CN110569555B - 基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，采用Matlab软件作为运行平台，具体步骤包括：步骤1、开展规划前提工作，深入现场、现状和规划站点站址调研，搜集资料、采集信息；确定所述配电网过渡方案三层规划模型的边界，用于建模和规划需要；步骤2、创建并计算上层规划模型；步骤3、创建并计算中层规划模型；步骤4、创建并计算下层规划模型；步骤5、整合过渡网架方案；建立规划阶段的过渡网架规划方案。本发明可为过渡网架规划提供科学高效、合理有序的规划流程，促进规模日益庞大、要素日益复杂的配电网网架实现向目标网架的安全可靠、经济合理过渡。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助配电网规划技术领域，特别涉及基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法。
背景技术
配电网规划精益化水平不断提升，科学高效的配电网过渡网架方案规划日益重要。配电网过渡方案规划的总体原则是：在现状网架的基础上，基于负荷预测结果，配合开发与建设时序，一方面采取针对薄弱环节的临时或根本性补强措施，另一方面结合远景网架接线方案设计不同阶段的接线形式，最终实现逐步向远景目标网架过渡。如何协调现状网架问题的改造与远景目标网架的建设，避免站点或线路大规模重复建设或拆除，提出优化配置、节约成本、省时高效的过渡网架规划方案，是一个受多元因素影响的复杂实际问题。
对于因负荷增长、历史网架规划不合理、区域内配置变电站容量不足造成站点重过载问题突出的配电网，过渡网架的规划在保证安全、稳定、可靠原则的基础上，不仅要满足近期负荷发展的需求，更要与远景目标网架尽量贴合，避免线路或站点资源浪费。
行之有效的配电网过渡方案规划模型一方面能够适应近期负荷增长的需要，缓解或优化电网内站点的重过载问题，满足基本的安全、可靠供电的需求；另一方面有利于实现逐步向目标网架过渡，节约未来因线路或站点弃置造成的成本和资源浪费，提升经济性。
而在实际应用中，现状网架站点重过载为主要改造目标和优化思路，无法考虑多种影响因素和分层分区的实际规划需要。
现有技术中设计过渡网架方案缺乏可行的规划流程，易于造成过渡方案考虑因素不够全面、缺乏合理依据、重复拆建线路或站点造成投资浪费问题。采用Matlab计算机软件辅助规划，计算优化模型，不仅能为过渡网架规划提供合理的量化依据，而且能够有效地弥补一定的主观性造成的不足，将成为辅助规划人员提升过渡网架规划精益化水平的有效工具。
但是，目前利用Matlab辅助配电网过渡网架规划实例较为缺乏，在实际应用中结合优化方法开展规划尚存在一定的技术瓶颈和应用空白。
因此，如何运用如Matlab等软件，实现计算机辅助配电网规划成为本领域技术人员有待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，实现的目的是籍由Matlab软件针对因负荷增长和历史网架规划不合理造成站点重过载问题突出的配电网网络，以解决现状网架站点重过载为主要改造目标和优化思路，考虑多种影响因素和分层分区的实际规划需要，建立起以负荷割接、运行方式优化和局部站点改造三类实际调节手段为主要降载方式的三层规划模型。
为实现上述目的，本发明公开了基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，采用Matlab软件作为运行平台，具体步骤如下：
步骤1、开展规划前提工作，深入现场、现状和规划站点站址调研，搜集资料、采集信息；确定所述配电网过渡方案三层规划模型的边界，用于建模和规划需要；
步骤2、创建并计算上层规划模型；
步骤3、创建并计算中层规划模型；
步骤4、创建并计算下层规划模型；
步骤5、整合过渡网架方案；操作人员记录、整理并整合所述上层规划模型计算得出的新建站点接入方案与割接方案、所述中层规划模型计算得出的运行方式调整方案和所述下层规划模型计算得出的站点改造与设备配置方案，共同构成规划阶段的过渡网架规划方案。
优选的，在所述步骤1中，所述边界包括：过渡方案规划的基本要求；配电网现状网架站点信息、连接关系、远景目标网架的规划廊道、线路的回数、新建站点开发时序远景目标网架规划方案；规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料；每一站点当前的带载情况；区域电网负荷预测结果、负荷中心位置信息资料；正常运行方式下网架站点间与站点内的开关组合；移动变电站、储能电站、主变电站的扩建成本与自身特性和参数；每一所述站点的扩建条件；按照当地经济发展的实际状况选取用于工程实际上常用的折现率。
优选的，在所述步骤2中，所述创建并计算所述上层规划模型包括如下子步骤：
步骤2.1、创建所述上层规划模型的目标函数文件；上层规划模型的目标函数如式(1)所示：
在式(1)中：
C是新建总成本，是上层规划模型优化目标，通过计算得出，无需输入；
t为规划阶段，共包括T个规划阶段，根据过渡方案规划的基本要求确定规划时间期限；
Φ为包括现状站和新建站构成的集合，根据配电网现状网架站点信息确定；
i为区分规划网架线路的序号，表示第i条线路；
Ci为网架中第i条线路的建设成本，根据线路的建设成本确定；
xi为第i条线路所在廊道规划线路建设的回数，是待求变量，通过计算得出，无需输入；
xj为与站点j相连线路规划建设的回数，是待求变量，通过xi的组合与计算得出，无需输入；
r为折现率，通过步骤1中搜集资料确定参数边界；
运行Matlab程序，打开主界面，选择新建-函数，打开一个空白的“function”编程界面，将各类参数按照与步骤1中收得的数据对应，编写如式(1)所示的目标函数表达式；将创建号的文件命名并保存；
步骤2.2、创建所述上层规划模型的约束条件文件；所述上层规划模型的约束条件如式(2)至式(5)所示：
xi(xi-1)(xi-2)＝0 (2)
f(x)＝1 (3)
式(2)为待求变量xi需满足的约束条件，规定线路回数只能取1或2或0之中的值，无需输入其他外部参数；
在式(3)中，函数f是判断网架结构中各点是否连通的函数，x是依据所有xi计算结果构成的集合，用以反映站点的连接关系，作为输入结合连通性函数判断后输出连通性结果；x是计算过程中不断迭代更新的过程变量，无需外部输入；
在式(4)中，Nl是远景目标网架规定的某一廊道上的线路回数，通过步骤1搜集资料得到的远景目标网架的规划廊道、线路的回数方案确定；
式(5)描述各站点的可靠性约束，其中NE是为满足可靠性要求，第i条线路上的回路数；对于不同类型的站点，可靠性要求不同，NE根据需要取不同的值；对于新建两台主变压器构成链式接线形式的站点，进出线路回数为2；对于有特殊要求的规划场景，应结合过渡方案规划的基本要求确定NE的取值；
在Matlab程序中，选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，编写如式(2)至式(5)所示的约束条件表达式；
约束条件包含等式约束和不等式约束两类，在编写约束条件函数时因设置两个数组，分别对应各等式约束式的计算结果和各不等式约束式的计算结果，包括式(2)、式(3)在内的等式约束的计算结果数组中的元素均等于0，式(4)和式(5)为不包括等式约束的计算结果数组中的元素均小于0；将创建好的文件命名并保存；
步骤2.3、调用Matlab程序中的优化工具箱计算所述上层规划模型；
在Matlab软件的“Command Window”窗口界面键入“-optimtool”命令，运行优化工具箱，选择计算选项中遗传算法工具箱中的“ga”算法，在相应的目标函数和非线性约束对应输入窗口分别输入上述的目标函数和约束条件“function”文件句柄，即输入@加上函数名，然后，在“Fitness function”输入窗口中输入所述上层规划模型目标函数的句柄，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述上层规划模型约束条件的句柄；
根据算例实际情况配置变量数量与遗传算法算法配置参数，无特殊计算要求时，按照工具箱中缺省的默认配置运行即可，无需单独设置或调整计算参数；点击“start”按钮运行优化工具箱；
将计算得出的优化结果输出并保存至工作空间“workspace”，需要点选“File-Export to workspace”，勾选“Export results to a MATLAB structure named”选项并为变量命名，即得到上层规划模型的计算结果；该计算结果描述各线路廊道上建设线路的回数和新建站点的接入方案；
步骤2.4、按照接入系统方案将现状站点负荷向新建站点割接；根据将现状重过载站点的负荷向同一地块内的新建站点割接。
更优选的，在所述步骤2.4中，割接方式和割接比例包括以下两个方面：
2.4.1、将现状站点一定比例的负荷割接给同一电压级新建站；根据现状的重过载站点周边是否有同电压级新建站点，割接负荷的线路走向是否方便，若有割接条件，则根据所述割接条件进行割接；
其中，割接比例按照下述方式确定：结合实际规划需要、新建站点与地块负荷中心的地理位置关系确定，越靠近比例取值越大；若无明确取值依据的，在规划阶段按照30％取值，并结合实际情况上下浮动；
2.4.2、将现状站点一定比例的负荷割接给更高电压级新建站；或者，将现状线路改接至新建站点；割接时需要分析新建站点相对现状站点已有出线的地理位置关系，割接处于或邻近新建站点方向上线路所带的负荷；
其中，割接比例即为方便割接至新建站点的现状站点出线所带负荷的总和；若低电压级的出线资料、带载情况尚不完善的，按照新建站点方向上的出线回路数占站点的总出线数确定负荷割接比例。
优选的，在所述步骤3中，创建并计算所述中层规划模型包括如下子步骤：
步骤3.1、创建中层规划模型目标函数文件；所述中层规划模型的目标函数如式(6)所示：
在式(6)中，η为站点总负载率，是中层规划模型优化目标，通过优化计算得出结果；
ηj是在对应运行方式下的站点j的负载率计算值；
首先，应明确经过上层规划模型优化后的站点带载情况，再优化过程中规划范围内的站点所带的总负荷不变的前提下，通过优化计算站点内和站点间的开关状态组合，使得负荷在站点间分配；
对于每一次迭代过程，对应一种开关组合状态，得到相应的站点带载情况，站点的负载率也相应变化；
计算所述中层规划模型即确定各规划阶段考虑新建站点的运行方式和网架内的开关组合，形如中层规划模型的优化模型是一个0-1规划模型；结合在所述步骤1搜集的资料和数据，在Matlab软件中编写如式(6)的模型函数文件；
运行Matlab软件，打开主界面；选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，按照式(6)形式键入函数表达式；
步骤3.2、创建中层规划模型约束条件文件；所述中层规划模型的约束条件如式(7)和式(8)所示：
Umin≤U≤Umax (7)
S≤Smax (8)
式(7)、(8)为约束条件，U是站点电压，Umin和Umax分别是站点允许的电压下限和电压上限，规划计算阶段取值为0.95和1.05；
S是线路上通过的潮流，Smax是线路上允许通过潮流的上限，需根据规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料确定，具体为结合载流量和电压级相乘计算取值；
在计算潮流分布的过程中，还涉及到配电网现状网架站点信息、连接关系、远景目标网架的规划廊道、线路的回数、新建站点开发时序远景目标网架规划方案信息，以及需结合规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料确定线路阻抗参数；
在Matlab软件主界面选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，编写如式(7)和式(8)所示的约束条件表达式；
式(7)、式(8)描述系统的潮流和电压不能越限；
无需对所有线路和站点逐一检验，只需保证通过潮流最大和沿线路电压降落最多的站点的线路潮流和站点电压不越限即可；
将创建好的函数文件以开关状态为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出至数组中；将创建好的文件命名并保存；
步骤3.3、调用Matlab软件的优化工具箱计算所述中层规划模型；
需在“Fitness function”输入窗口中输入所述中层规划模型目标函数的句柄，在步骤3.1中保存的函数名，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述中层规划模型约束条件的句柄，在步骤3.2中保存的函数名。
步骤3.4、按照优化后的运行方式将站点的带载在站间分配；结合调整后的运行方式，确定此时正常运行方式下网架中线路的带电和不带电情况，确定与站点的上级电源点，将上级电源点发生变化的站点负载由原电源点转移至新电源点上。
更优选的，在所述步骤3.1中，为了简化规划过程，选用直流潮流的方式计算潮流，写出各重过载站点带载的显示表达式，用以表达站点优化运行方式后的带载情况，并将创建好的文件命名并保存。
优选的，在所述步骤4中，创建并计算所述下层规划模型包括如下子步骤：
步骤4.1、创建下层规划模型目标函数文件；所述下层规划模型的目标函数如式(9)、式(10)所示：
minC＝∑βcΔS (9)
在式(9)中，c为站点的改造成本，改造方式包括扩建主变、主变增容、加装移动变和配置储能装置四类；β是表征是否具备改造条件的标志，需结合移动变电站、储能电站、主变电站的扩建成本和每一所述站点的扩建条件调研搜集资料情况确定；ΔS是上述方式对应的新增容量，是优化变量，通过计算得出；
在式(10)中，η为站点经过改造后的负载率，是下层规划模型的另一项目标，Lmax是站点经过上层、中层规划模型优化后，在带载情况的最大负荷；
对于上述改造方式，扩建主变、主变增容、加装移动变都会引起站点变电容量增加，即式(10)的分母增大，降低负载率；
在配置储能后，由于具有的削峰填谷作用，能够削减峰值负荷，即削减的部分为ΔL，采取这一方式后能减小式(10)的分子，降低负载率；
ΔL是配置储能后最大负荷的削减量，且该值与站点负荷特性与配置储能容量相关；
创建好的函数文件以实施各类改造扩建方案的新增容量为输入参数，输出结果为改造扩建成本与优化后的负载率之和；并将创建好的文件命名为并保存；
步骤4.2、创建所述下层规划模型约束条件文件；下层规划模型的约束条件如式(11)所示：
ΔS≤βΔSmax (11)
式(11)表示采取上述方式时理论上都存在容量配置或新增的上限；
在Matlab软件主界面选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，创建好的函数文件以采取上述各类改造条件的新增容量为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出，并将创建好的文件命名并保存；
步骤4.3、调用Matlab软件的优化工具箱计算所述下层规划模型；
需在“Fitness function”输入窗口中输入所述中层规划模型目标函数的句柄，在步骤4.1中保存的函数名，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述中层规划模型约束条件的句柄，在步骤4.2中保存的函数名。
更优选的，在步骤4.1中，对于每个站点，结合负荷特性曲线和储能设备的充放电策略，即在一日中按照荷峰时发电、荷谷时充电的策略运行；或满足一定周期内的充电量需于放电量的约束；充放电的最大功率不能大于充放电功率的上限，配置一定容量削减负荷峰值的部分是确定的；
削减的部分应结合储能设备的厂家资料、运行策略、充放电特性资料综合考虑确定；
需要结合各站点的历史负荷特性和预先设置的储能出力策略可确定储能配置后的重过载缓解成效，及配置储能容量与负载率下降存在明确的对应关系，将这种配置储能容量与负载率下降量之间的对应关系作为已知的输入边界之一用于模型优化，即预先确定对于每座站点，输入储能配置容量，输出负荷峰值削减量的对应关系；
对于负荷波动明显，峰谷差较大的站点，充电时段足够长的，可以按照最大功率的一定比例设置削峰负荷的水平；
对于负荷波动不太明显的站点，由于可用于充电量的时段有限，引起负荷峰值时的放电也受限。
更优选的，在步骤4.1中，所述下层规划模型涉及了多个优化目标，需根据实际规划需要设置一定的优化权重，再将优化目标与对应权重相乘相加，转化为单目标优化模型；
在设置权重时，需主要优化目标的计算量纲，即式(9)计算改造成本和式(10)计算负载率，取式(9)前的权重为式(10)前权重的1/1000；在此情况下，视作两项优化目标处于同等地位。
本发明的有益效果：
本发明针对因负荷增长和历史网架规划不合理造成站点重过载问题突出的配电网网络，以解决现状网架站点重过载为主要改造目标和优化思路，考虑多种影响因素和分层分区的实际规划需要，建立起以负荷割接、运行方式优化和局部站点改造三类实际调节手段为主要降载方式的三层规划模型。
本发明可为过渡网架规划提供科学高效、合理有序的规划流程，促进规模日益庞大、要素日益复杂的配电网网架实现向目标网架的安全可靠、经济合理过渡，为不断提升我国配电网规划的精益化水平起到有益的引领作用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的流程图。
图2示出本发明一实施例的算例系统现状接线和规划接线示意图。
图3示出本发明一实施例的算例系统现状运行方式示意图。
图4示出本发明一实施例的上层规划模型MatlabR2016a主界面示意图。
图5示出本发明一实施例的上层规划模型目标函数编写界面示意图。
图6示出本发明一实施例的上层规划模型约束条件编写界面示意图。
图7示出本发明一实施例的上层规划模型优化计算工具箱配置示意图。
图8示出本发明一实施例的上层规划模型优化计算结果示意图。
图9示出本发明一实施例的上层规划模型输出结果导出窗口示意图。
图10示出本发明一实施例的中层规划模型目标函数编写界面示意图。
图11示出本发明一实施例的中层规划模型约束条件编写界面示意图。
图12示出本发明一实施例的中层规划模型优化计算工具箱配置示意图。
图13示出本发明一实施例的下层规划模型目标函数编写界面示意图。
图14示出本发明一实施例的下层规划模型约束条件编写界面示意图。
图15示出本发明一实施例的下层规划模型优化计算工具箱配置示意图。
图16示出本发明一实施例的三层模型规划成效示意图。
具体实施方式
如图2所示的某配电网，采用如图1所示的流程，在Matlab R2016b环境中应用本发明，作为具体实施方式示例。
步骤1：确定模型边界
开展规划前提工作，深入现场、现状和规划站点站址调研，搜集资料、采集信息。需要搜集的资料包括以下方面：
过渡方案规划的基本要求；配电网现状网架站点信息、连接关系、远景目标网架的规划廊道、线路的回数、新建站点开发时序远景目标网架规划方案；规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料；每一站点当前的带载情况；区域电网负荷预测结果、负荷中心位置信息资料；正常运行方式下网架站点间与站点内的开关组合；移动变电站、储能电站、主变电站的扩建成本与自身特性和参数；每一所述站点的扩建条件；折现率。
步骤2：上层规划模型创建与计算
上层规划模型的创建与计算包括如下子步骤：
1、创建上层规划模型目标函数文件
首先结合步骤1搜集的资料和数据等在Matlab中编写如式(1)所示的模型函数文件。运行MatlabR2016a，打开主界面，如图3和图4所示。
选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面，编写如式(1)所示的目标函数表达式。
如图2所示，本例共含3个现状站点(其中2个为上级电源点)，2座规划站点，待规划的目标网架廊道共有3条，每条廊道上有2回待规划线路，因此在本例中，共包括3个待优化的变量x1,x2,x3，分别对应在廊道I(1号站至5号站)、廊道II(5号站至6号站)和廊道III(2号站至6号站)上新建线路的回数。
根据规划要求，在本例中仅考虑一个规划阶段，T取为1；根据工程实际的应用情况，折现率r取为7％。
新建线路的成本根据远景规划方案中提取出的线路长度和线路单位长度造价估计。在本例中，单位长度线路的造价取为800万元/千米，本例中相邻两站间线路的长度参数均取5千米。将表中的线路长度与线路造价对应相乘，得到各廊道上新建一回线路的投资成本，本例中新建单回线路的成本均为4000万元。
至此已得到式(1)所需的全部输入边界，可在打开的空白fucntion文件界面按照式(1)键入函数表达式，如图5所示。
创建好的函数文件以规划廊道上新建线路的回数x1,x2,x3为输入参数，输出结果为新建网架的规划成本。将创建好的文件命名为“mytarget1.m”文件并保存。
2、创建上层规划模型约束条件文件
选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面，编写如式(2)至式(5)所示的约束条件表达式。
约束条件包含两类，分别是变量(本例中为x1,x2,x3)需满足的等式约束(式(2)、式(3))和不等式约束(式(4)、式(5))。
式(2)描述待优化变量的取值不能超过远景规划方案中各廊道的线路回数，通常只能在0回至3回中取整数值。对于本实施例，x1,x2,x3只能取0、1、2之间的值。按式(2)所示的形式编写函数计算表达式，即要求该式的计算结果为0。
式(3)描述的是待优化变量需满足的连通性约束。即新建站点均需连入系统，不允许其成为孤立节点。可以考虑采用连通性的判断工具判断连通性结果。现有的连通性判断工具有很多，不属于本发明的范畴。在本实施例中，三条廊道中不允许有两条及以上廊道上只新建一回线路，否则新建站点即存在未连入系统的情况。因此在本实施例中可对式(3)合理转化，将该约束式改写为x1x2+x1x3+x2x3＞0的形式。经过转化后式(3)变为了不等式约束。
式(4)描述的是待优化变量的取值不能超过远景目标网架上该廊道的线路回数。在本实施例中，x1,x2,x3的取值均不能超过2。为了符合Matlab描述不等式约束格式规范的形式，将式(4)写为x1-3＜0，x2-3＜0和x3-3＜0的形式。
式(5)描述的待优化变量的取值(即新建站点的进出线回数)需满足的可靠性约束。在本实施例中，根据规划要求，为保证基本的可靠性，与新建站点相连的线路回数应至少为2回。对于5号站而言，其进出线回数为x1+x2；对于6号站而言，其进出线回数为x2+x3。因此在本实施例中式(5)的形式应写为：x1+x2-1＞0，x2+x3-1＞0。
创建好的函数文件以规划廊道上新建线路的回数x1,x2,x3为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出至c和ceq矩阵中。如图6所示，将创建好的文件命名为“myconstraint1.m”文件并保存。
3、调用优化工具箱计算上层规划模型
在Matlab软件的Command Window窗口界面键入“-optimtool”命令，运行优化工具箱，选择计算选项中遗传算法工具箱中的ga算法，在相应的目标函数和非线性约束对应输入窗口分别输入上述的目标函数和约束条件“function”文件句柄(即输入@加上函数名)：在Fitness function输入窗口中输入@mytarget1，在Nonlinear constraint function输入窗口中输入@myconstraint1，如图7所示。
根据算例实际情况配置变量数量与遗传算法算法配置参数，无特殊计算要求时，按照工具箱中缺省的默认配置运行即可，无需单独设置或调整计算参数；点击“start”按钮运行优化工具箱。待程序计算结束输出结果，如图8所示。
将计算得出的优化结果输出并保存至工作空间“workspace”，(点选File-Exportto workspace，勾选最下方Export results to a MATLAB structure named选项并为变量命名)即得到上层规划模型的计算结果，如图9所示。
该计算结果描述各线路廊道上建设线路的回数和新建站点的接入方案。计算结果为x1＝0.998，x2＝1.002，x3＝1.001。
4、按照接入系统方案将现状站点负荷向新建站点割接
在本实施例中，1号站的负载较重，新建的5号站具备割接1号站负荷的条件，且割接场景符合说明书中的第I类割接情形。1号站现状负载为28万千瓦，将30％负载(约9万千瓦)割接至5号站。现状3号站、4号站负载各为5万千瓦，割接场景负荷说明书中的第II类割接情形。按照5号站、6号站低压出线中在5号站、6号站出线方向上的线路条数站5号站、6号站总线路条数的比例(各10％)，将3号站、4号站负载适当向5号站、6号站割接。经过负荷割接后的站点带载情况如表1所示。
表1上层规划模型负荷割接结果示意
步骤3：中层规划模型创建与计算
中层规划模型的创建与计算包括如下子步骤：
1、创建中层规划模型目标函数文件
如图2所示，计算中层规划模型即确定各规划阶段考虑新建站点的运行方式和网架内的开关组合，形如中层规划模型的优化模型是一个0-1规划模型。
首先结合步骤1搜集的资料和数据等在Matlab中编写如式(6)所示的模型函数文件。运行MatlabR2016a，打开主界面。选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面。
中层规划模型优化目标为站点的负载率总和最低，通过优化计算得出结果。经过上层规划模型优化后、中层规划模型的站点的负载率输入情况如表2所示。
表2中层规划模型站点负载率输入参数示意
相较2号站，1号站仍然承担较高的负载，同时考虑到适应负荷发展的需要，同时优化并平衡站间的带载情况，采用中层规划模型计算。在任意两站间的线路上，在靠近站点侧均有开关，即任一线路上有两处开关。在站内的母线间也有母联开关或分段开关等。考虑到线路上任意一侧的开关打开都会引起线路不带电，因此将线路上的开关简化为一处。该开关闭合，则表示线路通电，否则不带电。同时在本实施例中，所有站内的分段开关均为闭合状态。由于调整运行方式是为了适应解决重过载问题的需要，本例暂不考虑网架中另一条线路链，即1号站至5号站、至6号站、至2号站的运行方式优化问题，仅针对1号站、至3号站、至4号站、至2号站的线路运行方式进行优化。经过上述分析，中层规划模型的优化变量包括1号站至3号站线路、3号站至4号站线路以及4号站至2号站线路开关状态，共3个变量。将其依次记为y1，y2，y3。对于开关状态变量，取值为1时表示开关闭合，线路通电；反之取0时表示开关打开，线路不通电。由图4可知，现状系统的运行方式为：y1＝1，y2＝1，y3＝0。
在本实施例中，3号站、4号站的负载率无法通过运行方式优化，只有1号站、2号站能够通过调整运行方式优化负载率。
首先写出用于计算站点运行方式优化后的带载情况、线路潮流、节点电压等内容的显示表达式。在规划阶段可采用直流潮流(线性化潮流)的方式，通过叠加节点注入功率的方式计算各条线路的潮流。
在本实施例中，共涉及三条线路，按照由1号站至2号站的顺序将各段线路依次记为线路1、线路2和线路3，三条线路的通断情况分别用y1,y2和y3表示。1号、2号站的带载情况为3号、4号站负载的组合。经过分析可将两站的带载情况写为如下所示形式：1号站带载为9+4.5y1y2(1-y3)+4.5y1(1-y3)，2号站带载为5+4.5y3y2(1-y1)+4.5y3(1-y1)。即本例中的站点3、4至某一侧电源点有通路，至另一侧电源点不存在通路时，该站点的负荷被通路侧的电源点所带。而式中计算所用的数据9、4.5等为中层规划模型的输入参数，已在表中示出，为站点自身所带的负荷。
因此，1号站、2号站的负载率可以计算为：
运行MatlabR2016a，打开主界面，打开的空白fucntion文件界面按照上式形式键入函数表达式。
创建好的函数文件以线路上的开关状态y1,y2,y3为输入参数，输出结果和优化目标为站点的总负载率。如图10所示，将创建好的文件命名为“mytarget2.m”文件并保存。
2、创建中层规划模型约束条件文件
选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面，编写如式(7)～式(8)所示的约束条件表达式。
式(7)、式(8)描述系统的潮流和电压不能越限。对于本实施例所述情况，无需对所有线路和站点逐一检验，只需保证通过潮流最大和沿线路电压降落最多的站点的线路潮流和站点电压不越限即可。线路潮流上限按照网架接线资料等将参数取为20万千瓦，站点电压的上下限为1.05,0.95。因此将式(7)、式(8)的约束式写为4.5y1+4.5y1y2＜20,5y3+5y3y2＜20以及
的计算结果小于0.05。式中，
S为站点负载(5万千瓦)，
为站点的功率因数正弦值(取0.05)，X利用单位长度线路阻抗参数(0.388)和线路长度(5千米)计算得出，UN为110kV。经计算线路的电压降为0.44％，不存在电压越限问题，因此在本实施例中也可不检验电压越限约束。
为了防止计算过程中出现所有线路全部断开的情况(即1号站、2号站将3、4号站负荷甩掉，此时负载率最低但不满足实际情况)，应保证站点1、2的带载总量等于总负荷需求，即：
4.5y1y2(1-y3)+4.5y1(1-y2)(1-y3)+4.5y3y2(1-y1)+4.5y3(1-y2)(1-y1)＝10
创建好的函数文件以线路上的开关状态y1,y2,y3为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出至c和ceq矩阵中。如图11所示，将创建好的文件命名为“myconstraint2.m”文件并保存。
3、调用优化工具箱计算中层规划模型
在Matlab软件的Command Window窗口界面键入“-optimtool”命令，运行优化工具箱，选择计算选项中遗传算法工具箱中的ga算法，在相应的目标函数和非线性约束对应输入窗口分别输入上述的目标函数和约束条件“function”文件句柄(即输入@加上函数名)：如图12所示，在Fitness function输入窗口中输入@mytarget2，在Nonlinear constraintfunction输入窗口中输入@myconstraint2。
根据算例实际情况配置变量数量与遗传算法算法配置参数，无特殊计算要求时，按照工具箱中缺省的默认配置运行即可，无需单独设置或调整计算参数；点击“start”按钮运行优化工具箱。待程序计算结束输出结果。将计算得出的优化结果输出并保存至工作空间“workspace”，(点选File-Export to workspace，勾选最下方Export results to aMATLAB structure named选项并为变量命名)即得到中层规划模型的计算结果。中层规划模型的计算结果为：y1＝0.0005，y2＝1，y3＝1.025。即将3号站、4号站的负载由1号站带改为由2号站带。
4、按照优化后的运行方式将站点的带载在站间分配
在本实施例中，经过中层规划模型的运行方式优化计算后，将3号站、4号站的负荷转移至2号站，经过该层模型优化后的站点带载情况如表3所述。
表3中层规划模型运行方式优化带载结果示意
| 站点编号 | 现状带载情况 | 优化后的带载情况 |
| 1号站 | 19万千瓦 | 9万千瓦 |
| 2号站 | 5万千瓦 | 15万千瓦 |
| 3号站 | 4.5万千瓦 | 4.5万千瓦 |
| 4号站 | 4.5万千瓦 | 4.5万千瓦 |
| 5号站 | 9.5万千瓦 | 9.5万千瓦 |
| 6号站 | 0.5万千瓦 | 0.5万千瓦 |
步骤4：下层规划模型创建与计算
1、创建下层规划模型目标函数文件
下层规划模型的优化变量式局部站点采取的扩建主变、主变增容、加装移动变和配置储能装置等措施的容量。
在本实施例中，经过上述两层优化后，尚需采取改造措施的站点为站点2。为了示意计算过程，以该站点具备加装移动变和配置储能的实施条件为例，认为该站点不具备扩建主变或主变增容的实施条件。
该层模型的优化变量包括2项，为在站点2加装移动变的容量和配置储能的容量，分别记为z1和z2。
移动变的加装成本按照4万元单位兆瓦容量计算，储能的配置成本按照10万元单位兆瓦容量计算。则目标函数中式(9)可以写为：
minC＝c1z1+c2z2＝4z1+10z2
加装移动变或配置储能后，站点的负载率能够进一步改善。结合所选储能的厂家资料和站点负荷特性分析，本例中配置单位兆瓦容量储能能够削减最大负荷的比例按照1.2％计算。因此目标函数中式(10)可以写为：
本实施例中涉及多个优化目标，按照选定权重的方式求取综合最优。考虑到成本计算后的数量级在三位数级别，而负载率优化后的计算值为0至1之间的数，为了使得两个优化目标权重基本相等，将负载率计算函数前的权重设置为1000，将优化目标写为上述两式求和：
可在打开的空白fucntion文件界面按照上式键入函数表达式。如图13所示，创建好的函数文件以加装移动变和配置储能的容量z1和z2为输入参数，输出结果为改造扩建成本与优化后的负载率之和。将创建好的文件命名为“mytarget3.m”文件并保存。
2、创建下层规划模型约束条件文件
式(11)表示采取上述方式时理论上都存在容量配置或新增的上限。本例中按照配置储能容量上限为50MW，加装移动变容量上限为31.5MW计算。选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面，创建好的函数文件以加装移动变和配置储能的容量z1和z2为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出至c和ceq矩阵中。如图14所示，将创建好的文件命名为“myconstraint3.m”文件并保存。
3、调用优化工具箱计算下层规划模型
在Matlab软件的Command Window窗口界面键入“-optimtool”命令，运行优化工具箱，选择计算选项中遗传算法工具箱中的ga算法，在相应的目标函数和非线性约束对应输入窗口分别输入上述的目标函数和约束条件“function”文件句柄(即输入@加上函数名)：如图15所示，在Fitness function输入窗口中输入@mytarget3，在Nonlinear constraintfunction输入窗口中输入@myconstraint3。
根据算例实际情况配置变量数量与遗传算法算法配置参数，无特殊计算要求时，按照工具箱中缺省的默认配置运行即可，无需单独设置或调整计算参数；点击“start”按钮运行优化工具箱。待程序计算结束输出结果。将计算得出的优化结果输出并保存至工作空间“workspace”，(点选File-Export to workspace，勾选最下方Export results to aMATLAB structure named选项并为变量命名)即得到下层规划模型的计算结果。该计算结果描述在该站点采取的加装移动变容量和配置储能的优化结果。
计算结果为：z1＝21.3202,z2＝3.6975e-9。即，优化后因储能的配置成本较高且削峰降载效果并不明显，因此推荐在节点处配置21MW左右的移动变，可结合实际库存情况等选用对应的移动变装置。
步骤5：整合过渡网架方案
整合上层规划模型计算得出的新建站点接入方案与割接方案、中层规划模型计算得出的运行方式调整方案和下层规划模型计算得出的站点改造与设备配置方案，可整理出包含规划阶段的开发时序、工程量、运行与实施方案和投资估算的工程台账，也即过渡网架规划方案结果。将本实施例计算得出的过渡方案汇总如下：
上层规划模型：新建1号站至5号站1回线路；新建5号站至6号站1回线路；新建6号站至2号站1回线路。并将现状站点负荷向新建站点割接，割接方案为：1号站割接9万千瓦负荷至5号站，3号、4号站各割接0.5万千瓦负荷至5号、6号站。
中层规划模型：中层规划模型调整现状运行方式，打开1号站至3号站方向上的开关，闭合2号站至4号站方向上的开关，将3号、4号站负载由1号站转移至2号站。
下层规划模型：在2号站配置约21MW容量的移动变。
经过对比采取上述方案后的站点负载率与现状负载率情况，验证了三层模型的有效性和实用性，如图16所示。由图可见，经过三层模型规划，不仅可优化站点的带载情况，还可平衡站间的负载率水平。整个规划过程借助计算机辅助实施，减少了主观性因素。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，其特征在于，采用Matlab软件作为运行平台，具体步骤如下：
步骤1、开展规划前提工作，深入现场、现状和规划站点站址调研，搜集资料、采集信息；确定所述配电网过渡方案三层规划模型的边界，用于建模和规划需要；
步骤2、创建并计算上层规划模型；
所述创建并计算所述上层规划模型包括如下子步骤：
步骤2.1、创建所述上层规划模型的目标函数文件；上层规划模型的目标函数如式(1)所示：
在式(1)中：
C是新建总成本，是上层规划模型优化目标，通过计算得出，无需输入；
t为规划阶段，共包括T个规划阶段，根据过渡方案规划的基本要求确定规划时间期限；
Φ为包括现状站和新建站构成的集合，根据配电网现状网架站点信息确定；
i为区分规划网架线路的序号，表示第i条线路；
Ci为网架中第i条线路的建设成本，根据线路的建设成本确定；
xi为第i条线路所在廊道规划线路建设的回数，是待求变量，通过计算得出，无需输入；
xj为与站点j相连线路规划建设的回数，是待求变量，通过xi的组合与计算得出，无需输入；
r为折现率，通过步骤1中搜集资料确定参数边界；
运行Matlab程序，打开主界面，选择新建-函数，打开一个空白的“function”编程界面，将各类参数按照与步骤1中收得的数据对应，编写如式(1)所示的目标函数表达式；将创建号的文件命名并保存；
步骤2.2、创建所述上层规划模型的约束条件文件；所述上层规划模型的约束条件如式(2)至式(5)所示：
xi(xi-1)(xi-2)＝0 (2)
f(x)＝1 (3)
式(2)为待求变量xi需满足的约束条件，规定线路回数只能取1或2或0之中的值，无需输入其他外部参数；
在式(3)中，函数f是判断网架结构中各点是否连通的函数，x是依据所有xi计算结果构成的集合，用以反映站点的连接关系，作为输入结合连通性函数判断后输出连通性结果；x是计算过程中不断迭代更新的过程变量，无需外部输入；
在式(4)中，Nl是远景目标网架规定的某一廊道上的线路回数，通过步骤1搜集资料得到的远景目标网架的规划廊道、线路的回数方案确定；
式(5)描述各站点的可靠性约束，其中NE是为满足可靠性要求，第i条线路上的回路数；对于不同类型的站点，可靠性要求不同，NE根据需要取不同的值；对于新建两台主变压器构成链式接线形式的站点，进出线路回数为2；对于有特殊要求的规划场景，应结合过渡方案规划的基本要求确定NE的取值；
在Matlab程序中，选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，编写如式(2)至式(5)所示的约束条件表达式；
约束条件包含等式约束和不等式约束两类，在编写约束条件函数时因设置两个数组，分别对应各等式约束式的计算结果和各不等式约束式的计算结果，包括式(2)、式(3)在内的等式约束的计算结果数组中的元素均等于0，式(4)和式(5)为不包括等式约束的计算结果数组中的元素均小于0；将创建好的文件命名并保存；
步骤2.3、调用Matlab程序中的优化工具箱计算所述上层规划模型；
在Matlab软件的“Command Window”窗口界面键入“-optimtool”命令，运行优化工具箱，选择计算选项中遗传算法工具箱中的“ga”算法，在相应的目标函数和非线性约束对应输入窗口分别输入上述的目标函数和约束条件“function”文件句柄，即输入@加上函数名，然后，在“Fitness function”输入窗口中输入所述上层规划模型目标函数的句柄，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述上层规划模型约束条件的句柄；
根据算例实际情况配置变量数量与遗传算法算法配置参数，无特殊计算要求时，按照工具箱中缺省的默认配置运行即可，无需单独设置或调整计算参数；点击“start”按钮运行优化工具箱；
将计算得出的优化结果输出并保存至工作空间“workspace”，需要点选“File-Exportto workspace”，勾选“Export results to a MATLAB structure named”选项并为变量命名，即得到上层规划模型的计算结果；该计算结果描述各线路廊道上建设线路的回数和新建站点的接入方案；
步骤2.4、按照接入系统方案将现状站点负荷向新建站点割接；根据将现状重过载站点的负荷向同一地块内的新建站点割接；
步骤3、创建并计算中层规划模型；
创建并计算所述中层规划模型包括如下子步骤：
步骤3.1、创建中层规划模型目标函数文件；所述中层规划模型的目标函数如式(6)所示：
在式(6)中，η为站点总负载率，是中层规划模型优化目标，通过优化计算得出结果；
ηj是在对应运行方式下的站点j的负载率计算值；
首先，应明确经过上层规划模型优化后的站点带载情况，再优化过程中规划范围内的站点所带的总负荷不变的前提下，通过优化计算站点内和站点间的开关状态组合，使得负荷在站点间分配；
对于每一次迭代过程，对应一种开关组合状态，相应的站点带载情况，站点的负载率也相应变化；
计算所述中层规划模型即确定各规划阶段考虑新建站点的运行方式和网架内的开关组合，形如中层规划模型的优化模型是一个0-1规划模型；结合在所述步骤1搜集的资料和数据，在Matlab软件中编写如式(6)的模型函数文件；
运行Matlab软件，打开主界面；选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，按照式(6)形式键入函数表达式；
步骤3.2、创建中层规划模型约束条件文件；所述中层规划模型的约束条件如式(7)和式(8)所示：
Umin≤U≤Umax (7)
S≤Smax (8)
式(7)、(8)为约束条件，U是站点电压，Umin和Umax分别是站点允许的电压下限和电压上限，规划计算阶段取值为0.95和1.05；
S是线路上通过的潮流，Smax是线路上允许通过潮流的上限，需根据规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料确定，具体为结合载流量和电压级相乘计算取值；
在计算潮流分布的过程中，还涉及到配电网现状网架站点信息、连接关系、远景目标网架的规划廊道、线路的回数、新建站点开发时序远景目标网架规划方案信息，以及需结合规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料确定线路阻抗参数；
在Matlab软件主界面选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，编写如式(7)和式(8)所示的约束条件表达式；
式(7)、式(8)描述系统的潮流和电压不能越限；
无需对所有线路和站点逐一检验，只需保证通过潮流最大和沿线路电压降落最多的站点的线路潮流和站点电压不越限即可；
将创建好的函数文件以开关状态为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出至数组中；将创建好的文件命名并保存；
步骤3.3、调用Matlab软件的优化工具箱计算所述中层规划模型；
本步骤操作与步骤2.3一致，需在“Fitness function”输入窗口中输入所述中层规划模型目标函数的句柄，在步骤3.1中保存的函数名，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述中层规划模型约束条件的句柄，在步骤3.2中保存的函数名；
步骤3.4、按照优化后的运行方式将站点的带载在站间分配；结合调整后的运行方式，确定此时正常运行方式下网架中线路的带电和不带电情况，确定与站点的上级电源点，将上级电源点发生变化的站点负载由原电源点转移至新电源点上；
步骤4、创建并计算下层规划模型；
创建并计算所述下层规划模型包括如下子步骤：
步骤4.1、创建下层规划模型目标函数文件；所述下层规划模型的目标函数如式(9)、式(10)所示：
minC＝ΣβcΔS (9)
在式(9)中，c为站点的改造成本，改造方式包括扩建主变、主变增容、加装移动变和配置储能装置四类；β是表征是否具备改造条件的标志，需结合移动变电站、储能电站、主变电站的扩建成本和每一所述站点的扩建条件调研搜集资料情况确定；ΔS是上述方式对应的新增容量，是优化变量，通过计算得出；
在式(10)中，η为站点经过改造后的负载率，是下层规划模型的另一项目标，Lmax是站点经过上层、中层规划模型优化后，在带载情况的最大负荷；
对于上述改造方式，扩建主变、主变增容、加装移动变都会引起站点变电容量增加，即式(10)的分母增大，降低负载率；
在配置储能后，由于具有的削峰填谷作用，能够削减峰值负荷，即削减的部分为ΔL，采取这一方式后能减小式(10)的分子，降低负载率；
ΔL是配置储能后最大负荷的削减量，且该值与站点负荷特性与配置储能容量相关；
创建好的函数文件以实施各类改造扩建方案的新增容量为输入参数，输出结果为改造扩建成本与优化后的负载率之和；并将创建好的文件命名为并保存；
步骤4.2、创建所述下层规划模型约束条件文件；下层规划模型的约束条件如式(11)所示：
ΔS≤βΔSmax (11)
式(11)表示采取上述方式时理论上都存在容量配置或新增的上限；
在Matlab软件主界面选择“新建-函数”，打开一个空白的“function”编程界面，创建好的函数文件以采取上述各类改造条件的新增容量为输入参数，输出结果为变量需满足的不等式约束和等式约束，将是否满足上述约束的计算结果输出，并将创建好的文件命名并保存；
步骤4.3、调用Matlab软件的优化工具箱计算所述下层规划模型；
需在“Fitness function”输入窗口中输入所述中层规划模型目标函数的句柄，在步骤4.1中保存的函数名，在“Nonlinear constraint function”输入窗口中输入所述中层规划模型约束条件的句柄，在步骤4.2中保存的函数名；
步骤5、整合过渡网架方案；操作人员记录、整理并整合所述上层规划模型计算得出的新建站点接入方案与割接方案、所述中层规划模型计算得出的运行方式调整方案和所述下层规划模型计算得出的站点改造与设备配置方案，共同构成规划阶段的过渡网架规划方案。
2.根据权利要求1所述的基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述边界包括：过渡方案规划的基本要求；配电网现状网架站点信息、连接关系、远景目标网架的规划廊道、线路的回数、新建站点开发时序远景目标网架规划方案；规划线路的长度、建设成本、型号线路参考资料；每一站点当前的带载情况；区域电网负荷预测结果、负荷中心位置信息资料；正常运行方式下网架站点间与站点内的开关组合；移动变电站、储能电站、主变电站的扩建成本与自身特性和参数；每一所述站点的扩建条件；按照当地经济发展的实际状况选取用于工程实际上常用的折现率。
3.根据权利要求1所述的基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，其特征在于，在所述步骤2.4中，割接方式和割接比例包括以下两个方面：
2.4.1、将现状站点一定比例的负荷割接给同一电压级新建站；根据现状的重过载站点周边是否有同电压级新建站点，割接负荷的线路走向是否方便，若有割接条件，则根据所述割接条件进行割接；
其中，割接比例按照下述方式确定：结合实际规划需要、新建站点与地块负荷中心的地理位置关系确定，越靠近比例取值越大；若无明确取值依据的，在规划阶段按照30％取值，并结合实际情况上下浮动；
2.4.2、将现状站点一定比例的负荷割接给更高电压级新建站；或者，将现状线路改接至新建站点；割接时需要分析新建站点相对现状站点已有出线的地理位置关系，割接处于或邻近新建站点方向上线路所带的负荷；
其中，割接比例即为方便割接至新建站点的现状站点出线所带负荷的总和；若低电压级的出线资料、带载情况尚不完善的，按照新建站点方向上的出线回路数占站点的总出线数确定负荷割接比例。
4.根据权利要求1所述的基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，其特征在于，在所述步骤3.1中，为了简化规划过程，选用直流潮流的方式计算潮流，写出各重过载站点带载的显示表达式，用以表达站点优化运行方式后的带载情况，并将创建好的文件命名并保存。
5.根据权利要求1所述的基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法，其特征在于，在步骤4.1中，所述下层规划模型涉及了多个优化目标，需根据实际规划需要设置一定的优化权重，再将优化目标与对应权重相乘相加，转化为单目标优化模型；
在设置权重时，需主要优化目标的计算量纲，即式(9)计算改造成本和式(10)计算负载率，取式(9)前的权重为式(10)前权重的1/1000；在此情况下，视作两项优化目标处于同等地位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910748489.3A CN110569555B (zh) | 2019-08-14 | 2019-08-14 | 基于配电网过渡方案三层规划模型的计算机辅助规划方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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