CN112287501A - 一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种于基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，涉及配电网规划技术领域，可以通过改进的Minty算法生成网格内所有可能的辐射状网络结构，进而确定联络线后，可获得最优的网格内网架规划方案，从而有效降低配电网规划费用，提高配电网公司经济效益；通过确定一定为树枝的边，有效避免大量不含有最优规划方案的子图处理，提高了基于Minty算法的网格内网架规划的计算效率，还能给出多个费用小的规划方案供规划人员选择，适合行业内大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及配电网规划技术领域，具体的说是一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法。
背景技术
在规划区域被划分为多个网格的条件下，配电网架优化规划是指在满足对用户供电和网络运行约束的前提下，寻求一组最优的决策变量(馈线的路径和型号)，使投资、运行费用之和最小，其中网络运行约束包括辐射状约束、节点电压和馈线段电流约束。
配电网中压目标网架规划问题具有规模大、非线性和离散性等特性，是一个大规模混合整数非线性规划问题，目前的求解方法主要是数学优化方法和人工智能搜索算法。数学优化算法处理辐射状约束条件时需人工设置复杂参数，而且不同配电网参数不同，开发的算法很难实际应用；人工智能搜索算法不但会产生大量的不可行解，而且易陷入局部最优解。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，方法简单，易于实现，能够获得最优或近似最优解。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，通过如下步骤实现：
步骤S1：形成图，网格内10kV母线合并为一个图的顶点，负荷和可能的线路走廊的交点也为图的顶点，各个顶点之间的路径为图的边；
步骤S2：输入数据，给定网格内规划的线路型号，预测负荷的有功、无功功率，图上各边的长度，单位长度边投资费用，规划期限，电价，贴现率；
步骤S3：确定一定为树枝的边，与10kV母线相连的边一定是树枝，不处于环上的边也一定是树枝，树枝一定在最后的辐射状配电网中；
步骤S4：利用改进Minty算法生成所有生成树，取出化简后图G的任意一条边e1，将图G分解为含边e1的子图G1和不含边e1的子图G2，并将子图G2存入栈中，只处理子图G1；若边e1根据步骤3)一定是树枝，子图G2不入栈；对子图G1，再选一个边e2，则子图G1又可分为含有边e2和不含有边e2的两个子图，只处理含有边e2的子图，将不含有边e2的子图入栈；若边e2根据步骤3)一定是树枝，不含有边e2的子图不入栈；如此对每一个图一分为二，不断的分下去，对于每一张子图，当出现完全有描红边组成的回路或该图已经不连通时，则去掉该子图，当出现完全由描红边组成的树，则此图处理完毕，从栈中退出一个子图，继续分解过程，直到栈空为止；
步骤S5：赋值，令生成树编号n＝1，生成树数目为N；
步骤S6：计算第n棵生成树等效年费用，对于第n棵生成树，依据网格指定的线路型号，按照如下公式计算投资和运行费用的等效年费用：
式中Li是第n棵生成树的第i条边长度；Ki是第i条边投资费用，元/km；Ii是第n棵生成树的第i条边电流；Ri是第n棵生成树的第i条边电阻，r是贴现率； T是规划期限，tmax是年最大负荷等效时间，单位小时；C是电价，元/kWh；m 是树枝数；
约束条件包括：潮流约束，节点电压约束；
步骤S7:搜索第n棵生成树的馈线，对第n棵生成树，每条与10kV母线相连的边及其下游边构成一条馈线，采用深度优先算法搜索每条馈线，得到馈线数目为K；
步骤S8：第n棵生成树的连枝长度排序，对第n棵生成树的所有连枝按照长度由小到大的顺序排列，令连枝编号l＝1，连枝数为L；
步骤S9：搜索第n棵生成树的第l个连枝联络的馈线，对于第l个连枝，分别从其两个顶点开始，在第n棵生成树上采用深度优先搜索其连接的馈线；
步骤S10：判断，若连枝l连接同一条馈线，该连枝不是馈线间的联络线，转向步骤S13；
步骤S11：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，且这两条馈线均没有联络线，该连枝为联络线，同时标记馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S12：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，其中一条馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S13：判断，令连枝编号l＝l+1，若l≤L，转向步骤S9；否则，转向步骤S14；
步骤S14：计算第n棵生成树联络线的等效年费用：按照如下公式计算第n 棵生成树联络线的等效年费用：
式中Nl是联络线数；
步骤S16：计算第n棵生成树构成的网架的等效年费用，第n棵生成树构成的网架的等效年费用计算公式如下：
Fn＝FSn+Fln (3)
步骤S17：赋值，令n＝n+1；
步骤S18：判断，若n≤N，转向步骤S6，否则转向步骤S19；
步骤S19：获得等效年费用最小的网架规划方案，对于F1,F2,...,Fn，选择最小的值对应的生成树及联络线作为最终规划方案，输出总费用及网架结构。
步骤S3中，规划人员可以根据经验和现场实际指定一定为树枝的边。
本发明与现有的规划方法相比，可以通过改进的Minty算法生成网格内所有可能的辐射状网络结构，进而确定联络线后，可获得最优的网格内网架规划方案，从而有效降低配电网规划费用，提高配电网公司经济效益；通过确定一定为树枝的边，有效避免大量不含有最优规划方案的子图处理，提高了基于Minty算法的网格内网架规划的计算效率，还能给出多个费用小的规划方案供规划人员选择，适合行业内大规模推广应用。
附图说明：
图1为本发明实施例中10KV母线、负荷和可能的线路走廊生成图；
图2为本发明实施例中步骤S5-步骤S19费用最小的辐射状网络结构图；
图3为本发明实施例中步骤S5-步骤S19费用第2小的辐射状网络结构图；
图4为本发明实施例中步骤S5-步骤S19费用第3小的辐射状网络结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述：
一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，通过如下步骤实现：
步骤S1：形成图，网格内10kV母线合并为一个图的顶点，负荷和可能的线路走廊的交点也为图的顶点，各个顶点之间的路径为图的边；
步骤S2：输入数据，给定网格内规划的线路型号，预测负荷的有功、无功功率，图上各边的长度，单位长度边投资费用，规划期限，电价，贴现率；
步骤S3：确定一定为树枝的边，与10kV母线相连的边一定是树枝，不处于环上的边也一定是树枝，树枝一定在最后的辐射状配电网中；
步骤S4：利用改进Minty算法生成所有生成树，取出化简后图G的任意一条边e1，将图G分解为含边e1的子图G1和不含边e1的子图G2，并将子图G2存入栈中，只处理子图G1；若边e1根据步骤3)一定是树枝，子图G2不入栈；对子图G1，再选一个边e2，则子图G1又可分为含有边e2和不含有边e2的两个子图，只处理含有边e2的子图，将不含有边e2的子图入栈；若边e2根据步骤3)一定是树枝，不含有边e2的子图不入栈；如此对每一个图一分为二，不断的分下去，对于每一张子图，当出现完全有描红边组成的回路或该图已经不连通时，则去掉该子图，当出现完全由描红边组成的树，则此图处理完毕，从栈中退出一个子图，继续分解过程，直到栈空为止；
步骤S5：赋值，令生成树编号n＝1，生成树数目为N；
步骤S6：计算第n棵生成树等效年费用，对于第n棵生成树，依据网格指定的线路型号，按照如下公式计算投资和运行费用的等效年费用：
式中Li是第n棵生成树的第i条边长度；Ki是第i条边投资费用，元/km；Ii是第n棵生成树的第i条边电流；Ri是第n棵生成树的第i条边电阻，r是贴现率；T是规划期限，tmax是年最大负荷等效时间，单位小时；C是电价，元/kWh；m 是树枝数；
约束条件包括：潮流约束，节点电压约束；
步骤S7:搜索第n棵生成树的馈线，对第n棵生成树，每条与10kV母线相连的边及其下游边构成一条馈线，采用深度优先算法搜索每条馈线，得到馈线数目为K；
步骤S8：第n棵生成树的连枝长度排序，对第n棵生成树的所有连枝按照长度由小到大的顺序排列，令连枝编号l＝1，连枝数为L；
步骤S9：搜索第n棵生成树的第l个连枝联络的馈线，对于第l个连枝，分别从其两个顶点开始，在第n棵生成树上采用深度优先搜索其连接的馈线；
步骤S10：判断，若连枝l连接同一条馈线，该连枝不是馈线间的联络线，转向步骤S13；
步骤S11：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，且这两条馈线均没有联络线，该连枝为联络线，同时标记馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S12：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，其中一条馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S13：判断，令连枝编号l＝l+1，若l≤L，转向步骤S9；否则，转向步骤S14；
步骤S14：计算第n棵生成树联络线的等效年费用：按照如下公式计算第n 棵生成树联络线的等效年费用：
式中Nl是联络线数；
步骤S16：计算第n棵生成树构成的网架的等效年费用，第n棵生成树构成的网架的等效年费用计算公式如下：
Fn＝FSn+Fln (3)
步骤S17：赋值，令n＝n+1；
步骤S18：判断，若n≤N，转向步骤S6，否则转向步骤S19；
步骤S19：获得等效年费用最小的网架规划方案，对于F1,F2,...,Fn，选择最小的值对应的生成树及联络线作为最终规划方案，输出总费用及网架结构。
作为优选的方式，步骤S3中，规划人员可以根据经验和现场实际指定一定为树枝的边。
具体实施例：以下以某规划区域内某网格内10KV母线、负荷和可能的线路走廊生成的图，10KV母线为电源点，所以可合并为图的第1个顶点，如图1所示。
步骤S2：统一线路型号为JKLGYJ-240mm2，单位长度阻抗为0.125+j0.34欧姆，单位长度成本为20万元/km，最大电流为553安，总有功负荷为19061kW，无功负荷为3230kvar，规划期限为20年，电价为0.5元/千瓦时，贴现率为20％，年最大负荷等效时间是3230小时，边(馈线段)的数据如下表所示：
| 编号 | 首顶点 | 末顶点 | 长度(km) | 末顶点有功功率(kW) | 末顶点无功功率(kvar) |
| 1 | 1 | 2 | 0.7 | 631 | 97 |
| 2 | 2 | 3 | 0.637 | 77 | 14 |
| 3 | 3 | 4 | 0.665 | 502 | 90 |
| 4 | 4 | 5 | 2.555 | 293 | 53 |
| 5 | 5 | 6 | 0.308 | 321 | 59 |
| 6 | 6 | 7 | 0.735 | 687 | 108 |
| 7 | 7 | 8 | 0.385 | 315 | 55 |
| 8 | 8 | 9 | 1.05 | 772 | 128 |
| 9 | 2 | 10 | 0.49 | 76 | 12 |
| 10 | 10 | 11 | 0.42 | 1712 | 269 |
| 11 | 11 | 12 | 0.889 | 1224 | 215 |
| 12 | 12 | 13 | 0.35 | 46 | 7 |
| 13 | 13 | 14 | 1.211 | 473 | 90 |
| 14 | 14 | 15 | 0.42 | 122 | 20 |
| 15 | 15 | 16 | 0.42 | 74 | 13 |
| 16 | 16 | 17 | 0.308 | 398 | 69 |
| 17 | 17 | 18 | 1.05 | 80 | 14 |
| 18 | 18 | 19 | 0.672 | 461 | 89 |
| 19 | 19 | 20 | 1.421 | 52 | 10 |
| 20 | 1 | 21 | 0.77 | 1387 | 211 |
| 21 | 21 | 22 | 1.085 | 998 | 173 |
| 22 | 22 | 23 | 1.015 | 1609 | 287 |
| 23 | 23 | 24 | 0.315 | 50 | 8 |
| 24 | 24 | 25 | 0.224 | 628 | 107 |
| 25 | 25 | 26 | 0.392 | 1487 | 261 |
| 26 | 26 | 27 | 0.42 | 630 | 112 |
| 27 | 27 | 28 | 0.42 | 1295 | 212 |
| 28 | 21 | 29 | 0.392 | 514 | 86 |
| 29 | 29 | 30 | 1.4 | 76 | 14 |
| 30 | 30 | 31 | 2.1 | 458 | 76 |
| 31 | 31 | 32 | 2.24 | 160 | 26 |
| 32 | 32 | 33 | 1.96 | 460 | 80 |
| 33 | 33 | 34 | 2.24 | 151 | 26 |
| 34 | 28 | 34 | 0.7 | 155 | 26 |
| 35 | 17 | 27 | 1.19 | ||
| 36 | 13 | 22 | 3.535 | ||
| 37 | 7 | 18 | 0.035 | ||
| 38 | 1 | 9 | 0.84 | ||
| 39 | 1 | 28 | 0.98 |
步骤S3：不在环上的边一定为树枝，包括边1/7/8/18/19/20/38/39；
步骤S4：基于改进的Minty算法，共生成54642棵生成树；若规划人员指定靠近电源点的边2/9/6/37/28/21/34/35一定为树枝，共生成4635棵生成树，指定为树枝的边越多，生成树的数量越小，计算效率越高；
步骤S5-步骤S19：费用最小网架规划方案的等效年费用FS＝149.242万元，如图2所示，实线为辐射状网络结构，虚线为联络线。
根据深度优先搜索算法，包括4条馈线，每条馈线包含的线路如下表：
下面给出费用第2小的等效年费用FS＝149.262万元。
如图3所示，根据深度优先搜索算法，包括4条馈线，每条馈线包含的线路如下表：
下面给出费用第3小的等效年费用FS＝149.289万元。
如图4所示，根据深度优先搜索算法，包括4条馈线，每条馈线包含的线路如下表：
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，其特征在于，
通过如下步骤实现：
步骤S1：形成图，网格内10kV母线合并为一个图的顶点，负荷和可能的线路走廊的交点也为图的顶点，各个顶点之间的路径为图的边；
步骤S2：输入数据，给定网格内规划的线路型号，预测负荷的有功、无功功率，图上各边的长度，单位长度边投资费用，规划期限，电价，贴现率；
步骤S3：确定一定为树枝的边，与10kV母线相连的边一定是树枝，不处于环上的边也一定是树枝，树枝一定在最后的辐射状配电网中；
步骤S4：利用改进Minty算法生成所有生成树，取出化简后图G的任意一条边e1，将图G分解为含边e1的子图G1和不含边e1的子图G2，并将子图G2存入栈中，只处理子图G1；若边e1根据步骤3)一定是树枝，子图G2不入栈；对子图G1，再选一个边e2，则子图G1又可分为含有边e2和不含有边e2的两个子图，只处理含有边e2的子图，将不含有边e2的子图入栈；若边e2根据步骤3)一定是树枝，不含有边e2的子图不入栈；如此对每一个图一分为二，不断的分下去，对于每一张子图，当出现完全有描红边组成的回路或该图已经不连通时，则去掉该子图，当出现完全由描红边组成的树，则此图处理完毕，从栈中退出一个子图，继续分解过程，直到栈空为止；
步骤S5：赋值，令生成树编号n＝1，生成树数目为N；
步骤S6：计算第n棵生成树等效年费用，对于第n棵生成树，依据网格指定的线路型号，按照如下公式计算投资和运行费用的等效年费用：
式中Li是第n棵生成树的第i条边长度；Ki是第i条边投资费用，元/km；Ii是第n棵生成树的第i条边电流；Ri是第n棵生成树的第i条边电阻，r是贴现率；T是规划期限，tmax是年最大负荷等效时间，单位小时；C是电价，元/kWh；m是树枝数；
约束条件包括：潮流约束，节点电压约束；
步骤S7:搜索第n棵生成树的馈线，对第n棵生成树，每条与10kV母线相连的边及其下游边构成一条馈线，采用深度优先算法搜索每条馈线，得到馈线数目为K；
步骤S8：第n棵生成树的连枝长度排序，对第n棵生成树的所有连枝按照长度由小到大的顺序排列，令连枝编号l＝1，连枝数为L；
步骤S9：搜索第n棵生成树的第l个连枝联络的馈线，对于第l个连枝，分别从其两个顶点开始，在第n棵生成树上采用深度优先搜索其连接的馈线；
步骤S10：判断，若连枝l连接同一条馈线，该连枝不是馈线间的联络线，转向步骤S13；
步骤S11：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，且这两条馈线均没有联络线，该连枝为联络线，同时标记馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S12：判断，若连枝l连接的两条不同馈线，其中一条馈线已经有联络线，转向步骤S13；
步骤S13：判断，令连枝编号l＝l+1，若l≤L，转向步骤S9；否则，转向步骤S14；
步骤S14：计算第n棵生成树联络线的等效年费用：按照如下公式计算第n棵生成树联络线的等效年费用：
式中Nl是联络线数；
步骤S16：计算第n棵生成树构成的网架的等效年费用，第n棵生成树构成的网架的等效年费用计算公式如下：
Fn＝FSn+Fln (3)
步骤S17：赋值，令n＝n+1；
步骤S18：判断，若n≤N，转向步骤S6，否则转向步骤S19；
步骤S19：获得等效年费用最小的网架规划方案，对于F1,F2,...,Fn，选择最小的值对应的生成树及联络线作为最终规划方案，输出总费用及网架结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进Minty算法的网格化配电网网架规划方法，其特征在于，步骤S3中，规划人员可以根据经验和现场实际指定一定为树枝的边。
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2020
- 2020-10-28 CN CN202011176351.XA patent/CN112287501B/zh active Active
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