CN109473980B - 一种配电网的重构方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种配电网的重构方法及系统，包括：基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。本发明提出了在含开关的支路中增加虚拟节点和支路的方法，重新构建了含开关的支路的约束条件，改进了配电网络重构模型，当配电网重构时，能够体现含有开关支路的开关断开时的非连接关系，提高了求解精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统运行分析技术领域，具体涉及一种配电网的重构方法及系统。
背景技术
目前配电网发展受到了越来越多的关注，对配电网重构的需求也日益增加，主要体现在两个方面：一是负荷的日益增长，给配电网运行带来较大挑战，如何在现有网络结构基础上，挖掘潜力，通过运行优化提升整体供电能力和降低运行风险，是一个热点问题；二是随着计算水平、研究水平和配电自动化的发展，利用配电自动化对联络开关和分段开关的监测和控制能力，根据实际运行状态对配电网进行计算分析，进行配电网重构，不论从技术层面还是实施层面，都已成为可能。因此在这两方面因素影响下，研究提升配电网供电能力的网络重构问题具有重要意义。
由于配电网自身的网络结构特性，如线路电阻、电抗比值较大，辐射性约束等，其最优潮流算法研究相较于输电网有较大区别，传统输电网应用较为广泛的直流最优潮流算法在配电网研究中无法适用。因此，配电网最优潮流研究主要集中于交流最优潮流方面，交流最优潮流由于其潮流约束的非线性特征，其本质为非线性规划。基于人工智能的启发式算法因其简单、易模拟复杂约束等优势，在求解非线性规划模型中得到了广泛应用。其在配电网最优潮流中也逐渐被尝试并进行了有效性验证，如进化算法、粒子群算法、遗传算法等。而智能算法在求解非线性模型时也存在明显的问题，如无法保证全局最优、容易陷入局部最优、求解速度较慢等。
近年来基于二阶锥规划的配电网重构引起了关注，这种方法利用锥松弛将原有的非凸优化转变为凸优化，极大提高了求解效率。但是在实际基于二阶锥规划的配电网重构建模过程中，二阶锥规划采用的支路潮流法计算网络重构是存在先天不足的，因为所有的潮流公式都是在支路节点的连接关系确定的基础上编写的，当解决网络重构问题时，无法体现含有开关支路的开关断开时的非连接关系，因此原有的二阶锥规划网络重构模型不满足非连接支路的实际状态，需要针对支路潮流法建立的网络重构模型进行改进。
发明内容
为了解决现有技术中二阶锥规划网络重构模型不满足非连接支路的实际状态，本发明提供一种配电网的重构方法及系统，基于支路潮流法对二阶锥规划网络重构模型进行改进，以准确的建立了含开关的支路潮流关系，使其能够同时表征两个状态：一是含开关的支路在开关闭合状态下，模型能够表征支路两端电压、电流和潮流的函数关系；二是在开关断开状态下，模型能够表征支路的非联通关系。
本发明提供的技术方案是：一种配电网的重构方法，包括：
基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。
优选的，所述配电网络重构模型的构建，包括：
基于配电网总网损和/或供电能力构建目标函数；
如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件。
优选的，所述含开关支路的运行约束条件，包括：
含开关支路的电流约束、含开关支路的电压约束和含开关支路的电流幅值约束。
优选的，所述含开关支路的电流约束，如下式所示：
式中：Iim：支路节点i流向虚拟节点m的电流；Imn：虚拟节点m流向虚拟节点n的电流；Inj：虚拟节点n流向支路节点j的电流；
所述含开关支路的电压约束，如下式所示：
式中：Umax：电压幅值上限；Umin：电压幅值下限；Um：虚拟节点m的电压幅值；Un：虚拟节点n的电压幅值；σmn：联络开关或分段开关的状态；
所述含开关支路的电流幅值约束，如下式所示：
Iminσmn≤Imn≤Imaxσmn
式中：Imin：电流下限；Imn：虚拟节点m流向虚拟节点n的电流；Imax：电流上限。
优选的，所述不包含开关支路的运行约束条件，包括：
按下式计算的支路潮流约束：
式中：pj：支路节点j的注入有功功率；qj：支路节点j的注入无功功率；Pjk：以j为首端节点的支路jk的有功功率；Qjk：以j为首端节点的支路jk的无功功率；Pij：以j为末端节点的支路ij的有功功率；Qij：以j为末端节点的支路ij的无功功率；δ(j)：以j为首端节点的支路末端节点集合；π(j)：以j为末端节点的支路首端节点集合；Iij：支路节点i流向支路节点j的电流；rij：支路ij的电阻；xij：支路ij的电抗；gj：支路节点j的电导；bj：支路节点j的电纳；Uj：支路节点j的电压幅值；B：配电网中的节点集合；
按下式计算的电压降约束：
式中：Ui：支路节点i的电压幅值；E：所有支路集合；Esw：含开关支路的集合；E/Esw：不含开关支路的集合；
按下式计算的电压电流功率约束：
按下式计算的不包含开关支路的电压约束：
式中：支路节点j电压幅值下限；/>支路节点j电压幅值上限；
按下式计算的不包含开关支路的电流约束：
式中：支路ij电流下限；/>支路ij电流上限。
优选的，所述网络结构约束条件，如下式所示：
式中：σmn：联络开关或分段开关的状态；Nnode：配电网中的节点数量；Nsub：配电网中的变电站数量；Esw：含开关支路的集合；E/Esw：不含开关支路的集合。
优选的，所述松弛变量的计算式如下：
式中：电流的松弛变量；/>电压幅值的松弛变量；Iij：支路节点i流向支路节点j的电流；Uj：支路节点j的电压幅值。
优选的，所述对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，包括：
基于仿真对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种配电网的重构系统，包括：
松弛模块，用于基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
求解模块，用于对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。
优选的，所述系统还包括构建模块，用于构建配电网络重构模型；所述构建模块包括：
构建目标子模块，用于基于配电网总网损和/或供电能力构建目标函数；
虚拟支路子模块，用于如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
第一约束条件子模块，用于基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
第二约束条件子模块，用于基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
第三约束条件子模块，用于基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建，本发明提出了在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，重新构建了含开关的支路的约束条件，改进了配电网络重构模型，当配电网重构时，因为存在虚拟节点所以能够体现含有开关支路的开关断开时的非连接关系，提高了求解精度。
本发明提供的技术方案，改进后的含开关支路的运行约束条件包括：含开关支路的电流约束、含开关支路的电压约束和含开关支路的电流幅值约束；这三个约束能够同时表征开关支路在开关断开和闭合两种状态下的运行状态关系。
附图说明
图1为本发明提供一种配电网的重构方法流程图；
图2为本发明实施例中支路ij的辐射性示意图；
图3为本发明实施例中在支路ij中增加虚拟节点和支路后的辐射性示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种配电网的重构方法流程图，包括：
步骤S1、基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
步骤S2、对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。
本实施例中以虚拟节点和支路的配电网重构方法具体包含以下步骤：
步骤S1、基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛，包括：
步骤1：以联络开关和分段开关状态为控制变量，构建基于支路潮流的配电网络重构模型，包括：
如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件。
步骤2：对基于支路潮流的配电网络重构模型进行锥松弛。
步骤1：以联络开关和分段开关状态为控制变量，构建基于支路潮流的配电网络重构模型，具体包括：
步骤101：构建网络重构模型目标函数。
该目标函数可以为且不局限于系统总网损f1、供电能力f2及其组合构成。
步骤102：构建配电网络重构模型中不含开关支路的运行约束条件，包括：
按下式计算的支路潮流约束：
按下式计算的电压降约束：
按下式计算的电压电流功率约束：
按下式计算的不包含开关支路的电压约束：
按下式计算的不包含开关支路的电流约束：
式中：B——配电网中节点集合；E——所有支路集合；Esw——含开关支路的集合；E/Esw——不含开关支路的集合；δ(j)——以j为首端节点的支路末端节点集合；π(j)——以j为末端节点的支路首端节点集合；Ui和Uj——支路节点i和j的电压幅值；Pjk和Qjk——以j为首端节点的支路jk的有功功率和无功功率；Pij和Qij——以j为末端节点的支路ij的有功功率和无功功率；pj和qj——支路节点j的注入有功功率和无功功率；rij和xij——支路ij的电阻和电抗；Iij——支路节点i流向支路节点j的电流；gj和bj——支路节点j的电导和电纳；——支路节点j电压幅值下限；/>——支路节点j电压幅值上限；/>——支路ij电流下限；/>——支路ij电流上限。
步骤103：构建配电网络重构模型中含开关支路的运行约束条件。
对于含有开关的支路ij，可增加两个虚拟节点m和n，因此原有支路改为由三个虚拟支路im，mn和nj。
图2为原有配电网辐射线，图3为增加虚拟节点和支路后的辐射线。
(1)支路im和nj
对于支路im和nj仍然是根据步骤102的不含开关支路构建运行约束条件。
(2)支路mn
①含开关支路的电流约束
②含开关支路的电压约束
由于开关状态的不确定性，两端电压的约束从等式转变为不等式
式中：σmn：联络开关或分段开关的状态，σmn＝1表示开关闭合，σmn＝0表示开关断开。
当σmn＝1时，线路连通，存在
当σmn＝0时，线路不连通，端电压满足的关系是冗余的，因为在对单个电压的上下限约束中已经体现。
③含开关支路的电流幅值约束
Iminσmn≤Imn≤Imaxσmn (8)
式(8)约束了开关不同状态时的电流关系。
步骤104：构建配电网络重构模型的网络结构约束条件。
式中：Nnode——配电网中节点数量；Nsub——配电网中变电站数量。
步骤2：对基于支路潮流的配电网络重构模型进行锥松弛，具体包括：
步骤201建立的基于支路潮流的以提升供电能力为目标的配电网络重构模型为非线性规划模型，根据下式令进行锥松弛。
式中：——Iij的松弛变量；/>——Uj的松弛变量。
步骤202：目标函数的锥松弛。
根据具体目标函数，将松弛变量进行代换，得到下列松弛后的目标函数：
步骤203：对各约束条件进行松弛，针对约束条件(1)-(5)，代入和/>得到：
公式(6)松弛后为：
公式(7)松弛后为：
公式(8)松弛后为：
公式(9)和(10)不包含需要松弛的变量，维持不变。
步骤S2：对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态，包括：
基于锥松弛的配电网络重构模型具有良好的收敛性，其优化变量为0-1变量，可直接利用MOSEK或CPLEX等算法包求得原问题的最优解。
本发明提出了基于虚拟节点和支路的改进配电网重构模型，该模型在原有的支路潮流模型基础上，针对含有开关的支路，根据开关在支路的实际位置，增加虚拟节点，并组成相应的虚拟支路，原有含开关的支路变成了虚拟支路组成，虚拟支路中不含开关的部分按照原有约束条件模型，含有开关的虚拟支路则采用本发明中提出的改进约束条件模型。
本实施例中提供的改进模型具有以下优点：
(1)针对含有开关的支路，根据开关在支路的实际位置，增加虚拟节点，并组成相应的虚拟支路；
(2)虚拟支路中不含开关的部分按照原有约束条件模型，含有开关的虚拟支路本发明则提出了改进约束条件模型；
(3)改进的约束条件模型主要包含三个约束：含开关支路的电流约束、含开关支路的电压约束和含开关支路的电流幅值约束；
这三个约束能够同时表征开关支路在开关断开和闭合两种状态下的运行状态关系；
(4)对基于虚拟节点和支路的改进的配电网重构模型进行了锥松弛，然后得出可采用二阶锥规划求解的配电网重构方法。
实施例2
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种配电网的重构系统，包括：
松弛模块，用于基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
求解模块，用于对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。
实施例中，所述系统还包括构建模块，用于构建配电网络重构模型；所述构建模块包括：
构建目标子模块，用于基于配电网总网损和/或供电能力构建目标函数；
虚拟支路子模块，用于如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
第一约束条件子模块，用于基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
第二约束条件子模块，用于基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
第三约束条件子模块，用于基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种配电网的重构方法，其特征在于，包括：
基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建；
所述配电网络重构模型的构建，包括：
基于配电网总网损和/或供电能力构建目标函数；
如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件；
所述含开关支路的运行约束条件，包括：
含开关支路的电流约束、含开关支路的电压约束和含开关支路的电流幅值约束；
所述含开关支路的电流约束，如下式所示：
式中：Iim：支路节点i流向虚拟节点m的电流；Imn：虚拟节点m流向虚拟节点n的电流；Inj：虚拟节点n流向支路节点j的电流；
所述含开关支路的电压约束，如下式所示：
式中：Umax：电压幅值上限；Umin：电压幅值下限；Um：虚拟节点m的电压幅值；Un：虚拟节点n的电压幅值；σmn：联络开关或分段开关的状态；
所述含开关支路的电流幅值约束，如下式所示：
Iminσmn≤Imn≤Imaxσmn
式中：Imin：电流下限；Imn：虚拟节点m流向虚拟节点n的电流；Imax：电流上限；
所述不包含开关支路的运行约束条件，包括：
按下式计算的支路潮流约束：
式中：pj：支路节点j的注入有功功率；qj：支路节点j的注入无功功率；Pjk：以j为首端节点的支路jk的有功功率；Qjk：以j为首端节点的支路jk的无功功率；Pij：以j为末端节点的支路ij的有功功率；Qij：以j为末端节点的支路ij的无功功率；δ(j)：以j为首端节点的支路末端节点集合；π(j)：以j为末端节点的支路首端节点集合；Iij：支路节点i流向支路节点j的电流；rij：支路ij的电阻；xij：支路ij的电抗；gj：支路节点j的电导；bj：支路节点j的电纳；Uj：支路节点j的电压幅值；B：配电网中的节点集合；
按下式计算的电压降约束：
式中：Ui：支路节点i的电压幅值；E：所有支路集合；Esw：含开关支路的集合；E/Esw：不含开关支路的集合；
按下式计算的电压电流功率约束：
按下式计算的不包含开关支路的电压约束：
式中：支路节点j电压幅值下限；/>支路节点j电压幅值上限；
按下式计算的不包含开关支路的电流约束：
式中：支路ij电流下限；/>支路ij电流上限；
所述网络结构约束条件，如下式所示：
式中：σmn：联络开关或分段开关的状态；Nnode：配电网中的节点数量；Nsub：配电网中的变电站数量；Esw：含开关支路的集合；E/Esw：不含开关支路的集合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述松弛变量的计算式如下：
式中：电流的松弛变量；/>电压幅值的松弛变量；Iij：支路节点i流向支路节点j的电流；Uj：支路节点j的电压幅值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，包括：
基于仿真对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解。
4.基于权利要求1所述的配电网的重构方法的系统，其特征在于，包括：
松弛模块，用于基于设置的松弛变量对预先构建的配电网络重构模型进行锥松弛；
求解模块，用于对锥松弛后的配电网络重构模型进行求解，获得配电网的网络开关状态；
所述配电网络重构模型为，以联络开关和分段开关的开断为控制变量，并在含开关的支路中增加虚拟节点和支路，基于支路潮流进行构建。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括构建模块，用于构建配电网络重构模型；所述构建模块包括：
构建目标子模块，用于基于配电网总网损和/或供电能力构建目标函数；
虚拟支路子模块，用于如果支路中含开关，则在开关两端分别增加虚拟节点，获得由虚拟节点构成的第一虚拟支路，以及由支路节点和虚拟节点构成的第二虚拟支路；
第一约束条件子模块，用于基于联络开关和分段开关的开断对所述第一虚拟支路构建含开关支路的运行约束条件；
第二约束条件子模块，用于基于支路潮流对所述第二虚拟支路和不包含开关的支路，构建不包含开关支路的运行约束条件；
第三约束条件子模块，用于基于配电网的运行方式构建网络结构约束条件；
其中，所述含开关支路的运行约束条件、不包含开关支路的运行约束条件和网络结构约束条件是为所述目标函数构建的约束条件。
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