CN105356465A - 一种经济性与安全性协调的输电网规划平台及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经济性与安全性协调的输电网规划平台及应用，所述的平台包括依次连接的数据库模块(1)、输入模块(2)、分析模块(3)、规划模块(4)和输出模块(5)，输入模块(2)存储输电网安全指标，从数据库(1)模块获取输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据，并将所述的指标和数据输送给分析模块(3)，分析模块(3)计算输电网的投资成本、维护成本、运行成本和缺电成本，并输送给规划模块(4)，规划模块(4)采用改进小生境遗传算法，对输电网进行安全性与经济性协调的扩展规划分析，输出模块(5)输出规划结果信息。与现有技术相比，使用本发明规划的输电网具有综合成本低、经济效益高的优点。

Description

一种经济性与安全性协调的输电网规划平台及应用

技术领域

本发明涉及一种输电网规划平台，尤其是涉及一种经济性与安全性协调的输电网规划平台及应用。

背景技术

安全性与经济性是电网规划与运行阶段需考虑的两个重要因素。传统电网规划方法一般以投资成本、运行维护费用等综合最小为目标，安全性因素仅作为约束条件(如N-1安全约束)加入到规划模型中，从而在满足一定安全性水平下寻求经济性最优的规划方案，但该方法无法协调电网安全性与经济性之间的矛盾关系。近年来美加8.14大停电等大面积停电事故的频发，给社会带来的巨大经济损失和社会影响，使人们认识到提高电网运行安全性的重大意义。另外，随着电力市场改革的逐步深入，经济性将成为发电公司、电网企业关注的另一个热点，电网安全性和经济性不再表现为两个独立的指标，安全性效益将融入到经济性中。因而，对于电网规划而言，在保证电网安全运行水平的同时，不仅要考虑电网运行的经济性，还需考虑安全性因素的影响及安全性因素所带来的经济损失。

经对现有文献进行检索发现，现有文献中，查浩、韩学山、王勇等在《中国电机工程学报》(2009，29(13)：16-22)上发表的《电力系统安全经济协调的概率调度理论研究》通过构建电力系统安全性与经济性相协调的概率调度模型，并引入电网安全价值系数实现经济性和安全性折中，实现了安全性与经济性的均衡协调。孙欣、吕跃春、高军等在《电网技术》(2009，33(11)：12-17)上发表的《电网经济性与安全性的精益化协调方法》提出以电网运行均衡度作为电网安全运行指标，通过求解系统经济、安全的双目标优化问题得到了电网安全–经济运行协调曲线。范宏、程浩忠、金华征等在《中国电机工程学报》(2008，28(16)：1-7)上发表的《考虑经济性可靠性的输电网二层规划模型及混合算法》通过建立考虑经济性可靠性的输电网二层规划模型，将可靠性问题以约束条件的形式加入到经济性规划问题中。目前电网规划模型中一般在规划模型的约束条件中考虑到安全性因素，而并非将其作为规划目标的一部分，因而无法在电网规划阶段实现安全性与经济性的协调。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种输电网经济效益高、综合成本优的经济性与安全性协调的输电网规划平台及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，包括依次连接的数据库模块、输入模块、分析模块、规划模块和输出模块，所述的输入模块存储输电网安全指标，从数据库模块获取输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据，并将所述的指标和数据输送给分析模块，所述的分析模块计算输电网的投资成本、维护成本、运行成本和缺电成本，并输送给规划模块，所述的规划模块采用小生境遗传算法，对输电网进行安全性与经济性协调的扩展规划计算，所述的输出模块输出规划结果信息。

所述的分析模块包括投资成本计算子模块、维护成本计算子模块、运行成本计算子模块、缺电成本计算子模块和输电网安全约束子模块，所述的投资成本计算子模块计算输电网的投资成本IC，所述的维护成本计算子模块计算输电网的维护成本MC，所述的运行成本计算子模块计算输电网的运行成本OC，所述的缺电成本计算子模块计算输电网的缺电成本LSC，所述的输电网安全约束子模块对输电网进行安全约束，所述的安全约束条件包括功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束、支路新建线路数量约束和N-1安全约束。

各所述的成本计算式如下：

式中：k(r,n)为资金收回系数，c_ij为支路ij新建单条线路的投资成本，n_ij为支路ij新增线路数，Ω+表示可新增线路的支路集合；n_devices为电网中元件设备集合，λ_i为第i个元件每年平均故障次数，为第i个元件每次平均维修费用；C_e和P_e分别为煤价系数和电价系数，s为总的负荷水平级数，T^l为负荷水平级l的负荷持续时间，R_ij为线路ij的电阻，n_g为系统所有的发电机数目，为在系统负荷水平级l下，考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本，为在系统负荷水平级l下，不考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本；Ω_l,i和P_l,k分别为在负荷水平级l下系统出现故障状态的集合及出现故障状态k的概率；为节点i间接断电损失与直接断电损失的比例；PSIC_i为缺电损失评价率；为负荷水平级l下，出现故障状态k时节点i的切负荷量。

各所述的约束条件具体为：

功率平衡约束：Sf^l+g^l＝d^l

发电机出力约束：

支路新建线路数量约束：

支路潮流约束： $\left|f_{ij}^l\right|\≤(n_{ij}^0+n_{ij}){\stackrel{\‾}{f}}_{ij}$

式中：S、f^l、g^l、d^l分别为节点支路关联矩阵、支路有功功率列向量、发电机有功出力列向量、负荷列向量；为常规发电机有功出力上限列向量；为支路ij新建线路数上限；为支路ij的有功潮流，为支路ij原有线路数，n_ij为支路ij新增线路数，为支路ij单条线路输电容量，所述的N-1安全约束包括任一设备故障情况下所述的功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束和支路新建线路数量约束。

所述的规划模块进行扩展规划时，以投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC的总和最小为规划目标，并受安全约束条件的约束，得到输电网各支路新增线路的数量。

一种使用所述的经济性与安全性协调的输电网规划平台进行输电网规划的应用，其特征在于，包括以下步骤：

S01，根据已有输电网，搭建经济性与安全性协调的输电网规划平台；

S02，设定输电网安全指标，并通过输入模块向从分析模块输送输电网安全指标、输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据；

S03，规划模块利用分析模块计算投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC，并进行安全约束条件判断，采用改进小生境遗传算法，得到输电网各支路新增线路的数量；

S04，输出模块输出规划结果信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过引入缺电成本LSC，将安全性因素转化为经济形式并加入到目标函数中成为优化对象，在模型中综合考虑安全性及经济性因素，与仅考虑经济性因素的扩展规划相比，输电网经济效益更高。

(2)使用改进的小生境遗传算法进行扩展规划，克服了传统遗传算法随着迭代进行群体多样性减弱且易收敛于局部最优解的缺陷，也有效改善小生境遗传算法的局部寻优能力，提高了算法的寻优效率和速度。

(3)安全约束条件包括功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束、支路新建线路数量约束和N-1安全约束，其中N-1安全约束包括任一设备故障情况下所述的功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束和支路新建线路数量约束，全面考虑各种不安全因素，保证输电网安全运行。

(4)在实现安全性与经济性的协调以及电网综合成本最优的同时，产生良好的社会效益。

附图说明

图1为本发明输电网规划平台的结构示意图；

图2为本实施例规划模块进行扩展规划的流程示意图；

图3为本实施例输电网原始方案的网架图；

附图标记：

1为数据库模块；2为输入模块；3为分析模块；31为投资成本计算子模块；32为维护成本计算子模块；33为运行成本计算子模块；34为缺电成本计算子模块；35为输电网安全约束子模块；4为规划模块，5为输出模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，包括依次连接的数据库模块(1)、输入模块(2)、分析模块(3)、规划模块(4)和输出模块(5)，所述的输入模块(2)存储输电网安全指标，从数据库(1)模块获取输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据，并将所述的指标和数据输送给分析模块(3)，所述的分析模块(3)计算输电网的投资成本、维护成本、运行成本和缺电成本，并输送给规划模块(4)，所述的规划模块(4)采用改进小生境遗传算法，对输电网进行安全性与经济性协调的扩展规划计算，所述的输出模块(5)输出规划结果信息。

分析模块(3)包括投资成本计算子模块(31)、维护成本计算子模块(32)、运行成本计算子模块(33)、缺电成本计算子模块(34)和输电网安全约束子模块(35)，所述的投资成本计算子模块(31)计算输电网的投资成本IC，所述的维护成本计算子模块(32)计算输电网的维护成本MC，所述的运行成本计算子模块(33)计算输电网的运行成本OC，所述的缺电成本计算子模块(34)计算输电网的缺电成本LSC，所述的输电网安全约束子模块(35)对输电网进行安全约束，所述的安全约束条件包括功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束、支路新建线路数量约束和N-1安全约束。

各成本计算式如下：

式中：k(r,n)为资金收回系数，c_ij为支路ij新建单条线路的投资成本，n_ij为支路ij新增线路数，Ω+表示可新增线路的支路集合；n_devices为电网中元件设备集合，λ_i为第i个元件每年平均故障次数，为第i个元件每次平均维修费用；C_e和P_e分别为煤价系数和电价系数，s为总的负荷水平级数，T^l为负荷水平级l的负荷持续时间，R_ij为线路ij的电阻，n_g为系统所有的发电机数目，为在系统负荷水平级l下，考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本，为在系统负荷水平级l下，不考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本；Ω_l,i和P_l,k分别为在负荷水平级l下系统出现故障状态的集合及出现故障状态k的概率；为节点i间接断电损失与直接断电损失的比例；PSIC_i为缺电损失评价率；为负荷水平级l下，出现故障状态k时节点i的切负荷量。

各约束条件具体为：

功率平衡约束：Sf^l+g^l＝d^l

发电机出力约束：

支路新建线路数量约束：

支路潮流约束： $\left|f_{ij}^l\right|\≤(n_{ij}^0+n_{ij}){\stackrel{\‾}{f}}_{ij}$

式中：S、f^l、g^l、d^l分别为节点支路关联矩阵、支路有功功率列向量、发电机有功出力列向量、负荷列向量；为常规发电机有功出力上限列向量；为支路ij新建线路数上限；为支路ij的有功潮流，为支路ij原有线路数，n_ij为支路ij新增线路数，为支路ij单条线路输电容量。

N-1安全约束包括任一设备故障情况下所述的功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束和支路新建线路数量约束。

规划模块(4)进行扩展规划时，以投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC的总和最小为规划目标，并受安全约束条件的约束，得到输电网各支路新增线路的数量。

一种使用所述的经济性与安全性协调的输电网规划平台进行输电网规划的应用，包括以下步骤：

S01，根据已有输电网，搭建经济性与安全性协调的输电网规划平台；

S02，设定输电网安全指标，并通过输入模块(2)向从分析模块(3)输送输电网安全指标、输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据；

S03，规划模块(4)利用分析模块(3)计算投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC，并进行安全约束条件判断，采用改进小生境遗传算法，得到输电网各支路新增线路的数量；

S04，输出模块(5)输出规划结果。

如图2所示，步骤S03具体包括以下步骤：

1)随机产生10·pop_size个个体，并利用深度优先搜索算法对所有个体进行连通性校验；

2)判断通过连通性校验的个体数是否大于pop_size，若满足连通性要求的个体数大于pop_size，则对个体适应值从小到大进行排序，并选择前pop_size个个体作为迭代初始种群，否则返回步骤1)；

3)对初始种群执行4轮联赛选择机制，并采取精英保留策略，保留m个精英个体；

4)确定自适应交叉概率p_c，从交配池中随机选择p_c·pop_size个个体；判断随机选择的个体是否相同，若不同则执行交叉操作，若相同则执行逆转操作，进而产生新的子代个体；若子代个体优于母代，则保留子代个体，反之则保留母代个体；

5)确定自适应变异概率p_m，从交配池中随机选择p_m·pop_size个个体进行变异；若变异后的子代个体优于母代，则保留子代个体并转到步骤6)继续执行，反之则保留母代个体；

6)计算当前种群中所有个体的适应度值，执行小生境淘汰运算，调整各个体的适应度；

7)判断迭代是否满足收敛条件或达到最大迭代次数，若满足则输出最优个体及其相应的适应度值，反之则转到步骤3)并进入下一次迭代。

使用改进的小生境遗传算法进行扩展规划，克服了传统遗传算法随着迭代进行群体多样性减弱且易收敛于局部最优解的缺陷，也有效改善小生境遗传算法的局部寻优能力，提高了算法的寻优效率和速度。

将所述的输电网规划平台应用在如图3所示的输电网原有网架基础上，进行电网规划，该系统的节点数据和支路数据分别如表1和表2所示。对如图3所示的输电网采用两种方法进行扩展规划，第一种方法为仅考虑经济性的输电网规划，即在改进小生境遗传算法中，目标函数为投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC的总和最小，其余与第二种方法相同；第二种方法为本发明的考虑经济性安全性协调的规划方法。规划结果如表3所示。表3中规划方案一栏列出两种规划模型下的具体新增线路方案，如表中4-9(2)表示在原有网架线路的基础上，在节点4与节点9之间新增2条输电线路。

表1某输电系统节点数据

其中：－表示该节点不是发电节点。

表2某输电系统支路数据

表3输电网规划方案结果

通过两个规划方案的对比，可知考虑经济性的输电网规划平台得到的规划方案更多注重的是经济性方面，因而其网架新增线路数仅为8条，且年投资成本为3695万元。但第一种方案由于过于注重减少投资成本，仅考虑经济性因素而在一定程度上忽略了安全性因素，导致其缺电成本要比本发明考虑经济性安全性协调的输电网规划方案高出1675万元。而本发明考虑经济性安全性协调的输电网规划方案虽然年投资成本比考虑经济性的输电网规划平台得到的规划方案的年投资成本高，但由于该方案在规划阶段综合考虑了安全性及经济性因素，因而考虑经济性安全性协调的输电网规划方案在增加一定投资成本的前提下减少了缺电成本，并且该规划方案在增加一定投资成本的情况下进一步控制了规划方案的阻塞情况。因而，本发明的考虑经济性安全性协调的输电网规划方案与仅考虑经济性的输电网规划相比，虽然在规划阶段增加了一定投资，但规划方案的年综合成本相比减少了1040万元。

综上可知，本发明的输电网规划平台可以有效地对输电网进行考虑经济性安全性协调的扩展规划。

Claims (6)

1.一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，包括依次连接的数据库模块(1)、输入模块(2)、分析模块(3)、规划模块(4)和输出模块(5)，所述的输入模块(2)存储输电网安全指标，从数据库(1)模块获取输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据，并将所述的指标和数据输送给分析模块(3)，所述的分析模块(3)计算输电网的投资成本、维护成本、运行成本和缺电成本，并输送给规划模块(4)，所述的规划模块(4)采用小生境遗传算法，对输电网进行安全性与经济性协调的扩展规划计算，所述的输出模块(5)输出规划结果信息。

2.根据权利要求1所述的一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，所述的分析模块(3)包括投资成本计算子模块(31)、维护成本计算子模块(32)、运行成本计算子模块(33)、缺电成本计算子模块(34)和输电网安全约束子模块(35)，所述的投资成本计算子模块(31)计算输电网的投资成本IC，所述的维护成本计算子模块(32)计算输电网的维护成本MC，所述的运行成本计算子模块(33)计算输电网的运行成本OC，所述的缺电成本计算子模块(34)计算输电网的缺电成本LSC，所述的输电网安全约束子模块(35)对输电网进行安全约束，所述的安全约束条件包括功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束、支路新建线路数量约束和N-1安全约束。

3.根据权利要求2所述的一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，各所述的成本计算式如下：

$\begin{array}{c}IC=k\left(r,n\right)\·\underset{ij\∈\mathrm{\Ω}+}{\Σ}{c}_{ij}{n}_{ij}\\ MC=\underset{i=1}{\overset{n_{devices}}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\·c_m^i\\ OC=C_e\·\underset{l=1}{\overset{s}{\Σ}}{T}^l\underset{i=1}{\overset{n_g}{\Σ}}\left(g_{i,c}^l-g_{i,u}^l\right)+P_e\·\underset{l=1}{\overset{s}{\Σ}}{T}^l\underset{ij\∈\mathrm{\Ω}}{\Σ}{R}_{ij}{\left(f_{ij}^l\right)}^2\\ LSC=\underset{l=1}{\overset{s}{\Σ}}{h}_i\left({\mathrm{LS}}_i^l\right)=\underset{l=1}{\overset{s}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{k\∈{\mathrm{\Ω}}_{l,i}}{\Σ}\left(1+{\∂}_i\right)\·T^l\·{\mathrm{PSIC}}_i\·P_{l,k}\·{\mathrm{LS}}_i^l\end{array}$

式中：k(r,n)为资金收回系数，c_ij为支路ij新建单条线路的投资成本，n_ij为支路ij新增线路数，Ω+表示可新增线路的支路集合；n_devices为电网中元件设备集合，λ_i为第i个元件每年平均故障次数，为第i个元件每次平均维修费用；C_e和P_e分别为煤价系数和电价系数，s为总的负荷水平级数，T^l为负荷水平级l的负荷持续时间，R_ij为线路ij的电阻，n_g为系统所有的发电机数目，为在系统负荷水平级l下，考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本，为在系统负荷水平级l下，不考虑线路潮流约束时第i台发电机的发电成本；Ω_l,i和P_l,k分别为在负荷水平级l下系统出现故障状态的集合及出现故障状态k的概率；为节点i间接断电损失与直接断电损失的比例；PSIC_i为缺电损失评价率；为负荷水平级l下，出现故障状态k时节点i的切负荷量。

4.根据权利要求2所述的一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，各所述的约束条件具体为：

功率平衡约束：Sf^l+g^l＝d^l

发电机出力约束：

支路新建线路数量约束：

支路潮流约束： $\left|f_{ij}^l\right|\≤(n_{ij}^0+n_{ij}){\stackrel{\‾}{f}}_{ij}$

式中：S、f^l、g^l、d^l分别为节点支路关联矩阵、支路有功功率列向量、发电机有功出力列向量、负荷列向量；为常规发电机有功出力上限列向量；为支路ij新建线路数上限；为支路ij的有功潮流，为支路ij原有线路数，n_ij为支路ij新增线路数，为支路ij单条线路输电容量，所述的N-1安全约束包括任一设备故障情况下所述的功率平衡约束、支路潮流约束、发电机出力约束和支路新建线路数量约束。

5.根据权利要求2所述的一种经济性与安全性协调的输电网规划平台，其特征在于，所述的规划模块(4)进行扩展规划时，以投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC的总和最小为规划目标，并受安全约束条件的约束，得到输电网各支路新增线路的数量。

6.一种使用权利要求5所述的经济性与安全性协调的输电网规划平台进行输电网规划的应用，其特征在于，包括以下步骤：

S01，根据已有输电网，搭建经济性与安全性协调的输电网规划平台；

S02，设定输电网安全指标，并通过输入模块(2)向从分析模块(3)输送输电网安全指标、输电网的负荷数据、发电设备数据和输电设备数据；

S03，规划模块(4)利用分析模块(3)计算投资成本IC、维护成本MC、运行成本OC和缺电成本LSC，并进行安全约束条件判断，采用小生境遗传算法，得到输电网各支路新增线路的数量；

S04，输出模块(5)输出规划结果信息。