CN110245799A - 考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法：输入配电网线路参数和建设运维成本信息；根据配电网线路参数和建设运维成本信息，建立规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的目标函数，以及配电网的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束；根据机会约束规划理论将电压偏差约束、电源节点有功功率约束和线路电流约束修改为考虑负荷柔性需求的机会约束；采用包含利用精英保留策略进行非支配排序的经典多目标算法对的目标函数和约束条件进行求解得到帕累托前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。本发明是兼顾可靠性与经济性的更优的组合方案。

Description

考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法

技术领域

本发明涉及一种多目标优化方法。特别是涉及一种适用于目标年网架结构确定情况下的中间过渡年网架规划的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法。

背景技术

配电网是电力网络中距离用户最近的部分，对其进行科学的优化规划，可以保证电网建设的合理性和电网运行的安全性和经济性，提高配电网供电质量。根据规划年份的差异，网架结构规划可以分为针对远景目标年的规划和针对中间过渡年的规划。其中，针对远景目标年的网架结构规划只涉及某一具体时间节点，但在空间上需要考虑各种网架建设的可能；而针对中间过渡年的网架结构规划为了避免重复建设和低效拆改，在空间上具有较少的待选方案集，但在时间上却会涉及了多个时间节点。即远景年的规划问题的优化目标是线路的空间信息，而针对过渡年的优化目标是时间信息。这两个问题的求解难度和解决问题重点都具有很大的差异性。

在配电网规划中，在中间年过渡过程中由于负荷节点的负荷受市政建设与经济发展等问题的影响，负荷实际上并不是一个确定的值，而是具有一定的弹性，即负荷节点具有柔性需求。而这柔性需求对规划过程中线路的选取有重大影响，在规划过程中考虑这一柔性需求对配电网规划的影响是很有意义的。随着社会生产的发展，用户对电力可靠性的要求日趋提高。因此在配电网网架规划中，通过增加联络线路建设双端供电网络以提高系统的供电可靠性，将经济性和可靠性同时作为优化目标，构建多目标的优化模型成为研究的新方向。

各节点负荷在中间年过渡过程中具有较强的不确定性，这种柔性的需求会影响配电网的线路规划方案；同时，用户对于供电可靠性的要求越来越高，仅以经济性为目标进行网架规划难以适应可靠性的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够兼顾可靠性与经济性的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，包括如下步骤：

1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息，其中，建设运维成本信息包括：单位网损成本、系统年最大负荷损耗小时数、线路投资单位成本、贴现率、维护费用比例、线路寿命周期、线路剩余价值系数、规划周期、用户数量、置信水平；

2)根据配电网线路参数和建设运维成本信息，建立规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的目标函数，以及配电网的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束；

3)根据机会约束规划理论将电压偏差约束、电源节点有功功率约束和线路电流约束修改为考虑负荷柔性需求的机会约束；

4)采用包含利用精英保留策略进行非支配排序的经典多目标算法对步骤2)和步骤3)中的目标函数和约束条件进行求解得到帕累托前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。

步骤2)所述的规划周期内总成本现值最小目标函数表示为：

min f₁＝C_I+C_L-C_S-C_R (1)

其中，C_I表示规划周期内线路建设投资费用现值；C_L表示线路运行和维护成本现值；C_S表示已到寿命周期的线路残值的现值；C_R表示规划阶段结束时线路的剩余价值的现值。

所述的规划周期内线路建设投资费用现值C_I、线路运行和维护成本现值C_L、已到寿命周期的线路残值的现值C_S和规划阶段结束时线路的剩余价值的现值C_R的计算公式分别如下：

C_L,k,i＝P_k,iτ_maxC_c (5)

C_R＝C_I,iα_iP_v3 (9)

其中，N表示规划的阶段数；k表示规划的第k阶段；i表示第i条线路；f(k)表示第k阶段的新建线路集；C_I,i表示第i条线路的投资费用，等于线路长度乘以单位长度的线路建设投资成本；f’(k)表示第k阶段重建线路集；P_v1,k表示第k阶段第一年年初投资费用的现值折算系数；r为贴现率；b(k)表示第k阶段前系统运行的年限和；u(k)表示第k阶段已建线路集；C_L,k,i表示第k阶段第i条线路运行成本年均值；C’_L,k,i表示第k阶段第i条线路运行成本年均值；P_v,sum,k,i表示第k阶段年均值的折现系数；C_I,i表示第i条线路的投资费用；λ_i表示维护费用比例；P_k,i表示第k阶段第i条线路上的有功损耗，τ_max表示一年中的最大负荷损耗小时数，C_c表示单位网损费用；g(k,i)表示第k阶段第i条线路的运行年限和；s(k)表示第k阶段已到寿命周期拆除线路集；β_i表示第i条线路的残值比例；m(k,i)表示第i条线路在第k阶段运行的年限和；α_i表示线路i剩余价值系数，P_v3表示剩余价值折现系数；β_i表示线路i的残值比例；life_i表示线路i的寿命周期；life_i,r表示线路i到达规划末期剩余寿命年限；T表示整个规划周期持续时间年限和。

步骤2)所述的系统平均供电不可用率最小的目标函数表示为：

min f₂＝R_ASUI (12)

其中，R_AUSI表示系统平均供电不可用率，μ_j表示负荷节点j的平均停电时间，N_j表示负荷节点j的用户数，n表示配电网节点数量。

步骤2)所述的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束分别表示如下：

(1)电压偏差约束

U_j,min≤U_j≤U_j,max (14)

其中，U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；

(2)电源节点有功功率约束

P_L,j≤P_L,j,max (15)

其中，P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；

(3)线路电流约束

I_z≤I_z,max (16)

其中，I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流；

(4)连通性约束

系统中不应存在孤岛，对于各个规划阶段内，所有负荷节点都要有线路连接到电源节点。

步骤3)所述的考虑负荷柔性需求的机会约束表示如下：

P_r{U_j,min≤U_j≤U_j,max}≥α_u (17)

P_r{P_L,j≤P_L,j,max}≥α_p (18)

P_r{I_z≤I_z,max}≥α_l (19)

P_r表示约束成立的概率，α_u、α_p、α_l分别表示电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束的置信水平；U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流。

步骤4)包括：

(1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息；初始令t＝0，随机产生规划方案的初始种群A；

(2)确定初始种群A中所有规划方案的各个阶段配电网新建线路与重建线路，根据配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束检验初始种群A中所有规划方案，淘汰不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，更新初始种群A；计算出规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的两个目标函数，交叉变异生成子代种群B；

(3)淘汰子代种群B中不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，合并更新后的初始种群A和子代种群B，并计算所述的两个目标函数，采用精英保留策略进行非支配排序，选取前N个个体产生子代种群，并判断迭代是否达到最大次数，若未达到最大次数，则令t＝t+1，返回第(2)步；若迭代已经达到最大次数，则进入下一步；

(4)将最后一次迭代得到的前N个个体组成帕累托前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。

本发明的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，考虑负荷柔性需求的配电网网络结构过渡规划模型，利用机会约束规划应对负荷的不确定性，将经济性与可靠性同时作为优化目标，并利用带精英策略的非支配排序遗传算法求解多目标的优化模型，找到最优的规划方案。因此，本发明是兼顾可靠性与经济性的更优的组合方案。

附图说明

图1是本发明考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法的流程图；

图2是配电网初始网架结构图；

图3是目标年配电网网架结构图；

图4是根据NSGA-2算法得到的帕累托前沿。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，包括如下步骤：

1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息，其中，建设运维成本信息包括：单位网损成本、系统年最大负荷损耗小时数、线路投资单位成本、贴现率、维护费用比例、线路寿命周期、线路剩余价值系数、规划周期、用户数量、置信水平；

2)根据配电网线路参数和建设运维成本信息，建立规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的目标函数，以及配电网的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束；其中，

所述的规划周期内总成本现值最小目标函数表示为：

min f₁＝C_I+C_L-C_S-C_R (1)

其中，C_I表示规划周期内线路建设投资费用现值；C_L表示线路运行和维护成本现值；C_S表示已到寿命周期的线路残值的现值；C_R表示规划阶段结束时线路的剩余价值的现值。

所述的规划周期内线路建设投资费用现值C_I、线路运行和维护成本现值C_L、已到寿命周期的线路残值的现值C_S和规划阶段结束时线路的剩余价值的现值C_R的计算公式分别如下：

C_L,k,i＝P_k,iτ_maxC_c (5)

C_R＝C_I,iα_iP_v3 (9)

其中，N表示规划的阶段数；k表示规划的第k阶段；i表示第i条线路；f(k)表示第k阶段的新建线路集；C_I,i表示第i条线路的投资费用，等于线路长度乘以单位长度的线路建设投资成本；f’(k)表示第k阶段重建线路集；P_v1,k表示第k阶段第一年年初投资费用的现值折算系数；r为贴现率；b(k)表示第k阶段前系统运行的年限和；u(k)表示第k阶段已建线路集；C_L,k,i表示第k阶段第i条线路(上一阶段以建设完成)运行成本年均值；C’_L,k,i表示第k阶段第i条线路(本阶段内建设完成)运行成本年均值；P_v,sum,k,i表示第k阶段年均值的折现系数；C_I,i表示第i条线路的投资费用；λ_i表示维护费用比例；P_k,i表示第k阶段第i条线路上的有功损耗，τ_max表示一年中的最大负荷损耗小时数，C_c表示单位网损费用；g(k,i)表示第k阶段第i条线路的运行年限和；s(k)表示第k阶段已到寿命周期拆除线路集；β_i表示第i条线路的残值比例；m(k,i)表示第i条线路在第k阶段运行的年限和；α_i表示线路i剩余价值系数，P_v3表示剩余价值折现系数；β_i表示线路i的残值比例；life_i表示线路i的寿命周期；life_i,r表示线路i到达规划末期剩余寿命年限；T表示整个规划周期持续时间年限和。

所述的系统平均供电不可用率最小的目标函数表示为：

min f₂＝R_ASUI (12)

其中，R_AUSI表示系统平均供电不可用率，μ_j表示负荷节点j的平均停电时间，N_j表示负荷节点j的用户数，n表示配电网节点数量。

所述的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束分别表示如下：

(1)电压偏差约束

U_j,min≤U_j≤U_j,max (14)

其中，U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；

(2)电源节点有功功率约束

P_L,j≤P_L,j,max (15)

其中，P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；

(3)线路电流约束

I_z≤I_z,max (16)

其中，I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流；

(4)连通性约束

系统中不应存在孤岛，对于各个规划阶段内，所有负荷节点都要有线路连接到电源节点。

3)在实际情况中负荷节点的负荷并不是一个确定的值，受各种因素的影响，节点的负荷值是变化的，由于各个负荷节点的负荷均服从正态随机分布，且各个负荷节点之间的关系是相互独立，互不影响。机会约束规划主要适用于约束条件中含有随机变量，且决策的做出必须在随机变量实现之前完成的优化问题。考虑到所做出的相关决策在某些较为极端的场景中可能超出约束条件范围，不满足约束条件，而这些极端场景出现的概率却很低，为避免因为此类不确定性问题导致的优化方案过于保守(如为满足某一极端场景，造成投资成本过高)的问题,机会约束规划的方法允许所做的决策在一定程度上(某些极端场景下)能够不满足约束条件，但该决策必须在一定置信水平下满足约束条件，即对于大多数可能出现的场景，该决策都能够满足约束条件。因此，根据机会约束规划理论将电压偏差约束、电源节点有功功率约束和线路电流约束修改为考虑负荷柔性需求的机会约束；所述的考虑负荷柔性需求的机会约束表示如下：

P_r{U_j,min≤U_j≤U_j,max}≥α_u (17)

P_r{P_L,j≤P_L,j,max}≥α_p (18)

P_r{I_z≤I_z,max}≥α_l (19)

P_r表示约束成立的概率，α_u、α_p、α_l分别表示电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束的置信水平；U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流。

4)采用包含利用精英保留策略进行非支配排序的经典多目标算法(NSGA-2)对步骤2)和步骤3)中的目标函数和约束条件进行求解得到帕累托(Pareto)前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。包括：

(1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息；初始令t＝0，随机产生规划方案的初始种群A；

(2)确定初始种群A中所有规划方案的各个阶段配电网新建线路与重建线路，根据配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束检验初始种群A中所有规划方案，淘汰不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，更新初始种群A；计算出规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的两个目标函数，交叉变异生成子代种群B；

(3)淘汰子代种群B中不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，合并更新后的初始种群A和子代种群B，并计算所述的两个目标函数，采用精英保留策略进行非支配排序，选取前N个个体产生子代种群，并判断迭代是否达到最大次数，若未达到最大次数，则令t＝t+1，返回第(2)步；若迭代已经达到最大次数，则进入下一步；

(4)将最后一次迭代得到的前N个个体组成帕累托(Pareto)前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。

Claims (7)

1.一种考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息，其中，建设运维成本信息包括：单位网损成本、系统年最大负荷损耗小时数、线路投资单位成本、贴现率、维护费用比例、线路寿命周期、线路剩余价值系数、规划周期、用户数量、置信水平；

2)根据配电网线路参数和建设运维成本信息，建立规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的目标函数，以及配电网的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束；

3)根据机会约束规划理论将电压偏差约束、电源节点有功功率约束和线路电流约束修改为考虑负荷柔性需求的机会约束；

4)采用包含利用精英保留策略进行非支配排序的经典多目标算法对步骤2)和步骤3)中的目标函数和约束条件进行求解得到帕累托前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。

2.根据权利要求1所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，步骤2)所述的规划周期内总成本现值最小目标函数表示为：

min f₁＝C_I+C_L-C_S-C_R (1)

其中，C_I表示规划周期内线路建设投资费用现值；C_L表示线路运行和维护成本现值；C_S表示已到寿命周期的线路残值的现值；C_R表示规划阶段结束时线路的剩余价值的现值。

3.根据权利要求2所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，所述的规划周期内线路建设投资费用现值C_I、线路运行和维护成本现值C_L、已到寿命周期的线路残值的现值C_S和规划阶段结束时线路的剩余价值的现值C_R的计算公式分别如下：

C_L,k,i＝P_k,iτ_maxC_c (5)

C_R＝C_I,iα_iP_v3 (9)

其中，N表示规划的阶段数；k表示规划的第k阶段；i表示第i条线路；f(k)表示第k阶段的新建线路集；C_I,i表示第i条线路的投资费用，等于线路长度乘以单位长度的线路建设投资成本；f’(k)表示第k阶段重建线路集；P_v1,k表示第k阶段第一年年初投资费用的现值折算系数；r为贴现率；b(k)表示第k阶段前系统运行的年限和；u(k)表示第k阶段已建线路集；C_L,k,i表示第k阶段第i条线路运行成本年均值；C’_L,k,i表示第k阶段第i条线路运行成本年均值；P_v,sum,k,i表示第k阶段年均值的折现系数；C_I,i表示第i条线路的投资费用；λ_i表示维护费用比例；P_k,i表示第k阶段第i条线路上的有功损耗，τ_max表示一年中的最大负荷损耗小时数，C_c表示单位网损费用；g(k,i)表示第k阶段第i条线路的运行年限和；s(k)表示第k阶段已到寿命周期拆除线路集；β_i表示第i条线路的残值比例；m(k,i)表示第i条线路在第k阶段运行的年限和；α_i表示线路i剩余价值系数，P_v3表示剩余价值折现系数；β_i表示线路i的残值比例；life_i表示线路i的寿命周期；life_i,r表示线路i到达规划末期剩余寿命年限；T表示整个规划周期持续时间年限和。

4.根据权利要求1所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，步骤2)所述的系统平均供电不可用率最小的目标函数表示为：

min f₂＝R_ASUI (12)

其中，R_AUSI表示系统平均供电不可用率，μ_j表示负荷节点j的平均停电时间，N_j表示负荷节点j的用户数，n表示配电网节点数量。

5.根据权利要求1所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，步骤2)所述的电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束和连通性约束分别表示如下：

(1)电压偏差约束

U_j,min≤U_j≤U_j,max (14)

其中，U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；

(2)电源节点有功功率约束

P_L,j≤P_L,j,max (15)

其中，P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；

(3)线路电流约束

I_z≤I_z,max (16)

其中，I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流；

(4)连通性约束

系统中不应存在孤岛，对于各个规划阶段内，所有负荷节点都要有线路连接到电源节点。

6.根据权利要求1所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，步骤3)所述的考虑负荷柔性需求的机会约束表示如下：

P_r{U_j,min≤U_j≤U_j,max}≥α_u (17)

P_r{P_L,j≤P_L,j,max}≥α_p (18)

P_r{I_z≤I_z,max}≥α_l (19)

P_r表示约束成立的概率，α_u、α_p、α_l分别表示电压偏差约束、电源节点有功功率约束、线路电流约束的置信水平；U_j表示系统中节点j的电压值，U_j,min和U_j,max分别表示节点j电压允许的下限和上限；P_L,i表示由电源节点j供电的所有负荷节点的有功功率之和，P_L,j,max表示电源节点j的所允许的最大有功出力；I_z表示流过线路z的电流，I_z,max表示线路z所允许的最大电流。

7.根据权利要求1所述的考虑负荷柔性需求的配电网架结构过渡的多目标规划方法，其特征在于，步骤4)包括：

(1)输入配电网线路参数和建设运维成本信息；初始令t＝0，随机产生规划方案的初始种群A；

(2)确定初始种群A中所有规划方案的各个阶段配电网新建线路与重建线路，根据配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束检验初始种群A中所有规划方案，淘汰不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，更新初始种群A；计算出规划周期内总成本现值最小和系统平均供电不可用率最小的两个目标函数，交叉变异生成子代种群B；

(3)淘汰子代种群B中不满足配电网连通性约束和考虑负荷柔性需求的机会约束的个体，合并更新后的初始种群A和子代种群B，并计算所述的两个目标函数，采用精英保留策略进行非支配排序，选取前N个个体产生子代种群，并判断迭代是否达到最大次数，若未达到最大次数，则令t＝t+1，返回第(2)步；若迭代已经达到最大次数，则进入下一步；

(4)将最后一次迭代得到的前N个个体组成帕累托前沿，再利用TOPSIS对帕累托前沿中的个体进行排序，得到问题的最优解。