一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法

摘要

本发明涉及一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法，属于自动化领域。该方法包括以下步骤：S1：对现有数据进行处理，基于电价数据、节点位置关系、天气情况和特殊条件建立数据库；S2：建立目标函数和约束条件；S3：基于0‑1规划判断开关及电源状态；S4：根据电源及开关状态绘制拓扑图。本发明能够基于数据驱动，无需额外新增专用的电力设备，可直接嵌入实际的运行系统，生成实时动态拓扑网络，作为现有方法的辅助决策方法，具有一定的前沿探索意义和实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于自动化领域，涉及一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法。

背景技术

随着电网系统复杂度的增加，提升电网智能化程度以保障电网的良好运行性能是电网发展的必然趋势。电力系统和信息通信系统的深度融合为数据科学在电网场景的应用提供基础支撑，以人工智能、大数据、云计算等为代表的数据科学理论和技术正在电力智能化进程中发挥着重要的作用。

传统的配电网拓扑监测方法主要包括代数法、图论法和地理信息法。代数法是利用矩阵描述拓扑和分析拓扑的方法，基础的代数法包括邻接矩阵法和关联矩阵法，其核心思路是首先将配电网各线路的开关状态用矩阵描述，矩阵的0或1元素表示开关的开或关状态，然后通过矩阵的连乘运算计算节点间的连接关系。代数法原理简单，表述方式直观，能够较清晰的分析拓扑结构。图论法的代表是搜索法，主要包括深度搜索法和广度搜索法。搜索法的核心思路是将配电网的物理节点和支路转化为图模型，从配电网的供电根节点出发，按照广度优先或深度优先原则搜索一条从根节点到所有负荷叶节点的路径。图论法原理清晰，实现方便。研究学者根据其不足提出静态和动态联合搜索的改进措施，即首先利用搜索法全局搜索生成静态拓扑，然后再利用搜索法局部动态更新拓扑，实现实时的拓扑生成。地理信息法主要指的是基于地理信息管理系统(Geographic Information System,GIS)的拓扑分析方法，其核心思路是将配电网的节点对应实体对象，借助GIS强大的空间建模和空间分析能力承载配电网拓扑的分析。基于GIS的配电网拓扑分析方法具有原理清晰简单，可视化性能良好等优势，但GIS的实体对象本身有诸多属性，且其连接关系的描述方式与电力系统所需分析的拓扑描述方式不一致，导致基于GIS的配电网拓扑分析方法需要进行大量的地理信息处理。研究学者针对此情况，提出一系列的改进措施，包括设计配电网专用GIS等，以适用于配电网的实际运行需求。

现阶段解决配电网重构的算法主要包括数学优化方法、启发式优化方法、随机优化方法和人工神经网络优化方法。数学优化方法完全基于数学理论，建立相应的数学模型进行求解。它的优势在于模型的泛化能力强，对网络的初始结构没有要求。但随着网络复杂度的增加，计算量激增，不适合用于大规模网络。启发式算法包括最优潮流模式法、支路交换法等它们的优势在于模型简单、计算结果准确、具有实用化潜力。

现有目前针对配电网故障辅助决策方案还存在以下问题及难点：

(1)计算量较大，计算时间长，不利于实现实时的拓扑监测，甚至无法生成准确的拓扑结构。

(2)过度依赖物理设备的监控，无法基于数据驱动、分析配电网内外部数据挖掘运行数据与拓扑模式的关联关系，从而生成配电网的拓扑结构。

(3)通过配电网节点电压关联性并生成拓扑，但只能生成无环路的拓扑网络。

随着智能电网的深化建设，配电网与外界交互日益增多，分布式供电储能对配电网的物理特性产生重要影响，传统物理理论建模方法难以满足复杂系统的需求。因此，提出一种基于0-1整数规划模型及电力系统最优运行的拓扑推断方法，将网络拓扑简化为数学模型，实现配电网拓扑结构的探测，并探索新的认知关系，辅助现有方法优化运行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法。 为配用电规划、潮流仿真计算、故障快速排查、恢复供电等提供数据基础。拓扑生成用于配电网状态监控，保证配电网运行的安全可靠性；拓扑重构用于配电网结构优化，保证配电网运行的经济稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法，该方法包括以下步骤：

S1：对现有数据进行处理，基于电价数据、节点位置关系、天气情况和特殊条件建立数据库；

S2：建立目标函数和约束条件；

S3：基于0-1规划判断开关及电源状态；

S4：根据电源及开关状态绘制拓扑图。

可选的，所述方法具体为：

0-1规划是决策变量仅取值0或1的一类特殊的整数规划；0-1整数规划问题的形式如下：

max(min)z＝c

对于式(1)中的任意一个约束条件

a

令xj＝xj1,j∈[1,n]，则(1)中的任意一个约束条件分解成：

得到0-1整数规划问题的一个分解形式(3)，把变量前面的系数中|a

对于式(3)中的任意一个约束条件a

对于带有n个约束变量的0-1整数规划问题，它的可能解共有2"个，这些可能解构成0-1整数规划问题的解空间；这个解空间有两种等价形式：有向二叉树形式和逻辑图Gn形式；

有向二叉树形式：0-1整数规划问题的解空间可以等价于一个有向二叉树；该有向二叉树中，把度为2的节点称为根节点，度为3的节点称为子节点，度为1的节点称为叶；

三变量0-1整数规划问题的解空间中，其所有可能的解共有23个，等价于有向二叉树上的每一条路径；A为根节点；B，C，D，E，F，G为子节点；H，I，J，K，L，M，N为叶；这个有向二叉树中的每一条路径对应0-1整数规划问题中的一个可能解；

逻辑图Gn形式：0-1整数规划问题的解空间还等价于一个逻辑图Gn，这个逻辑图中包含n个节点，x

在边际电价确定的情况下，以电力系统最优运行为目标函数；同时在配电网系统中，优化目标函数时除了需要满足支路的电压、电流、功率及运行状态等约束条件，还需要满足配电网开环运行的要求：

U

I

g

其中，U

对于n个节点构成的电网络，用n维向量x＝[x

本发明的有益效果在于：本发明能够基于数据驱动，无需额外新增专用的电力设备，可直接嵌入实际的运行系统，生成实时动态拓扑网络，作为现有方法的辅助决策方法，具有一定的前沿探索意义和实际应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明流程图；

图2为三变量有向二叉树示意图；

图3为逻辑图Gn示意图；

图4为本发明原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，本发明包括以下部分：

(1)对现有数据进行处理，基于电价数据、节点位置关系、天气情况、特殊条件建立数据库；

(2)建立目标函数和约束条件；

(3)基于0-1规划判断开关及电源状态；

(4)根据电源及开关状态绘制拓扑图。

1、基于0-1整数规划的配电网拓扑实现

(1)0-1整数规划

0-1规划是决策变量仅取值0或1的一类特殊的整数规划。在处理经济管理中某些规划问题时，若决策变量采用0-1变量即逻辑变量，可把本来需要分别各种情况加以讨论的问题统一在一个问题中讨论。0-1整数规划问题的一般形式如下：

max(min)z＝c

对于式(1)中的任意一个约束条件

a

令xj＝xj1,j∈[1,n]，则(1)中的任意一个约束条件都可以分解成：

通过这样分解，可以得到0-1整数规划问题的一个分解形式(3)，这个分解形式把变量前面的系数中|a

对于式(3)中的任意一个约束条件a

通过一个具体的实例来说明完整的变换过程：

max u＝2x

先变换成分解形式：对于第一个约束条件变量x1前面的系数等于2，可以把2x1分解成x1，x4；且x1＝x4；变量x2前面的系数等于-1，变量x3前面的系数等于1，不用分解。对于第二个约束条件变量x2前面的系数等于2，可以把2x2分解成x2，x5；且x2＝x5变量x1前面的系数等于1，不用分解。对于第三个约束条件变量x1前面的系数等于1，变量x3前面的系数等于-1，不用分解。则上述实例可以分解成：

max u＝2x

再将上式转换成0-1整数规划问题的简单形式：

max u＝2x

1.2 0-1整数规划问题解空间的等价形式

对于带有n个约束变量的0-1整数规划问题，它的可能解共有2"个，这些可能解构成了0-1整数规划问题的解空间。这个解空间有两种等价形式：有向二叉树形式和逻辑图Gn形式。

有向二叉树形式：0-1整数规划问题的解空间可以等价于一个有向二叉树。该有向二叉树中，把度为2的节点称为根节点，度为3的节点称为子节点，度为1的节点称为叶。以三变量0-1整数规划问题的解空间为例，其所有可能的解共有23个，它等价于图2中的有向二叉树上的每一条路径。图中A为根节点；B，C，D，E，F，G为子节点；H，I，J，K，L，M，N,为叶。这个有向二叉树中的每一条路径对应了0-1整数规划问题中的一个可能解，如A-B-D-H代表x1＝0，x2＝0，x3＝0，即解(0,0,0)；A-B-E-J代表解(0,1,0)。

逻辑图Gn形式：0-1整数规划问题的解空间还等价于一个逻辑图Gn，如图3所示。这个逻辑图中包含n个节点，x

(2)开关状态判断

在边际电价确定的情况下，以电力系统最优运行为目标函数(综合费用最低)。同时在配电网系统中，优化目标函数时除了需要满足支路的电压、电流、功率及运行状态等约束条件，还需要满足配电网开环运行的要求。

U

I

g

其中，U

对于n个节点构成的电网络，可用n维向量x＝[x

基于上诉一种基于边际电价的配电网动态实时拓扑实现方法首先获取各部分数据信息，对已知数据进行处理，建立静态拓扑网络，然后：

(1)根据实时边际电价，建立系统运行最优模型。

(2)求解数学模型，并分析历史数据对所得结果进行验证分析，将得到的开关状态存入数据表中。

(3)根据得到的数据表，绘制新的动态拓扑图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。