CN106097142B - 一种基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法,所述方法包括(1)根据配变容量改造需求建立有向图及其关联矩阵;(2)基于有向图求解轮换序列;(3)利用有向图和减容路径取舍分析配变购置需求和余留数量;(4)结合环路和非环路分析路径起始位置及优先顺序;(5)结合配变轮换原则基于成本评估轮换序列。本发明按容量排序后建立的有向图及其邻接矩阵,分析配变容量变更时更直观;按有向图的连通性分析配变轮换序列可操作性强;本发明利用配变轮换序列能较好确定轮换优先次序和起始配变位置;从成本评估不同配变轮换序列,本发明利于控制配变改造成本。本发明方法为配电网配变改造可提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法,属于配电网改造技术领域。
背景技术
很多配变台区的用电逐年增长,配变更换、增容的需求日益显著。配变正常使用寿命周期约为20-30年,部分配变没到寿命周期因增容需要被更换,更换下来的配变需再次利用,形成配变轮换,以发挥配变的最大经济效益。全国多家县市公司近几年总结出“阶梯式”、“推磨式”等方法,按“大换中、中换小”策略对需改造的配变进行轮换,取得了降本增效的效果。
小范围的配变轮换,利用经验知识在“大换中、中换小”的策略下可采用简单直观的方法给出配变轮换顺序,然而当电网县市公司有较多的配变需要改造时,存在以下需求:(1)需要更为有效直观的方法分析轮换顺序;(2)需要根据轮换顺序预估配变购置数量以提前购置;(3)能对不同策略下的轮换顺序进行评估,从而择优选择。
随着社会用电需求的变化,结合配变台区用电情况定期调整配变容量或者更新配变,能提高配变运行的安全性和经济性。区域配变改造中需生成不同配变轮换策略下的轮换序列,综合评价拆装次数、配变购置、配变闲置等形成的成本,选择合适的轮换序列。
发明内容
本发明的目的在于,针对区域配变容量改造中配变轮换的实施,提出一种基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法。
本发明为解决上述技术问题的方案为:一种基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法,包括以下步骤:
(1)根据配变容量改造需求建立有向图及其关联矩阵;
(2)基于有向图求解轮换序列;
(3)利用有向图和减容路径取舍分析配变购置需求和余留数量;
(4)结合环路和非环路分析路径起始位置及优先顺序;
(5)结合配变轮换原则基于成本评估轮换序列。
所述步骤(1),根据配变容量改造需求建立有向图及其关联矩阵。本发明在配变容量改造需求确定后,以配变容量为节点,根据配变容量变化建立有向图及其关联矩阵,具体为:
1)建立有向图G
建立有向图及其关联矩阵中,节点编号顺序与容量大小相对应,引入虚节点v0,有向图两节点间存在多边现象。
按配变容量的大小顺序c1,c2,…,cn(ci<cj,i<j)对配变编号得到有向图的节点v1,v2,…,vn,表示有n种容量的配变参与轮换,并设置一个虚节点v0,从而形成有向图G的顶点集V={v0,v1,v2,…,vn}。
有向图G中,有向边eij=(vi,vj)表示某一位置的配变,需由现有容量ci更换成容量cj。(vi,vj)中,如果vi≠v0,则容量为ci的被更换下来的配变可继续使用;如果vi=v0,则表示某处的配变报废后,需要一个容量为cj的配变,或者某处可以并列一个容量为cj的配变;如果vj=v0,表示拆下一个容量为cj的配变可重新利用。
由于存在多台相同容量的配变向某一相同容量增容或减容,因此有向图G 中两个节点间存在多条边现象。
2)分析有向图中增容边、减容边
一台配变需要更换容量时,在有向图中存在一条由vi指向vj的边eij,如果 i<j,则该条边为增容边;如果i>j,则该条边为减容边。
3)建立邻接矩阵A
根据配变增容和减容的需求,建立有向图G的邻接矩阵A=(aij)(n+1)×(n+1),其中
k为顶点vi邻接到顶点vj边的条数,表示存在k台配变需要从容量ci更换到容量cj。
所述步骤(2),基于有向图求解轮换序列。
轮换序列主要是在“以大换中,以中换小”和“以小换中,以中换大”的思想下,采用“推磨式”和“阶梯式”等方法分析轮换序列。本发明基于有向图,在分析单向连通路径的基础上,分析环路和最长路径,给出“推磨式”和“阶梯式”等方法下的轮换序列X,此时X为有向图中多条路径的集合,具体为:
1)增容/减容单向路径集求解
一台配变需要更换容量时,在有向图中存在一条由vi指向vj的边eij,如果 i<j,则该条边为增容边;如果i>j,则该条边为减容边;
采用有向图中两节点连通性的求解算法,即布尔矩阵运算求解有向图可达矩阵算法,分析两节点间的连通性。因建立的有向图为多边连通图,首先将多边连通图邻接矩阵改为布尔矩阵,不断求解存在的最长的增容/减容单向路径,获得增容路径集PE和减容路径集PD。连通的两点之间存在多条边,为避免同一条边重复计算,求解一条路径后,路径相关边的aij减1,具体过程如下(以增容单向路径为例):
Step1:取出邻接矩阵上三角形得到A1;
Step2:将A1改为布尔矩阵,进行布尔矩阵运算,确定点之间的连通性;
Step3:取最长路径l,加入增容单向路径集PE={pe1,pe2,…}中,其中pei为依次加进来的最长路径;
Step4:从A1中去除l中的边,即A1中相关边对应的aij减1,得到新的邻接矩阵A1,如果新的邻接矩阵A1不为0,则转入步骤2,否则结束。
减容单向路径集PD={pd1,pd2,…}利用邻接矩阵下三角形通过类似步骤获得。
2)环路求解及嵌套
利用增容/减容单向路径求解环路,寻找PE和PD中起点和终点相同的路径,形成环路集PR,同时将PR中涉及路径从PE和PD中去除。分析环路集PR 中各路径,是否存在相同节点,如有,则可进行嵌套,形成更大环路。
3)最长路径求解
以长度优先,寻找PE和PD中首或尾相同的可以连接的路径,拼合成更长的路径,并检查中拼合路径中是否有首或尾相同点,如有,进一步拼合,得到最长路径集PL,并将PL中涉及路径从PE和PD中去除。
4)减容路径取舍
因减容配变改造更多的是涉及配变运行的经济性,可结合拆装、购置等成本进一步分析,将路径中不影响配变轮换次序的减容边进行取舍,以减少拆装、购置等成本。
在算法求解的路径集中,分析出单向减容路径以及路径首端或末端为减容边,即形如路径{…,va,vb,vc,…}(a,b,c∈{1,2,…,n},且a>b,b>c),可根据实际情况对减容配变更换进行取舍,结合拆装、购置等成本进一步分析,将PE、PD、 PR和PL中不影响配变轮换次序的减容边进行取舍,并根据舍去减容边调整 PE、PD、PR和PL中的路径。
5)“推磨式”方法的轮换序列
“推磨式”方法中既涉及配变增容,也涉及配变减容,可以执行1)-4),即由PE、PD、PR和PL可得到“推磨式”方法的轮换序列X。
6)“阶梯式”方法的轮换序列
“阶梯式”方法中仅涉及增容或减容,可以执行1)得到“阶梯式”方法的轮换序列X,对于增容而言,由原始PE得到轮换序列X。
所述步骤(3),利用有向图和减容路径取舍分析配变购置需求和余留数量。
在不考虑改造过程中拆装次数和延时,采用轮换策略对配变进行改造时,各类型配变最少需新增的数量由进线数减去出线数获得。对应到邻接矩阵A中,各节点进线减去出线的计算公式为:
如果ξi为正数表示轮换前需要购置的数量,如果ξi为负数表示轮换后余留的配变数量。然后,结合减容路径的取舍调整配变购置需求和余留的配变数量,如果路径中去掉一条减容边,则减容边相应需要购置配变的数量减1,而相应余留配变的数量也相应调整1。
所述步骤(4),结合环路和非环路分析路径起始位置及优先顺序。
非环路径配变轮换起始位置是路径的尾配变。环路径,是路径上任意配变可以作为起始位置,可结合购置配变和备用配变所在位置进行选取。同时,由于环路不消耗配变,属于优先轮换的路径。
所述步骤(5),结合配变轮换原则基于成本评估轮换序列。
从配变运行安全性、经济性,以及配变购置成本、安装成本、闲置成本等方面分析配变轮换原则,本发明建议从以下四个方面进行考虑:(a)满足增容配变需求;(b)拆装次数少;(c)消耗配变少;(d)轮换后余留配变少。
结合配变轮换原则,采用成本的方式评估配变轮换序列,主要包括配变增容未实施形成的停电成本C1、配变拆装形成的工程成本C2、配变拆装形成的停电成本C3、配变购置成本C4、配变闲置成本C5等。
统计轮换序列中未覆盖的增容边,得到节点集合UXT={uxtk},uxtk为未覆盖的增容边的入节点所对应的配变。利用POC1函数分析各台配变的停电损失,得到配变增容未实施形成的停电成本C1。
统计轮换序列X中配变拆装次数DAT,结合实际情况给出每次配变拆装平均成本DAP,从而得到配变拆装形成的工程成本C2。
C2=DAT×DAP
配变拆装会造成停电,利用函数POC2结合实际配变拆装时间、额定容量和平均负载率等计算配变拆装形成的停电成本C3。
其中,XT为轮换序列X中涉及改造的配变集合,xti为集合中的配变。
从轮换序列X中分析需购置配变的型号和数量,从而估计出配变购置成本 C4。
其中NewTi为所需购置的配变型号,NTNi为相应配变的数量,PTi为相应配变的估价。
分析轮换序列X实施后余留配变的型号和数量,从而估计出配变闲置成本 C5。
其中IdleTi为轮换后闲置的配变型号,ITNi为相应配变的数量,PTi为相应配变的估价。
配变轮换序列实施后,形成的成本PTR估计为:
PTR=C1+C2+C3+C4+C5
可利用PTR分析不同轮换策略下轮换序列的成本,从而选择合适的轮换序列。
本发明的有益效果,本发明利用有向图中连通路径给出“推磨式”、“阶梯式”等轮换序列生成方法,利用有向图分析配变购置需求、轮换路径起始位置及优先顺序,提出一种基于配变轮换原则的轮换序列评价方法,估计轮换序列的成本,为配电网配变改造提供技术支持。本发明提出的配变轮换序列自动生成及评价方法,具有如下的优点:(1)按容量排序后建立的有向图及其邻接矩阵,分析配变容量变更时更直观;(2)按有向图的连通性分析配变轮换序列可操作性强,能针对“推磨式”、“阶梯式”不同轮换策略自动生成轮换序列;(3) 利用配变轮换序列能较好确定轮换优先次序和起始配变位置;(4)从成本评估不同配变轮换序列,利于控制配变改造成本。
附图说明
图1为本发明基于有向图的配变轮换序列自动生成及评价方法的分析图;
图2为本发明根据配变容量改造需求建立的有向图示例1;
图3为本发明根据配变容量改造需求建立的有向图示例2;
图4为本发明示例1的邻接矩阵。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例进一步说明本发明的技术方案。
步骤1:根据配变容量改造需求建立有向图及其关联矩阵
1)建立有向图G:按配变容量的大小顺序c1,c2,…,cn(ci<cj,i<j)对配变编号得到有向图的节点v1,v2,…,vn,表示有n种容量的配变参与轮换,并设置一个虚节点v0,从而形成有向图G的顶点集V={v0,v1,v2,…,vn}。有向图G中,有向边eij=(vi,vj)表示某一位置的配变,需由现有容量ci更换成容量cj。(vi,vj)中,如果vi≠v0,则容量为ci的被更换下来的配变可继续使用;如果vi=v0,则表示某处的配变报废后,需要一个容量为cj的配变,或者某处可以并列一个容量为cj的配变;如果vj=v0,表示拆下一个容量为cj的配变可重新利用。
由于存在多台相同容量的配变向某一相同容量增容或减容,因此有向图G 中两个节点间存在多条边现象。
2)分析有向图中增容边、减容边:在有向图中存在一条由vi指向vj的边eij,如果i<j,则该条边为增容边;如果i>j,则该条边为减容边。
3)建立邻接矩阵A:根据配变增容和减容的需求,建立有向图G的邻接矩阵A=(aij)(n+1)×(n+1),其中
k为顶点vi邻接到顶点vj边的条数,表示存在k台配变需要从容量ci更换到容量cj。
图2和图3为根据某区域配变容量改造建立的有向图,分别有8种和7种配变容量参与轮换,图4为图2对应的邻接矩阵。
步骤2:基于有向图求解轮换序列
轮换序列主要是在“以大换中,以中换小”和“以小换中,以中换大”的思想下,采用“推磨式”和“阶梯式”等方法分析轮换序列。本发明基于有向图,在分析单向连通路径的基础上,分析环路和最长路径,给出“推磨式”和“阶梯式”等方法下的轮换序列X,此时X为有向图中多条路径的集合,具体为:
1)增容/减容单方向路径集求解:采用有向图中两节点连通性的求解算法,即布尔矩阵运算求解有向图可达矩阵算法,分析两节点间的连通性。因建立的有向图为多边连通图,首先将多边连通图邻接矩阵改为布尔矩阵,求解最长的增容/减容单向路径。连通的两点之间存在多条边,为避免同一条边重复计算,求解一条路径后,路径相关边的aij减1,具体过程如下(以增容单向路径为例):
Step1:取出邻接矩阵上三角形得到A1;
Step2:将A1改为布尔矩阵,进行布尔矩阵运算,确定点之间的连通性;
Step3:取最长路径l,加入增容单向路径集PE={pe1,pe2,…}中,其中pei为依次加进来的最长路径;
Step4:从A1中去除l中的边,即A1中相关边对应的aij减1,得到新的邻接矩阵A1,如果新的邻接矩阵A1不为0,则转入步骤2,否则结束。
减容单向路径集PD={pd1,pd2,…}利用邻接矩阵下三角形通过类似步骤获得。
2)环路求解及嵌套
利用增容/减容单方路径求解环路,寻找PE和PD中起点和终点相同的路径,形成环路集PR,同时将PR中涉及路径从PE和PD中去除。分析环路集PR 中各路径,是否存在相同节点,如有,则可进行嵌套,形成更大的环路。
3)最长路径求解
以长度优先,寻找PE和PD中首或尾相同的可以连接的路径,拼合成更长的路径,并检查中拼合路径中是否有首或尾相同点,如有,进一步拼合,得到最长路径集PL,并将PL中涉及路径从PE和PD中去除。
4)减容路径的取舍
因减容配变改造更多的是涉及配变运行的经济性,可结合拆装、购置等成本进一步分析,将路径中不影响配变轮换次序的减容边进行取舍,以减少拆装、购置等成本。在算法求解的路径集中,分析出单向减容路径以及路径首端或末端为减容边,即形如路径{…,va,vb,vc,…}(a,b,c∈{1,2,…,n},且a>b,b>c),可根据实际情况对减容配变更换进行取舍,并根据舍去减容边调整PE、PD、PR 和PL中的路径。
5)“推磨式”方法的轮换序列
“推磨式”方法中既涉及配变增容,也涉及配变减容,可以执行1)-4),即由PE、PD、PR和PL可得到“推磨式”方法的轮换序列X。对图2和图4 的有向图及其邻接矩阵执行1)-4)后,相关路径集和轮换序列X见表1,其中减容路径取舍中舍去了{v8,v5}。
表1“推磨式”方法路径集分析
6)“阶梯式”方法的轮换序列
“阶梯式”方法中仅涉及增容或减容,可以执行1)得到“阶梯式”方法的轮换序列X,对于增容而言,由原始PE得到轮换序列X。对图3的有向图及其邻接矩阵执行1)后,相关路径集和轮换序列X见表2。
表2“阶梯式”方法路径集分析
步骤3:利用有向图和减容路径取舍分析配变购置需求和余留数量
在不考虑改造过程中拆装次数和延时,采用轮换策略对配变进行改造时,各类型配变最少需新增的数量由进线数减去出线数获得。对应到邻接矩阵A中,各节点进线减去出线的计算公式为:
如果ξi为正数表示轮换前需要购置的数量,如果ξi为负数表示轮换后余留的配变数量。然后,结合减容路径的取舍调整配变购置需求,如果路径中去掉一条减容边,则减容边相应需要购置配变的数量减1,而相应余留配变的数量也相应调整1。图2配变轮换示例中,“推磨式”方法配变购置数量分析结果如表3 所示。
表3“推磨式”方法配变购置数量分析
节点 | v<sub>1</sub> | v<sub>2</sub> | v<sub>3</sub> | v<sub>4</sub> | v<sub>5</sub> | v<sub>6</sub> | v<sub>7</sub> | v<sub>8</sub> |
购置预估数量 | -1 | -1 | 0 | 1 | 4 | 0 | 0 | -1 |
减容路径取舍后购置数量 | -1 | -1 | 0 | 1 | 3 | 0 | 0 | 0 |
步骤4:结合环路和非环路分析路径起始位置及优先顺序
非环路径配变轮换起始位置是路径的尾配变。环路径,是路径上任意配变可以作为起始位置,可结合购置配变和备用配变所在位置进行选取。同时,由于环路不消耗配变,属于优先轮换的路径。
步骤5:结合配变轮换原则基于成本评估轮换序列
从配变运行安全性、经济性,以及配变购置成本、安装成本、闲置成本等方面分析配变轮换原则,认为可以从以下四个方面进行考虑:(a)满足增容配变需求;(b)拆装次数少;(c)消耗配变少;(d)轮换后余留配变少。
结合配变轮换原则,采用成本的方式评估配变轮换序列,主要包括配变增容未实施形成的停电成本C1、配变拆装形成的工程成本C2、配变拆装形成的停电成本C3、配变购置成本C4、配变闲置成本C5等。
统计轮换序列中未覆盖的增容边,得到节点集合UXT={uxtk},uxtk为未覆盖的增容边的入节点所对应的配变。利用POC1函数分析各台配变的停电损失,得到配变增容未实施形成的停电成本C1。可从平均负载率、额定容量、损毁停电时长等计算配变停电损失。
POC1(uxtk)=uxtk额定容量×uxtk平均负载率×
uxtk损毁停电时长×电价×α×β
其中,α为功率因子,通常取0.95-1.0之间,β为停电影响因子,取值不小于 1.0。
统计轮换序列X中配变拆装次数DAT,结合实际情况给出每次配变拆装平均成本DAP,从而得到配变拆装形成的工程成本C2。
C2=DAT×DAP
配变拆装会造成停电,利用函数POC2结合实际配变拆装时间、额定容量和平均负载率等计算配变拆装形成的停电成本C3。
POC2(xti)=xti拆装停电时间×xti额定容量×xti平均负载率×电价×α
其中,XT为轮换序列X中涉及改造的配变集合,xti为集合中的配变,α为功率因子,通常取0.95-1.0之间。
从轮换序列X中分析需购置配变的型号和数量,从而估计出配变购置成本 C4。
其中NewTi为所需购置的配变型号,NTNi为相应配变的数量,PTi为相应配变的估价。
分析轮换序列X实施后余留配变的型号和数量,从而估计出配变闲置成本 C5。
其中IdleTi为轮换后闲置的配变型号,ITNi为相应配变的数量,PTi为相应配变的估价。
配变轮换序列实施后,形成的成本PTR估计为:
PTR=C1+C2+C3+C4+C5
可利用PTR分析不同轮换策略下轮换序列的成本,从而选择合适的轮换序列。图2和图3中,增容配变的需求相同的,在满足增容配变更换的情况下,“推磨式”和“阶梯式”给出不同的轮换序列,见前面的分析,此时两种方式下,配变拆装次数、配变购置数量以及配变闲置都存在差异,可以利用PTR估计两种方式的成本,从而选择成本相对低的配变轮换方式。
Claims (6)
1.一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)根据配变容量改造需求建立有向图及其邻接矩阵;
(2)基于有向图求解轮换序列,所述求解轮换序列中,在分析有向图中增容/减容单向路径集的基础上,将单向路径相连分析其中的环路和最长路径,具体为:采用有向图中两节点连通性的求解算法,即布尔矩阵运算求解有向图可达矩阵算法,分析两节点间的连通性;将邻接矩阵改为布尔矩阵,不断求解存在的最长增容/减容单向路径,获得增容路径集PE和减容路径集PD;连通的两点之间存在多条边,为避免同一条边重复计算,求解一条路径后,路径相关边的aij减1,aij为邻接矩阵中的元素;利用增容/减容单方路径求解环路,寻找PE和PD中起点和终点相同的路径,形成环路集PR;同时将PR中涉及的路径从PE和PD中去除;分析PR中各路径,是否存在相同节点,如有,则可进行嵌套,并调整PR;以长度优先,寻找PE和PD中首或尾相同的可以连接的路径,拼合成更长的路径,并检查拼合路径中是否有首或尾相同点,如有,进一步拼合,得到最长路径集PL,并将PL涉及的路径从PE和PD中去除;根据实际情况,将PE、PD、PR和PL中不影响配变轮换次序的减容边进行取舍,并根据舍去的减容边调整PE、PD、PR和PL中的路径;配变轮换中“推磨式”方法配变轮换序列由PE、PD、PR和PL得到;配变轮换中“阶梯式”方法利用原始PE得到配变轮换序列,在减容路径上,配变容量呈递减趋势,在增容路径上,配变容量呈递增趋势;
(3)利用有向图和减容路径,取舍并分析配变购置需求和余留数量;
(4)结合环路和非环路分析路径起始位置及优先顺序。
2.根据权利要求1所述一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于,所述建立有向图及其邻接矩阵中,节点编号顺序与容量大小相对应,引入虚节点v0,有向图两节点间存在多边现象,具体为:
按配变容量的大小顺序c1,c2,…,cn,其中ci<cj,i<j,对配变编号得到有向图的节点v1,v2,…,vn,表示有n种容量的配变参与轮换,并设置一个虚节点v0,从而形成有向图G的顶点集V={v0,v1,v2,…,vn};
有向图G中,有向边eij=(vi,vj)表示某一位置的配变,需由现有容量ci更换成容量cj;(vi,vj)中,如果vi≠v0,则容量为ci的被更换下来的配变可继续使用;如果vi=v0,则表示某处的配变报废后,需要一个容量为cj的配变,或者某处可以并列一个容量为cj的配变;如果vj=v0,表示拆下一个容量为cj的配变可重新利用;
根据配变增容和减容的需求,建立有向图G的邻接矩阵A=(aij)(n+1)×(n+1),其中
k为顶点vi邻接到顶点vj边的条数,表示存在k台配变需要从容量ci更换到容量cj。
3.根据权利要求1所述一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于,所述求解轮换序列中,在分析有向图中增容/减容单向路径集的基础上,将单向路径相连分析其中的环路和最长路径,还包括:
一台配变需要更换容量时,在有向图中存在一条由vi指向vj的边eij,如果i<j,则该条边为增容边;如果i>j,则该条边为减容边。
4.根据权利要求2所述一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于,所述配变购置需求和余留数量中,各类型配变最少需新增的数量由进线数减去出线数获得;对应到邻接矩阵A中,各节点进线减去出线的计算公式为:
如果ξi为正数表示轮换前需要购置的数量,如果ξi为负数表示轮换后余留的配变数量,并结合减容路径的取舍调整配变购置需求和余留的配变数量。
5.根据权利要求1所述一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于,所述路径起始位置及优先顺序分析中,非环路径配变轮换起始位置是路径的尾配变;环路上任意配变可以作为起始位置,可结合购置配变和备用配变所在位置进行选取,并将环路作为优先轮换的路径。
6.根据权利要求1所述一种基于有向图的配变轮换序列自动生成方法,其特征在于,所述配变轮换包括满足增容配变需求、拆装次数少、消耗配变少和轮换后余留配变少。
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