基于网架结构相似性的主动配电网动态重构方法与流程

本发明涉及电力系统配电网分析技术领域，具体涉及基于网架结构相似性的主动配电网动态重构方法。

背景技术：

目前越来越多的分布式电源(distributedgenerators,dg)接入配电网中,大电网与分布式电源相结合是21世纪电力工业发展的主要方向。dg接入配电网后将对配电网产生重要影响,其影响与dg的接入方式密切相关,研究考虑dg的配网规划具有重要意义。且研究人员的人对含分布式电源的配电网动态重构问题的越来越。

目前，动态重构大多采用将连续过程离散化的思路，将整个时段划分为多个时段，再利用静态重构方法进行优化，但存在如下缺陷：

(1)传统的配电网动态重构策略研究大多是以网损、故障恢复等为目标函数，少有研究将分布式电源(dg)的注入功率看作优化变量，利用动态重构技术提高可再生能源消纳率的研究还比较少；

(2)配电网自身的网架结构不仅会影响网内dg出力，还会限制系统的优化运行。传统动态重构普遍根据负荷等效曲线或者网损、电压等运行状态量进行时段划分，没有考虑到网架结构特性对动态重构的影响。

有鉴于此，亟需提供一种可提升系统的可再生能源消纳率且考虑网架结构特性对动态重构影响的主动配电网动态重构方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种基于网架结构相似性的主动配电网动态重构方法，包括以下步骤：

s1、确定配电系统参数和dg参数；

s2、在各单位时段内以dg出力最大为目标建立静态重构模型，确定各单位时段的最优dg出力值及网架结构；

s3、衡量相邻时段的网架结构相似性，确定合并时段；

s4、合并时段确定后，优化合并时段内的dg出力使dg出力总量最大，选择使dg出力总量最大的网络结构作为时段合并内的最优网架结构；

s5、更新划分时段数、各时段的网架结构及dg出力值；

s6、判断是否满足开关次数和最大重构次数约束条件，若满足，转下一步，否则转步骤s3；

s7、输出时段划分结果、各时段网架结构以及分布式电源出力曲线。

在上述方法中，所述步骤s3具体以包括步骤：

s31、合并网架结构相同的相邻时段，并更新划分时段数及各时段的网架结构；

s32、计算支路开关状态相似度；

s33、对于支路开断状态相似度最高的若干对相邻时段的网络结构，计算含权节点介数相似度；

s34、确定合并时段。

在上述方法中，所述步骤s4具体以包括步骤：

s41、根据合并时段，确定网架结构搜索空间；

s42、计算不同网架结构的适应度；

s43、选择最优网架结构。

在上述方法中，所述静态重构模型建立包括：

目标函数：

式中，m为时段划分前的单位时段总数，本实施例t＝1……m，m＝24；ndg为系统接入的dg数目，h＝1……ndg；pdgh,t为t时段第h个dg的发电功率；

约束条件中除了传统配电网重构还包括潮流约束、节点电压约束、支路容量约束、网络辐射状约束，包括dg出力约束与dg渗透率约束。

本发明提供一种基于网架结构相似性的配电网动态重构策略，不仅可优化配电网的网络结构，延缓电网投资，同时还可以提升系统的可再生能源消纳率，降低向上级电网的购电成本。

附图说明

图1为本发明提供的流程图；

图2为本发明提供的具体流程图；

图3为本发明提供的含权节点介数角和欧氏距离坐标示意图；

图4为本发明提供的网架选择示意图。

具体实施方式

本发明针对配电网重构的特点、考虑到dg与负荷的随机性和时变性，提供一种基于网架结构相似性的配电网动态重构策略，不仅可优化配电网的网络结构，延缓电网投资，同时还可以提升系统的可再生能源消纳率，降低向上级电网的购电成本。下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于网架结构相似性的主动配电网动态重构方法，包括以下步骤：

s1、确定配电系统参数和dg参数；具体包括：

配电系统参数：网络结构、分段开关位置、配电系统基准电压及基准容量、线路阻抗及容量、各负荷节点在预设时段内的负荷值；

dg参数：dg安装位置(接入节点序号)、容量、类型、功率因数、与配电系统对应预设时段内的无约束出力值(即各单位时段出力上限)；

本实施例为了方便研究，预设时段为一天内24个整点时刻，即配电系统各负荷节点在一天内24个整点时刻内的负荷值，与分布式电源一天内24个整点时刻的负荷值研究时段。

本实施例将以一天24个时刻被分为24个单位时段，各单位时段内的系统负荷值、dg无约束出力值分别为该时刻的系统负荷值、dg无约束出力值，且这些变量的数值在每个单位时段内保持不变。

s2、在各单位时段内以dg出力最大为目标建立静态重构模型，确定各单位时段的最优dg出力值及网架结构。

静态重构是动态重构的基础,静态重构就是针对每个小时进行优化，目标是让每个小时内dg出力最大，因此需要先对预设时段内的各个单位时段以dg出力总量最大为目标进行静态重构；配电网重构是配电网优化的重要措施，而dg注入配电网功率直接影响配电网重构结果，为了达到整体效果最优，必须对配电系统的开关状态(网架结构)和dg注入功率两种控制变量同时优化，达到dg总出力最大的目的。本实施例中，以对一天内24个单位时段以dg出力总量最大为目标建立优化模型。

一、开关状态变量的生成

(1)变量的生成方法

每个开关状态变量代表了一种网架结构，生成开关状态变量的过程就是配电网重构。需要说明的是：

①开关状态变量为离散变量，可表示为一个矩阵，矩阵中每个数字代表了各环网中打开的支路序号。对于确定的网络，矩阵长度(开断支路个数)取决于基本环网个数。

②许多支路不在环网上，重构时不考虑这些支路，开断的支路必须在环网上。

③由于很多支路的解环效果是一样的，因此可归为一个支路组。

④重构的必要条件：对于包含n个环网的配电系统，当且仅当断开属于n个不同支路组的n条支路，该网络才可能成为不包含环的联通网络。

根据上述规律对开关状态重构的过程进行总结：首先忽略与环网无关的节点和支路；其次合并等效支路，形成支路组；最后，断开支路必须属于不同的支路组，且开断支路数等于基本环网数目，只有这样才能最大程度降低无效解的生成概率。

(2)连通性判断

按照上述方法生成开关状态变量后，需要进行连通性判断，若连通则开关状态变量生成，否则重新生成开关支路状态，直到被选中的n个支路断开后，网络连通为止。

二、dg注入功率变量的生成

由于dg渗透率约束，所有dg不一定能总以最大出力状态运行，此时需要对dg入网功率进行优化。因此，在生成dg注入功率变量时，需要考虑dg出力约束及渗透率约束。此外，本实施例为了简化运算，认为dg功率因数恒定，dg注入功率变量仅指dg的有功功率，dg注入电网的无功功率可根据功率因数计算得到。

三、建立静态重构模型

(1)目标函数：

式中，m为时段划分前的单位时段总数，本实施例t＝1……m，m＝24；ndg为系统接入的dg数目，h＝1……ndg；pdgh,t为t时段第h个dg的发电功率。

(2)约束条件

满足潮流约束：

式中，nnod表示网络节点数；pi^t,表示t时段节点i的有功和无功功率；为t时段导纳矩阵的实部和虚部；为t时段节点ij之间的相角差；m表示时段划分前的时段总数；

节点电压约束：

式中，表示t时段节点i的电压幅值，分别为其上下限；

支路容量约束：

式中，表示t时段节点i的视在功率，为节点i所能承受功率的上下限；

网络辐射状约束：

式中，g^t为t时段重构后的网络结构；g为所有呈辐射状且无孤岛的网络拓扑结构的集合；特别的，本实施例区别于传统配电网重构的特征之一是不仅要优化dg出力，还要保证系统的dg渗透率在一定范围内，以免造成剧烈的净负荷波动，故加入了dg出力与dg渗透率约束，这两个约束的计算公式如下：

式中，和分别为t时段第h个dg的有功出力最大、最小值；为t时刻配电网负荷；ζ^max为可再生能源的渗透率上限。

需要说明的是，由于动态重构所有的开关备选方案仅为各单位时段静态重构优化后的唯一解，导致开关动作次数较大，因此动态重构步骤s6中开关动作次数约束要适当放松，即单个开关允许的动作次数、所有开关允许的动作次数的取值都要大一些。开关动作次数约束具体如下：

式中，t表示时段划分后的时段总数；ωt,k为开关k在t时段的状态，“0”表示开关打开，“1”表示开关闭合；ns,k表示开关k的最大动作次数；k为可操作的开关总数；表示所有开关总的最大动作次数，本实施例，k可为4，可为20。

四、综合优化算法求解静态重构模型

静态重构需要综合优化开关状态和dg注入功率，综合优化算法的核心思想是在同一迭代过程中要对开关状态变量、dg注入功率进行优化，综合优化算法参考由zhaojing-jing，lixin，pengyi，renya-ying等人于2009年9月在期刊powersystemtechnology提及的“acomprehensiveoptimizationalgorithmforinjectionpowerofdistributedgenerationanddistributionnetworkreconfigurationbasedonparticleswarmoptimization(基于粒子群优化算法的配电网重构和分布式电源注入功率综合优化算法)”，由于开关状态变量为离散变量，考虑到粒子群算法(pso)具有并行处理的特点，可将pso与二进制粒子群优化算法结合进行求解；同时，可利用pso对dg注入功率连续变量进行优化。

另外，进行潮流计算时需要考虑潮流、节点电压、支路容量约束。为了得到更好的优化结果，算法参数设置时应将迭代次数、种群规模设置的大一些，具体迭代次数、种群规模均可设置大于100。

s3、衡量相邻时段的网架结构相似性，确定合并时段；如图2所示，具体包括以下步骤：

s31、合并网架结构相同的相邻时段，并更新划分时段数及各时段的网架结构；

s32、计算支路开关状态相似度，具体为：

(1)支路开断状态相似度的计算

支路开断状态相似度为：

式中，c为相邻时段开断状态未改变的支路数；a为配电系统包含的支路总数；φ为支路开断状态相似度。

按照上述定义计算所有相邻时段的支路开断状态相似度，从中选出支路开断状态相似度最高的ns对相邻时段，变量ns的计算公式：

式中，n^p为第p次时段合并前的时段数目；为配电网的最大允许重构次数。

需要说明的是，上述的“一对相邻时段”是指相邻的两个时段。例如，时段1与时段2相邻，那么时段1与2就是一对相邻时段，同理，时段2与时段3也是一对相邻时段，以此类推。

s33、对于支路开断状态相似度最高的ns对相邻时段的网络结构，计算含权节点介数相似度；其中，

考虑到配电系统的r/x较大，在描述配电系统时，选用线路阻抗倒数作权重，含权节点介数的计算公式为:

式中：vge、vl分别为配电系统中所有发电节点、负荷节点的集合；y1(mn)为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的供电路径集合；wmn(y1)为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的第y1条供电路径的权重系数，取支路阻抗倒数；为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的第y1条供电路径的存在标记，存在为1，不存在为0；

y2(mn)、wmn(y2)、的定义与上述类似，不同的是其考虑范围为连接发电-负荷节点对mn的所有供电路径，具体为：

y2(mn)为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的供电路径集合；wmn(y2)为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的第y2条供电路径的权重系数，取支路阻抗倒数；为连接发电-负荷节点对mn且经过节点i的第y2条供电路径的存在标记，存在为1，不存在为0；

由上述可知，含权节点介数为复数且差异不大，故需要计算含权节点介数角和欧氏距离来精确的描述不同网络的含权节点介数差异。含权节点介数相似度的计算步骤如下：

a)计算欧式距离

假设两个相邻时段的网架结构均有n个节点，将两者的含权节点介数按照实部、虚部拆成两部分，作为矢量投影到2n维空间上，则有空间矢量e＝{e1,e2,…en,en+1,…e2n}，f＝{f1,f2,…fn，fn+1,…f2n}，矢量e,f的欧氏距离如图3所示，欧氏距离越小，表示含权节点介数的数值差异越小，空间矢量曲线越靠近。

其计算式为：

b)计算含权节点介数角

两矢量间的夹角θ称为含权节点介数角，如图1所示，θ越小，余弦值越接近1，则含权节点介数矢量e,f的方向差异越小，数学表达式为：

c)计算含权节点介数相似度

将含权节点介数角和欧氏距离结合构成含权节点介数相似度，计算公式如下：

式中：γ为含权节点介数相似度，取值范围为[0,1]；λ为常量，可取值为n到2n，其中n表示配电网的节点数目，用于调节相似度的分布，当两个网架结构完全相同时，有e＝f，此时θ＝0°,ed＝0，含权节点介数相似度γ＝1；网架结构差异越大，γ越小。

s34、确定合并时段；

由上述可得出，筛选出φ最大的ns个时段后，通过比较γ值进一步衡量网架结构相似性，最终将含权节点介数相似度最高的一对相邻时段作为此次需要合并的时段。

s4、合并时段确定后，优化合并时段内的dg出力使dg出力总量最大，选择使dg出力总量最大的网络结构作为时段合并内的最优网架结构。

具体包括以下步骤：

s41、根据合并时段，确定网架结构搜索空间；

提取合并时段内所有网架结构作为网架优化的搜索空间，如图4所示，假设时段划分前共有m个时段，且每个时段内电网保持唯一运行方式。

网架结构搜索空间的确定：

若网架结构相似性判断后要合并第二个时段(网架结构为o2)和第三个时段(网架结构为o3)，则网架结构搜索空间就是{o2，o3}。

s42、计算不同网架结构的适应度；

合并时段内的网架结构优化是配电网动态重构过程中不可或缺的一步，在每次确定了合并时段后，都要确定一个网架结构使配电系统在合并时段内保持唯一运行方式，并且在此网架结构下配电系统所能接纳的dg出力总量最大。

不同网架结构的适应度计算，具体步骤如下：

分别将搜索空间内的各个网架结构分别带入合并时段内，计算dg在固定网架结构下的最大出力值；其中，根据步骤s41，

例如，将网架结构o2和网架结构o3带入分别带入合并时段内，计算dg在固定网架结构下的最大出力值；其中，合并时段＝第二个时段+第三个时段，特别注意的是，此时的优化过程有几点不同于静态重构模型：

①负荷状态不同

静态重构仅针对单位时段，负荷恒定，而网架结构选择时为合并时段，合并时段内最少包含两个单位时段，不同单位时段的负荷不同造成了合并时段的负荷波动。

②网架结构搜索空间不同

静态重构的网架结构搜索空间为配电系统所有可行的网架结构，而网架结构选择的搜索空间仅为要合并时段的2个网架结构。

③求解方法不同

静态重构模型需要使用综合优化算法同时优化开关状态和dg注入功率，求解过程很复杂。网架结构选择只需要优化两个网架结构下的dg出力，本质上是优化固定网架结构下的dg出力，仅仅优化一个连续变量，在上述的综合优化算法中，将开关状态变量设置成与固定网架结构对应的定值。这样就相当于优化了固定网架下的dg出力。

s43、选择最优网架结构

网架结构适应性计算后，选择使dg出力总量最大的网架结构作为合并时段内的网架结构o(2)，完成此步骤后时段数变为m-1。之后重复上述过程，直到重构结果满足所有约束为止。

s5、更新划分时段数、各时段的网架结构及dg出力值。

s6、判断是否满足开关次数和最大重构次数约束条件，若满足，转下一步，否则转步骤s3，本实施例，最大重构次数可为3。

s7、输出时段划分结果、各时段网架结构以及分布式电源出力曲线。

本发明动态重构的s2为静态重构，为了方便说明该过程，将一天24小时看成24个单位时段，静态重构就是针对每个小时进行优化，目标是让每个小时内dg出力最大，也可根据需求，将一个月或一年划分预设的研究时段。

在步骤s3-s5中，由于时段合并和网架选择，每个小时的dg出力会修改，一天24小时的dg总出力就不是单纯的静态重构所得的24个dg出力值的和，举例来说，把1点到7点合为一个时段，那么这个时段的出力是步骤s5更新优化所得的值，并不是静态重构1点到7点优化dg出力的和。静态重构为整个动态重构提供一个不满足约束的最优解，然后考虑约束将这个最优解修正，得到最后的动态重构结果；修正过程，即步骤s3-s5实现的过程，中尽量让一天内配电系统中所有dg出力的总量最大，即动态重构的目标函数为配电系统中所有dg出力的总量最大。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。