[发明专利]考虑区域配电网风险承受能力差异的网架规划方法

摘要

本发明是一种考虑区域配电网风险承受能力差异的网架规划方法，包括以下步骤：针对农网改造工程中各乡镇区域配电网之间风险承受能力差异较大和乡镇区域负荷波动大的问题，采用非参数核密度估计的方法来表示负荷的不确定性；计及各乡镇区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力差异，结合乡镇区域配电网的特点建立区域配电网风险承受能力评价指标体系；采用基于层次分析法和熵权法的组合赋权法进行评估；建立线路升级选型的机会约束规划模型，根据各乡镇区域配电网的风险承受能力评估结果差异化选取机会约束条件的置信水平，从而实现区域配电网的风险承受能力和投资成本的相互协调，实现投资的精益化。

主权项

1.一种考虑区域配电网风险承受能力差异的网架规划方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)负荷的不确定性建模由于乡镇区域配电网负荷变化的不确定性，影响负荷的各种因素的不确定性以及负荷预测方法存在的不确定性，使得负荷预测存在误差并且负荷预测误差存在一定的不确定性；选择高斯函数作为核函数，采用非参数核密度估计的方法对基准年的负荷预测误差的历史样本数据进行不确定性建模；基于非参数核密度估计的负荷预测误差的概率密度模型如式(1)和式(2)所示，式中，φ(LE,l)为负荷预测误差的概率密度函数；n为负荷预测误差样本个数；G(LE,l)为高斯核函数；LE_i为负荷预测误差样本中的第i个样本值；l为非参数核密度估计模型的带宽参数，l取值越小，概率密度函数的波动性越大越能反映数据的真实情况精度高，l取值越大，概率密度函数的波动性越小曲线越平滑，但精度会有所降低；由负荷预测误差的历史样本数据和式(1)、式(2)得到基于非参数核密度估计的负荷预测误差概率模型如式(3)所示，2)基于组合赋权法的区域配电网风险承受能力评估充分考虑到各乡镇区域配电网的风险承受能力差异对线路升级选型的影响，结合乡镇区域配电网的特点，以农网改造的实际需求为基础建立了区域配电网风险承受能力评价指标体系，并采用基于层次分析法和熵权法的组合赋权法对各乡镇区域配电网的风险承受能力进行评估；①区域配电网风险承受能力评价指标体系的建立区域配电网风险承受能力的评估结果作为确定网架规划模型中机会约束条件置信水平取值的参考依据，要求建立的评价指标体系应能充分反映农网改造工程的实际需求和影响乡镇区域配电网风险承受能力的各方面因素；对此，考虑到乡镇区域配电网的特点以及获取现场数据的可行性，从负荷供应能力、网架结构水平和配电网运行水平三个方面对乡镇区域配电网的风险承受能力进行综合评估，建立区域配电网风险承受能力评价指标体系；a.负荷供应能力区域配电网的负荷供应能力是指在满足各种技术经济约束条件下，能够保证供电的最大负荷，且该最大负荷的数值越大，在考虑不确定性负荷预测误差的情况下，区域配电网更有可能满足用户的用电需求，相应地该区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力就越强；线路的最大负载率、重载配变占比和线路重载运行时间能够在不同程度上反应出区域配电网的负荷供应能力；线路最大负载率越高，重载配变占比越大，线路重载运行时间越长，负荷波动变化时该区域配电网可用的供电容量裕度就越小，并且设备重载时更容易出现线路末端电压低于国家电网有限公司要求的情况，在考虑负荷预测误差的情况下该区域配电网的负荷供应能力就越弱，相应的该区域配电网承受因负荷不确定性导致的运行风险的能力也就越差；因此采用线路最大负载率指标、重载配变占比指标和线路重载运行时间指标来衡量区域配电网的负荷供应能力；b.网架结构水平网架起着输送电能的关键作用，是区域配电网向负荷安全可靠供电的重要保障；网架结构水平越高的区域配电网，在正常或故障情况下承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力也越强；10kV配电线路多为户外运行，电气设备在自然环境和重载运行的影响下老化速度较快，近年来因设备老化而发生故障停电的次数显著增加，降低了区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力；乡镇区域配电网多为无联络的辐射状结构，故障发生后无法通过其他联络线转供本线路的负荷，如果对线路进行合理分段就能够通过负荷开关的配合操作有效缩小故障时的停电范围，恢复上层无故障段部分负荷的供电，所以对线路进行合理的分段有助于提高区域配电网的风险承受能力；线路的供电半径过长不仅增大了故障几率，还增加了线路的损耗导致线路末端电压偏低，使区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力降低；因此采用设备老化率指标、主干线路分段数指标和供电半径超限线路占比指标来衡量区域配电网的网架结构水平；c.配电网运行水平综合电压合格率、户均停电时间、供电可靠性和综合线损率指标都能在一定程度上反映出区域配电网的整体运行状况；区域配电网运行水平的各项指标越好，表明该区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力也越强；综合电压合格率反映了区域配电网的供电电压质量，也在一定程度上反映了该区域配电网负荷供应能力的大小和网架结构水平的高低，当综合电压合格率低于国家电网有限公司相关规定时，其值越小则该区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力就越弱；在区域配电网网架结构相同的情况下，如果在某观测时间范围内户均停电时间越短，则表明该区域配电网对负荷不确定性的适应能力越强，其风险承受能力也越强；可靠供电是指系统在正常或故障的情况下，都能够按照一定的质量标准保证向用户不间断供电，区域配电网的供电可靠性越高，表明该区域配电网的规划方案越合理，其承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力也越强；综合线损率不仅反映了区域配电网运行的经济性，还能在一定程度上反映出该区域配电网负荷分配和网架规划方案的合理性，综合线损率越高则表明该区域配电网运行的经济性越差，负荷的分配和网架规划方案越不合理，该区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力也就越弱；因此采用综合电压合格率指标、户均停电时间指标、供电可靠性指标和综合线损率指标来衡量区域配电网的运行水平；②基于组合赋权法的指标权重计算指标权重能够对评价指标的相对重要性进行衡量，指标权重的大小能够反映出指标之间相对重要性的高低，在评价体系中指标权重系数的确定是否科学合理，直接影响到评价结果的可信度；主观赋权法和客观赋权法各有其优缺点，为了避免各自的缺点并充分发挥各自的优点，使指标的最终权重实现主观与客观的相互协调，采用将基于层次分析法的主观赋权法和基于熵权法的客观赋权法相结合的组合赋权法来确定各指标的最终权重，以保证指标综合权重的可信度；a.主观权重计算采用层次分析法计算各级指标的主观权重，该方法主要是由专家结合自身的现场工作经验给出指标之间的相对重要性排序并形成判断矩阵，再根据判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量求取相应指标的权重；采用9级标度扩展法来形成各级指标之间的相对重要性程度判断矩阵；对一级指标而言，区域配电网的负荷供应能力是衡量配电网规划与改造工作成效的重要标准之一，最大限度的保证对负荷的安全可靠供电也是区域配电网的核心目标，因此认为该指标是最重要的一级指标；网架是区域配电网的关键组成部分，是区域配电网向负荷输送电能的重要桥梁，网架结构水平的高低是评价区域配电网规划方案是否合理的重要理论依据，也应该高度重视，但相较于负荷供应能力指标其重要性程度稍微弱一些；配电网运行水平体现了系统整体的安全性和经济性，是区域配电网的网架规划方案是否合理的直观反映，也是区域配电网承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力强弱的直观反映，认为其重要性程度弱于网架结构水平指标的重要性程度；即一级指标的相对重要性程度排序为：负荷供应能力>网架结构水平>配电网运行水平，据此形成基于9级标度扩展法的一级指标判断矩阵A₁；线路最大负载率、重载配变占比和线路重载运行时间对系统的供电可靠性、电压合格率和综合线损率都有一定的影响，二级指标的相对重要性排序为：线路最大负载率>重载配变占比＝线路重载运行时间>设备老化率>线路分段数>供电半径超限线路占比>综合电压合格率>户均停电时间＝供电可靠率>综合线损率，据此形成基于9级标度扩展法的二级指标判断矩阵A₂；由于采取了9级标度扩展法，能够有效避免由于多阶判断的复杂性导致的判断矩阵中的数值出现前后矛盾的情况，而不必对判断矩阵A₁和A₂进行一致性检验，简化了整个评价过程，减少了计算量；b.客观权重计算采用熵权法计算各指标的客观权重，以充分考虑各指标的实际值对配电网风险承受能力的影响，指标的无量纲处理方式采用式(4)的形式，式中，s_ij为方案i的第j个指标无量纲化后的值；r_ij为方案i的第j个指标的实际值；min(r_j)为指标j的最小值；max(r_j)为指标j的最大值；c.综合权重计算考虑到指标主观权重的主观性，以及指标客观权重无法反应出实际问题中该指标的重要程度的问题，为使区域配电网风险承受能力评估结果更加客观合理，采用线性加权的组合赋权法由式(5)计算得到各指标的综合权重，以更为全面的反映各因素对区域配电网风险承受能力的影响；式中，μ_j为第j个评价指标的综合权重；w_j和v_j分别为第j个评价指标的主观权重和客观权重；③区域配电网风险承受能力评估单项指标虽然能够在一定程度上反映出区域配电网在某一方面承受因负荷不确定性导致的运行风险的能力强弱，但不足以说明区域配电网风险承受能力的总体情况；因此，通过将各指标的综合权重与其无量纲化后的值相结合的方法对各乡镇区域配电网的风险承受能力进行评估，各区域配电网风险承受能力的计算如式(6)所示；区域配电网风险承受能力的评估数值越大，说明该区域配电网的承受因负荷不确定性引起的风险的能力越强；式中：Z_m为第m个区域配电网的风险承受能力评估结果；s_mj为第m个区域配电网的第j个评价指标无量纲化后的值；μ_j为第j个评价指标的综合权重；④置信水平的差异化取值根据置信水平的取值范围，并结合各乡镇区域配电网的风险承受能力评估结果，差异化选取支路功率机会约束条件的置信水平值，同时满足所有机会约束条件的置信水平取值均不小于80％；风险承受能力评估值越大的乡镇区域配电网表明其对负荷的不确定性的适应能力更强，能够承受较大的风险，因此其网架模型的机会约束条件的置信水平取值较风险承受能力评估值较小的区域配电网的置信水平取值反而更小，进行线路升级选型时所需预留的容量裕度也可较小；3)网架的机会约束规划模型当在配电网规划过程中考虑不确定性因素时，模型的目标函数和约束条件若仍按照传统的确定性规划模型进行处理可能会得出投资成本较大较为保守的规划方案；因此，以线路的升级投资成本最小为目标函数，以系统安全可靠运行所必须满足的各种要求为约束条件，在考虑负荷预测值不确定性的基础上建立网架的机会约束规划模型，允许规划方案出现不满足约束条件的情况，但是机会约束条件成立的可能性应达到某一置信度水平的要求；①模型的目标函数模型的目标函数为线路的升级投资成本最小，如式(7)所示式中，F_inv为线路升级的投资成本；x_l为线路l是否升级的决策变量，升级时取值为1，否则取值为0；C_line,l为线路l升级的材料成本和安装成本，线路的材料成本通常由线路的型号决定；l_l为升级线路l的长度；N_l为升级线路的总条数；②模型的约束条件在进行配电网的网架规划时，需要满足一定的技术约束条件和运行约束条件，考虑以下约束条件，a.支路功率约束为提高网架规划方案承受因负荷的不确定性导致的运行风险的能力，基于机会约束规划理论，将传统规划模型中的确定性支路功率约束描述为机会约束，使支路功率满足约束条件的概率不小于某一置信水平，如式(8)所示，Pr{0≤P_i^T≤P_imax}≥α_mP   (8)式中，P_i^T为规划年限为T时线路i的有功功率；P_imax为线路i所允许通过的功率最大值；α_mp为第m个乡镇区域配电网内的支路功率机会约束的置信水平，根据该乡镇区域配电网的风险承受能力评估结果确定；其中P_i^T由式(9)得到；P_i^T＝P_iB[(1+r_i)^T+LE]   (9)式中，P_iB为线路i的基准有功功率；r_i为线路i的负荷年均增长率；T为规划年限；LE为随机的负荷预测误差；将式(9)带入式(8)后得到式(10)，进一步变形后得到(11)；Pr{P_iB[(1+r_i)^T+LE]≤P_imax}≥α_mP   (10)通过采用非参数核密度估计方法得到负荷预测误差LE的概率密度函数φ(LE)和概率分布函数Ф(LE)；乡镇区域m的支路功率机会约束条件置信水平α_mp根据区域配电网的风险承受能力评估结果确定；线路i的基准有功功率P_iB、r_i为线路i的负荷年均增长率和规划年限T确定后，由概率论的相关知识和式(11)确定出P_imax的取值范围，并以此为依据确定线路升级改造后的型号，如式(12)所示；P_imax≥P_iB[Φ^‑1(α_mP)+(1+r_i)^T]   (12)式中，Ф^‑1(·)表示负荷预测误差的分布函数Ф(·)的逆函数；b.节点电压上下限约束U_jmin≤U_j≤U_jmax   (13)式中，U_j为节点j的电压值；U_jmax和U_jmin分别为节点j允许的电压上、下限值，通常配电网的10kV电压允许偏差为7％，则U_jmin取值为9.3kV；③网架规划的步骤a.根据基准年的负荷预测误差历史样本数据，采用非参数核密度估计的方法得到负荷预测误差的概率密度函数φ(LE)和概率分布函数Ф(LE)；b.结合乡镇区域配电网的特点建立区域配电网的风险承受能力评价指标体系，采用组合赋权法求得各指标的综合权重，根据各指标的综合权重和无量纲化后的指标值求得各乡镇区域配电网的风险承受能力评估值；c.建立网架的机会约束规划模型，并结合各乡镇区域配电网的风险承受能力评估值差异化选取支路功率机会约束条件的置信水平，根据步骤a中所得到的负荷预测误差的概率分布函数Ф(LE)确定出相应置信水平所对应的负荷预测误差，用于求得不同规划年限时各乡镇区域配电线路负荷预测值，根据式(12)确定线路的最大允许负载量所应该满足的要求，并以此为依据确定线路升级后的型号；d.通过对不同规划年限条件下各乡镇区域配电线路的升级选型方案进行建模仿真分析，验证约束条件是否满足要求，最终确定出投资总成本最小的线路优化选型方案。