CN107294099B - 一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，包括以下步骤：1)获取220kV电网内各联络通道的所有可行的开关状态；2)各联络通道的各种开关状态采用改进遗传算法进行自由组合计算，获取最优的开关状态的组合形式，21)根据220kV电网联络通道开关的初始开合数据，获取初始负荷均衡性D₀；22)根据所有可行的开关状态构建分区优化模型；23)通过轮盘赌形式，采用改进遗传算法的交叉和变异操作，对分区优化模型求解得到适应度最高的开关状态以及对应的分区模式。与现有技术相比，本发明具有科学高效、提高效率、提高准确率、设立指标等优点。

Description

一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法

技术领域

本发明涉及输电网规划运行技术领域，尤其是涉及一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法。

背景技术

随着中国输电网架的不断发展，城市互联电网在有效缓解输电压力、增强系统稳定性和抵抗小扰动能力的同时，也不可避免的会遇到新的挑战。其中，500/220kV高低压电磁环网的出现和220kV系统短路电流水平升高即是两个显著问题。为打开高低压电磁环网，需调整电网结构，限制由系统互联和容量增大引起的短路电流水平升高问题，不能简单地采取更换断路器的方法，因此，需要调整电网结构对电网进行分层分区。

当前对电网分区与互联支援能力的研究主要针对具体省市或地区级电网，分析其分区供电的可行性和合理性，以及事故情况下的负荷转移能力。目前的研究大多考虑简化的寻优判据确定较优可行方案集，然后综合潮流、设备容量约束等多方面影响，凭借工程经验做出定性判断。而对电力系统决策者来讲，需要一种既包含工程经验又含有定量计算、可将定性的判断量化的供电分区与互联支援决策方法。现有可见的理论研究成果中，一般是在其中某一方面做出一定探索，具体的电网区域划分方法在诸多相关文献中也鲜有提及。因此，尽管广大学术机构及电力相关部门对电网的分区运行与互联支援问题备加关注，均列为攻关课题，并做了许多卓有成效的研究及开发工作，但现有的方法及策略在理论的完善性，工程的科学性与实用性上均存在问题。

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科学高效、提高效率、提高准确率、设立指标的考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，用以获取分区之间联络通道的开关状态和分区模式，包括以下步骤：

1)获取220kV电网内各联络通道的所有可行的开关状态，具体包括以下步骤：

11)随机生成一组联络通道开关状态的0/1数据，并将生成的0/1数据带入220kV电网；

12)判断该联络通道开关状态是否满足分区间联络通道开关状态安排要求，若满足，则将该联络通道开关状态作为一种可行的开关状态，若不满足，返回步骤11)；

2)各联络通道的各种开关状态采用改进遗传算法进行自由组合计算，获取最优的开关状态的组合形式，具体包括以下步骤：

21)根据220kV电网联络通道开关的初始开合数据，获取初始负荷均衡性D₀；

22)根据所有可行的开关状态构建分区优化模型；

23)通过轮盘赌形式，采用改进遗传算法的交叉和变异操作，对分区优化模型求解得到适应度最高的开关状态以及对应的分区模式。

所述的步骤12)中分区间联络通道开关状态安排要求须同时满足以下条件：

A、线路潮流满足N-1准则；

B、不能出现分区合环的情况；

C、分区内短路电流不能超标。

所述的步骤22)中，分区优化模型的目标函数为：

Max D_k＝Min(D_k,n，max-D_k,n)n＝1,2......N

其中，D_k为第k种分区模式优化后分区的负荷均衡性，D_k,n为第k种分区模式优化后第n个分区的负荷，D_k,n,max为第k种分区模式优化后第n个分区的极限可供，N为分区总数目；

约束条件为：

式中，P_gi为节点i的输出功率，P_di为该节点i的负荷需求功率，B_ij为节点电纳矩阵，θ_ij为节点i与节点j之间的角度差，S_n为第n个独立分区的节点集合，k为系统中独立分区的总数，P_ij是节点i与节点j之间的联络线潮流，

和

分别是是联络线潮流下限值和上限值，I_i为第i个独立分区的短路电流，I_c为短路电流的限值，

为在N-1情况下节点i的输出功率，

为在N-1情况下该节点i的负荷需求功率，

为在N-1情况下的节点电纳矩阵，

为在N-1情况下的节点i与节点j之间的角度差，

是N-1情况下节点i与节点j之间的联络线潮流，

和

分别是N-1情况下联络线潮流下限值和上限值，D_n,max为第n个独立分区的极限可供，D_n为第n个独立分区的负荷。

所述的步骤23)中，开关状态对应的适应度f的计算式为：f＝D_i-D₀。

该方法还包括以下步骤：

3)设计220kV电网分区优化指标，用以对优化后的分区模式进行评价，包括：

(1)联络通道的通道极限P_m：

其中，P₁为正常情况下该联络通道的潮流，P₂为该联络通道N-1情况下的潮流，P_max为线路的断面潮流限额；

(2)联络通道负载率η_l：

其中，P_l为正常情况下第l条联络通道的潮流，P_lmax为第l条联络通道的最大负载；

(3)联络通道数量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、科学高效：本发明在考虑潮流约束，短路电流约束，可靠性约束的基础上，以“分区负荷均衡性”为目标函数建立了数学模型，能够更加科学高效地对电网进行分区优化处理；

二、提高效率：对传统的冗余法进行优化改进，将传统的人工手动研究联络通道开关状态的工作用计算机实现，提高了联络通道开关状态建立的效率；

三、提高准确率：对传统的遗传算法进行优化改进，结合分区间联络通道的特点，以联络通道的开关状态作为主体进行计算，大大提高了算法的效率和准确率，使得计算结果更加精准有效；

四、设立指标：在联络通道的研究过程中，本发明建立了对电网中分区间联络通道的评价指标，对将来联络通道的规划有一定的指导。

附图说明

图1为本发明的数据读取示意图。

图2为本发明的改进冗余法流程示意图。

图3为本发明的改进遗传算法的交叉操作。

图4为本发明的改进遗传算法的变异操作。

图5为本发明的遗传算法流程图。

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。

实施例

本发明是一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，通过研究各分区之间联络通道的连接关系和开关状态，得到分区之间联络通道的开关状态和分区模式，建立以“分区负荷均衡性”为目标的优化模型，利用改进遗传算法求解得到220kV电网分区优化策略，最后对优化前后系统指标比对来说明优化分区方案的合理性。具有逻辑结构清晰、实用合理的优点。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法。通过研究各分区之间联络通道的连接关系和开关状态，得到分区之间联络通道的开关状态和分区模式。

其特征在于，包含以下步骤：

S1、建立以“分区负荷均衡性”为目标的优化模型。

S2、利用改进冗余法研究分析220kV电网内联络通道的各种开关状态。

S3、利用改进遗传算法求解得到220kV电网分区优化策略。

S4、建立220kV电网分区联络通道的评价指标。

上述的考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其中，所述的步骤S1中：采用的是分区内的负荷均衡性作为分区优化模型的目标函数，建立以“分区负荷均衡性”为目标的优化模型。具体如下。

目标函数：

Max D_k＝Min(D_k,n，max-D_k,n)n＝1,2......N

其中，D_k为第k种分区模式优化后分区的负荷均衡性，D_k,n为第k种分区模式优化后第n个分区的负荷，D_k,n,max为第k种分区模式优化后第n个分区的极限可供，N为分区总数目；

约束条件为：

式中，P_gi为节点i的输出功率，P_di为该节点i的负荷需求功率，B_ij为节点电纳矩阵，θ_ij为节点i与节点j之间的角度差，S_n为第n个独立分区的节点集合，k为系统中独立分区的总数，P_ij是节点i与节点j之间的联络线潮流，

和

分别是是联络线潮流下限值和上限值，I_i为第i个独立分区的短路电流，I_c为短路电流的限值，

为在N-1情况下节点i的输出功率，

为在N-1情况下该节点i的负荷需求功率，

为节点电纳矩阵，

为节点i与节点j之间的角度差，

是N-1情况下节点i与节点j之间的联络线潮流，

和

分别是N-1情况下联络线潮流下限值和上限值，D_n,max为第n个独立分区的极限可供，D_n为第n个独立分区的负荷。

上述的考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其中，所述的步骤S2中：利用改进冗余法研究分析220kV电网内联络通道的各种开关状态。其中：

(1)220kV电网数据读取处理

在数据的读入方面，将数据分为2种，第一种是节点，本发明以各变电站内部的母线作为节点；第二种是线路，本文将线路分为2类，第一类是非联络通道变电站母线之间的线路，这一类数据是已经明确该分区内部的线路，第二类是联络通道上变电站母线之间的线路，这一类数据是不固定的，具体框图如附图1所示；

(2)分区间联络通道开关状态安排原则。

本发明先对电网各分区之间每条联络通道的线路进行分析，并罗列出每条联络通道的各种开关状态。开关状态安排的原则如下：

(a)满足N-1原则(暂不考虑同杆双回的情况)；

(b)不能出现分区合环的情况；

(c)分区内短路电流不能超标。

(3)改进冗余法求解步骤

本发明的改进冗余法的实现思想是：首先闭合联络通道正常情况下的开关状态中所有母线开关，并进行读取，形成该联络通道的冗余网络，该冗余网络是冗余度很高且不满足原则要求的网络，然后对该网络进行潮流分析，逐步断开多条线路和开关，直到得到符合运行要求的开关状态。

S2.1在联络通道的所有母线开关全部闭合的情况下依次断开数条联络通道上的线路，对得到的开关状态依照联络通道开关状态进行校验；

S2.2在S2.1所得的开关状态的基础上一次断开数个母线开关，对得到的开关状态依照联络通道开关状态进行校验，若满足，则记录该开关状态，否则，重新断开线路形成开关状态。

基本流程框图如附图2所示；

上述的考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其中，所述的步骤S3中：利用改进遗传算法求解得到220kV电网分区优化策略。其中：

本发明采用的改进的遗传算法，是在传统遗传算法的选择，交叉，变异的操作基础上，将各联络通道的各种开关状态的一套开关组合方式作为整体，先通过手动罗列出各种联络通道所有可行的开关状态，然后对各联络通道的各种开关状态采用遗传算法进行自由组合计算，求得出最优的开关状态的组合形式。

(1)改进遗传算法的交叉操作。

本发明的改进遗传算法的交叉操作采用的是单点交叉，即在一条联络通道中，以该联络通道的所有开关状态作为整体进行交叉操作。具体框图如附图3所示

(2)改进遗传算法的变异操作。

本发明的改进遗传算法的变异操作，即在一条联络通道中，随机选择一段联络通道的开关状态，将其开关状态进行随机变化。具体框图如附图4所示

(3)改进遗传算法的轮盘赌操作。

本发明的改进遗传算法的轮盘赌操作，令

其中，PP_i为累计概率，p_i为个体的选择概率，其计算公式为：

其中，fitness(x_i)为个体的适应度。共转轮NP次(NP为种群个体数)，每次转轮时，随机产生0到1的随机数r，当PP_i-1≤r＜PP_i时选择个体i。

本发明采用的适应度函数为f＝D_i-D₀，其中，D_i是根据第i条分区模式优化后分区的负荷均衡度；D₀为初始电网分区模式下的负荷均衡度。

(4)改进遗传算法的算法总流程

S3.1读取220kV电网联络通道开关的初始开合数据，并计算初始负荷均衡性D₀；

S3.2随机生成一组联络通道开关状态的“0/1”数据，并将生成的数据带入电网；

S3.3校验是否满足短路电流的限制和线路潮流是否满足“N-1"准则，若满足，则作为一种可行的开关开合方式记录，否则，返回步骤二；

S3.4计算第i个分区模式下的负荷均衡性D_i，并计算该分区模式的适应值

f＝D_i-D₀；

S3.5采取轮盘赌的形式，通过改进遗传算法的交叉操作和变异操作，求出适应度最高的开关开合方式。

S3.6根据所得的适应度最高的开关开合方式求出相对应的分区模式。

基本流程框图如附图5所示；

上述的考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其中，所述的步骤S4中：建立220kV电网分区联络通道的评价指标。

(1)联络通道的通道极限

本发明介绍的联络通道的极限，指的是某分区通过该联络通道，能够送入另一个分区相对应的220kV电站的功率。

通道极限计算数学模型如下，

其中：P₁为正常情况下该联络通道的潮流；P₂为该联络通道N-1情况下的潮流，P_max为线路的断面潮流限额，P_m为该联络通道的通道极限。

(2)联络通道负载率

在正常情况下，各分区解环运行，当发生严重故障，需要分区合环时，正常情况下联络通道的负载将影响到分区间彼此支援的能力，第i条联络通道带载率计算公式如下：

其中：P_i为正常情况下该联络通道的潮流；P_max为该联络通道最大负载，N为联络线数量。

(3)联络通道数量。

Claims (5)

1.一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，用以获取分区之间联络通道的开关状态和分区模式，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取220kV电网内各联络通道的所有可行的开关状态，具体包括以下步骤：

11)随机生成一组联络通道开关状态的0/1数据，并将生成的0/1数据带入220kV电网；

12)判断该联络通道开关状态是否满足分区间联络通道开关状态安排要求，若满足，则将该联络通道开关状态作为一种可行的开关状态，若不满足，返回步骤11)；

2)各联络通道的各种开关状态采用改进遗传算法进行自由组合计算，获取最优的开关状态的组合形式，具体包括以下步骤：

21)根据220kV电网联络通道开关的初始开合数据，获取初始负荷均衡性D₀；

22)根据所有可行的开关状态构建分区优化模型；

23)通过轮盘赌形式，采用改进遗传算法的交叉和变异操作，对分区优化模型求解得到适应度最高的开关状态以及对应的分区模式。

2.根据权利要求1所述的一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其特征在于，所述的步骤12)中分区间联络通道开关状态安排要求须同时满足以下条件：

A、线路潮流满足N-1准则；

B、不能出现分区合环的情况；

C、分区内短路电流不能超标。

3.根据权利要求1所述的一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其特征在于，所述的步骤22)中，分区优化模型的目标函数为：

Max D_k＝Min(D_k,n，max-D_k,n)n＝1,2......N

其中，D_k为第k种分区模式优化后分区的负荷均衡性，D_k,n为第k种分区模式优化后第n个分区的负荷，D_k,n,max为第k种分区模式优化后第n个分区的极限可供，N为分区总数目；

约束条件为：

式中，P_gi为节点i的输出功率，P_di为该节点i的负荷需求功率，B_ij为节点电纳矩阵，θ_ij为节点i与节点j之间的角度差，S_n为第n个独立分区的节点集合，k为系统中独立分区的总数，P_ij是节点i与节点j之间的联络线潮流，P_ij 和

分别是是联络线潮流下限值和上限值，I_i为第i个独立分区的短路电流，I_c为短路电流的限值，

为在N-1情况下节点i的输出功率，

为在N-1情况下该节点i的负荷需求功率，

为在N-1情况下的节点电纳矩阵，

为在N-1情况下的节点i与节点j之间的角度差，

是N-1情况下节点i与节点j之间的联络线潮流，

和

分别是N-1情况下联络线潮流下限值和上限值，D_n,max为第n个独立分区的极限可供，D_n为第n个独立分区的负荷。

4.根据权利要求3所述的一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其特征在于，所述的步骤23)中，开关状态对应的适应度f的计算式为：

f＝D_i-D₀

其中，D_i为根据第i条分区模式优化后分区的负荷均衡度。

5.根据权利要求1所述的一种考虑联络通道开关状态的220kV电网分区优化方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

3)设计220kV电网分区优化指标，用以对优化后的分区模式进行评价，包括：

(1)联络通道的通道极限P_m：

其中，P₁为正常情况下该联络通道的潮流，P₂为该联络通道N-1情况下的潮流，P_max为线路的断面潮流限额；

(2)联络通道负载率η_l：

其中，P_l为正常情况下第l条联络通道的潮流，P_lmax为第l条联络通道的最大负载；

(3)联络通道数量。

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