一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法

本发明涉及一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，属于电力。

背景技术：

1、配电网合理的分区，是实现配电网分布式优化配置的前提。因此，如何合理的对配电网进行分区是研究的关键。

2、配电网分区方法基于网络节点之间的相同特性，如电气距离、电压、功率或能量敏感性。主要的划分方法包括社区挖掘算法、数据驱动和聚类分析方法。尽管上述方法可以实现配电网分区，但大多数分区方法都使用电气距离，即无功功率与电压的比值。然而，电压分布取决于许多因素，如线路参数、配电网拓扑结构等，因此很难保证分区的合理性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题，提供一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，包括如下步骤：

4、步骤1、基于边缘计算通信需求建立通信实时性和经济性的分区评价指标；

5、步骤2、根据通信实时性和经济性的分区评价指标构建配电网分区目标函数及配电网分区约束条件；

6、步骤3、根据配电网分区目标函数及配电网分区约束条件，利用粒子群优化算法获得最优分区数；

7、步骤4、根据最优分区数，利用蒙特卡洛优化k-均值的谱聚类优化方法，确定分区范围和中心节点，实现整个配电网的分区；

8、步骤5、使用节点标准差和模块度来评估配电网分区结果的合理性。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤1中通信实时性分区评价指标为：

10、t＝ps/vs+2×(d/k)×(l1+l2+…+ln)/(d*vp)+gλr/λr(θ-λr)

11、其中，ps是数据大小；vs是通信网络数据传输速率；d为终端总的数量；k为分区数目；l1、l2、...、ln分别表示第1、2、…、n个终端连接的平均路径长度；k为分区数目；d为终端总的数量；vp是信道数据传输速率；g是路由器的数量；λr是平均数据到达速率；θ是路由器的服务效率。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤1中经济性分区评价指标为：

13、η＝k2ζ+ηm

14、其中，k为分区数目；ζ是安装边缘设备所需的总成本；ηm为通信网络建设的运维成本。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2中配电网分区约束条件包括配电网分区的通信可靠性约束、配电网分区数约束和配电网单个分区内终端最大值约束；

16、所述配电网分区的通信可靠性约束为

17、ρ＝λr/θ

18、

19、ploss＝ρh*[(1-ρ)/(1-ρh+1)]

20、其中，tε为延时；ploos为丢包率；选择延时tε和丢包率ploos作为配电网分区的通信可靠性约束条件；ρ为网关服务效率；λr为数据平均到达速率；θ为路由器服务效率；lε是节点缓存队列排队长度；λδ是数据实际到达速率；γ为节点缓存队列上限，γ为常数且γ＝λr*et，其中et为最大时延；h为跳数；

21、所述配电网单个分区内终端最大值约束为

22、

23、其中，dmax为单个分区内终端的最大值；λτ为一个终端上传数据速率且为常数；λr为数据平均到达速率；

24、所述配电网分区数约束为

25、

26、其中，k为分区数；d为终端总的数量；dmax为单个分区内终端的最大值。

27、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2中配电网分区目标函数为

28、

29、

30、

31、其中，ming(k)为配电网分区目标函数；tμ、ημ为归一化后的通信和经济性指标；tmin、ηmax对应分区数k最多时通信时间的最小值和经济成本η的最大值；tmax、ηmin对应分区数k最少时通信时间t的最大值和经济成本η的最小值；α、β为权重系数指标，象征通信实时性和经济性的重要程度；a、a、b为指代性常数；k为分区数目；d为终端总的数量；为系统内各个终端连接的平均路径长度；vp是信道数据传输速率；g是路由器的数量；λr是平均数据到达速率；θ是路由器的服务效率；ts(k)为数据发送时间；ploss(k)为丢包率；为实际系统要求的数据发送时间和丢包率。

32、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤3的具体操作为使用粒子群优化算法对步骤2中所构建的配电网分区目标函数进行求解，所得到的最优解即为最优分区数。

33、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4中分区范围和中心节点的确定操作为：

34、首先，将谱聚类算法应用于配电网，获得特征样本集；其次，采用所述蒙特卡洛优化k-均值方法优化初始聚类中心；然后，更新聚类中心并重复迭代，直至聚类中心不再变化；最后，输出最优的聚类方案，该方案的聚类中心作为最终聚类节点即为中心节点，输出更新的划分区域的样本集合即为分区范围。

35、本发明技术方案的进一步改进在于：所述蒙特卡洛优化k-均值方法的计算复杂度为：

36、o(n)+o(nlogn)+o(nkt)

37、其中，o(n)为初始聚类中心优化步骤的计算复杂度，n是随机点的个数；o(nlogn)为随机点的欧式距离的计算复杂度，n为特征样本集中的样本数；o(nkt)为k-均值算法的计算复杂度，n为特征样本集中的样本数，k为聚类数，t为迭代次数。

38、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤5中节点标准差为：

39、

40、其中，e表示节点标准差，e越小，说明分区均衡性越好；k为分区数目；do为第o个分区内终端的数目；为系统内每个分区内的平均终端数目。

41、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤5中模块度为：

42、

43、其中，m表示模块度，用于衡量模块之间的划分是否最佳；i和j为节点；aij是i节点和j节点之间的衡量度，若i节点和j节点有连接，则aij＝1，否则aij＝0；e为网络的总边数；yi为节点i的度；yj为节点j的度；ci为节点i所在分区；cj为节点j所在分区；若节点i和节点j分区一致，则δ＝1，否则δ＝0。模块度m的值越大，说明分区效果越好，其取值范围一般为[-0.5,1)。

44、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

45、本发明对整个配电网区域和位置分布进行划分，分区结果兼顾均衡性与合理性，能够解决基于电气距离进行配电网分区的不合理及不稳定性。

技术特征：

1.一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤1中通信实时性分区评价指标为：

3.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤1中经济性分区评价指标为：

4.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤2中配电网分区约束条件包括配电网分区的通信可靠性约束、配电网分区数约束和配电网单个分区内终端最大值约束；

5.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤2中配电网分区目标函数为

6.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤3的具体操作为使用粒子群优化算法对步骤2中所构建的配电网分区目标函数进行求解，所得到的最优解即为最优分区数。

7.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤4中分区范围和中心节点的确定操作为：

8.根据权利要求7所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述蒙特卡洛优化k-均值方法的计算复杂度为：

9.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤5中节点标准差为：

10.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，其特征在于：所述步骤5中模块度为：

技术总结
本发明公开了一种基于边缘计算的优化谱聚类配电网分区方法，包括如下步骤：基于边缘计算通信需求建立通信实时性和经济性的分区评价指标；根据通信实时性和经济性的分区评价指标构建配电网分区目标函数及配电网分区约束条件；根据配电网分区目标函数及配电网分区约束条件，利用粒子群优化算法获得最优分区数；根据最优分区数，利用蒙特卡洛优化谱聚类方法确定分区范围和中心节点，实现整个配电网的分区；使用节点标准差和模块度来评估配电网分区结果的合理性；本发明能够对整个配电网区域和位置分布进行分区，分区结果兼顾均衡性与合理性。

技术研发人员：李盼,史继,张寒,王珺
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15