CN112688352A - 一种集成5g基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，涉及配电站规划领域，解决如何制定出具有综合优化效果的规划方案的技术问题，获取规划区域内配电站的位置分布、5G基站的位置分布以及5G基站的信号覆盖范围，筛选出未被周边独立5G基站信号完全覆盖的配电站；以充电站运营效益为评价函数，筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站；筛选出既满足未被周边独立5G基站信号完全覆盖又满足全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站，并组成备选配电站集合；在备选配电站集合内，以配电网络的改接变量为优化变量，求解配电网络改接约束下的配电网络改接规划成本最低的0‑1优化模型，从而筛选出改接后能够具备综合优化效果的配电站。

Description

一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法

技术领域

本发明涉及配电站规划领域，具体涉及一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法。

背景技术

随着国家节能减排不断推进，以“电能替代”改造的工业园区不断增多，使得区域负荷呈现多极化增长的趋势。并且，以天然气发电、光伏发电等为主的多能供能形式的分布式能源厂站不断接入现有高压配电网，其装机容量不断扩大，考虑到分布式能源既是发电生产者，又是用电消费者的双向互动交换电能特性，改变了传统高压配电网的供电方式。从负荷侧和分布式电源侧来看，都对现有配电网中部分区域负荷和电源发展不平衡问题带来显著影响。

在泛在电力物联网的大规模建设背景下，传统的高压配电网配电站正逐步进行“一站多能”升级改造，传统的配电站将被改造成具有多项供能特点的综合能源供应厂站。建设“一站多能”既是在充分利用现有设备来解决面多能负荷多极化发展的解决方案，也是电力公司积极拓展新业务体质增效的发展方向。

由于5G基站一般按照辐射半径进行规划，需要考虑地理位置的选址；改造配电站时配电网络的改建成本也与选址规划息息相关。但目前的一站多能配电站优化规划方法鲜有考虑同时集成5G基站与充电站的情况，因此难以在将配电站改建为一站多能配电站时取得综合优化效果。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，解决如何制定出具有综合优化效果的规划方案的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，包括以下步骤：

获取规划区域内配电站的位置分布、5G基站的位置分布以及5G基站的信号覆盖范围，筛选出未被周边独立5G基站信号完全覆盖的配电站；

以充电站运营效益为评价函数，筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站；

筛选出既满足未被周边独立5G基站信号完全覆盖又满足全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站，并组成备选配电站集合；

在所述备选配电站集合内，以配电网络的改接变量为优化变量，求解配电网络改接约束下的配电网络改接规划成本最低的0-1优化模型，从而筛选出改接后能够具备综合优化效果的配电站。

进一步的，按如下方式筛选出备选配电站集合：

首先，筛选出未被周边独立5G基站信号完全覆盖的配电站，并组成配电站集合Ω；

然后，在所述配电站集合Ω内筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站集合θ，以所述配电站集合θ作为所述备选配电站集合。

进一步的，采用核密度估计法在配电站集合Ω中筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站集合θ。

进一步的，通过覆盖范围函数Q来表达每个配电站被5G信号覆盖的程度：当Q≤0时，表示配电站未被周边独立5G基站信号完全覆盖；当Q＝1时，表示配电站被周边独立5G基站信号完全覆盖；

采用排列组合枚举法计算每个配电站受到其周边的各个5G基站的信号覆盖程度，若配电站与5G基站之间的距离大于5G基站的信号覆盖范围，则Q≤0；若配电站与5G基站之间的小于等于5G基站的信号覆盖范围，则Q＝1；根据计算结果选出Q≤0的配电站集合Ω。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：

1、本发明考虑了5G基站信号覆盖范围影响因素，采用排列组合枚举法筛选出能够有效集成5G基站的配电站的集合，在进行一站多能配电站优化规划时避免了5G基站重复配置的问题，提高了配电站改建时的通信覆盖效益。

2、本发明在进行一站多能配电站优化规划方法时考虑了充电站运营效益的因素，通过对等效配电站负荷峰谷差模型的核密度估计算法进一步筛选出电动汽车储能电站运营效益较高的配电站集合，进行一站多能配电站优化规划时避免了电动汽车储能电站运营效益低的问题，使得一站多能配电站改建运营效果达到最优。

3、本发明考虑了配电网络改接约束下的改接规划成本因素，在保证配电网络辐射型结构与连通性要求的同时，达到了改接规划成本最优的效果，进行一站多能配电站优化规划时避免了改接规划成本过高的问题，使得一站多能配电站改建综合效果达到最优。

4、本发明采用递进的方式进行层层筛选，先筛选出配电站集合Ω，再在配电站集合Ω中进步筛选出配电站集合θ，最后再依据改接成本进行筛选，能够大大降低运算量，提高效率。

附图说明

图1是本具体实施方式中集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法的流程图。

具体实施方式

参考图1所示，一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法获取现有5G基站位置分布，根据5G基站运营约束特征，采用排列组合枚举法筛选出待选的一站多能配电站集合Ω；以充电站运营效益最高为评价函数，在一站多能配电站集合Ω内筛选全年的负荷峰谷差进行核密度估计，从筛选出峰谷差期望较大的一站多能配电站集合θ；在配电站集合θ内，以配电网络的改接变量x、y、z为优化变量，求解配电网络改接约束下的配电网络改接规划成本最低的0-1优化模型；利用免疫遗传算法求解优化模型，筛选得出适于改接的最优个体，确定集成5G基站和充电站的一站多能配电站规划的最佳方案，以及对应的最小配电网络改接工程费用，指导建设规划。

5G基站运营约束用于确保集成5G基站的一站多能配电站所处地理位置未完全被5G信号覆盖，即确保集成5G基站的一站多能配电站辐射范围未被周边独立5G基站信号完全覆盖，当Q≤0时，表示配电站未被周边独立5G基站信号完全覆盖；当Q＝1时，表示配电站被周边独立5G基站信号完全覆盖；

采用排列组合枚举法计算每个配电站受到其周边的各个5G基站的信号覆盖程度，若配电站与5G基站之间的距离大于5G基站的信号覆盖范围，则Q≤0；若配电站与5G基站之间的小于等于5G基站的信号覆盖范围，则Q＝1；根据计算结果选出Q≤0的配电站集合Ω。只要配电站与周边任何一个5G基站之间的Q≤0则入选到配电站集合Ω中。

例如，5G基站的信号覆盖范围约为100-300米，覆盖范围函数Q表示配电站周围100-300米的区域受周边5G基站信号覆盖的程度，Q小于等于0表示配电站周围100-300米的区域未被周边5G基站信号完全覆盖，Q等于1表示被完全覆盖。

充电站运营效益表示储能充电站在峰谷差电价政策下的运营效益，其表达式为

式中，P_high为峰段电价，P_low为谷段电价，P_dis为储能装置释放电能价格，ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃分别表示谷段电价的充电时间，峰段电价的充电时间，以及储能装置释放电能的时间，并且满足ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃≤24。

配电站负荷峰谷差用于表征充电站运营效益大小，通过充电站运营效益表达式可看出配电站负荷峰谷差越大，充电站运营效益越大，反之，充电站运营效益越小。

核密度估计用于在一站多能配电站集合Ω内筛选全年的负荷峰谷差期望较大的一站多能配电站集合θ，以保证在5G基站合理配置的情况下集成充电站时充电站运营效益较大，核密度估计方法采用现有技术即可，例如中国专利(CN201810302743.2)一种空间负荷预测中确定元胞负荷最大值的核密度估计方法。

配电网络的改接变量x、y、z分别表示改建一站多能配电站时配电网络电缆、架空线路及线路断路器的改接情况。

电缆改接变量x为N_cable行N_cabinet列矩阵，N_cable为配网中电缆总条数，N_cabine为配网中环网柜总数，电缆改接变量x中的元素x_ij取值为0或1；x_ij＝1代表第i条电缆经改接后连入第j个环网柜的供电间隙中，或者第i条电缆经改接后依然与第j个环网柜的供电间隙连接；x_ij＝0代表第i条电缆经改接后与第j个环网柜的供电间隙断开，或者第i条电缆未与第j个环网柜的供电间隙相连。

架空线路改接变量y为N_line行N_set列矩阵，N_line为配网中架空线总数，N_set1为配网中与各条架空线相邻的架空线的最大数量，只有相邻架空线之间才能进行改接；架空线路改接变量y中元素y_ij取值为0或1；y_ij＝1代表第i条架空线经改接后与第j条架空线相连，实现架空线T接；y_ij＝0代表第i条架空线经改接后未与第j条架空线相连。

线路断路器改接变量z为N_line行N_set2列矩阵，N_line为配网中架空线总数，N_set2为配网中与各条架空线相邻，且能够通过延长线路、增设线路断路器的方式相连的线路或环网柜的最大数量；线路断路器改接变量z中元素z_ij取值为0或1，z_ij＝1代表第i条架空线经改接后与第j条架空线或环网柜通过延长线路、增设线路断路器的方式相连，z_ij＝0代表第i条架空线经改接后未与第j条架空线或环网柜相连。

配电网络改接规划成本最低的0-1优化模型用于计算得出在配电网络改接约束下配电网络改接规划成本最低的一站多能配电站改建方案，其优化目标表达式为

min F＝G₁+G₂

式中，F代表配电网络改接规划成本，即优化目标值，其由电缆或者架空线路的解头、搭头、新建联络开关等线路改接费用G₁、线路改接的工人施工和配套工程需要的材料所消耗的总费用G₂组成。

电缆或者架空线路的解头、搭头、新建联络开关等线路改接费用G₁与线路改接的工人施工和配套工程需要的材料所消耗的总费用G₂表达式为

式中，x_ij*表示电缆线路i在环网柜间隔j的原有的0-1状态；x_ij＞x_ij ^*表示仅计及电缆线路i改接入新环网柜j的值；w₁、w₂、w₃分别表示三种线路搭头和解头工程的费用系数；

表示电缆线路j的改接次数，若存在改接B_j＝1；若不存在改接，则B_j＝0。f_x、f_y、f_z分别是单位长度的线路改接的工人施工费和配套工程费之和的费用向量；L₁、L₂、L₃分别是电缆、架空线路和联络开关需扩建的线路长度矩阵。

配电网络改接约束包括10kV馈线容量约束、改进110kV主变容量约束、10kV馈线辐射网络约束与10kV馈线连通性约束。

10kV馈线容量约束用于保证配电网络改接后每一条10kV馈线正常情况不过载，其约束表达式为

g_k(x,y,z)≤M_k

式中，g_k(x,y,z)代表进行一站多能改建后的配电站所接的第k条10kV馈线在(x,y,z)改接方案下正常运行时传输的功率，M_k代表对应馈线正常运行所能传输的最大功率。

改进110kV主变容量约束用于保证进行一站多能改建后的配电站正常运行时不过载，其约束表达式为

式中，S_Γ表示第Γ个110kV主变容量；P_5G代表集成在改建一站多能配电站中的5G基站负荷；P_ins代表集成在改建一站多能配电站中的储能负荷。

10kV馈线辐射网络约束用于保证进行一站多能改建后配电网络依然为辐射型网络，即保证配电网络不含回路，其约束表达式为

D(x,y)≤0

式中，D(x,y)代表配电网络在(x,y)改接方案下的基本回路矩阵。当基本回路矩阵出现非零元素，即表示配电网络出现了回路，则不满足约束；当基本回路矩阵全为0，即表示配电网络不含回路，满足约束。

10kV馈线连通性约束用于保证配电网络中所有节点互相连通，不含孤立节点，保证所有负荷节点均有功率供给，其约束表达式为

h(x,y)≤0

式中，h(x,y)代表配电网络在(x,y)改接方案下的连通矩阵。当连通矩阵不含非零行时，即表示配电网络不含孤立节点，则满足约束；当连通矩阵含非零行时，即表示配电网络含孤立节点，则不满足约束。

免疫遗传算法用于根据优化模型在配电站集合θ中筛选得出集成5G基站和充电站的最优个体，免疫遗传算法采用现有技术即可，例如中国专利(CN201510942595.7)一种基于免疫遗传算法的模块化多电平变换器的调制方法，其中抗体亲和度函数为fitness＝1/(1+F)，F表示配电网络改接规划成本，其余必要公式模型均与上述专利相同。

Claims (10)

1.一种集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取规划区域内配电站的位置分布、5G基站的位置分布以及5G基站的信号覆盖范围，筛选出未被周边独立5G基站信号完全覆盖的配电站；

以充电站运营效益为评价函数，筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站；

筛选出既满足未被周边独立5G基站信号完全覆盖又满足全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站，并组成备选配电站集合；

在所述备选配电站集合内，以配电网络的改接变量为优化变量，求解配电网络改接约束下的配电网络改接规划成本最低的0-1优化模型，从而筛选出改接后能够具备综合优化效果的配电站。

2.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，按如下方式筛选出备选配电站集合：

首先，筛选出未被周边独立5G基站信号完全覆盖的配电站，并组成配电站集合Ω；

然后，在所述配电站集合Ω内筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站集合θ，以所述配电站集合θ作为所述备选配电站集合。

3.根据权利要求2所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，采用核密度估计法在配电站集合Ω中筛选出全年负荷峰谷差期望大于期望阈值的配电站集合θ。

4.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，通过覆盖范围函数Q来表达每个配电站被5G信号覆盖的程度：当Q≤0时，表示配电站未被周边独立5G基站信号完全覆盖；当Q＝1时，表示配电站被周边独立5G基站信号完全覆盖；

采用排列组合枚举法计算每个配电站受到其周边的各个5G基站的信号覆盖程度，若配电站与5G基站之间的距离大于5G基站的信号覆盖范围，则Q≤0；若配电站与5G基站之间的小于等于5G基站的信号覆盖范围，则Q＝1；根据计算结果选出Q≤0的配电站集合Ω。

5.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，配电网络的改接变量包括改建一站多能配电站时配电网络的电缆改接变量x、架空线路改接变量y与线路断路器改接变量z；

电缆改接变量x为N_cable行N_cabinet列矩阵，N_cable为配网中电缆总条数，N_cabine为配网中环网柜总数，电缆改接变量x中的元素x_ij取值为0或1；x_ij＝1代表第i条电缆经改接后连入第j个环网柜的供电间隙中，或者第i条电缆经改接后依然与第j个环网柜的供电间隙连接；x_ij＝0代表第i条电缆经改接后与第j个环网柜的供电间隙断开，或者第i条电缆未与第j个环网柜的供电间隙相连；

架空线路改接变量y为N_line行N_set列矩阵，N_line为配网中架空线总数，N_set1为配网中与各条架空线相邻的架空线的最大数量，只有相邻架空线之间才能进行改接；架空线路改接变量y中元素y_ij取值为0或1；y_ij＝1代表第i条架空线经改接后与第j条架空线相连，实现架空线T接；y_ij＝0代表第i条架空线经改接后未与第j条架空线相连；

线路断路器改接变量z为N_line行N_set2列矩阵，N_line为配网中架空线总数，N_set2为配网中与各条架空线相邻，且能够通过延长线路、增设线路断路器的方式相连的线路或环网柜的最大数量；线路断路器改接变量z中元素z_ij取值为0或1，z_ij＝1代表第i条架空线经改接后与第j条架空线或环网柜通过延长线路、增设线路断路器的方式相连，z_ij＝0代表第i条架空线经改接后未与第j条架空线或环网柜相连。

6.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，所述0-1优化模型的目标函数表达式如下：

minF＝G₁+G₂

式中，F代表配电网络改接规划成本，即优化目标值；G₁表示包括电缆或者架空线路的解头、搭头与新建联络开关费用在内的线路改接费用，G₂表示线路改接的工人施工和配套工程需要的材料所消耗的总费用。

7.根据权利要求6所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，按如下公式计算G₁、G₂：

式中，x_ij*表示电缆线路i在环网柜间隔j的原有的0-1状态；x_ij＞x_ij ^*表示仅计及电缆线路i改接入新环网柜j的值；w₁、w₂、w₃分别表示三种线路搭头和解头工程的费用系数；

表示电缆线路j的改接次数，若存在改接B_j＝1；若不存在改接，则B_j＝0。f_x、f_y、f_z分别是单位长度的线路改接的工人施工费和配套工程费之和的费用向量；L₁、L₂、L₃分别是电缆、架空线路和联络开关需扩建的线路长度矩阵。

8.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，配电网络改接约束包括10kV馈线容量约束、110kV主变容量约束、10kV馈线辐射网络约束与10kV馈线连通性约束；

10kV馈线容量约束用于保证配电网络改接后每一条10kV馈线正常情况不过载；

110kV主变容量约束用于保证进行一站多能改建后的配电站正常运行时不过载；

10kV馈线辐射网络约束用于保证进行一站多能改建后配电网络依然为辐射型网络，即保证配电网络不含回路；

10kV馈线连通性约束用于保证配电网络中所有节点互相连通，不含孤立节点，保证所有负荷节点均有功率供给。

9.根据权利要求8所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，配电网络改接约束的表达式如下：

10kV馈线容量约束：

g_k(x,y,z)≤M_k

式中，g_k(x,y,z)代表进行一站多能改建后的配电站所接的第k条10kV馈线在(x,y,z)改接方案下正常运行时传输的功率，M_k代表对应馈线正常运行所能传输的最大功率；

110kV主变容量约束：

式中，S_Γ表示第Γ个110kV主变容量；P_5G代表集成在改建一站多能配电站中的5G基站负荷；P_ins代表集成在改建一站多能配电站中的储能负荷；

10kV馈线辐射网络约束：

D(x,y)≤0

式中，D(x,y)代表配电网络在(x,y)改接方案下的基本回路矩阵。当基本回路矩阵出现非零元素，即表示配电网络出现了回路，则不满足约束；当基本回路矩阵全为0，即表示配电网络不含回路，满足约束；

10kV馈线连通性约束：

h(x,y)≤0

式中，h(x,y)代表配电网络在(x,y)改接方案下的连通矩阵。当连通矩阵不含非零行时，即表示配电网络不含孤立节点，则满足约束；当连通矩阵含非零行时，即表示配电网络含孤立节点，则不满足约束。

10.根据权利要求1所述的集成5G基站和充电站的一站多能配电站优化规划方法，其特征在于，采用免疫遗传算法求解配电网络改接约束下的配电网络改接规划成本最低的0-1优化模型，免疫遗传算法中的抗体亲和度函数为fitness＝1/(1+F)，F表示配电网络改接规划成本。

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