一种基于网络拓扑关联搜索的配电网低电压评估方法与流程
本发明属于电力系统配电网技术领域，具体涉及一种基于网络拓扑关联搜索与改进权重分析法的配电网220kv、110(35)kv、10kv全电压等级低电压评估方法。
背景技术：
随着城市经济的迅猛发展，用电负荷增长很快，同时也使城市配电网低电压问题越来越突出，配电网低电压现象已经严重影响人们生活质量和工厂生产供电，低电压问题已成为当前配电网改造中亟待解决的重要问题。
为消除“低电压”的不良现象，科学地开展配电网的规划改造治理，需要针对配电网全面评估低电压问题，从规划、治理等多种渠道解决低电压问题。目前所采取的配电网低电压评估方法，通常针对低电压问题台区开展专项治理，或者只针对特定电压等级基于特定技术指标开展分析评估，缺乏将配电网220kv、110(35)kv、10kv各层级电压等级进行综合关联性考虑，统筹分析低电压问题的评估方法，对于低电压成因的问题源头没有深入梳理，导致低电压问题评估的结论不够全面、深入。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提出一种基于网络拓扑关联搜索的配电网低电压评估方法，克服了配电网低电压评估方法仅限于配电网问题台区或者低电压问题的特定电压等级，提供220kv、110(35)kv、10kv电压等级低电压问题全面横向扫描，并基于配电网网络拓扑在不同电压等级之间纵向搜索，以实现低电压问题的全面评估。
本发明的目的是通过以下技术措施实现的。
本专利发明了一种基于网络拓扑关联搜索的配电网低电压评估方法，是基于改进权重分析法的配电网220kv、110(35)kv、10kv电压等级的全面低电压问题评估方法，并结合电网拓扑结构纵向搜索不同电压层级之间低电压问题的关联，在上一层级问题解决的前提下，修改上一层级的低电压问题节点中的相关指标，并调整关联的下层网络的相关指标；从而理清问题的源头，避免治理项目的重复投资。本发明方法具体包括以下步骤：
(1)根据220kv、110(35)kv、10kv各电压等级实际收集数据构建指标体系；
(2)根据配电网的网络结构，形成配电网节点支路关联矩阵；
(3)针对给定配电网，采用改进权重评估方法对220kv电压等级进行低电压问题评估，找出该电压等级的低电压问题节点；结合步骤(2)纵向搜索与这些低电压问题节点存在拓扑关联的110(35)kv电压等级节点，修改220kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标将改善其评分，并调整关联110(35)kv电压等级节点的相关指标；其中，220kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标指的是引起该220kv电压等级节点存在低电压问题的指标，关联110(35)kv电压等级的节点的相关指标指的是与前述220kv电压等级的节点所调整指标存在相关性的指标；
(4)针对给定配电网110(35)kv电压等级，采用改进权重评估方法对110(35)kv电压等级进行低电压问题评估，找出110(35)kv电压等级的低电压问题节点；结合步骤(2)纵向搜索与这些低电压问题节点存在拓扑关联的10kv电压等级节点，修改110(35)kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标将改善其评分，并调整关联10kv电压等级节点的相关指标；
(5)采用改进权重评估方法对10kv电压等级进行低电压问题评估，找出10kv电压等级的低电压问题节点并开展对应的治理工作。
在上述技术方案中，步骤(1)中所述的指标体系，具体见表1。
表1
上述表1中的指标，若指标数值越高，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为极大型指标；若指标数值越低，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为极小型指标；若指标数值存在合理区间，且实际数值偏离该区间程度越大，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为区间型指标。
利用极值法对220kv、110(35)kv、10kv电压等级的各指标的实际数据进行无量纲与归一化处理，并统一转化为极大型指标。其处理方式如下：
对于极小型指标，令x*＝m-x得到该极小型指标对应的极大型指标；式中，m为指标x(实测值)的一个允许上界。例如，本发明中，m可以表示为10kv电压等级全部台区中低压馈线最小截面积指标中的最大值(对应表1中指标i13)。
对于区间型指标，采用以下公式得到该区间型指标对应的极大型指标。
式中[q1,q2]为指标[q1,q2]的最佳稳定区间。例如，本发明中，[q1,q2]可以表示变电站容载比合理区间(对应表1中指标i36，i27，i16)：220kv变电站容载比一般取为[1.6,1.9]，35～110kv变电所的容载比一般取为[1.8,2.1]，10kv及以下配电变压器容载比根据实际地区情况进行选取；同理，[q1,q2]还可以表示10kv电压等级中台区三相负荷不平衡率(对应表1中指标i18)：一般取值区间为[0,0.15]。
对于极大型指标，令
在上述技术方案中，所述改进权重评估方法的处理方式如下：
步骤一，对于配电网低电压评估存在n个指标，对这n个指标两两进行比较，确定比较结果aij并用三标度法建立比较矩阵a，其取值分别为：aij＝0，表示量指标同等重要；aij＝1，表示前者比后者重要；aij＝-1，表示前者不如后者重要，且aii＝0。其比较矩阵如下式：
步骤二，求出比较矩阵a的最优传递矩阵b，其传递矩阵如下式：
其中，
步骤三，将最优传递矩阵b转化为一致性判断矩阵d，其一致性判断矩阵d如下式：
其中，dij＝exp{bij}；
步骤四，求一致性判断矩阵d的特征向量
此处使用方根法求解，方根法求解过程如下：
将一致性判断矩阵d中元素按行相乘，得到乘积向量e，乘积向量e中的元素ei为：
计算乘积向量e中每个元素ei的i次方根，并组成新向量f，新向量中的元素fi为：
将所得向量f归一化即为权重向量w，求得的权重向量矩阵w如下：
w＝[w1,w2,...,wi]t
所求得的各wi值即为各指标权重。
步骤五，计算各指标评分。在步骤(1)中计算得到的x*为一取值范围为[0,1]的小数，根据以下公式即可得到该指标的百分制评分q：
q＝100x*
步骤六，根据得到的各指标权重与各指标评分，计算二者的乘积和，即得到各层级总评分。计算公式如下：
式中，wi为各层级的指标权重，qi为各层级的指标评分，s为对应层级的总评分。其中，当对220kv电压等级进行评估时，n＝6；当对110(35)kv电压等级进行评估时，n＝7；当对10kv电压等级进行评估时，n＝8。
步骤七，计算各指标处于正常状态允许临界值时的评分，以此计算各层级正常状态下的允许临界总评分se，并与对应层级总评分s进行比较。当s≤se时，可判定该层级正常，无需进行治理；当s＞se时，判定该层级存在问题，需要进行治理。
在上述技术方案中，步骤(2)所述的根据配电网的网络结构，形成配电网节点支路关联矩阵的具体方式如下：首先确定数据录入的形式，此处采用以下的结构体形式：
节点结构体{节点号}
支路结构体{支路号，支路首端节点号，支路末端节点号}
然后根据配电网的实际网络拓扑结构确定各层级节点之间的拓扑关联性，并按上述的节点和支路结构体形式录入数据，经过计算机处理形成配电网的节点-支路关联矩阵。以图2的配电网网络拓扑结构为例，其节点-支路关联矩阵如下式所示：
其中，节点-支路关联矩阵的行表示节点号1-6，列表示支路号1-5。矩阵中1表示节点与支路相连，0表示节点与支路不相连。
在上述技术方案中，低电压问题的关联性分析包括以下步骤：
首先，采用改进权重评估方法对220kv电压等级进行低电压问题评估，找出220kv电压等级的低电压问题节点；将220kv电压等级的问题节点选取出来并标记，同时改变矩阵中对应部分，此时节点-支路关联矩阵搜索方式如下式所示：
其中，矩阵中1表示正常节点与支路相连，2表示问题节点与支路相连，0表示节点与支路不相连。节点1(220kv电压等级节点)为问题节点，从问题源头(220kv电压层级)着手对问题节点进行搜索，计算机内部具体搜索示意如下：
按照上式矩阵中箭头方向搜索，从节点1，即矩阵中的第1行出发，找到第1列和第3列为非零元素，即说明节点1与支路1和支路3相连，此时矩阵中第1列上另一个非零元素对应的节点4，第3列上另一个非零元素对应的节点2，故最后得到的关联队列为{1,2,4}。通过搜索建立了220kv电压层级与110(35)kv电压层级的关联性，对由于关联性的原因造成的问题节点进行梳理，便于后期治理。在改善节点1的指标(治理节点1存在的问题)后相关联的110(35)kv电压等级节点指标可能改善，如220kv变电站出口电压合格率(i31)会影响下级110(35)kv变电站出口电压合格率(i21)。
然后，采用改进权重评估方法对指标改善后的全新的110(35)kv电压等级进行低电压问题评估，根据得到全新的110(35)kv电压等级评分情况，将110(35)kv电压等级的问题节点选取出来并标记，此处假设问题节点为节点2，同时改变节点—支路关联矩阵中对应部分，由于此时220kv电压等级的问题节点全部找出故都置0，此时节点-支路关联矩阵如下式所示：
现从110(35)kv电压等级的问题节点(此刻最高层级)开始进行搜索，按照上式中箭头方向进行搜索，从节点2出发，找到第2、4列为非零元素，即说明节点2与支路2和支路4相连，此时矩阵中第2列上另一个非零元素对应的节点3，第4列上另一个非零元素对应的节点6，因此搜索得到的关联队列b为{2,3,6}。通过搜索建立了110(35)kv电压层级与10kv电压层级的关联性，对由于关联性的原因造成的问题节点进行梳理，便于后期治理。在改善中压节点2的指标后关联低压层节点指标可能改善，如110(35)kv变电站出口电压合格率(i21)影响10kv变电站出口电压合格率(i11)。
完成上述步骤后，同上采用改进权重评估方法对指标改善后的全新的10kv电压等级进行低电压问题评估，根据得到全新的10kv电压等级评分情况，将10kv电压等级的问题节点选取出来并标记，同时改变节点-支路关联矩阵中对应部分，由于此时220kv与110(35)kv电压等级的问题节点全部找出故都置0，此时节点-支路关联矩阵如下式所示：
最后，计算调整后的10kv电压等级的评分，并对剩余孤立的10kv电压等级的问题节点进行搜索，将这些问题节点找出来，进行单独治理，以全面解决目标配电网存在的低电压问题。
通过上述的搜索过程，实现了220kv、110(35)kv、10kv三个电压层级的纵向关联，实现了低电压问题的全方面评估工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种改进权重分析法的配电网低电压评估方法，结合配电网拓扑结构搜索开展220kv、110(35)kv、10kv电压等级的全方位低电压评估，开展220kv、110(35)kv、10kv电压等级低电压问题全面横向扫描，并基于配电网网络拓扑在不同电压等级之间纵向搜索,实现低电压问题的全面评估改善工作。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明提供的实施例的配电网网络拓扑示意图。
图3是本发明提供的实施例中的实际实施方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于网络拓扑关联搜索的配电网低电压评估方法，包括以下步骤：
(1)根据220kv、110(35)kv、10kv各电压等级实际收集数据构建指标体系；
(2)根据配电网的网络结构，形成配电网节点支路关联矩阵；
(3)针对给定配电网，采用改进权重评估方法对220kv电压等级进行低电压问题评估，找出该电压等级的低电压问题节点；结合步骤(2)纵向搜索与这些低电压问题节点存在拓扑关联的110(35)kv电压等级节点，修改220kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标将改善其评分，并调整关联110(35)kv电压等级节点的相关指标；其中，220kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标指的是引起该220kv电压等级节点存在低电压问题的指标，关联110(35)kv电压等级的节点的相关指标指的是与前述220kv电压等级的节点所调整指标存在相关性的指标；
(4)针对给定配电网110(35)kv电压等级，采用改进权重评估方法对110(35)kv电压等级进行低电压问题评估，找出110(35)kv电压等级的低电压问题节点；结合步骤(2)纵向搜索与这些低电压问题节点存在拓扑关联的10kv电压等级节点，修改110(35)kv电压等级的低电压问题节点中的相关指标将改善其评分，并调整关联10kv电压等级节点的相关指标；
(5)采用改进权重评估方法对10kv电压等级进行低电压问题评估，找出10kv电压等级的低电压问题节点并开展对应的治理工作。
在上述技术方案中，步骤(1)中所述的指标体系，具体见表1。
表1
上述表1中的指标，若指标数值越高，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为极大型指标；若指标数值越低，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为极小型指标；若指标数值存在合理区间，且实际数值偏离该区间程度越大，对相应层级的电压状态越不利，则定义该指标为区间型指标。
利用极值法对220kv、110(35)kv、10kv电压等级的各指标的实际数据进行无量纲与归一化处理，并统一转化为极大型指标。其处理方式如下：
对于极小型指标，令x*＝m-x得到该极小型指标对应的极大型指标；式中，m为指标x(实测值)的一个允许上界。例如，本发明中，m可以表示为10kv电压等级全部台区中低压馈线最小截面积指标中的最大值(对应表1中指标i13)。
对于区间型指标，采用以下公式得到该区间型指标对应的极大型指标。
式中[q1,q2]为指标[q1,q2]的最佳稳定区间。例如，本发明中，[q1,q2]可以表示变电站容载比合理区间(对应表1中指标i36，i27，i16)：220kv变电站容载比一般取为[1.6,1.9](可调整)，35～110kv变电所的容载比一般取为[1.8,2.1](可调整)，10kv及以下配电变压器容载比根据实际地区情况进行选取；同理，[q1,q2]还可以表示10kv电压等级中台区三相负荷不平衡率(对应表1中指标i18)：一般取值区间为[0,0.15]。
对于极大型指标，令
在上述技术方案中，所述改进权重评估方法的处理方式如下：
步骤一，对于配电网低电压评估存在n个指标，对这n个指标两两进行比较，确定比较结果aij并用三标度法建立比较矩阵a，其取值分别为：aij＝0，表示量指标同等重要；aij＝1，表示前者比后者重要；aij＝-1，表示前者不如后者重要，且aii＝0。其比较矩阵如下式：
步骤二，求出比较矩阵a的最优传递矩阵b，其传递矩阵如下式：
其中，
步骤三，将最优传递矩阵b转化为一致性判断矩阵d，其一致性判断矩阵d
如下式：
其中，dij＝exp{bij}；
步骤四，求一致性判断矩阵d的特征向量
此处使用方根法求解，方根法求解过程如下：
将一致性判断矩阵d中元素按行相乘，得到乘积向量e，乘积向量e中的元素ei为：
计算乘积向量e中每个元素ei的i次方根，并组成新向量f，新向量中的元素fi为：
将所得向量f归一化即为权重向量w，求得的权重向量矩阵w如下：
w＝[w1,w2,...,wi]t
所求得的各wi值即为各指标权重。
步骤五，计算各指标评分。在步骤(1)中计算得到的x*为一取值范围为[0,1]的小数，根据以下公式即可得到该指标的百分之评分q：
q＝100x*
步骤六，根据得到的各指标权重与各指标评分，计算二者的乘积和，即得到各层级总评分。计算公式如下：
式中，wi为各层级的指标权重，qi为各层级的指标评分，s为对应层级的总评分。其中，当对220kv电压等级进行评估时，n＝6；当对110(35)kv电压等级进行评估时，n＝7；当对10kv电压等级进行评估时，n＝8。
步骤七，计算各指标处于正常状态允许临界值时的评分，以此计算各层级正常状态下的允许临界总评分se，并与对应层级总评分s进行比较。当s≤se时，可判定该层级正常，无需进行治理；当s＞se时，判定该层级存在问题，需要进行治理。
在上述技术方案中，步骤(2)所述的根据配电网的网络结构，形成配电网节点支路关联矩阵的具体方式如下：首先确定数据录入的形式，此处采用以下的结构体形式：
节点结构体{节点号}
支路结构体{支路号，支路首端节点号，支路末端节点号}
然后根据配电网的实际网络拓扑结构确定各层级节点之间的拓扑关联性，并按上述的节点和支路结构体形式录入数据，经过计算机处理形成配电网的节点-支路关联矩阵。以图2的配电网网络拓扑结构为例，其节点-支路关联矩阵如下式所示：
其中，节点-支路关联矩阵的行表示节点号1-6，列表示支路号1-5。矩阵中1表示节点与支路相连，0表示节点与支路不相连。
在上述技术方案中，低电压问题的关联性分析包括以下步骤：
首先，采用改进权重评估方法对220kv电压等级进行低电压问题评估，找出220kv电压等级的低电压问题节点；将220kv电压等级的问题节点选取出来并标记，同时改变矩阵中对应部分，此时节点-支路关联矩阵搜索方式如下式所示：
其中，矩阵中1表示正常节点与支路相连，2表示问题节点与支路相连，0表示节点与支路不相连。节点1(220kv电压等级节点)为问题节点，从问题源头(220kv电压层级)着手对问题节点进行搜索，计算机内部具体搜索示意如下：
按照上式矩阵中箭头方向搜索，从节点1，即矩阵中的第1行出发，找到第1列和第3列为非零元素，即说明节点1与支路1和支路3相连，此时矩阵中第1列上另一个非零元素对应的节点4，第3列上另一个非零元素对应的节点2，故最后得到的关联队列为{1,2,4}。通过搜索建立了220kv电压层级与110(35)kv电压层级的关联性，对由于关联性的原因造成的问题节点进行梳理，便于后期治理。在改善节点1的指标(治理节点1存在的问题)后相关联的110(35)kv电压等级节点指标可能改善，如220kv变电站出口电压合格率(i31)会影响下级110(35)kv变电站出口电压合格率(i21)。
然后，采用改进权重评估方法对指标改善后的全新的110(35)kv电压等级进行低电压问题评估，根据得到全新的110(35)kv电压等级评分情况，将110(35)kv电压等级的问题节点选取出来并标记，此处假设问题节点为节点2，同时改变节点—支路关联矩阵中对应部分，由于此时220kv电压等级的问题节点全部找出故都置0，此时节点-支路关联矩阵如下式所示：
现从110(35)kv电压等级的问题节点(此刻最高层级)开始进行搜索，按照上式中箭头方向进行搜索，从节点2出发，找到第2、4列为非零元素，即说明节点2与支路2和支路4相连，此时矩阵中第2列上另一个非零元素对应的节点3，第4列上另一个非零元素对应的节点6，因此搜索得到的关联队列b为{2,3,6}。通过搜索建立了110(35)kv电压层级与10kv电压层级的关联性，对由于关联性的原因造成的问题节点进行梳理，便于后期治理。在改善中压节点2的指标后关联低压层节点指标可能改善，如110(35)kv变电站出口电压合格率(i21)影响10kv变电站出口电压合格率(i11)。
完成上述步骤后，同上采用改进权重评估方法对指标改善后的全新的10kv电压等级进行低电压问题评估，根据得到全新的10kv电压等级评分情况，将10kv电压等级的问题节点选取出来并标记，同时改变节点—支路关联矩阵中对应部分，由于此时220kv与110(35)kv电压等级的问题节点全部找出故都置0，此时节点-支路关联矩阵如下式所示：
最后，计算调整后的10kv电压等级的评分，并对剩余孤立的10kv电压等级的问题节点进行搜索，将这些问题节点找出来，进行单独治理，以全面解决目标配电网存在的低电压问题。
通过上述的搜索过程，实现了220kv、110(35)kv、10kv三个电压层级的纵向关联，实现了低电压问题的全方面评估工作。
如图3所示，为本实施例中步骤(3)、(4)、(5)的实际实施方法的示意图，其中菱形点代表问题节点，圆形点代表正常节点，a1-a8代表1、2、3号节点是否存在问题的所有情况，按照“高-中-低”的改善思路，其改善过程如箭头所示。
以情况a1为例，首先改变220kv电压等级的1号节点的某些指标，从而降低其评分，完成该节点“治理工作”，此时可能出现三种情况：110(35)kv电压等级的2号节点与10kv电压等级的3号节点由于关联性得分有所降低并成为“正常节点”，得到情况a2；110(35)kv电压等级的2号节点由于关联性其得分也有所降低，但10kv电压等级的节点由于自身问题评分偏高，得到情况a3，接着只用对10kv电压等级的节点3进行单独改善即可；110(35)kv电压等级的2号节点由于自身低电压问题仍然存在问题，得到情况a4，需要从110(35)kv电压等级开展后续工作。
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