CN113239540A - 一种城市配电网线路动态规划方法及*** - Google Patents

一种城市配电网线路动态规划方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市配电网线路动态规划方法及***，包括：将规划周期划分为多个时间段；获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；对规划区域内的各区块负荷进行处理；以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。本发明考虑线路不交叉约束，能够提高配电线路的可靠性，同时能够使得各配电线路边界清晰，便于分区管理；解决了配电网管理人员对于配电线路不交叉的需求。

Description

一种城市配电网线路动态规划方法及***
技术领域
本发明涉及电力***配电网线路规划技术领域，尤其涉及一种城市配电网线路动态规划方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
配电网是电力网络中最接近用户的部分，对其进行科学的优化规划，可以保证电网改造的合理性和可靠性，提高配电网供电质量。随着我国经济的快速发展，城市建设的不断扩张，城市配电网规划成为满足新建或在建地区供电需求的当务之急。配电网优化规划问题可以视为，根据规划期间的负荷预测结果和现有网络的基本状况，以满足一定的工程约束条件为前提，确定最优的网架建设方案以达到预先给定的优化目标。
在长期配电网规划中，为了动态地考虑不同时间段的负荷变动情况，常常将规划分成几个阶段进行，称之为动态规划。一个阶段可能是一年，也可能是几年。动态规划使得配电网络结构随负荷变化作动态地调整，以寻求一种动态地投入建设方案来保证规划结果在整个规划年内是最优的。
相比于静态规划仅考虑未来某一个目标年，仅考虑一个时刻断面，没考虑如何从当前年过渡到目标年的过渡过程；而动态规划，相当于对过渡过程也考虑了，考虑的更加精细。
现有技术对于配电网线路进行动态规划时，往往将各区块内的负荷视为单一的负荷点，将变电站视为电源点，以这些负荷点和电源点连接所形成的树状结构为配电网规划的结果。然而，城市的电力线总是沿着街道布局，这种将区块负荷视为负荷点的处理方法脱离了街道布局，势必会产生巨大的误差，难以适用于实际的城市配电网动态规划方案。
另外，存在线路交叉会导致线路的可靠性降低，并且不利于配电线路的分区管理；配电线路管理人员对于线路不交叉的要求十分强烈；但是，受到数学模型实现困难的制约，现有技术在进行配电网动态规划时，往往不会考虑线路不交叉问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种城市配电网线路动态规划方法及***，考虑真实街道布局，建立线路不交叉约束模型；同时详细考虑了街区负荷的处理方式，建立考虑多个时间段的动态规划模型，在规划年内能够根据负荷的发展进程，实现从现状网架合理过渡至目标网架。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种城市配电网线路动态规划方法，包括：
将规划周期划分为多个时间段；
获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种城市配电网线路动态规划***，包括：
数据处理模块，用于将规划周期划分为多个时间段；获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
模型构建模块，用于以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
模型求解模块，用于对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的城市配电网线路动态规划方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的城市配电网线路动态规划方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于真实街道布局，以负荷区块为研究对象，构建了考虑街区负荷的负荷等效模型，避免了使用传统等效负荷点而导致的实用性低的问题，规划结果适应性强，具有较高的工程参考价值。
(2)本发明方法考虑线路不交叉约束，能够提高配电线路的可靠性，同时能够使得各配电线路边界清晰，便于分区管理；解决了配电网管理人员对于配电线路不交叉的需求。
(3)本发明采用混合整数线性规划算法，通过将复杂问题转化为相对简单的线性问题来提高计算机求解的能力，解决了现有方法在考虑约束较多时，直接求解可能导致内存耗尽的问题。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中城市配电网线路动态规划方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种城市配电网线路动态规划方法，参照图1，包括以下步骤：
(1)将规划周期划分为多个时间段；具体的时间段划分根据实际需要进行，可以选择一年或若干年为一个时间段。
(2)获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
具体地，对规划区域内街道布局和街区负荷处理方法进行建模；规划基础数据的输入，包括规划年、投资数据、负荷电源数据、街道布局数据等。
在构建街道布局和街区负荷处理方法模型的过程中，根据配电网线路通常沿街道布局的特点，将规划区域内的街道作为待选支路，由于城市街道交错互通，将多条街道围成的小区块称之为街区(block)，围绕街区的一段街道称之为路段(segment)，路段相连接的地方称为路段交叉点(junction)。整个规划周期为T(年)，分为t个水平年。
需要说明的是，用电负荷位于街区之中，供电线路可从街区周围任一条路段接入对负荷供电，则街区负荷处理方法模型为：
Figure BDA0003060910390000051
Figure BDA0003060910390000052
Figure BDA0003060910390000053
Figure BDA0003060910390000054
Figure BDA0003060910390000055
其中，所有下标带t的变量表示在第t个水平年下的变量。NB为待规划街区集合；NS为待选支路集合；NJ为路段交叉点集合；Dbs,esg,t表示第b个街区内的负荷在第s个路段上的等效负荷值；参数Hb,s描述了街区b与路段s之间的联系。当街区b与路段s相邻时，Hb,s＝1；否则Hb,s＝0；
Figure BDA0003060910390000061
表示线路l对第b个街区第s个路段上的负荷的供电量；Pi,j,l,t和Pj,i,l,t分别表示线路l上从节点i流到节点j和从节点j流到节点i的潮流；le(s)和ri(s)分别为路段s的左端节点和右端节点。显然，公式(1)-(5)实现了将一个区块内的负荷等效分配到其周围的各条路段上，再通过在相应路段上建设线路完成对该等效负荷的供电。
(3)以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
其中，线路不交叉约束具体为：
Figure BDA0003060910390000062
定义参数
Figure BDA0003060910390000063
它表示路段s与连接有四个路段的交叉点j的连接关系。如果s和j不相连或者交叉点j没有连接四个路段，则
Figure BDA0003060910390000064
赋0。如果s和j相连且j连接有四个路段，则随意从某个路段开始，以顺时针的顺序，对于j相连的每个路段对应的
Figure BDA0003060910390000065
进行赋值0,1,0,1；即对与j相连的四个路段，按顺时针顺序，第一个路段
Figure BDA0003060910390000066
赋0，第二个路段赋1，第三个赋0，第四个赋1。l1,l2表示任意两条线路。
其中N4表示连接有四个路段的交叉点的集合。
Figure BDA0003060910390000067
都是0/1变量。公式(17)中的中间项可能的取值为0,1,2,3,4。当s与j不相连，或与j相连的路段数量不是4时，上式自然满足。当s与j相连且j相连的路段数量是4时，由于
Figure BDA0003060910390000068
的定义，当l1经过的两个路段对应的
Figure BDA0003060910390000069
都是1(0)时，
Figure BDA00030609103900000610
等于2(0)；当l2与l1交叉时，
Figure BDA00030609103900000611
等于2(0)；可见，线路l1,l2交叉对应着不等式中间项的取值等于0或4。因此约束(6)能保证两条线路不交叉。
基于考虑现实需求导向的城市配电网线路动态规划模型的目标函数表示为：
Figure BDA0003060910390000071
其中，lengths为待选支路长度；i为路段s的左端节点，j为路段s的右端节点。
城市配电网馈线规划模型的约束条件除了以上(1)-(6)式外，还包括电网规划基本约束和单重故障约束。
其中，电网规划基本约束包括配电线路容量约束、配电线路不分岔约束、配电线路不交叉约束、变电站供电半径约束、每条街道所允许建设的线路数量约束、正常情况下节点功率平衡式约束和正常情况下变电站出力约束；单重故障约束包括单重故障下配电线路容量约束、单重故障下节点功率平衡式约束、单重故障下变电站出力约束。
本实施例中，城市配电网线路动态规划模型的目标函数(7)的约束条件包括：
1)正常情况下配电线路容量约束
Figure BDA0003060910390000072
Figure BDA0003060910390000073
其中，fl max表示正常情况下线路l的容量上限；bs,l,t是决策变量，表示是否在路段s上建设线路l。
2)正常情况下功率平衡约束
Figure BDA0003060910390000074
其中，
Figure BDA0003060910390000075
表示正常情况下变电站在节点j的等效出力。
3)正常情况下变电站出力约束
Figure BDA0003060910390000081
Figure BDA0003060910390000082
Figure BDA0003060910390000083
其中，NG表示待选变电站节点的集合；
Figure BDA0003060910390000084
表示变电站在节点j的出力上限；sj为决策变量，表示是否在节点j建设变电站；M为一个较大的正的常数。显然，当节点j不是待选变电站节点，或者节点j是待选节点但sj取0时，该点处的变电站等效出力
Figure BDA0003060910390000085
为0，且不存在出力上限即
Figure BDA0003060910390000086
取0。
4)变电站供电半径约束
Figure BDA0003060910390000087
其中，Rmax表示变电站的供电半径。
5)每条街道所允许建设的线路数量约束
Figure BDA0003060910390000088
Figure BDA0003060910390000089
其中，
Figure BDA00030609103900000810
表示路段s上所允许建设的线路数量上限；Is,sta表示变电站节点与路段s的连接关系，若路段s连接变电站节点，则Is,sta取1，否则取0。公式(16)表示，如果路段s上有等效负荷，则该路段上必须至少建设一条线路。
6)配电线路不分岔约束
Figure BDA00030609103900000811
式(17)表示，在任意节点j，当线路l经过节点j时，线路l不会在该点出现分岔。
7)单个变电站故障情况下负荷区块供电约束
Figure BDA0003060910390000091
其中，带下标w的变量，表示该变量是对应第w个变电站故障的变量，以下所有带下标w的变量均是如此。
8)单个变电站故障情况下变电站出力约束
Figure BDA0003060910390000092
Figure BDA0003060910390000093
Figure BDA0003060910390000094
9)单个变电站故障情况下功率平衡约束
Figure BDA0003060910390000095
10)单个变电站故障情况下线路容量约束
Figure BDA0003060910390000096
Figure BDA0003060910390000097
(4)对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
具体地，对模型的处理分为以下两步：
1)对约束进行处理：
为降低模型复杂度，优化模型的实际编程过程中可以采取一些措施，对解空间进行压缩，进一步提升模型计算效率。对线路不交叉约束(6)，进一步分析可以发现，若两条线路在某交叉点发生交叉，则每一条线路至少要在两条与该交叉点相连接的路段进行建设。由此，约束(6)可以改写成如下形式：
Figure BDA0003060910390000101
Figure BDA0003060910390000102
观察可以发现，仅当通过j点的两条线路各自占用两条路段时，公式(25)，(26)等效于(6)。显然，公式(6)得到了松弛，这将有效提升模型的计算效率。
2)对目标函数进行处理
优化模型的目标函数中仅考虑线路潮流的绝对值与路段长度的乘积之和，实际优化过程中可能导致冗余线路，即潮流为0的线路的建设。冗余线路的建设不影响目标函数。为避免冗余线路，目标函数中额外添加一惩罚项，修正后的目标函数如下：
Figure BDA0003060910390000103
其中，ε是对应路段上线路是否建设的标志位的权重，优化中取一个较小的正数。
对于模型的目标函数(27)，其中含有路段上线路的潮流的绝对值，呈现出非线性。绝对值项可以采用如下等效线性化的形式：
Figure BDA0003060910390000104
进一步分析发现，由于|Pi,j,l,t|处于目标函数中且被最小化，目标函数可以等价为
Figure BDA0003060910390000111
其中，
Figure BDA0003060910390000112
是引入的辅助变量。当目标函数被线性化之后，整个优化模型不含非线性成分，属于混合整数线性规划模型，可以利用成熟的商用混合整数线性规划求解器CPLEX求解。
本实施例考虑了考虑街道布局、街区负荷和故障场景建模问题，考虑线路不交叉约束，提高城市配电网动态规划的可靠性，可有效适应当前电网发展的新形势。
将非线性的优化问题转化为完全的线性优化问题，从而可使用混合整数线性规划算法进行求解，提高了模型求解的效率和可靠度。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种城市配电网线路动态规划***，包括：
数据处理模块，用于将规划周期划分为多个时间段；获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
模型构建模块，用于以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
模型求解模块，用于对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行说明，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的城市配电网线路动态规划方法。为了简洁，在此不再赘述。
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中的城市配电网线路动态规划方法。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，包括：
将规划周期划分为多个时间段；
获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
2.如权利要求1所述的一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，对规划区域内的各区块负荷进行处理，具体包括：
对于设定的规划时间段，将规划区域内的街道作为待选支路，将多条街道围成的区块作为街区；围绕街区的街道做为路段，路段相连接的地方作为路段交叉点；
用电负荷位于街区之中，供电线路从街区周围任一条路段接入对负荷供电；
将一个区块内的负荷等效分配到其周围的各条路段上，再通过在相应路段上建设线路完成对该等效负荷的供电。
3.如权利要求2所述的一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，将一个区块内的负荷等效分配到其周围的各条路段上，再通过在相应路段上建设线路完成对该等效负荷的供电，具体包括：
Figure FDA0003060910380000011
Figure FDA0003060910380000012
Figure FDA0003060910380000021
Figure FDA0003060910380000022
Figure FDA0003060910380000023
其中，下标带t的变量表示在第t个水平年下的变量，NB为待规划街区集合；NS为待选支路集合；NJ为路段交叉点集合；
Figure FDA0003060910380000024
表示第b个街区内的负荷在第s个路段上的等效负荷值；参数Hb,s描述了街区b与路段s之间的联系；
Figure FDA0003060910380000025
表示线路l对第b个街区第s个路段上的负荷的供电量；Pi,j,l,t和Pj,i,l,t分别表示线路l上从节点i流到节点j和从节点j流到节点i的潮流；le(s)和ri(s)分别为路段s的左端节点和右端节点；Db,t表示第b个街区内的负荷值。
4.如权利要求1所述的一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，考虑线路不交叉约束，具体包括：
Figure FDA0003060910380000026
其中，参数
Figure FDA0003060910380000027
表示路段s与连接有四个路段的交叉点j的连接关系；根据路段s与交叉点j是否相连，以及交叉点j是否连接四个路段，确定
Figure FDA0003060910380000028
的取值；
Figure FDA0003060910380000029
和
Figure FDA00030609103800000210
都是0/1变量，l1,l2表示任意两条线路，N4表示连接有四个路段的交叉点的集合。
5.如权利要求1所述的一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型，具体为：
Figure FDA00030609103800000211
其中，lengths为待选支路长度；i为路段s的左端节点，j为路段s的右端节点，t表示第t个时间段下的变量；Pi,j,l,tl和Pj,i,l,t分别表示第t个时间段下，线路l上从节点i流到节点j和从节点j流到节点i的潮流，ε是对应路段上线路是否建设的标志位的权重，bs,l,t是决策变量。
6.如权利要求5所述的一种城市配电网线路动态规划方法，其特征在于，根据线性化处理方法，对配电网线路规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型，具体包括：
针对所述目标函数中含有路段上线路潮流的绝对值项，引入的辅助变量，进行等效线性化处理，得到混合整数线性规划模型。
7.如权利要求5所述的一种考虑现实需求导向的城市配电网线路规划方法，其特征在于，所述混合整数线性规划模型具体包括：
Figure FDA0003060910380000031
其中，
Figure FDA0003060910380000032
是引入的辅助变量。
8.一种城市配电网线路动态规划***，其特征在于，包括：
数据处理模块，用于将规划周期划分为多个时间段；获取设定的时间段内，设定区域街道布局以及负荷电源数据，对区域街道布局情况进行建模；结合所述区域配电网中供电线路的供电特征，对规划区域内的各区块负荷进行处理；
模型构建模块，用于以负荷矩最小为优化目标，考虑线路不交叉约束，建立不同时间段的配电网线路动态规划模型；
模型求解模块，用于对配电网线路动态规划模型中的非线性部分进行处理，转化为混合整数线性规划模型；对转化后的模型进行求解，得到最优的配电网线路动态规划方案。
9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的城市配电网线路动态规划方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的城市配电网线路动态规划方法。
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