CN112231811A - 基于bim的城市中压配电网过渡网架改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，采用Matlab软件作为开展网架规划的计算工具，包括以下步骤：得到各帕累托算子边界下的优化方案；绘制得到远景网架接线规划的帕累托曲线，分析远景网架优化接线方案和相应的改造成本。本发明为不同区域的新建电网规划和运行、现状网架升级和改造提供有益参考，为最大程度发挥电网投资效益起到辅助性作用。

Description

基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法

技术领域

本发明涉及城市中压配电网改造优化技术领域，特别涉及基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法。

背景技术

以“网架清晰、联络有序、负荷均衡”为发展目标的配电网规划工作开展进一步提升了规范化、标准化接线模式，促进配电网科学协调发展的要求。在这样的背景下，中压配电网网架规划由于涉及到数量较多开关站和线路，规划内容、难度和工作量相应增多、增高。缺乏合理有效的中压配电网规划方法和手段将难以准确对中压配电网的改造提升做出明确指导。在此背景下，需研究兼具针对性和操作性的中压配电网改在优化方法并将其应用于现状电网的分析工作中，从而为开展各项运行管理工作，引导配网建设与地区经济发展相适应提供重要支撑。

现有的网架接线规划研究主要集中在网架新建和网架拓展规划方面，重点是对影响网架规划的多元要素细致建模，或同时计及对网架规划有影响的方面开展网架协同规划，如考虑与储能配置、可再生能源机组接入相协调等。现有的网架接线规划研究主要侧重在现状网架的基础上新建或拓展线路，缺少对已有网架线路的改造建模，在构建优化目标函数时通常将建设成本、网架安全性、可靠性等指标作为优化目标，但对规划方案的接线模式、连线结构等是否符合工程实际缺乏必要的检验，因而在一定程度上降低了实用性。

在日益生长增强的城市中压配电网规划场景，未开发地区的城市配电网中压网架大规模新建已十分罕见。提出行之有效的、适用于针对现状网架基础考虑改造和优化提升的城市中压配电网的规划方法具有必要性。而在实际应用中，较为缺乏充分计及过渡网架改造的规划方法。缺乏合理可行的配电网网架规划方法，易于造成电网改造与优化提升的投资盲目性加大，不利于当前实现优化配电网建设经济性与网架结构坚强性协调，从而降低电网企业的建设运营能力和服务水平。

电网规划基础数据来源复杂，数据量大，牵涉到城市发展的方方面面，以高质量、实效性强的城市和电网数据为基础，基于全过程城市电力信息的电网工程BIM数字仿真技术，贯穿城市地理、地区宏观经济、控详规划、地区开发BIM、综合管廊等各层级、关联领域的城市信息，融合电网设计、施工、运行全过程信息，不仅可促进城市数据和电网数据资源的集约高效管理，为电网规划提供数据支撑，而且能解决传统电网规划数据收集难、无有效数据处理手段、与城市发展结合不紧密等问题，打破以往单点项目规划瓶颈，促进电网规划成果与雄安新区智慧城市有机结合，增强了电网规划方案决策的准确性和及时性。基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造优化方法能够给出合理可行的配电网改造优化提升方案，为不同区域的新建电网规划和运行、现状网架升级和改造提供有益参考，为最大程度发挥电网投资效益起到辅助性作用。

目前，开展城市中压配电网过渡网架改造优化尚无成熟流程，在基于BIM平台的城市中压配电网过渡网架优化改造工作等方面存在一定的技术瓶颈和应用空白。借助科学可行的方法和工具提出合理有效的中压配电网规划方法成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于现有城市中压配电网过渡网架规划方法相对缺失以及基于帕累托优化的中压配电网规划技术存在空白等缺陷，为适应当前电网发展趋势和特点的需要，本发明提供基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造优化方法，实现的目的是藉由帕累托优化的框架和思路针对过渡网架的改造和提升问题，综合考虑中压配电网改造提升的几类实际优化情况，用以指导现状电网的升级改造和远景网架的规划布局。

为实现上述目的，本发明公开了基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造优化方法，本发明仅针对由开关站为核心节点的城市中压电缆网规划场景为研究对象，采用Matlab软件作为网架规划的计算工具，具体步骤如下：

步骤一、确定城市中压配电网的规划场景。依托城市规划管理BIM平台，提取并明确规划所需的各类重要参数边界。需要明确的规划边界包括：规划范围内的现状开关站数量和位置，规划新建的开关站数量和位置，现状开关站的连接关系和线路路径。对现状开关站和规划新建开关站依次编号，记录各开关站间是否存在线路连接关系，若存在则记录线路长度。对于不存在连接关系的开关站，需明确若采用规划电缆线路等连接此二站，规划电缆线路的长度水平将是多少。上述场景规划边界数据借助BIM平台提取。

步骤二、针对任意规划方案(即范围内各开关站的连接关系和线路长度组合)，判别规划方案中的开关站接线相较现状开关站连接方案的差别，并由此区分规划方案属于何种改造类型。区分方法见后续步骤。

步骤三、若现状存在连接关系的甲开关站和乙开关站连接关系未发生变化，处在末端的现状开关站节点与新建丙开关站间出现了连接，将此类改造场景定义为类别I。

步骤四、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站间插入了新建丙开关站，同时甲站至丙站、乙站至丙站的线路长度与现状甲乙站间的线路长度相等，将此类改造场景定义为类别II。

步骤五、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且甲丙站间的线路长度小于甲乙站间线路长度的，将此类改造场景定义为类别III。

步骤六、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且不满足前述步骤三至步骤五中描述的任意类别改造场景的，将此类改造场景定义为类别IV。

步骤七、列写任意规划方案(利用x反应各开关站的连接关系组合)线路总长度的计算公式，将各开关站间的线路总长度作为优化的目标一C(x)。

步骤八、列写计算现状方案线路总长度的计算公式，将现状各开关站间的线路总长度作记录记为现状线路长度。

步骤九、计算符合类别I、类别II、类别III改造场景中的新建线路总长度，将其记为第一部分线路新建长度。

步骤十、计算符合类别IV的新建线路总长度，将其记为第二部分线路新建长度。

步骤十一、利用步骤九、十中计算的两部分线路新建长度之和，与步骤七和步骤八中计算的线路长度的差做差，得到该规划方案弃置的线路长度，将其作为优化的目标二F(x)。

步骤十二、设置帕累托算子μ，计算优化目标一C(x)与叠加算子μ与优化目标二F(x)乘积之后的综合优化目标模型，如下式(1)所示：

C_∑＝C(x)+μF(x) (1)

步骤十三、对于μ不同取值的优化模型，采用相应的优化算法求解，得到对应的μ,x,C(x),F(x)。得到各帕累托算子边界下的优化方案。

步骤十四、将分别以C(x),F(x)为目标函数进行单目标优化得到的最优解记为x_C,x_F，并按下述方式计算对应目标的满意程度X,Y(X,Y∈[0,1])：

式中，各参量的计算方式按照以下方法进行：

C^min＝C(x_C),C^max＝C(x_F) (4)

F^min＝F(x_F),F^max＝F(x_C) (5)

满意程度计算结果越接近1，表明对应目标的优化结果越理想。以X,Y为坐标轴可绘制得到远景网架接线规划的帕累托曲线，据此可分析远景网架优化接线方案和相应的改造成本，从而为设计远景和过渡网架规划方案提供参考。

本发明的有益效果：

(1)本发明针对典型改造模式进行分类，考虑基于现状网架的改造和优化过程；

(2)本发明利用Matlab软件网架规划的优化计算工具，网架规划的计算过程在Matlab中实现；

(3)本发明将规划方案网架连接关系和各类典型改造模式线路计算长度的组合作为计算线路利旧工程量和弃置工程量的依据；

(4)本发明引入对弃置线路长度的计算方式以此评估规划方案的先进性和合理性，作为单纯将新建线路成本作为优化目标的重要补充；

(5)本发明利用帕累托优化算法作为协调两类优化目标的主要工具。

本发明为不同区域的新建电网规划和运行、现状网架升级和改造提供有益参考，为最大程度发挥电网投资效益起到辅助性作用。

附图说明

图1示出本发明实施例的流程图。

图2示出本发明实施例的算例网架示意图。

图3示出本发明实施例的MatlabR2016a主界面示意图。

图4示出本发明实施例的函数编写界面示意图。

图5示出本发明实施例的改造场景类别I示意图。

图6示出本发明实施例的改造场景类别II示意图。

图7示出本发明实施例的改造场景类别III示意图。

图8示出本发明实施例的优化计算工具箱配置示意图。

图9示出本发明实施例的优化计算工具箱输出结果导出窗口示意图。

图10示出本发明实施例的帕累托方法优化计算结果示意图。

图11示出本发明实施例的帕累托优化曲线示意图。

具体实施方式

实施例如图1-11所示，

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。

步骤一、确定城市中压配电网的规划场景和规划边界。本实施例中选用的算例规划场景和开关站布局情况如图2所示。在本算例中，矩阵方块上的标号为开关站编号。实线矩形框中的表示现状开关站，虚线矩形框中的表示规划开关站，开关站间的实线段表示现状连接线路。在本实施例中，各相邻开关站间新建线路的长度均为1km，由开关站1至开关站2或开关站5均为1km，由开关站1至开关站3或开关站7均为2km，以此类推。

步骤二、首先结合步骤一确定等在Matlab中编写模型函数文件。运行MatlabR2016a，打开主界面，如图3所示。目标函数的编写过程详见后续步骤，按照步骤二首先列写判断改造场景属于何种类别的方式。按照上述步骤，首先依据当前规划方案，即描述各开关站节点连接关系的矩阵x，x中的行数和列数为实施例中的现状开关站与新建开关站总数量8，若某行列上的元素值为1(对角线上的元素始终取值为0)，则表示该行号和列号所对应的开关站间存在连接关系，据此比较规划方案与现状连接关系之间的差别并计算线路长度。

步骤三、若现状存在连接关系的甲开关站和乙开关站连接关系未发生变化，处在末端的现状开关站节点与新建丙开关站间出现了连接，将此类改造场景定义为类别I。

对于反映当前连接关系的矩阵x将其与描述现状连接关系的矩阵y进线比较。在本实施例中，为了比较方便，将矩阵y由原来6×6的规模扩充为8×8，第7至8行和第7至8列上的元素均取为0。选择新建-函数，如图4所示，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

L1＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

if xij＝＝1 and yij＝＝1

break；

end

break；

end

for m＝j:8

if xjm＝＝0 and yjm＝＝1

L1＝L1+(m-j)*1；

end

由此计算类别I所对应的改造场景新建线路的总长度，并将计算结果保存在变量L1中。保存该fucntion文件名为f1.m。

步骤四、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站间插入了新建丙开关站，同时甲站至丙站、乙站至丙站的线路长度与现状甲乙站间的线路长度相等，将此类改造场景定义为类别II。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

L2＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

if xij＝＝1 and yim＝＝1

if ymj＝＝1

if(j-i)-(m-i)-(j-m)＝＝0

L2＝L2+((j-i)-(m-i)-(j-m))*1；

end

end

end

end

end

由此计算类别II所对应的改造场景新建线路的总长度，并将计算结果保存在变量L2中。保存该fucntion文件名为f2.m。

步骤五、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且甲丙站间的线路长度小于甲乙站间线路长度的，将此类改造场景定义为类别III。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

L3＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

if xij＝＝1 and yij＝＝0

if yim＝＝1 and(m-i)<(j-i)

L3＝L3+(m-i)*1；

end

end

end

end

由此计算类别III所对应的改造场景新建线路的总长度，并将计算结果保存在变量L3中。保存该fucntion文件名为f3.m。

步骤六、若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且不满足前述步骤三至步骤五中描述的任意类别改造场景的，将此类改造场景定义为类别IV。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

L4＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

if xij＝＝1 and yij＝＝0

if yim＝＝1 and(m-i)>(j-i)

L4＝L4+(m-i)*1；

end

end

end

end

由此计算类别I所对应的改造场景新建线路的总长度，并将计算结果保存在变量L4中。保存该fucntion文件名为f4.m。

步骤七、列写任意规划方案(利用x反应各开关站的连接关系组合)线路总长度的计算公式，将各开关站间的线路总长度作为优化的目标一C(x)。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

Lnew＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

Lnew＝Lnew+x(i,j)*(j-i)*1；

end

由此计算新建线路的总长度Lnew。将该function文件名为C.m并保存。

步骤八、列写计算现状方案线路总长度的计算公式，将现状各开关站间的线路总长度作记录记为现状线路长度。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

Lold＝0；

for i＝1:8

for j＝1:8

Lold＝Lold+y(i,j)*(j-i)*1；

end

由此计算现状线路的总长度Lold。将该function文件名为O.m并保存。

步骤九、计算符合类别I、类别II、类别III改造场景中的新建线路总长度，将其记为第一部分线路新建长度。该长度已在前述步骤中计算，将其结果分别记为L1、L2和L3。

步骤十、计算符合类别IV的新建线路总长度，将其记为第二部分线路新建长度。该长度已在前述步骤中计算，将其结果记为L4。

步骤十一、利用步骤九、十中计算的两部分线路新建长度之和，与步骤七和步骤八中计算的线路长度的差做差，得到该规划方案弃置的线路长度，将其作为优化的目标二F(x)。

选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面并键入下述表达式：

F(x)＝f1(x)+f2(x)+f3(x)+f4(x)-(O(x)-C(x))；

步骤十二、设置帕累托算子μ，计算优化目标一C(x)与叠加算子μ与优化目标二F(x)乘积之后的综合优化目标模型，如下式所示：

C_∑＝C(x)+μF(x) (1)

设置μ的值为0至1间的任意数，并按式(1)在function编程界面键入表达式，将该function文件保存为ftotal.m。

步骤十三、对于μ不同取值的优化模型，采用相应的优化算法求解，得到对应的μ,x,C(x),F(x)。得到各帕累托算子边界下的优化方案。在本实施例中选用MatlabR2016b的遗传算法工具箱求解。

在Matlab软件的Command Window窗口界面键入“-optimtool”命令，如图5所示，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@ftotal。

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)即得到当前帕累托算子下模型的计算结果，如图6所示。

步骤十四、将分别以C(x),F(x)为目标函数进行单目标优化得到的最优解记为x_C,x_F，并按下述方式计算对应目标的满意程度X,Y(X,Y∈[0,1])：

式中，各参量的计算方式按照以下方法进行：

C^min＝C(x_C),C^max＝C(x_F) (4)

F^min＝F(x_F),F^max＝F(x_C) (5)

分别设置帕累托算子μ的值为0和，重复步骤十三，并按式(4)式(5)计算相关参量的值。重复步骤十三，记录不同算子对应的优化结果，如图7所示。按式(2)和式(3)的计算方法计算对应目标的满意度X和Y，并分别将其作为横纵轴绘制帕累托曲线，如图8所示。

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 (10)

1.一种基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、确定城市中压配电网的规划场景；(2)、区分规划方案属于何种改造类型；(3)、根据甲乙两座开关站的连接关系，将改造场景定义为四类；(4)、将各开关站间的线路总长度作为优化的目标；(5)、将现状各开关站间的线路总长度作记录记为现状线路长度；(6)、计算符合前三类改造场景中的新建线路总长度，记为第一部分线路新建长度；(7)、计算符合第四类的新建线路总长度，记为第二部分线路新建长度；(8)、利用线路长度的差做差，得到该规划方案弃置的线路长度，作为优化的目标二；(9)、计算综合优化目标模型；(10)、得到各帕累托算子边界下的优化方案；(11)、绘制得到远景网架接线规划的帕累托曲线，分析远景网架优化接线方案和相应的改造成本。

2.根据权利要求1所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，步骤(1)、确定城市中压配电网的规划场景；明确的规划边界包括：规划范围内的现状开关站数量和位置，规划新建的开关站数量和位置，现状开关站的连接关系和线路路径；对现状开关站和规划新建开关站依次编号，记录各开关站间是否存在线路连接关系，若存在则记录线路长度；对于不存在连接关系的开关站，明确若连接此二站，线路长度的水平将是多少。

3.根据权利要求1所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，步骤(2)、针对任意规划方案，即范围内各开关站的连接关系和线路长度组合，判别规划方案中的开关站接线相较现状开关站连接方案的差别，并由此区分规划方案属于何种改造类型。

4.根据权利要求1所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，步骤(3)将改造场景定义为四类，分别为类别I、类别II、类别III和类别IV；

若现状存在连接关系的甲开关站和乙开关站连接关系未发生变化，处在末端的现状开关站节点与新建丙开关站间出现了连接，将此类改造场景定义为类别I；

若现状存在连接关系的甲乙两座开关站间插入了新建丙开关站，同时甲站至丙站、乙站至丙站的线路长度与现状甲乙站间的线路长度相等，将此类改造场景定义为类别II；

若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且甲丙站间的线路长度小于甲乙站间线路长度的，将此类改造场景定义为类别III；

若现状存在连接关系的甲乙两座开关站不再存在连接关系，而改为甲站与丙开关站相连，且不满足前述类别I、类别II和类别III任意类别改造场景的，将此类改造场景定义为类别IV。

5.根据权利要求4所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，步骤(4)利用x反应各开关站的连接关系组合列写任意规划方案线路总长度的计算公式，将各开关站间的线路总长度作为优化的目标一C(x)；

步骤(5)列写计算现状方案线路总长度的计算公式，将现状各开关站间的线路总长度作记录记为现状线路长度；

步骤(6)计算符合类别I、类别II、类别III改造场景中的新建线路总长度，将其记为第一部分线路新建长度；

步骤(7)计算符合类别IV的新建线路总长度，将其记为第二部分线路新建长度。

6.根据权利要求5所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，

步骤(8)利用步骤(6)、(7)中计算的两部分线路新建长度之和，与步骤(4)和步骤(5)中计算的线路长度的差做差，得到该规划方案弃置的线路长度，将其作为优化的目标二F(x)。

7.根据权利要求6所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，

步骤(9)设置帕累托算子μ，计算优化目标一C(x)与叠加算子μ与优化目标二F(x)乘积之后的综合优化目标模型，如下式(1)所示：

C_∑＝C(x)+μF(x) (1)。

8.根据权利要求7所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，

步骤(10)对于μ不同取值的优化模型，采用相应的优化算法求解，得到对应的μ,x,C(x),F(x)，得到各帕累托算子边界下的优化方案。

9.根据权利要求8所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，

步骤(11)将分别以C(x),F(x)为目标函数进行单目标优化得到的最优解记为x_C,x_F，并按下述方式计算对应目标的满意程度X,Y(X,Y∈[0,1])：

式中，各参量的计算方式按照以下方法进行：

C^min＝C(x_C),C^max＝C(x_F) (4)

F^min＝F(x_F),F^max＝F(x_C) (5)

满意程度计算结果越接近1，表明对应目标的优化结果越理想；以X,Y为坐标轴可绘制得到远景网架接线规划的帕累托曲线，据此分析远景网架优化接线方案和相应的改造成本，从而为设计远景和过渡网架规划方案提供参考。

10.根据权利要求9所述基于BIM的城市中压配电网过渡网架改造方法，其特征在于，

步骤(10)各帕累托算子边界下的优化方案用MatlabR2016b的遗传算法工具箱求解。

Images