WO2021203481A1

WO2021203481A1 - 一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法

Info

Publication number: WO2021203481A1
Application number: PCT/CN2020/085972
Authority: WO
Inventors: 吴文传; 张伯明; 栗子豪; 孙宏斌; 王彬; 郭庆来
Original assignee: 清华大学
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-14
Also published as: US11954409B2; US20210334429A1; CN111611662A; CN111611662B

Abstract

本申请提出一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法，属于电力系统规划与评估技术领域。该方法首先确定元件安装状态和支路故障后故障隔离、负荷转供和故障恢复动作原则，然后建立由目标函数和约束条件构成的配电网规划模型，基于变电站、负荷布点和馈线走廊信息，将配电网中的变电站、变压器、馈线和联络开关统筹规划，以配电网的可靠性指标作为约束，最小化配电网综合投入成本；对模型求解，从而得出满足系统可靠性要求的配电网规划方案。本申请方法简单，易于实施，所得到的最有规划方案在满足可靠性约束的前提下降低配电网投入成本。

Description

一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法

相关申请的交叉引用

本申请要求清华大学于2020年4月8日提交的、申请名称为“一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法”的、中国专利申请号“202010268609.2”的优先权。

技术领域

本申请涉及电力系统规划与评估技术领域，尤其涉及一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法。

背景技术

配电网规划是电力系统规划中重要的一环，用于规划合理、经济的配电网建设方案，使配电网满足当下或未来十年至三十年新增的电力负荷需求。

馈线走廊是配电馈线通过架空塔和电缆等形式可以走线的路径。馈线走廊通常是在城市规划中预先规划的。在电力领域，可靠性是指电力系统持续满足终端用户电力需求数量和质量的能力。配电网可靠性主要包括以下几个指标：用户中断频率(CustomerInterruption Frequency，CIF)、用户中断持续时间(Customer Interruption Duration，CID)、系统年平均中断频率指数(System Average Interruption Frequency Index，SAIFI)、系统年平均中断持续时间指数(System Average Interruption DurationIndex，SAIDI)和期望失负荷能量(Expected Energy Not Supplied，EENS)。

相关技术中，大多数配电网规划方法依赖于由人为预先确定的备选线路(支路)，即选择备选线路集中的一个子集作为规划模型的输入，进而得到最终的规划方案。然而，人工提出的备选线路可能考虑不周全，而将所有备选线路集穷举出来输出规划模型可能使该模型变得不可计算，从而无法得到可实施的规划结果。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法。本申请通过构建基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划模型，不通过试探搜索，不需要预先生成备选线路集，而通过求解该模型得到最优规划方案，方法简单，易于实施，所得到的方案在满足可靠性约束的前提下降低投入成本。

本申请提出一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定元件安装状态和支路故障后故障隔离、负荷转供和故障恢复动作原则，具体如下：

1-1)每条馈线首端安装断路器，馈线段两端安装隔离刀闸，假设正常运行状态下断路器闭合；

1-2)在支路故障发生后，首先打开支路上游的断路器，开断故障电流，断路器下游节点断电；然后，操作该配电网里所有刀闸和断路器，恢复断电节点负荷；最后，修复故障支路，修复后通过动作开关和断路器恢复原供电网络结构；

2)构建基于混合整数线性规划模型的配电网规划模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

2-1)构建配电网规划模型的目标函数，如式(1)所示：

其中，c ^Total为配电网综合投资成本，c ^f为馈线f断路器和重合器成本，l ^f表示是否建设馈线f的0-1变量，l ^f＝1表示建设，l ^f＝0表示不建设；

为馈线f在馈线走廊ij的馈线段建设成本，

表示是否建设馈线f在馈线走廊ij的馈线段的0-1变量，

表示建设，

表示不建设；c _ij为馈线走廊ij的占用成本，l _ij表示是否占用馈线走廊ij的0-1变量，l _ij＝1表示占用，l _ij＝0表示不占用；

为位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的成本，

表示是否建设位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的0-1变量，

表示建设，

表示不建设；c ^tr为变压器tr的建设成本，u ^tr表示是否建设变压器tr的0-1变量，u ^tr＝1表示建设，u ^tr＝0表示不建设；c ^SS为变电站SS的建设成本，u ^SS表示是否假设变电站SS的0-1变量，u ^SS＝1表示建设，u ^SS＝0表示不建设；ωSAIDI为可靠性成本，其中ω为权重因子，SAIDI为系统年平均停电时间；

2-2)确定配电网规划模型的约束条件，具体如下：

2-2-1)配电网正常运行状态功率平衡和支路约束，如式(2)-(9)所示：

其中

为正常运行状态下馈线f从节点i流向节点j的有功功率，Ψ _i为与节点i直接相连的节点集合，

为正常运行状态下馈线f所带节点i的有功负荷功率，Ψ ^SS为变电站所在节点组成的集合，Ω为所有馈线组成的集合，

为正常运行状态下从变压器tr输出到馈线f的有功功率，P _i为节点i的有功负荷功率，Ψ为所有节点组成的集合，M为正数，F _i ^f表示正常运行状态下节点i是否由馈线f供电的0-1变量，F _i ^f＝1表示是，F _i ^f＝0表示否；

表示正常运行状态下馈线f在馈线走廊ij的馈线段的连通状态的0-1变量，

表示连通，

表示不连通，Υ为所有馈线走廊组成的集合，

为馈线f的容量，S _tr为变压器tr的容量，Ω ^tr为属于变压器tr的馈线组成的集合；

2-2-2)配电网故障状态功率平衡和支路约束，如式(10)-(20)所示：

其中，

适用于公式(10)-(20)其中，

为馈线f在馈线走廊ij的馈线段在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的连通状态的0-1变量，

表示连通，

表示不连通；

为节点i的负荷在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的受影响状态的0-1变量，

表示受影响失电，

表示不受影响；

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f从节点i流向节点j的有功功率，P _i ^f,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f所带节点i的有功负荷功率，P _i ^fg,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下在节点i经节点联络开关由馈线f流向馈线g的有功功率，

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下从变压器tr输出到馈线f的有功功率，P _i ^f,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的有功负荷功率，

表示在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的供电情况的0-1变量，

表示正常供电，

表示失电，[xy,h]代表馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障时的场景。

2-2-3)设备建设约束，如式(21)-(26)所示：

其中，N _ij为馈线走廊ij能容纳的馈线段数目，N ^tr为变压器tr能出的馈线条数，N ^SS为变电站SS能承载的变压器个数，Λ ^SS为属于变电站SS的变压器组成的集合。

2-2-4)可靠性约束，如式(27)-(36)所示：

SAIFI≤ε ^SAIFI (34)

SAIDI≤ε ^SAIDI (35)

EENS≤ε ^EENS (36)

其中，CID _i表示节点i的用户中断持续时间，λ ^[xy,h]表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段的年故障率，

表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障隔离和转供时间，

表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障修复时间，CIF _i表示节点i的用户中断频率，NC _i为给定的节点i的用户数量，SAIFI为系统年平均中断持续时间指数，ASAI为系统平均供电指数，EENS为期望失负荷能量，B为所有负荷水平的集合，Δ _b为负荷水平b的年持续小时数，μ _b≤1为负荷水平b的峰值负荷比，L _i表示节点i的峰值负荷；

为节点i电年均停电频率上限，

为节电i年均停电时间上限，ε ^SAIFI为系统年均停电频率上限，ε ^SAIDI为系统年均停电时间上限，ε ^EENS为系统期望能量不满足上限。

3)对步骤2)建立的模型求解，得到l ^f、

l _ij、

u ^tr、u ^SS的最优解分别为馈线、馈线段、馈线走廊、节点联络开关、变压器和变电站的规划建设状态，得到CID _i、CIF _i、SAIDI、SAIFI、EENS的最优解为对应规划方案的可靠性指标，规划完毕。

本申请的特点及有益效果在于：

本申请将配电网投入成本作为目标函数，基于变电站、负荷布点和馈线走廊信息，将配电网中的变电站、变压器、馈线和联络开关统筹规划，构建配电网规划模型；该模型为一混合整数线性规划模型，可以被求解器直接求解，避免了传统规划方法中先生成备选线路集再进行遴选的复杂性和不可靠性，计算效率高且精确。通过求解该模型，可确定满足可靠性约束的规划结果，降低配电网成本。

另外，由于馈线走廊通常是在城市规划中预先规划的，比备选线路集更容易提供。本申请直接基于馈线走廊信息的配电网规划模型可以跳过生成备选线路集的步骤，在实际规划项目中更具实用性和有效性。在计算可靠性指标时，本申请基于馈线走廊直接建模，不需要生成备选线路集，避免了生成备选线路集过程中时间投入和人力成本。

本申请方法简单，易于实施，所得到的最有规划方案在满足可靠性约束的前提下降低投入成本。

具体实施方式

下面针对本申请实施例的基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法，进行详细说明。

本申请提出的一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法，包括以下步骤：

1-1)每条馈线首端安装有断路器(可开断故障电流)，馈线段(馈线在某馈线走廊中的对应段支路)两端安装有隔离刀闸(不可开断故障电流)，假设正常运行状态下断路器闭合。

1-2)在支路故障发生后，首先支路上游的断路器先动作打开、开断故障电流，此时断路器下游节点断电；而后，人工操作该配电网里所有刀闸和断路器，最大限度恢复断电节点负荷；最后，修复故障支路，修复后通过动作开关和断路器恢复原供电网络结构。

2)构建基于混合整数线性规划模型的配电网规划模型；该模型由目标函数和约束条件构成，具体步骤如下：

2-1)构建配电网规划模型的目标函数；

该模型的目标函数为最小化配电网综合投资成本c ^Total，如式(1)所示：

其中c ^f为馈线f断路器和重合器成本，l ^f表示是否建设馈线f的0-1变量(l ^f＝1建设，l ^f＝0不建设)；

为馈线f在馈线走廊ij的馈线段建设成本，

表示是否建设馈线f在馈线走廊ij的馈线段的0-1变量(

建设，

不建设)；c ⁱ _j为馈线走廊ij的占用成本，l _ij表示是否占用馈线走廊ij的0-1变量(l _ij＝1占用，l _ij＝0不占用)；

为位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的成本，

表示是否建设位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的0-1变量(

建设，

不建设)；c ^tr为变压器tr的建设成本，u ^tr表示是否建设变压器tr的0-1变量，(u ^tr＝1建设，u ^tr＝0不建设)；c ^SS为变电站SS的建设成本，u ^SS表示是否假设变电站SS的0-1变量(u ^SS＝1建设，u ^SS＝0不建设)；ωSAIDI为可靠性成本，其中ω为权重因子(取值1-100)，SAIDI为系统年平均停电时间。

2-2)确定配电网规划模型的约束条件，具体如下：

其中

为正常运行状态下馈线f所带节点i的有功负荷功率，Ψ ^SS为变电站所在节点组成的集合，Ω为所有馈线组成的集合。

为正常运行状态下从变压器tr输出到馈线f的有功功率。P _i为节点i的有功负荷功率，Ψ为所有节点组成的集合。M为一个大的正数(取值范围10000-10000000，本实施例取1000000，)，F _i ^f表示正常运行状态下节点i是否由馈线f供电的0-1变量(F _i ^f＝1是，F _i ^f＝0否)。

表示正常运行状态下馈线f在馈线走廊ij的馈线段的连通状态的0-1变量(

连通，

不连通)，Υ为所有馈线走廊组成的集合。

为馈线f的容量，S _tr为变压器tr的容量，Ω ^tr为属于变压器tr的馈线组成的集合。

其中，

适用于公式(46)-(56)

其中，

为馈线f在馈线走廊ij的馈线段在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的连通状态的0-1变量(

连通，

不连通)，

为节点i的负荷在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的受影响状态的0-1变量(

受影响失电，

不受影响)。

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f从节点i流向节点j的有功功率，

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f所带节点i的有功负荷功率，

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下在节点i经节点联络开关由馈线f流向馈线g的有功功率，

为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下从变压器tr输出到馈线f的有功功率。P _i ^f,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的有功负荷功率。

表示在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的供电情况的0-1变量(

正常供电，

失电)。[xy,h]代表馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障时的场景。

2-2-3)设备建设约束，如式(21)-(26)所示：

其中N _ij为馈线走廊ij能容纳的馈线段数目，N ^tr为变压器tr能出的馈线条数，N ^SS为变电站SS能承载的变压器个数，Λ ^SS为属于变电站SS的变压器组成的集合。

2-2-4)可靠性约束，如式(27)-(36)所示：

SAIFI≤ε ^SAIFI (70)；

SAIDI≤ε ^SAIDI (71)；

EENS≤ε ^EENS (72)；

表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障隔离和转供时间(具体为从故障发生后到人工操作断路器和刀闸动作进行故障隔离和受影响负荷恢复供电的时间)，

表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障修复时间(具体为从故障发生后到故障修复的时间)，CIF _i表示节点i的用户中断频率，NC _i为给定的节点i的用户数量，SAIFI为系统年平均中断持续时间指数，ASAI为系统平均供电指数，EENS为期望失负荷能量，B为所有负荷水平的集合，Δ _b为负荷水平b的年持续小时数，μ _b≤1为负荷水平b的峰值负荷比，L _i表示节点i的峰值负荷。其中

为节点i电年均停电频率上限，

为节电i年均停电时间上限，ε ^SAIFI为系统年均停电频率上限，ε ^SAIDI为系统年均停电时间上限，ε ^EENS为系统期望能量不满足上限，其中，上述的上限均由规划人员制定，本实施例中不进行限定。

3)根据目标函数式(1)和约束条件式(2)-(36)，通过分支定界和线性规划方法对步骤2)建立的模型求解，得到l ^f、

l _ij、

u ^tr、u ^SS的最优解即分别为馈线、馈线段、馈线走廊、节点联络开关、变压器和变电站的规划建设状态，得到CID _i、CIF _i、SAIDI、SAIFI、EENS的最优解为对应规划方案的可靠性指标，规划完毕。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

一种基于馈线走廊的可靠性约束配电网规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定元件安装状态和支路故障后故障隔离、负荷转供和故障恢复动作原则，具体如下：

1-1)每条馈线首端安装断路器，馈线段两端安装隔离刀闸，假设正常运行状态下断路器闭合；

1-2)在支路故障发生后，首先打开支路上游的断路器，开断故障电流，断路器下游节点断电；然后，操作该配电网里所有刀闸和断路器，恢复断电节点负荷；最后，修复故障支路，修复后通过动作开关和断路器恢复原供电网络结构；

2)构建基于混合整数线性规划模型的配电网规划模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

2-1)构建配电网规划模型的目标函数，如式(37)所示：

其中，c ^Total为配电网综合投资成本，c ^f为馈线f断路器和重合器成本，l ^f表示是否建设馈线f的0-1变量，l ^f＝1表示建设，l ^f＝0表示不建设；
为馈线f在馈线走廊ij的馈线段建设成本，
表示是否建设馈线f在馈线走廊ij的馈线段的0-1变量，
表示建设，
表示不建设；c _ij为馈线走廊ij的占用成本，l _ij表示是否占用馈线走廊ij的0-1变量，l _ij＝1表示占用，l _ij＝0表示不占用；
为位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的成本，
表示是否建设位于节点i的馈线f和馈线g之间的节点联络开关的0-1变量，
表示建设，
表示不建设；c ^tr为变压器tr的建设成本，u ^tr表示是否建设变压器tr的0-1变量，u ^tr＝1表示建设，u ^tr＝0表示不建设；c ^SS为变电站SS的建设成本，u ^SS表示是否假设变电站SS的0-1变量，u ^SS＝1表示建设，u ^SS＝0表示不建设；ωSAIDI为可靠性成本，其中ω为权重因子，SAIDI为系统年平均停电时间；

2-2)确定配电网规划模型的约束条件，具体如下：

2-2-1)配电网正常运行状态功率平衡和支路约束，如式(38)-(45)所示：

其中
为正常运行状态下馈线f从节点i流向节点j的有功功率，Ψ _i为与节点i直接相连的节点集合，P _i ^f,NO为正常运行状态下馈线f所带节点i的有功负荷功率，Ψ ^SS为变电站所在节点组成的集合，Ω为所有馈线组成的集合，
为正常运行状态下从变压器tr输出到馈线f的有功功率，P _i为节点i的有功负荷功率，Ψ为所有节点组成的集合，M为正数，F _i ^f表示正常运行状态下节点i是否由馈线f供电的0-1变量，F _i ^f＝1表示是，F _i ^f＝0表示否；
表示正常运行状态下馈线f在馈线走廊ij的馈线段的连通状态的0-1变量，
表示连通，
表示不连通，Υ为所有馈线走廊组成的集合，
为馈线f的容量，S _tr为变压器tr的容量，Ω ^tr为属于变压器tr的馈线组成的集合；

2-2-2)配电网故障状态功率平衡和支路约束，如式(46)-(56)所示：

其中，
适用于公式(46)-(56)；

其中
为馈线f在馈线走廊ij的馈线段在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的连通状态的0-1变量，
表示连通，
表示不连通；
为节点i的负荷在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下的受影响状态的0-1变量，
表示受影响失电，
表示不受影响；
为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f从节点i流向节点j的有功功率，P _i ^f,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下馈线f所带节点i的有功负荷功率，P _i ^fg,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下在节点i经节点联络开关由馈线f流向馈线g的有功功率，
为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下从变压器tr输出到馈线f的有功功率，P _i ^f,[xy,h]为在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的有功负荷功率，
表示在馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障情况下节点i的供电情况的0-1变量，
表示正常供电，
表示失电，[xy,h]代表馈线h在馈线走廊xy的馈线段发生故障时的场景；

2-2-3)设备建设约束，如式(57)-(62)所示：

其中N _ij为馈线走廊ij能容纳的馈线段数目，N ^tr为变压器tr能出的馈线条数，N ^SS为变电站SS能承载的变压器个数，Λ ^SS为属于变电站SS的变压器组成的集合；

2-2-4)可靠性约束，如式(63)-(36)所示：

SAIFI≤ε ^SAIFI(106)；

SAIDI≤ε ^SAIDI(107)；

EENS≤ε ^EENS(108)；

其中CID _i表示节点i的用户中断持续时间，λ ^[xy,h]表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段的年故障率，
表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障隔离和转供时间，
表示馈线h在馈线走廊xy的馈线段故障情况下的故障修复时间，CIF _i表示节点i的用户中断频率，NC _i为给定的节点i的用户数量，SAIFI为系统年平均中断持续时间指数，ASAI为系统平均供电指数，EENS为期望失负荷能量，B为所有负荷水平的集合，Δ _b为负荷水平b的年持续小时数，μ _b≤1为负荷水平b的峰值负荷比，L _i表示节点i的峰值负荷；
为节点i电年均停电频率上限，
为节电i年均停电时间上限，ε ^SAIFI为系统年均停电频率上限，ε ^SAIDI为系统年均停电时间上限，ε ^EENS为系统期望能量不满足上限；

3)对步骤2)建立的模型求解，得到l ^f、
l _ij、
u ^tr、u ^SS的最优解分别为馈线、馈线段、馈线走廊、节点联络开关、变压器和变电站的规划建设状态，得到CID _i、CIF _i、SAIDI、SAIFI、EENS的最优解为对应规划方案的可靠性指标，规划完毕。