一种基于序优化的含分布式电源的配电网冗余优化算法

摘要

本发明公开了一种基于序优化的含分布式电源的配电网冗余优化算法。对所有的配电网系统进行分类，每一类中找出基本系统，计算求出基本系统的可靠度；通过第一修正方法计算获得粗略可靠度，利用序优化算法BP针对所有配电网系统的粗略可靠度进行处理筛选；通过第二修正方法计算获得精确可靠度，利用序优化算法BP进行筛选，最后采用冗余优化算法求得最优的配电网系统。本发明先提出考虑线路故障率的含有分布式电源配电网可靠性计算公式，再利用序优化算法进行筛选，从时间以及精度上改进传统方法，减少了计算时间。

说明书

技术领域

本发明属于含有分布式电源的配电网冗余优化领域，具体涉及了一种基于序优化的含分布式电源的配电网冗余优化算法。

背景技术

可靠性技术是在第二次世界大战后首先从航天工业和电子工业发展起来的，电力系统的任务是向用户提供源源不断、质量合格的电能。由于电力系统各种设备，包括分布式电源、变压器、输电线路、断路器等一次设备及与之配套的二次设备，都会发生不同类型的故障，从而影响电力系统正常运行和对用户正常供电。电力系统故障，对电力企业、用户和国民经济某些环节，都会造成不同程度的经济损失。随着社会现代化进程的加快，生产和生活对分布式电源的依赖性也越来越大，而停电造成的损失也日益增大。因此，要求电力系统应有很高的可靠性。

冗余优化是指在满足基本可靠度的要求下，如何使系统所需要的成本最小化。

目前的可靠性分析算法主要集中于含有集中式分布式电源的电力系统可靠性分析，但是随着分布式电源电的引入，原有的含有集中式分布式电源的电力系统可靠性分析不在适用于含有分布式电源的电力系统可靠性分析，所以本发明提出一种新的可靠性分析算法，可以用于计算含有分布式电源的配电网的可靠性。

现有部分算法可以用于计算含有分布式电源的配电网的可靠性，但是这类算法都是把分布式电源看成是系统的附加部分，并没有从整体上考虑分布式电源在配电网中的所带来的可靠性变化。所以本发明提出一种含有考虑线路故障率的分布式电源配电网等效串并联结构，将分布式电源等效为集中式分布式电源，从而综合考虑配电网的可靠性。

目前已有的算法是不考虑线路的故障的，忽略线路故障，近似认为是无故障线路，从而简化算法公式，但从精确角度考虑，线路的故障率仍需考虑入可靠性内。

现有技术的缺点总结如下：

现有技术缺点1：传统可靠性计算的算法主要应用于含有集中式分布式电源的系统中，在含有分布式电源的配电网可靠性分析算法较少。(集中式分布式电源属于分布式电源固定位置，且集中在系统的发电侧，接入输电系统为用户进行供电。分布式电源是不直接与集中的输电系统相连的分布式电源，而分散在整个电力系统的用户侧，从而可以随时对电网进行电能补充。主要集中在配电网处。配电网是指在电力网中起分配电能的网络，其下一级电力网络就是用户侧。)

现有技术缺点2：现在的含有分布式电源的配电网是将分布式电源和线路分开考虑，将分布式电源作为整个配电系统的附加部分，将分布式电源与不含分布式电源的配电网作为两部分，放开考虑，没有整体上将分布式电源和原有配电网的可靠作为一个整体来进行考虑。

现有技术缺点3：现有技术忽略线路的故障率，这会在某些对可靠性要求很高的场合带来一定的误差。

现有技术缺点4：现有的大规模配电网系统可靠性冗余优化计算方法中，最常见的就是GA算法，如果希望在一系列的配电网系统中求取具有最优结构的系统即可靠度满足要求，经济性最优的系统，往往采用穷举的方法，即计算所有系统的可靠性，这种方法会消耗很长的计算时间，几小时甚至几天。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于序优化的含分布式电源的配电网冗余优化算法，将序优化与含有分布式电源的配电网冗余优化问题相结合，先提出考虑线路故障率的含有分布式电源配电网可靠性计算公式，再利用序优化算法进行筛选，从时间以及精度上改进传统方法，减少了计算时间。

本发明采用的技术方案包括如下步骤：

第一步：对所有的配电网系统进行分类，每一类中找出一个最具有代表性的基本系统，并且利用考虑线路故障率的含有分布式电源的配电网的可靠性计算方法计算求出基本系统的可靠度；

第二步：考虑配电网中元件串并联元件的不同点，基于基本系统的可靠度，通过第一修正方法计算获得除基本系统以外的每个配电网系统的粗略可靠度，利用序优化算法BP针对所有配电网系统的粗略可靠度进行处理进行第一次筛选，通过筛选再次减少了计算量；

第三步：考虑配电网中并联元件位置的区别，基于基本系统的可靠度，通过第二修正方法计算获得除基本系统以外的第一次筛选得到的每个配电网系统的精确可靠度，利用序优化算法BP进行第二次筛选；

第四步：针对第三步筛选得到的所有配电网系统，采用冗余优化算法求得最优的配电网系统。

所述第一步具体为：

1.1)将所有配电网系统进行分类，以配电网系统中并联有附加元件且相串联的主元件的总数作为分类依据，将并联有附加元件且相串联的主元件的总数相同的配电网系统归为一分类；

1.2)归为同一分类的从依次提取基本系统，基本系统是指在同一分类中元件(包括附加元件和主元件)总数最少的系统；

1.3)利用考虑线路故障率的含有分布式电源的配电网的可靠性计算方法计算求出基本系统的可靠度。

后续再针对同一分类中除基本系统以外的其他系统进行处理，除基本系统以外的其他系统的串并联元件与基本系统的区别都是在基本系统的基础上进行了并联结构的改变。

所述的附加元件为附加分布式电源，主元件包括一个基础分布式电源和基础元件。

所述利用考虑线路故障率的含有分布式电源的配电网的可靠性计算方法计算求出基本系统的可靠度，具体为：

1.3.1)将含有故障线路的分布式电源配电网进行等效处理，获得串并联结构；

1.3.2)对系统运行至少需要的m台分布式电源进行可靠性计算。

所述步骤1.3.1)具体为：

首先，将所述配电网线路等效成主要由主元件和附加元件通过串并联构成，主元件包括一个基础分布式电源和一系列的基础元件，一系列的基础元件均串联到基础分布式电源的同一端；附加元件为附加分布式电源，附加分布式电源均是并联到基础分布式电源或者基础元件上；

然后，将基础分布式电源和并联在基础分布式电源上的附加分布式电源组成一个串并联子结构，将相并联在一起的多个附加分布式电源和同时并联在该多个附加分布式电源上的所有基础元件组成一个串并联子结构，具体实施中可能有附加分布式电源并联在多个相串联的基础元件上，由此将配电网等效为各个串并联子结构，串并联子结构如图2中的1、2、…、n标记的虚线框所示，由n个串并联子结构通过串联构成配电网。

如图2所示，L₁～L_n表示n个主元件，L₁表示基础分布式电源，L₂～L_n表示配电网线路上的基础元件，基础元件为原有配电网自带的输电线路或者变压器等元件，G表示附加分布式电源。

图2中，第1个串并联子结构是由基础分布式电源L₁和并联在基础分布式电源L₁上的多个附加分布式电源G组成，第2个串并联子结构是由基础元件L₂和并联在基础元件L₂上的多个附加分布式电源G组成，以此到第n个串并联子结构。

本发明中，由于基础元件是有原有配电网的输电线路和变压器等元件组成的等效线路，所以在考虑串并联结构中的线路故障率时，线路故障率是指等效后的线路故障率，即包含了原有输电线路和变压器等元件故障率后的综合故障率，所以本发明出现的线路故障率都是等效后的线路故障率。

所述步骤1.3.2)具体为：

1.3.2.1)所述配电网由n个串并联子结构组成，配电网系统运行至少需要m台分布式电源，且电能能够传输到用户端，按照以下方式进行处理获得情况下配电网系统正常工作的概率；

①对于第n个串并联子结构：由于第n个串并联子结构至少有m个分布式电源正常工作，所导致的配电网系统正常工作的概率为：

R_n＝1-Q_1n-Q_2n-......-Q_mn

其中，R_n表示由于第n个串并联子结构至少有m个分布式电源正常工作，所导致的配电网系统正常工作的概率，Q_1n表示第n个串并联子结构中没有分布式电源正常工作的概率，Q_zn表示第n个串并联子结构中有z-1个分布式电源正常工作的概率，z小于等于m；

上述概率Q_1n～Q_zn计算为：

其中，a，s，i，j均表示在第n个串并联子结构中分布式电源的序数，N_n表示第n个串并联子结构中分布式电源的总数，a，s，i，j，m,z均小于N_n；p表示单个分布式电源正常工作的概率，p_i表示第i个分布式电源正常工作的概率，p_j表示第j个分布式电源正常工作的概率，p_a表示第a个分布式电源正常工作的概率，p_s表示第s个分布式电源正常工作的概率；

②对于第n-1个～第1个串并联子结构中的任意一个：当第n个串并联子结构中，有x个分布式电源正常工作，第n个主元件L_n正常工作；并且第n-1个串并联子结构中，有y个分布式电源正常工作，第n-1个主元件L_n-1正常工作；……；并且第t+1个串并联子结构中，有c个分布式电源正常工作，且第t+1个主元件L_t+1正常工作，x小于m；

由于第t个串并联子结构中至少有m-x-y-…-c个分布式电源正常工作，该情况下配电网正常工作的概率为：

其中，R_xn表示第n个串并联子结构中有且只有x个分布式电源正常工作的概率，p_Ln表示第n个串并联子结构中的基础元件L_n正常工作的概率；R_y(n-1)表示第n-1个串并联子结构中有且只有y个分布式电源正常工作的概率，p_Ln-1表示第n-1个串并联子结构中的基础元件L_n-1正常工作的概率；R_c(t+1)表示第t+1个串并联子结构中有且只有c个分布式电源正常工作的概率，p_t+1表示第t+1个串并联子结构中的基础元件L_t+1正常工作的概率；R(t)表示第t个串并联子结构中至少有m-x-y-…-c个分布式电源正常工作的概率；

上述概率R_xn～Rc(t+1)计算为：

其中，其中，a，s，i，j均表示在第n个串并联子结构中分布式电源的序数，N_n表示第n个串并联子结构中分布式电源的总数，a，s，i，j，m,z均小于N_n；p表示单个分布式电源正常工作的概率，p_i表示第i个分布式电源正常工作的概率，p_j表示第j个分布式电源正常工作的概率，p_a表示第a个分布式电源正常工作的概率，p_s表示第s个分布式电源正常工作的概率；

将概率R_xn～Rc(t+1)整理为以下R_uw的计算通式为：

其中，R_uw表示第w个串并联子结构中有u个分布式电源正常工作的概率。

上述概率R(t)计算为：

R(t)＝1-Q_1t-Q_2t-......-Q_{(m-x-y-...-c)(t)}

其中，Q_1t表示在第t个串并联子结构中没有分布式电源正常工作的概率，Q_2t表示在第t个串并联子结构中只有1台分布式电源正常工作的概率，Q_{(m-x-y-……-c)(t)}表示在第t个串并联子结构中有m-x-y-……c-1台分布式电源正常工作的概率；

1.3.2.2)针对每个串并联子结构刚满足“配电网系统正常运行至少需要m台分布式电源”的条件，重复上述步骤1.3.2.1)针对配电网系统正常运行所需要的第m台分布式电源处于各个串并联子结构时的情况进行分别计算，然后采用以下公式计算配电网系统正常运行的可靠性：

R＝R₁+R₂+...R_t...+R_n

其中，R_n表示由于第n个串并联子结构至少有m个分布式电源正常工作，所导致的配电网系统正常工作的概率；

R_t表示当第n个串并联子结构中，有x个分布式电源正常工作，第n个主元件L_n正常工作，并且第n-1个串并联子结构中，有y个分布式电源正常工作，第n-1个主元件L_n-1正常工作；……；并且第t+1个串并联子结构中，有c个分布式电源正常工作，且第t+1个主元件L_t+1正常工作；第t个串并联子结构中至少有m-x-y-…-c个分布式电源正常工作，该情况下的概率。

对于Q_1t～Q_{(m-x-y-……-c)(t)}的计算通式Q_de为：

其中，d表示正常工作的分布式电源数，e表示串并联子结构的编号。

所述第二步具体为：

针对同一分类中的剩余系统，剩余系统是指除基本系统以外的其他配电网系统，依次采用以下方式进行可靠度计算：

2.1)首先，进行附加并联元件的可靠度更新计算：

2.1.a)若剩余系统与基本系统相比，增加有一个并联元件，则更新后可靠度计算公式为：

A’＝1-(1-A)(1-R)

其中，A为当前可靠度，R为并联元件的可靠度，A’为更新后可靠度；

2.1.b)若剩余系统与基本系统相比，增加有多个并联的附加元件，重复步骤2.1.a)依次对所有增加的并联元件以相同方式迭代计算，初始计算时当前可靠度A为基本系统的可靠度，之后以当前增加的并联元件对应处理获得的更新后可靠度作为下一增加的并联元件对应处理时的当前可靠度A，从而获得剩余系统的粗略可靠度；

2.2)将所有分类的基本系统的可靠度和所有分类的剩余系统的粗略可靠度按照降序进行排列，获得第一排序序列，并绘制出降序排列曲线；

2.3)采用序优化算法中的盲选方法BP对第一排序序列进行处理，具体是从第一排序序列中选择前g个系统作为盲选方法BP中的“足够好子集G”，用盲选方法BP求出“选择子集S”的个数s。

所述第三步具体为：

3.1)首先，进行附加并联元件的可靠度更新计算：

3.1.a)若剩余系统与基本系统相比，增加有一个内部并联元件，内部并联元件是指该并联元件与其前一位附加并联元件相比，并联于同一个串联元件之上，则更新后可靠度计算公式为：

A’＝A+(R’-AR’)R^’

其中，A为当前可靠度，R’为内部并联元件的可靠度，A’为更新后可靠度；

3.1.b)若剩余系统与基本系统相比，增加有多个内部并联元件，重复步骤3.1.a)依次对所有增加的内部并联元件以相同方式迭代计算，初始计算时当前可靠度A为基本系统的可靠度，之后以当前内部并联元件对应处理获得的更新后可靠度作为下一内部并联元件对应处理时的当前可靠度A，从而获得剩余系统的中间可靠度；

3.2)接着，进行附加并联元件的可靠度更新计算：

3.2.a)若剩余系统与基本系统相比，增加有一个外部并联元件，外部并联元件是指该并联元件与其前一位附加并联元件相比，并联于不同个串联元件之上，则更新后可靠度计算公式为：

A’＝1-(1-A)(1-R”)

其中，A为当前可靠度，R”为外部并联元件的可靠度，A’为更新后可靠度；

3.2.b)若剩余系统与基本系统相比，增加有多个外部并联元件，重复步骤3.2.a)依次对所有增加的外部并联元件以相同方式迭代计算，初始计算时当前可靠度A为步骤3.1)获得的中间可靠度，之后以当前外部并联元件对应处理获得的更新后可靠度作为下一外部并联元件对应处理时的当前可靠度A，从而获得剩余系统的精确可靠度；

3.3)针对步骤2.3)中选择的前g个系统，以精确可靠度按照降序进行排列，并再从中选取前s个系统作为“选择子集S”中的元素，s为步骤2.4)获得的“选择子集S”的个数。

所述第四步具体为：

针对第三步筛选得到的所有配电网系统，采用以下公式的冗余优化算法进行处理得到最优系统：

其中，N为配电网系统中的全部分布式电源数，c_v为配电网系统中每一(类)元件的成本，n_v为(该类)元件的总数量，C为单个配电网系统的成本。

本发明的第二修正方法相比于第一修正方法不仅考虑了并联结构的影响，还考虑了内部并联以及外部并联结构的影响，从而可以得到相比于第一种更加精确的可靠度。

本发明通过第二步和第三步的步骤进行分类筛选大大减少了计算的系统数量，并且提高了可靠度筛选计算的准确性。

本发明以第三步来进行另一可靠性计算并重新排序以求取“选择子集S”的个数s的具体是哪几个系统，以提高最终结果的精确性。

本发明提出含有分布式电源的串并联结构，将每条线路所并联的分布式电源与相应的线路等效为一个整体，通过各个小整体的可靠性来计算整个配电网的可靠性。通过主元件和附加元件之间的连接顺序与串联并联的关系来等效真实系统中各个元件之间的连接关系。

本发明基于提出的含有分布式电源的串并联结构，考虑线路的故障率，从系统保持运行所需要的最少分布式电源数来进行配电网可靠性的衡量，从至少需要一台基础分布式电源与至少需要m台附加分布式电源两方面提出可以用于衡量考虑线路故障率的含有分布式电源配电网等效串并联结构的可靠性。

本发明的有益效果是：

本发明将分布式电源综合考虑入配电网系统，提出含有分布式电源的配电网系统等效串并联结构，简化了含有分布式电源的配电网的结构，简化了相关可靠性概率计算公式，更有利于数学公式的理解与计算，并且考虑了线路的故障率，使计算结果更加符合实际。同时又通过序优化算法减少了计算时间，简化了计算流程，通过冗余优化算法将可靠性和经济性同时加入考虑，适应含有分布式电源的配电网冗余优化问题。

本发明将能够准确计算整个配电网的可靠性，减少了计算时间。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明等效后的串并联子结构结构划分图。

图3是本发明实施例的结构类型编号为1-1的配电网系统。

图4是本发明实施例的结构类型编号为1-2的配电网系统。

图5是本发明实施例的结构类型编号为1-3的配电网系统。

图6是本发明实施例的结构类型编号为2-1的配电网系统。

图7是本发明实施例的结构类型编号为2-2的配电网系统。

图8是本发明实施例的结构类型编号为2-3的配电网系统。

图9是本发明实施例的结构类型编号为3-1的配电网系统。

图10是本发明实施例的结构类型编号为3-2的配电网系统。

图11是本发明实施例的结构类型编号为3-3的配电网系统。

图12是本发明实施例的结构类型编号为4-1的配电网系统。

图13是本发明实施例的结构类型编号为4-2的配电网系统。

图14是本发明实施例的结构类型编号为4-3的配电网系统。

图15是本发明实施例的结构类型编号为5-1的配电网系统。

图16是本发明实施例的结构类型编号为5-2的配电网系统。

图17是本发明实施例的结构类型编号为5-3的配电网系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例如下：

第一步：对所有的配电网系统进行分类，每一类中找出一个最具有代表性的基本系统，并且考虑线路故障率的含有分布式电源的配电网的可靠性计算公式求出基本系统的可靠度；

本实施例一共有15种系统结构，如图3～图17所示，将其一共分为五类，假设元件相同，且成本为1。

图3～图5的结构类型编号分别为1-1、1-2、1-3，图6～图8的结构类型编号分别为2-1、2-2、2-3，图9～图11的结构类型编号分别为3-1、3-2、3-3，图12～图14的结构类型编号分别为4-1、4-2、4-3，图15～图17的结构类型编号分别为5-1、5-2、5-3。

选取每一类的基本系统，分别为1-1，2-1，3-1，4-1，5-1，采用本发明方式计算，计算(最终)精确可靠度为如下表1：

表1五类基本系统的(最终)精确可靠度

第二步：基于基本系统的可靠度，通过第一修正方法计算获得除基本系统以外的系统的粗略可靠度，利用序优化算法BP针对所有配电网系统的粗略可靠度进行处理进行第一次筛选；

基于公式，得到每一类中的剩余系统的粗略可靠度，选择前9种结构，作为序优化算法的数据。

表2粗略可靠度

第三步：基于基本系统的可靠度，通过第二修正方法计算获得除基本系统以外的每个系统的精确可靠度，利用序优化算法BP进行第二次筛选；

采用序优化算法的盲选规则，计算可得选择子集中的个数为5个。

依据定义公式，计算选出的9种系统的精确可靠度，选前5位系统，分别为5-1，5-2，4-3，4-1，1-3。

表3精确可靠度

第四步：针对第三步筛选得到的所有系统，采用冗余优化算法求得最优的配电网系统。

采用冗余优化算法，求选出的5种系统的成本，求取最优系统，为1-3和4-1，4-3，5-2系统。

表4筛选系统的(最终)精确可靠度

实施例验证：

a)可靠度准确性验证：采用马尔科夫过程算法计算所有系统的(最终)精确可靠度和成本，由表5可知，1-3和4-1，4-3，5-2系统为具有高可靠度且成本最少的系统，与本发明提出的计算方法的计算结果相符合。

表5系统(最终)精确可靠度

b)与采用遍历算法的传统算法(马尔科夫过程)相比的计算时间比较：由下表可知，与采用遍历算法的传统算法相比，提出的新算法所用的计算时间可以缩短二分之一。

表6计算时间对比

由此可见，本发明具有准确的精确度，方法可靠性高，而且求取所用的时间大大缩减，更适用于现实的实际情况，其技术效果显著突出。