CN105224993A - 一种优化配电网运行的变电站规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化配电网运行的变电站规划方法；所述方法包括以下步骤：(1)收集整理规划原始数据；(2)确定变电站座数范围；(3)建立配电网运行效率、效益综合评估指标体系；(4)以变电站综合评估指标最优为目标，确定变电站最优规划方案。该方法解决了配电网运行效率、效益评估研究匮乏，及其与配电网优化规划研究结合不紧密的问题。

Description

一种优化配电网运行的变电站规划方法

技术领域：

本发明涉及一种变电站优化规划方法，更具体涉及一种优化配电网运行的变电站规划方法。

背景技术：

配电网运行效率及效益的综合评估分析对优化电网设备资源配置具有重要的指导意义，而目前国内关于电力工业效率的研究主要集中在发电环节，对配电网环节关注较少。此外，现有的配电网优化规划与综合评估研究之间的结合不够紧密，综合评估工作多针对若干给定规划方案进行，根据评估结果选取最优方案；而配电网优化规划的目标又较为单一，未将配电网规划方案的综合技术经济评估水平考虑其中。作为配电网规划关键环节的变电站优化规划，多以建设运维成本等指标作为优化目标，得到的优化方案不一定是综合技术经济水平最优的方案，故提出一种优化配电网运行的变电站优化规划方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种优化配电网运行的变电站规划方法，该方法解决了配电网运行效率、效益评估研究匮乏，及其与配电网优化规划研究结合不紧密的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述配电网包括变电站、中压线路和配电变压器；所述方法包括以下步骤：

(1)收集整理规划原始数据；

(2)确定变电站座数范围；

(3)建立配电网运行效率、效益综合评估指标体系；

(4)以变电站综合评估指标最优为目标，确定变电站最优规划方案。

本发明提供的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(1)中数据包括试点区域概况、电量负荷总量现状值及预测值、空间负荷预测结果、变电站投资估算单价和规划设计导则规定的变电站主变容量和对应台数；所述空间负荷预测结果包括每个地块的负荷值、每个地块的地理坐标值和每个地块供电电压等级。

本发明提供的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(2)中变电站座述范围通过下式(1)和(2)确定：

$n_{\min }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\min }}{C_{\max }}\right)---\left(1\right)$

$n_{\max }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\max }}{C_{\min }}\right)---\left(2\right)$

式中：n_min为变电站座数的最小值，n_max为变电站座数的最大值，S_min为所需变电站容量的最小值，S_max为所需变电站容量的最大值，C_min为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最小值，C_max为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最大值，Ceil为向上取整函数。

本发明提供的另一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述所需变电站容量的最小值S_min和所需变电站容量的最大值S_max通过下式(3)和(4)确定：

S_min＝R_smin*P_f(3)

S_max＝R_smax*P_f(4)

其中，R_smin为根据导则规定的容载比最小值，R_smax为根据导则规定的容载比最大值，P_f为负荷预测值。

本发明提供的又一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述配电网运行效率、效益综合评估指标体系包括设备负载率、轻载设备占比、设备单位资源供电量、电网效益和社会效益。所述设备负载率包括容载比、中压线路平均负载率和配变平均负载率；所述轻载设备占比包括主变轻载比例、中压线路轻载比例和配变轻载比例；所述设备单位资源供电量包括主变单位容量供电量、中压线路单位长度供电量和配变单位容量供电量。所述电网效益包括单位投资增供负荷和单位投资增供电量；所述社会效益包括单位投资减少的户均停电时间和单位投资GDP增长。

本发明提供的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(4)中优化规划的过程包括以下步骤：

(4-1)通过微分进化算法设置参数；

(4-2)明确优化变量并进行种群初始化；

(4-3)对所述变量分别进行变异和交叉操作，生成子代种群；

(4-4)分别计算父代种群和子代种群的适应值，然后进行选择操作，并记录当前最佳个体和对应的适应值；

(4-5)重复步骤(4-1)至(4-4)。

本发明提供的又一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(4-1)中参数包括变电站座数n、种群数量N_p、终止迭代次数C、变异因子F和杂交因子C_R；对于每个n值都进行变电站优化规划流程。

本发明提供的又一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(4-2)中所述优化变量为n座变电站的横坐标、纵坐标及容量，共3×n个变量；所述横坐标和纵坐标变量取值范围由试点区域范围确定；所述容量变量为离散变量，取值由导则规定的变电站主变容量和对应台数的组合确定。

本发明提供的又一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，检查所述步骤(4-3)中子代种群是否满足变量取值范围的约束条件，不满足条件的按下式(5)进行处理：

约束条件为：变电站的容量应介于S_min和S_max之间，并满足导则中对变电站主变容量的序列要求；变电站的横坐标、纵坐标应在规划区域范围以内。

$x_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_j^{\max }& \mathrm{if}(x_{i,j}>x_j^{\max })\\ x_j^{\min }& \mathrm{if}(x_{i,j}<x_j^{\min })\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，x_i，j为第i个子代种群中的第j个变量，为该变量的最大值，为该变量的最小值。

本发明提供的又一优选的一种优化配电网运行的变电站规划方法，所述步骤(4-4)中的适应值通过以下步骤确定：

基于变电站个数及其坐标值，使用Voronoi法确定变电站的供电范围；

统计每个变电站的供电范围内负荷点的负荷值之和，即该变电站所带负荷；

通过变电站容量值、负荷电量和建设投资数据确定单项指标值；调用配电网综合评估流程，计算该变电站个数及其坐标值下对应的变电站规划方案的综合评分值；

所述单项指标值包括容载比、主变轻载比例、主变单位容量供电量、单位投资增供负荷、单位投资增供电量和单位投资减少的户均停电时间。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明提出的方法能够优化配置配电网设备资源，提升配电网规划方案的综合技术经济水平；

2、本发明提出的方法使变电站优化规划和运行效率、效益综合评估工作有效结合，提高了工作效率；

3、本发明基于群体的随机优化方法，具有简单、快速、鲁棒性好等特点；

4、本发明解决了配电网运行效率、效益评估研究匮乏，及其与配电网优化规划研究结合不紧密的问题。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明的配电网运行效率、效益综合评估指标体系示意图；

图3为本发明的变电站运行效率、效益综合评估指标体系示意图；

图4为本发明的配电网综合评估流程示意图；

图5为本发明实际算例的进化迭代过程图；

图6为本发明实际算例优化方案对应的变电站布点图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-6所示，本例的发明优化配电网运行的变电站规划方法；所述方法包括以下步骤：

(1)收集整理规划原始数据；

(2)确定变电站座数范围；

(3)建立配电网运行效率、效益综合评估指标体系；

(4)以变电站综合评估指标最优为目标，确定变电站最优规划方案。

所述步骤(1)中数据包括试点区域概况、电量负荷总量现状值及预测值、空间负荷预测结果、变电站投资估算单价和规划设计导则规定的变电站主变容量和对应台数；所述空间负荷预测结果包括每个地块的负荷值、每个地块的地理坐标值和每个地块供电电压等级。

所述步骤(2)中变电站座述范围通过下式(1)和(2)确定：

$n_{\min }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\min }}{C_{\max }}\right)---\left(1\right)$

$n_{\max }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\max }}{C_{\min }}\right)---\left(2\right)$

式中：n_min为变电站座数的最小值，n_max为变电站座数的最大值，S_min为所需变电站容量的最小值，S_max为所需变电站容量的最大值，C_min为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最小值，C_max为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最大值，Ceil为向上取整函数。

所述所需变电站容量的最小值S_min和所需变电站容量的最大值S_max通过下式(3)和(4)确定：

S_min＝R_smin*P_f(3)

S_max＝R_smax*P_f(4)

其中，R_smin为根据导则规定的容载比最小值，R_smax为根据导则规定的容载比最大值，P_f为负荷预测值。

所述配电网运行效率、效益综合评估指标体系包括设备负载率、轻载设备占比、设备单位资源供电量、电网效益和社会效益；所述设备负载率包括容载比、中压线路平均负载率和配变平均负载率；所述轻载设备占比包括主变轻载比例、中压线路轻载比例和配变轻载比例；所述设备单位资源供电量包括主变单位容量供电量、中压线路单位长度供电量和配变单位容量供电量。所述电网效益包括单位投资增供负荷和单位投资增供电量；所述社会效益包括单位投资减少的户均停电时间和单位投资GDP增长。

配电网效率、效益的综合评估中，各层指标之间的重要程度有所差别，因此是一个有属性偏好的综合评估问题，需要对评估指标进行权重设置。且由于评估指标的数量级存在差异，需要进行一致性处理，本发明选用对指标评分的方式，针对每个指标的特点设置评分曲线。并选取层次分析法(AHP)、模糊综合评价法(FCE)和德尔菲法(DM)作为综合评估方法，使用层次分析法可求得各层次指标的权重值；在指标评分曲线设置环节则借助模糊综合评估方法中的隶属度来表示；确定评估指标判据、设置权重判断矩阵、确定指标评分曲线等环节则采用德尔菲法予以辅助。综合评估方法的整体流程如附图4所示；在构建评价指标体系时，需要处理好指标的选择、设计及指标间相互关系等问题，应尽可能避免或减少指标涵义重叠、指标取舍随意、指标体系过于复杂等问题的出现。

所述步骤(4)中综合评分的过程包括以下步骤：

(4-1)通过微分进化算法设置参数；

(4-2)明确优化变量并进行种群初始化；

(4-3)对所述变量分别进行变异和交叉操作，生成子代种群；

(4-4)分别计算父代种群和子代种群的适应值，然后进行选择操作，并记录当前最佳个体和对应的适应值；

(4-5)重复步骤(4-1)至(4-4)。

所述步骤(4-1)中参数包括变电站座数n、种群数量N_p、终止迭代次数C、变异因子F和杂交因子C_R；对于每个n值都进行变电站优化规划流程。

所述步骤(4-2)中所述优化变量为n座变电站的横坐标、纵坐标及容量，共3×n个变量；所述横坐标和纵坐标变量取值范围由试点区域范围确定；所述容量变量为离散变量，取值由导则规定的变电站主变容量和对应台数的组合确定。

检查所述步骤(4-3)中子代种群是否满足变量取值范围的约束条件，不满足条件的按下式(5)进行处理：

约束条件为：变电站的容量应介于S_min和S_max之间，并满足导则中对变电站主变容量的序列要求；变电站的横坐标、纵坐标应在规划区域范围以内。

$x_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_j^{\max }& \mathrm{if}(x_{i,j}>x_j^{\max })\\ x_j^{\min }& \mathrm{if}(x_{i,j}<x_j^{\min })\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，x_i，j为第i个子代种群中的第j个变量，为该变量的最大值，为该变量的最小值。

所述步骤(4-4)中的适应值通过以下步骤确定：

基于变电站个数及其坐标值，使用Voronoi法确定变电站的供电范围；

统计每个变电站的供电范围内负荷点的负荷值之和，即该变电站所带负荷；

通过变电站容量值、负荷电量和建设投资数据确定单项指标值；单项指标即变电站相关的评估指标(如附图3所示)，包括容载比、主变轻载比例、主变单位容量供电量、单位投资增供负荷、单位投资增供电量和单位投资减少的户均停电时间；

调用综合评估流程(如附图4所示)，计算该变电站个数及其坐标值下对应的变电站规划方案的综合评分值。

变电站优化规划的目标为变电站综合指标最优化，即使反映变电站效率及效益的单项评估指标加权得分最大化，相关指标如附图3所示，目标函数如式(6)。优化问题的约束条件主要包括规划建设标准、电网实际运行特点、土地资源利用约束等。

$C_S={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{\mathrm{\&omega;}}_i*C_{\mathrm{Bi}}---\left(6\right)$

式中：C_S为变电站综合评估指标，即优化目标；n为单项评估指标个数，C_Bi为第i个单项评估指标，如附图3；ω_i为第i个单项评估指标的权重。

变电站优化规划中，由于变电站的个数、站址和容量的组合数量巨大，是一个NP-hard(non-deterministicpolynomialhard)问题，很难通过简单的计算得到最优结果，而现代优化算法则适用于NP-hard组合优化问题全局最优解的求解。其中，微分进化(DE)是比较新的基于群体的随机优化方法，具有简单、快速、鲁棒性好等特点。而Voronoi法能够在变电站个数、位置确定的情况下确定变电站的供电范围和所带负荷，并根据变电站的主变台数和容量计算评估指标值。

应用以上步骤对某试点区域进行变电站的优化规划。根据调研，该试点区域总面积2.41km2，规划目标年(2030年)110kV的供电负荷为142MW，电量约为3.42亿kWh，相比现状年的增供负荷为115MW，增供电量为2.03亿kWh。根据步骤(2)，计算得到n_min＝2，n_max＝3。设置微分进化算法中的种群数量N_p＝30，终止迭代次数C＝100，变异因子F＝0.5，杂交因子C_R＝0.4。使用Matlab编程进行求解，优化结果显示，3座2*50MVA变电站的规划方案为最优方案，综合评分为87分，其进化迭代过程和变电站的最优位置如图5-6所示，图6中黑色点表示变电站，十字表示110千伏负荷点。

最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种优化配电网运行的变电站规划方法；其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

(1)收集整理规划原始数据；

(2)确定变电站座数范围；

(3)建立配电网运行效率、效益综合评估指标体系；

(4)确定变电站最优规划方案。

2.如权利要求1所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(1)中数据包括试点区域概况、电量负荷总量现状值及预测值、空间负荷预测结果、变电站投资估算单价和规划设计导则规定的变电站主变容量和对应台数；所述空间负荷预测结果包括每个地块的负荷值、每个地块的地理坐标值和每个地块供电电压等级。

3.如权利要求1所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(2)中变电站座述范围通过下式(1)和(2)确定：

$n_{\min }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\min }}{C_{\max }}\right)---\left(1\right)$

$n_{\max }=\mathrm{Ceil}\left(\frac{S_{\max }}{C_{\min }}\right)---\left(2\right)$

式中：n_min为变电站座数的最小值，n_max为变电站座数的最大值，S_min为所需变电站容量的最小值，S_max为所需变电站容量的最大值，C_min为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最小值，C_max为根据导则规定的变电站主变台数和主变容量得到的变电站容量的最大值，Ceil为向上取整函数。

4.如权利要求3所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述所需变电站容量的最小值S_min和所需变电站容量的最大值S_max通过下式(3)和(4)确定：

S_min＝R_smin*P_f(3)

S_max＝R_smax*P_f(4)

其中，R_smin为根据导则规定的容载比最小值，R_smax为根据导则规定的容载比最大值，P_f为负荷预测值。

5.如权利要求1所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：步骤(3)所述的指标体系包括设备负载率、轻载设备占比、设备单位资源供电量、电网效益和社会效益；所述设备负载率包括容载比、中压线路平均负载率和配变平均负载率；所述轻载设备占比包括主变轻载比例、中压线路轻载比例和配变轻载比例；所述设备单位资源供电量包括主变单位容量供电量、中压线路单位长度供电量和配变单位容量供电量；所述电网效益包括单位投资增供负荷和单位投资增供电量；所述社会效益包括单位投资减少的户均停电时间和单位投资GDP增长。

6.如权利要求1所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(4)中优化规划的过程包括以下步骤：

(4-1)通过微分进化算法设置参数；

(4-2)明确优化变量并进行种群初始化；

(4-3)对所述变量分别进行变异和交叉操作，生成子代种群；

(4-4)分别计算父代种群和子代种群的适应值，然后进行选择操作，并记录当前最佳个体和对应的适应值；

(4-5)重复步骤(4-1)至(4-4)。

7.如权利要求6所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(4-1)中参数包括变电站座数n、种群数量N_p、终止迭代次数C、变异因子F和杂交因子C_R；对于每个n值都进行变电站优化规划流程。

8.如权利要求7所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(4-2)中所述优化变量为n座变电站的横坐标、纵坐标及容量，共3×n个变量；所述横坐标和纵坐标变量取值范围由试点区域范围确定；所述容量变量为离散变量，取值由导则规定的变电站主变容量和对应台数的组合确定。

9.如权利要求8所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：检查所述步骤(4-3)中子代种群是否满足变量取值范围的约束条件，不满足条件的按下式(5)进行处理：

约束条件为：变电站的容量应介于S_min和S_max之间，并满足导则中对变电站主变容量的序列要求；变电站的横坐标、纵坐标应在规划区域范围以内；

$x_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_j^{\max }& \mathrm{if}(x_{i,j}>x_j^{\max })\\ x_j^{\min }& \mathrm{if}(x_{i,j}<x_j^{\min })\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，x_i，j为第i个子代种群中的第j个变量，为该变量的最大值，为该变量的最小值。

10.如权利要求9所述的一种优化配电网运行的变电站规划方法，其特征在于：所述步骤(4-4)中的适应值通过以下步骤确定：

基于变电站个数及其坐标值，使用Voronoi法确定变电站的供电范围；

统计每个变电站的供电范围内负荷点的负荷值之和，即该变电站所带负荷；

通过变电站容量值、负荷电量和建设投资数据确定所述单项指标值；调用配电网综合评估流程，计算该变电站个数及其坐标值下对应的变电站规划方案的综合评分值；

所述单项指标值包括容载比、主变轻载比例、主变单位容量供电量、单位投资增供负荷、单位投资增供电量和单位投资减少的户均停电时间。