CN112668129A - 基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，包括以下步骤:步骤S1:根据远景年变电站布局规划数据，对变电站的供电范围进行优化；步骤S2:根据优化后的供电范围，采用Kmeans算法对供电范围内的地块进行聚类形成供电区块，并采用KM偶图算法对各供电区块进行匹配形成供电单元；步骤S3:根据得到的供电单元，通过负荷边界约束下同组电源自动合并的方法，形成供电网格。本发明实现精益化、智能化多层级配电网网格自动划分。

Description

基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法

技术领域

本发明涉及配电网规划技术领域，具体涉及一种基于空间负荷聚 类的配电网多级网格智能划分方法。

背景技术

配电网是电力系统中连接输电与用电的重要环节，随着经济的不 断发展，人们对电能的需求量越来越大，对配电网的建设要求也越来 越高。近年来由于分布式能源、电动汽车等新元素的加入，传统配电 网的规划方法越来越难以满足要求，于是更加科学合理的网格化配电 网规划思路获得了更多的应用，基于网格划分的配电网规划更有利于 配电网目标网架构建及和过渡项目安排，其网格划分的精益性与合理 性直接影响配电网规划的水平，进而影响到用户的体验。配电网规划 所面临的场景较多、不确定因素较多、情况较复杂，并且配电网的覆 盖范围非常广泛，常规的网格划分通常是基于规划导则，采用“自上而下”的划分原则，从国网公司“粗线条”的导则出发，到各地省、市、 县电力公司级级细化，每一级的规划需要满足上一级规划的要求。这 种方法受规划人员主观因素影响较大，划分过程中对地块类型、负荷 特性、规划路网等客观因素带来的影响往往缺乏深入分析，配电网规 划与地区经济发展、城市建设规划出现脱节，网格负荷密度划分不均 衡，供电范围可能发生重叠，进而导致网架结构混乱，项目安排出现 偏差，影响规划的科学性和可行性；此外，单纯依靠人工进行网格划 分，需要反复进行指标计算、规则量化和边界调整等机械化工作，工 作量大、容错率低，十分不利于配电网网格化规划工作的顺利开展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于控规地块图层与负荷 密度分布的配电网规划多级网格自动生成方法，对输入输出参数、技 术原则量化、算法逻辑等作出描述，既可作为一种新的人工网格划分 手段以提高工作效率及成效，还可在具备数据接入条件的配电网规划 信息化系统或作业平台之上，利用java、python等计算机语言将其程 序化，形成数字化作业模块，配合配电网规划其他相关模块和电网基 础数据运转，进行线上精益化、智能化多级网格自动划分。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，包括以 下步骤:

步骤S1:根据远景年变电站布局规划数据，对变电站的供电范围 进行优化；

步骤S2:根据优化后的供电范围，采用Kmeans算法对供电范围 内的地块进行聚类形成供电区块，并采用KM偶图算法对各供电区块 进行匹配形成供电单元；

步骤S3:根据得到的供电单元，通过负荷边界约束下同组电源自 动合并的方法，形成供电网格。

进一步的，所述步骤S1具体为：

步骤S11:获取远景年变电站布局规划数据，；

步骤S12:以负荷距最小为目标，构建目标函数；

步骤S13:预设供电距离、地形与变电站供电能力约束；

步骤S14:设定供电半径阈值,并建立配对矩阵；

步骤S15:进行迭代配对计算，直至所有地块完成分配，且变电站 所承受地块负荷之和始终受阈值约束，供电范围划分完毕，输出各变 电站供电范围。

进一步的，所述远景年变电站布局规划数据包括规划区域内远景 年220kV及以下的具备配电功能的所有公用变电站的电压等级、容 量S_{i_s}、平面坐标(S_{i_x}和S_{i_y})及变电站间输配电拓扑关系，每个地 块的负荷预测值L_j、中心坐标(B_{j_x}和B_{j_y})。

进一步的，所述步骤S12:使地块B_j到变电站S_i的综合负荷距最 小，负荷距定义为某地块负荷L_j乘以该地块负荷中心到供电变电站的 曼哈顿距离d_ij，m为变电站数量，n为初始地块数量，目标函数如下 所示：

进一步的，所述约束条件具体为：

1)地形约束

沿路网的地块j和变电站i的近似通道

2)归属约束

每个地块在且仅在一个变电站供电范围内；

3)变电站供电能力约束

式中，P_{i_l}表示第i个变电站的供电能力区间下限值，P_{i_h}表示上 限值，S_{i_s}表示变电站容量，R_{s_h}表示标准容载比区间上限，R_{s_l}表示 标准容载比区间下限，P_{i_h1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区 间上限值，P_{i_l1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区间下限值， P'_{i_h1}表示下游双电源35kV变电站供电能力区间上限值，P'_{i_l1}表示下 游双电源35kV变电站供电能力区间下限值，P_{i_h2}表示下游单电源 110kV变电站供电能力区间上限值，P_{i_l2}表示下游单电源110kV变电 站供电能力区间下限值，P'_{i_h2}表示下游双电源110kV变电站供电能 力区间上限值，P'_{i_l2}表示下游双电源110kV变电站供电能力区间下 限值。

进一步的，所述步骤S2具体为：

步骤S21:在各变电站供电范围的基础上，通过远景供电单元接 线组别预设的型式建立划分区块数，利用Kmeans聚类算法获取每个 变电站所划分区块的初始聚类中心；

步骤S22:根据变电站内选定的若干个初始聚类中心，在欧式距离 函数的基础上加入空间贯通系数和负荷权重系数建立目标函数，并根 据预设约束条件进行计算，聚类供电区块；

步骤S23:在所有变电站供电区块聚类完毕后，利用供电区块匹配 优化模型调整供电区块间的边权值，再利用Kuhn-Munkres偶图最大 权匹配算法进行匹配，最终形成供电单元。

进一步的，所述步骤S21具体为：

(1)计算变电站供电范围S_i内的地块总负荷P_i，并计算变电站 拟划分区块数K_i：

(2)获取单个变电站范围内所有地块的负荷中心，对单个地块 而言，负荷中心可等同于地块坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}，在此基础上计算地块 间的欧式距离d_ijj':

并计算各变电站内地块间欧式距离的平均值Δd：

(3)以每个地块负荷中心为圆心、0.5Δd为半径，计算圆内所覆 盖的地块负荷中心数量N_ij，设定动态阈值初始值L_i＝n_i/2，n_i为变电 站S_i内供电地块总数，选取N_ij大于L_i的地块，将其负荷中心坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}组合成元素C_ij纳入集合M_i，由于初始L_i值设置较大，此时集 合M_i可能为空集合，通过调整阈值L_i，直至集合M_i的元素数量不小 于K_i，M_i为C_ij的集合，C_ij作为M_i的元素表示初始纳入集合M_i的 地块负荷中心坐标；

(4)在M_i集合中，选取N_ij最大的地块对应的元素C_ij，记为第 一个初始聚类中心坐标C_i1并从集合M_i中剔除，剩下的元素形成集合 M_i1，从集合M_i1中选取距离C_i1坐标欧式距离最远的坐标元素，记为 第二个初始聚类中心坐标并C_i2从集合M_i1中剔除，剩下的元素形成集合M_i2，再从集合M_i2中选取距离坐标C_i1和坐标C_i2欧式距离之和 最远的坐标元素，记为第三个初始聚类中心坐标C_i3并从集合M_i2中 剔除，剩下的元素形成集合M_i3，如此循环，直至从M_iK-1中选出第K 个初始聚类中心C_iK，至此变电站i的初始聚类中心C_i1、C_i2...C_iK选 取完毕；

(5)重复上述步骤，直至所有变电站的初始聚类中心C_iK选取完 毕。

进一步的，所述步骤S22具体为：

(1)在变电站i范围内，建立目标函数：

其中，λ_jk为负荷权重系数，表示地块B_j的负荷与聚类中心C_k代 表的供电区块剩余负荷裕度之间的关系，具体关系为：

P_k是指前一次聚类时聚类中心C_k的总负荷，δ_jk为空间贯通系数， 表示地块B_j的负荷中心与聚类中心C_k代表的供电区块的负荷中心之 间的地理空间贯通关系，参考值为：

(2)利用目标函数进行计算，每一轮为每个聚类中心分配1个 地块，并判断P_j+P_k的值是否超过16MW，若超过，则跳过该地块， 判定本轮下一顺位地块，若不超过，则进行聚类；

(3)以聚类后的地块组合的负荷中心作为新的聚类中心C_k，参 与下一轮的计算与分配聚类，新的聚类中心即地块组合的负荷中心的 算法如下：

n'表示聚类中心C_k当前已聚类地块总数

(4)进行第二轮的计算与分配，重复步骤(2)的判定聚类操作 与步骤(3)的聚类中心更新操作，如此循环，直至变电站S_i内所有 地块B_ij聚类为K_i个供电区块，按初始聚类中心类别记为C'_i1～C'_iK；

(5)重复以上步骤，直至所有变电站供电区块C'_ik聚类完毕，其 与变电站S_i的关系为：

C'_ik∈S_i。

进一步的，所述步骤S3具体为：

步骤S31:设定网格负荷边界；

步骤S32:根据得到的供电单元，以负荷边界为约束，按同组电源 点的方式合并为供电网格。

进一步的，所述步骤S32具体为:

(1)令初始f＝1，P_kk'为C_kk'对应单元初始负荷。

(2)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f， 转至(8)；若非空集，按序取站间联络单元C_kk'∈N_c，令N_f＝{C_kk'}， 取站间单元C_mn∈N_c同时满足

或同时满足

令N_A＝{C_mn}，并更新N_c＝N_c-N_f-N_A，转 至(3)；

(3)判断N_A是否为空集，若为空集，转至(5)；若非空集， 按序取单元C_mn∈N_A，转至(4)；

(4)断P_kk'+P_mn，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_A， f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mn，N_f＝N_f+C_mn， N_A＝N_A-C_mn，转至(3)；

(5)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f， 转至(8)；若非空集，按序取站内单元C_mm∈N_c满足

或

令N_B＝{C_mm}，并更新N_c＝N_c-N_B，转至(6)；

(6)判断N_B是否为空集，若为空集，则输出N_f，令f＝f+1， 转至(1)；若非空集，按序取单元C_mm∈N_B，转至(7)；

(7)判断P_kk'+P_mm，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_B， f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mm，N_f＝N_f+C_mm， N_A＝N_A-C_mm，转至(6)；

(8)对于输出的所有N_f,f＝(1,2,3...)，各代表一个供电网格，其 元素为组成网格的供电单元C_kk'、C_mn、C_mm等，至此，供电网格完成 合并。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明对输入输出参数、技术原则量化、算法逻辑等作出描述， 既可作为一种新的人工网格划分手段以提高工作效率及成效，还可在 具备数据接入条件的配电网规划信息化系统或作业平台之上，利用 java、python等计算机语言将其程序化，形成数字化作业模块，配合 配电网规划其他相关模块和电网基础数据运转，进行线上精益化、智 能化多级网格自动划分。

附图说明

图1是本发明一实施例中变电站供电范围优化效果；

图2是本发明一实施例中基于变电站供电范围聚类的供电区块 效果；

图3是本发明一实施例中基于供电区块的供电单元匹配效果；

图4是本发明一实施例中基于供电单元的供电网格合并效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分 方法，包括变电站供电范围自动优化、供电单元自动划分、供电网格 自动合并步骤:

变电站供电范围优化主要是通过远景年变电站布局规划数据与 控规图形以及空间负荷预测结果结合，以负荷距最小为目标，结合一 定的约束条件，采用迭代算法，对变电站的供电范围进行优化；

供电单元自动划分是在变电站供电范围确定的基础上，利用 Kmeans算法对变电站范围内的地块进行聚类形成供电区块，进而采 用KM偶图算法对各供电区块进行匹配形成供电单元；

供电网格自动合并是指在匹配完成的供电单元基础上，通过负荷 边界约束下同组电源自动合并的方法，形成供电网格。利用本发明提 供的方法，可大幅降低规划人员机械化工作量，细化配电网规划网格 划分的颗粒度，提高配电网规划的科学合理性。

本实施例中，具体的包括以下步骤:

(一)变电站供电范围自动优化

步骤1：输入主要参数。包括规划区域内远景年220kV及以下的 具备配电功能的所有公用变电站的电压等级、容量S_{i_s}、平面坐标(S_{i_x}和S_{i_y})及变电站间输配电拓扑关系，每个地块的负荷预测值L_j、中 心坐标(B_{j_x}和B_{j_y})，在具体的平台中可以将控规地块、变电站布局 与GIS系统接口合并图形，加以颜色渲染，加入图层记录变电站、地 块的相关信息与参数。

步骤2：确定目标函数，本发明中变电站供电范围的目标是使地 块B_j到变电站S_i的综合负荷距最小，负荷距定义为某地块负荷L_j乘以 该地块负荷中心(单个地块负荷中心)到供电变电站的曼哈顿距离d_ij， m为变电站数量，n为初始地块数量，目标函数如下所示：

步骤3：确定约束条件。本发明中考虑的是正常运行方式下的供 电范围优化问题，此时每一个地块的负荷均只在一个变电站的供电范 围内，正常运行方式下为辐射运行，本次发明旨在精益划分多层级配 电网网格，故障时转供负荷一般较小，因此可暂不考虑损耗条件约束， 重点考虑供电距离、地形与变电站供电能力约束等约束条件：目标函 数如下所示：

1)地形约束

沿路网的地块j和变电站i的近似通道

2)归属约束

每个地块在且仅在一个变电站供电范围内。

3)变电站供电能力约束

式中，P_{i_l}表示第i个变电站的供电能力区间下限值，P_{i_h}表示上 限值，S_{i_s}表示变电站容量，R_{s_h}表示标准容载比区间上限，R_{s_l}表示 标准容载比区间下限，P_{i_h1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区 间上限值，P_{i_l1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区间下限值， P'_{i_h1}表示下游双电源35kV变电站供电能力区间上限值，P'_{i_l1}表示下 游双电源35kV变电站供电能力区间下限值，P_{i_h2}表示下游单电源 110kV变电站供电能力区间上限值，P_{i_l2}表示下游单电源110kV变电 站供电能力区间下限值，P'_{i_h2}表示下游双电源110kV变电站供电能 力区间上限值，P'_{i_l2}表示下游双电源110kV变电站供电能力区间下 限值。

步骤3：设定供电半径阈值。根据技术导则中关于10kV配电线 路最远供电半径的规定，选取对应的最远供电半径值R作为基准值， 通过设定阈值来初步确定或过滤部分地块的归属，以减少后续搜索的 工作量，如设定R_l＝0.5R，根据上述约束条件计算d_ij的值后，对比d_ij与R_l，若d_ij≤R_l，则可认为该地块B_j默认应归属变电站S_i供电范围， 等价于指定地块和变电站供电关系d_ij＝0的情况，则地块B_j确认归属 后可移出配对库，但若出现直接确认后变电站S_i地块负荷超过其供电 能力上限P_ih的情况，需调整R值，若R值只能设定较低值，则表示 变电站规模或布局难以适应规划区域整体地块负荷；同理可设定 R_h＝1.5R，对比d_ij与R_h，若d_ij＞R_l，则可认为地块B_j不可能在变电站S_i供电范围内，可等价于地块B_j和变电站S_i间通道被山川河流阻隔 d_ij＝∞的情况，在后续的计算中不再进行配对。阈值可根据实际情况 进行调整，旨在减少搜索工作的时间，提高整体效率。

步骤4：建立配对矩阵。若在设定阈值后直接配对后指定关系的 地块有p个，设参与配对的地块有q＝n-p，则可建立矩阵A，用于目 标函数负荷距的运算：

式中，矩阵元素表示地块B_j和变电站S_i的负荷距计算值，此外还 需建立另一矩阵B，对计算过程的迭代信息进行存储，迭代存储的目 的是选取最优解，以确保一个地块有且仅有一个变电站对应：

式中，B1行存储地块与变电站配对情况，1表示有配对，0表示 无配对；B2行存储A矩阵迭代计算后的最小负荷距，未进行配对的列 B2表现为极大值；B3行存储矩阵A迭代计算后地块B_j对应的变电站 S_i。此外，为确保计算结果满足变电站供电能力约束，还需增加一个 矩阵C对迭代过程中的变电站地块总负荷进行存储：

式中，C1行存储在设定阈值后每个变电站的初始承载负荷，C2行 存储迭代计算的地块负荷累计值。

步骤5：迭代配对计算。在设立完配对所需的矩阵后，为保证各 变电站地块负荷分布均衡，可进行两步(通过阈值设定可对次数进行 调整)迭代配对计算，第一步可设置变电站S_i的供电能力区间下限值 P_{i_l}为中止阈值P_y1，在矩阵A与矩阵B计算过程中，C矩阵C2行动态 累计变电站S_i的地块负荷累计值，与C1行求和，以阈值P_y1作为中止 循环界限，下一地块计算及存储时将跳过变电站S_i，直至所有计算循 环完毕，此时B矩阵B1行若有值为0，代表还存在地块未纳入变电站 供电范围，此时需对每个B1行为0值的地块进行第二步循环计算，此 时可设置变电站S_i的供电能力区间上限值P_{i_h}为中止阈值P_y2，直至所 有地块完成分配，且变电站S_i所承受地块负荷之和始终受阈值约束， 供电范围划分完毕，输出各变电站供电范围。

(二)供电单元自动划分

步骤1：选取初始聚类中心。在各变电站供电范围的基础上，通 过远景供电单元接线组别预设的型式建立划分区块数K_i，利用 Kmeans聚类算法获取每个变电站所划分区块的初始聚类中心C_ik，具 体方法如下：

(1)计算变电站供电范围S_i内的地块总负荷P_i(单位MW)，按 两个变电站间形成4组8回接线的联络通道，即单个接线组别可供负 荷32MW、每个变电站可供负荷16MW，通过向上取整数的方式计算 变电站拟划分区块数K_i：

K_i＝CEIL(P_i/16)，i＝(1,2,3...m)

(2)获取单个变电站范围内所有地块的负荷中心，对单个地块 而言，负荷中心可等同于地块坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}，在此基础上计算地块 间的欧式距离d_ijj':

并计算各变电站内地块间欧式距离的平均值Δd：

(3)以每个地块负荷中心为圆心、0.5Δd为半径，计算圆内所覆 盖的地块负荷中心数量N_ij，设定动态阈值初始值L_i＝n_i/2，n_i为变电 站S_i内供电地块总数，选取N_ij大于L_i的地块，将其负荷中心坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}组合成元素C_ij纳入集合M_i，由于初始L_i值设置较大，此时集 合M_i可能为空集合，通过调整阈值L_i，直至集合M_i的元素数量不小 于K_i，M_i为C_ij的集合，C_ij作为M_i的元素表示初始纳入集合M_i的 地块负荷中心坐标。

(4)在M_i集合中，选取N_ij最大的地块对应的元素C_ij，记为第 一个初始聚类中心坐标C_i1并从集合M_i中剔除，剩下的元素形成集合 M_i1，从集合M_i1中选取距离C_i1坐标欧式距离最远的坐标元素，记为 第二个初始聚类中心坐标并C_i2从集合M_i1中剔除，剩下的元素形成集合M_i2，再从集合M_i2中选取距离坐标C_i1和坐标C_i2欧式距离之和 最远的坐标元素，记为第三个初始聚类中心坐标C_i3并从集合M_i2中 剔除，剩下的元素形成集合M_i3，如此循环，直至从M_iK-1中选出第K 个初始聚类中心C_iK，至此变电站i的初始聚类中心C_i1、C_i2...C_iK选 取完毕。

(5)重复上述步骤，直至所有变电站的初始聚类中心C_iK选取 完毕。

步骤2：进行供电区块聚类。根据变电站i内选定的K_i个初始聚 类中心C_ik，在欧式距离函数的基础上加入空间贯通系数和负荷权重 系数建立目标函数，地块B_ij和初始聚类中心C_ik间按一定约束条件进 行计算，最终聚类为K_i个供电区块操作，具体方法如下：

(1)在变电站i范围内，建立目标函数：

其中，λ_jk为负荷权重系数，表示地块B_j的负荷与聚类中心C_k代 表的供电区块剩余负荷裕度之间的关系，具体关系为：

P_k是指前一次聚类时聚类中心C_k的总负荷，δ_jk为空间贯通系数， 表示地块B_j的负荷中心与聚类中心C_k代表的供电区块的负荷中心之 间的地理空间贯通关系，参考值为：

(2)利用目标函数进行计算，每一轮为每个聚类中心分配1个 地块，并判断P_j+P_k的值是否超过16MW，若超过，则跳过该地块， 判定本轮下一顺位地块，若不超过，则进行聚类。

(3)以聚类后的地块组合的负荷中心作为新的聚类中心C_k，参 与下一轮的计算与分配聚类，新的聚类中心即地块组合的负荷中心的 算法如下：

n'表示聚类中心C_k当前已聚类地块总数

(4)进行第二轮的计算与分配，重复步骤(2)的判定聚类操作 与步骤(3)的聚类中心更新操作，如此循环，直至变电站S_i内所有 地块B_ij聚类为K_i个供电区块，按初始聚类中心类别记为C'_i1～C'_iK。

(5)重复以上步骤，直至所有变电站供电区块C'_ik聚类完毕，其 与变电站S_i的关系为：

C'_ik∈S_i

步骤3：供电区块匹配。在所有变电站供电区块聚类完毕后，利 用供电区块匹配优化模型调整供电区块间的边权值，再利用 Kuhn-Munkres偶图最大权匹配算法进行匹配，最终形成供电单元， 具体方法如下：

(1)边权值计算。首先按整个供电区域对各变电站已聚类完成 的供电区块进行再编号，令

则有 C_k∈S＝{S₁,S₂,S₃...S_m},k＝(1,2,3...c),建立矩阵D＝{d_ik}_m×c，表示已聚类完成 的各个供电区块C_k到变电站S_i的欧式距离的集合，设供电区块C_k的 负荷中心坐标为C_{k_x}和C_{k_y}，此处只希望供电区块C_k与其所在的变电 站S_i的供电范围间的距离有计算数值(即变电站到其下辖供电区块负 荷中心的供电通道的近似值)，则矩阵D的元素按下式计算选取：

其次，建立矩阵L＝{l_kk'}_c×c，表示已聚类完成的各个供电区块C_k之 间的欧式距离的集合，此处只希望非同站供电区块C_k和C_k'间的距离 有计算数值(即不同供电区块间联络通道的近似值)，则矩阵L的元 素按下式计算选取：

考虑到l_kk'计算结果的小数点若保留过多，将大大增加后续算法的 无意义循环次数，此处l_kk'单位取公里，计算结果保留一位小数。

(2)第一次矩阵修正。通过曲折系数换算+空间距离约束，对矩 阵L中不符合要求的元素进行修正，对于任意两个非同站的供电区块 C_k和C_k'应满足：

d_ik+l_kk'+d_i'k'≤2R/u_kk'

其中，d_ik、d_i'k'为矩阵D中元素，分别表示供电区块C_k和C_k'的在 其站内的供电通道距离，l_kk'为矩阵L中元素，表示供电区块C_k和C_k'的 站间联络通道距离，R表示根据技术导则中规定的10kV配电线路最 远供电半径，u_kk'为空间曲折系数，表示C_k和C_k'的站间联络通道的地 形影响系数，参考值为：

当供电区块C_k和C_k'无法满足不等式要求时，表示两地块不宜组 成一个供电单元，则在矩阵L中将对应的元素l_kk'和l_k'k修正为∞，不再 进行匹配。

(3)第二次矩阵修正。对矩阵L中任意有值元素l_kk'，对应供电 区块C_k和C_k'的负荷中心坐标分别为A＝(C_{k_x},C_{k_y})，B＝(C_{k'_x},C_{k'_y})，另 存在除C_k和C_k'外任一供电区块C_k”，负荷中心坐标为C＝(C_{k”_x},C_{k”_y}), 所属变电站S_i坐标为D＝(S_{i_x},S_{i_y})，为避免匹配后供电区块C_k和C_k'的 站间联络通道与其他区块C_k”的站内主供通道出现交叉，通过向量校 验计算的方式进行交叉判定，首先进行向量计算：

根据向量式计算结果，若存在

且

则表示供 电区块C_k和C_k'的联络通道将与C_k”主供通道交叉，供电区块C_k和C_k'不 宜组成一个供电单元，矩阵L中的l_kk'和l_k'k修正为∞，不再进行匹配。

(4)第三次矩阵修正。在矩阵L完成两步元素值修正后，检查 修正后的距离矩阵L，若矩阵L中存在第k行元素均为∞，说明供电 区块C_k无法与其他供电区块进行匹配，该类供电区块称为独立供电区 块，在矩阵L中令l_kk＝0，至此L矩阵修正完毕。

(5)构建偶图集合。匹配阶段采用Kuhn-Munkres最大边权值 匹配算法，为实现供电区块负荷中心连接线的边权值最小匹配，在修 正完的矩阵L＝{l_kk'}_c×c基础上，将所有元素取反，并采用顶点标记法， 在每行元素前建立行顶点标记X＝{x₁,x₂,x₃...x_k},同样在每列元素上建 立列顶点标记Y＝{y₁,y₂,y₃...y_k},并按以下规则对每个顶标赋予对应的 初始标号h(x_k)和h(y_k')：

形成以初始标号x_k和y_k'为偶图顶点、满足标号和最大的

为边 的偶图集合

另设集合N为偶图集合G_h的一个子集合，初始N＝{φ}，将随着匹配计算不断填充元素，直至形 成偶图集合G_h的完备匹配并输出。

(6)匹配点渗透判定。判定集合N的元素中是否完全渗透顶点 标记X中的所有元素，是则说明N为G_h的一个完美匹配，且已完成最 大边权值匹配，计算结束；否则按顺序取下一个N中未渗透匹配点x_k， 形成集合S＝{x_k}，并有集合N中对应顶点标记Y中的元素的集合T， 初始

(7)完备匹配判定。设有集合S中元素对应的邻点集

若

则说明未渗透匹配点x_k在当前标号体系下无未渗透邻点 y_k'可匹配，说明此时N非偶图G_h的完备匹配，此时需调整标号，先 计算出

随后计算相应顶标对应的新标 号：

并令

形成新的标号体系后， 更新集合

并返回至(6)。

若

转至(8)。

(8)可增长匹配。取

若y_k'属集合N的渗透匹配 点，则必有y_k'z∈N，令S←S∪{z}，T←T∪{y_k'}，并更新

转至 (7)；若y_k'不是集合N的渗透匹配点，则表示存在可增长路P，此时

转至(6)。

(9)站内匹配判定。经过(6)～(8)的循环匹配计算，得到图 G_h的完备匹配集合N，此时判定集合N，若存在x_ky_k、x_k'y_k'，且x_k、 x_k'对应区块C_k与C_k'满足

则表示集合N存在两个站内独立 区块可形成站内匹配的可能性，若该条件成立，则进一步修正矩阵L， 对满足条件的x_k与x_k'，将其在矩阵L中对应的对角线元素标记为∞， 并将对应的列顶标y_k'与y_k元素还原为区块C_k与C_k'间的欧式距离：

对于集合N中存在x_ky_k且无对应x_k'满 足

表示C_k为站内唯一独立供电区块，保持x_k在矩阵L中 对应的对角线元素为0不变，此外，对N中满足{x_ky_k',k≠k'}的行顶标 x_k，表示已形成站间最优匹配，将其所在行所有元素标记为INF，矩 阵L修正完毕，返回步骤(2)；若不成立，输出N作为匹配结果。

(10)根据输出的集合N，对元素x₁y_k'，若存在另一元素x_k'y₁， 则将x_k'y₁从集合N中删除，以此类推至对元素x_ky_k'，若存在另一元素 x_k'y_k，将其从集合N中删除，输出最终的集合N，将其元素对应的C_k与C_k'进行组合形成供电单元C_kk'，按顺序形成集合N_c＝{C_kk'}至此供电 单元划分完毕。

(三)供电网格自动合并

步骤1：网格负荷边界设定。本发明中供电单元中站间联络单元 与站内联络单元的负荷控制在32MW及以下，独立供电单元的负荷 控制在16MW及以下，本次发明设定网格负荷边界为128MW：

步骤2：单元合并网格。在步骤(二)中，对最终输出的供电单 元集合N_c及其元素C_kk'，以负荷边界为约束，按同组电源点的方式合 并为供电网格，具体方法如下：

(1)令初始f＝1，P_kk'为C_kk'对应单元初始负荷。

(2)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f， 转至(8)；若非空集，按序取站间联络单元C_kk'∈N_c，令N_f＝{C_kk'}， 取站间单元C_mn∈N_c同时满足

或同时满足

令N_A＝{C_mn}，并更新N_c＝N_c-N_f-N_A，转 至(3)；

(3)判断N_A是否为空集，若为空集，转至(5)；若非空集，按序 取单元C_mn∈N_A，转至(4)；

(4)判断P_kk'+P_mn，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_A， f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mn，N_f＝N_f+C_mn， N_A＝N_A-C_mn，转至(3)；

(5)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f， 转至(8)；若非空集，按序取站内单元C_mm∈N_c满足

或

令N_B＝{C_mm}，并更新N_c＝N_c-N_B，转至(6)；

(6)判断N_B是否为空集，若为空集，则输出N_f，令f＝f+1，转 至(1)；若非空集，按序取单元C_mm∈N_B，转至(7)；

(7)判断P_kk'+P_mm，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_B， f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mm，N_f＝N_f+C_mm， N_A＝N_A-C_mm，转至(6)；

(8)对于输出的所有N_f,f＝(1,2,3...)，各代表一个供电网格，其 元素为组成网格的供电单元C_kk'、C_mn、C_mm等，至此，供电网格完成 合并。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所 做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤S1:根据远景年变电站布局规划数据，对变电站的供电范围进行优化；

步骤S2:根据优化后的供电范围，采用Kmeans算法对供电范围内的地块进行聚类形成供电区块，并采用KM偶图算法对各供电区块进行匹配形成供电单元；

步骤S3:根据得到的供电单元，通过负荷边界约束下同组电源自动合并的方法，形成供电网格。

2.根据权利要求1所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

步骤S11:获取远景年变电站布局规划数据，；

步骤S12:以负荷距最小为目标，构建目标函数；

步骤S13:预设供电距离、地形与变电站供电能力约束；

步骤S14:设定供电半径阈值,并建立配对矩阵；

步骤S15:进行迭代配对计算，直至所有地块完成分配，且变电站所承受地块负荷之和始终受阈值约束，供电范围划分完毕，输出各变电站供电范围。

3.根据权利要求2所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述远景年变电站布局规划数据包括规划区域内远景年220kV及以下的具备配电功能的所有公用变电站的电压等级、容量S_{i_s}、平面坐标(S_{i_x}和S_{i_y})及变电站间输配电拓扑关系，每个地块的负荷预测值L_j、中心坐标(B_{j_x}和B_{j_y})。

4.根据权利要求2所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S12:使地块B_j到变电站S_i的综合负荷距最小，负荷距定义为某地块负荷L_j乘以该地块负荷中心到供电变电站的曼哈顿距离d_ij，m为变电站数量，n为初始地块数量，目标函数如下所示：

5.根据权利要求2所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述约束条件具体为：

1)地形约束

沿路网的地块j和变电站i的近似通道

2)归属约束

每个地块在且仅在一个变电站供电范围内；

3)变电站供电能力约束

式中，P_{i_l}表示第i个变电站的供电能力区间下限值，P_{i_h}表示上限值，S_{i_s}表示变电站容量，R_{s_h}表示标准容载比区间上限，R_{s_l}表示标准容载比区间下限，P_{i_h1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区间上限值，P_{i_l1}表示下游单电源35kV变电站供电能力区间下限值，P'_{i_h1}表示下游双电源35kV变电站供电能力区间上限值，P'_{i_l1}表示下游双电源35kV变电站供电能力区间下限值，P_{i_h2}表示下游单电源110kV变电站供电能力区间上限值，P_{i_l2}表示下游单电源110kV变电站供电能力区间下限值，P'_{i_h2}表示下游双电源110kV变电站供电能力区间上限值，P'_{i_l2}表示下游双电源110kV变电站供电能力区间下限值。

6.根据权利要求1所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S21:在各变电站供电范围的基础上，通过远景供电单元接线组别预设的型式建立划分区块数，利用Kmeans聚类算法获取每个变电站所划分区块的初始聚类中心；

步骤S22:根据变电站内选定的若干个初始聚类中心，在欧式距离函数的基础上加入空间贯通系数和负荷权重系数建立目标函数，并根据预设约束条件进行计算，聚类供电区块；

步骤S23:在所有变电站供电区块聚类完毕后，利用供电区块匹配优化模型调整供电区块间的边权值，再利用Kuhn-Munkres偶图最大权匹配算法进行匹配，最终形成供电单元。

7.根据权利要求6所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S21具体为：

(1)计算变电站供电范围S_i内的地块总负荷P_i，并计算变电站拟划分区块数K_i：

(2)获取单个变电站范围内所有地块的负荷中心，对单个地块而言，负荷中心可等同于地块坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}，在此基础上计算地块间的欧式距离d_ijj':

并计算各变电站内地块间欧式距离的平均值Δd：

(3)以每个地块负荷中心为圆心、0.5Δd为半径，计算圆内所覆盖的地块负荷中心数量N_ij，设定动态阈值初始值L_i＝n_i/2，n_i为变电站S_i内供电地块总数，选取N_ij大于L_i的地块，将其负荷中心坐标B_{ij_x}和B_{ij_y}组合成元素C_ij纳入集合M_i，由于初始L_i值设置较大，此时集合M_i可能为空集合，通过调整阈值L_i，直至集合M_i的元素数量不小于K_i，M_i为C_ij的集合，C_ij作为M_i的元素表示初始纳入集合M_i的地块负荷中心坐标；

(4)在M_i集合中，选取N_ij最大的地块对应的元素C_ij，记为第一个初始聚类中心坐标C_i1并从集合M_i中剔除，剩下的元素形成集合M_i1，从集合M_i1中选取距离C_i1坐标欧式距离最远的坐标元素，记为第二个初始聚类中心坐标并C_i2从集合M_i1中剔除，剩下的元素形成集合M_i2，再从集合M_i2中选取距离坐标C_i1和坐标C_i2欧式距离之和最远的坐标元素，记为第三个初始聚类中心坐标C_i3并从集合M_i2中剔除，剩下的元素形成集合M_i3，如此循环，直至从M_iK-1中选出第K个初始聚类中心C_iK，至此变电站i的初始聚类中心C_i1、C_i2...C_iK选取完毕；

(5)重复上述步骤，直至所有变电站的初始聚类中心C_iK选取完毕。

8.根据权利要求6所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：

(1)在变电站i范围内，建立目标函数：

其中，λ_jk为负荷权重系数，表示地块B_j的负荷与聚类中心C_k代表的供电区块剩余负荷裕度之间的关系，具体关系为：

P_k是指前一次聚类时聚类中心C_k的总负荷，δ_jk为空间贯通系数，表示地块B_j的负荷中心与聚类中心C_k代表的供电区块的负荷中心之间的地理空间贯通关系，参考值为：

(2)利用目标函数进行计算，每一轮为每个聚类中心分配1个地块，并判断P_j+P_k的值是否超过16MW，若超过，则跳过该地块，判定本轮下一顺位地块，若不超过，则进行聚类；

(3)以聚类后的地块组合的负荷中心作为新的聚类中心C_k，参与下一轮的计算与分配聚类，新的聚类中心即地块组合的负荷中心的算法如下：

n'表示聚类中心C_k当前已聚类地块总数

(4)进行第二轮的计算与分配，重复步骤(2)的判定聚类操作与步骤(3)的聚类中心更新操作，如此循环，直至变电站S_i内所有地块B_ij聚类为K_i个供电区块，按初始聚类中心类别记为C'_i1～C'_iK；

(5)重复以上步骤，直至所有变电站供电区块C'_ik聚类完毕，其与变电站S_i的关系为：C'_ik∈S。

9.根据权利要求1所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤S31:设定网格负荷边界；

步骤S32:根据得到的供电单元，以负荷边界为约束，按同组电源点的方式合并为供电网格。

10.根据权利要求9所述的基于空间负荷聚类的配电网多级网格智能划分方法，其特征在于，所述步骤S32具体为:

(1)令初始f＝1，P_kk'为C_kk'对应单元初始负荷。

(2)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f，转至(8)；若非空集，按序取站间联络单元C_kk'∈N_c，令N_f＝{C_kk'}，取站间单元C_mn∈N_c同时满足

或同时满足

令N_A＝{C_mn}，并更新N_c＝N_c-N_f-N_A，转至(3)；

(3)判断N_A是否为空集，若为空集，转至(5)；若非空集，按序取单元C_mn∈N_A，转至(4)；

(4)判断P_kk'+P_mn，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_A，f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mn，N_f＝N_f+C_mn，N_A＝N_A-C_mn，转至(3)；

(5)判断N_c是否为空集，若为空集，则循环结束，输出所有的N_f，转至(8)；若非空集，按序取站内单元C_mm∈N_c满足

或

令N_B＝{C_mm}，并更新N_c＝N_c-N_B，转至(6)；

(6)判断N_B是否为空集，若为空集，则输出N_f，令f＝f+1，转至(1)；若非空集，按序取单元C_mm∈N_B，转至(7)；

(7)判断P_kk'+P_mm，若大于128，则输出N_f，并令N_c＝N_c∪N_B，f＝f+1，转至(1)；若小于等于128，令P_kk'＝P_kk'+P_mm，N_f＝N_f+C_mm，N_A＝N_A-C_mm，转至(6)；

对于输出的所有N_f,f＝(1,2,3...)，各代表一个供电网格，其元素为组成网格的供电单元C_kk'、C_mn、C_mm等，至此，供电网格完成合并。

Images