CN106529702A - 计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，首先分析影响配电网规划的不确定性因素，在此基础上采用折算到规划元年的开关可靠性成本和可靠性效益,综合最优建立目标函数，采用memetic算法对开关优化规划方案进行求解，分别对各个阶段静态分布优化方法和多阶段综合动态优化方法进行仿真分析，结果表明多阶段优化规划相比于单阶段优化方案简单叠加的可靠性更高、成本更低。

Description

计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法

技术领域

本发明涉及一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，属于电力系统分析与计算领域。

技术背景

配电网处于电力供应链的末端，直接面向广大电力客户的用电服务，其建设水平直接关系到电力网络的供电能力、供电可靠性和电能质量。配电网开关优化配置属于配电网规划的重要组成部分，是实现配电自动化的前提，合理安排馈线上分段开关和联络开关的类型、安装数量和位置对提高供电可靠性和实现配电自动化至关重要。

配电网开关优化配置问题从数学意义上来看是兼顾开关投入需要的经济成本和开关配置产生的可靠性效益，寻找两者之间平衡点的优化问题。现有对配电网开关优化配置方面研究一般是在成本-效益分析基础上，综合考虑开关设备的经济性和供电可靠性建立优化目标。比如，文献“A novel ACS-based optimum switch relocation method”以增加开关数量所产生的经济成本低于开关配置所减少的停电损失为前提，建立了可靠性边际成本和效益最大化的目标函数；文献“多因素的配电网开关配置优化方案研究”建立了计及重要度权重的开关配置总费用和平均供电不可靠率最小的目标函数；文献“OptimizedAllocation of Sectionalizing Switches and Control and Protection Devices forReliability Indices Improvement in Distribution System”以开关投资费用、运行维护费用、停电损失费用和系统年线路损耗费用之和最小值为优化目标；文献“Optimalswitching placement device in radial distribution system”建立了满足一定可靠性水平约束的开关投资成本和运行维护费用最小的优化目标。为了求解开关优化配置问题，国内外学者分别应用了遗传算法、粒子群算法、模拟淬火法、免疫算法等优化算法。

传统配电网开关配置是针对规划目标年进行优化，是一种静态方法。随着智能配电网建设的推进，负荷增长速度加快，出力受天气影响的分布式电源接入，设备运行故障因素增加，这些都具有强不确定性，且不是一次性突变为规划目标年水平，是一个逐渐变化的过程，直接关系到配电网开关的优化配置效果。因此，针对这一问题，本文首先分析影响配电网规划的不确定性因素，在此基础上建立开关动态优化配置的数学模型，并用memetic算法进行优化，最后讨论了多阶段优化规划和单阶段优化方案叠加的差异性，为提高配电网可靠性、降低配电网运行成本提供了有效的思路。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术所需解决的技术问题提供一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，包括以下步骤：

1)首先分析影响配电网规划的不确定性因素；

2)在此基础上采用折算到规划元年的开关可靠性成本和可靠性效益，综合最优建立目标函数，采用memetic算法对开关优化规划方案进行求解；

3)分别对各个阶段静态分布优化方法和多阶段综合动态优化方法进行仿真分析。

作为优化，所述步骤1)中影响配电网规划的不确定性因素包括负荷动态变化的不确定性分析和电源动态变化的不确定性分析。

作为优化，对于负荷动态变化的不确定性分析，当负荷较小时，负荷增量对可靠性评估指标的影响有限；当负荷接近额定值时，负荷增量对可靠性评估指标的影响明显；利用负荷充裕度来定量表示这种变化趋势，建立负荷增量影响所得到的节点故障率公式如下：

式中，η_i表示第i个负荷点的负荷充裕度，a,b,c d,e,f(≥1)为常数，P_i表示第i个负荷点的实际负荷大小，S_Ni表示第i个负荷点的额定功率，表示由经验得到的负荷点的故障率；

考虑负荷增长的模型如下：

P_i(n)+jQ_i(n)＝(1+ρ)ⁿ(P_i(0)+jQ_i(0)) (3)

式中，P_i(n)+jQ_i(n)为规划区域第i个节点第n年的负荷，P_i(0)+jQ_i(0)为第一年的负荷，ρ为该区域未来的年增长率。

作为优化，对于电源动态变化的不确定性分析，未来电源的不确定性主要体现在两个方面：一是主电源布点受外界环境的制约，具有一定的不确定性，二是辅助电源类型、接入方式、位置和容量的不确定性；

分布式电源接入配电网可以给因故障停电负荷提供更多的转移方案，有利于提高供电可靠性；负荷转供方案可以通过不同场景来分析，结合辐射型配电网的特点和最小供电区域的概念，根据网络拓扑结构分不同场景分析分布式电源对系统供电可靠性的影响；分别在最小供电区域为隔离域、联络转供域、分布式电源转供域、故障修复域、故障区域五种场景分析分布式电源接入对最小供电区域停电时间的影响，可得方程式如下所示：

其中，t₁表示分段开关的故障隔离时间，t₂表示联络开关的转换时间，t₃表示故障修复时间，t₄表示分布式电源并网所需时间。

作为优化，所述步骤2)中开关可靠性成本包括开关设备的各阶段初始投资费用、开关设备的年运行费用和开关设备的报废费用；可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用。

作为优化，所述开关设备的初始投资费用发生在各阶段规划元年的年初，考虑资金的时间价值，将各阶段初始投资归算到整个规划周期的元年现值，如公式(5)所示：

式中，表示第t阶段开关初始投资现值，表示折算到第一阶段年初或规划元年年的初值成本，t_t表示第t阶段的规划元年距离整体规划元年的年限数，第1阶段t_t＝0，此时δ表示资金贴现率。

作为优化，所述开关设备的年运行费用发生在寿命周期的每一年，维护费用发生在给定的间隔年，在配电网规划研究中通常将二者一起考虑，假设费用发生在每年年末，将各阶段运行维护费用归算到整个规划周期的元年现值，如公式(6)所示：

其中，表示第t阶段开关年运行费用，为该阶段初始投资的百分比 表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的现值成本，T_t表示第t阶段的年限数，可见

作为优化，所述开关设备的报废费用发生在寿命终结的末期，主要由设备拆除、销毁所耗费的人力物力以及产生的剩余残值组成；如果设备在寿命末期被拆除，则其可能的残值价值通常是可以估算的，此时利用公式(7)计算单台设备的报废费。

C_B＝C₁-C₂ (7)

其中，C₁表示用于设备拆除、销毁、清理所需要支付的费用，C₂表示该设备的单台剩余残值；如果需要将报废费用均摊到每一年，采用直线折旧法进行计算；

若设备未达到到最大寿命而在某个优化过程末期需要提前拆除，此时设备可以另作他用；假设设备可能被提前拆除的时间发生在每阶段末期，且可以获得初始投资15％的再利用收益，与使用年限无关；考虑报废费用的资金时间价值，将报废费用归算到整个规划周期的元年现值，存在两种计算公式如(8)和(9)所示：

式中，C₁表示设备的拆除清理费用，C₂表示设备的残值，ε表示设备残值占初始投资的百分比，C₃表示设备再利用所得收益，占初始投资的15％。

作为优化，所述可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用，此处采用可靠性效益的等现值折算；

对于中低压配电网，停电损失是衡量优化方案可靠性性能优劣的指标，考虑资金的时间价值，在建立多阶段综合模型时也需要进行规划，如下式：

式中，表示第t阶段的网络损耗费用，表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的费用；表示第t阶段方案下停电损失费用，表示折算到第一阶段规划元年年初的费用；

据此，所建立的将所有费用归算到规划元年的开关动态优化规划的多阶段模型如(12)所示：

式中，F_N表示多阶段规划中各阶段的总成本现值和；TT为规划期划分的阶段数，t表示第t阶段，u(t)表示第t阶段开始前已安装的开关集，f(t)表示第t阶段新安装的开关集，N_i(t)表示第t阶段新增安装的第i类开关设备的数量，p(t)表示第t阶段末拆除的开关集，N_j(t)表示第t阶段未到使用寿命末期而提前退出运行的第j类开关设备的数量。

有益效果：本发明与现有技术相比：本发明将长规划周期内的开关动态优化过程进行多阶段划分综合优化，根据影响配电网规划的不确定性因素分析，建立了计及负荷变化和分布式电源接入的配电网开关多阶段动态优化规划的数学模型，以折算到规划元年的开关设备的可靠性成本和可靠性效益总费用最小为目标函数，采用memetic算法对开关优化规划方案进行求解。通过算例分析，给出了对各阶段静态分布优化的配置方案和多阶段综合动态优化的配置方案，说明了多阶段优化规划并不是对单阶段优化方案的简单叠加，后一阶段受到前一阶段的制约，需要从整体最优的角度出发考虑各设备投入的阶段，才可以使得待规划项目的方案达到整个周期内最优，实现经济投资和可靠性效益的综合最优化。

附图说明

图1为本发明IEEE-33节点配电网络示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和包含不限于此。

一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，包括以下步骤：

1)首先分析影响配电网规划的不确定性因素；

2)在此基础上采用折算到规划元年的开关可靠性成本和可靠性效益，综合最优建立目标函数，采用memetic算法对开关优化规划方案进行求解；

3)分别对各个阶段静态分布优化方法和多阶段综合动态优化方法进行仿真分析。

所述步骤1)中影响配电网规划的不确定性因素包括负荷动态变化的不确定性分析和电源动态变化的不确定性分析。

对于负荷动态变化的不确定性分析，当负荷较小时，负荷增量对可靠性评估指标的影响有限；当负荷接近额定值时，负荷增量对可靠性评估指标的影响明显；利用负荷充裕度来定量表示这种变化趋势，建立负荷增量影响所得到的节点故障率公式如下：

式中，η_i表示第i个负荷点的负荷充裕度，a,b,c d,e,f(≥1)为常数，P_i表示第i个负荷点的实际负荷大小，S_Ni表示第i个负荷点的额定功率，表示由经验得到的负荷点的故障率；

考虑负荷增长的模型如下：

P_i(n)+jQ_i(n)＝(1+ρ)ⁿ(P_i(0)+jQ_i(0)) (3)

式中，P_i(n)+jQ_i(n)为规划区域第i个节点第n年的负荷，P_i(0)+jQ_i(0)为第一年的负荷，ρ为该区域未来的年增长率。

对于电源动态变化的不确定性分析，未来电源的不确定性主要体现在两个方面：一是主电源布点受外界环境的制约，具有一定的不确定性，二是辅助电源类型、接入方式、位置和容量的不确定性；

分布式电源接入配电网可以给因故障停电负荷提供更多的转移方案，有利于提高供电可靠性；负荷转供方案可以通过不同场景来分析，结合辐射型配电网的特点和最小供电区域的概念，根据网络拓扑结构分不同场景分析分布式电源对系统供电可靠性的影响；分别在最小供电区域为隔离域、联络转供域、分布式电源转供域、故障修复域、故障区域五种场景分析分布式电源接入对最小供电区域停电时间的影响，可得方程式如下所示：

其中，t₁表示分段开关的故障隔离时间，t₂表示联络开关的转换时间，t₃表示故障修复时间，t₄表示分布式电源并网所需时间。

所述步骤2)中开关可靠性成本包括开关设备的各阶段初始投资费用、开关设备的年运行费用和开关设备的报废费用；可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用。

所述开关设备的初始投资费用发生在各阶段规划元年的年初，考虑资金的时间价值，将各阶段初始投资归算到整个规划周期的元年现值，如公式(5)所示：

式中，表示第t阶段开关初始投资现值，表示折算到第一阶段年初或规划元年年的初值成本，t_t表示第t阶段的规划元年距离整体规划元年的年限数，第1阶段t_t＝0，此时δ表示资金贴现率。

所述开关设备的年运行费用发生在寿命周期的每一年，维护费用发生在给定的间隔年，在配电网规划研究中通常将二者一起考虑，假设费用发生在每年年末，将各阶段运行维护费用归算到整个规划周期的元年现值，如公式(6)所示：

其中，表示第t阶段开关年运行费用，为该阶段初始投资的百分比 表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的现值成本，T_t表示第t阶段的年限数，可见

所述开关设备的报废费用发生在寿命终结的末期，主要由设备拆除、销毁所耗费的人力物力以及产生的剩余残值组成；如果设备在寿命末期被拆除，则其可能的残值价值通常是可以估算的，此时利用公式(7)计算单台设备的报废费。

C_B＝C₁-C₂ (7)

其中，C₁表示用于设备拆除、销毁、清理所需要支付的费用，C₂表示该设备的单台剩余残值；如果需要将报废费用均摊到每一年，采用直线折旧法进行计算；

若设备未达到到最大寿命而在某个优化过程末期需要提前拆除，此时设备可以另作他用；假设设备可能被提前拆除的时间发生在每阶段末期，且可以获得初始投资15％的再利用收益，与使用年限无关；考虑报废费用的资金时间价值，将报废费用归算到整个规划周期的元年现值，存在两种计算公式如(8)和(9)所示：

式中，C₁表示设备的拆除清理费用，C₂表示设备的残值，ε表示设备残值占初始投资的百分比，C₃表示设备再利用所得收益，占初始投资的15％。

所述可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用，此处采用可靠性效益的等现值折算；

对于中低压配电网，停电损失是衡量优化方案可靠性性能优劣的指标，考虑资金的时间价值，在建立多阶段综合模型时也需要进行规划，如下式：

式中，表示第t阶段的网络损耗费用，表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的费用；表示第t阶段方案下停电损失费用，表示折算到第一阶段规划元年年初的费用；

据此，所建立的将所有费用归算到规划元年的开关动态优化规划的多阶段模型如(12)所示：

式中，F_N表示多阶段规划中各阶段的总成本现值和；TT为规划期划分的阶段数，t表示第t阶段，u(t)表示第t阶段开始前已安装的开关集，f(t)表示第t阶段新安装的开关集，N_i(t)表示第t阶段新增安装的第i类开关设备的数量，p(t)表示第t阶段末拆除的开关集，N_j(t)表示第t阶段未到使用寿命末期而提前退出运行的第j类开关设备的数量。

实施例

1、第一阶段

假设居民、工商业用户、政府机关这三类负荷随机地分配在33节点的配电网络中，每个负荷点代表一个负荷区域，每个节点在5年内的最大负荷增量根据公式(13)随机产生，各节点的负荷类型和充裕度如下表所示。

表1负荷充裕度设置

2、第二阶段

假设在第二阶段，由于当地经济的发展有3家电力用户迁入该区域，空间位置如图2所示。同时为了适应智能电网和清洁能源接入电网的发展趋势，拟在该区域接入两台恒功率的分布式电源(DG1和DG2)，可能位置为节点15、19、23、31，额定功率为500kW,最大出力为额定功率的80％。

利用memetic算法分别对第一、二阶段进行优化，第二阶段的是在第一阶段所得优化方案的基础上进行的，为逐步优化策略。两个阶段开关优化配置方案分别如表2和3所示。

表2第一阶段开关优化配置方案

分析表2表述的优化方案可以知道，具备远程可控性能的开关设备接入配电网，虽提高了开关投资费用，但却可以较大程度的减少停电损失，使得总费用降低，使得方案二更优。以第一阶段规划水平年的网架结构作为第二阶段的起始状态，考虑本文假设的分布式电源可能的接入位置有限，对位置进行枚举，表3列出了供电可用率高于方案二的两种较优的配置方案。

表3第二阶段开关优化配置方案

将整个规划周期分为2个阶段进行综合规划，分布式电源可能的接入位置15、31和15、24，所得优化规划方案如表4所示：

表4多阶段综合动态优化配置方案

比较表3和4描述的方案可以看出，多阶段优化和分阶段优化所得优化方案不同，多阶段优化的总费用更低。通过比较两种优化策略的第一阶段的方案，可以看出也不相同，表3中的第一阶段仅是单独考虑本阶段，没有涉及第二阶段对其的影响。因此可以看出，在进行多阶段综合优规划时，应该同时考虑多阶段动态综合优化，考虑每个设备投入运行的最佳阶段和时间，这样才能保证优化方案为整个规划周期内最优。

Claims (9)

1.一种计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：包括以下步骤：

1)首先分析影响配电网规划的不确定性因素；

2)在此基础上采用折算到规划元年的开关可靠性成本和可靠性效益，综合最优建立目标函数，采用memetic算法对开关优化规划方案进行求解；

3)分别对各个阶段静态分布优化方法和多阶段综合动态优化方法进行仿真分析。

2.根据权利要求1所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述步骤1)中影响配电网规划的不确定性因素包括负荷动态变化的不确定性分析和电源动态变化的不确定性分析。

3.根据权利要求2所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：对于负荷动态变化的不确定性分析，当负荷较小时，负荷增量对可靠性评估指标的影响有限；当负荷接近额定值时，负荷增量对可靠性评估指标的影响明显；利用负荷充裕度来定量表示这种变化趋势，建立负荷增量影响所得到的节点故障率公式如下：

式中，η_i表示第i个负荷点的负荷充裕度，a,b,c d,e,f(≥1)为常数，P_i表示第i个负荷点的实际负荷大小，S_Ni表示第i个负荷点的额定功率，表示由经验得到的负荷点的故障率；

考虑负荷增长的模型如下：

P_i(n)+jQ_i(n)＝(1+ρ)ⁿ(P_i(0)+jQ_i(0)) (3)

式中，P_i(n)+jQ_i(n)为规划区域第i个节点第n年的负荷，P_i(0)+jQ_i(0)为第一年的负荷，ρ为该区域未来的年增长率。

4.根据权利要求2所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：对于电源动态变化的不确定性分析，未来电源的不确定性主要体现在两个方面：一是主电源布点受外界环境的制约，具有一定的不确定性，二是辅助电源类型、接入方式、位置和容量的不确定性；

分布式电源接入配电网可以给因故障停电负荷提供更多的转移方案，有利于提高供电可靠性；负荷转供方案可以通过不同场景来分析，结合辐射型配电网的特点和最小供电区域的概念，根据网络拓扑结构分不同场景分析分布式电源对系统供电可靠性的影响；分别在最小供电区域为隔离域、联络转供域、分布式电源转供域、故障修复域、故障区域五种场景分析分布式电源接入对最小供电区域停电时间的影响，可得方程式如下所示：

其中，t₁表示分段开关的故障隔离时间，t₂表示联络开关的转换时间，t₃表示故障修复时间，t₄表示分布式电源并网所需时间。

5.根据权利要求1所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述步骤2)中开关可靠性成本包括开关设备的各阶段初始投资费用、开关设备的年运行费用和开关设备的报废费用；可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用。

6.根据权利要求5所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述开关设备的初始投资费用发生在各阶段规划元年的年初，考虑资金的时间价值，将各阶段初始投资归算到整个规划周期的元年现值，如公式(5)所示：

式中，表示第t阶段开关初始投资现值，表示折算到第一阶段年初或规划元年年的初值成本，t_t表示第t阶段的规划元年距离整体规划元年的年限数，第1阶段t_t＝0，此时δ表示资金贴现率。

7.根据权利要求5所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述开关设备的年运行费用发生在寿命周期的每一年，维护费用发生在给定的间隔年，在配电网规划研究中通常将二者一起考虑，假设费用发生在每年年末，将各阶段运行维护费用归算到整个规划周期的元年现值，如公式(6)所示：

其中，表示第t阶段开关年运行费用，为该阶段初始投资的百分比 表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的现值成本，T_t表示第t阶段的年限数，可见

8.根据权利要求5所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述开关设备的报废费用发生在寿命终结的末期，主要由设备拆除、销毁所耗费的人力物力以及产生的剩余残值组成；如果设备在寿命末期被拆除，则其可能的残值价值通常是可以估算的，此时利用公式(7)计算单台设备的报废费。

C_B＝C₁-C₂ (7)

其中，C₁表示用于设备拆除、销毁、清理所需要支付的费用，C₂表示该设备的单台剩余残值；如果需要将报废费用均摊到每一年，采用直线折旧法进行计算；

若设备未达到到最大寿命而在某个优化过程末期需要提前拆除，此时设备可以另作他用；假设设备可能被提前拆除的时间发生在每阶段末期，且可以获得初始投资15％的再利用收益，与使用年限无关；考虑报废费用的资金时间价值，将报废费用归算到整个规划周期的元年现值，存在两种计算公式如(8)和(9)所示：

式中，C₁表示设备的拆除清理费用，C₂表示设备的残值，ε表示设备残值占初始投资的百分比，C₃表示设备再利用所得收益，占初始投资的15％。

9.根据权利要求5所述的计及源网荷不确定性的配电网开关动态优化配置算法，其特征在于：所述可靠性效益包括停电损耗费用和网络损耗费用，此处采用可靠性效益的等现值折算；

对于中低压配电网，停电损失是衡量优化方案可靠性性能优劣的指标，考虑资金的时间价值，在建立多阶段综合模型时也需要进行规划，如下式：

式中，表示第t阶段的网络损耗费用，表示折算到第一阶段年初或规划元年年初的费用；表示第t阶段方案下停电损失费用，表示折算到第一阶段规划元年年初的费用；

据此，所建立的将所有费用归算到规划元年的开关动态优化规划的多阶段模型如(12)所示：

式中，F_N表示多阶段规划中各阶段的总成本现值和；TT为规划期划分的阶段数，t表示第t阶段，u(t)表示第t阶段开始前已安装的开关集，f(t)表示第t阶段新安装的开关集，N_i(t)表示第t阶段新增安装的第i类开关设备的数量，p(t)表示第t阶段末拆除的开关集，N_j(t)表示第t阶段未到使用寿命末期而提前退出运行的第j类开关设备的数量。