CN111682525A - 基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,对配电网络进行简化,读取故障配电网拓扑,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构,重构方法为:建立负荷转供目标函数及约束条件,打开一分段开关,选取一可用联络开关,使其闭合形成一个环网,确定此时最优流模式,并找出对应环网切负荷量最小的分段开关支路作为对应树枝的最优解,校验是否满足约束条件,若不满足以罚函数形式添加到目标函数,然后选取一个新的可用联络开关替换之前选取的联络开关,重复上述方法,直到目标函数增量绝对值满足预定的迭代精度,得到负荷转供的最优配电网拓扑结构。本发明在相对较短时间内得到最优负荷转供方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种负荷转供方法,特别涉及一种基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法。
背景技术
目前,近年来,伴随着国民经济的增长,各行各业对电能的需求迅速增长,然而由于城市电网建设相对较为滞后,同时,第三产业的兴起带来的电力负荷结构变化、中小用户包括居民用电比例逐年上升,使得配电系统中线路越来越长,节点越来越多,结构越来越复杂。因此配电网发生故障后尽快恢复对用户供电、尽可能减少停电影响范围的负荷转供技术成为了新的研究热点。负荷转供研究对降低运行调度人员压力、减少由于停电而造成的社会影响和经济损失都具有重要的使用价值和现实意义。
负荷转供是指配电网发生故障并进行隔离之后,通过开关操作以及部分不重要负荷的切除,在满足安全约束的条件下,尽可能多地快速恢复故障下游负荷供电。配电网发生故障后(包括接地、断线及设备过负荷)设备负载明显不均衡,可通过调整网络开关状态切除线路故障来减少故障影响范围、消除设备负荷不均衡。目前广泛使用的是基于经验性方法给出相应操作方案,但无法通过对方案对比选出较优方案使得最多负荷得到转移,停电范围达到最小。另外,经验性方法要求运行调度人员具备良好的经验,且要对系统设备有深入地理解和掌握,具有很高的人力成本,时间成本,经济成本。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种得到最优负荷转供方案的基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,故障发生后根据区域状态将系统划分为三个部分:正常工作区域、故障区域以及非故障失电区域;区域划分完成后对正常区域进行一次潮流计算,记录失电区内的负荷电流;建立一端联接正常工作区域且另一端连接失电区域的可用联络开关集合;对配电网络进行简化,在简化的配电网络中设常闭的分段开关支路为树枝,设常开的联络开关支路为连枝,读取简化后的故障配电网网络拓扑,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构,重构的方法为:建立负荷转供目标函数及约束条件,打开一个分段开关,从可用联络开关集合中选取一个可用联络开关,使该联络开关闭合作为打开的分段开关的替换开关,该联络开关闭合后形成一个环网,确定此时最优流模式,在此模式下找出对应环网切负荷量最小的分段开关支路作为对应树枝的最优解,计算潮流并校验是否满足约束条件,若不满足约束条件,以罚函数形式添加到目标函数,计算目标函数值;选取一个新的可用联络开关替换之前选取的联络开关,重复上述方法,直到目标函数增量绝对值满足预定的迭代精度,得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量。
进一步地,综合切负荷最少和开关动作次数最少两个目标,建立如下负荷转供目标函数:
式中:F为目标函数值;λ1、λ2分别为相应项在目标函数中的权重系数;ω1为第i个负荷的权重系数,Pi,cut为负荷的切除量;n1分别对应为失电区负荷点总数,n2为失电区支路开关总数,Ni为第i个支路开关动作总次数。
进一步地,约束条件包括:
(1)拓扑辐射形结构约束
B∈Bs;
(2)潮流约束
(3)容量约束为
Sj≤Sj,max,j=1,…,Nb;
(4)节点电压约束
式中,B为系统拓扑结构;Bs为满足辐射性且无孤立节点的系统拓扑集合;Pg,i为节点i注入有功功率;Pl,i为节点i注入无功功率;Vi为节点i电压;Vj为节点j电压;Gij为节点i、j间支路电纳;δij为节点i、j间支路功率因数;Bij为节点i、j间支路电导;Qg,i为节点i负荷有功功率;Ql,i为节点i负荷无功功率;Sj为支路j视在功率;Sj,max为支路j视在功率最大值;Nb为支路总数;Ui,min为节点i电压最小值;Ui,max为节点i电压最大值;Ui为节点i电压;N为节点总数。
进一步地,罚函数为:
式中,Fu为罚函数值;λ3为电压越限惩罚因子;λ4为转供后功率越限惩罚因子;n3为节点总数;n4为支路总数;Vi为节点i电压;Vi min为节点i电压最小值;Vi max为节点i电压最大值;Sj为支路j视在功率;为支路j视在功率最大值。
进一步地,建立可用联络开关集合的方法为:计算各个联络开关的剩余容量;依照联络开关的剩余容量大小,对剩余容量大于零的可用联络开关依次排序组成可用联络开关集合。
进一步地,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构包括如下步骤:
步骤1,令α为迭代次数,初始化α=0;设首次迭代标志为flag,flag=0;设剩余容量大于零的可用联络开关集合为集合中的可用联络开关为li,1≤i≤h,其中为可用联络开关数量,集合中的可用联络开关的剩余容量随h值增大而递减;设Iout为失电区负荷电流,设Im,i为中第i个可用联络开关li的剩余容量,从中寻找满足Im,i>Iout(1≤i≤h)条件的可用联络开关;设S为满足条件的可用联络开关集合,该集合元素记为Lj(0<j≤n),n为元素个数,集合中的可用联络开关的剩余容量随j值增大而递减;若不存在满足条件的联络开关则转步骤5,若存在满足条件的可用联络开关,令j=1转步骤2;
步骤2,从S中的选取联络开关Lj,闭合该联络开关,计算相应的潮流值;
步骤3,判断是否满足约束条件;若满足约束条件,得到负荷转供的配电网拓扑结构,则转步骤13;若不满足约束条件,则断开该联络开关,令j=j+1;转步骤4;
步骤4,判断j是否≤n,如果为是,则转步骤2,如果为否,则转步骤5;
步骤6:确定中除去l1后剩余容量最大的联络开关,设该联络开关支路为lk,对此时所形成的辐射状配电网络进行简化,得到简化后配电网络的基本树tk-2和相应的网络矩阵Mk-2,Mk-2中的行和列分别对应为基本树中的树枝序列及连枝序列N为简化网络中节点总数,设收敛判据为ε,转步骤7;
步骤7:依Mk-2确定连枝lk的候选支路集,即树tk-2内lk构成的单环网中树枝支路与连枝lk构成的支路集合,闭合连枝lk,对环网进行潮流计算;从候选支路集中筛选一支路,该支路比较候选支路集中的其他支路,断开后使得目标函数值下降量最大,则将该支路确定为与lk交换的支路,记为sk,转步骤8;
步骤8:将步骤7中确定的支路与连枝lk进行交换,得到新树tk-1并基于矩阵环合更新网络矩阵得到Mk-1,把连枝lk从集合中删除并把sk存入集合中,计算潮流并校验是否满足约束条件,若满足约束条件,则转步骤13;若不满足约束条件则转步骤9;
步骤9,令k=k+1,判断是否满足k≤h,若满足则转步骤7,若不满足,则计算当前新树下满足约束条件时的目标函数值F以及罚函数值Fu,令F=F+Fu,转步骤10;
步骤13;得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量,结束故障配电网重构。
本发明具有的优点和积极效果是:本发明结合最优流算法的快速性和Mayeda生成树算法的完备性,在网络发生故障仅闭合一个联络开关无法恢复供电时,该方法从支路交换的候选集中快速确定用于Mayeda生成树算法中用于支路交换的支路,对不同结构的网络能有效缩小解空间,从而既回避了随机进化选择方法进化慢的缺点,又回避了穷举法生成过多的劣树的缺点,等效于采用优化技术局部剔除了部分比当前树更劣的树,而明显加快其最优树的搜索过程。从而在相对较短时间内得到最优负荷转供方案。提高了配网自动化水平,减轻解决问题时间、运行经济成本。
附图说明
图1是本发明的一种工作流程示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹列举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
请参见图1,一种基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,故障发生后根据区域状态将系统划分为三个部分:正常工作区域、故障区域以及非故障失电区域;区域划分完成后对正常区域进行一次潮流计算,记录失电区内的负荷电流;建立一端联接正常工作区域且另一端连接失电区域的可用联络开关集合;对配电网络进行简化,在简化的配电网络中设常闭的分段开关支路为树枝,设常开的联络开关支路为连枝,读取简化后的故障配电网网络拓扑,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构,重构的方法为:建立负荷转供目标函数及约束条件,打开一个分段开关,从可用联络开关集合中选取一个可用联络开关,使该联络开关闭合作为打开的分段开关的替换开关,该联络开关闭合后形成一个环网,确定此时最优流模式,在此模式下找出对应环网切负荷量最小的分段开关支路作为对应树枝的最优解,计算潮流并校验是否满足约束条件,若不满足约束条件,以罚函数形式添加到目标函数,计算目标函数值;选取一个新的可用联络开关替换之前选取的联络开关,重复上述方法,直到目标函数增量绝对值满足预定的迭代精度,得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量。
故障发生后根据区域状态的不同将系统划分为三个部分。正常工作区域、故障区域以及非故障失电区域。其中正常工作区域为能够通过电源供电并保持正常运作的区域;故障区域为故障所在的区域;故障下游失去供电而不能正常工作的区域,称为非故障失电区,简称为失电区,即待转供区域(可能有多个)。转供方案的目标即是最大程度使失电区内负荷恢复正常工作。区域划分完成后对正常区域进行一次潮流计算,并由式(1)记录失电区内的负荷电流:
其中:Iout是失电区内负荷电流;Zout为失电区内包含的节点编号集合;Pi、Qi分别为失电区内包含节点的有功、无功功率;VB为基准电压。
可用联络开关的定义:开关两端一端联接正常工作区域,另一端连接失电区。并按式(2)计算各个可用联络开关的剩余容量。若所有可用联络开关均没有剩余容量(如果计算所得的开关剩余容量小于一个很小的数值,即认为该开关无剩余容量),则不可恢复失电区域,不存在负荷转供方案。假设存在多个联络开关并且不存在各联络开关无剩余容量的情况,寻找负荷转供方案。
其中:Im,i为第i个联络开关的剩余容量;为该联络开关到电源点路径上n个设备允许电流最大值;为该联络开关到电源点路径上n个设备电流当前值。Im,i即为从联络开关开始到电源点路径上元件允许通过电流的最大值。
配网停电负荷转供的目标是最大程度地恢复对失电区域的供电,本专利在以负荷切除量最小为目标,并计及开关动作次数,建立多目标优化模型:
优选地,综合切负荷最少和开关动作次数最少两个目标,可建立如下式(3)的负荷转供目标函数:
式中:F为目标函数值;λ1、λ2分别为相应项在目标函数中的权重系数;ω1为第i个负荷的权重系数,Pi,cut为负荷的切除量;n1分别对应为失电区负荷点总数,n2为失电区支路开关总数,Ni为第i个支路开关动作总次数。
优选地,约束条件可包括拓扑辐射形结构约束、潮流约束、容量约束、节点电压约束:其表达式可分别如下:
(1)拓扑辐射形结构约束
B∈Bs (4);
(2)潮流约束
(3)容量约束为
Sj≤Sj,max,j=1,…,Nb (6);
(4)节点电压约束
式中,B为系统拓扑结构;Bs为满足辐射性且无孤立节点的系统拓扑集合;Pg,i为节点i注入有功功率;Pl,i为节点i注入无功功率;Vi为节点i电压;Vj为节点j电压;Gij为节点i、j间支路电纳;δij为节点i、j间支路功率因数;Bij为节点i、j间支路电导;Qg,i为节点i负荷有功功率;Ql,i为节点i负荷无功功率;Sj为支路j视在功率;Sj,max为支路j视在功率最大值;Nb为支路总数;Ui,min为节点i电压最小值;Ui,max为节点i电压最大值;Ui为节点i电压;N为节点总数。
优选地,罚函数可如下式所示:
对于越限的节点电压和支路容量可以施加(8)式的越限惩罚项进行处理。
式中,Fu为罚函数值;λ3为电压越限惩罚因子;λ4为转供后功率越限惩罚因子;n3为节点总数;n4为支路总数;Vi为节点i电压;为节点i电压最小值;为节点i电压最大值;Sj为支路j视在功率;为支路j视在功率最大值。
优选地,建立可用联络开关集合的方法可为:计算各个联络开关的剩余容量;依照联络开关的剩余容量大小,对剩余容量大于零的可用联络开关依次排序组成可用联络开关集合。
可将可用联络开关按(2)式计算剩余容量大小并排序存入集合按剩余容量从大到小标号联络开关l1,…,lh(h为可用联络开关的个数)。基于最优流法与Mayeda生成树法相结合的新算法对连枝逐一替换,每次替换生成新的树并更新相应的树,此时的求解相当于是对故障网络部分进行重构以及负荷的切除,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构,对故障配电网重构可包括如下步骤:
步骤1,令α为迭代次数,初始化α=0;设首次迭代标志为flag,flag=0;设剩余容量大于零的可用联络开关集合为集合中的可用联络开关为li,1≤i≤h,其中h为可用联络开关数量,集合中的可用联络开关的剩余容量随h值增大而递减;设Iout为失电区负荷电流,设Im,i为中第i个可用联络开关li的剩余容量,从中寻找满足Im,i>Iout(1≤i≤h)条件的可用联络开关;设S为满足条件的可用联络开关集合,该集合元素记为Lj(0<j≤n),n为元素个数,集合中的可用联络开关的剩余容量随j值增大而递减;若不存在满足条件的联络开关则转步骤5,若存在满足条件的可用联络开关,令j=1转步骤2;
步骤2,从S中的选取联络开关Lj,闭合该联络开关,计算相应的潮流值;
步骤3,判断是否满足约束条件;若满足约束条件,得到负荷转供的配电网拓扑结构,则转步骤13;若不满足约束条件,则断开该联络开关,令j=j+1;转步骤4;
步骤4,判断j是否≤n,如果为是,则转步骤2,如果为否,则转步骤5;
步骤6:确定中除去l1后剩余容量最大的联络开关,设该联络开关支路为lk,对此时所形成的辐射状配电网络进行简化,得到简化后配电网络的基本树tk-2和相应的网络矩阵Mk-2,Mk-2中的行和列分别对应为基本树中的树枝序列及连枝序列N为简化网络中节点总数,设收敛判据为ε,转步骤7;
步骤7:依Mk-2确定连枝lk的候选支路集,即树tk-2内lk构成的单环网中树枝支路与连枝lk构成的支路集合,闭合连枝lk,对环网进行潮流计算;从候选支路集中筛选一支路,该支路比较候选支路集中的其他支路,断开后使得目标函数值下降量最大,则将该支路确定为与lk交换的支路,记为sk,转步骤8;
步骤8:将步骤7中确定的支路与连枝lk进行交换,得到新树tk-1并基于矩阵环合更新网络矩阵得到Mk-1,把连枝lk从集合中删除并把sk存入集合中,计算潮流并校验是否满足约束条件,若满足约束条件,则转步骤13;若不满足约束条件则转步骤9;
步骤9,令k=k+1,判断是否满足k≤h,若满足则转步骤7,若不满足,则计算当前新树下满足约束条件时的目标函数值F以及罚函数值Fu,令F=F+Fu,转步骤10;
步骤13;得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量,结束故障配电网重构。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施,不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围,即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰,仍落在本发明的专利范围内。
Claims (6)
1.一种基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,其特征在于,故障发生后根据区域状态将系统划分为三个部分:正常工作区域、故障区域以及非故障失电区域;区域划分完成后对正常区域进行一次潮流计算,记录失电区内的负荷电流;建立一端联接正常工作区域且另一端连接失电区域的可用联络开关集合;对配电网络进行简化,在简化的配电网络中设常闭的分段开关支路为树枝,设常开的联络开关支路为连枝,读取简化后的故障配电网网络拓扑,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构,重构的方法为:建立负荷转供目标函数及约束条件,打开一个分段开关,从可用联络开关集合中选取一个可用联络开关,使该联络开关闭合作为打开的分段开关的替换开关,该联络开关闭合后形成一个环网,确定此时最优流模式,在此模式下找出对应环网切负荷量最小的分段开关支路作为对应树枝的最优解,计算潮流并校验是否满足约束条件,若不满足约束条件,以罚函数形式添加到目标函数,计算目标函数值;选取一个新的可用联络开关替换之前选取的联络开关,重复上述方法,直到目标函数增量绝对值满足预定的迭代精度,得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量。
3.根据权利要求1所述的基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,其特征在于,约束条件包括:
(1)拓扑辐射形结构约束
B∈Bs;
(2)潮流约束
(3)容量约束为
Sj≤Sj,max,j=1,…,Nb;
(4)节点电压约束
式中,B为系统拓扑结构;Bs为满足辐射性且无孤立节点的系统拓扑集合;Pg,i为节点i注入有功功率;Pl,i为节点i注入无功功率;Vi为节点i电压;Vj为节点j电压;Gij为节点i、j间支路电纳;δij为节点i、j间支路功率因数;Bij为节点i、j间支路电导;Qg,i为节点i负荷有功功率;Ql,i为节点i负荷无功功率;Sj为支路j视在功率;Sj,max为支路j视在功率最大值;Nb为支路总数;Ui,min为节点i电压最小值;Ui,max为节点i电压最大值;Ui为节点i电压;N为节点总数。
5.根据权利要求1所述的基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,其特征在于,建立可用联络开关集合的方法为:计算各个联络开关的剩余容量;依照联络开关的剩余容量大小,对剩余容量大于零的可用联络开关依次排序组成可用联络开关集合。
6.根据权利要求5所述的基于最优流法和Mayeda生成树法的负荷转供方法,其特征在于,采用最优流法与Mayeda生成树法相结合的方法对故障配电网重构包括如下步骤:
步骤1,令α为迭代次数,初始化α=0;设首次迭代标志为flag,flag=0;设剩余容量大于零的可用联络开关集合为 集合中的可用联络开关为li,1≤i≤h,其中h为可用联络开关数量,集合中的可用联络开关的剩余容量随h值增大而递减;设Iout为失电区负荷电流,设Im,i为中第i个可用联络开关li的剩余容量,从中寻找满足Im,i>Iout(1≤i≤h)条件的可用联络开关;设S为满足条件的可用联络开关集合,该集合元素记为Lj(0<j≤n),n为元素个数,集合中的可用联络开关的剩余容量随j值增大而递减;若不存在满足条件的联络开关则转步骤5,若存在满足条件的可用联络开关,令j=1转步骤2;
步骤2,从S中的选取联络开关Lj,闭合该联络开关,计算相应的潮流值;
步骤3,判断是否满足约束条件;若满足约束条件,得到负荷转供的配电网拓扑结构,则转步骤13;若不满足约束条件,则断开该联络开关,令j=j+1;转步骤4;
步骤4,判断j是否≤n,如果为是,则转步骤2,如果为否,则转步骤5;
步骤6:确定中除去l1后剩余容量最大的联络开关,设该联络开关支路为lk,对此时所形成的辐射状配电网络进行简化,得到简化后配电网络的基本树tk-2和相应的网络矩阵Mk-2,Mk-2中的行和列分别对应为基本树中的树枝序列及连枝序列N为简化网络中节点总数,设收敛判据为ε,转步骤7;
步骤7:依Mk-2确定连枝lk的候选支路集,即树tk-2内lk构成的单环网中树枝支路与连枝lk构成的支路集合,闭合连枝lk,对环网进行潮流计算;从候选支路集中筛选一支路,该支路比较候选支路集中的其他支路,断开后使得目标函数值下降量最大,则将该支路确定为与lk交换的支路,记为sk,转步骤8;
步骤8:将步骤7中确定的支路与连枝lk进行交换,得到新树tk-1并基于矩阵环合更新网络矩阵得到Mk-1,把连枝lk从集合中删除并把sk存入集合中,计算潮流并校验是否满足约束条件,若满足约束条件,则转步骤13;若不满足约束条件则转步骤9;
步骤9,令k=k+1,判断是否满足k≤h,若满足则转步骤7,若不满足,则计算当前新树下满足约束条件时的目标函数值F以及罚函数值Fu,令F=F+Fu,转步骤10;
步骤13;得到负荷转供的最优配电网拓扑结构,并计算所切除负荷量,结束故障配电网重构。
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