考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动态规划方法
【专利摘要】本发明是一种考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动态规划方法，在架空线安装故障指示器、电压时间型终端、电压电流型终端，在电缆线安装故障指示器、二遥终端和三遥终端，根据自动化终端类型确定故障影响模式，以开关为边界划分配电网的区域节点，以用户年平均故障停电时间为评价供电可靠性的指标，分别建立以用户年平均故障停电时间为优化目标和以投资总额为优化目标的配电自动化终端布点优化的动态规划模型，使用JAVA语言进行编程，从XML文件读取配网数据，以开关为边界划分配电网的区域节点，采用开源的图形库JGraphT存储配网拓扑信息，调用通用代数建模系统GAMS求解每阶段的优化模型，选择的求解器是BARON。
【专利说明】
考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动 态规划方法
技术领域
[0001] 本发明是一种考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动态规 划方法，涉及配电终端配置方法，属于配电自动化规划技术领域。
【背景技术】
[0002] 配网自动化以一次网架和设备为基础，综合多种通信方式，实现对配电网的监测 与控制，并通过与相关应用系统的信息集成，实现配电网的科学管理;配网自动化系统是一 项综合了计算机技术、现代通信技术、电力系统理论和自动控制技术的系统工程;经过数十 年的发展，配网自动化技术已取得了长足的进步，是提高配电网供电可靠性、扩大供电能 力、提高供电质量、实现配电网高效经济运行等的重要手段；随着智能电网理念的不断深 入，配网自动化在智能配电网故障定位及隔离、配电网自愈、配电网潮流动态优化、提高配 电网资产利用率等方面将发挥越来越重要的核心作用。
[0003] 配网自动化可以快速检测并隔离故障，实现负荷转供，从而最大程度地减少因故 障导致的用户停电次数和时间，对提高配电网可靠性的重要作用毋庸赘言;但正如前所述， 配网自动化综合了多种技术和理论，其技术复杂，部署施工难度大，造价高；如何尽可能使 有限的资金和资源得到优化配置，根据实际工程情况逐阶段进行配置，多快好省地充分发 挥配网自动化的作用，是摆在配电网规划、建设和运行人员面前的重要课题。
[0004] 配电自动化(Distribution Automation，DA)是提高供电可靠性、供电质量和实现 配电网高效经济运行的重要手段，也是智能电网的重要组成部分，一般由配电主站、配电子 站和配电终端组成；配电终端（Distribution Automation Terminal Unit)是配网自动化 系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用;配电终 端用于中压配电网中的开闭所、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、重合器、线路调压器、 无功补偿电容器的监视与控制，与配网自动化主站通信，提供配电网运行控制及管理所需 的数据，执行主站给出的对配网设备进行调节控制的指令。
[0005] 配电终端层主要包括安装在开闭所内的开闭所终端设备（Distribution Terminal Unit，DTU)，和安装在线路环网柜、柱上开关处的馈线终端设备（Feeder Terminal Unit，FTU)，以及安装在箱式变、杆上变等配电变压器处的配变监测终端 (distribution Transformer supervisory Terminal Unit，TTU);它们负责米集柱上开 关、负荷开关、配电变压器等配电设备的运行信息并转发至主站，接收主站的远方控制命 令，实现对配电设备的远方监控;馈线自动化(Feeder Automat ion，FA)是配电自动化终端 的核心功能之一，实现对中、低压配电网故障自动定位、隔离及非故障区域的供电恢复;1台 FTU只能对1台柱上开关进行监控，而1台DTU可以对几台开关进行监控;架空馈线的"三遥" 终端模块一般采用馈线终端单元(FTU)实现，电缆馈线的"三遥"终端模块一般采用站所终 端单元(DTU)实现，故架空的终端既可以安装于柱上开关处，也可以安装于架空馈线其他位 置，电缆的配电终端一般安装于环网柜中。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点 优化的动态规划方法化方法。
[0007] 混合使用多种类型配电终端，在架空线安装故障指示器、电压时间型终端、电压电 流型终端，在电缆线安装故障指示器、二遥终端和三遥终端。
[0008] 根据自动化终端类型确定故障影响模式：（1)对于架空线，节点j故障对节点i的影 响可划分为以下9种故障影响模式:不受影响模式、架空线传统隔离模式、架空线故障指示 器隔离模式、电压时间型FTU隔离模式、电压电流型FTU隔离模式、架空线手动转供模式、架 空线故障指示器转供模式、电压时间型FTU转供模式、电压电流型FTU转供模式；（2)对于电 缆，节点j故障对节点i的影响可划分为以下9种故障影响模式:不受影响模式、电缆传统隔 离模型、电缆故障指示器隔离模式、二遥隔离模式、三遥隔离模式、电缆手动转供模型、电缆 故障指示器转供模式、二遥转供模式、三遥转供模式； 使用JAVA语言进行编程，从XML文件读取配网数据，以开关为边界划分配电网的区域节 点，采用开源的图形库JGraphT存储配网拓扑信息，以用户年平均故障停电时间为评价供电 可靠性的指标，分别建立以用户年平均故障停电时间为优化目标和以投资总额为优化目标 的配电自动化终端布点优化的动态规划模型，使用建模系统GAMS求解模型，求解器是 BAR0N，得到配电终端布点优化结果。
【附图说明】
[0009] 图1为编程实现的流程图。
[0010] 图2为某区域配电网的化简后的网络拓扑图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0012] 考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动态规划方法化方法， 将配电馈线映射成树状拓扑结构，将相互关联的馈线映射成多个树状拓扑通过联络开关支 路连接而成的无向图，建立起配电网络的数学模型；以配电网络数学模型为基础，建立给定 投资总额优化可靠性指标和指定可靠性指标期望值优化投资的动态规划模型，进行面向供 电可靠性和经济成本对配电终端进行优化配置，布点优化的结果用于配电网自动化改造， 用同样的投资达到最大化可靠性指标的效果，或用最小的投资达到期望的可靠性指标。
[0013] 一、使用软件包javax.xml对XML格式的文件进行解析，得到本方法需要的数据。
[0014] 二、获得馈线数据后，基于开关设备进行配网结构化简，定义配电网络中以开关设 备为边界划分的子配电网络为一个区域节点，从而将复杂配电网简化为较为简单的节点网 络。
[0015] 三、使用JGraphT存储配网拓扑信息，一个区域节点为一个顶点。
[0016] 四、建立给定投资总额优化可靠性指标的动态规划模型： (1) 阶段总数η，且指定每一阶段的资金； (2) 状态变量Sk，Sk是到第k阶段为止整个系统已有的配电终端的集合； (3) 决策变量xk及允许决策集合Xk，xk是第k阶段安装的配电终端集合，Xk是满足该阶段 资金约束的决策变量集合，xk e Xk; (4) 状态转移方程sk=sk-i+xk-i; (5) 指标函数的递推关系：
式中：u是初始状态时的可靠性指标，d( sk+xk)是第k阶段可靠性指标减少量，xk*是第k 阶段的最优决策，fk*(sk，xk*)表示第k阶段的状态为&时，第1到第k阶段所获的最优可靠性 指标减少量。
[0017] 五、建立指定可靠性指标期望值优化投资的动态规划模型： (1) 阶段总数η，且指定每一阶段的资金； (2) 状态变量sk，sk是到第k阶段为止整个系统已有的配电终端的集合； (3) 决策变量xk及允许决策集合Xk，xk是第k阶段安装的配电终端集合，Xk是满足该阶段 指定的可靠性指标减少量期望值的决策变量集合，x k e Xk; (4) 状态转移方程sk=sk-i+xk一 1; (5) 指标函数的递推关系：
式中：fo*是初始状态时花费的金额，m(sk+Xk)是第k阶段用的金额，Xk*是第k阶段的最 优决策，fk*(sk，Xk*)表示第k阶段的状态为&时，第1到第k阶段所花费的最少金额数目。
[0018] 六、求解，如图1;调用GAMS，求解给定投资总额优化可靠性指标和指定可靠性指标 期望值优化投资的动态规划模型中每一阶段的优化模型： (1)优化可靠性指标的阶段模型
Μ是该阶段给定的投资金额;模型的优化变量是每个待安装配电终端的位置上的配电 终端类型，在编程实现过程中用固定的整数值来代表终端类型，存储于列向量Υ中；表达式 如下： Y-[yiocation]， 式中：location是待安装配电终端的位置，对于架空馈线，终端安装在柱上开关处，对 于电缆馈线，终端安装在环网柜中；对应于不装自动化终端、架空线故障指示器、电压时间 型FTU、电压电流型FTU、电缆馈线安装故障指示器、二遥DTU和三遥DTU，y分别对应的值为0、 1、2、3、4、5、6;该模型是非线性混合整数规划模型； (2)优化投资总额的阶段模型如下：
式中：v是该阶段指定的可靠性指标期望值； 每一阶段的状态加上该阶段的优化结果，就是下一阶段的状态;如此进行求解，直至阶 段结束。 实施例
[0019] 图1为编程实现的流程图；本实施例以图2的某区域配电网的化简后的网络拓扑 图为例来进行研究，红色节点表示馈线的网供电源所在区域节点，蓝色边为联络线，数字编 号是馈线ID;已知设备单价及隔离/转供时间如表1，配电网元件故障率和故障修复时间如 表2。
[0020] 表1设备单价及隔离/转供时间
表2配电网元件故障率和故障修复时间
(1)给定总投资总额80万元，建立动态规划模型和每阶段的优化模型，用GAMS进行求解 每一阶段的优化模型，计算结果如表3;表4是本方法求解的配电自动化终端布点优化结果 的分阶段配置情况，分为5个阶段： 表3优化用户年平均故障停电时间的结果
表4分阶段输出配电终端布点优化结果-优化用户年平均故障停电时间
(2)指定用户年平均故障停电时间为7.7895 h，该值是表3中的计算结果，计算结果如 表5;输出投资总额最小的算例的具体配电自动化终端布点优化结果，如表6。
[0021]表5优化投资总额的计算结果
表6分阶段输出配电终端布点优化结果-优化投资总额
【主权项】
1. 一种考虑供电可靠性和经济成本的配电自动化终端布点优化的动态规划方法化方 法，其特征在于混合使用多种类型的配电终端，以用户年平均故障停电时间作为评价可靠 性的指标，定义故障影响模式的概念，建立优化可靠性指标和优化投资总额两种动态规划 模型，按照给定资金百分比逐阶段进行改造，使用JAVA语言进行编程实现，从XML文件读取 配网数据，以开关为边界划分配电网的区域节点，采用开源的图形库JGraphT存储配网拓扑 信息，调用通用代数建模系统GAMS求解每阶段的优化模型，选择的求解器是BARON。2. 根据权利要求1所述的混合使用多种类型的配电终端，其特征在于在架空馈线安装 故障指示器、电压时间型FTU和电压电流型FTU，在电缆馈线安装故障指示器、二遥DTU和三 遥 DTU。3. 根据权利要求1所述的以用户年平均故障停电时间作为评价供电可靠性的指标，其 特征在于由于配电终端在故障隔离、转供、修复方面的重要作用，本使用用户年平均故障停 电时间作为可靠性评价指标，用户年平均故障停电时间是一年中每一用户的平均故障停电 时间，它的计算公式如下：式中：化为负荷区域节点i的用户数，m为节点i的年平均停电时间，η为负荷节点个数； 区域节点是以开关为分界划分的;m的计算公式为： Ui=Uil+Ui2， 式中:UU是本区域节点的故障停电时间，ul2是节点i受其它区域节点故障影响的停电时 间； 本区域节点的故障停电时间UU的计算公式为： 式中：是架空绝缘线路故障率，是架空绝缘线路修复时间，架空裸导线故 障率，rtjKL是架空裸导线修复时间，Xcable是电缆故障率，:Ttcable是电缆修复时间，Xtrans是配 电变压器故障率，rt trans是配电变压器修复时间;架空绝缘线路、架空裸导线、电缆和配电变 压器的故障率的计算公式分别为： \jkj=Ijkj*1jkj， \jKL=ljKL*ljKL, ^?cable-Ccable^lcable j ^?trans-Ctrans^Iltrans j 式中：和Urans分别是架空绝缘线路平均故障率、架空裸导线平均故障率、 电缆平均故障率和配电变压器平均故障率，线路的平均故障率即一年中每公里线路的故障 次数，变压器平均故障率即一年中每台变压器的故障次数山 1^、1肌、1。^(3分别是架空绝缘 线路、架空裸导线、电缆的长度，单位是公里，n trans是配电变压器的台数； 节点i受其它区域节点故障影响的停电时间1112的计算公式为：A屮：^ isolate-ι定对节总1仴丨補呙影_的节总的果甘，也柳定节总J取I邊，节点i需要 隔离；Ω transfer-i是对节点i有转供影响的节点的集合，也就是节点k故障，节点i需要转 供;集合Ω isolate-i和Ω transfer-i可通过负荷转供优化方法计算得到;Aj、Ak分别是节点 j和k的等值故障率山1(^是隔离操作时间，是转供操作时间;e表示故障影响模式， ei(H)是j故障后i的隔离模式，t&o^)是k故障后i的转供模式。4. 根据权利要求1所述的故障影响模式，其特征在于： (1) 对于架空线，节点j故障对节点i的影响可划分为以下9种故障影响模式:不受影响 模式、架空线传统隔离模式、架空线故障指示器隔离模式、电压时间型FTU隔离模式、电压电 流型FTU隔离模式、架空线手动转供模式、架空线故障指示器转供模式、电压时间型FTU转供 模式、电压电流型FTU转供模式； (2) 对于电缆，节点j故障对节点i的影响可划分为以下9种故障影响模式:不受影响模 式、电缆传统隔离模型、电缆故障指示器隔离模式、二遥隔离模式、三遥隔离模式、电缆手动 转供模型、电缆故障指示器转供模式、二遥转供模式、三遥转供模式； 若节点j故障对节点i无影响，则节点j故障对节点i的故障影响模式为不受影响模式； 若节点j故障，节点i需要隔离/转供，对于架空线（电缆)而言： ① 对于相邻的区域节点i和j (a) 若两节点之间的开关无终端监测，则节点j故障对节点i的故障影响模式为传统隔 离/转供模式； (b) 若两节点之间的开关是由故障指示器监测，则节点j故障对节点i的故障影响模式 为故障指示器隔离/转供； (c) 若两节点之间的开关是由电压时间型FTU(二遥DTU)监控，则节点j故障对节点i的 故障影响模式为电压时间型FTU(二遥DTU)隔离/转供； (d) 若两节点之间的开关是由电压电流型FTU(三遥DTU)监控，则节点j故障对节点i的 故障影响模式为电压电流型FTU(三遥DTU)隔离/转供； ② 对于不相邻的区域节点i和j，先获取i到j的路径 (a) 若该路径上有电压电流型FTU(三遥DTU)，则节点j故障对节点i的故障影响模式为 电压电流型FTU(三遥DTU)隔离/转供； (b) 若该路径上没有电压电流型FTU(三遥DTU)，有电压时间型FTU(二遥DTU)，则节点j 故障对节点i的故障影响模式为电压时间型FTU(二遥DTU)隔离/转供； (c) 若该路径上没有电压电流型FTU(三遥DTU)和电压时间型FTU(二遥DTU)，有故障指 示器，则节点j故障对节点i的故障影响模式为故障指示器隔离/转供； (d) 若该路径上没有电压电流型FTU(三遥DTU)、电压时间型FTU(二遥DTU)和架空线故 障指示器(电缆故障指示器），则节点j故障对节点i的故障影响模式为传统隔离/转供模式。5. 根据权利要求1所述的优化可靠性指标的动态规划模型，其特征在于： (1)阶段总数n，且指定每一阶段的资金； (2) 状态变量Sk，Sk是到第k阶段为止整个系统已有的配电终端的集合； (3) 决策变量xk及允许决策集合Xk，xk是第k阶段安装的配电终端集合，Xk是满足该阶段 资金约束的决策变量集合，xk e Xk; (4) 状态转移方程sk=sk-ι+xk-1; (5) 指标函数的递推关系：式中：U是初始状态时的可靠性指标，d( Sk+Xk)是第k阶段可靠性指标减少量，Xk*是第k 阶段的最优决策，fk*(sk，xk*)表示第k阶段的状态为&时，第1到第k阶段所获的最优可靠性 指标减少量;每一阶段的优化模型如下：式中:Μ是该阶段给定的投资金额;模型的优化变量是每个待安装配电终端的位置上的 配电终端类型，在编程实现过程中用固定的整数值来代表终端类型，存储于列向量Υ中；表 达式如下： Y-[yiocation]， 式中：location是待安装配电终端的位置，对于架空馈线，终端安装在柱上开关处，对 于电缆馈线，终端安装在环网柜中；对应于不装自动化终端、架空线故障指示器、电压时间 型FTU、电压电流型FTU、电缆馈线安装故障指示器、二遥DTU和三遥DTU，y分别对应的值为0、 1、2、3、4、5、6;该模型是非线性混合整数规划模型。6.根据权利要求1所述的优化投资总额的动态规划模型，其特征在于： (1) 阶段总数n，且指定每一阶段的资金； (2) 状态变量Sk，Sk是到第k阶段为止整个系统已有的配电终端的集合； (3) 决策变量xk及允许决策集合Xk，xk是第k阶段安装的配电终端集合，Xk是满足该阶段 指定的可靠性指标减少量期望值的决策变量集合，xk e Xk; (4) 状态转移方程sk=sk-ι+xk-1; (5) 指标函数的递推关系：式中：fo*是初始状态时花费的金额，m(sk+Xk)是第k阶段用的金额，Xk*是第k阶段的最优 决策，fk*(sk，Xk*)表示第k阶段的状态为％时，第1到第k阶段所花费的最少金额数目；每一 阶段的优化模型如下：式中：v是该阶段指定的可靠性指标期望值。7.根据权利要求1所述的编程实现，其特征在于本方法使用JAVA语言编程读取馈线数 据以及实现模型的生成和求解： 首先，本方法馈线拓扑信息来源于某地区GI S系统导出的XML文件，使用软件包 javax. xml对文件进行解析，得到本方法需要的数据； 第二步，获得馈线数据后，基于开关设备进行配网结构化简，定义配电网络中以开关设 备为边界划分的子配电网络为一个区域节点，从而将复杂配电网简化为较为简单的节点网 络； 第三步，使用JGraphT进行配电网数据建模，一个区域节点为一个顶点，将馈线拓扑结 构和元件参数整合在一起;JGraphT是一个免费的JAVA图形库，提供数学图论对象和算法， 可以方便地对配电网的结构进行创建、修改、遍历、显示、添加、删除、获取路径等操作； 第四步，建立优化模型后，使用软件包com. gams.api调用GAMS，对每一阶段的优化模型 进行求解，直至阶段结束；由于每一阶段的优化模型是非线性混合整数规划模型，所以选择 对该类模型求解性能较好的求解器BARON; 第五步，输出布点优化动态规划的结果。
【文档编号】G06Q10/04GK105868869SQ201610303775
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】陈东新, 武志刚
【申请人】华南理工大学, 陈东新