一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法和装置与流程

1.本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法和装置。


背景技术：

2.为满足电力系统的发展需要，避免二次重建增加额外的成本，因此有必要在配电网规划阶段就对设备的选型进行优化。随着电能替代程度不断加深，其负荷发展和变化的不确定性使规划方案容易面临适应性不足的问题，一旦规划不合理引起规划期内负荷过载，就会出现供电能力不足的可靠性问题，电压不稳定、网络损耗过大、故障发生频繁等安全性问题就会相继出现。而变压器选型是配电网规划的重要环节，其容量的大小决定了供电台区的变电容量，同时，由于变压器相比其他电力设备占地面积大，造价高，在配电网建造运行成本中占据主要部分。
3.现有技术在进行变电台区设备的选型时，通常需要根据实际情况对一些条件进行假设，例如负荷增长、借贷利率、安全需求等，从而能够进行定量的分析。这些方案通常是针对现有负荷或增长负荷进行一次性规划，而并未考虑到规划期较长时，规划的前期可能会造成设备容量冗余、使用率不高。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法和装置，解决了一次规划引起规划初期的变压器容量冗余的技术问题，提高了设备的使用率。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法，包括：
6.获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息；
7.根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算；
8.根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和所述区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算；
9.根据所述第二变压器型号和所述第二变压器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。
10.作为优选方案，所述第一全寿命周期成本和第二全寿命周期成本均包括变压器的购置建设成本、电能损耗成本、运维检修成本和退役处置成本。
11.作为优选方案，所述构建第一阶段规划模型具体为：
12.以所述待规划区域的变电站的变压器型号约束、变压器台数约束、最高负载率约束、所有节点的电压偏移约束作为约束条件，构建所述第一阶段规划模型；其中，所述第一阶段规划模型为混合整数线性规划模型且满足：所述待规划区域的变电站的设备数量和容量均满足在规划水平年内的n-1约束。
13.作为优选方案，所述第一阶段规划模型采用matlab调用yalmip+cplex求解器进行求解。
14.作为优选方案，所述构建第二阶段规划模型具体为：以所述待规划区域的变压器型号约束和负载率约束作为约束条件，构建所述第二阶段规划模型；其中，所述第二阶段规划模型为混合整数非线性规划模型。
15.作为优选方案，所述第二阶段规划模型通过matlab采用遍历算法进行求解。
16.作为优选方案，所述第一全寿命周期成本的购置建设成本根据变压器购置成本、变压器型号和变压器的数量确定。
17.作为优选方案，所述第二全寿命周期成本的购置建设成本根据变压器购置成本、变压器型号、变压器的数量、变压器投建年份、年利率和社会折现率确定。
18.相应的，本发明实施例还提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划装置，包括获取模块、第一阶段规划模块、第二阶段规划模块、配电网规划方案生成模块；其中，
19.所述获取模块用于获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息；
20.所述第一阶段规划模块用于根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算；
21.所述第二阶段规划模块用于根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和所述区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算；
22.所述配电网规划方案生成模块用于根据所述第二变压器型号和所述第二变压器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。
23.作为优选方案，所述第一全寿命周期成本和第二全寿命周期成本均包括变压器的购置建设成本、电能损耗成本、运维检修成本和退役处置成本。
24.相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
25.本发明实施例提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法和装置，所述方法包括：获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息；根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算；根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二
变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算；根据所述第二变压器型号和所述第二变压器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。相比于现有技术，第一阶段规划模型求解得待规划区域在规划年限内变压器型号和数量，进而通过第二阶段规划模型确定计划投建年份，分批将变压器进行投入，一方面避免了一次性规划引起的规划初期变压器容量冗余的问题，提高了变压器的使用率，使待规划区域的变压器能够得到充分利用并降低了规划成本和变压器损耗；另一方面，分批投入变压器而非一次性投入大批量变压器降低了配电网出现故障的概率和频率，降低了检修和维护成本以及电能的损耗；同时，可以有效降低负荷增长预期发生变化时带来的规划风险，提高了配电网规划的可靠性。
附图说明
26.图1：为本发明基于台区变压器的二阶段配电网规划方法提供的一种实施例的流程示意图。
27.图2：为本发明基于台区变压器的二阶段配电网规划方法提供的一种实施例的另一种举例的流程示意图。
28.图3：为本发明提供的基于台区变压器的二阶段配电网规划方法与现有技术在不同负荷增长率下变压器容载比示意图。
29.图4：为本发明提供的基于台区变压器的二阶段配电网规划方法与现有技术在不同负荷增长率下总成本示意图。
30.图5：为本发明提供的基于台区变压器的二阶段配电网规划方法与现有技术在不同负荷增长率下各部分成本示意图。
31.图6：为本发明基于台区变压器的二阶段配电网规划装置的提供的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例一:
34.请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法，包括：步骤s1至步骤s4，其中，
35.步骤s1，获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息。
36.在本实施例中，变压器信息包括但不限于变压器的有功损耗、无功损耗、变压器型号、变压器寿命、变压器数量、变压器运行时间(例如可以为年运行小时数)、大修成本、小修成本、购置费用、额定容量和占地面积等。
37.所述区域信息包括待规划区域的变电站信息和配电网信息，所述变电站信息包括变电站辖区的规划水平年最大负荷、最低负载率要求、最高负载率要求和规划水平年的计
算负荷等，而所述配电网信息包括正常运行状态下的功率因数、电压偏移量和短路电压百分比。
38.步骤s2，根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算。
39.在本实施例中，本发明实施例涉及的决策变量包括变压器型号，变压器数量和投入年份，其关系具体为：
[0040][0041]
其中，i为变压器型号索引且为正整数，i为待选变压器型号集合，j表示同一类型变压器的数量索引且为正整数，typei为0/1变量，取值为1时表示规划结果选择该型号变压器，取值为0时表示规划结果不选择该型号变压器，numi为型号为i的变压器台数，year
i,j
表示型号为i，数量为j的变压器的投入年份。
[0042]
所述构建第一阶段规划模型具体为：
[0043]
以所述待规划区域的变电站的变压器型号约束、变压器台数约束、最高负载率约束、所有节点的电压偏移约束作为约束条件，构建所述第一阶段规划模型；其中，所述第一阶段规划模型为混合整数线性规划模型且满足：所述待规划区域的变电站的设备数量和容量均满足在规划水平年内的n-1约束。
[0044]
具体的,以变压器的第一全寿命周期成本c
lcc,l
作为目标函数：
[0045]clcc,1
＝c
js,1
+c
sh,1
+c
yw,1
+c
ty,1
； (2)
[0046]
所述第一全寿命周期成本c
lcc,1
包括变压器的购置建设成本c
js,1
、电能损耗成本c
sh,1
、运维检修成本c
yw,1
和退役处置成本c
ty,1
，并且：
[0047][0048][0049][0050][0051]
其中，所述第一全寿命周期成本的购置建设成本根据变压器购置成本、变压器型号和变压器的数量确定。i为变压器型号索引且为正整数，i为待选变压器型号集合，j为同
一类型变压器数量索引且为正整数，typei为0/1变量，取值为1时表示规划结果选择该型号变压器，取值为0时表示规划结果不选择该型号变压器，numi为型号为i的变压器台数，为总规划年限内型号为i的变压器的数量，year
i,j
表示型号为i，数量为j的变压器的投入年份，n表示规划年限，c
gz,l
为变压器购置总成本，c
az,l
为变压器安装总成本且为购置成本的α倍，本实施例中取6.2％，c
sub,i
为型号为i的变压器购置成本，p为输配电价，本实施例优选为0.21元/kwh，
△
p和
△
q分别为有功功耗和无功损耗，k
′
为无功经济当量，本实施例取0.1kw/kvar，l为变压器寿命，t为变压器年运行小时数，r为年利率且本实施例取4％，r为社会折现率且本实施例优选为8％，ε1和ε2分别为大修成本占购置成本的比例(本实施例取6％)以及小修成本占购置成本的比例(本实施例取1.5％)，假定变压器在寿命周期内进行2次大修，每年1次小修，[l/2]向下取整，t为变压器运行年份，c
bf,l
为报废成本，c
cz,l
为变压器残值，λ为报废系数且本实施例取0.32，f为残值率且本实施例取0.05。
[0052]
而考虑到变压器占地面积，待规划区域中一个变电站在全寿命周期内的变压器型号不宜超过2种，同一型号变压器数量不超过4台，且变电站的设备数量和容量均满足在规划水平年内的n-1约束。另外，所有变压器的最高负载率在一个合理的区间内，并保证正常运行时所有节点的电压偏移在合理范围内，由此考虑以所述待规划区域的变电站的变压器型号约束、变压器台数约束、最高负载率约束、所有节点的电压偏移约束作为约束条件：
[0053][0054][0055][0056][0057]
其中，所述第二全寿命周期成本的购置建设成本根据变压器购置成本、变压器型号、变压器的数量、变压器投建年份、年利率和社会折现率确定。为总规划年限内型号为i的变压器的型号，m为极大正数，s
n,i
为型号为i的变压器的额定容量(下标n是额定值的通用表示)，为变电站辖区的规划水平年的计算负荷，β
min
为变电站的最低负载率要求，β
max
为变电站的最高负载率要求，为配电网正常运行状态下的功率因数，
△
u为电压偏移百分比，u
k,i
为短路电压百分比，uk为短路电压的固定表示。
[0058]
可选地，由于所述第一阶段规划模型为混合整数线性规划模型，可通过matlab调用yalmip+cplex求解器进行求解。
[0059]
步骤s3，根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和所
述区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算。
[0060]
示例性地，经过第一阶段规划模型的求解后，待规划区域在总规划年限内新增的变压器型号及数量已知，因此需要进一步确定各规划年限内需投建变压器的型号和数量，进而确定计划投建的年份(也即各年份需投建的变压器型号和相应的数量)。所述第二阶段规划模型以每个规划年的负荷为依据，考虑各规划年约束条件，确定变压器具体投建年份。
[0061]
所述第二阶段也是以变压器的全寿命周期成本作为优化目标(目标函数)，但是在第一阶段规划的基础上将投建年份考虑在内：
[0062]clcc
＝c
js
+c
sh
+c
yw
+c
ty
；(11)
[0063]
本实施例的第二全寿命周期成本为c
lcc
，包括变压器的购置建设成本c
js
、电能损耗成本c
sh
、运维检修成本c
yw
和退役处置成本c
ty
。
[0064]
其中，第二全寿命周期成本中的运维检修成本c
yw
和退役处置成本c
ty
的计算方法同第一阶段规划模型相同，即：
[0065]cyw
＝c
yw,l
；(12)
[0066]cty
＝c
ty,l
；(13)。
[0067]
但是变压器的购置建设成本c
js
、电能损耗成本c
sh
的计算方法与第一阶段有所区别：
[0068][0069][0070]
其中，所述第二全寿命周期成本的购置建设成本根据变压器购置成本、变压器型号、变压器的数量、所述变压器投建年份、年利率和社会折现率确定。
[0071]
并且进一步的，将所述待规划区域的变压器型号约束和负载率约束作为所述第二阶段规划模型的约束条件：
[0072][0073]
[0074][0075]
其中，为第t
′
年的计算负荷，为第t年型号为i的变压器数量，为第t年的变压器型号，为功率因数。
[0076]
由于所述第二阶段规划模型为混合整数非线性规划模型，用解析法难以求解，因此考虑到第二阶段结果数目有限，可通过matlab采用遍历算法进行求解。
[0077]
步骤s4，根据所述第二变压器型号和所述第二变压器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。
[0078]
作为本实施例的另一种举例，参照图2，第二阶段规划模型中，可以根据选型约束确定所有可能的投建年份组合，索引为m，共m
max
个。在m＝1时，将各投建年份组合yearm以及变压器型号和数量代入模型计算约束条件，当满足约束时加入备选集，不满足时舍弃；如此往复，直至对各年份进行计算和判断是否加入备选集，直至m＝m
max
。在备选集中选择目标偶函数最小的组合即为计划投建年份。
[0079]
在本实施例中，为进一步验证本实施例提出的二阶段规划方法的有效性及合理性，采用我国中部某省某乡镇的居民区数据作为算例进行仿真和分析。某区域共有住户200户，每户计算负荷7kw，需要对该区域进行变压器选型配置。待选变压器型号为s11型变压器，共16种，在10kv等级下s11型变压器技术参数和购置成本如表1所示。其它数据：变压器使用年限为15年，变压器年运行小时数t＝8760h，变压器最大负载率定为80％，最小负载率为30％。该区域规划年限为5年，取负荷功率因数变压器参数具体可参照表1：
[0080]
表1 10kv电压等级s11型各变压器参数
[0081][0082]
其中，负荷增长率设置为2.5％、5％、7.5％、10％，分析不同负荷增长率下的两阶段规划(方案二)的规划结果，并与整体规划(方案一，即现有技术)结果进行对比，对比结果参照表2：
[0083]
表2不同负荷增长率下变压器型号及数量规划结果
[0084][0085]
结果表明，不同的负荷增长率会直接对台区变压器的设备选型及设备数量产生影响。进一步地，对两种方案的规划结果进行可靠性分析和经济性分析：
[0086]
可靠性分析可以通过容载比来进行评价。容载比是核算电网供电能力和电网规划宏观控制变电容量的重要指标。一般来说，容载比越高，负荷占容量的比例越小，运行起来也就越安全。而容载比过大时，电网建设早期投资增大，产生资源浪费。容载比过小，则引起限电现象。
[0087]
参照图3，方案一采用在规划初期进行整体规划的方式(现有技术)，初期容载比过大，变压器利用率不高，从而造成大量资源浪费。而方案二采用适应负荷增长的分阶段规划方式，变压器投建年份与年负荷紧密相关。在负荷增长率为2.5％与5％的场景中，负荷年均增长量相对较小，因此在规划期第二年即投入第三台变压器，以应对负荷增长。在负荷增长率为7.5％与10％的场景中，负荷年均增长量相对较大，方案二在规划末期投建新增变压器，既可保证规划末期负荷的可靠供应，又能有效解决方案一中规划初期容载比过高、资源浪费、变压器损耗增加的问题。总的来说，台区负荷增长率越高，方案二相比方案一在容载比上表现出的优越性越强。
[0088]
经济性方面，参照图4和图5，在不同负荷增长率下，方案二经济性均优于方案一。且随着负荷增长率增加，方案二优越性逐渐凸显。这是由于方案一在规划初期变压器容量较大，相同负荷水平下，方案一的建设投资成本、运维检修成本、电能损耗成本均较高，导致其整体经济性降低。而方案二变压器投建时间依据负荷实际增长量确定，因此在未投入新增变压器前，其购置建设成本、电能损耗成本及运维检修成本均较低。
[0089]
相应的，参照图6，本发明实施例还提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划装置，包括获取模块101、第一阶段规划模块102、第二阶段规划模块103、配电网规划方案生成模块104；其中，
[0090]
所述获取模块101用于获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息；
[0091]
所述第一阶段规划模块102用于根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算；
[0092]
所述第二阶段规划模块103用于根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和所述区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算；
[0093]
所述配电网规划方案生成模块104用于根据所述第二变压器型号和所述第二变压
器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。
[0094]
作为优选方案，所述第一全寿命周期成本和第二全寿命周期成本均包括变压器的购置建设成本、电能损耗成本、运维检修成本和退役处置成本。
[0095]
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
[0096]
本发明实施例提供了一种基于台区变压器的二阶段配电网规划方法和装置，所述方法包括：获取待规划区域的区域信息和备选变压器的变压器信息；根据所述变压器信息和所述区域信息，构建第一阶段规划模型，求解获得所述待规划区域在总规划年限内需投建变压器的第一变压器型号和第一变压器数量；其中，所述第一阶段规划模型以变压器的第一全寿命周期成本作为目标函数；所述第一全寿命周期成本从所述总规划年限的第一年投入开始计算；根据所述第一变压器型号和第一变压器数量，结合所述变压器信息和区域信息，构建第二阶段规划模型，求解获得所述待规划区域各规划年份需投建变压器的第二变压器型号和第二变压器数量；其中，所述第二阶段规划模型以变压器的第二全寿命周期成本作为目标函数；所述第二全寿命周期成本从实际投运的年份开始计算；根据所述第二变压器型号和所述第二变压器数量，生成所述待规划区域的配电网规划方案，并根据所述配电网规划方案分批投入变压器。相比于现有技术，第一阶段规划模型求解得待规划区域在规划年限内变压器型号和数量，进而通过第二阶段规划模型确定计划投建年份，分批将变压器进行投入，一方面避免了一次性规划引起的规划初期变压器容量冗余的问题，提高了变压器的使用率，使待规划区域的变压器能够得到充分利用并降低了规划成本和变压器损耗；另一方面，分批投入变压器而非一次性投入大批量变压器降低了配电网出现故障的概率和频率，降低了检修和维护成本以及电能的损耗；同时，可以有效降低负荷增长预期发生变化时带来的规划风险，提高了配电网规划的可靠性。
[0097]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。