CN109995026B - 一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法。本发明采用的技术方案包括：输入规划区域负荷及分布式电源的位置和类型；通过染色体结构生成初始解；根据距离将每个负载分配到最近的变电站；对配电网的中压侧和低压侧进行馈线路由；设置保护开关，计算保护装置的投资成本；计算馈线及整流器的投资成本和损耗成本；对各组件的可靠性进行评估，并通过电能缺工指数计算可靠性成本；计算成本函数，确定每个配置的适应度，根据遗传算法选择最佳配置。本发明考虑了投资和运营成本，根据成本函数，确定最佳的交直流变电站的位置和规模以及中低压侧交直流馈线的布线和容量，有助于进行更具经济效益的配电网规划。

Description

一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法

技术领域

本发明属于电力系统规划技术领域，涉及一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法。

背景技术

由于直流分布式发电的高渗透率以及敏感直流电子负载的不断增长，近代交直流配电网络的应用正越来越广泛。在交流配电网的基础上建设混合交直流配电网是未来配电网的发展趋势，其配电系统规划也成为了电力企业面临的主要问题和挑战之一。

交直流混合配电网的优化规划问题是配电网结构设计阶段需要解决的核心问题，对交直流混合配电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。优化规划的主要任务是以最低的成本为负载供电，同时确保电能质量水平的可靠性。基于优化问题所需要涉及考虑的优化变量、优化目标和约束条件三方面内容，交直流混合配电网的规划模型具有其自身的特征。如何从其自身特征出发，完成最优的混合交直流配电网综合规划，对其未来的发展有着重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法，以降低敏感负载下的总成本，提高分布式电源渗透率，完成混合交直流配电网最优规划。

为此，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法，包括以下步骤：

步骤1，输入规划区域的初始数据，包括负荷及分布式电源的位置和类型；

步骤2，通过染色体结构生成初始群体；

步骤3，根据距离将每个负载分配到最近的变电站，若变电站满载，则将最远的负荷分配给临近的变电站；

步骤4，将二次变电站与其最近变电站相连，再将所连变电站和与它最近的变电站相连，直到所有的变电站都被连接；

步骤5，将变电站与其最近的负载相连，再将所连负载和与它最近的负载相连，直到所有的负载都被连接；

步骤6，设置保护开关，分段开关放置在每个中压馈线段的首端，熔断器放置在每个变电站之后的低压一侧，计算保护装置的投资成本；

步骤7，根据母线初始电压及截面类型，确定截面电流；通过前推回代法进行满足约束条件的潮流计算并确定中低压馈线的尺寸，计算馈线及整流器的投资成本和损耗成本；

步骤8，对网络中各元件可靠性进行评估，计算网络各组成部分因故障造成的各负荷中断时间，并由此计算电能缺供ENS指数，计算可靠性成本；

步骤9，由步骤3至步骤7确定一组配置，计算成本函数和配置的适应度；所得结果若未达到收敛性判别准则，则通过遗传变异回到步骤3，若已达到判别准则即为最后一次迭代；

步骤10，最后一次迭代中的最佳配置即为混合交直流配电网中的最优规划。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中，通过染色体结构的第一行确定安装变电站的候选位置；通过染色体结构的第二行和第三行确定中压馈线最后一段的类型，该中压馈线为选定的变电站供电；通过染色体结构的第四行和第五行确定所选变电站低压侧的类型。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤6中保护装置的投资成本函数为：

C_S&F＝k_DC×(N_SEC×SECC+N_FUSE×FUSEC+N_CHSW×CHSWC)，

式中，C_S&F为开关和熔断器的投资成本；k_DC为成本系数；N_SEC为分段开关的数量；SECC为分段开关的投资成本；N_FUSE为熔断器数量；FUSEC为熔断器的投资成本；N_CHSW为转换开关的数量；CHSWC为转换开关的投资成本。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤7中，中压馈线和低压馈线的成本函数由以下两式确定：

式中，C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；MVIC_i为第i个中压组件的投资成本；LVIC_i为第i个低压组件的投资成本；Ni为第i段的导线的数量；di为第i段导体的长度；

为低压侧第i段导体类型投资成本；

为中压侧第i段导体类型投资成本；N_MV为中压组件的数量；N_LV为低压组件的数量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤7中，由馈线和整流器损耗组成的损耗成本由下式给出：

C_LOSS＝P_LOSS×EP，

式中，C_LOSS为损耗成本；P_LOSS为总能量损耗；EP为电能价格。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤7中，所述的约束条件包括母线电压、馈电电流和变电站容量，母线电压应保持在标准水平，馈线电流和变电站容量应小于最大允许限，即需满足以下三个约束方程：

V_min≤V_bus≤V_max，

其中，V_min为最小母线电压限制；V_bus为母线电压；V_max为最大母线电压限制；S_SS为配电变电站容量；

为最大配电变电站容量；I_F为馈线容量；

为最大馈线容量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤8中，网络中每条线路段的故障率由下式确定：

其中，λ_i为第i个元件的故障率；L_j为第j个负载点的平均负荷；P_CM为线路区段上共模故障的百分比；

为常见的一个三相三线交流系统中压侧的单模故障率；

为关键导体指定数量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤8中，第j个负载点的ENS指数由下式计算：

其中，ENS_j为第j个负载点的ENS指数；λ_i为第i个元件的故障率；r_i为第i个元件的折扣率；L_j为第j个负载点的平均负荷；N_com为元件数量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤8中，可靠性成本由下式通过ENS指数确定：

式中，C_INT为可靠性成本；ENS_j为第j个负载点的ENS指数；CIC_j为第j个负载点的投资成本；N_L为负载点数量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤9中，成本函数由以下三式确定：

C_INVESTMENT＝C_FMV+C_FLV+C_CON+C_S&F，

C_OPERATION＝C_INT+C_LOSS，

式中，OF为总成本；C_INVESTMENT为投资成本；C_OPERATION为运营成本；C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；C_CON为整流器投资成本；C_S&F为开关和熔断器的投资成本；C_INT为可靠性成本；C_LOSS为损耗成本。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法，建立了选取混合交直流配电网最优配置的体系模型。其基本思路是根据混合配电网的自身特征计算配电网中各相关组件的投资成本和运营成本，而后通过遗传算法计算各个配置的成本函数，并在最后一次迭代中得出最优配置。本发明所提出的的综合规划方法具有明确清晰的物理意义，可以选出成本最低的配置，同时也可以确保电能质量的可靠性，从而实现最优的配电系统规划。测试结果表明，本发明提出的综合规划方法经济高效，具有较强的通用性和实用性。

附图说明

图1为本发明基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法的流程示意图。

图2为本发明方法中染色体结构示意图。

图3位本发明方法中UDC和BDC结构的系统潮流图(其中，图3a表示UDC结构，图3b表示BDC结构)。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.输入规划区域的初始数据，包括负荷及分布式电源的位置和类型；

步骤2.通过如图2所示的染色体结构生成初始群体；

步骤3.根据距离将每个负载分配到最近的变电站，若变电站满载，则将最远的负荷分配给临近的变电站；

步骤4.将二次变电站与其最近变电站相连，再将所连变电站和与它最近的变电站相连，直到所有的变电站都被连接；

步骤5.将变电站与其最近的负载相连，再将所连负载和与它最近的负载相连，直到所有的负载都被连接；对配电网的中压侧和低压侧进行馈线路由，确保所有的变电站都连接至中压电网，所有的负载都连接至低压电网；

步骤6.设置保护开关，分段开关放置在每个中压馈线段的首端，熔断器放置在每个变电站之后的低压一侧，计算保护装置的投资成本。其中，保护装置的投资成本函数为：

C_S&F＝k_DC×(N_SEC×SECC+N_FUSE×FUSEC+N_CHSW×CHSWC) (1)

式中，C_S&F为开关和熔断器的投资成本；k_DC为成本系数；N_SEC为分段开关的数量；SECC为分段开关的投资成本；N_FUSE为熔断器数量；FUSEC为熔断器的投资成本；N_CHSW为转换开关的数量；CHSWC为转换开关的投资成本。

步骤7.根据母线初始电压及截面类型，确定截面电流。通过前推回代法进行满足约束条件的潮流计算并确定中低压馈线的尺寸，计算馈线及整流器的投资成本和损耗成本。其中，单极直流系统(UDC)和双极直流系统(BDC)系统潮流如附图3中的a和b所示。

中压馈线和低压馈线的成本函数由以下两式确定：

式中，C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；MVIC_i为第i个中压组件的投资成本；LVIC_i为第i个低压组件的投资成本；Ni为第i段的导线的数量；di为第i个组件的长度；

为低压侧第i段导体类型投资成本；

为中压侧第i段导体类型投资成本；N_MV为中压组件的数量；N_LV为低压组件的数量。

由馈线和整流器损耗组成的损耗成本由下式给出：

C_LOSS＝P_LOSS×EP (4)

式中，C_LOSS为损耗成本；P_LOSS为总能量损耗；EP为电能价格。

约束条件包括母线电压、馈电电流和变电站容量。母线电压应保持在标准水平，馈线电流和变电站容量应小于最大允许限。即需满足以下三个约束方程：

V_min≤V_bus≤V_max (5)

式中，V_min为最小母线电压限制；V_bus为母线电压；V_max为最大母线电压限制；S_SS为配电变电站容量；

为最大配电变电站容量；I_F为馈线容量；

为最大馈线容量。

步骤8.对网络中各元件可靠性进行评估，计算网络各组成部分因故障造成的各负荷中断时间，并由此计算ENS指数，计算可靠性成本。其中，系统中每条线路段的故障率由下式确定：

式中，λ_i为第i个元件的故障率；L_j为第j个负载点的平均负荷；P_CM为线路区段上共模故障的百分比；

为常见的一个三相三线交流系统中压侧的单模故障率；

为关键导体指定数量。

第j个负载点的ENS指数由下式计算：

式中，ENS_j为第j个负载点的ENS指数；λ_i为第i个元件的故障率；r_i为第i个元件的折扣率；L_j为第j个负载点的平均负荷；N_com为元件数量。

可靠性成本由下式通过ENS指数确定：

式中，C_INT为可靠性成本；ENS_j为第j个负载点的ENS指数；CIC_j为第j个负载点的投资成本；N_L为负载点数量。

步骤9.由步骤3至步骤7确定一组配置，计算成本函数和配置的适应度。所得结果若未达到收敛性判别准则，则通过遗传变异回到步骤3，若已达到判别准则即为最后一次迭代。其中，成本函数由以下三式确定：

C_INVESTMENT＝C_FMV+C_FLV+C_CON+C_S&F (12)

C_OPERATION＝C_INT+C_LOSS (13)

式中，OF为总成本；C_INVESTMENT为投资成本；C_OPERATION为运营成本；C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；C_CON为整流器投资成本；C_S&F为开关和熔断器的投资成本；C_INT为可靠性成本；C_LOSS为损耗成本。

步骤10.最后一次迭代中的最佳配置即为混合交直流配电网中的最优规划。

综上，本发明的混合交直流配电网综合规划方法建立了基于遗传算法的优化配电网配置的体系模型，在保证电能质量的情况下选取最低成本的配电网系统配置。本发明通过电力系统潮流计算选取合适的馈线、组件和保护装置以保证电能质量的可靠性；同时以馈线、整流器、开关和熔断器的总成本为投资成本，以损耗成本和可靠性成本作为运营成本，计算总的成本函数；最后通过遗传算法进行优化配置，获得最低成本的最优配置，对于进行经济可靠的混合交直流配电网综合规划具有重要的意义。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于遗传算法的混合交直流配电网综合规划方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，输入规划区域的初始数据，包括负荷及分布式电源的位置和类型；

步骤2，通过染色体结构生成初始群体；

步骤3，根据距离将每个负载分配到最近的变电站，若变电站满载，则将最远的负荷分配给临近的变电站；

步骤4，将二次变电站与其最近变电站相连，再将所连变电站和与它最近的变电站相连，直到所有的变电站都被连接；

步骤5，将变电站与其最近的负载相连，再将所连负载和与它最近的负载相连，直到所有的负载都被连接；

步骤6，设置保护开关，分段开关放置在每个中压馈线段的首端，熔断器放置在每个变电站之后的低压一侧，计算保护装置的投资成本；

步骤7，根据母线初始电压及截面类型，确定截面电流；通过前推回代法进行满足约束条件的潮流计算并确定中低压馈线的尺寸，计算馈线及整流器的投资成本和损耗成本；

步骤8，对网络中各元件可靠性进行评估，计算网络各组成部分因故障造成的各负荷中断时间，并由此计算电能缺供ENS指数，计算可靠性成本；

步骤9，由步骤3至步骤7确定一组配置，计算成本函数和配置的适应度；所得结果若未达到收敛性判别准则，则通过遗传变异回到步骤3，若已达到判别准则即为最后一次迭代；

步骤10，最后一次迭代中的最佳配置即为混合交直流配电网中的最优规划；

所述步骤2中，通过染色体结构的第一行确定安装变电站的候选位置；通过染色体结构的第二行和第三行确定中压馈线最后一段的类型，该中压馈线为选定的变电站供电；通过染色体结构的第四行和第五行确定所选变电站低压侧的类型；

所述步骤8中，网络中每条线路段的故障率由下式确定：

其中，λ_i为第i个元件的故障率；L_j为第j个负载点的平均负荷；P_CM为线路区段上共模故障的百分比；

为常见的一个三相三线交流系统中压侧的单模故障率；

为关键导体指定数量；

所述步骤8中，第j个负载点的ENS指数由下式计算：

其中，ENS_j为第j个负载点的ENS指数；λ_i为第i个元件的故障率；r_i为第i个元件的折扣率；L_j为第j个负载点的平均负荷；N_com为元件数量；

所述步骤8中，可靠性成本由下式通过ENS指数确定：

式中，C_INT为可靠性成本；ENS_j为第j个负载点的ENS指数；CIC_j为第j个负载点的投资成本；N_L为负载点数量；

所述步骤9中，成本函数由以下三式确定：

C_INVESTMENT＝C_FMV+C_FLV+C_CON+C_S&F，

C_OPERATION＝C_INT+C_LOSS，

式中，OF为总成本；C_INVESTMENT为投资成本；C_OPERATION为运营成本；C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；C_CON为整流器投资成本；C_S&F为开关和熔断器的投资成本；C_INT为可靠性成本；C_LOSS为损耗成本。

2.根据权利要求1所述的混合交直流配电网综合规划方法，其特征在于：所述步骤6中保护装置的投资成本函数为：

C_S&F＝k_DC×(N_SEC×SECC+N_FUSE×FUSEC+N_CHSW×CHSWC)，

其中，C_S&F为开关和熔断器的投资成本；k_DC为成本系数；N_SEC为分段开关的数量；SECC为分段开关的投资成本；N_FUSE为熔断器数量；FUSEC为熔断器的投资成本；N_CHSW为转换开关的数量；CHSWC为转换开关的投资成本。

3.根据权利要求1所述的混合交直流配电网综合规划方法，其特征在于：所述步骤7中，中压馈线和低压馈线的成本函数由以下两式确定：

式中，C_FMV为中压馈线投资成本；C_FLV为低压馈线投资成本；MVIC_i为第i个中压组件的投资成本；LVIC_i为第i个低压组件的投资成本；Ni为第i段的导线的数量；di为第i段导体的长度；

为低压侧第i段导体类型投资成本；

为中压侧第i段导体类型投资成本；N_MV为中压组件的数量；N_LV为低压组件的数量。

4.根据权利要求1所述的混合交直流配电网综合规划方法，其特征在于：所述步骤7中，由馈线和整流器损耗组成的损耗成本由下式给出：

C_LOSS＝P_LOSS×EP，

式中，C_LOSS为损耗成本；P_LOSS为总能量损耗；EP为电能价格。

5.根据权利要求1所述的混合交直流配电网综合规划方法，其特征在于：所述步骤7中，所述的约束条件包括母线电压、馈电电流和变电站容量，母线电压应保持在标准水平，馈线电流和变电站容量应小于最大允许限，即需满足以下三个约束方程：

V_min≤V_bus≤V_max，

其中，V_min为最小母线电压限制；V_bus为母线电压；V_max为最大母线电压限制；S_SS为配电变电站容量；

为最大配电变电站容量；I_F为馈线容量；

为最大馈线容量。

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