一種配電網運行方式優化方法與流程
2023-10-23 10:00:22 1
本發明涉及電力系統技術領域，尤其涉及一種配電網運行方式優化方法。
背景技術：
電力系統的正常運行方式是指正常計劃檢修方式和按負荷曲線及季節變化的水電大發、火電大發，最大最小負荷和最大最小開機方式，以及抽水蓄能運行工況等可能較長期出現的運行方式。對於配電網來說，正常運行方式通常滿足以下要求：能充分滿足用戶對電能的需求；配電網電網所有設備不出現過負荷和過電壓問題，所有線路的傳輸功率都在限值以內；有符合規定的無功功率備用容量；繼電保護及安全自動裝置配置得當且整定正確；配電網運行符合經濟性要求；配電網結構合理，有較高的可靠性、穩定性和抗事故能力；通信暢通，信息傳送正常。
配電網是整個電力系統中與用戶直接聯繫、向用戶供應電能和分配電能的重要環節。一旦發生故障或對電力設施設備進行檢修、試驗就會造成系統對用戶供電的中斷。配電網的運行方式是整個配電網絡供電能力及運行特性的集中表現。根據數據統計，用戶發生的停電故障中，有80％以上是由配電網環節的故障造成的。換句話來說，配電網環節對整個電力系統的供電可靠性、安全性以及供電能力等方面影響最大，因此有必要制定合理的配電網運行方式，並在此基礎上實現最優運行。
目前配電網運行方式的優化通常考慮安全性、可靠性、經濟性等方面，其存在的主要問題如下：
1)雖然考慮到了配電網運行的安全性，但是沒有考慮運行風險，容易導致一些意外事故的發生；
2)安全性和可靠性通常僅考慮事故發生概率和事故導致後果的綜合水平，對於一些特殊情況，如發生概率很高但影響較小或者發生概率很小但是後果很嚴重的事故不能很好進行區分，容易導致調度人員的判斷出現失誤，從而引起更嚴重的事故發生；
3)目前通常採用網絡重構的方式來對運行方式進行優化，雖然能夠在一定程度上實現對可靠性和經濟性等方面的優化，但是容易導致負荷轉供能力下降引起網架風險增大。
出現上述各種問題的原因主要是因為在運行方式優化過程中沒有將運行和網架風險考慮進去，從而導致了配電網運行過程中風險問題的發生，因此制定出一種考慮運行和網架風險的配電網運行方式優化的方法成為了亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種配電網運行方式優化方法，全面考慮與配電網運行相關的電能質量、均衡度、經濟性、運行風險和網架風險等各方面因素，在此基礎上構建配電網方式優化的多目標非線性優化模型，並對優化模型進行求解得到最優的運行方式，最終得到的計算結果可以為配電網運行方式優化提供參考和依據。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種配電網運行方式優化方法，包括：
步驟S1，採集配電網運行方式優化相關參數；
步驟S2，根據採集的配電網運行方式優化相關參數，構建配電網運行方式優化數學模型；
步驟S3，求解所述配電網運行方式數學模型，獲得配電網運行方式優化結果。
其中，所述步驟S1中配電網運行方式優化相關參數包括：線路阻抗和導納、變壓器阻抗、負荷有功功率和無功功率、節點數目、變壓器數目、線路數目、無功補償容量、用戶數目、用戶的等級因子、線路故障率、線路故障持續時間以及配電網拓撲結構。
其中，所述步驟S2中構建的配電網運行方式優化數學模型為一個多目標非線性優化模型，其目標函數包括以下5個子目標：節點電壓偏離程度最小、線路負載均衡程度最優、配電網網損最小、運行風險最小以及網架風險最小。
其中，所述步驟S2中構建的配電網運行方式優化數學模型為一個多目標非線性優化模型，其約束條件包括以下6個約束條件：潮流平衡約束、電壓幅值約束、線路潮流約束、變壓器容量約束、無功補償容量約束以及網絡結構約束。
其中，所述步驟S2中構建的配電網運行方式優化數學模型為一個多目標非線性優化模型，各子目標利用加權和的形式組合成為一個綜合目標，權重利用層次分析法進行確定或者直接根據實際需求來賦值。
其中，所述步驟S3求解所述數學模型獲得配電網運行方式優化結果，具體是指選取合適的算法對建立的多目標非線性優化模型進行求解，最終得到的運行方式優化結果包括線路投運情況、無功補償情況以及各個子目標函數的值。
本發明實施例的有益效果在於：
在傳統的經濟性、可靠性等優化目標的基礎上增加了運行風險和網架風險兩個目標，相比於傳統優化方法更加全面；
將運行風險和網架風險納入配電網運行方式優化中，運行風險反映了線路和變壓器的運行情況，網架風險反映了發生預想事故後所引起的後果，使得運行方式優化更為科學合理；
利用加權和的形式將多個子目標合成為一個綜合目標，避開了傳統多目標優化問題中繁瑣的討論步驟，使得多目標優化模型求解更加簡便並且更加適用於工程應用。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例一種配電網運行方式優化方法的流程示意圖。
圖2是本發明實施例一種配電網運行方式優化方法的具體流程示意圖。
圖3是本發明實施例應用的3饋線14節點配電網示意圖。
具體實施方式
以下各實施例的說明是參考附圖，用以示例本發明可以用以實施的特定實施例。
請參照圖1所示，本發明實施例一提供一種配電網運行方式優化方法，包括：
步驟S1，採集配電網運行方式優化相關參數；
步驟S2，根據採集的配電網運行方式優化相關參數，構建配電網運行方式優化數學模型；
步驟S3，求解所述配電網運行方式數學模型，獲得配電網運行方式優化結果。
以下對各步驟進行詳細說明。
步驟S1中，所述配電網運行方式優化相關參數，主要包括線路阻抗和導納、變壓器阻抗、負荷有功功率和無功功率、節點數目、變壓器數目、線路數目、無功補償容量、用戶數目、用戶的等級因子、線路故障率、線路故障持續時間以及配電網拓撲結構。
步驟S2構建配電網運行方式優化數學模型，該數學模型實質為一個多目標非線性優化模型，其目標函數包括以下5個子目標，如圖2所示：
a)節點電壓偏離程度最小
將該子目標函數表示為：
式中：Vi為第i個節點的電壓幅值(標么值)；VNi為第i個節點的額定電壓(標么值)；Nbus為配電網節點數目。
b)線路負載均衡程度最優
記第k條線路的負載率為βLk，即
式中：|ILk|為第k條線路上的電流幅值；ILNk為第k條線路的額定電流大小。
將該子目標函數表示為：
式中：NL為線路數目；βLk為第k條線路的負載率。
c)配電網網損最小
將該子目標函數表示為：
式中：PGi為第i個電源節點的注入有功功率；PDj為第j個負荷節點的有功負荷大小；ΩG和ΩD分別為電源節點和負荷節點的集合。
d)運行風險最小
將該子目標函數表示為：
式中：nLO為負載率超過80％的線路數目；nTO為負載率超過80％的變壓器數目。
e)網架風險最小
將該子目標函數表示為：
式中：為第k起預想事故發生後的能量損失率；為第k起預想事故發生後的用戶時戶數損失率；為第k起預想事故的發生概率，此處的預想事故僅考慮單條線路故障的情況；ΩF為預想事故集合。能量損失率、用戶時戶數損失率和預想事故的發生概率利用如下的式(7)-式(9)進行計算：
式中：為第k起預想事故發生後所有損失的用戶數；NSC為系統總用戶數；為第i個損失用戶的容量；為系統第j個用戶的容量；為第i個被切除用戶的等級因子，為系統第j個用戶的等級因子，等級因子均在0到1之間，且用戶越重要則等級因子越大；為第k起預想事故的故障修復時間；pFk為第k條線路的故障概率。
步驟S2所述構建配電網運行方式優化數學模型，該數學模型實質為一個多目標非線性優化模型，其約束條件包括以下6個約束條件，如圖2所示：
a)潮流平衡約束
式中：PDi和QDi分別為節點i的有功負荷和無功負荷；PGi為節點i的有功注入，當節點i不是電源節點時PGi＝0；QRi為節點i的無功補償容量；Gij和Bij分別為節點i和j之間的轉移電導和電納；Vi和Vj為節點i和節點j的電壓大小；δi和δj為節點i和節點j的電壓相角。
b)電壓幅值約束
Vimin≤Vi≤Vimax (11)
式中：Vi為第i個節點的電壓幅值(標么值)；Vimax和Vimin分別為第i個節點的電壓幅值上、下限(標么值)。
c)線路潮流約束
|ILk|≤ILkmax (12)
式中：|ILk|為第k條線路上的電流幅值；ILkmax為第k條線路的最大載流量。
d)變壓器容量約束
|ITk|≤ITkmax (13)
式中：|ITk|為流過第k個變壓器的電流幅值；ITkmax為允許流過第k個變壓器的電流幅值上限。
e)無功補償容量約束
QRimin≤QRi≤QRimax,i∈ΩQ (14)
式中：QRi為節點i的無功補償值，當節點i沒有無功補償裝置時QRi＝0；QRimin和QRimax分別為節點i的無功補償容量下限和上限；ΩQ為擁有無功補償設備的節點集合。
f)網絡結構約束
優化前後保持配電網輻射狀結構不變，且沒有孤島存在。
上述步驟2)所述構建配電網運行方式優化數學模型，該數學模型實質為一個多目標非線性優化模型，該數學模型如下所示：
式中：Fi(x)為第i個子目標函數；h(x)＝0代表潮流平衡約束和網絡結構約束；g(x)≤0代表電壓幅值約束、線路潮流約束、變壓器容量約束、無功補償容量約束；x代表變量；ωi為第i個子目標的權重，且滿足可以利用層次分析法進行確定，也可以直接根據實際需求來賦值；Fimin為第i個子目標函數的最小值，通過求解如下非線性規劃問題得到：
min Fi(x)
式(16)中的h(x)＝0和g(x)≤0的定義與式(15)相同，求解式(16)得到的第i個子目標函數的最小值即為Fimin。
步驟S3所述求解數學模型得到配電網運行方式優化結果，即選取合適的算法對式(15)的多目標優化模型進行求解，最終得到的運行方式優化結果，包括線路投運情況、無功補償情況以及各個子目標函數的值。
以下再以對圖3所示的3饋線14節點的配電網進行運行方式優化為例，對本實施例的優化方法進行說明。
本實施例使用圖3所示的3饋線14節點配電系統對提出的配電網綜合風險評估方法進行說明，圖3中節點1、節點2和節點3為饋入節點，其餘節點為負荷節點，初始運行狀態下線路5-11、線路10-14和線路7-16上的聯絡開關均處於打開狀態。為了不失一般性，各個負荷節點的用戶等級在0-1之間隨機取得，用戶數在1-10之間隨機取得，並假設同一節點的所有用戶的等級因子都相同，各條線路的故障屬性參數見表1所示。
表1支路故障屬性表
一般來說，對於中低壓配電網來說，用戶往往更關心整個配電網的抗風險能力，即在最終優化得到的運行方式下其相應的運行風險和網架風險應當儘可能小，而其餘的負載均衡性、網損以及電壓偏移程度等都是次要考慮的目標。因此在本實施例中設置各個子目標的權重分別為：節點電壓偏離程度權重ω1＝0.025，線路負載均衡程度權重ω2＝0.15，配電網網損權重ω3＝0.025，運行風險權重ω4＝0.4，網架風險權重為ω5＝0.4。
為了表明本發明提出的運行方式優化方法能夠正確對配電網運行方式進行優化，首先對原算例系統在初始運行狀態下計算初始目標值，然後通過線路投運的調整得到優化後的運行方式，並給出計算結果。調整後的運行方式中線路8-10、線路9-11和線路7-16上的聯絡開關處於打開狀態，其餘開關均閉合，初始狀態下和優化後的狀態下的各子目標計算結果見表2所示，對建立的配電網運行方式優化數學模型採用粒子群算法求解。
表2運行方式優化前後對比
由表2可以看出，優化後的方式與初始的運行方式相比，除了網架風險維持不變以外其餘4個子目標均得到了不同程度的優化，並且總體的目標函數值也得到了一定程度的下降，從而達到了技術、經濟和風險綜合最優的水平。
從優化後的結果對比可以看出，本發明考慮運行和網架風險的配電網運行方式優化方法是合理的並且有效的。
通過上述說明可知，實施本發明實施例，具有如下有益效果：
在傳統的經濟性、可靠性等優化目標的基礎上增加了運行風險和網架風險兩個目標，相比於傳統優化方法更加全面；
將運行風險和網架風險納入配電網運行方式優化中，運行風險反映了線路和變壓器的運行情況，網架風險反映了發生預想事故後所引起的後果，使得運行方式優化更為科學合理；
利用加權和的形式將多個子目標合成為一個綜合目標，避開了傳統多目標優化問題中繁瑣的討論步驟，使得多目標優化模型求解更加簡便並且更加適用於工程應用。
以上所揭露的僅為本發明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。