一种高可靠性的配电系统联络点规划方法

摘要

本发明涉及一种高可靠性的配电系统联络点规划方法，其特点是包括多联络配电系统可靠性分析方法以及建立联络点规划模型并对其进行求解方法，所述多联络配电系统可靠性分析方法采用分块可靠性计算的最小割集法实现，所述建立联络点规划模型并对其进行求解。本发明采用分块可靠性计算的最小割集法对多联络配电系统进行可靠性分析，以系统供电可靠性指标为约束，以经济性最优为目标建立了联络点规划模型，并采用遗传算法进行求解，保证了系统在具有较高供电可靠性前提下，经济性最好并获得较好的投资回报率，具有较强的工程指导价值。

说明书

技术领域

本发明属于供配电技术领域，具体涉及一种高可靠性的配电系统联络点规划方法。

背景技术

联络是配电系统的重要组成部分，对于故障后的负荷转移和供电恢复具有重要意义，是提高配电系统可靠性的重要手段。当前的配电自动化建设与改造多集中于对开关设备或配电自动化终端设备等进行安装或自动化改造，然而当故障快速隔离后，若现有的备用电源容量不足或负荷转移后电压等参数发生越限，仍会导致相关负荷被切除和长时间失电。因此必须在相应馈线段建设新的联络，以保证破坏性故障发生后负荷的转移和供电恢复。

当前，针对配电系统的联络点规划已经开展了很多研究。相关研究提出了中压配电网联络线优化算法，在满足变电站以及变压器水平N-1准则前提下，计算使空载联络线固定投资最小的联络方案。部分工作研究联络开关的优化配置，研究同一条馈线内部联络开关的优化配置，以提高系统可靠性原则为前提，寻求使网络重构得到的系统网损最小的配置方案。另有学者从配电系统最大供电能力角度研究了主变压器站间联络结构优化问题。

配电系统中若在每个馈线段建设联络可实现高可靠性，但考虑到联络开关设备成本较高，联络线路的选择涉及复杂的地理信息因素，盲目建设联络将导致大量投资。因此，应根据不同供电区域的负荷大小、用户类型、接线方式等实际需求，综合考虑供电可靠性、联络建设投资等因素对联络点的数量、建设位置进行科学规划，以期在保证系统一定供电可靠性的前提下，投资最小，获得较高的投资回报率。

对于配电系统的联络规划问题已有相关研究。现有技术主要从简化了馈线间的单联络规划、优化两联络接线模式的联络线、环间联络线落点位置的选择、联络开关的优化配置、同一条馈线内部联络开关的优化配置、考虑可靠性的配电网分段开关和联络开关的数量和安放位置的规划、基于负荷-光伏等效负荷曲线动态分段对含光伏电源的配电网联络开关进行优化配置、考虑停电损失和设备投资研究了联络开关的优化配置问题以模糊隶属函数表示负荷重要性、复杂拓扑结构下最优分段和联络计算方法以及自动分段开关和自动联络开关的组合和配置方法，上述技术方案从不同角度对配电系统进行联络规划，均存在一定局限性，难以提升电网规划优化的合理性，也不能满足日益发展的供电要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、具有较高投资回报率及工程指导价值的高可靠性的配电系统联络点规划方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高可靠性的配电系统联络点规划方法，包括多联络配电系统可靠性分析方法以及建立联络点规划模型并对其进行求解方法，

所述多联络配电系统可靠性分析方法采用分块可靠性计算的最小割集法实现，具体包括以下步骤：

步骤1、根据开关分布进行馈线分块；

步骤2、对各分块的类型、负荷、可靠性信息进行统计；

步骤3、针对每一个负荷块，搜索该块到电源块、转移块的所有最小路，以及所有与该块相连的其他路径；

步骤4、根据最小路信息找出该负荷块的一阶供电割集、一阶转移割集块；

步骤5、根据步骤3中的最小路以及步骤4中的一阶割集信息，分析与负荷块相连的各个馈线块发生故障对该负荷块的影响，并进行累加；

步骤6、重复步骤3至步骤5，直至将所有负荷块分析完毕；

步骤7、计算各个负荷点以及系统的可靠性指标；

所述建立联络点规划模型并对其进行求解的方法包括以下步骤：

步骤1、每个负荷段确定决策变量：

步骤2、以系统年停电损失ECOST、联络建设运维年投资IC之和最小为目标，以系统供电可用率ASAI作为约束，建立联络点规划模型；

步骤3、采用二进制遗传算法求解联络点规划模型。

而且，所述对各分块的类型、负荷、可靠性信息进行统计是根据串联元件可靠性计算公式计算每个块的故障率λ_B与平均停电持续时间r_B，计算公式如下：

${\lambda }_B=\stackrel{N_B}{\Sigma }{\lambda }_i$

$r_B=\stackrel{N_B}{\Sigma }{\lambda }_i{r}_i/{\lambda }_B$

式中：N_B为块中元件个数，λ_i与r_i分别为第i个元件的故障率和修复时间。

而且，所述分析与负荷块相连的各个馈线块发生故障对该负荷块的影响并进行累加的方法为：优先分析故障块与一阶供电割集的关系，并分析故障对供电路径的影响；若故障不可隔离，则分析故障块与一阶转移割集的关系，以确定故障对转移路径的影响；对一个具体的负荷块来说，与其相连的馈线块可分为如下四种类型：

①该块与负荷块的一阶供电割集之间存在断路器或熔断器，则该块故障对负荷块不产生影响；

②该块与负荷块的一阶供电割集之间无断路器，但存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间；

③该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，但与一阶转移割集之间存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间与转移时间之和；

④该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，与一阶转移割集之间无任何开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障块的平均修复时间。

而且，所述联络点规划模型以系统年停电损失期望值ECOST、联络建设运维年投资IC之和最小为目标，以系统供电可用率期望值ASAI作为约束，如下式所示

min:ECOST+IC

s.t.:ASAI≥K

(1)系统年停电损失期望值ECOST计算公式为：

$ECOST=\underset{j=1}{\overset{NL}{\Sigma }}({\mathrm{ENS}}_j·{\mathrm{IEAR}}_j)$

式中：NL为负荷节点数，AL_j为负荷点j的平均负荷，ENS_j为第j个负荷节点的年停电电量期望，IEAR_j为第j个负荷节点每次停电所对应的每kWh停电电量成本；

(2)联络建设运维投资IC计算公式如下：

IC＝N_tieA_tie(1+h)/2

其中N_tie为联络点建设数量，A_tie为每条联络建设年值，h为设备运维费用取设备投资费用的比例，除以2表示联络点建设投资取每条联络建设投资期望值的一半，根据设备现值计算设备年值的公式如下：

$A_{tie}=P_{tie}\frac{i{(1+i)}^n}{{(1+i)}^n-1}$

其中，P_tie为单条联络建设的现值，i为贴现率；

(3)系统年停电损失期望值ASAI计算公式为：

而且，所述采用二进制遗传算法求解联络点规划模型，包括以下步骤：

步骤(1)对网络参数和算法参数进行初始化；

步骤(2)随机产生初始化群；

步骤(3)计算适应度；

步骤(4)最优结果保存；

步骤(5)判断是否满足终止准则，如果不满足，则选择交叉变异，并返回

步骤(3)，如果满足终止准则，则输出结果。

本发明的优点和积极效果是：

本发明采用分块可靠性计算的最小割集法对多联络配电系统进行可靠性分析，以系统供电可靠性指标为约束，以经济性最优为目标建立了联络点规划模型，并采用遗传算法进行求解，保证了系统在具有较高供电可靠性前提下，经济性最好并获得较好的投资回报率，具有较强的工程指导价值。

附图说明

图1是可靠性计算流程；

图2是遗传算法计算流程；

图3是RBTS母线6部分配电系统主接线图；

图4是停电损失和联络点建设数量随ASAI约束变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种高可靠性的配电系统联络点规划方法，包括以下两部分方法：(1)多联络配电系统可靠性分析方法，(2)建立联络点规划模型并对其进行求解。

一、多联络配电系统可靠性分析方法

多联络配电系统可靠性分析方法是采用分块可靠性计算的最小割集法对多联络配电系统进行可靠性分析。该方法继承了可靠性分块算法(详见文献(谢莹华,王成山.基于馈线分区的中压配电系统可靠性评估[J].中国电机工程学报,2004,24(5):35-39；(周念成,谢开贵,周家启,等.基于最短路的复杂配电网可靠性评估分块算法[J].电力系统自动化,2006,29(22):39-44.)的优势，同时相比以上两种方法，最小割集法对于辐射状、多端供电及多联络接线的配电系统都具有良好的适应性。如图1所示，分块可靠性计算的最小割集法包括以下步骤：

1、根据开关分布进行馈线分块

馈线块是指内部不含任何开关的馈线元件集合，块中的元素可以是一个节点、一条线路，也可以是多个节点和线路的组合。将其中含电源节点的块定义为电源块，含转移节点的块定义为转移块，含负荷节点的块定义为负荷块。

2、对各分块的类型、负荷、可靠性等信息进行统计

统计连接在块中所有节点上的负荷种类、大小数据，为可靠性计算做准备。由于馈线块内无开关，因而块中任何元件的故障都将引起整个馈线块被切除。根据串联元件可靠性计算公式计算每个块的故障率λ_B与平均停电持续时间r_B，计算公式如下：

${\lambda }_B=\stackrel{N_B}{\Sigma }{\lambda }_i---\left(1\right)$

$r_B=\stackrel{N_B}{\Sigma }{\lambda }_i{r}_i/{\lambda }_B---\left(2\right)$

式中：N_B为块中元件个数，λ_i与r_i分别为第i个元件的故障率和修复时间。分析中只考虑元件的持续性故障。

3、针对每一个负荷块，搜索该块到电源块、转移块的所有最小路，以及所有与该块相连的其他路径。通过以上三种路径的搜索，可确定网络结构图中所有与负荷块相连并能够对负荷块造成潜在影响的块以及相连路径上的开关分布。

4、根据最小路信息找出该负荷块的一阶供电割集、一阶转移割集块

根据最小路的搜索结果建立到电源块和转移块的最小路矩阵。该矩阵每行对应到电源块或转移块的一条最小路，每列对应为网络中一个馈线块。若某条最小路中包含某一个馈线块，则与该最小路对应的行中对应馈线块所在列的元素为1，反之该元素为零。若最小路矩阵中某馈线块所对应的列元素均为1，则该块为一阶割集块。

5、根据步骤3中的最小路以及步骤4中的一阶割集信息，分析与负荷块相连的各个馈线块发生故障对该负荷块的影响，并进行累加。

优先分析故障块与一阶供电割集的关系，并分析故障对供电路径的影响；若故障不可隔离，则分析故障块与一阶转移割集的关系，以确定故障对转移路径的影响。对一个具体的负荷块来说，与其相连的馈线块可分为如下四种类型：

①该块与负荷块的一阶供电割集之间存在断路器或熔断器，则该块故障对负荷块不产生影响。

②该块与负荷块的一阶供电割集之间无断路器，但存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间。

③该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，但与一阶转移割集之间存在分段开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障隔离时间与转移时间之和。

④该块与负荷块的一阶供电割集之间无任何开关，与一阶转移割集之间无任何开关，则该块故障会引起负荷块停电，停电持续时间为故障块的平均修复时间。

6、重复步骤3～5，直至将所有负荷块分析完毕。

7、计算各个负荷点以及系统的可靠性指标。其中，各负荷点的可靠性指标等于其所在块的可靠性指标。

供电恢复分析：上述方法是在TLOC准则下进行可靠性计算，未计及联络容量不足的限制。下面提出PLOC准则下的粗略计算方法，以考虑联络容量不足的限制。

前述方法第3步形成所有转移路径时，对于该负荷块i的第j条转移路径，累加该转移路径上的负荷P_trans-ij，并与该转移联络点的容量C_tie-ij作比较，并记录比较结果R_ij，若P_trans-ij＜C_tie-ij，则R_ij＝true，否则R_ij＝false。

对于负荷块i，若存在转移路径j，使得R_ij＝true，则该负荷块可转移，记为T_i＝true；否则，负荷不可转移。在前述方法第5步的③中，若T_i＝true，转移时间不变；若T_i＝false，转移时间修改为故障平均修复时间。

二、建立联络点规划模型并对其进行求解

建立联络点规划模型包括以下步骤：

1、确定决策变量：

模型以每个负荷段(带负荷的馈线段)是否建设联络点为01决策变量，如下式所示：

2、建立联络点规划模型：

本模型以系统年停电损失ECOST、联络建设运维年投资IC之和最小为目标，以系统供电可用率ASAI作为约束，如下式所示：

min:ECOST+IC

(4)

s.t.:ASAI≥K

(1)停电损失ECOST

系统年停电损失期望值ECOST计算公式为：

$ECOST=\underset{j=1}{\overset{NL}{\Sigma }}({\mathrm{ENS}}_j·{\mathrm{IEAR}}_j)---\left(5\right)$

式中：NL为负荷节点数，AL_j为负荷点j的平均负荷，ENS_j为第j个负荷节点的年停电电量期望，IEAR_j为第j个负荷节点每次停电所对应的每kWh停电电量成本。

(2)联络建设运维投资IC

联络建设运维投资IC计算公式如下：

IC＝N_tieA_tie(1+h)/2(6)

其中N_tie为联络点建设数量，A_tie为每条联络建设年值，h为设备运维费用取设备投资费用的比例，除以2表示联络点建设投资取每条联络建设投资期望值的一半。

根据设备现值计算设备年值的公式如下：

$A_{tie}=P_{tie}\frac{i{(1+i)}^n}{{(1+i)}^n-1}---\left(7\right)$

其中，P_tie为单条联络建设的现值，i为贴现率。

(3)供电可用率ASAI

系统年停电损失期望值ASAI计算公式为：

对上述联络点规划模型采用二进制遗传算法进行求解，具体处理流程如图2所示。包括以下步骤：

1、对网络参数和算法参数进行初始化；

2、随机产生初始化群；

3、计算适应度；

4、最优结果保存；

5、判断是否满足终止准则，如果不满足，则选择交叉变异，并返回步骤3，如果满足终止准则，则输出结果。

下面对图3所示的RBTS母线6部分配电系统算例部分馈线进行测试，该系统为中压配电系统，有18个负荷点，1755个用户，所有负荷均乘以5，以模拟馈线重载情况，总平均负荷为6.081MW。联络开关的切换时间取0.05h，非自动开关的开关时间取1h；各类负荷单位电量停电成本数据如表1所示。单条联络建设费用现值取100000元，寿命取20年，设备贴现率取0.1，运维费用占设备投资费用比例取0.03。

表1单位电量停电成本

表2和表3给出了联络配置边界的可靠性指标，其中认为联络馈线备用容量足够，即发生故障后负荷可完全转移。由表可见，建设联络点可拓展系统可靠性边界，进一步提高系统供电可靠性。

表2联络配置边界的可靠性指标1(开关均未改造，负荷可完全转移)

表3联络配置边界的可靠性指标2(开关均改造为自动开关，负荷可完全转移)

表4和表5分别给出了联络点容量为1MVA和3MVA时，不同的供电可用率ASAI约束下的联络点最优规划方案，包括联络点建设的最优数量、位置及停电损失期望、联络建设运维投资及总费用。与表4对应的ECOST与联络点建设数量随ASAI约束的变化曲线如图4所示。对于馈线F1、F2，联络点容量为1MVA时，联络容量与段负荷均值之比略大于1，每个联络点仅能对接入点所在负荷段的负荷恢复供电，即联络点容量仅能覆盖一个负荷段；联络点容量为3MVA时，联络容量与段负荷均值之比大于3，每个联络点可对接入点附近约3个负荷段的负荷恢复供电，即联络点可覆盖其附近约3个负荷段。对于馈线F3，联络容量与每个段负荷值之比始终小于1，即联络点不能覆盖任何负荷段。

由表4和表5可见，联络容量较小时，所需建设的联络点较多，这是因为每个联络所能转移的负荷段较少，每加建一个联络点，ASAI指标提高幅度有限，必须建设较多的联络点才能更多地恢复失电负荷，提高可靠性指标；而联络点容量较大时，每加建一个联络点，ASAI指标均得到较大提高，因而所需建设的联络点较少，经济性更优。此外，规划结果显示，馈线F3未建联络，这是因为F3联络点不能覆盖任何一个负荷段，若建设联络点则不能恢复任何一个负荷段的供电，无法降低停电损失，反而增加建设投资，不符合经济性最优的目标，因此联络点容量必须至少大于一个负荷段的负荷。

表4联络点规划结果1

(联络容量1MVA，ASAI_min＝99.9901％，ASAI_max＝99.9912％，联络容量与段负荷比值F1-1.0442，F2-1.1024，F3-0.2185)

表5联络点规划结果2

(联络容量3MVA，ASAI_min＝99.9901％，ASAI_max＝99.9925％，联络容量与段负荷比值F1-3.1326，F2-3.3071，F3-0.6555)

通过对RBTSBUS6算例部分馈线进行测试，并分析了联络点容量对规划结果的影响，测试结果表明所提模型与方法的有效性，具有较强的工程指导价值。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。