和所述待分区的数目，基于K-means聚类对配电网中所有负荷节点进行分区的划分，并获取每个分区内的等效负荷节点：
步骤S1、从配电网中的所有负荷节点中选取与分区数目相匹配的负荷节点作为初始聚类中心；
步骤S2、计算配电网中的每个负荷节点到每个初始聚类中心的距离；
步骤S3、比较每个负荷节点到每个初始聚类中心的距离，将负荷节点划分至离其最近的聚类中心所在的区域；
步骤S4、计算每个区域内所有负荷节点地理坐标的平均值作为每个区域的聚类中心；
步骤S5、判断通过每个区域内负荷节点地理坐标获得的聚类中心的次数：若大于等于两次，进入步骤S6；若小于两次，返回步骤S2；
步骤S6、比较每个区域最后两次得到的聚类中心的地理坐标：
若每个区域最后两次的聚类中心的地理坐标存在差异，返回步骤S2；
若每个区域最后两次的聚类中心的地理坐标无差异，进入步骤S7；
步骤S7、将最后一次划分的区域作为配电网的分区，将最后一次计算得到的聚类中心作为配电网每个分区的等效负荷点；
连接变电站和等效负荷节点，直至将变电站与所有等效负荷点形成环路构建成配电网主干网架；
基于每个分区内的负荷节点导通时，分区内布置线缆最短的原则，连接每个分区内的负荷节点和等效负荷点构建成配电网网架：
A1、计算每个分区中等效负荷点与该分区中的所有负荷节点之间的距离；
A2、连接所述等效负荷点与其距离最近的负荷节点；
A3、计算每个分区中未连接的负荷节点与等效负荷点和已连接的负荷节点间的距离；
A4、连接距离最短的两个负荷节点或距离最短的负荷节点和等效负荷点；
A5、判断分区中是否存在未连接的负荷节点：
若存在未连接的负荷节点，返回步骤A3直至构建成完整的配电网网架。
2.根据权利要求1所述的基于K-means聚类的配电网网架的构建方法，其特征在于，所述配电网主干网架的构建基于闭环设计，开环运行的原则。
3.根据权利要求2所述的基于K-means聚类的配电网网架的构建方法，其特征在于，所述配电网主干网架设置有一条备供线路，所述备供线路的构建方法为：
调整变电站两侧连接等效负荷点线缆上的等效负荷点的连接个数，直至变电站两侧线缆上的累积负荷量相近似，并将连接变电站两侧线缆末端的等效负荷点的线缆作为配电网主干网架的备供线路。
4.根据权利要求1所述的基于K-means聚类的配电网网架的构建方法，其特征在于，所述配电网中还设置有为电网提供电量的分布式电源，此时所述计算配电网待分区的数目进一步包括：
计算电网中所有负荷节点的电力需求量之和与所有分布式电源提供的电量之和的差值，并获取所述差值与所述主干网架单条线路的容量的比值；
若所述比值为整数，将所述比值作为所述待分区的数目；
若所述比值非整数，对所述比值取整后加一作为所述待分区的数目。
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