CN107591799B - 一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法 - Google Patents

一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，首先，进行线路开关位置和线路调整的改造，通过优化线路开关的位置，将重载线路的一部分负荷转移到轻载线路上，使配电网的负荷分配更均匀；然后计算配电网中每台变压器的供电能力，并分析限制供电能力提升的瓶颈，根据不同类型的瓶颈采取相应的改造措施，达到提高配电网最大供电能力的目的；最后对当前配电网进行可靠性分析。若可靠性不满足要求，通过升级线路、提升无功补偿容量和增加联络线路的措施来达到提高可靠性的目的，本发明通过平衡配电网的负荷分配，对原有设备进行适当的升级改造，实现了在提高配电网设备利用率、不降低配电网可靠性的同时提高了配电网的供电能力。

Description

一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法
技术领域
本发明涉及电网技术领域，特别涉及一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，城市化进程的不断加速，城市配电网负荷在快速增长的同时，电网的升级建设成本也在不断提高。传统的规划方式主要是在现状电网基础上新建线路或安装新设备，并未考虑如何提升电网原有设备的利用率，同时也没有考虑到配电网自动化水平的日益提高对配电网的巨大影响。因此利用智能电网环境下的配电网自动化装置，通过提升电网原有设备和线路的传输容量，达到提高配电网供电能力的目的，减少配电网的升级建设成本是可行的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，通过平衡配电网的负荷分配，对原有设备进行适当的升级改造，实现了在提高配电网设备利用率、不降低配电网可靠性的同时提高了配电网的供电能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，包括以下步骤：
步骤一)改变线路开关的位置来平衡线路和变压器负载率：
步骤1.1：建立目标函数为供电能力最大、变压器的负载率均衡度最优和联络线距离最短的规划模型，约束条件为变压器容量约束、线路容量约束和电压约束；
步骤1.2：针对上述模型，使用遗传算法对线路开关的位置进行优化，将重载线路上的部分负荷转移到轻载线路上运行，使线路的负载率更均匀；
步骤二)通过对原有设备的升级改造提高配电网的供电能力：
步骤2.1：在计算供电能力的过程中，记录出现不满足约束的节点及此时这些节点的负荷增长比例；
步骤2.2：将所有节点按照负荷增长比例从小到大进行排序；
步骤2.3：针对上述节点的不同情况，分别采用不同的策略进行升级改造：
步骤2.4：通过蒙特卡洛模拟法计算当前配电网的可靠性，并对停电时长、停电负荷、停电位置和停电原因进行记录、分析，对于由于线路容量和电压质量不满足要求而造成的停电进行标记，若满足可靠性约束则停止规划，输出规划方案，否则转入步骤三；
步骤三)通过线路升级、加装无功补偿装置和联络线优化方法提升配电网可靠性：
步骤3.1：首先，对由于线路容量越限而造成的停电进行停电影响值的排序，顺序为从大到小，停电影响值即为停电时长和停电负荷的乘积，对于排在前面的线路，优先考虑对其进行线路升级；
步骤3.2：其次，对由于电压质量不合格而造成停电的停电影响值进行统计并排序，根据其电压偏移量计算其需要补偿的无功容量，无功补偿容量限值提前给定，超过限值后，则补到限值为止；
步骤3.3：再次，对配电网进行可靠性分析，如果可靠性仍不满足约束要求，则对其再次进行联络线开关位置优化，建立更多可行的转供通道来提高配电网的可靠性，直到可靠性满足约束要求时，输出规划结果；
步骤3.4：计算规划结果方案配电网的最大供电能力。
进一步，在步骤1.1中，具体模型为：
Figure BDA0001390988470000021
Figure BDA0001390988470000022
Figure BDA0001390988470000023
Figure BDA0001390988470000024
Figure BDA0001390988470000025
Si+ΔSi≤Ci (6)
Figure BDA0001390988470000026
式中，M代表配电网变压器的台数；Fi代表第i台变压器的负载率；Fm代表当前配电网变压器的平均负载率；n代表新增的联络线路条数；Di代表第i条联络线路的长度；Sm代表第m台变压器所带的负荷；Si和ΔSi分别代表第i条线路所带的负荷和因此产生的网损；Tm代表第m个变压器的容量；Ci代表第i条线路的容量；Ui代表第i条馈线的始端电压；ui代表第i条馈线的末端电压；
Figure BDA0001390988470000031
为功率因数；Ri和Xi为第i条线路的电阻和电抗；uhi为第i条线路上的横向压降；usi为第i条线路上的纵向压降；Umin和Umax为电压的下限和上限。
进一步，所述步骤2.3)中，包括以下情况以及对应的处理策略如下：
情况I：对于不满足变压器容量约束的节点，若所带节点的负荷增长比例小于1.2则对变压器进行升容改造，若增长比例大于1.2，则放弃改造该变压器所带节点集合，顺序改造排在其后的节点；
情况II：对于不满足线路过负荷约束的节点，若线路的线径较小，造成线路过负荷，则对该条线路进行升级改造，增大线路的线径，每升级1km的线路成本记为C；
情况III：对于不满足节点电压约束的节点，若某条线路的末端节点的电压越限，则在该线路上加装无功补偿装置或者增减无功补偿容量，每增加1MVar无功补偿容量，将其成本记为moC，mo为一个成本转换常数，若无功补偿容量达到限值则不再补偿。
进一步，对某节点的单次改造成本超过noC时，则停止改造该节点，顺序改造后面的节点；若改造过程中已改造节点集合的改造成本之和超过noC时，则停止该次改造，no为一个常数，其大小根据配电网的预计规划成本确定。
本发明的有益效果是：
(1)本发明有效平衡配电网的负荷分配，极大地改善了配电网负荷分配不均的现象；
(2)通过对配电网的改造优化来达到节约投资和增大供电能力的目的，提高了配电网原有设备的利用率；
(3)在提高供电能力的同时，又通过一系列手段保证了配电网的可靠性，满足了用户的需求，通过该方法做出的规划方案对配电网的短期规划建设具有指导意义；
(4)该方法通过一系列措施实现了在不降低可靠性基础上提高供电能力的目的，使配电网短期规划方案更安全、更经济，可以很好的扩展到不同类型的城市配电网，具备良好的扩展性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为节点配电网结构图；
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明总体而言包括三大步骤：首先，进行线路开关位置和线路调整的改造，通过优化线路开关的位置，将重载线路的一部分负荷转移到轻载线路上，使配电网的负荷分配更均匀。
然后计算配电网中每台变压器的供电能力，并分析限制供电能力提升的瓶颈，根据不同类型的瓶颈采取相应的改造措施，来消除瓶颈，从而达到提高配电网最大供电能力的目的。
最后对当前配电网进行可靠性分析，若可靠性不满足要求，则针对配电网中的薄弱点进行改造，通过升级线路、提升无功补偿容量和增加联络线路的措施来达到提高可靠性的目的，并计算此时配电网的供电能力。
具体而言，本发明的一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，包括以下步骤：
步骤一)改变线路开关的位置来平衡线路和变压器负载率：
步骤1.1：建立目标函数为供电能力最大、变压器的负载率均衡度最优和联络线距离最短的规划模型，约束条件为变压器容量约束、线路容量约束和电压约束；
具体模型为：
Figure BDA0001390988470000041
Figure BDA0001390988470000042
Figure BDA0001390988470000043
Figure BDA0001390988470000044
Figure BDA0001390988470000045
Si+ΔSi≤Ci (6)
Figure BDA0001390988470000046
式中，M代表配电网变压器的台数，Fi代表第i台变压器的负载率；Fm代表当前配电网变压器的平均负载率；n代表新增的联络线路条数；Di代表第i条联络线路的长度；Sm代表第m台变压器所带的负荷；Si和ΔSi分别代表第i条线路所带的负荷和因此产生的网损；Tm代表第m个变压器的容量；Ci代表第i条线路的容量；Ui代表第i条馈线的始端电压；ui代表第i条馈线的末端电压；
Figure BDA0001390988470000051
为功率因数；Ri和Xi为第i条线路的电阻和电抗；uhi为第i条线路上的横向压降；usi为第i条线路上的纵向压降；Umin和Umax为电压的下限和上限。
步骤1.2：针对上述模型，使用遗传算法对线路开关的位置进行优化，将重载线路上的部分负荷转移到轻载线路上运行，使线路的负载率更均匀；
步骤二)通过对原有设备的升级改造提高配电网的供电能力：
步骤2.1：在计算供电能力的过程中，记录出现不满足约束的节点及此时这些节点的负荷增长比例；
步骤2.2：将所有节点按照负荷增长比例从小到大进行排序；
步骤2.3：针对上述节点的不同情况，分别采用不同的策略进行升级改造，具体到实践中，包括但不限于以下情况以及对应的处理策略如下：
情况I：对于不满足变压器容量约束的节点，若所带节点的负荷增长比例小于1.2则对变压器进行升容改造，若增长比例大于1.2，则放弃改造该变压器所带节点集合，顺序改造排在其后的节点；
情况II：对于不满足线路过负荷约束的节点，若线路的线径较小，造成线路过负荷，则对该条线路进行升级改造，增大线路的线径，每升级1km的线路成本记为C；
情况III：对于不满足节点电压约束的节点，若某条线路的末端节点的电压越限，则在该线路上加装无功补偿装置或者增减无功补偿容量，每增加1MVar无功补偿容量，将其成本记为moC，mo为一个成本转换常数，若无功补偿容量达到限值则不再补偿。
需要特别提出的是，如果对某节点的单次改造成本超过noC时，则停止改造该节点，按顺序改造后面的节点；若改造过程中已改造节点集合的改造成本之和超过noC时，则停止该次改造，no为一个常数，其大小根据配电网的预计规划成本确定，如预计规划成本不得超过线路成本的1.2倍，则no取1.2，类似该种计算。
步骤2.4：通过蒙特卡洛模拟法计算当前配电网的可靠性，并对停电时长、停电负荷、停电位置和停电原因进行记录、分析，对于由于线路容量和电压质量不满足要求而造成的停电进行标记，若满足可靠性约束则停止规划，输出规划方案，否则转入步骤三；
步骤三)通过线路升级、加装无功补偿装置和联络线优化方法提升配电网可靠性：
步骤3.1：首先，对由于线路容量越限而造成的停电进行停电影响值的排序，顺序为从大到小，停电影响值即为停电时长和停电负荷的乘积，对于排在前面的线路，优先考虑对其进行线路升级；
步骤3.2：其次，对由于电压质量不合格而造成停电的停电影响值进行统计并排序，根据其电压偏移量计算其需要补偿的无功容量，无功补偿容量限值提前给定，超过限值后，则补到限值为止；
步骤3.3：再次，对配电网进行可靠性分析，如果可靠性仍不满足约束要求，则对其再次进行联络线开关位置优化，建立更多可行的转供通道来提高配电网的可靠性，直到可靠性满足约束要求时，输出规划结果；
步骤3.4：计算规划结果方案配电网的最大供电能力。
具体算例：
如图1所示，为一个42节点配电网算例，其中节点1、15、29为电源节点，一共9回10kV馈线，联络线路有5条。联络线路指联络开关所在的线路，即图中的虚线。
算例中线路阻抗、型号；变压器容量、变比；各节点的负荷数据见表3、表4。
计算中，将种群规模定为100，迭代次数为50，交叉概率比较后取为0.9，变异概率取为0.1。按照本发明所述方法对该算例进行优化得到表2所示结果，一共15个方案。经过第一步优化得到的15个方案其供电能力都有所增长，接下来，对这15个方案进行二次优化，此次优化主要为线路升级和加装无功补偿，并设定了上限。经过2次优化后，几个方案的供电能力再次得到提升，而且配电网的可靠性并没有降低，因此满足约束，无需进行步骤三。
表1优化前网络的供电能力
初始负荷总值/MVA 最大供电能力/MVA 变压器负载均衡度 可靠性指标
28.4028 37.1934 0.3499 99.7628
表2两步优化后的结果
Figure BDA0001390988470000061
Figure BDA0001390988470000071
选取方案10，其配电网结构如图2所示。由图可以看出6和11节点间的联络开关移到了11和3节点之间，7和21节点之间的联络开关移到了21和19节点之间，并在14和37节点之间新建线路；将36和37节点之间的线路改为联络线路，升级了节点1和节点4之间的线路。根据本发明所述方法优化后的配电网供电能力和可靠性都得到了提高。
综上，本方法是有效的。原网络由于负荷分配不均匀，造成供电瓶颈较多，供电能力较低。通过本方法的优化，消除了配电网中的重载线路和线径较小的线路，消除了供电瓶颈，因此供电能力得到了较大的提升，并且可靠性也有所改善，证明了本发明良好的适用性。
附：
表3各变压器数据
Figure BDA0001390988470000072
表4各节点的初始负荷数据
Figure BDA0001390988470000073
Figure BDA0001390988470000081
Figure BDA0001390988470000091
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一)改变线路开关的位置来平衡线路和变压器负载率：
步骤1.1：建立目标函数为供电能力最大、变压器的负载率均衡度最优和联络线距离最短的规划模型，约束条件为变压器容量约束、线路容量约束和电压约束；
步骤1.2：针对上述模型，使用遗传算法对线路开关的位置进行优化，将重载线路上的部分负荷转移到轻载线路上运行，使线路的负载率更均匀；
步骤二)通过对原有设备的升级改造提高配电网的供电能力：
步骤2.1：在计算供电能力的过程中，记录出现不满足约束的节点及此时这些节点的负荷增长比例；
步骤2.2：将所有节点按照负荷增长比例从小到大进行排序；
步骤2.3：针对上述节点的不同情况，分别采用不同的策略进行升级改造：
步骤2.4：通过蒙特卡洛模拟法计算当前配电网的可靠性，并对停电时长、停电负荷、停电位置和停电原因进行记录、分析，对于由于线路容量和电压质量不满足要求而造成的停电进行标记，若满足可靠性约束则停止规划，输出规划方案，否则转入步骤三)；
步骤三)通过线路升级、加装无功补偿装置和联络线优化方法提升配电网可靠性：
步骤3.1：首先，对由于线路容量越限而造成的停电进行停电影响值的排序，顺序为从大到小，停电影响值即为停电时长和停电负荷的乘积，对于排在前面的线路，优先考虑对其进行线路升级；
步骤3.2：其次，对由于电压质量不合格而造成停电的停电影响值进行统计并排序，根据其电压偏移量计算其需要补偿的无功容量，无功补偿容量限值提前给定，超过限值后，则补到限值为止；
步骤3.3：再次，对配电网进行可靠性分析，如果可靠性仍不满足约束要求，则使用联络线优化方法进行优化，建立更多可行的转供通道来提高配电网的可靠性，直到可靠性满足约束要求时，输出规划结果；
步骤3.4：计算规划结果方案配电网的最大供电能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，其特征在于：在步骤1.1中，具体模型为：
Figure FDA0002414193850000021
Figure FDA0002414193850000022
Figure FDA0002414193850000023
Figure FDA0002414193850000024
Figure FDA0002414193850000025
Si+ΔSi≤Ci (6)
Figure FDA0002414193850000026
式中，M代表配电网变压器的台数；Fi代表第i台变压器的负载率；Fm代表当前配电网变压器的平均负载率；n代表新增的联络线路条数；Di代表第i条联络线路的长度；Sm代表第m台变压器所带的负荷；Si和ΔSi分别代表第i条线路所带的负荷和因此产生的网损；Tm代表第m个变压器的容量；Ci代表第i条线路的容量；Ui代表第i条馈线的始端电压；ui代表第i条馈线的末端电压；
Figure FDA0002414193850000027
为功率因数；Ri和Xi为第i条线路的电阻和电抗；uhi为第i条线路上的横向压降；usi为第i条线路上的纵向压降；Umin和Umax为电压的下限和上限。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，其特征在于：所述步骤2.3中，包括以下情况以及对应的处理策略如下：
情况I：对于不满足变压器容量约束的节点，若所带节点的负荷增长比例小于1.2则对变压器进行升容改造，若增长比例大于1.2，则放弃改造该变压器所带节点集合，顺序改造排在其后的节点；
情况II：对于不满足线路过负荷约束的节点，若某条线路的线径较小，造成线路过负荷，则对该条线路进行升级改造，增大线路的线径，每升级1km的线路成本记为C；
情况III：对于不满足节点电压约束的节点，若某条线路的末端节点的电压越限，则在该线路上加装无功补偿装置或者增减无功补偿容量，每增加1MVar无功补偿容量，将其成本记为moC，mo为一个成本转换常数，若无功补偿容量达到限值则不再补偿。
4.根据权利要求3所述的一种基于最大供电能力的配电网短期规划方法，其特征在于：对某节点的单次改造成本超过noC时，则停止改造该节点，顺序改造后面的节点；若改造过程中已改造节点集合的改造成本之和超过noC时，则停止该次改造，no为一个常数，其大小根据配电网的预计规划成本确定。
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