基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法.pdf

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基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法1 基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法2 基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法3 基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法4 基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法5 基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法6
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第45卷第1期2017年1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.45NO.1Jan.1,2017D0I:10.7667/PSPC160006基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法朱吉然,李龙桂,李欣然,冷华,唐海国,龚汉阳(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410000;2.湖南大学电气与信息学院,湖南长沙41o000)摘要:提出了一种基于网络状态评估的优化重构思想,建立了网络重构的数学优化模型。并利用典型3馈线16节点系统进行了算例分析。算例表明,该方法可以减少一部分不必要的重构分析;并且,当网络需要进行重构计算时,在计算中该方法取得了良好的优化效果。该优化方法能够在经济性、安全性等方面对配电网络进行改善。操作人员能够根据配电网络实际情况进行目标权重值的设置,使重构方案更加灵活、更加具有现实意义。关键词:配电网络重构;网络状态评估;多目标优化—Distributionnetworkmultiobjeetiverec0nfigurationoptimizationbasedonstatusassessmentZHUJiran,LILonggui,LIXinran2,LENGHua,TANGHaiguo,GONGHanyang(1.StateGridHunanElectricPowerCorporationResearchInstitute,Changsha410000,China;2.CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410000,China)Abstract:Areconfigurationideaispresentedthatthenetworkstatushasbeenassessedbeforethereconfigurablecomputingisoptimizedandmathematicalmodelofmulti-objectiveoptimizationnetworkreconfigurationisestablished.Atypicaldistributionnetworkthatcontainsthreefeeder16nodesisusedasanexampleforanalysis.Inconclusion,thisoptimizationmethodcarlreducetheunnecessarypartofreconstructionanalysisandwhenthenetworkneedsreconfigumblecomputingithasachievedgoodoptimizationresults.Theoptimizationmethodcanimprovethedistributionnetworkineconomy,securityandotheraspects.Theoperatorcansetthetargetweightvalueaccordingtotheactualsituationofthedistributionnetwork,whichmakesthereconstructionschememoreflexibleandhasmorepracticalsignificance.—Keywords:distributionnetworkreconfiguration;networkstatusassessment;multiobjectiveoptimization0引言配电网是连接发输电与用户的重要环节,为了更好地保证广大电力用户的权益及电力公司的效益,需要保证配电网运行的经济性、可靠性、安全性。配电网一般是按闭环结构进行设计,其中包含分段开关及联络开关,在实际运行过程中联络开关打开、分段开关闭合使得网络呈辐射状运行。通过改变分段开关及联络开关的位置,即可改变配电网的运行结构,进而改变配电网络的网损、电压质量及负载均衡指数,这种控制手段被称为配电网络重”构I。选择合理的开关配置,使得配电网络能够运行在最佳状态得到最好的经济性、可靠性、安全性,是配电网络重构需要达到的目标。基金项目:国家电网总部科研项目(5216A514O01K);湖南省电力公司科研项目(5216A01300JV)进行网络优化重构不需要增加额外的投资,只需通过对网络的结构进行优化,就能发挥配电网自身的潜力,从而以较低的成本实现电网运行的经济性和安全性,具有很大的经济效益和社会效益。网络优化重构是一个多目标优化问题,考虑的目标一般为系统总网损【2J、负荷均衡化【4_、提高供电电压质量【6J或综合考虑多个目标J,采用的常用算法主要有最启发式搜索算法[8-10]、遗传算法lJ及其他智能算法[12-15]等。以上文献中均没有提及重构前期网络状态评估。事实上,电网在实际运行时并不是在任意网络状态下都需要进行重构操作,而是需要考虑当前网络是否需要进行重构即优化重构的启动条件。如果不进行事先评估而无条件地进行网络重构会产生许多不必要的操作,引起资源的不必要浪费,因此应当对当前网络事先加以评估以判断是否需要重构。本文提出了重构计算前进行网络状态评估的重朱吉然,等基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法-99一构思想,算例证明该思想能够减少不必要的重构计算及重构操作,对节省资源有着很好的效果。1整体思想本文提出的重构方法整体思想如下:(1)选取指标对当前网络状态进行评估,指标包括网损、负荷均衡指数、电压质量等,并设置每个指标的阀值。当有任一指标越限,则实施重构计算。f2)考虑指标包括网损、负荷均衡指数、电压质量构建优化重构模型,利用改进遗传算法对网络进行多目标优化,求解最优网络拓扑。(31执行重构操作。重构方法整体思想流程图如图1所示。图1重构方法整体思想流程图Fig.1Flowchartofthereconfigurationmethod2网络状态评估对于网络的状态评估,在此选取网络优化重构常用的优化目标即网损、负荷均衡指数及电压质量作为指标,先对各指标值进行计算,再进行评估。2.1相关指标计算2.1.1网损电能输送过程中,不可避免地会产生网络损耗。如果损耗过大,不但会影响用户的用电质量,而且会产生巨大的能源浪费。因此,网损是评价配电网系统状态的一个重要指标。在配电网中,损耗主要包括导线损耗和变压器损耗,但是变压器损耗一般是固定不变的,网络重构不能使其得到改善,因此,在此忽略变压器损耗。网损的数学表达式为b192In2= ̄-"kiRi(1)i=1uf其中:岛表示支路i的状态,为1表示支路闭合,为0表示支路断开;尼为支路i的电阻;P、Of为支路i末端流过的有功功率和无功功率;为支路i末端节点电压;b:勾支路总数。2.1.2负载均衡指数配电网运行中,由于用户用电量的不同,可能使得某些支路的负载过重,接近或超过额定容量,而另一些支路的负载却很轻。负荷在网络上分布的极不均衡会增加系统的线路损耗,影响到用户的供电质量与供电安全,因此负荷均衡是评价网络状态的重要指标。引入负荷均衡指数,负荷均衡指数越小,说明线路负载率越均衡。为了能够反映线路负载率的均衡程度,负荷均衡指数采用线路负载率的方差进行描述为其中:。为线路的平均负载率;LB。。为系统负荷均衡指数;、打n:分别为支路i上的功率及其最大允许容量;b为支路总数。2.1.3电压质量电压质量也是评价网络状态的重要指标,利用网络中各节点电压偏离额定电压幅值的大小来体现。由于配电网络呈辐射状运行,一般情况越靠近末端的节点电压越低,因此,在此只考虑节点的低电压情况。对于节点电压,越接近额定电压,节点电压质量就越好。电压质量的评价函数定义为系统节点电压的最大偏移量,数学表达式描述为Vo=啐(一I)式中:为系统节点电压最大偏移量;表示i节点的电压:表示配电网额定电压;n为系统节点数。2.2状态评估为了保证重构计算的必要性,在进行重构计算之前,需要对网络状态进行评估,判断是否进行重构计算。状态评估需要计算的指标为:网损、最低节点电压、最大线路负载率。其中网损计算公式见式(1)。最低节点电压计算公式为Vm=max(Z/)(4)最大线路负载率计算公式为LBm=毒[]:rIl(5)\、...,一∑∑—16—16llI;.100.电力系统保护与控制设置网损、负荷均衡指数、电压质量评价函数的阀值分别为R、vf、加该阀值可根据具体网络要求进行设置),当有目标越过阀值时,判定配电网络需要进行重构计算,否则不进行重构。3网络优化重构计算在网络重构计算过程中,需要先确定网络重构的模型(包括目标函数及约束条件)。3.1目标函数常用的目标函数有网损最小、负荷均衡最优、电压质量最好。只考虑网损时,目标函数为=min。(6)只考虑电压质量时,目标函数为=minVo(7)只考虑负荷均衡时,为了优先保证最大线路负载率较小,在此基础上再考虑线路负载均衡,即综合考虑最大线路负载率及线路负载平衡指数两个目标,设置最大线路负载率的权重为0.9,线路负载均衡指数权重为0.1,目标函数为=min(0.1LBs+0.9xLBm)(8)在本文中,综合考虑网损最小、负荷均衡指数最小、电压质量评价函数值最小等目标进行多目标优化。针对多目标优化,一般采用目标加权求和的方法将多目标转化为单目标。由于各个目标的量纲不一、数量级不同,不能够直接进行求和处理,故有必要对每个目标进行归一化处理。对于目标X(卢1,2,3),设网络单目标优化重1.÷构的目标最优值为f,利用对各个目标进行归f一化处理。由于各个单目标优化均为最小化问题,X+≤因此二L1,该表达式可将目标归一化N(o,11。根据式(9)~式(11),构建目标函数axc等++,0.1LBsys+0.9 ̄LBm、0.1+0.9x式中,、、分别为各个目标函数的权重,可以根据网络实际情况进行设置,如:当负荷均衡指数过大即网络负荷不够均衡时可以将负荷均衡目标的权重加大,而当最小节点电压过低时可以加大电压质量目标的权重。尸J。。。,Vmi,LB。,LB分别为配电网络初始状态的网损率、最低节点电压、负载均衡指数、线路最大负载率。3.2约束条件为保证网络的安全运行,重构后的网络需要满足以下约束条件l。(1)网络拓扑约束配电网一般为闭环设计、开环运行,要求重构后的配电网必须为辐射状。(2)供电约束重构后的网络必须满足负荷要求,不能有孤立节点。(3)电压约束,i.(10)式中,Vi,rain,.分别为节点i允许的电压上限和电压下限。(4)支路功率约束≤Sssj,(11)式中:代表支路上流过的功率;代表支路,上允许流过的最大功率。3.3改进遗传算法传统遗传算法没有基于利用配电网的结构特点进行简化处理,在生成初始种群、交叉和变异等过程中,会产生大量不可行解,严重影响了遗传算法的计算效率。改进遗传算法【lIJ在以环路分解为基础上使用了染色体简化规则和合适的编码规则,在种群初始化、遗传操作等过程中,都避免了不可行解的产生,提高了遗传算法的计算效率。在改进遗传算法中,基于以下规则对染色体进行简化处理:(1)不在任何环路内的支路上的开关必须闭合;(2)在网架结构合理的情况下,与电源点相连的开关一般也应闭合。重构过程中不可操作的开关不参与染色体编码。染色体编码策略:对染色体进行简化后,将构成同一个环路的可操作开关放在同一基因块内,并要求一个环路中只有一个开关打开即一个基因块中只有1位为0。改进遗传算法相关步骤描述如下。a.产生初始群体首先产生各位全为1的染色体,然后在各基因块中随机选择一位将其置为0,并加入一个由现有配电网结构决定的染色体,构成初始种群。b.计算染色体适应值由于式(9)中的目标函数为效益型目标,与遗传算法的适应度优化方向一致,因此可以将式(12)中的目标函数值作为染色体的适应度值。朱吉然,等基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法.101一C.基因操作改进遗传算法采用的遗传操作策略不同于传统遗传算法,在交叉操作时只进行对应基因块的交换,而将变异操作限制在基因块内。交叉操作:染色体上的基因不采用单点交叉,而是将基因块作为一个整体进行交叉处理。首先产生一个随机数,通过随机数来确定需要进行交换的基因块,然后将父辈染色体中相应的基因块进行交换。由于父代每个基因块中只有1位为0,进行交叉操作后仍能保证每个基因块中只有1位为0,没有不可行解产生。变异操作:首先随机选择一个需要变异的基因块,然后将基因块中的所有值令为1,为了保证解的可行性,最后产生一个随机数并将对应的基因值令为0。如果变异之后的染色体和变异之前的染色体相同,则继续变:异;否则,遗传值下一代。选择操作:为确保算法的收敛性,采用最佳个Ⅳ体保留策略即在进化过程中,父代前个最优个体不进行遗传操作而直接进入下一代。采用该选择操作,方便对最优解进行保留,保证遗传算法的优化方向。4算例分析图2是美国PG&E69节点典型配电网络¨,该配电网络共有69个节点,73条支路,其中包含5个联络开关,68个分段开关,支路阻抗信息及节点负荷信息见文献[171。配电网电压等级为l2.66kV,含有7条馈线,系统总有功负荷为3802.19kW,总无功负荷为2694.6kvar。13.6(47)37(48)3s(49(73)(27)1一一一.42(53)43(54)竺(55)(56)(57(58)i(59)49(60)5.0L。lJ5.1(62)5_2(63)53(64)2一一一一一一一一一一一一’、48、、、(46(52)57(68"158㈤\\:(50)l(1)・(2)(3).・(4)(5)一6(6):(7)l(8).(9).10(10)H(11)..(12)i(13)14(14)(15)(16)17(17)18(18)1—.9(19)(2o(21)22(22)23(23)24(24)25(25)、.、、238965)n///。26口)2(35)㈣,,(36 ̄0(37)61(38)62(39)63(40)64(41)65(42)6 ̄(43)62(44)6.8(45)69/注:1表示节点编号,(1)表示线路编号图2PG&E69节点配电网络结构图Fig.2DistributionnetworktopologyofPG&E69重构前断开的开关位置为开关69,70,71,72,73。设置网损率阈值2%,最低节点电压阈值12.027(0.95p_u_),最大线路负载率阈值50%。4.1网络状态评估为了体现本文的重构思路,对节点5O的负荷进行修改,并设置如表1所示的两种负荷水平。表1节点50的两种负荷水平Table1Twokindsofloadlevelofnode50当网络节点50运行在负荷水平1时,网络相应指标如表2。由表2可知,该网络指标均未越限,不需要进行重构计算。当网络节点50运行在负荷水平2时,网络相应指标如表3。由分析结果可知,该网络的网损率、最低节点电压及最大线路负载率均越限,需要进行重构。表2网络指标评价1Table2Assessmentofnetworkstatusinthefirstcase表3网络指标评价2【ble3Assessmenlofnetworkstatusinthesecondcase.102一电力系统保护与控制4.2网络重构计算对配电网络中的节点5O运行在负荷水平2的状态进行重构计算。当取=0.6,=0.2,=0.2时,多目标优化倾向于网损最小,重构结果为断开支路58、70、69、14、61。此种情况适用于网损较大而电压质量较好、“”负载较为均衡的区域。重构计算结果如表4重构1所示。当取=0.2,=0.6,W3=0.2多目标优化倾向于电压质量最好,重构结果为断开支路58、70、69、11、61。此种情况适用于低电压问题严重而网损不“大、负载较为均衡的区域。重构计算结果如表4重”构2所示。当取:0.2,WE=0.2,W3=0.6,多目标优化倾向于负载最均衡,重构结果为断开支路55、l7、36、42、61。此种情况适用于负载严重不均衡而网损不“大、电压质量较好的区域。重构计算结果如表4重”构3所示。当取:0_3,=0_3,=0.4多目标优化会均衡各个目标,重构结果为断开支路58、70、36、42、61,说明此时的网络的各个目标均比重构前的网络较好,虽然并不是每个目标都达到了最优,但是能够均衡考虑多个目标。此种情况适用于原网络的各个指标问题并不严重的区域。重构计算结果如表4“”重构4所示。表4重构计算结果Tlable4Reconstructionresultsinfourcase将不同的重构计算结果与网络初始状态指标相比较,如图3所示。由图3可以看出,几次重构计算对于初始网络的各个指标都有很好的优化效果,当几个目标的权重取值不同时,各个目标的优化程度有所不同,操作人员可以根据电网的实际情况对权重进行取值,得到更加符合实际需求的优化结果。糌鼹躲.K删罄网损率。初始状态+=o.6,==0.2・=o.6,==0.2口=o.6,==0.2+==O.3,=0.4网损率/%图3重构结果及网络初始状态指标对比Fig.3TargetscomparisonbetweenthereconstructionresultsandtheinRialstate5总结本文提出了先评估网络状态再进行重构计算的思想。算例表明,该方法可以对网络状态进行评估并判断是否进行重构计算,可以减少一部分不必要的重构分析;并且,当网络需要进行重构时,该算法可以取得良好的优化效果。通过重构后与重构前各项网络指标的对比,该优化方法能够在经济性、安全性等方面对网络进行改善。多目标优化过程中,操作人员能够根据配电网络实际情况进行目标权重值的设置,使得重构方案更加灵活、更具有现实意义。在实际应用中,可以通过设置手动和定时运行两种方式启动重构程序,并通过状态评估判断是否需要进行重构操作,只有当指标值超出阈值时才进行重构,可以免除一部分重构操作。参考文献[1]张大海,江世芳,赵建国.配电网重构研究的现状与—展望[J].电力自动化设备,2002,22(2):7576,82.ZHANGDahai,JIANGShifang,ZHAOJianguo.Researchstatusandprospectofdistributionnetworkreconfiguration[J].ElectricPowerAutomationEquipment,—2002,22(2):7576,82.[2]CIVANLAS,GRA1NGERJJ,Y1NH,eta1.Distributionfeederreconfigurationforlossreduction[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1988,3(3):1217-1223.[3]SHIRMOHAMMADID,HONGHW.Reconfigurationofelectricdistributionnetworksforresistivelinelossesreduction[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1989,—4(2:14921498.朱吉然,等基于网络状态评估的配电网络多目标优化重构方法.1O3一[4]KASHEMMA,GANAPATHYV,JASMONGB.Anovelapproachfornetworkreconfigurationbasedloadbalancingindistributionnetworks[J].ElectricMachines—andPowerSystems,2000(28):415431.[5]KASHEMMA,GANAPATHYV,JASM0NGB.Networkreconfigurationforloadingbalancingin—distributionnetworks[J].IEEProceedingsGener,Transm,andDistrib,1999,146(6):563-567.[6]毕鹏翔,刘健,张文远.以提高供电电压质量为目标—的配网重构[J].电网技术,2002,26(2):4143.BIPengxiang,LIUJian,ZHANGWenyuan.Improvevoltagequalitybyreconfigurationofdistributednetwork[J].—PowerSystemTechnology,2002,26(2):4143.[7]HUANGChaoming.Multiobjectiveservicerestorationofdistributionsystemsusingfuzzycauseeffectnetworks[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2003,18(2):867.874.[8]SHIRMOHAMMADID,HONGW.Reconfigurationofelectricdistributionnetworkforresistivelinelossesreduction[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1989,—4(2):14921498[9]CIVANLARS,GRAINGERJJ,YINH,eta1.Distributionfeederreconfigurationforlossreduction[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1988,3(3):1217-1223.[1O]李辰雷,卫志农,韩连山.序优化理论在配电网重构—中的应用[J].电力系统保护与控制,2015,43(8):4148.LIChenlei,WEIZhinong,HANLianshan.Applicationofordinaloptimizationindistributionnetworkreconstruction[J].—PowerSystemProtectionandControl,2015,43(8):4148.[11]毕鹏翔,刘健,刘春新.配电网络重构的改进遗传算—法[J].电力系统自动化,2002,26(2):5761.BIPengxiang,LIUJian,LIUChunxin.Improvedgeneticindistributionnetworkreconfiguration[J].AutomationofElectricPowerSystems,2002,26(2):57.61.[12]吴泓俭,雷霞,刘斌,等.基于遗传膜算法的含风电机组和电动汽车的配电网分时段动态重构[J].电工技术—学报,2016,31(2):196205,220.wUHon 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周大爷
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