基于改进加权Voronoi图的有源配电网变电站规划方法与流程
本发明涉及一种有源配电网变电站规划方法。特别是涉及一种适用于接入分布式电源的基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法。
背景技术：
变电站选址定容是配电网规划的重要环节，其结果直接影响到未来配电网的网络结构、供电的可靠性和运行维护的经济性。近年来，我国大力推动风力及太阳能资源的开发与利用，分布式电源的装机容量不断增加，电力系统不断向低碳、绿色、智能方向发展。因此，考虑分布式电源的容量价值并参与电力电量平衡计算，协调好分布式电源供应负荷和新建变电站选址定容的关系，实现供电可靠性和经济性的一体化优化，将成为变电站优化规划的必要基础和发展方向。
目前，传统的变电站规划理论研究已经比较成熟，而考虑分布式电源接入后的相关研究主要局限在分布式电源的布点规划和考虑分布式电源的配电网扩展规划等方面，大多都是对分布式电源的选址和定容的研究。虽然也有部分文献研究了分布式电源与变电站选址定容的协同规划问题。但这些文献并未建立实际的模型进行求解，并综合考虑分布式电源出力的时序特性和负荷特性对dg置信容量的影响，不能有效评估分布式电源的容量价值；且对voronoi图的改进忽略了变电站供电半径在dg方向增大的特性，不能合理协调分布式电源和新建变电站供应负荷的关系。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够更为科学有效地发挥dg置信容量在变电站供电范围划分中作用的基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法，具体步骤为：
1)在考虑负荷特性基础上对分布式电源置信容量进行评估，具体是在维持系统可靠性水平不变的情况下，计算分布式电源使系统在任意负荷特性下负荷供应能力增加的大小；
2)建立考虑分布式电源置信容量的变电站优化规划的模型；
3)提出基于改进加权voronoi图的规划方法，包括：对加权voronoi图的层次性改进和对加权voronoi图的方向性改进；
4)提出有源配电网变电站优化规划流程，包括：
(1)首先根据目标年负荷、已有站容量以及事先给定的变电站候选容量集，确定n个新建变电站个数及容量组合方案；
(2)不考虑分布式电源的接入，针对每个方案，基于加权voronoi图算法对规划区域进行传统变电站规划，得到变电站站址以及每个变电站的供电范围作为初始解；
(3)根据变电站规划结果得到各个变电站供电范围内分布式电源的分布情况，利用考虑负荷特性的分布式电源置信容量评估方法评估出各变电站供电范围内分布式电源的置信容量；
(4)在已有的分布式电源置信容量基础上，利用改进的加权voronoi图算法对规划区域进行变电站规划，得到新的变电站站址以及每个变电站的供电范围；
(5)由于变电站站址移动，供电范围发生相应变化，重复第(3)和第(4)步，直到变电站站址移动和分布式电源的置信容量达到设定的精度后停止迭代，得到最终结果；
(6)基于变电站容量和站址结果，根据变电站优化规划的模型计算w种方案投资费用，并按费用大小排序，选择费用最小的方案作为最终规划方案。
步骤1)具体包括：选取电力不足期望作为可靠性指标，电力不足期望与负荷大小呈现单调递增的关系，分布式电源加入配电网前后可靠性关系如下：
f(g+gd>l+△l)＝f(g>l)＝r0(1)
式中，f为可靠性估算函数；l和δl分别为系统的初始负荷和新增负荷；gd，g分别为分布式电源发电容量、系统初始装机容量；r0为电源加入前的可靠性指标。
选用弦截法以逐步逼近方式求取系统的新增负荷δl，即为分布式电源置信容量。
步骤2)包括，考虑分布式电源接入配电网后，配电网负荷由变电站、光伏和风机共同承担，利用置信容量评估结果建立新的负荷不等式约束，从而得到变电站优化规划的模型：
式中：c为变电站投资总年费用；station为变电站建设及维护年费用；feeder为变电站低压侧的线路投资年费用；cq为变电站低压侧线路网损年费用；pi为第i个变电站的负荷；si为第i个变电站的容量；
步骤3)所述的对加权voronoi图的层次性改进是，将加权voronoi图算法的每次迭代分3步完成，即变电站供电范围分三步完成扩张，其中，每一步扩张中加权voronoi图权重都发生改变，权值取决于上一步扩张后变电站所带负荷量和变电站本身的容量。具体加权voronoi图权重计算公式为：
式中：
式中：
步骤3)所述的对加权voronoi图的方向性改进具体包括：
(1)根据变电站容量及变电站周围的负荷密度确定变电站的最大供电范围；
(2)根据分布式电源置信容量及分布式电源周围的负荷密度确定分布式电源的最大供电范围；
(3)以变电站a为圆点，以变电站a的供电范围为圆，作两条半径，所述的两条半径分别相切于分布式电源b的供电范围所构成的圆，两条半径分别与变电站a的供电范围交于m点和z点，将包含分布式电源b的供电范围的扇形amz覆盖的方向认为是变电站a供电半径增长的方向；
(4)在变电站a和分布式电源b连线延长线上选取d点，以dm为半径画弧线mez，令弓形mez的面积与分布式电源b的供电范围所构成的圆的面积相等，求取d点的位置和dm的距离，在弧线mez上任取一点s，则as的距离di,as为变电站a加入分布式电源b后在as方向的供电半径，变电站的扩张速度和加权voronoi图的权重计算公式如下：
式中：vas为as方向考虑dg后的变电站a的扩张速度；v为as方向不考虑dg的变电站a的扩张速度；das为as的距离；dam为am的距离；ωas为as方向变电站a的加权voronoi图权重。
本发明的基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法中，分布式电源置信容量评估考虑不同类型负荷的特性曲线，利用多样性负荷代替传统方法中的单一负荷模型，更准确地评估了分布式电源的置信容量；加权voronoi图的层次性改进使每次迭代实现了两次信息交互，有利于增强每次迭代中变电站供电范围划分的准确性，提高一次寻优的成功率，进而提升加权voronoi图算法的划分变电站供电范围的速度；加权voronoi图的方向性改进使变电站供电范围划分更加合理并科学有效地发挥了dg置信容量的作用，可有效节约或延缓电网投资；有源配电网变电站规划能够协调好分布式电源供应负荷和新建变电站选址定容的关系，实现供电可靠性和经济性的一体化优化。
附图说明
图1是加权voronoi图方向性改进法示意图；
图2是负荷类型分布示意图；
图3是传统配电网变电站规划结果示意图；
图4是基于传统voronoi图的有源配电网变电站规划结果示意图；
图5是基于改进voronoi图的有源配电网变电站规划结果示意图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法做出详细说明。
本发明的基于改进加权voronoi图的有源配电网变电站规划方法，具体步骤为：
1)在考虑负荷特性基础上对分布式电源置信容量进行评估。
具体是在维持系统可靠性水平不变的情况下，计算分布式电源(dg)使系统在任意负荷特性下负荷供应能力增加的大小；具体包括：选取电力不足期望作为可靠性指标，电力不足期望与负荷大小呈现单调递增的关系，分布式电源加入配电网前后可靠性关系如下：
f(g+gd>l+△l)＝f(g>l)＝r0(1)
式中，f为可靠性估算函数；l和δl分别为系统的初始负荷和新增负荷；gd，g分别为分布式电源发电容量、系统初始装机容量；r0为电源加入前的可靠性指标。
选用弦截法以逐步逼近方式求取系统的新增负荷δl，即为分布式电源置信容量。
2)建立考虑分布式电源置信容量的变电站优化规划的模型。
变电站的优化规划问题可描述为，在规划目标年负荷分布已知的情况下，为满足一定的负荷需求，以变电站的带负荷能力为约束条件，以变电站和网络近似最小投资和年运行费用(变电站建设及维护年费用、变电站低压侧的线路投资年费用、变电站低压侧线路网损年费用)为目标函数，确定变电站的数量、容量、位置以及变电站的供电范围。具体包括，考虑分布式电源接入配电网后，配电网负荷由变电站、光伏和风机共同承担，利用置信容量评估结果建立新的负荷不等式约束，从而得到变电站优化规划的模型：
式中：c为变电站投资总年费用；station为变电站建设及维护年费用；feeder为变电站低压侧的线路投资年费用；cq为变电站低压侧线路网损年费用；pi为第i个变电站的负荷；si为第i个变电站的容量；
3)提出基于改进加权voronoi图的规划方法。
在常规的voronoi图定义的基础上，定义加权voronoi图如下：假设q＝{q1,q2,...,qn}，3≤n<∞为平面欧氏空间上的一个点集，ωi(i＝1,2,…,n)为n个正整数，那么：
式中：d(x,qi)，d(x,qj)表示平面上的一点x与qi和qj间的直线距离，其中，qi≠qj，i≠j，ωi为控制点qi的权值。
本发明是对于voronoi图的改进，具体包括：对加权voronoi图的层次性改进和对加权voronoi图的方向性改进。
(一)所述的对加权voronoi图的层次性改进是，由加权voronoi图的定义可知，ωi作为控制点qi的权值，反映了中心控制点即变电站的能力，决定了供电范围的划分，其取决于变电站容量si和区域负荷量qi。因此，根据容载比的要求，可得
加权voronoi图是以变电站为中心、以vi扩张速度向外匀速扩张、直到彼此相遇为止演化而成的图形。则vi与ωi成反比例关系：vi＝1/ωi，变电站的最大供电范围di受到供电半径ri的限制：di＝ri。
加权voronoi图应用于变电站供电范围划分的方法是不断调整加权voronoi图的权值来进行迭代，每次迭代都获得一个变电站的供电范围并得到下一次迭代的权值，迭代n次后权值调整到达一定的精度停止迭代，得到最终的变电站供电范围。
随着规划区域扩大，需要的变电站个数增加，变电站之间供电范围协调难度增强，寻优过程反复震荡使得供电范围需调整的次数增加，从而导致算法求解速度下降。针对此问题，本发明对加权voronoi图进行了层次性改进，将加权voronoi图算法的每次迭代分3步完成，即变电站供电范围分三步完成扩张，其中，每一步扩张中加权voronoi图权重都发生改变，权值取决于上一步扩张后变电站所带负荷量和变电站本身的容量。加权voronoi图的层次性改进使每次迭代实现了两次信息交互，有利于增强每次迭代中变电站供电范围划分的准确性，提高一次寻优的成功率，进而提升加权voronoi图算法的实现速度。具体加权voronoi图权重计算公式为：
式中：
式中：
(二)所述的对加权voronoi图的方向性改进具体包括：配电网中dg的接入，使得线路投资和损耗降低，减少了主变的负载与容量需求，扩大了变电站供电范围。从变电站供电范围划分的角度讲，为保障供电经济性，在负荷密度较低的方向上变电站供电距离应相应加长。dg出力分担配电网部分负荷，使得有dg供电的区域中网供负荷密度降低，因此变电站的供电半径在dg方向应相应增加。
dg的置信容量决定了dg的供电范围，即决定了网供负荷密度降低的区域，因此变电站供电范围划分情况与dg的置信容量、dg与变电站的相对位置有关。针对上述问题，本发明对加权vonoroi进行了方向性改进，如图1所示。图中，a点表示变电站所在的位置，b点表示分布式电源所在的位置。
(1)根据变电站容量及变电站周围的负荷密度确定变电站的最大供电范围，如图1中变电站a所在的圆，其圆的半径为不考虑dg时的变电站的供电半径；
(2)根据分布式电源置信容量及分布式电源周围的负荷密度确定分布式电源的最大供电范围，如图1中分布式电源b所在的圆，圆的半径为分布式电源的供电半径；
(3)以变电站a为圆点，以变电站a的供电范围为圆，作两条半径，所述的两条半径分别相切于分布式电源b的供电范围所构成的圆，两条半径分别与变电站a的供电范围交于m点和z点，将包含分布式电源b的供电范围的扇形amz覆盖的方向认为是变电站a供电半径增长的方向；
(4)在变电站a和分布式电源b连线延长线上选取d点，以dm为半径画弧线mez，令弓形mez的面积与分布式电源b的供电范围所构成的圆的面积相等，求取d点的位置和dm的距离，在弧线mez上任取一点s，则as的距离di,as为变电站a加入分布式电源b后在as方向的供电半径，变电站的扩张速度和加权voronoi图的权重计算公式如下：
式中：vas为as方向考虑dg后的变电站a的扩张速度；v为as方向不考虑dg的变电站a的扩张速度；das为as的距离；dam为am的距离；ωas为as方向变电站a的加权voronoi图权重。
4)提出有源配电网变电站优化规划流程，包括：
(1)首先根据目标年负荷、已有站容量以及事先给定的变电站候选容量集，确定w个新建变电站个数及容量组合方案；
(2)不考虑分布式电源的接入，针对每个方案，基于加权voronoi图算法对规划区域进行传统变电站规划，得到变电站站址以及每个变电站的供电范围作为初始解；
(3)根据变电站规划结果得到各个变电站供电范围内分布式电源的分布情况，利用考虑负荷特性的分布式电源置信容量评估方法评估出各变电站供电范围内分布式电源的置信容量；
(4)在已有的分布式电源置信容量基础上，利用改进的加权voronoi图算法对规划区域进行变电站规划，得到新的变电站站址以及每个变电站的供电范围；
(5)由于变电站站址移动，供电范围发生相应变化，重复第(3)和第(4)步，直到变电站站址移动和分布式电源的置信容量达到设定的精度后停止迭代，得到最终结果；
(6)基于变电站容量和站址结果，根据变电站优化规划的模型计算w种方案投资费用，并按费用大小排序，选择费用最小的方案作为最终规划方案。
下面给出最佳实例
本实例为某占地面积63.08km2的开发区，根据用地规划将其分为368个小区进行空间负荷预测，规划目标为20年，其目标年预测总负荷为744.5mw，功率因数为0.9。规划区域中不同负荷的负荷特性，负荷类型如图2所示。
规划区域预测光伏发电额定容量为250.5mw，风机发电额定容量为126.5mw。风机的额定风速为12.5m/s，切入风速为2.5m/s，切出风速为25m/s，平均风速为19.56km/h，风速分布标准差为10.06km/h；光伏额定光照强度为1kw/m2。分布式电源置信容量评估中抽样年数为5万年。故障参数如表1所示。
表1设备故障率
该规划区为全新无已有站的待规划区。将2×40mva、2×50mva、3×40mva和3×50mva四种容量规格的变电站作为备选变电站。
根据“n-1”原则，两主变变电站负载率限定为65％，三主变变电站负载率限定为86.7％。在不考虑分布式电源的影响的情况下，分别使用传统加权voronoi图算法和层次性改进的加权voronoi图算法进行传统配电网变电站选址定容。两种算法得到的变电站容量、位置和供电范围相同。两种算法的收敛速度对比如表2所示。
表2收敛速度对比
由表2可知，层次性改进大大降低了程序需要迭代的次数，减少了程序运行时间。变电站供电范围如图3所示。
基于传统加权voronoi图算法和方向性改进的加权voronoi图算法进行有源配电网变电站选址定容，两种规划方法在评估dg置信容量时均考虑负荷特性的影响。基于传统加权voronoi图算法的有源配电网变电站容量等相关结果如表3所示，站址和供电范围如图4所示；基于改进加权voronoi图算法进行有源配电网变电站容量等相关结果如表4所示，站址和供电范围如图5所示。
表3基于传统voronoi图的有源配电网变电站规划结果
由表3和图4可知，有源配电网中dg置信容量为32.95mw承担了部分负荷，变电站的位置和供电范围也进行了相应调整，建设6座3×50mva的变电站和1座2×40mva的变电站即可满足负荷需求，方案的贴现年投资费用为8112万元。相较于传统配电网规划，有源配电网规划降低了变电站装机容量和投变电站资成本。
表4基于改进voronoi图的有源配电网变电站规划结果
通过图4和图5对比分析可知，方向性改进考虑了变电站供电半径在dg方向增加的特性，使得变电站位置和供电范围发生变化。其中，1号变电站与7号变电站供电范围内分布式电源相对聚集，变电站站址向无dg方向移动，供电范围变化也最为明显。
另一方面由表3和表4对比可知，较传统voronoi算法，方向性改进使各变电站负载率更加均衡，变电站供电范围划分更加合理，三变压器变电站的网供负载率最大差值由12.3％降低到4.6％；由于合理的供电范围划分，方向性改进降低了变电站装机容量和投资成本，建设5座3×50mva的变电站、1座3×40mva变电站和1座2×40mva的变电站即可满足负荷需求，方案的贴现年投资费用为7803万元；由于变电站容量较少30mva且供电范围划分合理，方向性改进使各变电站网供负载率升高，进而更充分地发挥dg容量价值，dg的置信容量由32.95mw上升为37.90mw。
根据上述结果可以分析得到：对加权voronoi算法的层次性改进提升了变电站规划模型的求解速度，对于加权voronoi算法方向性改进使变电站供电范围划分更加合理并科学有效地发挥了dg置信容量的作用。
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