一种配电网运行方式优化方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种配电网运行方式优化方法。

背景技术：

电力系统的正常运行方式是指正常计划检修方式和按负荷曲线及季节变化的水电大发、火电大发，最大最小负荷和最大最小开机方式，以及抽水蓄能运行工况等可能较长期出现的运行方式。对于配电网来说，正常运行方式通常满足以下要求：能充分满足用户对电能的需求；配电网电网所有设备不出现过负荷和过电压问题，所有线路的传输功率都在限值以内；有符合规定的无功功率备用容量；继电保护及安全自动装置配置得当且整定正确；配电网运行符合经济性要求；配电网结构合理，有较高的可靠性、稳定性和抗事故能力；通信畅通，信息传送正常。

配电网是整个电力系统中与用户直接联系、向用户供应电能和分配电能的重要环节。一旦发生故障或对电力设施设备进行检修、试验就会造成系统对用户供电的中断。配电网的运行方式是整个配电网络供电能力及运行特性的集中表现。根据数据统计，用户发生的停电故障中，有80％以上是由配电网环节的故障造成的。换句话来说，配电网环节对整个电力系统的供电可靠性、安全性以及供电能力等方面影响最大，因此有必要制定合理的配电网运行方式，并在此基础上实现最优运行。

目前配电网运行方式的优化通常考虑安全性、可靠性、经济性等方面，其存在的主要问题如下：

1)虽然考虑到了配电网运行的安全性，但是没有考虑运行风险，容易导致一些意外事故的发生；

2)安全性和可靠性通常仅考虑事故发生概率和事故导致后果的综合水平，对于一些特殊情况，如发生概率很高但影响较小或者发生概率很小但是后果很严重的事故不能很好进行区分，容易导致调度人员的判断出现失误，从而引起更严重的事故发生；

3)目前通常采用网络重构的方式来对运行方式进行优化，虽然能够在一定程度上实现对可靠性和经济性等方面的优化，但是容易导致负荷转供能力下降引起网架风险增大。

出现上述各种问题的原因主要是因为在运行方式优化过程中没有将运行和网架风险考虑进去，从而导致了配电网运行过程中风险问题的发生，因此制定出一种考虑运行和网架风险的配电网运行方式优化的方法成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种配电网运行方式优化方法，全面考虑与配电网运行相关的电能质量、均衡度、经济性、运行风险和网架风险等各方面因素，在此基础上构建配电网方式优化的多目标非线性优化模型，并对优化模型进行求解得到最优的运行方式，最终得到的计算结果可以为配电网运行方式优化提供参考和依据。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种配电网运行方式优化方法，包括：

步骤S1，采集配电网运行方式优化相关参数；

步骤S2，根据采集的配电网运行方式优化相关参数，构建配电网运行方式优化数学模型；

步骤S3，求解所述配电网运行方式数学模型，获得配电网运行方式优化结果。

其中，所述步骤S1中配电网运行方式优化相关参数包括：线路阻抗和导纳、变压器阻抗、负荷有功功率和无功功率、节点数目、变压器数目、线路数目、无功补偿容量、用户数目、用户的等级因子、线路故障率、线路故障持续时间以及配电网拓扑结构。

其中，所述步骤S2中构建的配电网运行方式优化数学模型为一个多目标非线性优化模型，其目标函数包括以下5个子目标：节点电压偏离程度最小、线路负载均衡程度最优、配电网网损最小、运行风险最小以及网架风险最小。

其中，所述步骤S2中构建的配电网运行方式优化数学模型为一个多目标非线性优化模型，其约束条件包括以下6个约束条件：潮流平衡约束、电压幅值约束、线路潮流约束、变压器容量约束、无功补偿容量约束以及网络结构约束。

其中，所述步骤S2中构建的配电网运行方式优化数学模型为一个多目标非线性优化模型，各子目标利用加权和的形式组合成为一个综合目标，权重利用层次分析法进行确定或者直接根据实际需求来赋值。

其中，所述步骤S3求解所述数学模型获得配电网运行方式优化结果，具体是指选取合适的算法对建立的多目标非线性优化模型进行求解，最终得到的运行方式优化结果包括线路投运情况、无功补偿情况以及各个子目标函数的值。

本发明实施例的有益效果在于：

在传统的经济性、可靠性等优化目标的基础上增加了运行风险和网架风险两个目标，相比于传统优化方法更加全面；

将运行风险和网架风险纳入配电网运行方式优化中，运行风险反映了线路和变压器的运行情况，网架风险反映了发生预想事故后所引起的后果，使得运行方式优化更为科学合理；

利用加权和的形式将多个子目标合成为一个综合目标，避开了传统多目标优化问题中繁琐的讨论步骤，使得多目标优化模型求解更加简便并且更加适用于工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明实施例一种配电网运行方式优化方法的流程示意图。

图2是本发明实施例一种配电网运行方式优化方法的具体流程示意图。

图3是本发明实施例应用的3馈线14节点配电网示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，本发明实施例一提供一种配电网运行方式优化方法，包括：

步骤S1，采集配电网运行方式优化相关参数；

步骤S2，根据采集的配电网运行方式优化相关参数，构建配电网运行方式优化数学模型；

步骤S3，求解所述配电网运行方式数学模型，获得配电网运行方式优化结果。

以下对各步骤进行详细说明。

步骤S1中，所述配电网运行方式优化相关参数，主要包括线路阻抗和导纳、变压器阻抗、负荷有功功率和无功功率、节点数目、变压器数目、线路数目、无功补偿容量、用户数目、用户的等级因子、线路故障率、线路故障持续时间以及配电网拓扑结构。

步骤S2构建配电网运行方式优化数学模型，该数学模型实质为一个多目标非线性优化模型，其目标函数包括以下5个子目标，如图2所示：

a)节点电压偏离程度最小

将该子目标函数表示为：

式中：V_i为第i个节点的电压幅值(标幺值)；V_Ni为第i个节点的额定电压(标幺值)；N_bus为配电网节点数目。

b)线路负载均衡程度最优

记第k条线路的负载率为β_Lk，即

式中：|I_Lk|为第k条线路上的电流幅值；I_LNk为第k条线路的额定电流大小。

将该子目标函数表示为：

式中：N_L为线路数目；β_Lk为第k条线路的负载率。

c)配电网网损最小

将该子目标函数表示为：

式中：P_Gi为第i个电源节点的注入有功功率；P_Dj为第j个负荷节点的有功负荷大小；Ω_G和Ω_D分别为电源节点和负荷节点的集合。

d)运行风险最小

将该子目标函数表示为：

式中：n_LO为负载率超过80％的线路数目；n_TO为负载率超过80％的变压器数目。

e)网架风险最小

将该子目标函数表示为：

式中：为第k起预想事故发生后的能量损失率；为第k起预想事故发生后的用户时户数损失率；为第k起预想事故的发生概率，此处的预想事故仅考虑单条线路故障的情况；Ω_F为预想事故集合。能量损失率、用户时户数损失率和预想事故的发生概率利用如下的式(7)-式(9)进行计算：

式中：为第k起预想事故发生后所有损失的用户数；N_SC为系统总用户数；为第i个损失用户的容量；为系统第j个用户的容量；为第i个被切除用户的等级因子，为系统第j个用户的等级因子，等级因子均在0到1之间，且用户越重要则等级因子越大；为第k起预想事故的故障修复时间；p_Fk为第k条线路的故障概率。

步骤S2所述构建配电网运行方式优化数学模型，该数学模型实质为一个多目标非线性优化模型，其约束条件包括以下6个约束条件，如图2所示：

a)潮流平衡约束

式中：P_Di和Q_Di分别为节点i的有功负荷和无功负荷；P_Gi为节点i的有功注入，当节点i不是电源节点时P_Gi＝0；Q_Ri为节点i的无功补偿容量；G_ij和B_ij分别为节点i和j之间的转移电导和电纳；V_i和V_j为节点i和节点j的电压大小；δ_i和δ_j为节点i和节点j的电压相角。

b)电压幅值约束

V_imin≤V_i≤V_imax (11)

式中：V_i为第i个节点的电压幅值(标幺值)；V_imax和V_imin分别为第i个节点的电压幅值上、下限(标幺值)。

c)线路潮流约束

|I_Lk|≤I_Lkmax (12)

式中：|I_Lk|为第k条线路上的电流幅值；I_Lkmax为第k条线路的最大载流量。

d)变压器容量约束

|I_Tk|≤I_Tkmax (13)

式中：|I_Tk|为流过第k个变压器的电流幅值；I_Tkmax为允许流过第k个变压器的电流幅值上限。

e)无功补偿容量约束

Q_Rimin≤Q_Ri≤Q_Rimax,i∈Ω_Q (14)

式中：Q_Ri为节点i的无功补偿值，当节点i没有无功补偿装置时Q_Ri＝0；Q_Rimin和Q_Rimax分别为节点i的无功补偿容量下限和上限；Ω_Q为拥有无功补偿设备的节点集合。

f)网络结构约束

优化前后保持配电网辐射状结构不变，且没有孤岛存在。

上述步骤2)所述构建配电网运行方式优化数学模型，该数学模型实质为一个多目标非线性优化模型，该数学模型如下所示：

式中：F_i(x)为第i个子目标函数；h(x)＝0代表潮流平衡约束和网络结构约束；g(x)≤0代表电压幅值约束、线路潮流约束、变压器容量约束、无功补偿容量约束；x代表变量；ω_i为第i个子目标的权重，且满足可以利用层次分析法进行确定，也可以直接根据实际需求来赋值；F_i^min为第i个子目标函数的最小值，通过求解如下非线性规划问题得到：

min F_i(x)

式(16)中的h(x)＝0和g(x)≤0的定义与式(15)相同，求解式(16)得到的第i个子目标函数的最小值即为F_i^min。

步骤S3所述求解数学模型得到配电网运行方式优化结果，即选取合适的算法对式(15)的多目标优化模型进行求解，最终得到的运行方式优化结果，包括线路投运情况、无功补偿情况以及各个子目标函数的值。

以下再以对图3所示的3馈线14节点的配电网进行运行方式优化为例，对本实施例的优化方法进行说明。

本实施例使用图3所示的3馈线14节点配电系统对提出的配电网综合风险评估方法进行说明，图3中节点1、节点2和节点3为馈入节点，其余节点为负荷节点，初始运行状态下线路5-11、线路10-14和线路7-16上的联络开关均处于打开状态。为了不失一般性，各个负荷节点的用户等级在0-1之间随机取得，用户数在1-10之间随机取得，并假设同一节点的所有用户的等级因子都相同，各条线路的故障属性参数见表1所示。

表1支路故障属性表

一般来说，对于中低压配电网来说，用户往往更关心整个配电网的抗风险能力，即在最终优化得到的运行方式下其相应的运行风险和网架风险应当尽可能小，而其余的负载均衡性、网损以及电压偏移程度等都是次要考虑的目标。因此在本实施例中设置各个子目标的权重分别为：节点电压偏离程度权重ω₁＝0.025，线路负载均衡程度权重ω₂＝0.15，配电网网损权重ω₃＝0.025，运行风险权重ω₄＝0.4，网架风险权重为ω₅＝0.4。

为了表明本发明提出的运行方式优化方法能够正确对配电网运行方式进行优化，首先对原算例系统在初始运行状态下计算初始目标值，然后通过线路投运的调整得到优化后的运行方式，并给出计算结果。调整后的运行方式中线路8-10、线路9-11和线路7-16上的联络开关处于打开状态，其余开关均闭合，初始状态下和优化后的状态下的各子目标计算结果见表2所示，对建立的配电网运行方式优化数学模型采用粒子群算法求解。

表2运行方式优化前后对比

由表2可以看出，优化后的方式与初始的运行方式相比，除了网架风险维持不变以外其余4个子目标均得到了不同程度的优化，并且总体的目标函数值也得到了一定程度的下降，从而达到了技术、经济和风险综合最优的水平。

从优化后的结果对比可以看出，本发明考虑运行和网架风险的配电网运行方式优化方法是合理的并且有效的。

通过上述说明可知，实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在传统的经济性、可靠性等优化目标的基础上增加了运行风险和网架风险两个目标，相比于传统优化方法更加全面；

将运行风险和网架风险纳入配电网运行方式优化中，运行风险反映了线路和变压器的运行情况，网架风险反映了发生预想事故后所引起的后果，使得运行方式优化更为科学合理；

利用加权和的形式将多个子目标合成为一个综合目标，避开了传统多目标优化问题中繁琐的讨论步骤，使得多目标优化模型求解更加简便并且更加适用于工程应用。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。