一种配电终端优化配置方法与流程

本发明属于配电系统量测终端配置技术领域，尤其是一种配电终端优化配置方法。

背景技术：

随着国家“建设统一坚强智能电网”的战略不断深化，智能配电网的建设与改造也将面临重大考验。未来智能配电网不仅要承担传统配电网合理稳定分配电能的任务，而且还要实现对电网状态的实时感知观测和运行方式的可靠灵活控制。智能配电网建设涉及众多技术领域，其中准确的状态估计是智能配电网研究的基础，而电力系统的可观测性是状态估计的前提条件，可观测性分析是状态估计之前的一个必要步骤。现有可观测性分析算法主要包括数值算法和拓扑算法。

近年来，输电系统逐渐采用PMU作为量测设备，使得采集的量测不但有电压、电流的幅值还包括它们的相角，这为输电网的可观性分析提供了便利，在这之后出现了大量关于使用PMU的电力系统可观性研究。对于配电网而言，由于其拓扑结构和线路特性等与输电网有较大差异，因此配电网可观性分析方法和输电网相比会有所不同。但目前对于电网的可观性分析主要集中在输电网领域，而对于配电网的可观性分析尚处于起步阶段。

随着我国配电自动化建设和信息物理融合配电系统的发展不断深入，关于配电网的建设与改造也涌现出许多问题。

作为智能配电网高级应用实现的基础，配电系统可观测性分析与综合评价迫在眉睫。准确的状态估计是智能配电网研究的基础，而配电网的可观性分析是状态估计的基础，因此深入探讨适用于配电网状态估计的可观测性分析方法，具有重要的理论意义和实用价值。另外，研究配电系统的可观测性综合评价方法，建立科学的综合评估体系，为后期配电自动化规划、建设和改造的评估提供科学依据，也是一项必要的任务。

在此基础上，为了实现智能配电网的建设目标，我国迫切需要有针对性、指导性的配电自动化终端优化配置方法，来引导未来配电自动化的合理规划、建设与改造。目前，对于考虑各种配电终端配置方案的配电系统可靠性分析方法的研究很少，对于综合考虑可靠性和可观测性的配电自动化终端优化配置的研究也刚刚起步。配电网的自动化程度与供用电的质量、可靠性和可观性密切相关，尽管我国的配电网自动化技术已经取得了突飞猛进的发展，但是配电系统运行中暴露的问题也日益显现，尤其是面对后续配电自动化建设资金的大量投入，迫切需要有针对性、指导性的配电自动化优化配置方法，从可观测性、可靠性等方面全面准确地量化评价建设与改造的效果，为未来智能配电网的建设与改造提供科学合理的依据。

具体来说，若采用每个环网柜和柱上开关都配置配电终端的方式建设，则会导致巨额投资；若选择部分监控对象且全部配置“三遥”配电终端，不仅终端成本高，还要对大量开关加装电动操作机构并配备“三遥”通道(一般为光纤)，同样不够经济，不利于大范围推广和提高覆盖面。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、安全可靠、可观性强且成本节约的配电终端优化配置方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种配电终端优化配置方法，包括以下步骤：

步骤1、建立考虑供电可靠性和经济性的“三遥”终端优化配置模型，并根据该“三遥”终端优化配置模型，对配电网进行可靠性和经济性“三遥”配电终端配置，分析基于可靠性和经济性的“三遥”配电终端安装数量及位置选择的优化策略；

步骤2、建立基于支路功率可观的配电终端可观性优化配置模型，对配电网进行可观性配电终端优化配置；

步骤3、建立m-1鲁棒量测优化配置模型，对配电网进行m-1鲁棒量测优化配置，进一步提高配电网量测可观性；

步骤4、综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置原则，对配电网进行配电终端优化配置，并进行可靠性、可观性和经济性指标计算。

而且，所述步骤1的“三遥”终端优化配置模型为：

其中，

AIC₃＝N₃(A₃+A_M)；

AMC₃＝hAIC₃

上式中，ACIC为年用户停电损失，CCIC为综合用户单位电量停电损失，用来表示工业负荷、商业负荷和居民负荷的平均停电损失；λ_j为第j条线路的故障率；t_jm为线路j发生故障对负荷m造成的停电时间；n_c为总负荷数；P_m为负荷m的大小；AIC₃为“三遥”配电终端的年投资费用；N₃为安装的“三遥”配电终端总数；A₃和A_M分别为“三遥”配电终端和电动操作机构的单位年投资费用；AMC₃为“三遥”配电终端的年运维费用；h为设备年运维费用占年投资费用的百分比；

定义5种时间：且令t₄＝t₅；

故障影响时间t_jm为负荷m受支路j故障影响的停电时间，具体表达如下：

上式中，P_jm为负荷m到支路j的最短支路集合，y_j为0-1决策变量，用来表示第j条线路上的开关是否安装“三遥”配电终端，支路j的下负荷点为其功率方向末端的负荷点。

而且，所述步骤1的对配电网进行可靠性和经济性“三遥”配电终端配置的具体方法为：

首先，初始化网络参数、可靠性参数和经济性参数，并对节点、支路、负荷和联络开关进行编号；然后，从第一条故障支路开始，分析各负荷点受其影响的停电时间，并根据各负荷点到故障支路的最短支路集合中是否安装“三遥”配电终端对停电时间做相应的调整，依次分析所有的故障支路；最后，将经济性目标函数和可靠性约束送入优化器进行求解。

而且，所述步骤2的基于支路功率可观的配电终端可观性优化配置模型为：

上式中，x_i为0-1决策变量，若第i个节点处安装配电终端，则x_i＝1；A_n×b为节点支路关联矩阵，A_n×b＝[a_ij]_n×b，n为节点数，b为支路数，矩阵元素a_ij定义如下：

B_1×b为支路可观判定矩阵，B_1×b＝[b_1j]_1×b，考虑到配电网中可能存在零B_1×b注入节点的情况，对矩阵元素b_1j的定义进行如下改进：

而且，所述步骤3的建立m-1鲁棒量测优化配置模型，对配电网进行m-1鲁棒量测优化配置的具体方法为：

首先，选择所有未配置“二遥”或“三遥”终端的节点为冗余候选量测节点，量测数为n_rc，n_e为基本量测数，表示已经配置“二遥”或“三遥”终端的节点数；然后，对各节点进行m-1鲁棒配置，B_kl为0-1决策矩阵，S_nrc×ne为灵敏度矩阵，用来表示基本量测与冗余或候选量测的拓扑关系；最后，从冗余候选量测节点中选出m-1鲁棒量测配置点，在上述节点处均配置“二遥”终端；

所述步骤3的m-1鲁棒量测优化配置模型为：

其中，

上式中，r_k为0-1决策变量，若第k个节点处安装配电终端，则r_k＝1；n_rc为冗余和候选量测数，表示需要进行鲁棒配置的候选节点数；n_e为基本量测数，表示已经配置“二遥”或“三遥”终端的节点数；B_kl为0-1决策矩阵；S_nrc×ne为灵敏度矩阵，用来表示基本量测与冗余候选量测的拓扑关系。

而且，所述步骤4的对配电网进行配电终端优化配置的具体方法为：将属于集合Q_i+R_i-P_i的节点全部配置“二遥”配电终端，属于集合P_i的节点全部配置“三遥”配电终端；

其中，Q_i为所有满足x_i＝1的节点集合；R_i为节点集合Q_i的补集中确定满足r_k＝1的节点子集；P_i为由满足y_j＝1的支路组成的集合P_j对应的上节点集合；

其中，x_i为0-1决策变量，若第i个节点处安装配电终端，则x_i＝1，r_k为0-1决策变量，若第k个节点处安装配电终端，则r_k＝1，y_j为0-1决策变量，用来表示第j条线路上的开关是否安装“三遥”配电终端。

而且，所述步骤4的经济性指标的计算方法为：

“二遥”终端费用：

“三遥”终端费用：

总费用：C＝C₂+C₃

上式中，CCIC为综合用户单位电量停电损失，用来表示工业负荷、商业负荷和居民负荷的平均停电损失；λ_j为第j条线路的故障率；t_jm为线路j发生故障对负荷m造成的停电时间；n_c为总负荷数；b为总支路数；P_m为负荷m的大小；N₂为安装的“二遥”配电终端总数；A₂为“二遥”配电终端的单位年投资费用；A₃和A_M分别为“三遥”配电终端和电动操作机构的单位年投资费用；h为设备年运维费用占年投资费用的百分比。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出了一种综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置方法，对配电自动化终端的安装类型、数量及位置进行了深入研究，在保证供电可靠性的基础上对配电终端的配置进行了可观性分析，实现了配电网的可观测性并降低了配电网不可观测的风险，为其进行准确的状态估计提供了前提条件，最终提出了综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置方法。

附图说明

图1是本发明的综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置流程图；

图2是本发明的基于可靠性和经济性的“三遥”配电终端优化配置流程图；

图3是本发明具体实施方式中的配网中一条简单馈线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

本发明首先建立考虑供电可靠性和经济性的“三遥”终端优化配置模型，分析了基于可靠性和经济性的“三遥”配电终端安装数量及位置选择的优化策略；其次，提出了基于支路功率可观的配电终端可观性优化配置方法，并在此基础上研究m-1鲁棒量测优化配置方法，进一步提高了量测可观性；最后，提出了综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置流程，建立了综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置方法。

一种配电终端优化配置方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立考虑供电可靠性和经济性的“三遥”终端优化配置模型，并根据该“三遥”终端优化配置模型，对配电网进行可靠性和经济性“三遥”配电终端配置，分析基于可靠性和经济性的“三遥”配电终端安装数量及位置选择的优化策略；

所述“三遥”终端优化配置模型为：

其中，

AIC₃＝N₃(A₃+A_M)；

AMC₃＝hAIC₃

上式中，ACIC(Annual Customer Interruption Cost)为年用户停电损失，CCIC(Composite Customer Interruption Cost)为综合用户单位电量停电损失，用来表示工业负荷、商业负荷和居民负荷的平均停电损失；λ_j为第j条线路的故障率，t_jm为线路j发生故障对负荷m造成的停电时间，n_c为总负荷数，P_m为负荷m的大小；AIC₃为“三遥”配电终端的年投资费用，N₃为安装的“三遥”配电终端总数，A₃和A_M分别为“三遥”配电终端和电动操作机构的单位年投资费用；AMC₃为“三遥”配电终端的年运维费用，h为设备年运维费用占年投资费用的百分比。

定义5种时间：且令t₄＝t₅； (2)

故障影响时间t_jm为负荷m受支路j故障影响的停电时间，具体表达如下：

上式中，P_jm为负荷m到支路j的最短支路集合，y_j为0-1决策变量，用来表示第j条线路上的开关是否安装“三遥”配电终端，支路j的下负荷点为其功率方向末端的负荷点。

所述对配电网进行可靠性和经济性“三遥”配电终端配置的具体方法，如图2所示，首先，初始化网络参数、可靠性参数和经济性参数，并对节点、支路、负荷和联络开关进行编号；然后，根据公式(3)给出的故障停电时间，从第一条故障支路对第一个负荷点停电时间的影响开始进行分析，通过负荷点到故障支路的最短支路集合中是否安装“三遥”配电终端来调整相应的停电时间，直到分析完所有故障支路对所有负荷的停电影响，图2中的流程图用来判断不同的故障类型并选择相应的停电时间；最后，将公式(1)中的经济性目标和可靠性约束送入优化器进行求解。

在本实施例中，根据上述步骤得出“三遥”配电终端的配置结果，确定所有满足y_j＝1的支路集合P_j及对应的上节点集合P_i。

步骤2、建立基于支路功率可观的配电终端可观性优化配置模型，对配电网进行可观性配电终端优化配置；

所述基于支路功率可观的配电终端可观性优化配置模型为：

上式中，x_i为0-1决策变量，若第i个节点处安装配电终端，则x_i＝1；A_n×b为节点支路关联矩阵，A_n×b＝[a_ij]_n×b，n为节点数，b为支路数，矩阵元素a_ij定义如下：

B_1×b为支路可观判定矩阵，B_1×b＝[b_1j]_1×b，考虑到配电网中可能存在零B_1×b注入节点的情况，对矩阵元素b_1j的定义进行如下改进：

对于一个由n个节点、b条支路组成的辐射状配电网来说，如果网络中所有节点的电压向量可以通过配电终端的实时量测直接或间接求得，则整个配电网就是完全可观的。

在本实施例中，以图3所示的配网中一条简单的馈线为例，说明节点电压向量的可观性借助支路功率的可观性得以实现。

若在图3的节点3处安装“二遥”或“三遥”终端，则节点3处电压及支路l₂、l₃的复功率可由终端设备测得。根据基尔霍夫电流定律，可得如下支路方程：

由上式可知，当节点3处安装有配电终端使得及可测时，与节点3相邻的节点2和节点4处的电压向量也可知。因此，若在配电网中的适当位置配置“二遥”和“三遥”终端使得所有支路功率可观测，此时配网中所有节点的电压向量便可知，整个配电网络完全可观。

在本实施例中，已知x_i＝1，i∈P_i，对配电网进行可观性配电终端优化配置，确定所有满足x_i＝1的节点集合Q_i。

步骤3、建立m-1鲁棒量测优化配置模型，对配电网进行m-1鲁棒量测优化配置，进一步提高配电网量测可观性；

所述m-1鲁棒量测优化配置模型为：

其中，

上式中，r_k为0-1决策变量，若第k个节点处安装配电终端，则r_k＝1；

n_rc为冗余和候选量测数，表示需要进行鲁棒配置的候选节点数；n_e为基本量测数，表示已经配置“二遥”或“三遥”终端的节点数；B_kl为0-1决策矩阵；S_nrc×ne为灵敏度矩阵，用来表示基本量测与冗余候选量测的拓扑关系。

在完成步骤2的“二遥”和“三遥”配电终端优化配置后，为了提高系统抵御不可观测风险的能力，本实施例中，建立m-1鲁棒量测优化配置模型，对配电网进行m-1鲁棒量测优化配置，以期在系统丢失一个量测后仍能保持网络的整体可观性。

其具体步骤如下：首先，选择所有未配置“二遥”或“三遥”终端的节点为冗余候选量测节点，量测数为n_rc，n_e为基本量测数，表示已经配置“二遥”或“三遥”终端的节点数；然后，对各节点进行m-1鲁棒配置，B_kl为0-1决策矩阵，S_nrc×ne为灵敏度矩阵，用来表示基本量测与冗余或候选量测的拓扑关系；最后，从冗余候选量测节点中选出m-1鲁棒量测配置点，在上述节点处均配置“二遥”终端。

在本实施例中，对配电网进行m-1鲁棒量测优化配置，所有满足x_i＝1的节点集合Q_i的补集中确定满足r_k＝1的节点子集R_i。

步骤4、基于上述步骤，进行综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置。

具体配置方法为：将属于集合Q_i+R_i-P_i的节点全部配置“二遥”配电终端，将属于集合P_i的节点全部配置“三遥”配电终端。

其中，Q_i为所有满足x_i＝1的节点集合；R_i为节点集合Q_i的补集中确定满足r_k＝1的节点子集；P_i为由满足y_j＝1的支路组成的集合P_j对应的上节点集合。

其中，x_i为0-1决策变量，若第i个节点处安装配电终端，则x_i＝1，r_k为0-1决策变量，若第k个节点处安装配电终端，则r_k＝1，y_j为0-1决策变量，用来表示第j条线路上的开关是否安装“三遥”配电终端。

在完成综合考虑可靠性、可观性和经济性的配电终端优化配置后进行相关配置费用的经济性指标计算,具体方法如下：

“二遥”终端费用：

“三遥”终端费用：

总费用：C＝C₂+C₃

其中，CCIC(Composite Customer Interruption Cost)为综合用户单位电量停电损失，用来表示工业负荷、商业负荷和居民负荷的平均停电损失；λ_j为第j条线路的故障率，t_jm为线路j发生故障对负荷m造成的停电时间，n_c为总负荷数，b为总支路数，P_m为负荷m的大小；N₂为安装的“二遥”配电终端总数，A₂为“二遥”配电终端的单位年投资费用，A₃和A_M分别为“三遥”配电终端和电动操作机构的单位年投资费用，h为设备年运维费用占年投资费用的百分比。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。