CN112766738B - 一种配电网自动化终端的优化配置方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网自动化终端的优化配置方法，它基于逻辑算子进行搭建，具体包括以下步骤：步骤1：进行仅考虑手动隔离开关

的负荷停电时间通项模型的搭建；步骤2：进行搭建考虑手动隔离开关

与故障指示器

的负荷停电时间通项模型的搭建；步骤3：搭建同时考虑手动隔离开关

与故障指示器

以及自动隔离开关

的负荷停电时间通项模型。

Description

一种配电网自动化终端的优化配置方法

技术领域

本发明属于电力系统规划领域，具体涉及一种配电网自动化终端的优化配置方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，用户对于配电网供电可靠性需求越来越高。通过引入各种类型的配电网自动化终端可以快速的实现故障隔离，加速故障定位，并进行负荷转供，最大程度的减少永久故障导致的停电损失以及用户停电时间，是提高配电网可靠性的最有效的手段。

在现有技术中，授权公告号为CN201611215510的专利文献中公开了一种配电网终端优化配置方法，该专利对配电网终端的安装类型、数量以及位置进行了深入的研究，在保证供电可靠性的基础上对配电终端的配置进行了可观性分析，实现了配电网的可观测性并降低了配电网不可观测的风险。

但是这类现有技术没有考虑各类配电网自动化终端对故障巡线的加速作用，从而导致了现有的技术对实际的可靠性计算存在一定差距，导致不能取得全局最优解，最终导致经济的浪费。

国内电网从上个世纪已经开始了配电网自动化的建设与推广。但是由于配电网的结构复杂，运行方式多样，自动化终端类型繁多，如何通过有限的资源尽可能充分的发挥配电网自动化的作用，是进行配电网自动化建设的最重要问题，因此需要构建一套配电网自动化终端优化配置方法。

发明内容

本发明的目的是为了适应结构越来越复杂、运行方式越来越多样化、自动化终端类型越来越繁多的配电网，使配电网完全、稳定的自动化运行，而提供的一种配电网自动化终端的优化配置方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种搭建负荷关于配电网自动化终端的停电时间函数的方法，它基于逻辑算子进行搭建，具体包括以下步骤：

步骤1：进行仅考虑手动隔离开关x的负荷停电时间通项模型的搭建；

步骤2：进行搭建考虑手动隔离开关x与故障指示器y的负荷停电时间通项模型的搭建；

步骤3：搭建同时考虑手动隔离开关x与故障指示器y以及自动隔离开关z的负荷停电时间通项模型。

在步骤1中，手动隔离开关x的负荷停电时间通项表达式为：

式中：X_i,j为馈线f上故障i到负荷j之间的x变量集合；

是有关手动隔离开关动作时间的判定算子；

是有关维修时间的判定算子；t^search为该条馈线的故障巡线常数，与该条馈线的中压区段以及低压区段总长度有关；t^mcs为手动隔离开关动作时间常数；t^rep为故障维修时间常数。

在步骤2中，考虑手动隔离开关x与故障指示器y的负荷停电时间通项表达式为：

v_a(x，y)＝And(Or(Y_i,a),Or(X_j,a))

式中：

是判断区段s到故障i之间不存在任何故障指示器的判定算子；Y_i，s为馈线f上故障i到区段s之间的y变量集合；

为区段s的巡线时间；Ω_s为区段集合；v_a(x,y)为开关安装候选位置辅助变量，用于判定在开关安装候选位置a_n的负荷侧的手动隔离开关与故障侧的故障指示器是否同时存在；Y_i,a为馈线f上故障i到开关安装候选位置a_n之间的y变量集合；X_j,a为馈线f上负荷j到开关安装候选位置a_n之间的x变量集合；

是用于判定负荷j是否需要经历巡线时间的算子；V_i,j(x,y)为故障i到负荷j之间所有的辅助变量v_a(x，y)集合。

在步骤3中，同时考虑手动隔离开关x与故障指示器y以及自动隔离开关z的负荷停电时间通项表达式为：

式中：t^rcs为自动隔离开关动作时间。

一种搭建配电网自动化终端优化配置模型的方法，包括如下步骤：

步骤1)搭建停电损失有关于配电网自动化终端的通项模型；

步骤2)搭建资金投入有关于配电网自动化终端的通项模型；

步骤3)搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，以资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置模型。

在步骤1)中，

将故障导致配电网停电以后，售电公司在停电时间内损失的所有售电费作为电网侧停电损失，其数学表达式为：

式中：Ω_f，i为馈线f上故障i集合；Ω_f，j为馈线f上的负荷j集合；Ω_j，k为负荷点j的所有负荷类型集合；λ_i为故障i的期望概率；P_t，k为第t年第k种类型负荷的负荷量；R_k是第k种类型负荷的单位电价；

将故障导致配电网停电以后，用户在停电时间内损失作为用户侧停电损失，其数学表达式为：

式中：CDF_k(·)为停电损失函数；

将总停电损失损失，即电网侧停电损失与负荷侧停电损失之和，作为优化目标之一，其数学表达式为：

CIC(x，y，z)＝GCIC(x，y，z)+LCIC(x，y，z)。

在步骤2)中，设一次投资费用即整个配电网所有馈线上所有自动化终端的一次投资成本之和，其数学表达式为：

式中：Ω_f为配电网中馈线集合；Ω_f，a，Ω_f，d为馈线f上隔离开关与故障指示器的候选安装位置集合；inv^MCS，inv^FI与inv^RCS分别为手动隔离开关，故障指示器与自动隔离开关的一次投资成本；

后期维修费用即在自动化终端的整个使用年限其间的维修费用之和，其数学表达式为：

式中：Ω_t是自动化终端的预计使用年限；DR为维修费折扣率；

将全生命周期费用，即一次投资费用与后期维修费用之和，作为优化目标之一以及约束，其通项表达式。

在步骤3)中，优化的目标为在有限的资金投入下将永久故障带来的停电损失与资金投入之和降到最低，其对应的优化模型如下所示：

minimize CIC(x，y，z)+LCC(x，y，z)

式中：LCC^lim为全生命周期费用上限；

在同一个隔离开关安装位置安装同一种类型的隔离开关。

一种配电网自动化终端的优化配置方法，它包括以下步骤：

步骤1：提出考虑与或关系的逻辑算子；

步骤2：基于逻辑算子搭建负荷关于配电网自动化终端的停电时间函数；

步骤3：基于停电时间函数搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，以资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置；

步骤4：基于优化配置模型进行求解得到最优配置方案。

在步骤1中，具体包括以下步骤：

步骤1)定义变量集合。

VAR＝{var_i|i∈Ω_index}；

式中：变量var_i为本文的决策布尔型变量，其值为1则代表在i处配置对应的自动化终端，其值为0则代表不配置对应的自动化终端。Ω_index为满足特定条件的下角标集合。VAR则为下角标满足一定条件的变量的集合；

步骤2)定义对变量集合进行运算的逻辑与算子And(·)和逻辑或算子Or(·)；

在步骤2中，采用上述搭建负荷关于配电网自动化终端的停电时间函数的方法。

在步骤3中，采用上述搭建配电网自动化终端优化配置模型的方法。

在步骤4中，采用改进岛式并行遗传算法进行求解得到最优配置方案，在岛式模型中，采用多个各自独立的初始种群，并分配至各个线程，在各个种群中都采用其自己的进化过程，在各自的搜索空间中探查，种群与种群之间采用迁移机制实现信息的交换。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明能很好的适应结构越来越复杂、运行方式越来越多样化、自动化终端类型越来越繁多的配电网，能使配电网更完全、稳定的自动化运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为改进岛式并行遗传算法的执行流程图；

图2为本发明中配置流程图；

图3为测试系统拓扑图；

图4为配电网自动化终端数量变化图；

图5为求解目标数值变化图。

具体实施方式

一种配电网自动化终端的优化配置方法，包括以下步骤：

步骤1：提出一组考虑与或关系的逻辑算子；

步骤2：基于步骤1中的逻辑算子搭建负荷关于配电网自动化终端的停电时间函数；

步骤3：基于步骤2中的停电时间函数搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置模型；

步骤4：基于步骤3中的优化配置模型，采用改进岛式并行遗传算法进行求解得到最优配置方案；

在步骤1中，具体包括以下步骤：

步骤1)定义变量集合。

VAR＝{var_i|i∈Ω_index}

式中：变量var_i为本文的决策布尔型变量，其值为1则代表在i处配置对应的自动化终端，其值为0则代表不配置对应的自动化终端。Ω_index为满足特定条件的下角标集合。VAR则为下角标满足一定条件的变量的集合。

步骤2)定义对变量集合进行运算的逻辑与算子And(·)和逻辑或算子Or(·)。

在步骤2中，具体包括以下步骤：

步骤1)搭建仅考虑手动隔离开关x的负荷停电时间通项表达式；

式中：X_i,j为馈线f上故障i到负荷j之间的x变量集合；

是有关手动隔离开关动作时间的判定算子；

是有关维修时间的判定算子；t^search为该条馈线的故障巡线常数，与该条馈线的中压区段以及低压区段总长度有关；t^mcs为手动隔离开关动作时间常数；t^rep为故障维修时间常数

步骤2)搭建考虑手动隔离开关x与故障指示器y的负荷停电时间通项表达式：

v_a(x，y)＝And(Or(Y_i，a)，O_r(X_j,a))

式中：

是判断区段s到故障i之间不存在任何故障指示器的判定算子；Y_i,s为馈线f上故障i到区段s之间的y变量集合；

为区段s的巡线时间；Ω_s为区段集合；v_a(x，y)为开关安装候选位置辅助变量，用于判定在开关安装候选位置a_n的负荷侧的手动隔离开关与故障侧的故障指示器是否同时存在；Y_i，a为馈线f上故障i到开关安装候选位置a_n之间的y变量集合；X_j，a为馈线f上负荷j到开关安装候选位置a_n之间的x变量集合；

是用于判定负荷j是否需要经历巡线时间的算子；V_i，j(x，y)为故障i到负荷j之间所有的辅助变量v_a(x，y)集合；

步骤3)搭建同时考虑手动隔离开关x与故障指示器y以及自动隔离开关z的负荷停电时间通项表达式：

式中：t^rcs为自动隔离开关动作时间。

在步骤3中，具体包括以下步骤：

步骤1)搭建停电损失有关于配电网自动化终端的通项表达式。

本专利将故障导致配电网停电以后，售电公司在停电时间内损失的所有售电费作为电网侧停电损失，其数学表达式为：

式中：Ω_f，i为馈线f上故障i集合；Ω_f，j为馈线f上的负荷j集合；Ω_j，k为负荷点j的所有负荷类型集合；λ_i为故障i的期望概率；P_t，k为第t年第k种类型负荷的负荷量；R_k是第k种类型负荷的单位电价；

本专利将故障导致配电网停电以后，用户在停电时间内损失作为用户侧停电损失，其数学表达式为：

式中：CDF_k(·)为停电损失函数

本专利中将总停电损失，即电网侧停电损失与负荷侧停电损失之和，作为优化目标之一，其数学表达式为：

CIC(x,y,z)＝GCIC(x，y，z)+LCIC(x，y，z)

步骤2)搭建资金投入有关于配电网自动化终端的通项表达式。

本专利中一次投资费用即整个配电网所有馈线上所有自动化终端的一次投资成本之和，其数学表达式为：

式中：Ω_f为配电网中馈线集合；Ω_f，a，Ω_f，d为馈线f上隔离开关与故障指示器的候选安装位置集合；inv^MCS，inv^FI与inv^RCS分别为手动隔离开关，故障指示器与自动隔离开关的一次投资成本；

本专利中后期维修费用即在自动化终端的整个使用年限其间的维修费用之和，其数学表达式为：

式中：Ω_t是自动化终端的预计使用年限；DR为维修费折扣率。

本专利中将全生命周期费用，即一次投资费用与后期维修费用之和，作为优化目标之一以及约束，其通项表达式。

步骤3)搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置模型。

本专利致力于在有限的资金投入下将永久故障带来的停电损失与资金投入之和降到最低，其对应的优化模型如下所示：

minimize CIC(x，y，z)+LCC(x，y，z)

式中：LCC^lim为全生命周期费用上限，考虑到手动隔离开关与自动隔离开关的安装候选位置一致，因此添加安装约束，即在同一个隔离开关安装位置只能存在一种类型的隔离开关。

步骤4包括：

在岛式模型中，为了增强随机性，采用多个各自独立的初始种群，并分配至各个线程，在各个种群中都采用其自己的进化过程，在各自的搜索空间中探查，在保证计算效率的同时，种群与种群之间采用迁移机制实现信息的交换。为更进一步的改进算法效率，在算法流程中加入了自适应调整阶段，这个阶段强化了搜索过程中的平衡能力，在这个阶段中适应度最高的个体将被用于禁忌搜索，而且最低的个体则会被执行全局搜索，其流程图如图1所示。

实施例：

本专利采用IEEE RBTS-BUS4配电网系统当做测试的配电网系统，其拓扑结构如图3所示。

该配电系统一共有7条馈线，38个负荷节点，241个各类终端候选位置，4779户用户，总平均负荷24.58MW。

可以发现，如果采用一般的暴力算法求解，解的结果存在2²⁴¹种，将会维度灾难，从另一方面来讲，该模型因此也很适合验证本专利所提模型的有效性。

本专利采用的相关参数如下：

表1时间类参数

表2价格类参数

其中R₁,R₂与R₃分别为居民负荷，商业负荷以及工业负荷的单位电价

表3故障类参数

其中p^low,v^low以及p^mid与v^mid分别低压区段以及中压区段的故障概率系数以及巡线速度，p^T为中压变压器的故障概率。

表4求解类参数

表5各种类型负荷停电损失系数

求解结果如图4与图5所示。

对于图4，在LCC不断增加的过程中，可以发现：

手动隔离开关率先投入配置，在2000000附近数量第一次达到峰值15个，然后下降并在4500000左右第二次达到峰值，最终跌至0个。

对于障指示器，它一直处于一个波动比较大的状态，其数量曲线的峰值与峰谷与手动隔离开关的数量曲线的峰值峰谷有很大程度的重合，但是与手动隔离开关不同的是，它最终保持在38个。

由于自动隔离开关价格最昂贵，在LCC较小的时候，在配电网中不投入配置，但是随着LCC上升，自动隔离开关的数量逐渐上升，最终稳定在51个。

对于图5，会发现综合费用会出现一个最低值，观察图可以发现，这是因为当LCC较小的时候，停电损失比较大，虽然可以通过增加LCC减少停电损失，但是因为根据上面的分析，停电损失存在饱和特性，当减少到一定值后，经过LCC持续增大，停电损失基本不再减小，导致了综合费用上升。

以上结果充分佐证了本专利提出的一种配电网自动化终端的优化配置方法的合理性以及有效性。

Claims (1)

1.一种配电网自动化终端的优化配置方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1：提出考虑与或关系的逻辑算子；

步骤2：基于逻辑算子搭建负荷关于配电网自动化终端的停电时间函数；

步骤3：基于停电时间函数搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，以资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置；

步骤4：基于优化配置模型进行求解得到最优配置方案；

在步骤1中，包括以下步骤：

步骤1)定义变量集合：

VAR＝{var_i|i∈Ω_index}；

式中：变量var_i为决策布尔型变量，其值为1则代表在i处配置对应的自动化终端，其值为0则代表不配置对应的自动化终端，Ω_index为满足特定条件的下角标集合，VAR则为下角标满足一定条件的变量的集合；

步骤2)定义对变量集合进行运算的逻辑与算子And(·)和逻辑或算子Or(·)；

在步骤2中，包括以下步骤：

步骤1)进行仅考虑手动隔离开关x的负荷停电时间通项模型的搭建；

步骤2)进行搭建考虑手动隔离开关x与故障指示器y的负荷停电时间通项模型的搭建；

步骤3)搭建同时考虑手动隔离开关x与故障指示器y以及自动隔离开关z的负荷停电时间通项模型；

在步骤1)中，手动隔离开关x的负荷停电时间通项表达式为：

式中：X_i,j为馈线f上故障i到负荷j之间的x变量集合；

是有关手动隔离开关动作时间的判定算子；

是有关维修时间的判定算子；t^search为该条馈线的故障巡线常数，与该条馈线的中压区段以及低压区段总长度有关；t^mcs为手动隔离开关动作时间常数；t^rep为故障维修时间常数；

在步骤2)中，考虑手动隔离开关x与故障指示器y的负荷停电时间通项表达式为：

v_a(x,y)＝And(Or(Y_i,a),Or(X_j,a))

式中：

是判断区段s到故障i之间不存在任何故障指示器的判定算子；Y_i,s为馈线f上故障i到区段s之间的y变量集合；

为区段s的巡线时间；Ω_s为区段集合；v_a(x,y)为开关安装候选位置辅助变量，用于判定在开关安装候选位置a_n的负荷侧的手动隔离开关与故障侧的故障指示器是否同时存在；Y_i,a为馈线f上故障i到开关安装候选位置a_n之间的y变量集合；X_j,a为馈线f上负荷j到开关安装候选位置a_n之间的x变量集合；

是用于判定负荷j是否需要经历巡线时间的算子；V_i,j(x,y)为故障i到负荷j之间所有的辅助变量v_a(x,y)集合；

在步骤3)中，同时考虑手动隔离开关x与故障指示器y以及自动隔离开关z的负荷停电时间通项表达式为：

式中：t^rcs为自动隔离开关动作时间；

在步骤3中，包括以下步骤：

步骤1)搭建停电损失有关于配电网自动化终端的通项模型；

步骤2)搭建资金投入有关于配电网自动化终端的通项模型；

步骤3)搭建以最小化停电损失与资金投入之和为目标，以资金投入为约束的配电网自动化终端优化配置模型；

在步骤1)中，

将故障导致配电网停电以后，售电公司在停电时间内损失的所有售电费作为电网侧停电损失，其数学表达式为：

式中：Ω_f,i为馈线f上故障i集合；Ω_f,j为馈线f上的负荷j集合；Ω_j,k为负荷点j的所有负荷类型集合；λ_i为故障i的期望概率；P_k,k为第t年第k种类型负荷的负荷量；R_k是第k种类型负荷的单位电价；

将故障导致配电网停电以后，用户在停电时间内损失作为用户侧停电损失，其数学表达式为：

式中：CDF_k(·)为停电损失函数；

将总停电损失，即电网侧停电损失与负荷侧停电损失之和，作为优化目标之一，其数学表达式为：

CIC(x,y,z)＝GCIC(x,y,z)+LCIC(x,y,z)；

在步骤2)中，设一次投资费用即整个配电网所有馈线上所有自动化终端的一次投资成本之和，其数学表达式为：

式中：Ω_f为配电网中馈线集合；Ω_f,a,Ω_f,d为馈线f上隔离开关与故障指示器的候选安装位置集合；inv^MCS，inv^FI与inv^RCS分别为手动隔离开关，故障指示器与自动隔离开关的一次投资成本；

后期维修费用即在自动化终端的整个使用年限其间的维修费用之和，其数学表达式为：

式中：Ω_t是自动化终端的预计使用年限；DR为维修费折扣率；

将全生命周期费用，即一次投资费用与后期维修费用之和，作为优化目标之一以及约束，其通项表达式。

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