一种基于容载比优化的配电网规划方法与流程

1.本发明实施例涉及配电网技术领域，尤其涉及一种基于容载比优化的配电网规划方法。


背景技术：

2.容载比的确定是配电网规划中的重要内容，不仅与网架结构、故障情况下的负荷转移方式以及供电可靠性有着直接的联系，而且还影响配电网建设资金的合理投入与利用。
3.数据显示，上级电网站点不足或滞后建设将对下级电网产生严重的不良影响，在上级变电站布点不足的情况下，新增负荷需求只能依靠在原线路上不断延长，甚至跨越变电站合理供电区域，远距离转移负荷，造成电网的重复建设和投资浪费。
4.在现有的配网规划方法中，配网规划主要针对单一电压层级的规划技术进行研究，但实际上，多层级电网的最优容载比配比，并不是单一电压层级最优容载比的叠加。多层级配网的协同规划与单层级配网的协同规划，本质上是全局最优解和局部最优解的问题。求解多电压层级电网的最优容载比规划配比，需要对多电压层级的协同规划，做进一步的研究与探讨。
5.规模上，新增上级变电容量增加，新增网架线路长度会相应减少；对应在投资上，新增变电容量投资增加，新增线路投资会相应减少。当此新增变电容量投资与新增线路投资达到某一平衡点时，可以实现配电网规划整体技术性与经济性的最优。这一最优平衡点，具体体现为多层级电网协同规划的容载比配比。因此，对多层级电网协同规划的容载比配比开展研究与探索，已成为一个迫切亟待解决的问题，对避免电网盲目或重复投资，有效提升电网投资整体效益，建设可靠、高效的电网具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明提供一种基于容载比优化的配电网规划方法，以避免电网盲目或重复投资，有效提升电网投资整体效益，建设可靠高效的电网。
7.根据本发明的一方面，提供了一种基于容载比优化的配电网规划方法，该方法包括：
8.确定待规划区域的负荷分布信息和待规划区域的各电压层级容载比数据；
9.构建多电压层级配网规划模型，将所述待规划区域的负荷分布信息和所述待规划区域的各电压层级容载比数据输入所述多电压层级配网规划模型，所述多电压层级配网规划模型输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架；
10.根据贝叶斯优化算法对所述多电压层级配网规划模型进行调参，获取待规划区域的多电压层级最优容载比配比。
11.可选地，构建多电压层级配网规划模型，将所述待规划区域的负荷分布信息和所述待规划区域的各电压层级容载比数据输入所述多电压层级配网规划模型，所述多电压层
级配网规划模型输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架包括：
12.所述多电压层级配网规划模型包括单一电压层级规划模型，所述单一电压层级规划模型包括220kv电压层级规划模型和110kv电压层级规划模型；
13.所述220kv电压层级规划模型输入第一负荷预测信息和220kv电压层级平均容载比数据，输出220kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本；
14.所述110kv电压层级规划模型输入第二负荷预测信息和110kv电压层级平均容载比数据，输出110kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本；
15.根据所述220kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本以及所述110kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本获得多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架。
16.可选地，所述单一电压层级规划模型输入负荷分布数据、待规划区域的电压层级平均容载比数据，经过新建节点变电站环节、网架建设环节以及n-1校验环节后输出该电压层级新增变电站布址、规划网架结构及最优建设成本。
17.可选地，根据所述负荷分布数据构建负荷点模型。
18.可选地，所述新建节点变电站环节包括220kv/110kv变电站的扩建及新建；
19.根据待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比要求，按照如下公式确定220kv/110kv变电站的总容量；
20.ng*sg≥r
g,min
*∑p
21.其中，ng为待规划区域的220kv/110kv变电站数量；sg为单个220kv/110kv变电站容量；r
g,min
为待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比最低要求；∑p为待规划区域的负荷总量；
22.根据待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比和待规划的220kv/110kv变电站数量得到变电站布址规划优化模型，所述变电站布址规划优化模型的表达式为：
[0023][0024][0025]
其中，n和m分别为规划后的变电站总数和负荷点总数；l
ij
为负荷点j与变电站i的距离；qj为负荷等效负荷总量，z为负荷节点代表网格的负荷总量；d
ij
表示负荷点j与变电站i的连接关系。
[0026]
可选地，所述网架建设环节包括供电网格划分和计算机自动布线。
[0027]
可选地，所述供电网格划分包括站间供电区间及非站间供电区间。
[0028]
可选地，所述计算机自动布线的优化模型如下所示：
[0029]
[0030][0031][0032]
uj≥ui+m*x
ij-m+qj，1≤i≠j≤n-1
[0033][0034]
其中，z为所有110kv线路长度的总和，n为规划后的220kv变电站和110kv变电站的数量，m为辅助参数，qj为第j个变电站携带的负荷总量及自身厂用电负荷，uj为当前流到变电站j的网架流向的负荷量总和，ui为当前流到变电站i的网架流向的负荷量总和，i
max
为110kv线路最大承载电流；u为110kv；67％为3t接线的负载率上限比率，l
ij
为变电站j与变电站i的距离；x
ij
为变电站j与变电站i带方向的流向关系。
[0035]
可选地，所述最优建设成本包括变电站建设成本和线路建设成本。
[0036]
可选地，所述变电站建设成本为：
[0037]csub
＝∑c1+c2+c3[0038]
其中，c
sub
为变电站建设成本，c1为变电站建造土地费用，c2为变电站建造施工费用，c3为变电站建造设备费用；
[0039]
所述线路建设成本为：
[0040]cline
＝(c
l
+c
t
)*h*q
[0041]
其中，c
line
为线路建设成本，c
l
为电缆线路单位长度造价，c
t
为电缆沟、管单位长度的建设造价，h为新铺设线路长度，q为电缆铺设路径的曲折系数；
[0042]
所述最优建设成本为：c＝c
sub
+c
line
[0043]
其中，c为最优建设成本。
[0044]
本实施例的技术方案，通过构建基于容载比优化的多电压层级配网规划模型，该模型将在保障供电可靠性的前提下，结合待规划区域的负荷分布情况，进行多电压层级的变电站选址及网架规划，并通过贝叶斯算法，对多电压层级的配网规划模型进行参数调整，从而给出待规划区域的多电压层级容载比最优配比，以及该容载比配比下的最优配网规划方案，使得配电网规划的经济性达到整体最优。本实施例解决了电网重复建设和投资浪费的问题，避免电网盲目或重复投资，有效提升电网投资整体效益，建设可靠高效的电网。
[0045]
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
[0047]
图1是根据本发明实施例提供的一种基于容载比优化的配电网规划方法的流程图；
[0048]
图2是根据本发明实施例提供的一种多电压层级配网规划模型计算的流程图；
[0049]
图3是根据本发明实施例提供的一种单一电压层级规划模型计算的流程图；
[0050]
图4是根据本发明实施例提供的某地区负荷节点模型的示意图；
[0051]
图5是根据本发明实施例提供的一种站间供电分区示意图；
[0052]
图6是根据本发明实施例提供的一种非站间供电分区示意图；
[0053]
图7是根据本发明实施例提供的计算机模拟新建变电站的效果图；
[0054]
图8是根据本发明实施例提供的初始110kv变电站、负荷布点示意图；
[0055]
图9是根据本发明实施例提供的10kv网架规划计算机模拟接线效果图；
[0056]
图10是根据本发明实施例提供的初始110kv、220kv变电站布点示意图；
[0057]
图11是根据本发明实施例提供的110kv网架规划计算机模拟接线效果图；
具体实施方式
[0058]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0059]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0060]
图1是根据本发明实施例提供的一种基于容载比优化的配电网规划方法的流程图，参考图1，该方法具体包括以下步骤：
[0061]
s110、确定待规划区域的负荷分布信息和待规划区域的各电压层级容载比数据。
[0062]
具体的，容载比是指某一供电区域内，变电设备总容量(kva)与对应的总负荷(kw)的比值。对待规划区域进行网格化划分，并确定网格化的负荷分布信息。各电压层级容载比数据包括110kv电压层级平均容载比数据以及220kv电压层级平均容载比数据。
[0063]
s120、构建多电压层级配网规划模型，将待规划区域的负荷分布信息和待规划区域的各电压层级容载比数据输入多电压层级配网规划模型，多电压层级配网规划模型输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架。
[0064]
具体的，多电压层级配网规划模型可以为多电压层级配网规划黑盒子，多电压层级规划黑盒子输入待规划区域的负荷分布信息和待规划区域的各电压层级容载比数据，多电压层级规划黑盒子输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架。
[0065]
多电压层级配网规划模型在单一电压层级的容载比优化上，面向多层级电网的容载比协同规划，能够获取不同电压层级的容载比优化配比，并自动进行配电网最优规划，求得最优投资成本，对多层级电网的协同规划具有重要的指导作用。多电压层级配网规划模型基于原有网架结构，充分考虑网络和馈线传输约束，根据负荷分布特性和负荷发展需求，进行最优网架结构推演模拟，可有效指导地区电网规划工作。
[0066]
s130、根据贝叶斯优化算法对多电压层级配网规划模型进行调参，获取待规划区域的多电压层级最优容载比配比。
[0067]
具体的，贝叶斯优化(bayesian optimization)是一种用于解决计算目标函数成本高、目标函数梯度不可知的黑盒优化的方法。贝叶斯优化算法通过概率代理模型模拟黑箱目标函数，并通过采集函数预测最优点最有可能出现的位置，这使得贝叶斯优化算法能够在尽可能少的计算中尽量贴近全局最优解的优化结果。
[0068]
为实现多层级电网的协同规划研究，本实施例构建了多电压层级配网规划模型，能够在给定初始网架及负荷分布的基础上，实现配网投资经济性的最优规划模型，并通过贝叶斯优化算法给定出最优容载比配比。该模型可以求得待规划区域的多电压层级最优规划方案及相应的投资成本，通过贝叶斯优化算法对多电压层级配网规划黑盒子进行调参，可以求得待规划区域的最优容载比配比以及该容载比配比下的最优配网规划方案。
[0069]
通过贝叶斯优化算法，可以求解出给定负荷分布情况的待规划区域中，兼顾配电网规划整体技术性与经济性的最优的最优容载比配比。通过输入待规划区域的负荷分布信息，可以给出在不同负荷分布密度、不同负荷增长速度下待规划区域的配电网的容载比配比差异化指导水平及规划方案。
[0070]
本实施例的技术方案，通过构建基于容载比优化的多电压层级配网规划模型，该模型将在保障供电可靠性的前提下，结合待规划区域的负荷分布情况，进行多电压层级的变电站选址及网架规划，并通过贝叶斯算法，对多电压层级的配网规划模型进行参数调整，从而给出待规划区域的多电压层级容载比最优配比，以及该容载比配比下的最优配网规划方案，使得配电网规划的经济性达到整体最优。本实施例解决了电网重复建设和投资浪费的问题，避免电网盲目或重复投资，有效提升电网投资整体效益，建设可靠高效的电网。
[0071]
图2是根据本发明实施例提供的一种多电压层级配网规划模型计算的流程图，参考图2，可选地，构建多电压层级配网规划模型，将待规划区域的负荷分布信息和待规划区域的各电压层级容载比数据输入多电压层级配网规划模型，多电压层级配网规划模型输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架包括：多电压层级配网规划模型包括单一电压层级规划模型，单一电压层级规划模型包括220kv电压层级规划模型和110kv电压层级规划模型；220kv电压层级规划模型输入第一负荷预测信息和220kv电压层级平均容载比数据，输出220kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本；110kv电压层级规划模型输入第二负荷预测信息和110kv电压层级平均容载比数据，输出110kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本；根据220kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本以及110kv电压层级配网的规划网架和最优建设成本获得多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架。
[0072]
具体的，220kv电压层级规划模型可以为220kv电压层级配网规划黑盒子，110kv电压层级规划模型可以为110kv电压层级配网规划黑盒子。第一负荷预测信息和第二负荷预
测信息分别为待规划区域220kv电压层级、110kv电压层级的负荷分布信息。首先分别构建220kv电压层级和110kv电压层级的配网规划黑盒子，输入待规划区域各电压层级的负荷分布信息和各电压层级平均容载比数据，最终输出多电压层级配网最优建设成本和多电压层级配网规划网架。
[0073]
基于220kv电压层级和110kv电压层级配网规划黑盒子组合而成的多电压层级配网规划黑盒子，采用贝叶斯优化算法，可以求得最优建设成本下的待规划区域的多电压层级最优容载比配比。因为多电压层级容载比数据和多电压层级配网最优建设成本都是贝叶斯算法的输入，贝叶斯优化算法会自动对容载比数据进行调参，最终得到最优配比。
[0074]
图3是根据本发明实施例提供的一种单一电压层级规划模型计算的流程图，参考图3，可选地，单一电压层级规划模型输入负荷分布数据、待规划区域的电压层级平均容载比数据，经过新建节点变电站环节、网架建设环节以及n-1校验环节后输出该电压层级新增变电站布址、规划网架结构及最优建设成本。
[0075]
具体的，单一电压层级规划模型可以为单一电压层级配网规划的黑盒子，由新建节点变电站环节、网架建设环节及n-1校验环节构成。单一电压层级配网规划的黑盒子输入负荷分布数据、待规划区域的电压层级平均容载比数据，单一电压层级配网规划的黑盒子输出该电压层级新增变电站布址、规划网架结构及整体最优建设成本。
[0076]
变电站新建、扩建及出线规划后，需对电网线路进行n-1校验，对电网进行潮流计算，检验其线路潮流是否越限，保障网架建设的供电可靠性。若线路n-1校验未通过，则需要对薄弱线路进行升级。
[0077]
图4是根据本发明实施例提供的某地区负荷节点模型的示意图，参考图4，可选地，根据负荷分布数据构建负荷点模型。
[0078]
具体的，基于地区电网提供的典型地区网格化负荷数据及负荷预测数据，以负荷预测网格中心生成配变负荷点，负荷点模型主要包括负荷等效节点坐标、负荷大小等相关数据。本实施例以某地区电网为例，负荷节点模型示意图如图4所示，图4中各小格为某地区电网待规划地区的负荷网格；各小格中的圆点为负荷网格的中心点，可视为负荷等效节点；输入的负荷分布数据还另外包括该地区电网待规划地区负荷等效节点坐标、负荷大小等相关数据。
[0079]
可选地，新建节点变电站环节包括220kv/110kv变电站的扩建及新建；
[0080]
根据待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比要求，按照如下公式确定220kv/110kv变电站的总容量；
[0081]
ng*sg≥r
g,min
*∑p
[0082]
其中，ng为待规划区域的220kv/110kv变电站数量；sg为单个220kv/110kv变电站容量；r
g,min
为待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比最低要求；∑p为待规划区域的负荷总量；
[0083]
根据待规划区域的220kv/110kv电压层级容载比和待规划的220kv/110kv变电站数量得到变电站布址规划优化模型，变电站布址规划优化模型的表达式为：
[0084]
[0085][0086]
其中，n和m分别为规划后的变电站总数和负荷点总数；l
ij
为负荷点j与变电站i的距离；qj为负荷等效负荷总量，z为负荷节点代表网格的负荷总量；d
ij
表示负荷点j与变电站i的连接关系。
[0087]
具体的，为负荷点j与变电站i的距离，d
ij
表示负荷点j与变电站i的连接关系，存在连接关系为1，没有连接关系为0。在进行规划220kv、110kv变电站布址环节，需先对220kv变电站进行布址规划，确定220kv变电站布址坐标，并将220kv变电站布址坐标纳入110kv变电站布址规划的优化目标与约束条件中。
[0088]
可选地，网架建设环节包括供电网格划分和计算机自动布线。
[0089]
具体的，基于技术可行、经济最优、网架简洁的三点原则，新建变电站、新生成负荷的接线主要分为供电网格划分、和计算机自动布线方法两个步骤。
[0090]
可选地，供电网格划分包括站间供电区间及非站间供电区间。
[0091]
具体的，由于配电网线路交叉迂回，供电、联络关系复杂，在实际配网规划建设中，根据优化目的不同，理论上存在无穷解，在配网建设中直接用求解器或优化算法计算容易造成数据冗杂、计算量过大、对不同系统的适应性不强等问题。
[0092]
在实现自动规划接线时，需要对配网进行供电分区划分。对于规模庞大的配电网，分区规划将整个规划区域复杂的配网规划转化为相对独立的各供电分区内小规模的配网规划，可同时规避上述各种问题。
[0093]
图5是根据本发明实施例提供的一种站间供电分区示意图，图6是根据本发明实施例提供的一种非站间供电分区示意图，参考图5和图6，供电分区可分为两大类型，分别为站间供电区间及非站间供电区间。其中，图5为站间供电区间对于下级负荷点，其主供站及备供站为任意相同的两个上级电源点，由同一站间线路连接的下级负荷点的集合，可定义为一个站间供电单元。图6为非站间供电区间，其下级负荷点，其由单一变电站单向供电，根据接线方式不同，可分别定义为自环供电单元及辐射供电单元。通过确定负荷主供站、备供站，由此实现供电网格的优化划分，简化网架规划的计算流程。
[0094]
可选地，计算机自动布线的优化模型如下所示：
[0095][0096]
[0097][0098]
uj≥ui+m*x
ij-m+qj，1≤i≠j≤n-1
[0099][0100]
其中，z为所有110kv线路长度的总和，n为规划后的220kv变电站和110kv变电站的数量，m为辅助参数，qj为第j个变电站携带的负荷总量及自身厂用电负荷，uj为当前流到变电站j的网架流向的负荷量总和，ui为当前流到变电站i的网架流向的负荷量总和，i
max
为110kv线路最大承载电流；u为110kv；67％为3t接线的负载率上限比率，l
ij
为变电站j与变电站i的距离；x
ij
为变电站j与变电站i带方向的流向关系。
[0101]
具体的，为尽量提高网架的供电可靠性、稳定性及安全性，在技术、经济条件可行的基础下，供电分区将尽可能以站间供电分区为主，同时尽量减小各供电分区内网架线路的总费用。基于以上原则，默认所有下级负荷点都与主供站及备供站形成站间供电分区，接线模型如下：
[0102]
10kv网架接线方式默认为三供一备，三供一备是指三路主供电源，另有一路备用电源。连接方式为连接最近的110kv变电站作为主供站，连接次近的110kv作为备供站。
[0103]
110kv网架接线方式默认为3t接线，连接方式采用上述优化模型。l
ij
和x
ij
均为n
×
n的矩阵，对应变电站i和变电站j的距离和连接关系；其中，变电站1和变电站n为220kv变电站；中间2～n-1为110kv变电站。
[0104]
x
ij
为变电站j与变电站i带方向的流向关系，i到j存在带方向的流向关系则为1，没有则为0。其中，u1＝0，u1对应的是第一个220kv变电站，与相应下级负荷不对应；目的在于使接线不会出现自循环，并确保每一站间供电单元的负载不会超过线路的负载率上限。
[0105]
网架结构自动推演并形成后，需对变电站负载率做核验，如变电站负载率超出其负载上限，需对相应变电站进行负荷转移。
[0106]
可选地，最优建设成本包括变电站建设成本和线路建设成本。
[0107]
具体的，最优建设成本经济性计算以网架建设成本为衡量标准，网架建设成本由变电站建设成本和线路建设成本两部分构成。
[0108]
可选地，变电站建设成本为：
[0109]csub
＝∑c1+c2+c3[0110]
其中，c
sub
为变电站建设成本，c1为变电站建造土地费用，c2为变电站建造施工费用，c3为变电站建造设备费用；
[0111]
线路建设成本为：
[0112]cline
＝(c
l
+c
t
)*h*q
[0113]
其中，c
line
为线路建设成本，c
l
为电缆线路单位长度造价，c
t
为电缆沟、管单位长度的建设造价，h为新铺设线路长度，q为电缆铺设路径的曲折系数；
[0114]
最优建设成本为：c＝c
sub
+c
line
[0115]
其中，c为最优建设成本。
[0116]
具体的，最优建设成本由变电站建设成本和线路建设成本两部分构成。变电站建
设成本由变电站建造土地费用、变电站建造施工费用和变电站建造设备费用三部分构成；线路建设成本与电缆线路单位长度造价、电缆沟、管单位长度的建设造价、新铺设线路长度以及电缆铺设路径的曲折系数相关。
[0117]
下面对新建变电站选址的应用实例进行说明，图7是根据本发明实施例提供的计算机模拟新建变电站的效果图，参考图4和图7，图4为某地区电网待规划地区负荷分布情况，图4各小格中的圆点为负荷等效节点；图7中实心圆为计算机模拟规划220kv变电站最优布址地点、带虚线框的实心圆为计算机模拟的规划110kv变电站最优布址地点。可以看到，计算机模拟的新建变电站较好地分布于各负荷中心，较好地实现变电站选址规划的经济性达到整体最优的目的。
[0118]
下面对10kv网架规划的应用实例进行说明，图8是根据本发明实施例提供的初始110kv变电站、负荷布点示意图，图9是根据本发明实施例提供的10kv网架规划计算机模拟接线效果图，参考图8和图9，图8中空心圆为待规划地区负荷等效节点，带虚线框的实心圆为规划110kv变电站，实心圆为待规划110kv变电站；图9中粗线段为计算机模拟10kv负荷点主供站接线，细线段为备供站接线。其中，接线模式默认为三供一备。
[0119]
下面对110kv网架规划的应用实例进行说明，图10是根据本发明实施例提供的初始110kv、220kv变电站布点示意图，图11是根据本发明实施例提供的110kv网架规划计算机模拟接线效果图，参考图10和图11，图10中大实心圆为规划110kv变电站，小实心圆为待规划110kv变电站；图11中大小实心圆之间的线段为计算机模拟110kv新建网架。其中，接线模式默认为3t接线。
[0120]
可见，多电压层级配网规划模型能够在界定接线模式的条件下，较好地给出经济性整体最优的接线方案。不论是在变电站选址或是接线方案的选择上，都能够较好地实现配电网规划经济性实现整体最优的目的。
[0121]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。