CN111181701A - 一种基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法 - Google Patents

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CN111181701A
CN111181701A CN201911272715.1A CN201911272715A CN111181701A CN 111181701 A CN111181701 A CN 111181701A CN 201911272715 A CN201911272715 A CN 201911272715A CN 111181701 A CN111181701 A CN 111181701A
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李先允
周子涵
王书征
殷帆
卢乙
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Nanjing Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，包括以下步骤：(1)确定系统的可靠性函数；(2)根据系统的可靠性函数建立成本‑损失函数EM；(3)根据系统的可靠性函数和成本‑损失函数EM建立双目标优化函数Ttotal；(4)对双目标优化函数Ttotal进行优化，得到优化目标函数maxTtotal；(5)求解优化目标函数maxTtotal，得到冗余子模块数量n。该方法采用双目标函数，能够分析出使可靠性与经济性的综合达到最优情况的冗余数量，分析过程简单、有利于在工程中应用。

Description

一种基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法
技术领域
本发明涉及一种电能路由器冗余子模块配置方法，更具体地，涉及一种基 于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法。
背景技术
为了应对能源体系变革,能源互联网的概念应运而生，作为能源互联网中的 核心设备，电能路由器的可靠性关系着未来能源互联网能否安全可靠运行。冗余 作为一种提升系统可靠性的重要方法，能够在电能路由器的可靠性研究中加以应 用，对于冗余子模块的配置，当前大多采用通过实际情况和经验来选取冗余数量 的方法，冗余模块数多，系统可靠性越高，但会造成成本较高且冗余模块利用率 低，经济效益差；冗余模块数越少，虽然花费的成本较少，但其可靠性差。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种分析方法简单、有利于工程应用的基于 双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法。
技术方案：本发明所述一种基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方 法，包括以下步骤：
(1)确定系统的可靠性函数；
(2)根据系统的可靠性函数建立成本-损失函数EM；
(3)根据系统的可靠性函数和成本-损失函数EM建立双目标优化函数Ttotal；
(4)对双目标优化函数Ttotal进行优化，得到优化目标函数maxTtotal；
(5)求解优化目标函数maxTtotal，得到冗余子模块数量n。
其中，步骤1中确定系统的可靠性函数分为两种情况，当子模块采用冷备用 时，系统可靠性为Rcold：
Figure BDA0002314641750000011
当子模块采用热备用时，系统可靠性为Rhot：
Figure BDA0002314641750000012
其中，P为必须参与工作的子模块数(P＞0且为整数)，λ为单个子模块的失 效率(0＜λ＜1)，t为系统工作时间，n为冗余的子模块数。
步骤2中：
EM＝min{cn+d(1-Rcold/hot)}
其中，c为单个子模块的成本(c＞0)，d为设备退出运行所带来的损失 (d＞0)，Rcold/hot为子模块分别处于冷/热备用时系统的可靠性。
步骤3中：
Figure BDA0002314641750000021
步骤4中：
maxTtotal＝ω·ln(Rcold/hot)-(1-ω)·EM
其中，ω表示权值系数(0≤ω≤1)。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、采用双目标函数， 能够分析出使可靠性与经济性的综合达到最优情况的冗余数量；2、分析过程简 单、有利于在工程中应用。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是实施例1中系统综合效益Ttotal在不同备用策略下随冗余子模块数量n 的变化图；
图3是实施例2中系统综合效益Ttotal在不同备用策略下随冗余子模块数量n 的变化图；
图4是实施例3中系统综合效益Ttotal在不同备用策略下随冗余子模块数量n 的变化图；
具体实施方式
实施例1
系统工作时间为1年，设备退出运行的损失d＝20，子模块的失效率λ＝0.2， ω为0.5，IGBT电压等级为6500V，成本为4.7，必须参与工作的子模块数P＝3， 基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法流程如图1所示：
(1)系统可靠性函数为：
Figure BDA0002314641750000022
或：
Figure BDA0002314641750000031
(2)成本函数为：
EM＝min{cn+d(1-Rcold/hot)}＝min{4.7×n+20×(1-Rcold/hot)}
(3)双目标优化函数Ttotal为：
Figure BDA0002314641750000032
(4)maxTtotal＝ω·ln(Rcold/hot)-(1-ω)·EM＝0.5×ln(Rcold/hot)-(1-0.5)×EM
在Mathcad中画出优化目标函数maxTtotal随冗余子模块数n变化的情况。由 图2可得：当IGBT电压等级为6500V时，有1台冗余子模块且其处于冷备用时 综合效益最优。
实施例2
系统工作时间为1年，设备退出运行的损失d＝20，子模块的失效率λ＝0.2， ω为0.5，IGBT电压等级为3300V，成本为1.9，必须参与工作的子模块数P＝6：
(1)系统可靠性函数为：
Figure BDA0002314641750000033
或：
Figure BDA0002314641750000034
(2)成本函数为：
EM＝min{cn+d(1-Rcold/hot)}＝min{1.9×n+20×(1-Rcold/hot)}
(3)双目标优化函数Ttotal为：
Figure RE-GDA0002435145170000035
(4)maxTtotal＝ω·ln(Rcold/hot)-(1-ω)·EM＝0.5×ln(Rcold/hot)-(1-0.5)×EM
在Mathcad中画出优化目标函数maxTtotal随冗余子模块数n变化的情况。由 图3可得：当IGBT电压等级为3300V时，有2台冗余子模块且其处于冷备用时 综合效益最优。
实施例3
系统工作时间为1年，设备退出运行的损失d＝20，子模块的失效率λ＝0.2， ω为0.5，IGBT电压等级为1700V，成本为1.0，必须参与工作的子模块数P＝11：
(1)系统可靠性函数为：
Figure BDA0002314641750000041
或：
Figure BDA0002314641750000042
(2)成本函数为：
EM＝min{cn+d(1-Rcold/hot)}＝min{1.0×n+20×(1-Rcold/hot)}
(3)双目标优化函数Ttotal为：
Figure RE-GDA0002435145170000043
(4)maxTtotal＝ω·ln(Rcold/hot)-(1-ω)·EM＝0.5×ln(Rcold/hot)-(1-0.5)×EM
在Mathcad中画出优化目标函数maxTtotal随冗余子模块数n变化的情况。由 图4可得：当IGBT电压等级为1700V时，有4台冗余子模块且其处于冷备用时 综合效益最优。

Claims (5)

1.一种基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定系统的可靠性函数；
(2)根据系统的可靠性函数建立成本-损失函数EM；
(3)根据系统的可靠性函数和成本-损失函数EM建立双目标优化函数Ttotal；
(4)对双目标优化函数Ttotal进行优化，得到优化目标函数maxTtotal；
(5)求解优化目标函数maxTtotal，得到冗余子模块数量n。
2.根据权利要求1所述的基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，其特征在于，所述步骤1中确定系统的可靠性函数分为两种情况，当子模块采用冷备用时，系统可靠性为Rcold：
Figure FDA0002314641740000011
当子模块采用热备用时，系统可靠性为Rhot：
Figure FDA0002314641740000012
其中，P为必须参与工作的子模块数(P＞0且为整数)，λ为单个子模块的失效率(0＜λ＜1)，t为系统工作时间，n为冗余的子模块数。
3.根据权利要求1所述的基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，其特征在于，所述步骤2中：
EM＝min{cn+d(1-Rcold/hot)}
其中，c为单个子模块的成本(c＞0)，d为设备退出运行所带来的损失(d＞0)，Rcold/hot为子模块分别处于冷/热备用时系统的可靠性。
4.根据权利要求1所述的基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，其特征在于，所述步骤3中：
Figure FDA0002314641740000013
5.根据权利要求1所述的基于双目标优化的电能路由器冗余子模块配置方法，其特征在于，所述步骤4中：
maxTtotal＝ω·ln(Rcold/hot)-(1-ω)·EM
其中，ω表示权值系数(0≤ω≤1)。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103701347A (zh) * 2014-01-06 2014-04-02 东南大学 一种基于多目标优化的mmc冗余子模块配置方法
WO2015074529A1 (zh) * 2013-11-19 2015-05-28 国家电网公司 一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法

Patent Citations (2)

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Title
段青等: "《电能路由器冗余配置设计》", 《电网技术》 *
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