基于重要电力用户的中心城区保底电网多目标规划方法与流程

本发明涉及保底电网规划领域，更具体地，涉及一种基于重要电力用户的中心城区保底电网多目标规划方法。

背景技术：

中心城区的保底电网是指针对严重自然灾害或外力破坏等极端情况，以提高重要电力用户供电安全、提高严重故障下的快速复电能力为目标，选取重要变电站或电源以及关键线路进行重点设计建设所形成的最小规模网架。中心城区保底电网保障负荷以重要电力用户为基础，满足极端情况下的基本负荷需求。

根据国标要求，重要电力用户的供电电源应采用多电源、双电源或双回路供电。当任何一路或一路以上电源发生故障时，至少仍有一路电源应能满足保安负荷不间断供电。因此，中心城区的保底电网应能够涵盖所有重要电力用户，对于每个重要电力用户的供电电源和供电回路，至少选取一路电源及其相应的供电回路纳入保底电网。

随着电网的抗灾能力越来越受到重视，保底电网规划方法的研究也成为一个关注热点，并取得了一定的研究成果。在已有的研究成果中，对于重要电力用户实际供电电源和线路关注不足，或者对保底电网的规模考虑不够全面。有的关注于电网中节点和支路的重要程度，但未考虑到构建的保底电网是否为规模最小；有的关注于电网建设成本，未考虑到构建的保底电网中是否能够保障所有重要电力用户的负荷；有的关注于向集中分布的重要电力用户的供电路径距离，但未考虑到保底电网中变电站或电源的数量，所构建的保底电网中也可能忽略掉零散分布的重要电力用户。

技术实现要素：

基于此，本发明实施例的目标在于提出一种中心城区保底电网多目标规划方法。本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，本发明的首要目的是关注重要电力用户的供电变电站或电源及其供电线路，将重要电力用户的供电变电站或电源及其供电线路作为保底电网的基础；本发明的进一步目的是提高保底电网抵抗严重自然灾害的能力，将电缆的比例设置为规划优化的目标函数之一，这是因为电缆线路相对于架空输电线路而言，在抵抗风灾、霜冻等自然灾害方面具有明显优势。本发明的第三个目的是全面协调优化保底电网的规模，包括变电站和电源的数量、供电线路的数量、电缆线路的比例。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于重要电力用户的中心城区保底电网多目标规划方法，其特征在于，包括下述步骤：

s1获取电网拓扑信息、重要电力用户相关数据，配置差分进化算法相关参数和决策变量；

s2随机生成重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路的多个选取方案作为初始种群；

s3对原种群进行变异交叉操作后产生实验种群；

s4根据种群个体的数据，在重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路的基础上构建完整的保底电网方案；

s5计算各方案的目标函数值，并根据目标函数值的pareto占优原则比较，产生子代个体；

s6采用精英保留策略，生成pareto最优解集；

s7根据迭代次数判断是否进化完毕，若未进化完毕则返回种群变异、交叉步骤继续迭代；若进化完毕则停止迭代，并输出外部精英存储器中包含的保底电网方案。

进一步，步骤s1中，所述的电网拓扑信息包括变电站、电源和线路构成的节点支路矩阵，电缆集合，同塔架设或同电缆沟敷设的双回线路和多回线路集合。

进一步，步骤s1中，所述重要电力用户相关数据包括重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路；

进一步，所述差分进化算法相关参数包括种群规模、变异因子、交叉概率因子、迭代次数、目标函数值排序的设定阀值。

进一步，步骤s1中，所述决策变量是一个以重要用户个数为维数的向量，向量中元素的数值范围为{0,1}，0表示不选择该供电变电站或电源及其相应的供电线路，1表示选择该供电变电站或电源及其相应的供电线路。

进一步，步骤s3中，所述的变异交叉操作具体如下：

a结合变异因子，随机产生种群内的变异个体，四舍五入取整后判断该变异个体是否满足决策变量的取值范围；

b若变异个体不在决策变量的取值范围内则需重新生成，直到所有个体均满足取值范围，从而生成变异种群；

c随机产生交叉的个体位置，结合交叉概率因子，对原种群和变异种群进行交叉操作，交叉后的原种群即为实验种群。

进一步，s4具体步骤如下：

a根据图论的连通性，判断实验种群和原种群每个个体的方案是否满足完整的电网拓扑结构，电网拓扑连通性的表达式为：

φ(t，l)＝1(1)

式中，φ为保底电网拓扑图连通性的判断，各子图均满足连通性时为1，否则为0，t为保底电网中的变电站和电源集合，l为保底电网中线路集合；

b若不满足完整的电网拓扑结构，结合变电站和线路构成的节点支路矩阵，根据最少线路的原则，通过广度优先搜索，将必要的变电站、电源和线路纳入保底电网；

c若有线路存在与其同塔架设或同电缆沟敷设的线路未纳入保底电网，则需要将其纳入，线路存在同塔/电缆沟的双回线路或多回线路表达式为：

l∈{td,tm}(2)

式中，l为保底电网中的线路编号集合，td、tm分别为中心城区电网中同塔架设或同电缆沟敷设的双回线路集合和多回线路集合；

d若满足完整的电网拓扑结构，且所有线路不存在与其同塔架设或同电缆沟敷设的线路未纳入保底电网，则重要电力用户供电的变电站和线路构成的网架即做为保底电网规划方案。

进一步，步骤s5中，所述的目标函数描述如下：

a以重要电力用户的供电变电站和电源总数最少、线路回数最少、线路中的电缆比例最高为目标函数，如下式所示：

minf＝(f1，f2，f3)(1)

式中：f为最优解；f1为保底电网中重要电力用户的供电变电站和电源总数，f2为线路回数，f3为电缆比例；

b每个目标的数学表达式如下：

f1＝count(t)，t∈{1,2,…nt}(2)

式中，t为保底电网中的重要电力用户的供电变电站和电源的编号集合，nt为中心城区电网中变电站和电源的总座数；

f2＝count(l)，l∈{1,2,…nl}(3)

式中，nl为中心城区电网中线路回数。l中除重要电力用户的供电线路外，还可能包括一些必要的支撑性线路，一个保底电网应该由一个或多个完整的网络拓扑构成；

f3＝1-count(lc)/f2，lc∈{1,2,…f2}(4)

式中，lc为保底电网中的电缆线路编号集合；

c特别需要指出的是，其中非重要电力用户的供电变电站或电源作为过路站/源，不计入保底电网中的变电站和电源总数。

进一步，步骤s6中，所述的精英保留策略具体操作如下：

a将原种群中对应的目标函数占优且不存在支配关系的个体方案加入外部精英存储器，将子代个体与外部精英存储器中的每一个个体进行比较；

b如果子代个体对应的目标函数值与外部精英存储器中所有个体的目标函数值不存在支配与被支配关系，随机选择一个优化目标函数，将子代个体对应的该目标函数值与外部精英存储器中所有个体的该目标函数值按从小到大的顺序进行排序；

c计算子代个体对应的目标函数值与前后个体目标函数值之间的距离，若前后距离的最小值比设定的阀值小，则不将子代个体加入外部精英存储器中，若大于等于阀值，则将子代个体加入外部精英存储器中，以保持pareto最优解的多样性；

d如果子代个体对应的目标函数值支配外部精英存储器中某些个体的目标函数值，则将被支配个体从外部精英存储器中删除，子代个体加入到外部精英存储器中；

e如果子代个体对应的目标函数值被外部精英存储器中某些个体的目标函数值支配，则不将子代个体加入到外部精英存储器中。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

从重要电力用户的实际供电情况出发，更加符合中心城区保底电网的实际构建需求；通过pareto差分进化算法对中心城区保底电网进行多目标规划优化，对控制中心城区保底电网的规模更加全面合理；将电缆比例设置为目标函数之一，更加直观地反映了保底电网抵抗极端自然灾害的能力；通过同时生成多个备选方案，协助电力企业在多个方案的定量评估基础上，协调市场、调度、检修等各部门的工作，选取最佳的保底电网规划方案，更加具有灵活性和实用性。

附图说明

图1为本发明的算法流程示意图；

图2为一个简单电网接线示意图；

图3为根据图2构建的多个保底电网规划方案示意图；

图4为某市中心城区电网接线示意图；

图5为针对图4电网，采用本发明方法，获得的保底电网规划方案的目标函数pareto解集示意图；

图6为根据图5中的方案对比，最终采用的图4电网的保底电网规划方案示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明中的中心城区保底电网多目标规划方法包括下述步骤：

s1获取电网拓扑信息、重要电力用户相关数据，配置差分进化算法相关参数和决策变量；

s2随机生成重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路的多个选取方案作为初始种群；

s3对原种群进行变异交叉操作后产生实验种群；

s4根据种群个体的数据，在重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路的基础上构建完整的保底电网方案；

s5计算各方案的目标函数值，并根据目标函数值的pareto占优原则比较，产生子代个体；

s6采用精英保留策略，生成pareto最优解集；

s7根据迭代次数判断是否进化完毕，若未进化完毕则返回种群变异、交叉步骤继续迭代；若进化完毕则停止迭代，并输出外部精英存储器中包含的保底电网方案。

步骤s1中，所述的电网拓扑信息包括变电站、电源和线路构成的节点支路矩阵，电缆集合，同塔架设或同电缆沟敷设的双回线路和多回线路集合；重要电力用户相关数据包括重要电力用户供电变电站或电源及其相应供电线路；差分进化算法相关参数包括种群规模、变异因子、交叉概率因子、迭代次数、目标函数值排序的设定阀值；决策变量是一个以重要用户个数为维数的向量，向量中元素的数值范围为{0,1}，0表示不选择该供电变电站或电源及其相应的供电线路，1表示选择该供电变电站或电源及其相应的供电线路。

步骤s3中，所述的变异交叉操作具体如下：

a结合变异因子，随机产生种群内的变异个体，四舍五入取整后判断该变异个体是否满足决策变量的取值范围；

b若变异个体不在决策变量的取值范围内则需重新生成，直到所有个体均满足取值范围，从而生成变异种群；

c随机产生交叉的个体位置，结合交叉概率因子，对原种群和变异种群进行交叉操作，交叉后的原种群即为实验种群。

步骤s4中，构建完整的保底电网规划方案具体如下：

a根据图论的连通性，判断实验种群和原种群每个个体的方案是否满足完整的电网拓扑结构，电网拓扑连通性的表达式为：

φ(t，l)＝1(1)

式中，φ为保底电网拓扑图连通性的判断，各子图均满足连通性时为1，否则为0，t为保底电网中的变电站和电源集合，l为保底电网中线路集合；

b若不满足完整的电网拓扑结构，结合变电站和线路构成的节点支路矩阵，根据最少线路的原则，通过广度优先搜索，将必要的变电站、电源和线路纳入保底电网；

c若有线路存在与其同塔架设或同电缆沟敷设的线路未纳入保底电网，则需要将其纳入，线路存在同塔/电缆沟的双回线路或多回线路表达式为：

l∈{td,tm}(2)

式中，l为保底电网中的线路编号集合，td、tm分别为中心城区电网中同塔架设或同电缆沟敷设的双回线路集合和多回线路集合；

d若满足完整的电网拓扑结构，且所有线路不存在与其同塔架设或同电缆沟敷设的线路未纳入保底电网，则重要电力用户供电的变电站和线路构成的网架即做为保底电网规划方案。

步骤s5中，所述的目标函数描述如下：

a以重要电力用户的供电变电站和电源总数最少、线路回数最少、线路中的电缆比例最高为目标函数，如下式所示：

minf＝(f1，f2，f3)(1)

式中：f为最优解；f1为保底电网中重要电力用户的供电变电站和电源总数，f2为线路回数，f3为电缆比例。电力企业可以在多个方案的定量评估的基础上，协调市场、调度、检修等各部门的工作，选取最佳的保底电网方案。每个目标的数学表达式如下：

f1＝count(t)，t∈{1,2,…nt}(2)

式中，t为保底电网中的重要电力用户的供电变电站和电源的编号集合，nt为中心城区电网中变电站和电源的总座数；

f2＝count(l)，l∈{1,2,…nl}(3)

式中，nl为中心城区电网中线路回数。l中除重要电力用户的供电线路外，还可能包括一些必要的支撑性线路，一个保底电网应该由一个或多个完整的网络拓扑构成；

f3＝1-count(lc)/f2，lc∈{1,2,…f2}(4)

式中，lc为保底电网中的电缆线路编号集合；

c特别需要指出的是，其中非重要电力用户的供电变电站或电源作为过路站/源，不计入保底电网中的变电站和电源总数。

步骤s6中，所述的精英保留策略具体操作如下：

a将原种群中对应的目标函数占优且不存在支配关系的个体方案加入外部精英存储器，将子代个体与外部精英存储器中的每一个个体进行比较；

b如果子代个体对应的目标函数值与外部精英存储器中所有个体的目标函数值不存在支配与被支配关系，随机选择一个优化目标函数，将子代个体对应的该目标函数值与外部精英存储器中所有个体的该目标函数值按从小到大的顺序进行排序；

c计算子代个体对应的目标函数值与前后个体目标函数值之间的距离，若前后距离的最小值比设定的阀值小，则不将子代个体加入外部精英存储器中，若大于等于阀值，则将子代个体加入外部精英存储器中，以保持pareto最优解的多样性；

d如果子代个体对应的目标函数值支配外部精英存储器中某些个体的目标函数值，则将被支配个体从外部精英存储器中删除，子代个体加入到外部精英存储器中；

e如果子代个体对应的目标函数值被外部精英存储器中某些个体的目标函数值支配，则不将子代个体加入到外部精英存储器中。

实施例1

实施例1以一个简单电网为例进行说明，如图2所示。图2中，a、b为220kv变电站编号；a～d为110kv变电站编号，其中变电站a～c为母线接线，变电站d为线变组接线，站中的两台变压器d1和d2分别t接在a-b和b-c之间的线路上；1-8为回路编号，其中7和8为同塔双回路，线路1-3为电缆线路。图中电网覆盖的重要电力用户及其供电电源和供电线路如表1所示，所有重要电力用户都满足双电源供电。

表1重要电力用户供电电源设定

注：表中im和iim分别指变电站i母和ii母。

从表中可以看出，对于某水厂来说需将变电站c纳入保底电网，线路7和8可任选一回纳入，但由于线路7和8为同塔双回线路，需同时纳入保底电网。对于某医院和某公安局的电源选取则有4种方案，如图3所示，图中用绿色标识保底电网的构建。

在具体实施过程中，为提高保底电网的防风抗灾能力以及在故障情况下的快速复电水平，规划中尽量考虑缩小保底电网规模，并优先将电缆线路纳入保底电网。对于图3中所示的4个方案，所构建的保底电网规模具体如表2所示。

表2各备选方案的保底电网规模

从表2中各备选方案的保底电网规模来看，方案4中包含的变电站和线路最少，但线路全部为架空线路，对于防风抗灾，可靠性不高。从电缆比例来看，方案1中的电缆比例最高，但变电站和线路也最多。方案3整体优于方案2，其电缆线路比例较高，变电站数目较少。若该简单电网为某地区电网的一部分，从全网的保底电网整体来看，若规模在合理范围内，可以选取方案1，若考虑到尽量减少保底电网规模，也可以选取方案3。因此，保底电网的构建方案不是唯一的，采用本发明的方法生成多个备选规划方案符合保底电网规划的实际情况。

实施例2

实施例2以广东某市的中心城区电网为例进行分析，电网接线示意图如图4所示。图中电源编号用①、②…表示；路径编号用1、2、…表示。为便于程序的读写，将电源与其供电路径的保持序号一致，其中路径5、8、10为双回路，其余为单回路。

图4中电网覆盖的重要电力用户及其供电电源和供电线路如表3所示。从表中可以看出，一级用户均满足双电源供电，二级用户中有2户不满足双回路供电。在本算例中，为尽量减少保底电网中的变电站和电源数量，有效控制保底电网规模，如重要电力用户的供电电源有两个电压层级，优先选取低电压层级电源。

表3广东某市中心城区重要电力用户供电电源及线路

采用本发明提出的方法，对图4所示的电网进行计算。设差分进化算法交叉概率cr＝0.1，变异概率为f＝0.5，种群规模popsize＝100，最大进化代数tmax＝1000，得出的pareto前沿如图5所示，生成的规划方案中各目标函数值如表4所示。

表4备选方案中目标函数值计算结果

表4中的保底电网规划方案结果均为满足实际要求的pareto解。方案1、4、5相对其他方案变电站和电源的总座数少，考虑到运维便利和故障恢复时间尽量短，优先在这三个方案中选取。其中方案1和4都只有一回架空线，方案5中有两回架空线，因此可在方案1和方案4之间选择。由于方案4的线路回数少于方案1，因而，最终选择方案4为保底电网的规划方案。方案4对应的保底电网如图6所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。