配电网线路最优分段方法和装置与流程

本发明涉及配电网
技术领域：
，特别是涉及配电网线路最优分段方法和配电网线路最优分段装置。
背景技术：
：城市中压配电网的网架由中压主干线路组成，随着城市的发展，负荷密度不断提高，中压主干线路随着负荷的拓展而延长或出现新的分支。单条线路的总故障率随负荷和投运设备的增加及线路的延长而增加，故障率的提高将导致线路可靠性的降低，危及线路的安全稳定运行。因此，科学地进行城市中压配电网的规划与改造是十分必要的。提高已投运线路可靠性的有效方式就是对其进行分段，即在原有线路上加装分段开关，特别是实现自动化的分段开关，其目的是使配电网能够对负荷进行区域性划分，缩小故障和检修的区间，减少因线路故障造成的用户停电的范围，并在故障发生时通过切除故障段以减小停电损失，提高线路的可靠性。但是由于分段设备本身需要投入成本，并且随着线路上安装的分段开关设备增加，其维护成本以及设备故障率都将增大，因此线路安装的分段开关数量是受到限制的，如何平衡其可靠性与经济性是一个很重要的问题。而这也是对线路进行最优分段的一个重要目的。进一步地，由于不同用户对于供电的可靠性要求程度不同，在电改形势下，以相同的电价成本对所有用户提供不同可靠性要求的电能并不经济。如何进行规划，使得在以最小的设备投资改造线路以提高局部区域、用户对供电可靠性的要求是十分有意义的。对线路的最优分段的另外一个目标，就是以最经济的成本使线路整体或局部满足特定用户的可靠性要求，提高供电质量。此外，对线路进行分段，划分负荷区域，是进行配电网重构的前提条件。此时重构下的最优分段目标可以是配电网线损最小或者是负荷在各分段分布的最优化，即负荷的最优均衡化目标。在采用模型对配电网线路进行最优分段时，以往的模型主要进行两类建模：一种是在分段数已知的情况下求解每个分段长度，另一种是在分段数未知的情况下求解分段数，但需要假设分段长度各段相同，即进行平均分段。这些模型一般需要分两次甚至多次进行才能获得分段数和每个分段长度，方案比较复杂。技术实现要素：基于此，有必要针对现有技术中线路最优化分段时方案复杂的问题，提供一种配电网线路最优分段方法和装置，能够同时对分段数和分段长度两个变量同时进行求解，方案方便简单。一种配电网线路最优分段方法，包括步骤：获取待分段的配电网线路的拓扑结构以及所述配电网线路的相关参数；所述配电网线路包括主干线路以及若干条分支线路，所述相关参数包括线路参数、可靠性参数和经济性参数；将所述拓扑结构以及所述相关参数输入预设的配电网线路最优分段模型，并对所述配电网线路中不允许设置分段开关或必须设置分段开关的节点的变量赋值；所述配电网线路最优分段模型以第一矩阵表示所述配电网线路中节点和分段的对应关系，以第二矩阵表示每一条分支线路的节点和与该分支线路的节点相连的主干线路的节点的关联关系，并以拓扑结构以及相关参数为输入，以配电网的分段数和分段长度为输出；在设置的约束条件下，由所述配电网线路最优分段模型计算出配电网线路的分段数和分段长度。一种配电网线路最优分段装置，包括：数据获取模块，用于获取待分段的配电网线路的拓扑结构以及所述配电网线路的相关参数；所述配电网线路包括主干线路以及若干条分支线路，所述相关参数包括线路参数、可靠性参数和经济性参数；数据输入模块，用于将所述拓扑结构以及所述相关参数输入预设的配电网线路最优分段模型，并对所述配电网线路中不允许设置分段开关或必须设置分段开关的节点的变量赋值；所述配电网线路最优分段模型以第一矩阵表示所述配电网线路中节点和分段的对应关系，以第二矩阵表示每一条分支线路的节点和与该分支线路的节点相连的主干线路的节点的关联关系，并以拓扑结构以及相关参数为输入，以配电网的分段数和分段长度为输出；数据计算模块，用于在设置的约束条件下，由所述配电网线路最优分段模型计算出配电网线路的分段数和分段长度。上述配电网线路最优分段方法和装置，预先建立配电网线路最优分段模型，该配电网线路最优分段模型对线路节点和分段的对应关系以及分支线路和主干线路的关联关系抽象为矩阵形式表示，对分段特征和关联关系进行数学描述，形成能够精确解析的数学约束，将多变量的求解转化为对矩阵变量的求解，使得该配电网线路最优分段模型可以直接采用数学优化技术对分段数和分段长度两个变量同时进行求解，得到的结果无需修正，可直接应用于最优分段方案的实施，从而帮助电网规划人员合理地调整网架结构，使得配电网网架结构最优化，提高配电网运行的可靠性，方案方便简单。附图说明图1为一实施例的配电网线路最优分段方法的流程示意图；图2为一实施例的配电网线路最优分段装置的结构示意图。具体实施方式为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。如图1所示，一种配电网线路最优分段方法，包括步骤：s110、获取待分段的配电网线路的拓扑结构以及所述配电网线路的相关参数；所述配电网线路包括主干线路以及若干条分支线路，所述相关参数包括线路参数、可靠性参数和经济性参数；s120、将所述拓扑结构以及所述相关参数输入预设的配电网线路最优分段模型，并对所述配电网线路中不允许设置分段开关或必须设置分段开关的节点的变量赋值；所述配电网线路最优分段模型以第一矩阵表示所述配电网线路中节点和分段的对应关系，以第二矩阵表示每一条分支线路的节点和与该分支线路的节点相连的主干线路的节点的关联关系，并以拓扑结构以及相关参数为输入，以配电网的分段数和分段长度为输出；s130、在设置的约束条件下，由所述配电网线路最优分段模型计算出配电网线路的分段数和分段长度。上述配电网线路最优分段方法可以通过相应的程序实现，程序运行在终端中，例如计算机或者智能手机中。该方法通过建立配电网线路最优分段模型，可以直接采用数学优化技术对分段数和分段长度两个变量同时进行求解，得到的结果无需修正，可直接应用于最优分段方案的实施，方案方便简单。下面对各个步骤进行详细介绍。在步骤s110中，中压配电网接线方式一般包括单电源辐射接线、双电源手拉手环网接线、三电源环网接线、三分段三联络接线、n供一备(n-1)接线等。所谓n-1接线模式就是指n条电缆线路连成电缆环网，其中有1条线路作为公共的备用线路正常时空载运行，其它线路都可以满载运行，若有某1条运行线路出现故障，则可以通过线路切换把备用线路投入运行。本发明不仅适用于n-1接线配电网线路的最优分段，还适用于接线方式的配电网线路的最优分段。为了更精确地表示实际线路，在一个实施例中，获取待分段的配电网线路的拓扑结构的步骤可以包括：s1101、以树状链表对待分段的配电网线路的拓扑结构进行描述；所述配电网线路中节点包括杆塔和开关柜；s1102、将所述树状链表中负荷有功功率为零的节点进行合并，获得配电网线路的拓扑结构。本发明对数据的处理是基于现实线路结构进行的，使用树状链表表征配电网线路的拓扑结构，并以实际杆塔及开关柜的位置作为线路节点，使所得解更接近于实际线路，即所有分段点都对应于实际线路确定存在的杆塔或开关柜，每个解都具有实际的意义，以方便规划人员直接将结果应用于实际配电网线路的规划中。遍历树状链表并合并负荷有功功率为零的节点，即获得配电网线路的拓扑结构。需要说明的是，本发明并不对配电网拓扑结构的具体形式做出限定，本领域技术人员还可以采用其它方式描述配电网拓扑结构。配电网线路的相关参数可以根据建立的配电网线路最优分段模型所需要的参数确定，具体获取的方式可以根据现有技术中已有的方式实现。由于使用最小的经济成本对配电网进行科学合理的分段以使线路的运行可靠性满足负荷的供电可靠性要求是最优分段的主要目的，所以，在一个实施例中，所述相关参数包括线路参数、可靠性参数和经济性参数等。例如，线路参数包括：线路的节点编号，杆塔或开关站间线路长度，各杆塔或开关站所带负荷等。又例如，可靠性参数包括：节点间的线路故障率参数(包括线路故障率、设备故障率及负荷故障率)以及倒闸时间、分支起始位置和修复时间等参数。又例如，经济性参数包括：产电比、综售电收益和开关单价等。为了方便后续计算，可以对读取的数据进行简单处理。在步骤s120和步骤s130中，预先建立配电网线路最优分段模型。该模型所包含的目标函数可以根据所要达到的目标设定，例如，使用最小的经济成本对配电网进行科学合理的分段以使线路的运行可靠性满足负荷的供电可靠性要求是最优分段的目标，则可以以总的投资费用和停电损失费用最小为目标函数。需要说明的是，本发明并不对目标函数的形式做出限定。模型的建立有多种方式，例如，在使用故障模式后果分析法进行建模的过程中，要求分段数和分段长度不能都为变量，否则模型无法求解，以往的模型主要进行两类建模；一种是在分段数已知的情况下求解每个分段长度，另一种是在分段数未知的情况下求解分段数，但需要假设分段长度各段相同，即进行平均分段。这些模型都不允许同时求解两个变量，一般需要分两次甚至多次进行。而本模型对线路节点和分段的关系抽象为矩阵形式表示，对分段特征进行数学描述，形成能够精确解析的数学约束，将多变量的求解转化为对矩阵变量的求解，使得模型可以直接采用数学优化技术求解，得到的结果无需修正，可直接应用于最优分段方案的实施。配电网线路包括主干线路，所以，在一个实施例中，所述第一矩阵包括用于表示所述主干线路的节点和分段的对应关系的主干矩阵，即配电网线路最优分段模型对线路主干节点的分段关系以矩阵形式进行描述。矩阵可以为0-1矩阵a[n,k]，列数n为线路总节点数，行数k为该线路最大允许分段数。由于每一个节点一定会分配在某一分段，即矩阵对应节点所在列有且只有一个元素为1，且有a[i][j]＝1表示节点j处于第i分段，由于分段的连续性，矩阵中为1的元素将以阶梯状分布。将上述分段特征转化为矩阵的结构约束，在一个实施例中，所述主干矩阵对应的约束条件，即分段特征的矩阵结构约束条件，包括：a[i][j]+a[i-1][j]≥a[i][j+1]i＝0,1,..k-1j＝0,1,..m-2(2)a[i][j]∈{0,1}(3)其中，a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；k为线路最大允许分段数；m为主干线路的节点数；由于每一个节点一定会分配在某一分段，即矩阵对应节点所在列有且只有一个元素为1，即a[i][j]为1表示节点j处于第i分段。为了给规划人员更为合理的规划方案，所述配电网线路最优分段模型还以第二矩阵表示每一条分支线路的节点和与该分支线路的节点相连的主干线路的节点的关联关系，用以划分出属于同一个分段的节点。配电网线路最优分段模型对线路各条分支线路节点与相连主干节点的关联关系以矩阵形式进行描述，用以划分出各条分支线路节点与相连主干节点同属一个分段的节点部分。将分支线路和主干线路的关联性特征转化为矩阵的结构约束，在一个实施例中，所述第二矩阵对应的约束条件，即所述关联性特征的矩阵结构约束条件包括：a[i][g]≥a[i][j]i＝0,1,..k-1j∈mh(4)其中，a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；k为线路最大允许分段数；i为第i分段；g为第h条分支线路中与主干线路的节点相连的节点号；j为节点j；mh为第h条分支线路的节点号集合。若配电网线路还包括若干个分支线路，在一个实施例中，所述第一矩阵还包括用于表示每一条分支线路的节点和分段的对应关系的分支矩阵，即配电网线路最优分段模型对配电网n-1线路每一条分支线路节点的分段关系以矩阵形式进行描述。矩阵可以为0-1矩阵bh[n,k]，列数n为线路总节点数(包括首端节点)，行数k为该分支线路最大允许分段数。将分支线路分段特征和分支线路和主干关联关系转化为矩阵的结构约束，在一个实施例中，所述分支矩阵对应的约束条件，即所述分支线路分段特征的矩阵结构约束条件，包括：bh[i][j]+bh[i-1][j]≥bh[i][j+1]i＝0,1,..k-1j＝0,1,..n-2(7)bh[i][j]∈{0,1}(8)其中，bh为第h条分支线路的分段矩阵；bh[][]为第h条分支线路的行和列；f为第h条分支线路的第一个节点编号；mh为第h条分支线路的节点号集合；n为第h条分支线路的节点数；由于每一个节点一定会分配在某一分段，即矩阵对应节点所在列有且只有一个元素为1，即bh[i][j]为1表示节点j处于第i分段。本发明对分支采用相同的矩阵进行表示，并增加分支与主干的关联约束，使得模型能够求解含多分支的线路结构，更加接近于实际的配电网线路，能够给规划人员更为合理的规划方案。在一个实施例中，所述约束条件还可以包括停电时间约束条件，停电时间约束条件包括：其中，t[d]为编号为d的节点负荷的停电时间；d为该条线路编号为d的节点；k为该条线路的第k个节点；i为第i分段；a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；j为节点j；n为第h条分支线路的节点数；m为主干线路的节点数；n+m为线路总的节点数；γ[k]为k节点所在线路的故障率；γ[h]为h节点所在线路的故障率；t1为分段开关综合操作时间；t2为联络开关综合操作时间；t为第i分段处负荷的故障恢复时间；b[][]为分支矩阵的行和列；γ为线路的总故障率。在一个实施例中，所述约束条件还可以包括可靠性约束条件，所述可靠性约束条件包括：其中，saidi为每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间；t[j]为节点j负荷的停电时间；p[j]为节点j的负荷；p为总负荷；asai为系统平均供电可用率；h1为系统平均供电可用率下限值；ensi为系统电量不足；l[j]为节点j的平均负荷，等于年峰负荷与负荷系数的乘积；h2为系统电量不足上限值。将拓扑结构以及相关参数导入配电网线路最优分段模型中，设置可靠性边界条件，并对不允许设置分段开关或必须设置分段开关的节点变量赋相应的固定值(例如以0表示不允许设置分段开关、1表示允许设置分段开关)，对含多分支线路的配电网线路最优分段模型进行计算，即可得到该配电网线路满足可靠性要求的最优分段解，从而帮助电网规划人员合理地调整网架结构，使得配电网网架结构最优化，提高配电网运行的可靠性。其中，必须设置分段开关的节点和不允许设置分段开关的节点可以根据设定的条件确定。另外，对含多分支线路的配电网线路最优分段模型进行计算，除了得到分段数和分段长度，还可以得到其他相关参数的结果，例如可靠性参数或者经济性参数等。为了更好地理解本发明，下面结合一个具体实施例进行详细介绍。以一条12节点的配电网线路为例，系统网架结构参数以及节点负荷如表1所示，配电网相关的经济性参数和可靠性参数如表2所示。表1系统网架结构参数以及节点负荷节点j负荷(kw)线路长度(m)110025021002503100250420025052002506300250730025085002509500250106002501180025012800250表2可靠性参数及经济性参数将上述数据以及配电网线路的拓扑结构导入配电网线路最优分段模型中求解，得到配电网最佳最优分段方案，配电网线路最优分段模型如下所示：本实施例以nf即总的投资费用和停电损失费用最小为目标函数：minnf＝z+l(13)式(13)中，z为总的投资费用；l为系统停电损失。且有z＝c0+cd+cj+(n-1)cf(14)其中，c0为线路投资；cd为出口断路器的投资；n为线路的分段数；cf为分段开关的投资。架空线路的分段开关为负荷开关，电缆线路分段开关为主馈线上的环网柜；cj为年检修费用等其他费用总和。且有l＝l1+l2(15)ens＝p·saidi(16)l1＝ens·h·10-4(17)l2＝ens·k·10-4(18)其中，l1为直接经济损失(万元)；l2为间接经济损失(万元)；l为系统总的停电损失(万元)；ens为线路缺供电量(kwh)；p为线路所带的最大负荷(kw)；saidi为系统平均停电持续时间(h)；h为电力企业的综售电收益，即电力企业的供电纯利润(元/kwh)，它是售电价与企业供电成本的差值；k为产电比。约束条件如下：(1)主干矩阵约束：a[i][j]+a[i-1][j]≥a[i][j+1]i＝0,1,..k-1j＝0,1,..m-2(20)a[i][j]∈{0,1}(21)其中，a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；k为线路最大允许分段数；m为主干线路的节点数；由于每一个节点一定会分配在某一分段，即矩阵对应节点所在列有且只有一个元素为1，即a[i][j]为1表示节点j处于第i分段。该算例不含分支，故无需建立分支矩阵及相应的关联矩阵。(2)停电时间约束：其中，t1为分段开关综合操作时间；t2为联络开关综合操作时间；t为i点处负荷的故障恢复时间；γ[j]为j节点所在线路的故障率；γ为线路的总故障率。(3)可靠性约束：式中，saidi是指每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间；asai为系统平均供电可用率；p[j]为j节点负荷；p为总负荷；h1为系统平均供电可用率下限值；ensi为系统电量不足；l[j]节点j的平均负荷，等于年峰负荷与负荷系数的乘积；h2为系统电量不足上限值。得到主干矩阵a如下：根据该配电网线路最优分段模型得到的结果如下表3所示：表3计算结果利用数学优化技术求解该模型，得到不需要进行检验和校正的最优分段解，从而帮助电网规划人员合理地调整网架结构，使得配电网网架结构最优化，提高配电网运行的可靠性。基于同一发明构思，本发明还提供一种配电网线路最优分段装置，下面结合附图对本发明装置的具体实施方式进行简单介绍。如图2所示，一种配电网线路最优分段装置，包括：数据获取模块110，用于获取待分段的配电网线路的拓扑结构以及所述配电网线路的相关参数；所述配电网线路包括主干线路以及若干条分支线路，所述相关参数包括线路参数、可靠性参数和经济性参数；数据输入模块120，用于将所述拓扑结构以及所述相关参数输入预设的配电网线路最优分段模型，并对所述配电网线路中不允许设置分段开关或必须设置分段开关的节点的变量赋值；所述配电网线路最优分段模型以第一矩阵表示所述配电网线路中节点和分段的对应关系，以第二矩阵表示每一条分支线路的节点和与该分支线路的节点相连的主干线路的节点的关联关系，并以拓扑结构以及相关参数为输入，以配电网的分段数和分段长度为输出；数据计算模块130，用于在设置的约束条件下，由所述配电网线路最优分段模型计算出配电网线路的分段数和分段长度。在一个实施例中，所述数据获取模块110以树状链表对待分段的配电网线路的拓扑结构进行描述；所述配电网线路中节点包括杆塔和开关柜，将所述树状链表中负荷有功功率为零的节点进行合并，获得配电网线路的拓扑结构。在一个实施例中，所述第一矩阵和/或所述第二矩阵为0-1矩阵。在一个实施例中，所述第一矩阵包括用于表示主干线路的节点和分段的对应关系的主干矩阵；所述主干矩阵对应的约束条件包括：a[i][j]+a[i-1][j]≥a[i][j+1]i＝0,1,..k-1j＝0,1,..m-2a[i][j]∈{0,1}其中，a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；k为线路最大允许分段数；m为主干线路的节点数；a[i][j]为1表示节点j处于第i分段。在一个实施例中，所述第一矩阵还包括用于表示每一条分支线路的节点和分段的对应关系的分支矩阵；所述分支矩阵对应的约束条件包括：bh[i][j]+bh[i-1][j]≥bh[i][j+1]i＝0,1,..k-1j＝0,1,..n-2bh[i][j]∈{0,1}其中，bh为第h条分支线路的分段矩阵；bh[][]为第h条分支线路的行和列；f为第h条分支线路的第一个节点编号；mh为第h条分支线路的节点号集合；n为第h条分支线路的节点数；bh[i][j]为1表示节点j处于第i分段。在一个实施例中，所述第二矩阵对应的约束条件包括：a[i][g]≥a[i][j]i＝0,1,..k-1j∈mh其中，a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；k为线路最大允许分段数；i为第i分段；g为第h条分支线路中与主干线路的节点相连的节点号；j为节点j；mh为第h条分支线路的节点号集合。在一个实施例中，所述约束条件还包括停电时间约束条件，包括：其中，t[d]为编号为d的节点负荷的停电时间；d为该条线路编号为d的节点；k为该条线路的第k个节点；i为第i分段；a为主干矩阵；a[][]为主干矩阵的行和列；j为节点j；n为第h条分支线路的节点数；m为主干线路的节点数；n+m为线路总的节点数；γ[k]为k节点所在线路的故障率；γ[h]为h节点所在线路的故障率；t1为分段开关综合操作时间；t2为联络开关综合操作时间；t为第i分段处负荷的故障恢复时间；b[][]为分支矩阵的行和列；γ为线路的总故障率。在一个实施例中，所述约束条件还包括可靠性约束条件，包括：其中，saidi为每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间；t[j]为节点j负荷的停电时间；p[j]为节点j的负荷；p为总负荷；asai为系统平均供电可用率；h1为系统平均供电可用率下限值；ensi为系统电量不足；l[j]为节点j的平均负荷，等于年峰负荷与负荷系数的乘积；h2为系统电量不足上限值。上述配电网线路最优分段方法和装置，分别建立配电网线路主干和分支的节点与分段关系的矩阵以及主干和分支的关联矩阵，将分段特征和关联关系转化为矩阵的结构描述，基于故障模式后果分析法建立了含多分支线路的配电网线路最优分段模型，与传统配电网最优分段方案相比，本发明具有以下优点：1、对数据的处理是基于现实线路结构进行的，使用树状链表表征配电网线路的拓扑结构，使该方案所得解更接近于实际线路，即所有分段点都对应于实际线路确定存在的杆塔或开关柜；2、可以直接采用数学优化技术对分段数和分段长度两个变量同时进行求解，即在求解最优分段数的同时对分段的最优位置也进行求解，得到的结果无需修正，可直接应用于最优分段方案的实施；3、对分支采用相同的矩阵进行表示，并增加分支与主干的关联约束，使得模型能够求解含多分支的线路结构，更加接近于实际的配电网线路，能够给规划人员更为合理的规划方案；4、允许在不同负荷密度分布及包含大支路的线路进行仿真计算。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12