考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法与流程

本发明涉及一种城市配电网运行优化技术领域，特别是关于考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法。

背景技术：

在实际配电网中，负荷大小会随时间变化在不停地改变，因此各个时点的配电网最优运行方式也各不相同。如果仅仅根据当前时点的负荷数据进行重构而不考虑优化后续时点的配电网运行会导致配电网重构次数多，开关频繁操作，这样会导致开关操作成本的增加，也不利于配电网的稳定运行。因此，对配电网在一个周期内进行动态重构是十分必要的。

一般来说，以往处理动态重构的方式往往是将其转化为一系列相互联系的静态重构问题进行处理，即采用时段划分的方法将动态重构转化为多时段静态重构。目前，研究人员对时段划分的处理手段主要分为两种，一种是根据指标直接划分；另一种是在先期划分的小时段的基础上进行融合。但是当前技术大都未能利用负荷的分布特性，导致重构的次数较多，因此较难实现区间内的总体最优；另一方面，当前时段划分技术都较为繁琐，无法简单地给出时段划分结果。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法，以解决当前配电网运行优化时可能出现的问题，保证配电网开关的安全动作。

为了达到上述目的，本发明提供的考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)读取待进行动态重构的配电网在待重构时段区间内的负荷数据；

2)根据以上述负荷数据为基础经潮流计算后得到的各节点电压波动偏差指标值对整个重构时段区间进行时段划分；

3)建立经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型；

4)求解上述配电网动态重构的数学优化模型，获得最终的开关操作方案。

在步骤2)中，所述的根据以上述负荷数据为基础经潮流计算后得到的各节点电压波动偏差指标值对整个重构时段区间进行时段划分的具体方法如下：

步骤2.1)首先以配电网各时点的负荷数据为基础，通过潮流仿真，得到配电网各时点下各节点的电压标幺值：

vt^t＝{v1,t,v2,t,...,vn,t}

v＝{v1,v2,...,vn}

式中：vt为t时点下节点电压向量；vi,t为t时点下节点i的电压幅值；v为总的节点电压矩阵；

步骤2.2)然后根据上述各时点下各节点的电压标幺值分别计算每一个节点在相邻时点间的电压变化量：

δvi,t＝vi,t+1-vi,t

δvt+1^t＝{δv1,t,δv2,t,...,δvn,t}

δv＝{δv1,δv2,...,δvn}

式中：△vi,t为节点i在t+1时点相对t时点的电压变化量；△vt+1为t+1时点相对t时点的节点电压变化量向量；△v为总的节点电压变化量矩阵；n为节点总数；n为时段划分前的时点总数；

步骤2.3)从上述电压变化量中分别找出相邻时点间电压变化量中的最小值，并将该值作为一个电压变化基准值：

vt'＝min(δvt)＝min{δv1,t,δv2,t,...,δvn,t}^t

式中：vt’为所有节点在t+1时点相对t时点的电压变化量的最小值；

步骤2.4)将每个相邻时点间的节点电压变化量减去上述电压变化基准值，得出相应的该相邻时点间的电压相对变化量：

式中：为节点i在t+1时点相对t时点的电压相对变化量；为节点电压相对变化量向量，为总的节点电压相对变化量矩阵；

步骤2.5)将上述每个相邻时点间的各节点电压相对变化量求平方和，并定义该值为电压波动偏差指标值；

步骤2.6)将上述电压波动偏差指标值e(t)从大到小进行排序，依次选择电压波动偏差指标值大的时点作为重构起始点，即划分后每个时段的起点，由此将整个区间划分成m个时段，完成对配电网动态重构的时段划分。

在步骤3)中，所述的建立经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型的具体方法如下：

经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型是在满足配电网约束条件下以整个重构时段区间内的综合运行费用最小作为目标函数；其中综合运行费用包括网损费用与开关操作费用两部分；所述的网损费用为：

式中：f为整个重构时段区间内配电网的综合运行费用；n为时段划分前的时点总数；bpi为时段i的电价；pi是配电网在时段i的有功损耗；δti为时段i的持续时间；

对开关单次操作费用进行函数化处理，函数化处理后的开关单次操作费用为：

bs,c＝bs(1-2x)¹⁰

式中：bs为开关单次操作标准费用；x为规定的间隔时间内的开关操作次数；d为规定的间隔时间；sj,k为时点k时开关j的状态；

此时，开关操作费用为：

式中：nb为可操作开关总数；bs,c为在时段c时操作一次开关的费用；sj,c为时段c时开关j的状态；

此时，配电网动态重构的优化目标函数为：

动态重构后的配电网应满足的约束条件如下：

1)配电网潮流方程约束

2)节点电压约束

ui,min≤ui≤ui,max

3)支路容量约束

|pij|≤pij,max

4)支路电流约束

|iij|≤iij,max

5)配电网辐射状约束

重构后配电网需保持辐射状，不能出现环路与孤岛；

6)单个/所有开关的动作次数约束

式中：pi与qi为节点i的注入有功和无功功率；pdgi与qdgi为节点i上分布式电源的有功和无功出力；ui与uj分别为节点i与节点j的电压幅值；gij与bij分别为节点i与节点j间的网络电导和电纳；θij为节点i与节点j间的相角差；ui、ui,min、ui,max分别为节点i的节点电压幅值、节点电压幅值下限和上限；pij、pij,max分别为节点i与节点j间支路的支路功率及支路功率幅值上限；iij、iij,max分别为节点i与节点j间支路的支路电流及支路电流幅值上限；sj,max为开关j的最大操作次数；smax为所有开关的总操作限制次数。

在步骤4)中，所述的求解上述配电网动态重构的数学优化模型，获得最终的开关操作方案的具体方法如下：

采用改进的二进制粒子群算法求解上述配电网动态重构的数学优化模型，通过粒子群迭代获得最终开关操作方案；对于划分成m个时段的整个重构时段区间，那么粒子的编码设置为一个m*nb的矩阵，矩阵的第i行第j列代表了第i个时段时配电网第j个支路的状态，0代表支路断开，1代表支路闭合。

与现有技术相比，本发明提供的考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法的主要创新点和有益效果在于：

(1)本发明利用电压波动偏差指标值来进行时段划分，该指标值能反映配电网运行状态是否变化，且仅通过观察指标值大小便能够对时段进行划分，方法简单易操作，相对其他时段划分方法更具有优势。

(2)本发明首次考虑配电网开关在短时间内不能连续动作，参考浴盆曲线模型，将开关单次操作费用函数化处理，建立了能够限制开关短时间内连续动作的配电网动态重构模型。

附图说明

图1是本发明实施例的算例图；

图2是本发明实施例中的指标图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步的详细说明。

本发明提供的考虑开关短时连续动作约束的配电网动态重构方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)读取待进行动态重构的配电网在待重构时段区间内的负荷数据；

2)根据以上述负荷数据为基础经潮流计算后得到的各节点电压波动偏差指标值对整个重构时段区间进行时段划分；

3)建立经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型；

4)求解上述配电网动态重构的数学优化模型，获得最终的开关操作方案。

在步骤2)中，所述的根据以上述负荷数据为基础经潮流计算后得到的各节点电压波动偏差指标值对整个重构时段区间进行时段划分的具体方法如下：

步骤2.1)首先以配电网各时点的负荷数据为基础，通过潮流仿真，得到配电网各时点下各节点的电压标幺值：

vt^t＝{v1,t,v2,t,...,vn,t}

v＝{v1,v2,...,vn}

式中：vt为t时点下节点电压向量；vi,t为t时点下节点i的电压幅值；v为总的节点电压矩阵；

步骤2.2)然后根据上述各时点下各节点的电压标幺值分别计算每一个节点在相邻时点间的电压变化量：

δvi,t＝vi,t+1-vi,t

δvt+1^t＝{δv1,t,δv2,t,...,δvn,t}

δv＝{δv1,δv2,...,δvn}

式中：△vi,t为节点i在t+1时点相对t时点的电压变化量；△vt+1为t+1时点相对t时点的节点电压变化量向量；△v为总的节点电压变化量矩阵；n为节点总数；n为时段划分前的时点总数。

步骤2.3)从上述电压变化量中分别找出相邻时点间电压变化量中的最小值，并将该值作为一个电压变化基准值。

vt'＝min(δvt)＝min{δv1,t,δv2,t,...,δvn,t}^t

式中：vt’为所有节点在t+1时点相对t时点的电压变化量的最小值；

步骤2.4)将每个相邻时点间的节点电压变化量减去上述电压变化基准值，得出相应的该相邻时点间的电压相对变化量：

式中：为节点i在t+1时点相对t时点的电压相对变化量；为节点电压相对变化量向量，为总的节点电压相对变化量矩阵。

步骤2.5)将上述每个相邻时点间的各节点电压相对变化量求平方和，并定义该值为电压波动偏差指标值；

步骤2.6)将上述电压波动偏差指标值e(t)从大到小进行排序，依次选择电压波动偏差指标值大的时点作为重构起始点，即划分后每个时段的起点，由此将整个区间划分成m个时段，完成对配电网动态重构的时段划分；具体的时点选择数目可根据现场要求决定。例如，当要求动态重构速度快时，可减少选择的时点数目；当要求方案整体最优时，可增加选择的时点数目。

在步骤3)中，所述的建立经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型的具体方法如下：

经过上述时段划分的配电网动态重构的数学优化模型是在满足配电网约束条件下以整个重构时段区间内的综合运行费用最小作为目标函数；其中综合运行费用包括网损费用与开关操作费用两部分；所述的网损费用为：

式中：f为整个重构时段区间内配电网的综合运行费用；n为时段划分前的时点总数，一般考虑对一个典型日的重构，此时n＝24；bpi为时段i的电价；pi是配电网在时段i的有功损耗；δti为时段i的持续时间；

在本发明中，考虑到配电网开关不能在短时间段内连续操作的事实规则，对开关单次操作费用进行函数化处理，使开关在短时连续操作时操作费用大大增加，函数化处理后的开关单次操作费用为：

bs,c＝bs(1-2x)¹⁰

式中：bs为开关单次操作标准费用；x为规定的间隔时间内的开关操作次数；d为规定的间隔时间；sj,k为时点k时开关j的状态；

此时，开关操作费用为：

式中：nb为可操作开关总数；bs,c为在时段c时操作一次开关的费用；sj,c为时段c时开关j的状态。

此时，配电网动态重构的优化目标函数为：

动态重构后的配电网应满足的约束条件如下：

1)配电网潮流方程约束

2)节点电压约束

ui,min≤ui≤ui,max

3)支路容量约束

|pij|≤pij,max

4)支路电流约束

|iij|≤iij,max

5)配电网辐射状约束

重构后配电网需保持辐射状，不能出现环路与孤岛。

6)单个/所有开关的动作次数约束：

式中：pi与qi为节点i的注入有功和无功功率；pdgi与qdgi为节点i上分布式电源的有功和无功出力；ui与uj分别为节点i与节点j的电压幅值；gij与bij分别为节点i与节点j间的网络电导和电纳；θij为节点i与节点j间的相角差；ui、ui,min、ui,max分别为节点i的节点电压幅值、节点电压幅值下限和上限；pij、pij,max分别为节点i与节点j间支路的支路功率及支路功率幅值上限；iij、iij,max分别为节点i与节点j间支路的支路电流及支路电流幅值上限；sj,max为开关j的最大操作次数；smax为所有开关的总操作限制次数。

在步骤4)中，所述的求解上述配电网动态重构的数学优化模型，获得最终的开关操作方案的具体方法如下：

采用改进的二进制粒子群算法求解上述配电网动态重构数学优化模型，通过粒子群迭代获得最终开关操作方案。对于划分成m个时段的整个区间，那么粒子的编码设置为一个m*nb的矩阵，矩阵的第i行第j列代表了第i个时段时配电网第j个支路的状态，0代表支路断开，1代表支路闭合。

现以采用ieee33节点配电网为例对本发明方法进行分析，在本实施例中，以居民、工业、商业三种典型负荷为基础，将三种类型的负荷分配在如图1所示的ieee33节点配电网中，各个节点的负荷峰值为该配电网原始值，一天内各时点三种类型负荷占比数据为本领域内常见数据，具体见表1；三种类型负荷在各节点的峰值数据为本领域内常见数据，具体见表2。

首先根据本发明方法得出各时点下各节点的电压标幺值如表3所示。

然后求出节点电压变化量及相对变化量如表4及表5所示。

将各相邻时点间各节点的电压相对变化量取平方和得到电压波动偏差指标值如图2所示。

从图2可以看出，8点与21点的电压波动偏差指标值远远大于其它时点指标值，这代表了时点8与时点9间的变化、时点21与时点22间的变化要远大于其他时点间的变化，因此本实施例选择从时点9、时点21开始进行配电网动态重构。此时时段划分结果为重构时段ⅰ为1～8时点，重构时段ⅱ为9～21时点，重构时段ⅲ为22～24时点。

以本发明所提出的目标函数作为求解目标，通过改进的二进制粒子群算法求解，得到最终开关操作方案如下表所示：

从上表的内容可以看出，首先若不进行动态重构，那么配电网在运行周期内节点电压会越下限。因此无法给出合理的网损值。

另外，文献结果是当前已有的较权威的结果。从本发明方法与该文献的方案对比可以看出，本方法得到的重构方案对于配电网的动态重构具有较好的适应性，同时也表明本发明时段划分方法的实用性。

另一方面，其它方法在进行时段划分时步骤均较为繁琐，不易求取，因此，本发明方法相对于其它方法具有较强实用性。

表1一天内各时点各种类型负荷占比

表2各节点负荷峰值

表3节点电压标幺值v

表4各时点间节点电压变化量δv

表5各时点间节点电压相对变化量