CN112053255B - 一种基于cart剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，涉及能源溯源技术领域，以输配电系统能源传输3原则为基础，从末端电源点开始分析，先确定末端电源点能源占比和能源溯源信息，然后删除这些电源点，再从余下的拓扑节点中查找输入线能源占比全部确定的叶子节点进行继续分析，如此递归往复，直到所有节点能源占比和能源溯源信息均确定。本发明的有益效果在于：本发明在充分混合能源传输系统3原则基础上，采用基于CART剪枝算法分析多种能源供应电网系统各节点的能源占比和能源溯源情况，解决了混合能源输送后，用能构成不明的现状，为今后新能源设计布点、能源交易和能源决策过程提供数据支撑。

Description

一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法
技术领域
本发明涉及能源溯源技术领域，具体是涉及一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法。
背景技术
现代电网是由风电、光伏、水电、火电等不同类型电源供电的混合能源系统，该系统中每个发电厂、变电站和电力用户所获得的电力由不同比例的能源组成的混合体，供电企业和用户往往无法确知其消纳的电力中风电、光伏、水电和火电等能源成分占比。
混合能源系统：特指由风电、光伏、水电、火电等多种能源供应的电力网络，其中风电是来自于将风力转换成电能的发电企业，光伏是来自于将太阳能转换成电能的发电企业，水电是来自于将水能转换成电能的发电企业，火电是来自于利用煤、石油、天然气等固体、液体燃料燃烧所产生的热能转换为电能的发电企业，一般专指燃煤发电。
电力消纳：指变电站、用户从上一级能源节点(包括发电厂或变电站)接受电能转换成其他能源形式进行消费或者向下一级变电站、用户转供电的过程。
能源的成分占比：指用户消纳的电能中风电、光伏、水电、火电所占的百分比，也常简称能源占比。
能源溯源：追溯用户在某一时段消纳的电力由哪些发电企业供应，每个发电企业在消纳电力中贡献的电量百分比和电量值。
电网拓扑：把电网的各发电厂、变电站、换流站、用户站及线路等抽象为符号连接的图形，以进行各种分析、计算。电网拓扑中的发电厂、变电站、换流站和用户站被称为电网拓扑中的节点。
电网潮流分析：电网潮流是指电网拓扑图中各节点电压、功率的稳态分布，电网潮流分析是确定电网潮流的分析过程。
能源充分混合：能源在某个节点上完全汇聚，视作单一能量流，在电力网络拓扑上的表现为多个能源点通过母线等汇流设备汇聚后向外传输，如不考虑变电站内部结构，可以简单将变电站节点视为充分混合节点。
CART剪枝算法：一种改进的递归决策算法，作用于电网拓扑，算法中的枝是图的叶，算法以一个叶节点集合开始，当叶节点决策完成后从图中删除，即为剪枝，递归循环，直到所有节点决策完成，算法结束。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点，本发明提出了一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，能够确定电厂、变电站和电力用户消纳电力中风电、光伏、水电、火电等各种类型能源的成分占比，并能够详细计算出各供电电源在目标客户消纳电力中的贡献比例和贡献值，即能源溯源。
本发明提供一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，以输配电系统能源传输三原则为基础，从末端电源点开始分析，先确定末端电源点能源占比和能源溯源信息，然后删除这些电源点，再从余下的拓扑节点中查找输入线能源占比全部确定的叶子节点进行继续分析，如此递归往复，直到所有节点能源占比和能源溯源信息均确定。
一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，还可以通过以下方式实现，以输配电系统能源传输三原则为基础，从末端电源开始，在确定电源点能源占比和能源溯源信息后，删除该节点，再沿该节点输出线路搜索下一节点，如果下一级节点所有输入线能源占比确定，计算并登记该节点的能源占比和能源溯源信息并删除节点后，继续沿输出线向前搜索，直到所有下级节点能源占比均确定为止，这是一种深度优先的算法。所述的删除节点包括直接删除节点或者标记节点已处理，这两种方法在算法上具有相同的效果。
能源在一个充分混合的能源网络上传输遵循如下三个传输原则：
(一)设有能源W对外供电，则每条供电分支上能源占比相同且与能源W的能源结构相同。
(二)即设有不同能量源W1和W2在节点N处充分混合后向外送出，则送出线路W3的能源由W1和W2组成，且W1的占比为W1/(W1+W2)，W2的占比为W2/(W1+W2)，
上述两种情况可以推广到一般情况，设有N个由多种能源构成的能源输入W1...Wn在某节点混合，再通过线路X1...Xm向外输出，则有如下结论：
1)X1...Xm每条线路的能源结构相同；
2)假如某种形式的能源(比如光伏)在W1...Wn上的占比分别为S1...Sn，则有线路X1...Xm中，该种能源的占比为：
(三)对于一条无分支的输电线L，其两端的能源结构、能源占比均相同。
对于电网任何一个节点，只要确定了该节点的所有输入线路的能源占比，就可以确定其所有输出线路的能源占比，该节点输出线路的能源占比即下一级节点同一线路的输入能源占比。对于末端发电站，在对外供电期间，其能源结构确定为100％该种类型的能源。把末端电源点作为电网拓扑叶节点，在确定这些电源点的能源占比并登记输出线路能源占比后，在拓扑图中删除这些节点，这样部分下级受电节点成为新的叶子节点，递归往复，直到所有电站能源占比完全确定，这就是CART剪枝算法。
一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，包括如下步骤：
S01，建立全网拓扑图；
S02，全网断面潮流分析；
S03，运用CART剪枝算法确定某断面节点能源占比及能源溯源；
S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息。
所述的S01，建立全网拓扑图，具体为：电力系统传输网络由发电厂、变电站、用户站、开闭所、换流站等电能分配节点和传输线路组成，将T接的传输线路等价为通过虚拟变电站联络的多个节点，整个电力系统抽象成由节点和无分支线路构成的一个网络图，线路为图的边，发电厂、变电站、用户站、开闭所、换流站等为图的节点。
所述的S02，全网断面潮流分析，具体为：将线路两端与电网实时功率、电流测点进行关联，获取断面数据后，根据功率、电流方向便可确定全网潮流方向；对于线路L，关联测点的功率、电流分别表示为Pa,Ia、Pb,Ib，则有如下分析方法：
如果Pa＞0&&Pb＜0则潮流方向由a至b；
如果Pa＜0&&Pb＞0则潮流方向由b至a；
如果Pa,Pb，则改由Ia,Ib判断，Ia＞0&&Ib＜0则潮流方向由a至b；
如果以上判据不满足，根据∑Pi≥∑Po进行判断，∑Pi是该节点的进线总功率，∑Po是该节点的出线总功率。
所述的S03，运用CART剪枝算法确定某断面节点能源占比及能源溯源，具体为：
A)从拓扑图中选取节点类型为电站且潮流方向为输出的叶节点集合∑Ew/s/h/t，该集合节点能源占比即为100％电站类型的能源，若电站为风电，那么该电站输出的能源为100％风电，该节点的供电能源节点只有一个，即节点本身；
B)登记集合各节点的能源占比和能源溯源信息；
C)查找集合各节点的输出线路，其输出线路两端的能源占比和溯源信息与节点能源占比和能源溯源信息相同，登记输出线路两端的能源占比和能源溯源信息；
D)从拓扑图中删除所选集合中的各节点；
E)在处理过的拓扑图中查找所有输入线路能源占比均确定的叶节点，计算该节点的能源占比，光伏能源在W1...Wn上的占比分别为S1...Sn，则有线路X1...Xm中，光伏能源的占比公式为：
其他种类能源，包括风电、水电、火电的能源占比公式亦相同，替换为与能源相应的符号即可。
再计算该节点能源溯源信息：若某个电站在该节点的输入线路子集L1...Lt的占比分别为E1...Et，那么该电站在此节点上的能源占比为：
F)转到步骤B，直到拓扑图中所有节点能源占比和溯源信息均确定。
所述的S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息，具体为：
计算出各节点的断面能源占比和能源溯源信息数据后，统计出该节点各种能源日占比值，设某节点日计算断面为n，各断面某种能源的占比分别为R1...Rn，各断面该节点的总输入功率分别为P1...Pn，(注：变电站节点断面输入功率为该断面上节点输入线路功率的总和，发电厂断面输入功率为该断面上发电厂各线路输出功率的总和。)则有该节点某能源日占比Rd为：
类似的算法可以确定各电站能源溯源信息。
本发明的有益效果在于：本发明在充分混合能源传输系统三原则基础上，采用基于CART剪枝算法分析多种能源供应电网系统各节点的能源占比和能源溯源情况，解决了混合能源输送后，用能构成不明的现状，为今后新能源设计布点、能源交易和能源决策过程提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明算法流程图。
具体实施方式
实施例1，本发明提供一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，以输配电系统能源传输三原则为基础，从末端电源点开始分析，先确定末端电源点能源占比和能源溯源信息，然后删除这些电源点，再从余下的拓扑节点中查找输入线能源占比全部确定的叶子节点进行继续分析，如此递归往复，直到所有节点能源占比和能源溯源信息均确定。
能源在一个充分混合的能源网络上传输遵循如下三个传输原则：
(一)设有能源W对外供电，则每条供电分支上能源占比相同且与能源W的能源结构相同。
(二)即设有不同能量源W1和W2在节点N处充分混合后向外送出，则送出线路W3的能源由W1和W2组成，且W1的占比为W1/(W1+W2)，W2的占比为W2/(W1+W2)，
上述两种情况可以推广到一般情况，设有N个由多种能源构成的能源输入W1...Wn在某节点混合，再通过线路X1...Xm向外输出，则有如下结论：
1)X1...Xm每条线路的能源结构相同；
2)假如某种形式的能源(比如光伏)在W1...Wn上的占比分别为S1...Sn，则有线路X1...Xm中，该种能源的占比为：
(三)对于一条无分支的输电线L，其两端的能源结构、能源占比均相同。
对于电网任何一个节点，只要确定了该节点的所有输入线路的能源占比，就可以确定其所有输出线路的能源占比，该节点输出线路的能源占比即下一级节点同一线路的输入能源占比。对于末端发电站，在对外供电期间，其能源结构确定为100％该种类型的能源。把末端电源点作为电网拓扑叶节点，在确定这些电源点的能源占比并登记输出线路能源占比后，在拓扑图中删除这些节点，这样部分下级受电节点成为新的叶子节点，递归往复，直到所有电站能源占比完全确定，这就是CART剪枝算法。
一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，包括如下步骤：
S01，建立全网拓扑图；
S02，全网断面潮流分析；
S03，运用CART剪枝算法确定某断面节点能源占比及能源溯源；
S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息。
所述的S01，建立全网拓扑图，具体为：电力系统传输网络由发电厂、变电站、用户站、开闭所、换流站等电能分配节点和传输线路组成，将T接的传输线路等价为通过虚拟变电站联络的多个节点，整个电力系统抽象成由节点和无分支线路构成的一个网络图，线路为图的边，发电厂、变电站、用户站、开闭所、换流站等为图的节点。
所述的S02，全网断面潮流分析，具体为：将线路两端与电网实时功率、电流测点进行关联，获取断面数据后，根据功率、电流方向便可确定全网潮流方向；对于线路L，关联测点的功率、电流分别表示为Pa,Ia、Pb,Ib，则有如下分析方法：
如果Pa＞0&&Pb＜0则潮流方向由a至b；
如果Pa＜0&&Pb＞0则潮流方向由b至a；
如果Pa,Pb，则改由Ia,Ib判断，Ia＞0&&Ib＜0则潮流方向由a至b；
如果以上判据不满足，根据∑Pi≥∑Po进行判断，∑Pi是该节点的进线总功率，∑Po是该节点的出线总功率。
所述的S03，运用CART剪枝算法确定某断面节点能源占比及能源溯源，具体为：
A)从拓扑图中选取节点类型为电站且潮流方向为输出的叶节点集合∑Ew/s/h/t，该集合节点能源占比即为100％电站类型的能源，若电站为风电，那么该电站输出的能源为100％风电，该节点的供电能源节点只有一个，即节点本身；
B)登记集合各节点的能源占比和能源溯源信息；
C)查找集合各节点的输出线路，其输出线路两端的能源占比和溯源信息与节点能源占比和能源溯源信息相同，登记输出线路两端的能源占比和能源溯源信息；
D)从拓扑图中删除所选集合中的各节点；
E)在处理过的拓扑图中查找所有输入线路能源占比均确定的叶节点，计算该节点的能源占比，光伏能源在W1...Wn上的占比分别为S1...Sn，则有线路X1...Xm中，光伏能源的占比公式为：
其他种类能源，包括风电、水电、火电的能源占比公式亦相同，替换为与能源相应的符号即可。
再计算该节点能源溯源信息：若某个电站在该节点的输入线路子集L1...Lt的占比分别为E1...Et，那么该电站在此节点上的能源占比为：
F)转到步骤B，直到拓扑图中所有节点能源占比和溯源信息均确定。
所述的S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息，具体为：
计算出各节点的断面能源占比和能源溯源信息数据后，统计出该节点各种能源日占比值，设某节点日计算断面为n，各断面某种能源的占比分别为R1...Rn，各断面该节点的总输入功率分别为P1...Pn，(注：变电站节点断面输入功率为该断面上节点输入线路功率的总和，发电厂断面输入功率为该断面上发电厂各线路输出功率的总和。)则有该节点某能源日占比Rd为：
类似的算法可以确定各电站能源溯源信息。

Claims (2)

1.一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，其特征在于，以输配电系统能源传输三原则为基础，从末端电源开始，在确定电源点能源占比和能源溯源信息后，删除节点，再沿该节点输出线路搜索下一节点，如果下一级节点所有输入线能源占比确定，计算并登记该节点的能源占比和能源溯源信息并删除节点后，继续沿输出线向前搜索，直到所有下级节点能源占比均确定为止；所述的删除节点包括直接删除节点或者标记节点已处理；
具体包括如下步骤：
S01，建立全网拓扑图；具体为：将T接的传输线路等价为通过虚拟变电站联络的多个节点，整个电力系统抽象成由节点和无分支线路构成的一个网络图，线路为图的边，发电厂、变电站、用户站、开闭所、换流站为图的节点;
S02，全网断面潮流分析；具体为：将线路两端与电网实时功率、电流测点进行关联，获取断面数据后，根据功率、电流方向便可确定全网潮流方向；对于线路L，关联测点的功率、电流分别表示为Pa,Ia、Pb,Ib，则有如下分析方法：
如果Pa＞0&&Pb＜0则潮流方向由a至b；
如果Pa＜0&&Pb＞0则潮流方向由b至a；
如果Pa,Pb，则改由Ia,Ib判断，Ia＞0&&Ib＜0则潮流方向由a至b；
如果以上判据不满足，根据∑Pi≥∑Po进行判断，∑Pi是该节点的进线总功率，∑Po是该节点的出线总功率;
S03，运用CART剪枝算法确定断面节点能源占比及能源溯源；具体为：
A)从拓扑图中选取节点类型为电站且潮流方向为输出的叶节点集合∑Ew/s/h/t，该集合节点能源占比即为100％电站类型的能源，若电站为风电，那么该电站输出的能源为100％风电，该节点的供电能源节点只有一个，即节点本身；
B)登记集合各节点的能源占比和能源溯源信息；
C)查找集合各节点的输出线路，其输出线路两端的能源占比和溯源信息与节点能源占比和能源溯源信息相同，登记输出线路两端的能源占比和能源溯源信息；
D)从拓扑图中删除所选集合中的各节点；
E)在处理过的拓扑图中查找所有输入线路能源占比均确定的叶节点，计算该节点的能源占比，光伏能源在W1...Wn上的占比分别为S1...Sn，则有线路X1...Xm中，光伏能源的占比公式为：
其他种类能源，包括风电、水电、火电的能源占比公式亦相同，替换为与能源相应的符号即可；
再计算该节点能源溯源信息：若某个电站在该节点的输入线路子集L1...Lt的占比分别为E1...Et，那么该电站在此节点上的能源占比为：
F)转到步骤B，直到拓扑图中所有节点能源占比和溯源信息均确定;
S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于CART剪枝算法的电网能源成分分解及能源溯源方法，所述的S04，统计计算能源日占比和能源溯源信息，具体为：
计算出各节点的断面能源占比和能源溯源信息数据后，统计出该节点各种能源日占比值，设某节点日计算断面为n，各断面某种能源的占比分别为R1...Rn，各断面该节点的总输入功率分别为P1...Pn，则有该节点某能源日占比Rd为：
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