[发明专利]面向分布式状态估计的配网同步量测及通信设备配置方法

权利要求书

1.一种面向分布式状态估计的配网同步量测及通信设备配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对于选定的配电系统，获取配电网络的拓扑连接关系，获取配电网络在地理上的横向长度e和纵向长度u，构造邻接矩阵A，设置无线传感器节点传输半径R；

2)针对分布式状态估计所采用的分布式计算架构，根据面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区方法，将所述的配电系统划分为若干个区域；

所述的面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区方法，具体包括如下步骤：

(2.1)对于选定的配电系统，设置子区域数M；其中，所述的子区域数M为：

式中，N表示待分区配电系统总的节点数，表示数向下取整；

(2.2)建立面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区模型；其中，所述的面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区模型为：

以子区域间节点数相差最小为目标函数，数学表达式如下：

式中，N_m表示子区域m所包含的节点数；

(2.3)通过遗传算法求解步骤(2.2)中所述的面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区模型；包括：

(2.3.1)设置遗传算法中个体的染色体长度等于子区域数M，染色体上基因的取值集合为配电系统所有节点构成的集合Ω，Ω＝{1，2，…，N}，N表示待分区配电系统总的节点数，随机生成初始种群，进化代数t＝1，设置交叉概率、遗传概率和最大进化代数t_max；

(2.3.2)通过群体中个体的染色体获得初始中心节点，利用中心扩展分区方法对配电网进行分区，进而计算个体的适应度；所述的中心扩展分区方法包括：

(2.3.2.1)设所有节点均未分区，随机获取M个节点作为初始中心节点，将初始中心节点标记为已分区节点；

(2.3.2.2)扩展次数s＝0，根据初始中心节点更新初始中心节点对应的子区域集合并构造分区矩阵G_s，扩展次数s＝s+1；其中，分区矩阵G_s为M×N维矩阵，对于l与m分别表示节点编号与子区域编号，若节点l在子区域m中，则G_s的第m行第l列元素G_s，m，l＝1，否则G_s，m，l为0，子区域集合Π_l中元素为节点l所属的子区域编号，若节点l在子区域m中，则m∈Π_l；

(2.3.2.3)设第s次扩展后的待调整分区矩阵G′_s＝G_s-1A，A为邻接矩阵，将待调整分区矩阵G′_s中非零元素全部置1，设m＝1，n＝2，m与n均为子区域编号；

(2.3.2.4)若nM，则m＝m+1，n＝m+1，进入第(2.3.2.5)步，否则进入第(2.3.2.6)步；

(2.3.2.5)若m＝M，则进入第(2.3.2.8)步，否则进入第(2.3.2.6)步；

(2.3.2.6)获得子区域m与子区域n的重叠节点集合Ω_mn，若重叠节点集合Ω_m，n为空集，则n＝n+1，进入第(2.3.2.4)步，否则进入第(2.3.2.7)步；

(2.3.2.7)若重叠节点集合Ω_m，n中只有两个节点且这两个节点均为已分区节点，则分别将两个节点作为子区域m与子区域n的共有边界节点，比较最大区域节点数与最小区域节点数之差，以差最小为目标选择边界节点，若差相同则以扩展前子区域i中节点为边界，调整待调整分区矩阵G′_s，更新边界节点对应的子区域集合，n＝n+1，进入第(2.3.2.4)步；

(2.3.2.8)设所有已分区节点构成的集合为Ω_AZ，对于若m∈Π_l，则待调整分区矩阵G′_s的第m行第l个元素G′_s，m，l＝1，否则G′_s，m，l＝0；

(2.3.2.9)设所有未分区的重叠节点构成的集合为Ω_NZ，对于若重叠子区域已有边界，则将节点l划分到节点数目最少的子区域中，若节点数最少的子区域有多个，则将节点l划分到编号最小的子区域中，调整待调整分区矩阵G′_s，更新节点l对应的子区域集合；

(2.3.2.10)设m＝1，n＝2，m与n均为子区域编号；

(2.3.2.11)若n＞M，则m＝m+1，n＝m+1，进入第(2.3.2.12)步，否则进入第(2.3.2.13)步；

(2.3.2.12)若m＝M，则进入第(2.3.2.15)，否则进入第(2.3.2.13)步；

(2.3.2.13)获得子区域m与子区域n的重叠节点集合Ω_m，n，若重叠节点集合Ω_m，n为空集，则n＝n+1，进入第(2.3.2.11)步，否则进入第(2.3.2.14)步；

(2.3.2.14)若重叠节点集合Ω_m，n中只有一个节点，节点未分区且子区域m与子区域n第一次重叠，则将所述节点作为子区域m与子区域n共有的边界节点，调整待调整分区矩阵G′_s，更新边界节点对应的子区域集合，n＝n+1，进入第(2.3.2.11)步；

(2.3.2.15)设完成调整后的分区矩阵G_s＝G′_s，若G_s＝G_s-1，则进入第(2.3.2.16)步，否则将G_s中包含的节点标记为已分区节点，扩展次数s＝s+1，进入第(2.3.2.3)步；

(2.3.2.16)根据分区矩阵G_s输出分区结果；

(2.3.3)将选择算子作用于群体，保留适应度最高的个体；

(2.3.4)将交叉算子与变异算子作用于已选择群体，产生下一代，进化代数t＝t+1；

(2.3.5)若进化代数t＜t_max，则进入第(2.3.2)步，否则进入第(2.3.6)步；

(2.3.6)将适应度最高的个体作为最优解输出；

(2.4)输出得到的面向配电网分布式状态估计的同步相量量测配置分区方案；

3)对于步骤2)中已完成分区的配电系统，通过面向分布式状态估计的配网同步量测及通信链路配置方法，得到配电网同步量测及有线通信配置方案；

所述的面向分布式状态估计的配网同步量测及通信链路配置方法，具体包括如下步骤：

(1)获取同步相量量测装置、相量数据集中器以及通信链路的成本；其中，所述的通信链路的成本为：

式中，C_CL表示配电系统配置通信链路的总成本；k表示支路编号；Λ_B表示配电系统所有支路构成的集合；L_k为决策变量，若支路k配置通信链路则L_k为1，否则L_k为0；C_L与C_B分别表示通信链路长度和带宽的单位成本；S_k表示支路k配置通信链路的长度；B_k表示支路k配置通信链路的带宽。

(2)根据配电网络的拓扑连接关系，构造节点间通信路径向量E_r，c；其中，所述的节点间通信路径向量E_r，c的第k个元素为：

式中，E_r，c，k表示节点间通信路径向量E_r，c的第k个元素；r与c均表示节点编号；k表示支路编号；

(3)建立面向分布式状态估计的配电网同步量测及通信链路配置的0-1整数线性规划模型，包括：以配电系统同步相量量测装置、相量数据集中器和通信链路配置方案总成本最低为目标函数，考虑子区域网络可观性约束，同步相量量测装置的数据传送约束，相邻子区域重叠节点决策变量约束，相量数据集中器间的信息交互约束，通信链路的带宽约束，通信链路的配置约束；其中，所述的：

(3.1)以配电系统同步相量量测装置、相量数据集中器和通信链路配置方案总成本最低为目标函数，数学表达式为：

min(C_PMU+C_PDC+C_CL)

式中，C_PMU为同步相量量测装置成本；C_PDC为相量数据集中器的成本；C_CL为通信链路成本；C_P1表示同步相量量测装置的单位成本；m表示子区域的编号；Γ_Z表示配电系统分区完成后所有子区域构成的集合；i表示子区域m中节点的编号；Ω_m表示由子区域m中所有节点构成的集合；x_i为决策变量，若节点i配置同步相量量测装置则x_i为1，否则x_i为0；N_OL表示因相邻区域节点重叠造成同步相量量测装置重复计算的数目；C_P2表示相量数据集中器的单位成本；y_i为决策变量，若节点i配置相量数据集中器则y_i为1，否则y_i为0；k表示支路编号；Λ_B表示配电系统所有支路构成的集合；L_k为决策变量，若支路k配置通信链路则L_k为1，否则L_k为0；C_L与C_B分别表示通信链路长度与带宽的单位成本；S_k表示支路k配置通信链路的长度；B_k表示支路k配置通信链路的带宽；

(3.2)子区域网络可观性约束为：

A_mx_m≥1，m∈Γ_Z

式中，A_m表示子区域m的邻接矩阵；x_m是由子区域m中同步相量量测配置的决策变量组成的列向量；1为元素均为1的N_m维列向量，N_m表示子区域m中节点的数目；

(3.3)同步相量量测装置的数据传送约束为：

式中，第一个约束保证发送信息的节点安装有同步相量量测装置，i与j均为子区域m中节点的编号，z_i，j为数据发送决策变量，若节点i的同步相量量测装置与节点j的相量数据集中器通信则z_i，j为1，否则z_i，j为0；第二个约束保证接收量测信息的节点安装有相量数据集中器，z_i为子区域m中与节点i相关的所有数据发送决策变量组成的行向量，y_m为子区域m中所有相量数据集中器配置的决策变量组成的列向量；第三个约束保证每个子区域有且仅有一个数据集中器；

(3.4)相邻子区域重叠节点决策变量约束为：

x_i＝1，i∈Ω_m∩Ω_n，m∈Γ_Z，n∈Γ_Z

式中，m与n均为子区域编号；i为子区域m与子区域n重叠节点的编号；Ω_m与Ω_n分别表示子区域m与子区域n包含节点的集合；

(3.5)相量数据集中器间的信息交互约束为：

式中，第一个约束保证子区域m中与子区域n通信的节点配置相量数据集中器，i为子区域m中节点的编号，l为子区域n中节点的编号，w_i，l为信息交互决策变量，若节点i的相量数据集中器与节点l的相量数据集中器通信，则w_i，l为1，否则w_i，l为0；第二个约束保证子区域n中与子区域m通信的节点配置相量数据集中器，w_i为子区域m中与节点i相关的所有信息交互决策变量组成的行向量，y_n为子区域n中相量数据集中器配置的决策变量组成的列向量；

(3.6)通信链路的带宽约束为：

式中，i与j均为子区域m中的节点编号；g_i表示节点i的度，即与节点i相关联的支路数；E_i，j表示节点i的设备与节点j的设备通信时是否经过各条支路，若经过支路k，则E_i，j的第k个元素E_i，j，k为1，否则E_i，j，k为0；集合Ψ_A中的每个元素均为两个相邻子区域编号构成的集合，即m与n均表示子区域编号；h为集合Ψ_A中元素；Ω_h，1表示元素h中第一个子区域包含节点的集合；Ω_h，2表示元素h中第二个子区域包含节点的集合；r与c分别表示两个相邻子区域中节点的编号；f表示相量数据集中器通信时的数据压缩比例；P表示传输单位相量数据帧所需的带宽；B表示各条支路配置通信链路的带宽；

(3.7)通信链路的配置约束为：

FY≥B

Y≤B

0≤Y≤1

式中，F为大于B中任一元素的正数；Y表示各条支路是否配置通信链路，若支路k配置通信链路则Y_k为1，否则Y_k为0；0表示元素均为0的H维列向量，H表示配电系统总的支路数；1表示元素均为1的H维列向量；

(4)求解步骤(3)中的面向分布式状态估计的配电网同步量测及通信链路配置的0-1整数线性规划模型，得到同步相量量测装置、相量数据集中器及通信链路的配置方案；

4)根据步骤1)中配电网络在地理上的横向长度e和纵向长度u以及无线传感器节点传输半径R，计算正方形网格边长d，横向网格数n₁和纵向网格数n₂，完成配电网所在地理区域的网格划分，得到n_t＝n₁×n₂个网格，按由左到右、由下到上的顺序将网格从1开始升序编号；

5)确定配电网中所有节点所在的网格，根据步骤3)中得到的配电网同步量测及有线通信配置方案，获取同步相量量测装置和相量数据集中器的配置节点，将获取的配置节点设为所在网格的中心，其他没有配置节点的网格以正方形几何中心为网格中心，计算网格距离矩阵L，网格距离矩阵L中的元素L_p，g表示网格p与网格q的网格中心间的距离；

6)设同步相量量测装置和相量数据集中器的配置节点处配置电池供电式无线传感器，空间中其他位置配置能量收集式无线传感器，建立基于无线传感器网络的配电网同步量测无线通信配置模型，包括：以无线通信配置成本最低为目标函数，考虑同步相量量测装置和相量数据集中器的配置约束，考虑无线通信网络可观性约束；

7)通过遗传算法求解步骤6)中所述的基于无线传感器网络的配电网同步量测无线通信配置模型，得到无线传感器节点配置方案；

8)根据步骤3)中得到的配电网同步量测及有线通信配置方案与步骤7)中得到的无线传感器节点配置方案，以有线通信为主要通信方式，无线通信为后备通信方式，输出配电网同步量测及通信设备整体配置方案。