CN108879670A - 一种高压配电网分区优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压配电网分区优化方法，包括3个步骤，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运行方式和分区模式，以各分区内的负荷均衡性为目标函数，采用了改进遗传算法对联络通道间的开关开合情况进行排列组合计算，先按照规定的运行方式原则摆出可行的运行方式，再从这些运行方式中寻找最优的排列组合的解。其优化的结果从负荷均衡性、网损和主变负载率的角度进行对比，以实际电网为例进行计算，验证了分区优化方法的有效性，避免了传统的遗传算法中计算量大，效率低，而且得出解的大多都是不可行解，会产生电磁环网或短路电流超标的问题。

Description

一种高压配电网分区优化方法

技术领域

本发明涉及输变电技术领域，尤其是涉及一种高压配电网分区优化方法。

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，500/220千伏高低压电磁环网的出现和220千伏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,城市220千伏电网分区运行已经实施多年，但是电网分区方案的制定一直缺乏科学的理论与方法,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。

公开号为CN 104158178B的文献公开了一种基于可靠性的智能配电网供电分区恢复与整体优化方法。其包括：步骤1)输入智能配电网基础数据信息，并构建目标函数和引导性指标；步骤2)分区恢复；步骤3)更新开关列表，整体优化，虽然本文献提供的基于可靠性的智能配电网供电分区恢复与整体优化的方法，分别从降低故障率和缩短故障停电时间两个方面，改善智能配电网可靠性上的网络结构平衡度，提高用户的供电可靠性，但本文献未能通过改进的遗传算法求得出最优的运行方式的组合形式。

公开号为CN 104809524A的文献公开了一种基于拟最小路法的智能配电网供电分区恢复与优化方法。其包括：步骤1)构建供电恢复与优化的目标函数；步骤2)定义拟最小路，建立相关指标体系；步骤3)定义各项列表，确定各列表放置内容；步骤4)基于拟最小路法的供电分区恢复与优化。虽然本文献结合智能配电网具有高度自动化的特点，在对拟最小路进行定义的基础上，提出了智能配电网的供电分区恢复与优化的启发式算法。但该文献在提高了电网分区的可靠性的方面有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高压配电网分区优化方法，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运行方式和分区模式，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220 千伏电网分区优化策略，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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高压配电网分区优化方法，包括以下步骤：

步骤1：建立以“分区负荷均衡性”为目标函数的数学模型；

步骤2：采用改进遗传算法对各分区联络通道间的开关开合情况

进行排列组合计算，得到220千伏电网分区优化策略；

步骤3：建立评价指标，并采用实际电网作为实例分析验证电网

分区优化策略的有效性。

进一步的，所述步骤1的目标函数为Max D_i＝Min(D_i,n，max-D_i,n)；其中：D_i是第i种电网分区模式下的分区负荷均衡度，D_i,n是第i种电网分区模式下第n个分区的正常供电负荷；D_i,n,max为第i种电网分区模式下第n个分区的极限供电负荷。

进一步的，所述步骤1中的数学模型的约束条件包括连通约束、节点潮流约束、线路潮流约束、短路容量约束、可靠性约束和极限可供约束。

进一步的，所述步骤1中的数学模型的评价指标为主变负载率和系统网损。

进一步的，所述步骤2中的各分区联络通道读取的数据包括节点和线路，所述节点以各站点内部的母线为单位，所述线路包括两类：一类为已经明确的分区内部的线路，另一类为分区之间联络通道上站点内部母线之间的开关和站点之间母线的线路。

进一步的，所述步骤2中的改进遗传算法的整体算法流程步骤如下：

步骤S1：读取220千伏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；

步骤S2：随机生成一组联络通道运行方式的“0/1”数据，并将生成的数据带入电网；

步骤S3：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，即N个元件中的任一独立元件发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，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S2；

步骤S4：计算第i种分区模式下的分区负荷均衡性D_i，并计算该分区模式的适应值f＝D_i-D₀；

步骤S5：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；

步骤S6：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。

进一步的，所述步骤S5中的交叉操作采用单点交叉，即在一条联络通道中，以该联络通道的所有运行方式作为整体进行交叉操作。

进一步的，所述联络通道的所有运行方式的安排原则如下：

(a)满足N-1原则；

(b)不能出现分区合环的情况；

(c)分区内短路电流不能超标。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种高压配电网分区优化方法，以各分区内的负荷均衡性为目标函数，采用了改进遗传算法对联络通道间的开关开合情况进行排列组合计算，先按照规定的运行方式原则摆出可行的运行方式，再从这些运行方式中寻找最优的排列组合的解。其优化的结果从负荷均衡性、网损和主变负载率的角度进行对比。充分发挥了分区间联络通道的作用，进一步提高了电网分区的可靠性。

2.本发明提供一种高压配电网分区优化方法，通过遗传算法求得联络通道开关的最优开合方式，避免了传统的遗传算法中将联络通道上所有的开关作为“0/1”变量进行自由组合排列，计算量巨大，效率大打折扣，而且得出解的大多都是不可行解，会产生电磁环网或短路电流超标等问题。

3.本发明提供一种高压配电网分区优化方法，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运行方式和分区模式，建立科学的分区负荷均衡性”为目标的优化模型，利用改进遗传算法求解得到220千伏电网分区优化策略，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，建立了科学的理论与方法，并通过实例验证了方法的可行性和有效性。

附图说明

图1为本发明的数据读取示意图；

图2为某城市220千伏电网的某条联络通道示意图；

图3为某城市220千伏电网的某条联络运行方式；

图4为本发明的改进遗传算法的整体算法流程；

图5为本发明的改进遗传算法的交叉操作示意图；

图6为本发明的改进遗传算法的变异操作示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种高压配电网分区优化方法，包括以下步骤：

步骤1：建立以“分区负荷均衡性”为目标函数的数学模型；

步骤2：采用改进遗传算法对各分区联络通道间的开关开合情况

进行排列组合计算，得到220千伏电网分区优化策略；

步骤3：建立评价指标，并采用实际电网作为实例分析验证电网

分区优化策略的有效性。

所述步骤1中分区内的负荷均衡性作为分区优化模型的目标函数，目标函数为：Max D_i＝Min(D_i,n，max-D_i,n)，式中：D_i是第i种电网分区模式下的分区负荷均衡度，D_i,n是第i种电网分区模式下第n个分区的正常供电负荷；D_i,n,max为第i种电网分区模式下第n个分区的极限供电负荷。

所述步骤1中的数学模型的约束条件包括连通约束、节点潮流约束、线路潮流约束、短路容量约束、可靠性约束和极限可供约束。其中：1)连通约束：分区与分区之间解环运行，各站点不能存在孤岛运行的情况。

2)节点潮流约束：

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。

3)线路潮流约束：

式中：P_ij为是节点i与节点j之间的联络线潮流；和P_ij 分别是是联络通道潮流下限值和上限值。

4)短路容量约束：

I_j＜I_c j∈{1,2,…,k}

式中：I_j为第j个独立分区的短路电流；I_c短路电流的限值，这里的短路电流限值为50kA，k为开环后220千伏独立分区总数。

5)可靠性约束：

本发明采用的可靠性指标是在电网满足N-1情况，即：

式中：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；S_n为第n个独立分区的节点集合；P_ij为是节点i 与节点j之间的联络线潮流；和P_ij ^N-1分别是是联络线潮流下限值和上限值。

6)极限可供约束：

D_n,max-D_n＞0n∈{1,2,…,k}

式中：D_n,max为第n个独立分区的极限供电负荷，D_n为第n个独立分区的正常供电负荷，k为开环后系统中220千伏电网独立分区总数。

本发明考虑的N-1情况包括：500千伏主变的N-1情况，以及220 千伏线路的N-1情况。

所述步骤1中的数学模型的评价指标为主变负载率和系统网损。其中：

主变负载率：

式中，S_a为变压器实际功率；S_N为变压器额定功率。

系统网损：

式中，P_ij和Q_ij为节点i和节点j之间线路上的有功功率和无功功率，U_ij为节点i和节点j之间线路上的电压，R_ij为节点i和节点j 之间线路上的电阻。

如图1所示，所述步骤2中的各分区联络通道读取的数据包括节点和线路，本发明是在已有的220千伏电网分区的基础上对其进行优化，且重点是研究各分区之间的联络通道，因此，在数据的读入方面，将数据分为2种，第一种是节点，本发明将以各站点内部的母线作为节点；第二种是线路，本发明将线路分为2类，第一类是该分区的线路及站点，这一类数据是已经明确该分区内部的线路，这一类线路是固定的，第二类是分区于分区之间联络通道上站点内部母线之间的开关和站点之间母线的线路，这一类数据是不固定的。

本发明的的核心是通过遗传算法求得联络通道开关的最优开合方式，本发明采用了改进的遗传算法，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运行方式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运行方式，然后对各联络通道的各种运行方式采用遗传算法进行自由组合计算，求得出最优的运行方式的组合形式。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运行方式，运行方式安排的原则如下：

(a)满足N-1原则；

(b)不能出现分区合环的情况；

(c)分区内短路电流不能超标。

如图2所示，以某城市220千伏电网的某条联络通道为例，其中， A和D分别为两个独立分区，B和C分别为联络通道上的220千伏变电站，B站是单母分段，C是双母双分段。

如图3所示，根据联络通道的运行方式安排原则，该联络通道还有3种可行的运行方式，然后，通过“1”或“0”表示哪一种运行方式被读取，例如“1000”代表的是联络通道依照第一种运行方式运行，“0100”代表的是联络通道依照第二种运行方式运行，以此类推，可以得到一串关于所有联络通道的运行方式的“0/1”数列，例如代表的含义就是有3条联络通道，第一条联络通道共有四种运行方式，按照第一种运行方式运行，第二条联络通道有五种运行方式，按照第二种运行方式运行，第三条联络通道有三种运行方式，按照第三种运行方式运行。

联络通道的“0/1”数列与分区内部固定的线路共同组成220千伏电网的分区模式，读取并计算线路上的潮流，计算各分区内的负荷。

如图4所示，所述步骤2中的改进遗传算法的整体算法流程步骤如下：

步骤S1：读取220千伏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；

步骤S2：随机生成一组联络通道运行方式的“0/1”数据，并将生成的数据带入电网；

步骤S3：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S2；

步骤S4：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；

步骤S5：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；

步骤S6：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。

所述步骤S5中的交叉操作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运行方式作为整体进行交叉操作。

设有两段联络通道的运行方式数据，如下所示：

如果交叉点在第2个联络通道，则通过交叉操作后，两个运行方式变为：

具体如图5所示，

所述步骤5中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运行方式，将其运行方式进行随机变化。

设有一段联络通道的运行方式数据，如下所示：

如果变异点在第2条联络通道，则经过变异操作后，在第2条联络通道中，原有的“1”变为“0”，在其余的“0”中，随机一个“0”变为“1”。

具体如图6所示；

所述步骤5中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，f(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。若r＜PP₁，则选择个体1，否则选择个体i，使得：PP_i-1≤r＜PP_i成立。

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。

实例分析

本发明采用某市实际电网作为实例分析。该市实际电网2016年已有500千伏变电站14个、220千伏变电站126个，该市采用的分区方式是单台500千伏变电站带一片220千伏变电站的模式，分区与分区间之间彼此解环运行，现有负荷如表1所示：

表1：优化前电网分区负荷(单位：万千瓦)

如表1所示，分区7和8已经出现较为严重的负荷供应不足的情况，而其他分区还有较大的裕度，该市初始电网分区模式下的负荷均衡性D₀为-38.4万千瓦，裕度最大的分区与裕度最小的分区裕度差为 189.2万千瓦，该市的分区方法所得的负荷均衡性非常差。

根据本发明的改进遗传算法，个体数目取100，最大进化代数取 100，杂交概率取0.9，变异概率取0.04，采取新的分区优化策略，各分区负荷分布如下表所示：

表2:优化后电网分区负荷(单位：万千瓦)

优化分区后，该市的分区负荷均衡性为22.3万千瓦，分区内不再存在负荷超标的问题，并且裕度最大的分区与裕度最小的分区裕度差为134.2万千瓦，较之优化前，该市的分区负荷更为均匀。分区各项指标前后对比如表3和表4所示：

表3:主变负载率对比

表4:分区前后网损对比(单位：万千瓦)

综上所述，优化后的电网网损较低，主变负载率有不同程度的下降，各分区的负载更加均衡。证明本发明所提的方法可行有效。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的原理和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立以“分区负荷均衡性”为目标函数的数学模型；

步骤2：采用改进遗传算法对各分区联络通道间的开关开合情况进行排列组合计算，得到220千伏电网分区优化策略；

步骤3：建立评价指标，并采用实际电网作为实例分析验证电网分区优化策略的有效性。

2.根据权利要求1所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤1的目标函数为；其中：D _i 是第i种电网分区模式下的分区负荷均衡度，D _i,n 是第i种电网分区模式下第n个分区的正常供电负荷；D _i,n,max 为第i种电网分区模式下第n个分区的极限供电负荷。

3.根据权利要求1所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤1中的数学模型的约束条件包括连通约束、节点潮流约束、线路潮流约束、短路容量约束、可靠性约束和极限可供约束。

4.根据权利要求1所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤1中的数学模型的评价指标为主变负载率和系统网损。

5.根据权利要求1所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤2中的各分区联络通道读取的数据包括节点和线路，所述节点以各站点内部的母线为单位，所述线路包括两类：一类为已经明确的分区内部的线路，另一类为分区之间联络通道上站点内部母线之间的开关和站点之间母线的线路。

6.根据权利要求1所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤2中的改进遗传算法的整体算法流程步骤如下：

步骤S1：读取220千伏电网联络通道开关的初始开合数据，并计算初始负荷均衡度；

步骤S2：随机生成一组联络通道运行方式的“0/1”数据，并将生成的数据带入电网；

步骤S3：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，即N个元件中的任一独立元件发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，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S2；

步骤S4：计算第i种220千伏电网分区模式下的分区负荷均衡度，并计算该分区模式的适应值；

步骤S5：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；

步骤S6：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。

7.根据权利要求6所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述步骤S5中的交叉操作采用单点交叉，即在一条联络通道中，以该联络通道的所有运行方式作为整体进行交叉操作。

8.根据权利要求7所述的一种高压配电网分区优化方法，其特征在于：所述联络通道的所有运行方式的安排原则如下：

（a）满足N-1原则；

（b）不能出现分区合环的情况；

（c）分区内短路电流不能超标。