CN113708369A - 一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，该方法包括：以中压配电网供电单元个数最少与供电单元内“N‑1”校验后转供线路负载率均衡为目标，建立中压配电网供电单元划分数学模型；基于站间供电单元与站内供电单元划分的差异化技术的解析，提出中压配电网供电单元的求解次序；提出基于站间馈线松弛负载率控制的站间供电单元划分方法；提出一体化的站内供电单元划分方法，以此实现中压配电网供电单元的合理划分。本发明实施例提供的技术方案，考虑了供电单元内联络馈线间的负荷特性互补，可以降低配电网建设规模的需求，降低配电网规划的经济成本。

Description

一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法

技术领域

本发明属于中压配电网模块化规划方面，尤其涉及一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法。

背景技术

中压配电网是电力系统中直接面向终端用户的重要部分，是服务民生的重要基础设施。配电网规划问题具有大规模、多目标、非线性和离散性等特性，因此针对中压配电网进行整体规划求解难度较大。国家电网公司最新发布的配电网规划设计技术导则明确规定，需要以供电网格(2～4座互联变电站)、供电单元(1～4组馈线供电范围)为基本单位来开展网架规划。在馈线规划层面，通过供电单元合理划分，一方面可有效减少变电站出线条数并提升线路/间隔利用效率，考虑到主干和分支线路单位长度造价差异，能进一步降低网架的建设成本，另一方面，也可为线路布局提供更大的优化空间，支撑最佳规划方案的实现，因此，对供电单元进行合理划分至关重要。

目前有关供电单元划分的研究主要分为两类，第一类依靠笼统的技术原则和规划人员经验对供电单元进行划分，第二类是提出供电单元划分的优化模型和求解方法。这些研究均未考虑具有联络关系的馈线内负荷特性互补对供电单元划分造成的影响，虽然每一条馈线在正常运行时负载率可以达到该种接线模式下负载率的最大值，但若供电单元中互相联络馈线所供负荷的特性也存在互补空间，某条馈线故障后，另一条非故障馈线对其转供后负载率仍具有一定的裕度，需要通过更加细致的技术方法来挖掘单元的整体供电潜力。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于站间馈线间松弛负载率控制的供电单元划分方法，用来解决在供电单元划分时未能充分考虑具有联络关系馈线之间负荷特性互补而造成供电单元内转供线路负载率偏低的问题。

具体的，考虑联络馈线间负荷特性互补和松弛负载率控制的供电单元划分方法包括：

(1)面向供电单元合理划分的需求，构建以中压配电网供电单元个数最少、供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率均衡为目标的供电单元划分数学模型。

(2)基于站间供电单元与站内供电单元划分差异化技术特点的解析，提出中压配电网供电单元划分的求解次序；

(3)提出松弛控制站间馈线负载率的方法；

(4)提出基于站间馈线松弛负载率控制的站间供电单元划分方法。

(5)提出一体化的站内供电单元划分方法。

所述步骤(1)构建以供电单元个数最少和各个供电单元内转供线路负载率最均衡为目标的供电单元划分模型，具体包括：

1)目标函数

minZ

Z＝Z_zj+Z_zn

其中，Z表示中压配电网供电单元的个数；Z_zj表示站间供电单元个数；Z_zn表示站内供电单元个数；f_zji表示第i个站间供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f_zni表示第i个站内供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f表示各供电单元中“N-1”校验后转供线路负载率最大值的均值；α表示各供电单元中“N-1”校验后转供线路负载率最大值的方差，用来描述各条线路负载率之间的均衡性。

2)约束条件

①可靠性约束：

f_zji≤100％，f_zni≤100％

其中，f_zji表示第i个站间供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f_zni表示第i个站内供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值

②负荷匹配约束为：

其中，R_iq与T_iq分别表示与第i台主变相连的第q条馈线的容量和负载率。

③主变负载率约束

0≤T_i≤1

其中，T_i表示的是第i台主变的负载率。

所述步骤(2)基于站间供电单元与站内供电单元划分差异化技术特点的解析，提出中压配电网站供电单元的求解顺序，具体包括：

1)站间供电单元的划分是以单条馈线的理论最大负载率为基础，在不同变电站的站间供电区域中分别挖掘单条馈线的供电能力，而后组合形成供电单元；

2)站内供电单元的划分是以地理上相邻的一组馈线供电区域作为基本单位，对同一座变电站的供电范围进行划分，以期实现馈线组内负荷特性互补；

3)中压配电网供电单元求解次序是首先针对各座变电站相互接壤的站间区域，对站间供电单元进行划分；在此基础上，通过挖掘站内联络馈线间的供电能力，进行一体化的站内供电单元划分。

所述步骤(3)提出松弛控制站间馈线负载率的方法，具体包括：

控制各条站间馈线的负载率下限为该种接线模式下负载率的最大值，上限为f_max，以一定的负载率步长γ逐渐递增，γ可以取任何值。γ的取值越大，求解速度越快；γ的取值越小，得到的结果越精确。

所述步骤(4)提出基于松弛负载率控制的站间供电单元划分方法，具体包括：

1)根据各座变电站的地理接壤情况，确定每两座变电站可能形成联络的最远处，进而确定站间馈线的初始位置；

2)以站间馈线松弛负载率为约束，进行负荷点的归属；

所述的负荷点归属具体包括：

计算变电站中各个负荷点到馈线的加权距离，以加权距离最小为原则进行负荷点的归属，直到各条馈线的负载率达到所设定的松弛负载率。

所述的加权距离和加权系数具体表达式如下：

l_i＝l′_iω₁

ω₁＝ε_i

其中，l_i’和l_i分别表示第i个负荷到联络线的欧式距离和加权距离；ω₁表示加权系数；ε_i表示负荷点加入供电单元后供电单元的峰谷差。当负荷点的加入，不利于改善供电单元的峰谷差，加权系数ω₁值会变大，加权距离也随之变大，降低负荷点加入该供电单元的可能性，进而保证供电单元内负荷特性互补。

3)更新各条馈线的角度，依次将各条馈线逆时针旋转角度Δθ₁，重新进行站间供电单元的划分，得到新一组的站间供电单元划分方案。

所述步骤(5)提出一体化的站内供电单元划分方法，具体包括：

1)在站间供电单元划分的基础上，以变电站为中心，在站内区域初始生成若干条中心线，每条中心线代表一个站内供电单元，每个供电单元内转供线路负载率上限为100％；

2)计算每个负荷点到各条中心线的加权距离；

3)按照加权距离最小的原则，将各个负荷点归属到各个供电单元，形成站内供电单元的划分方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为中压配电网供电单元划分的求解流程图。

图2为三角形单联络下最佳供电单元划分的方案。

图3为三角形两联络下最佳供电单元划分的方案。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

结合图1详细阐述本发明所提一种一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法的整体求解流程，具体步骤如下：

Step1:构建以供电单元个数最少和各个供电单元内转供线路负载率最均衡为目标的供电单元划分模型；

Step2：根据变电站之间地理位置信息，确定形成站间供电单元的初始联络馈线的位置；

Step3：为充分挖掘变电站站间区域的供电能力，提出松弛控制站间馈线负载率的方法；

Step4：计算负荷点到中心线的距离，并将与中心线距离最近的负荷点归属进该馈线的供电范围；

Step5：根据负荷点的位置，更新馈线的角度；

Step6：判断馈线负载率是否满足松弛负载率约束，若满足则进行Step4，否则继续进行Step7；

Step7：保存馈线供电范围划分的方案；

Step8：判断方案数量是否满足要求，若满足要求，进行Step9，否则进行Step9；

Step9：更新各条馈线的角度，依次将各条中心线逆时针旋转角度Δθ₁，Δθ₁为设置的中心线调整角度，并继续step4；

Step10：以站间供电单元划分的结果为基础，对站内供电单元进行划分。

Step11：得到中压配电网供电单元划分方案。

规划区域中包含3座变电站，三座变电站供电范围内各有160、166、160个负荷，平均负荷大小为430kW，馈线型号采取LGJ-185型号，传输容量为7.8MW。负荷共有居民、商业、工业、行政四种负荷类型，共有春夏秋冬各自工作日和周末8个典型日的负荷曲线。根据三角形单联络供电模型的要求，变电站站内与站间联络线路的约束条件为：每个变电站出20条馈线，有12条互联形成站内联络，分别有4条和另两个变电站互联形成站间联络。设置三组对比方案，用以验证所提方法的正确性。

本方法站间、站内供电单元的划分相互影响，是一种通过循环迭代进行整体求解的方法，因此图2给出了三角形单联络下最优的供电单元划分方案。

其中站间馈线松弛负载率上限为58％、松弛负载率γ为1％。在满足三角形单联络供电模型的要求下，每座变电站各自形成5个站内供电单元，每两座变电站之间形成4个站间供电单元，三座变电站共出线最少为54条，供电单元内转供线路负载率方差α最小为20.2，各供电单元内转供线路负载率最为均衡。

为了体现松弛负载率上限下对供电单元划分的影响，表1给出了当松弛负载率不同时供电单元划分的结果。

表1不同松弛负载率上限的供电单元划分方案

如表1可知，站间馈线松弛负载率上限的选择，决定了对站间供电单元负荷特性互补的挖掘程度，当松弛负载率上限为58％时，在满足三角形单联络供电模型的要求下，每座变电站各自形成5个站内供电单元，每两座变电站之间形成4个站间供电单元，三座变电站共出线54条,其中供电单元内转供线路负载率方差α为20.2；当松弛负载率上限为54％时，在满足三角形单联络供电模型的要求下，每座变电站各自形成6个站内供电单元，每两座变电站之间形成4个站间供电单元，三座变电站共出线60条，其中供电单元内转供线路负载率方差α为26.4。当站间馈线的松弛负载率较小时，对站间供电单元负荷特性互补程度的挖掘不足；当站间馈线的松弛负载率上限较大时，站间负荷特性互补程度较好，站间供电单元的供电能力得到了充分地挖掘，充分利用站间的同时，缓解了变电站站内的供电压力，进而减少了变电站站内的供电单元数量，节约了配电网建设的投资成本，缓解了变电站出线间隔不足的压力。

为了体现松弛负载率步长对供电单元划分的影响，表2针对三角形单联络供电模型，给出了当松弛负载率步长不同时供电单元划分的结果。

表2不同松弛负载率步长的供电单元划分方案

如表2可知，当松弛负载率上限相同、松弛负载率步长不同时，所得到的供电单元划分结果中变电站总出线数相同，但由于松弛负载率γ选择的越小，求解精细程度变大，因此当γ取值小时，所得到的划分方案供电单元内转供线路负载率更均衡。

表3对比了是否考虑站间负荷特性互补、是否考虑站内负荷特性互补对供电单元划分的影响。

表3不同策略下最优的供电单元划分方案

采用三种策略对三座变电站进行供电单元划分来对比是否考虑站间负荷特性互补、站内负荷特性互补的差异。三种策略如下：(1)考虑站间、站内的负荷特性互补(2)考虑站内的负荷特性互补、但不考虑站间的负荷特性互补。(3)不考虑负荷特性互补，得到的结果如表3所示。由表3可知，同时考虑变电站站内和站间负荷特性互补时，变电站总出线条数最少，相比于仅考虑站内负荷特性互补的情况，节约了10％的线路，相比于不考虑负荷特性互补的情况，节约了18.4％的线路。

根据三角形两联络供电模型的要求，变电站站内与站间联络线路的约束条件为：每个变电站出54条馈线，有14条馈线互联形成站内联络，4条馈线形成站间联络。如图3展示了三角形两联络供电模型下最优的供电单元划分方案。其中站间馈线松弛负载率上限为75％、松弛负载率γ为1％。在满足三角形两联络供电模型的要求下，每座变电站形成6个站内供电单元，每两座变电站之间形成1组站间供电单元，三座变电站共出线最少为48条，供电单元内转供线路负载率方差α最小为23.1，各供电单元内转供线路负载率最为均衡。

表4针对三角形两联络供电模型，给出当松弛负载率步长γ为1％，站间馈线松弛负载率上限不同时，得到的不同供电单元划分方案。

表4不同松弛负载率上限的供电单元划分方案

如表4可知，当松弛负载率上限为75％时，在满足三角形两联络供电模型的要求下，每座变电站各自形成6个站内供电单元，每两座变电站之间形成1组站间供电单元，三座变电站共出线48条。与松弛负载率上限为70％时的供电单元划分方案相比，节约了6条馈线。

因此，在进行变电站供电单元划分时，以供电单元为单位，考虑负荷特性互补至关重要，一方面各供电单元可带更多的负荷，减少变电站的出线数量，有利于提升线路的全年设备利用率并降低规划的经济费用；另一方面，各供电单元负载率均衡，有利于电网的稳定运行。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，所述方法包括：

面向供电单元合理划分的需求，构建以中压配电网供电单元个数最少、供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率均衡为目标的供电单元划分数学模型；

基于站间供电单元与站内供电单元划分的差异化技术的解析，提出中压配电网供电单元的求解次序；

提出松弛控制站间馈线负载率的方法；

提出基于站间馈线松弛负载率控制的站间供电单元划分方法；

提出一体化的站内供电单元划分方法。

2.根据权利要求1所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，所述的构建以供电单元个数最少、各个供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率均衡为目标的供电单元划分模型具体包括：

建立供电单元划分模型的目标函数，具体为：

minZ

Z＝Z_zj+Z_zn

其中，Z表示中压配电网供电单元的个数；Z_zj表示站间供电单元个数；Z_zn表示站内供电单元个数；f_zji表示第i个站间供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f_zni表示第i个站内供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f表示各供电单元中“N-1”校验后转供线路负载率最大值的均值；α表示各供电单元中“N-1”校验后转供线路负载率最大值的方差，用来描述各条线路负载率之间的均衡性。

3.根据权利要求2所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，所述的供电单元划分模型约束条件具体包括：

所述的供电可靠性约束为：

f_zji≤100％，f_zni≤100％

其中，f_zji表示第i个站间供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f_zni表示第i个站内供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值。

所述的负荷匹配约束为：

其中，f_zji表示第i个站间供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值；f_zni表示第i个站内供电单元内“N-1”校验后转供线路负载率的最大值。

0≤T_i≤1

其中，T_i表示的是第i台主变的负载率。

4.根据权利要求1所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，基于站间供电单元与站内供电单元划分的差异化技术的解析，提出中压配电网供电单元的求解次序，具体包括：

站间供电单元的划分是以单条馈线的理论最大负载率为基础，在不同变电站的站间供电区域中分别挖掘单条馈线供电能力，而后组合形成供电单元；

站内供电单元的划分是以地理上相邻的一组馈线供电区域作为基本单位，对同一座变电站的供电范围进行划分，以期实现馈线组内负荷特性互补；

中压配电网供电单元求解次序是首先针对各座变电站相互接壤的站间区域，对站间供电单元进行划分；在此基础上，通过挖掘站内联络馈线间的供电能力，进行一体化的站内供电单元划分。

5.根据权利要求1所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，为充分挖掘变电站站间区域的供电能力，提出松弛控制站间馈线负载率的方法，具体包括：

控制各条站间馈线的负载率下限为该种接线模式下负载率的最大值，上限为f_max，以一定的负载率步长γ逐渐递增，γ可以取任何值。γ的取值决定求解的效率与精度，负载率上限f_max的选择决定了对站间馈线负荷特性互补的挖掘程度。

6.根据权利要求1所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，提出基于松弛负载率控制的站间供电单元划分方法，具体包括：

根据各座变电站的地理接壤情况，确定每两座变电站可能形成联络的最远处，进而确定站间馈线的初始位置；

以站间馈线松弛负载率为约束，进行负荷点的归属，所述的负荷点归属具体包括：

计算变电站中各个负荷点到馈线的加权距离，以加权距离最小为原则进行负荷点的归属，直到各条馈线的负载率达到所设定的松弛负载率。

所述的加权距离和加权系数具体表达式如下：

l_i＝l′_iω₁

ω₁＝ε_i

其中，l_i’和l_i分别表示第i个负荷到馈线的欧式距离和加权距离；ω₁表示加权系数；ε_i表示负荷点加入供电单元后供电单元的峰谷差。当负荷点的加入，不利于改善供电单元的峰谷差，加权系数ω₁值会变大，加权距离也随之变大，降低负荷点加入该供电单元的可能性，进而保证供电单元内负荷特性互补。

更新各条馈线的角度，依次将各条馈线逆时针旋转角度Δθ₁，重新进行站间供电单元的划分，得到新一组的站间供电单元划分方案。

7.根据权利要求1所述的基于松弛负载率控制的中压配电网供电单元划分方法，其特征在于，提出一体化的站内供电单元划分方法，具体包括：

以站间供电单元划分方案为基础，以变电站为中心，在站内区域初始生成若干条中心线，每条中心线代表一个站内供电单元，每个供电单元内转供线路负载率上限为100％；

计算每个负荷点到各条中心线的加权距离；

按照加权距离最小的原则，将各个负荷点归属到各个供电单元，形成站内供电单元的划分方案。

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