一种协调5G通讯基站选址接入的配电网网架规划方法与流程

本发明属于配电网规划技术领域，特别是涉及一种协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法。

背景技术：

配电网是连接输电网和用户的桥梁，合理的配电网规划不仅能够带来巨大的社会效益，还能提高系统本身的经济性和安全性。配电网网架规划是根据电力系统的负荷和电源发展规划对线路的选型及布线做出规划，是配电网规划的重要组成部分。早期的网架规划模型主要是指单一的网架规划模型或者变电站和网架的综合规划模型。近年来随着智能电网技术的发展，分布式电源接入配电网的规模越来越大，分布式电源在电力系统发电总量中所占的份额越来越多。随着分布式电源的大量接入使得传统配电网网架结构更灵活的同时也带来了新的问题，考虑分布式电源的网架规划模型也应运而生。

此外，我国工信部在2016年印发的《信息通信行业发展规划(2016-2020年)》文件中明确提出，2020年5g通讯网络将开始在我国商业领域内进行大规模应用。5g通讯网络宏基站的站址最大间距在180m到260m之间，与4g通讯基站站间距相比有所减小。由于5g通讯基站站间距的减小，且5g通讯时代数据传输量显著增加，要达到理想的网络覆盖率，就要密集地部署5g通讯基站。并且研究数据表明5g通讯基站单站功耗是传统4g通讯基站单站功耗的3-4倍左右。随着大量基站的建设，5g通讯基站作为电力负荷接入配电网将给电力系统的能量管理、配电网的安全可靠运行以及对现有配电网网架结构带来新的挑战与问题。因此，有必要对考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划方法进行研究。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法。

为了达到上述目的，本发明提供的协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建配电网初始网架；

步骤2)利用蜂窝网络结构确定出5g通信基站的位置，并接在上述配电网初始网架上而构建成考虑5g通讯基站接入的配电网网架；

步骤3)确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数；

步骤4)确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的约束条件；

步骤5)在python程序中调用gurobi求解器来求解出上述约束条件下考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数，由此获得该配电网网架规划的最佳方案。

在步骤1)中，所述的构建配电网初始网架的方法是：

基于所需规划的某地区原有配电网网架，考虑未来十年该地区的发展需要，确定未来十年该配电网网架规划中可能的待建线路、变电站和分布式电源的位置；并且收集该地区的包括大工业负荷、一般工商业负荷和居民生活负荷在内的各类负荷值以及分布式电源各时刻的出力情况；再根据现有数据预测出未来十年的负荷情况，最终构建成配电网初始网架。

在步骤2)中，所述的利用蜂窝网络结构确定出5g通信基站的位置，并接在上述配电网初始网架上而构建成考虑5g通讯基站接入的配电网网架的方法是：

通过对所需规划的地区进行蜂窝网络结构规划，确定每个5g通讯基站的位置，每个蜂窝中心点即为5g通讯基站的位置，每个5g通讯基站根据就近原则接在上述配电网初始网架的负荷节点上而构建成考虑5g通讯基站接入的配电网网架。

在步骤3)中，所述的确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数的方法是：

考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划是以年网络综合成本最小作为目标函数，年网络综合成本包括年投资成本、年维护成本、向上级电网购电成本以及削减负荷的惩罚费用，计算公式如下：

c＝c1+c2+c3+c4

1.年投资成本c1

年投资成本是指新建线路、变电站、分布式电源以及5g通讯基站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值，计算公式如下：

c1＝cline+csub+cdg+c5g

式中：cline为新建线路所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；csub为新建变电站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；cdg为新建分布式电源所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；c5g为新建5g通讯基站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；各年限值的计算公式如下：

式中：xli,j是j类型线路li的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表本条线路不建设，1代表要投建；cli,j是j类型的线路li单位长度的投资成本，单位：万元/千米；li是线路li的长度，单位：千米(km)；d是折现率；t是配电网网架的使用寿命周期；

式中：xsi,j是j类型变电站si的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该变电站不建设，1代表要投建；csi,j是j类型的变电站si的投资成本，单位：万元；

式中：xwti,j是j类型风力发电站wti的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该风力发电站不建设，1代表要投建；cwti,j是j类型风力发电站wti的投资成本，单位：万元；xpvi,j是j类型光伏发电站pvi的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该光伏发电站不建设，1代表要投建；cpvi,j是j类型光伏发电站pvi的投资成本，单位：万元；

式中：是5g通讯基站5gi的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该5g通讯基站不建设，1代表要投建；是5g通讯基站5gi的投资成本，单位：万元；

2.年维护成本c2

年维护成本是指新建线路、变电站和分布式电源所需的年维护成本，计算公式如下：

c2＝αlcline+αscsub+αdgcdg+α5gc5g

式中，αl是线路的年维护费用系数；αs是变电站的年维护费用系数；αdg是分布式电源的年维护费用系数；α5g是5g通讯基站的年维护费用系数；

3.向上级电网购电成本c3

向上级电网购电成本的计算公式如下：

式中：d为一个运行周期的天数，一般以一年为一个运行周期计算，取365天；t为一天的小时数，取24小时；为t时刻向上级电网购电的单价；为配电网与上级电网交换的有功功率；

4.削减负荷的惩罚费用c4

削减负荷的惩罚费用的计算公式如下：

式中，β为配电网削负荷的惩罚系数，单位：万元/千瓦；为t时刻配电网节点负荷的有功削减量，单位：千瓦(kw)。

在步骤4)中，所述的确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的约束条件的方法是：

1.配电网节点功率平衡约束：

式中，为t时刻光伏发电站发出的有功功率；为t时刻风力发电站发出的有功功率；为t时刻与外网交互的有功功率；为t时刻负荷削减的有功功率；为t时刻配电网节点负荷的有功功率；为t时刻5g通讯基站所需的有功功率；为t时刻光伏发电站发出的无功功率；为t时刻风力发电站发出的无功功率；为t时刻配电网与上级电网交换的无功功率；为t时刻配电网节点负荷的无功削减量；为t时刻配电网节点负荷的无功功率；为t时刻5g通讯基站所需的无功功率；

2.发电机组出力约束：

各分布式发电机组和变电站应满足出力上下限的约束；上式中，分别为变电站si有功出力的上、下限；分别为变电站si无功出力的上、下限；分别为风力发电站wti有功出力的上、下限；分别为风力发电站wti无功出力的上、下限；分别为光伏发电站pvi有功出力的上、下限；分别为光伏发电站pvi无功出力的上、下限；

3.支路传输功率约束：

式中，为支路ab的最大传输功率；

4.负荷削减约束：

式中，为电负荷的最大削减率；

5.状态变量约束：

xk,y-1≤xk,y

式中，xk,y-1是y-1阶段设备k的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该设备不建设，1代表要投建；xk,y是y阶段设备k的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该设备不建设，1代表要投建；上式表示设备k一旦被安装，未来的规划中它们将不会被移除；

6.网络的连通性约束：

保证所有的负荷点都被连接，能够得到可靠供电。

本发明提供的协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法具有如下有益效果：基于5g通讯基站接入的配电网，对以年网络综合成本最小为目标的配电网网架进行规划。本方法能够合理地考虑5g通讯基站接入配电网的节点位置，并且经济规划配电网的网架建设，能满足未来一段时间内配电网所在区域的经济发展需求。

附图说明

图1为本发明提供的协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法流程图。

图2为蜂窝网络结构示意图。

图3为考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的最佳方案的结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建配电网初始网架；

基于所需规划的某地区原有配电网网架，考虑未来十年该地区的发展需要，确定未来十年该配电网网架规划中可能的待建线路、变电站和分布式电源的位置；并且收集该地区的各类负荷值(包括大工业负荷、一般工商业负荷和居民生活负荷)以及分布式电源各时刻的出力情况；再根据现有数据预测出未来十年的负荷情况，最终构建成配电网初始网架；

步骤2)利用蜂窝网络结构确定出5g通信基站的位置，并接在上述配电网初始网架上而构建成考虑5g通讯基站接入的配电网网架；

蜂窝网络(cellularnetwork)，又称移动网络(mobilenetwork)，是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。

蜂窝网络是推动现代移动通信出现和发展的关键理论，由若干个正六边形的小区组成蜂窝形的网络结构，每个小区由处于其中心的单个宏基站提供服务，这样的结构可以使用有限的网络节点提供最大的服务覆盖面积。蜂窝网络结构示意图如图2所示。

通过对所需规划的地区进行蜂窝网络结构规划，可以确定每个5g通讯基站的位置，每个蜂窝中心点即为5g通讯基站的位置，每个5g通讯基站根据就近原则接在上述配电网初始网架的负荷节点上而构建成考虑5g通讯基站接入的配电网网架；

步骤3)确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数；

考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划是以年网络综合成本最小作为目标函数，年网络综合成本包括年投资成本、年维护成本、向上级电网购电成本以及削减负荷的惩罚费用，计算公式如下：

c＝c1+c2+c3+c4

1.年投资成本c1

年投资成本是指新建线路、变电站、分布式电源以及5g通讯基站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值，计算公式如下：

c1＝cline+csub+cdg+c5g

式中：cline为新建线路所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；csub为新建变电站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；cdg为新建分布式电源所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值；c5g为新建5g通讯基站所需的投资成本考虑资金的时间价值折算后的等年值。各年限值的计算公式如下：

式中：是j类型线路li的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表本条线路不建设，1代表要投建；是j类型的线路li单位长度的投资成本，单位：万元/千米；li是线路li的长度，单位：千米(km)；d是折现率；t是配电网网架的使用寿命周期。

式中：是j类型变电站si的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该变电站不建设，1代表要投建；是j类型的变电站si的投资成本，单位：万元。

式中：是j类型风力发电站wti的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该风力发电站不建设，1代表要投建；是j类型风力发电站wti的投资成本，单位：万元；是j类型光伏发电站pvi的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该光伏发电站不建设，1代表要投建；是j类型光伏发电站pvi的投资成本，单位：万元。

式中：是5g通讯基站5gi的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该5g通讯基站不建设，1代表要投建；是5g通讯基站5gi的投资成本，单位：万元。

2.年维护成本c2

年维护成本是指新建线路、变电站和分布式电源所需的年维护成本。计算公式如下：

c2＝αlcline+αscsub+αdgcdg+α5gc5g

式中，αl是线路的年维护费用系数；αs是变电站的年维护费用系数；αdg是分布式电源的年维护费用系数；α5g是5g通讯基站的年维护费用系数。

3.向上级电网购电成本c3

向上级电网购电成本的计算公式如下：

式中：d为一个运行周期的天数，一般以一年为一个运行周期计算，取365天；t为一天的小时数，取24小时；为t时刻向上级电网购电的单价；为配电网与上级电网交换的有功功率。

4.削减负荷的惩罚费用c4

削减负荷的惩罚费用的计算公式如下：

式中，β为配电网削负荷的惩罚系数，单位：万元/千瓦；为t时刻配电网节点负荷的有功削减量，单位：千瓦(kw)。

步骤4)确定上述考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的约束条件；

在考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划时，需要满足一定的约束条件，主要考虑以下约束条件：

1.配电网节点功率平衡约束：

式中，为t时刻光伏发电站发出的有功功率；为t时刻风力发电站发出的有功功率；为t时刻与外网交互的有功功率；为t时刻负荷削减的有功功率；为t时刻配电网节点负荷的有功功率；为t时刻5g通讯基站所需的有功功率；为t时刻光伏发电站发出的无功功率；为t时刻风力发电站发出的无功功率；为t时刻配电网与上级电网交换的无功功率；为t时刻配电网节点负荷的无功削减量；为t时刻配电网节点负荷的无功功率；为t时刻5g通讯基站所需的无功功率。

2.发电机组出力约束：

各分布式发电机组和变电站应满足出力上下限的约束。上式中，分别为变电站si有功出力的上、下限；分别为变电站si无功出力的上、下限；分别为风力发电站wti有功出力的上、下限；分别为风力发电站wti无功出力的上、下限；分别为光伏发电站pvi有功出力的上、下限；分别为光伏发电站pvi无功出力的上、下限。

3.支路传输功率约束：

式中，为支路ab的最大传输功率。

4.负荷削减约束：

式中，为电负荷的最大削减率。

5.状态变量约束：

xk,y-1≤xk,y

式中，xk,y-1是y-1阶段设备k的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该设备不建设，1代表要投建；xk,y是y阶段设备k的决策变量，为“0-1”状态变量，0代表该设备不建设，1代表要投建。上式表示设备k一旦被安装，未来的规划中它们将不会被移除。

6.网络的连通性约束：

保证所有的负荷点都被连接，能够得到可靠供电。

步骤5)在python程序中调用gurobi求解器来求解出上述约束条件下考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数，由此获得该配电网网架规划的最佳方案。

gurobi是由美国gurobioptimization公司开发的新一代大规模优化器，它与python语言的接口方便轻巧，能够快速高效地解决线性问题、二次型目标问题、混合整数线性和二次型问题等数学问题。通过在python程序中调用gurobi求解器来求解上述约束条件下考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的目标函数，从而获得配电网网架规划的最佳方案。本发明实施例提供的某地区考虑5g通讯基站接入的配电网网架规划的最佳方案如图3所示。

根据上述网电架规划的最佳方案，可以得到该最佳方案所需的各种成本，分别计算这些成本，并同5g通讯基站直接接入该地区原有配电网网架所需成本作对比。

表1、本发明实施例提供的最佳方案的各种成本

同5g通讯基站直接接入原有配电网网架相比，本发明提供的协调5g通讯基站选址接入的配电网网架规划方法所需的网络综合成本更低，保证了规划方案的经济性；削减负荷量为零，保证了供电的可靠性。因此，本发明提供的配电网网架规划方法能够满足现阶段通讯网络和配电网的发展需要，为真实指导配电网网架规划提供了条件。