CN108683186B - 一种面向供电能力提升的配电网双层扩展规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统的配电网扩展规划技术领域，提出了一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法。该方法在现有配电网的基础上，通过对网架结构和负荷特性的分析，在考虑综合布线方式和新增供电区域和原有供电区域之间的联系等问题的基础上，通过扩展配电网网架、安装电源满足电力系统对电力负荷增长的需求。该方法通过建立基于最大供电能力的配电网扩展规划模型将扩展规划分为两层，第一层模型以经济性指标和网络风险系数作为目标为新增配电区域进行布线规划，第二层模型以可靠性和供电能力等作为目标，用于配电网整体的优化规划。使用该种规划方法，可以在不影响电网可靠性的程度上尽可能提高电网供电裕度和设备利用率。

Description

一种面向供电能力提升的配电网双层扩展规划方法
技术领域
本发明涉及电力系统的配电网扩展规划技术领域，提出了一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法。
背景技术
配电网是城市基础设施的重要组成部分，对城市的供电安全有着举足轻重的作用。为了保证配电网的可靠性与安全性，传统配电网的规划都是按照变压器容载比设计的，并且容载比的取值都较大，使得配电网的部分配电设备在大部分时间内负载率都比较低，但是由于负载分配不均，往往又会有部分线路和设备的负载率较高，重载运行时间较长，使得配电网的经济性较差。因此本发明提出了一种可以在不影响电网可靠性的程度上尽可能提高电网供电裕度和设备利用率的规划方法，从而提高了配电网的经济性。该方法通过建立基于最大供电能力的配电网扩展规划模型将扩展规划分为两层，第一层模型以经济性指标(网损率)和网络风险系数作为目标对配电网新增区域进行布线规划；第二层模型以经济性指标和供电能力作为目标，用于包含原始网架结构和新增网架结构的配电网整体的优化规划和配电网间联络的优化。两层模型相互联系、相辅相成，可以为现有配电网提供合理有效的规划方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种面向供电能力提升的配电网双层扩展规划方法。该方法在现有配电网的基础上，通过对网架结构和负荷特性的分析，在考虑综合布线方式和新增供电区域和原有供电区域之间的联系等问题的基础上，实现配电网网架的扩展。
本发明的目标主要通过以下技术方案实现，具体步骤为：
步骤一：获取电网的网架结构、典型负荷日的负荷，新增供电区负荷密度等数据，结合收集的数据对配电网进行现状分析。
步骤二：对电网的负荷进行中长期的负荷预测，通过分析新增供电区域的负荷水平、地理、气候、交通等信息确定新建变电站的位置和容量；
步骤三：综合考虑新增供电区域的供电可靠性和负荷分布的均衡性，以经济性指标和网络风险系数作为目标对新增供电区域建立第一层网架结构优化模型；
步骤四：生成网络距离关系矩阵D；
步骤五：采用快速非支配排序遗传算法对第一层网架结构优化模型求解；
步骤六：从步骤五的求解结果中选择最优解建立新的网架结构，计算可靠性指标和供电能力；
步骤七：以新的网架结构和原始网架结构为对象建立以经济性指标和供电能力为目标的第二层网架结构优化模型，在供电区域之间建立联络；
步骤八：采用快速非支配排序遗传算法对上述第二层网架结构优化模型求解；
步骤九：将步骤八所得的最优解形成最终的规划方案。
本发明主要流程参见说明书附图1，算法流程图参见说明书附图2。
特别的，所述步骤三中所建立的模型为：
min(Closs)(2)
min(Crisk)(3)
其中(1)、(2)和(3)为目标函数。式(1)为新建线路和开关的投资费用；Ci为第i条新建线路的长度，β为将开关换算成线路的常数因子，即将新装开关的投资换算成相同投资下新建线路的长度，该值由要进行换算的开关型号和线路型号决定。Y为加装开关的总个数。Closs为配电网的网损；Crisk为配电网的网络风险指数；D1为代建线路的集合；D2为原有线路的集合；D3为所有节点的集合；ΔPi和ΔQi为第i条线路的有功线损和无功损耗；c(k)为节点k所在层数；Pk和Qk为节点k的有功负荷和无功负荷。
考虑配电网的实际情况，模型的约束条件为节点电压约束，功率约束和电流约束，此外还应满足配电网网络的连通性约束和辐射状约束，如式(6)所示。
式中：Pil、Qil为节点i的流出功率，Pi∞、Qi∞为同一条线路上i节点下游所有节点所带的负荷和，Plossi∞、Qlossi∞为i节点下游所产生的网损之和，Ui为节点i的电压，Iijmax为线路i-j段容许的最大电流，Umin和Umax分别为规定的最低和最高电压；G为第m台变压器母线上各馈线的出口节点集合，Smmax为第m台变压器的最大容量。第三个公式代表各线段流过的容量不能超过它的最大允许电流，第四个公式代表各节点的电压要在规定范围内，第五个公式代表每台变压器流出功率不能超过它的容量。
在建立步骤三的模型前需要事先以负荷节点和变电站节点之间的距离远近作为依据对所有节点进行分层。规定变电站为第0层节点，直接与变电站相连的节点为第1层节点，与第1层节点相连的其他节点为第2层节点，以此类推，如图3所示。对于单电源供电的节点k，其所在层数c(k)＝ci(k)。对于多电源供电的节点k，设其由bk个变电站供电，依据辐射型网络的层次划分方法，分别得到此负荷点以第i个变电站为第0层计算时其所在层数ci(k)，则节点k所在层数为：
式(7)中ci(k)是表示由第i个变电站供电的k节点所在的层数，Crisk可以表征配电网的可靠性和负荷分布的均衡性，配电网的停电损失和其具有线性相关的关系；在实际配电网中，若变电站所带负荷节点的层数越大，则其某些馈线所串联的负荷节点也就越多，当出现故障时，影响范围也就会越大；而且过多的层数也会导致网络损耗过大，使得末端节点的电压偏移较大。Crisk则综合考虑了以上因素，将馈线所串联的节点数与负荷的大小统一起来，其值越小配电网的结构也就越合理，可靠性和可扩展性也就越好。并且该指标也可以反映变电站的出线情况，避免出线数过少。
步骤五中对模型求解时采用了快速非支配排序遗传算法，为了适应分层规划的模式需要对算法进行一定的改进。遗传操作在交叉和变异的过程中，可能会产生大量不可行解，增大了搜索范围，降低了搜索范围。因此，有必要改进交叉和遗传操作以避免这种情况的发生。交叉操作的主要步骤为：(1)选择要进行交叉的两个个体为B1和B2；(2)确定可以进行交叉操作的节点集合Z，Z为Ⅱ类固定节点和Ⅰ、Ⅱ类自由节点的集合，采用单点交叉的方式；(3)随机选择B1中的一个编码位，交换到B2对应的位置上；(4)对新生成的个体进行排查。若新生成的个体会出现线路交叉的情况，则重新进行步骤三的操作，直到满足条件为止。由于个体中的网架结构都为辐射状，即每个节点只会作为一条线路的末端节点，上述的交叉操作也只会改变一条线路的起始节点，因此不会出现两条线路出现相同末端节点的情况，不会产生环网。并且每个非电源节点都有一个上游节点，且满足一定的约束，也不会出现孤岛的情况。变异操作和生成初始种群的操作类似：(1)另进行变异操作的个体为B1’；(2)确定可以进行变异操作的节点集合Z’，Z’为除电源节点外的所有节点；(3)随机选中一个元素，其对应的节点为i；(4)确定可以作为节点i的上游节点的节点集合Zi’，Zi’为和节点i的距离小于dmax的节点集合，并且每个元素到电源节点的距离都要小于节点i到电源节点的距离；(5)要将Zi’中和节点i同属于一条馈线的节点从Zi’中去除；(6)在Zi’中随机选择一个元素作为变异后节点i的上游节点。上述的变异操作同样也只会改变一条线路的起始节点，因此不会出现两条线路出现相同末端节点的情况，不会产生环网。
步骤七中所建立的模型为：
max(Creliability) (10)
其中，式(8)和(9)分别代表供电能力最大和经济投资最小，式(10)代表配电网的可靠性最高，Cstability表示配电网的可靠性，本文采用的可靠性指标为平均供电可靠率。考虑配电网的实际情况和第一层网架结构优化模型，该模型的约束条件为节点电压约束，功率约束、变压器容量约束、线路载流量约束和网损约束，参见公式(6)。
配电网的供电能力大小主要与网架结构和网络负荷分布有关，而配电网的可靠性不仅和网络的负荷分布、线路的供电半径有关，还和网络之间的联络关系有很大的关联。通过两层协调规划来进行扩展优化规划的主要优点有：
(1)将第一层规划模型的寻优结果作为第二层规划的初值，这样可以有效降低搜索范围，提高搜索效率。
(2)两层模型间的目标函数有一定的差别，第一层主要考虑了投资大小和网络风险系数，网络风险系数的优化有利于供电能力和可靠性的提高；第二层则在第一层的基础上，对网络拓扑进行进一步的拓扑结构优化以提高配电网的供电能力和可靠性。
(3)第二层的目标函数体现在第一层目标函数中，第一层的部分目标函数在第二层中作为约束条件存在，使得两层模型间的联系更加紧密，相辅相承。
这样，通过分层协调优化模型，可以将目标函数分成两部分，有效降低了寻优空间的维度，这样在一定程度上降低了寻优的难度，更有利于寻到最优解。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为快速非支配排序遗传算法的计算流程图。
图3为网络层次示意图。
图4、图5和图6为方案1、方案2和方案3第一层规划后的网络拓扑结构图。
图7、图8和图9为方案1、方案2和方案3第二层规划后的网络拓扑结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种面向供电能力提升的配电网双层扩展规划方法。该方法在现有配电网的基础上，通过对网架结构和负荷特性的分析，在考虑综合布线方式和新增供电区域和原有供电区域之间的联系等问题的基础上，实现配电网网架的扩展。
本发明的目标主要通过以下技术方案实现，具体步骤为：
步骤一：获取电网的网架结构、典型负荷日的负荷，新增供电区负荷密度等数据，结合收集的数据对配电网进行现状分析。
步骤二：对电网的负荷进行中长期的负荷预测，通过分析新增供电区域的负荷水平、地理、气候、交通等信息确定新建变电站的位置和容量；
步骤三：综合考虑新增供电区域的供电可靠性和负荷分布的均衡性，以经济性指标和网络风险系数作为目标对新增供电区域建立第一层网架结构优化模型；
步骤四：生成网络距离关系矩阵D；
步骤五：采用快速非支配排序遗传算法对第一层网架结构优化模型求解；
步骤六：从步骤五的求解结果中选择最优解建立新的网架结构，计算可靠性指标和供电能力；
步骤七：以新的网架结构和原始网架结构为对象建立以经济性指标和供电能力为目标的第二层网架结构优化模型，在供电区域之间建立联络；
步骤八：采用快速非支配排序遗传算法对上述第二层网架结构优化模型求解；
步骤九：将步骤八所得的最优解形成最终的规划方案。
本发明通过IEEE42节点算例进行验证，该算例中1-14号节点为新增节点，其它节点为原有节点。取种群规模为100，迭代次数为50，交叉概率比较后取为0.9，变异概率取为0.1。按照所提方法对该算例进行优化可得到以下结果。其中第一层规划得到72个非支配解组成的最优解集，选取其中的三个典型方案。其中方案1的网损率最小，方案2的一次投资最小，方案3的网络风险系数最低，三个方案的网络拓扑结构如图4、5、6所示。
由以上三张图和节点负荷数据可以发现，每条出线的负荷分布比较均匀，且负载率较低时，其网损和风险系数就比较小。方案1和方案3的出线较多，虽然1-11出线上所带的负荷节点较多，但是节点11、7和10的负荷都比较小，节点3、6、8、9和14的负荷相对较大，但是其分布在了不同的线路上，故线路间的负荷分配比较均匀，并且负荷相对较大的节点主要为一级或者二级节点，因此两个方案的网损率和风险系数都比较小。而方案2虽然一次投资少，但是其出线少，并且负荷比较集中，负荷较大的点大部分位于三级或者四级节点上，因此该方案的网损率和风险系数都比较大。通过以上结果可以得到，本方法可以给出合理的、可行的布线规划方案，用以指导电网的扩展建设。第二层规划的结果见表1。
表1二次规划的最优方案
由表1可得，方案1的一次经济投资最小，方案12的可靠性最高且其网损率也很小，而方案10的变压器均衡度较好。三个方案的网络拓扑结构见图7、8和9。
由表1和图5、图6和图7可见，三个方案之间新增区域和原有区域之间的联系比较紧密。由于布线规划中以网络风险系数和网损率最优作为目标函数，故优化得到结果中新增区域的出线较多，并且负荷在几条线路上分布的也比较均匀。15-16和29-31馈线所带的负载较重，这两条线路是限制供电能力提升的瓶颈所在，将这两条线路上的部分负荷转移到了1-11和1-4两条线路上，从而消除了限制供电能力提升的瓶颈，使供电能力获得了提升。相比该电网的原始网架结构，由于电源节点1增加了出线，使其在转带了其它电源节点上的负荷之后，并没有新出现负载较重的线路，故供电能力比原网架结构的供电能力要高。而原始电网结构中，节点1在转带了其它电源节点的负荷之后，由于自身线路负载加重，使其成为了限制供电能力提升的新瓶颈。三个方案在布线和联络上有一些差别，但是差别不大，这些差别是造成三个方案之间指标有所差异的主要原因，三个方案的主要指标都满足要求，相比原有算例都有了较大的提升，故本方法可以适用于配电网的优化规划，指导配电网的优化规划建设。

Claims (5)

1.一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法，其特征在于：所述方法包括以下几个步骤：
步骤一：获取配电网的网架结构、典型负荷日的负荷，新增供电区域负荷密度数据，结合收集的数据对配电网进行现状分析；
步骤二：对配电网的负荷进行中长期的负荷预测，通过分析新增供电区域的负荷水平、地理、气候、交通信息确定新建变电站的位置和容量；
步骤三：综合考虑新增供电区域的供电可靠性和负荷分布的均衡性，以经济性指标和网络风险系数作为目标对新增供电区域建立第一层网架结构优化模型；
步骤四：生成网络距离关系矩阵D；
步骤五：采用快速非支配排序遗传算法对第一层网架结构优化模型求解；
步骤六：从步骤五的求解结果中选择最优解建立新的网架结构，计算可靠性指标和供电能力；
步骤七：以新的网架结构和原始网架结构为对象建立以经济性指标和供电能力为目标的第二层网架结构优化模型，在供电区域之间建立联络；
步骤八：采用快速非支配排序遗传算法对上述第二层网架结构优化模型求解；
步骤九：将步骤八所得的最优解形成最终的规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法，其特征在于：步骤三中所建立的模型为：
min(Closs)(2)min(Crisk)(3)
其中(1)、(2)和(3)为目标函数；式(1)为新建线路和开关的投资费用；Ci为第i条新建线路的长度，β为将开关换算成线路的常数因子，即将新装开关的投资换算成相同投资下新建线路的长度，该值由要进行换算的开关型号和线路型号决定；Y为加装开关的总个数；Closs为配电网的网损；Crisk为配电网的网络风险指数；D1为代建线路的集合；D2为原有线路的集合；D3为所有节点的集合；ΔPi和ΔQi为第i条线路的有功线损和无功损耗；c(k)为节点k所在层数；Pk和Qk为节点k的有功负荷和无功负荷；考虑配电网的实际情况，模型的约束条件为节点电压约束，功率约束和电流约束，此外还应满足配电网网络的连通性约束和辐射状约束，式(6)所示；
式中：Pil、Qil为节点i的流出功率，Pi∞、Qi∞为同一条线路上i节点下游所有节点所带的负荷和，Plossi∞、Qlossi∞为i节点下游所产生的网损之和；Ui为节点i的电压，Iijmax为线路i-j段容许的最大电流，Umin和Umax分别为规定的最低和最高电压；G为第m台变压器母线上各馈线的出口节点集合，Smmax为第m台变压器的最大容量；第三个公式代表各线段流过的容量不能超过它的最大允许电流；第四个公式代表各节点的电压要在规定范围内，第五个公式代表每台变压器流出功率不能超过它的容量。
3.根据权利要求2所述的一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法，其特征在于：在建立步骤三的模型前需要事先以负荷节点和变电站节点之间的距离远近作为依据对所有节点进行分层；规定变电站为第0层节点，直接与变电站相连的节点为第1层节点，与第1层节点相连的其他节点为第2层节点，以此类推；对于单电源供电的节点k，其所在层数c(k)＝ci(k)；对于多电源供电的节点k，设其由bk个变电站供电，依据辐射型网络的层次划分方法，分别得到此负荷点以第i个变电站为第0层计算时其所在层数ci(k)，则节点k所在层数为：
式(7)中ci(k)是表示由第i个变电站供电的k节点所在的层数，Crisk可以表征配电网的可靠性和负荷分布的均衡性，配电网的停电损失和其具有线性相关的关系；在实际配电网中，若变电站所带负荷节点的层数越大，则其某些馈线所串联的负荷节点也就越多，当出现故障时，影响范围也就会越大；而且过多的层数也会导致网络损耗过大，使得末端节点的电压偏移较大；Crisk则综合考虑了以上因素，将馈线所串联的节点数与负荷的大小统一起来，其值越小配电网的结构也就越合理，可靠性和可扩展性也就越好；并且该指标也反映变电站的出线情况，避免出线数过少。
4.根据权利要求2所述的一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法，其特征在于：步骤七中所建立的模型为：
max(Cstability)(10)其中，式(8)和(9)分别代表供电能力最大和经济投资小，式(10)代表配电网的可靠性最高，Cstability表示配电网的可靠性，本文采用的可靠性指标为平均供电可靠率；考虑配电网的实际情况和第一层网架结构优化模型，该模型的约束条件为节点电压约束，功率约束、变压器容量约束、线路载流量约束和网损约束，参见公式(6)。
5.根据权利要求1所述的一种考虑供电能力提升的配电网双层扩展优化规划方法，其特征在于：步骤五中对模型求解时采用了快速非支配排序遗传算法，包括交叉和变异操作，交叉操作的步骤为：(1)令要进行交叉的两个个体为B1和B2；(2)确定可以进行交叉操作的节点集合Z，Z为Ⅱ类固定节点和Ⅰ、Ⅱ类自由节点的集合，采用单点交叉的方式；(3)随机选一个节点集合Z中的元素，并交换对应位置上的元素；(4)对新生成的个体进行排查；若新生成的个体会出现线路交叉的情况，则重新进行步骤(3)的操作，直到满足条件为止；由于个体中的网架结构都为辐射状，即每个节点只会作为一条线路的末端节点，上述的交叉操作也只会改变一条线路的起始节点，因此不会出现两条线路出现相同末端节点的情况，不会产生环网；并且每个非电源节点都有一个上游节点，且满足一定的约束，也不会出现孤岛的情况；
变异操作的步骤为：(1)令进行变异操作的个体为B1’；(2)确定进行变异操作的节点集合Z’，Z’为除电源节点外的所有节点；(3)随机选中一个元素，其对应的节点为i；(4)确定可以作为节点i的上游节点的节点集合Zi’，Z i’为和节点i的距离小于dmax的节点集合，并且每个元素到电源节点的距离都要小于节点i到电源节点的距离；(5)要将Zi’中和节点i同属于一条馈线的节点从Zi’中去除；(6)在Zi’中随机选择一个元素作为变异后节点i的上游节点；上述的变异操作同样也只会改变一条线路的起始节点，因此不会出现两条线路出现相同末端节点的情况，不会产生环网。
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