考慮地理信息的多電源配網(wǎng)規(guī)劃研究

李勝俊

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司巴中供電公司，四川 巴中 636000）

考慮地理信息的多電源配網(wǎng)規(guī)劃研究

李勝俊

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司巴中供電公司，四川 巴中 636000）

在電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)具有重要的作用，配電網(wǎng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用在整個(gè)系統(tǒng)中所占份額較大，科學(xué)、有效地進(jìn)行方案規(guī)劃能夠降低投資費(fèi)用。本文主要對(duì)現(xiàn)階段城市新建供電區(qū)電源配網(wǎng)規(guī)劃存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)街道地理環(huán)境約束的多電源配網(wǎng)規(guī)劃模型，應(yīng)用遺傳算法對(duì)規(guī)劃問題進(jìn)行解決。本文通過某城市的電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)該模型與算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

地理信息；配網(wǎng)規(guī)劃；遺傳算法；多電源；電力系統(tǒng)

早期對(duì)配電網(wǎng)的規(guī)劃研究沒有對(duì)地理環(huán)境因素進(jìn)行考慮，主要考慮的是輻射、電壓降以及容量等條件的約束，綜合費(fèi)用應(yīng)當(dāng)降低，近幾年人們對(duì)電源配網(wǎng)規(guī)劃的研究，大部分沒有對(duì)地理環(huán)境因素進(jìn)行考慮。首先對(duì)每一個(gè)電源點(diǎn)的供電范圍進(jìn)行確定，然后每一個(gè)電源點(diǎn)實(shí)施單獨(dú)的電源配網(wǎng)規(guī)劃。這種規(guī)劃的方式會(huì)在很大程度上影響綜合目標(biāo)的優(yōu)越性，環(huán)境問題引起了人們的高度重視，因此考慮地理環(huán)境約束已經(jīng)成為多電源配網(wǎng)規(guī)劃不得不考慮的問題。目前該方面的研究還不夠成熟，主要是對(duì)模型的成本目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修改，還沒有詳細(xì)地對(duì)地理環(huán)境給多電源配網(wǎng)的影響進(jìn)行考慮，在成本計(jì)算方面也不夠細(xì)致。但是實(shí)際中地理環(huán)境對(duì)網(wǎng)架的影響不能單從目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行反映，主要原因有以下幾點(diǎn)：（a）在對(duì)地理信息進(jìn)行考慮以后，規(guī)劃圖中除了要包含負(fù)荷點(diǎn)和電源點(diǎn)，還應(yīng)增加道路標(biāo)記，并對(duì)接到布置特點(diǎn)進(jìn)行考慮，不能實(shí)現(xiàn)度待建線路集進(jìn)行確定，所以不能繼續(xù)應(yīng)用不對(duì)地理信息進(jìn)行考慮的方案。（b）如果規(guī)劃區(qū)全部應(yīng)用電纜，需要根據(jù)線路回?cái)?shù)、走廊的寬度以及電壓的等級(jí)對(duì)電纜的敷設(shè)方式進(jìn)行選擇，不同的選擇相對(duì)應(yīng)的費(fèi)用會(huì)存在巨大的差異。

本文主要對(duì)現(xiàn)階段城市新建供電區(qū)電源配網(wǎng)規(guī)劃存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)街道地理環(huán)境約束的多電源配網(wǎng)規(guī)劃模型，應(yīng)用遺傳算法對(duì)規(guī)劃問題進(jìn)行解決。本文通過某城市的電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)對(duì)該模型與算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

一、前提規(guī)劃

路段與路段端點(diǎn)代表相應(yīng)的地理信息，路段是不可被分割，每個(gè)路段含有兩個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)不僅是負(fù)荷點(diǎn)或電源點(diǎn)，同時(shí)也是街道的交叉點(diǎn)。電源點(diǎn)、負(fù)荷點(diǎn)以及街道交叉點(diǎn)統(tǒng)稱為地理節(jié)點(diǎn)。對(duì)電氣信息進(jìn)行表示時(shí)，電氣節(jié)點(diǎn)包含了電源點(diǎn)、負(fù)荷點(diǎn)、電氣分支點(diǎn)，同時(shí)電氣節(jié)點(diǎn)也屬于地理節(jié)點(diǎn)。

本文城市電網(wǎng)規(guī)劃，所有的容量、負(fù)荷位置以及電源位置已經(jīng)給出，電源的進(jìn)線、走廊和回路數(shù)已經(jīng)確定，路段的可選電纜敷設(shè)方式和地理信息一致，電纜型號(hào)統(tǒng)一，因此本文規(guī)劃中不包含對(duì)線路型號(hào)的選擇。

二、模型

目標(biāo)函數(shù)：年投資費(fèi)用最低是目標(biāo)函數(shù)的目的，包含了土建、電氣費(fèi)用、走廊線路的費(fèi)用以及運(yùn)行的費(fèi)用。

上式中的第一部分表示的是電氣費(fèi)用，第二部分表示的是土建費(fèi)用，第三部分表示的運(yùn)行費(fèi)用，該式中的，其中r0表示電纜的投資收益率，t表示的是電纜能夠運(yùn)行的年限。式（1）中的f（D）表示的是每一個(gè)單位長(zhǎng)度的電纜的造價(jià)，L表示的電纜的總長(zhǎng)度，n表示的是電纜的種類；N表示的供電線路的個(gè)數(shù)；li表示的是第i中敷設(shè)方式的路段長(zhǎng)度，Ci表示的第i種敷設(shè)方式的單位土建費(fèi)用，T表示年最大負(fù)荷損耗時(shí)間（小時(shí)）。

約束條件：電氣約束：節(jié)點(diǎn)電壓的安全約束、變電站出線間隔的數(shù)量約束、電氣設(shè)備的容量約束；路網(wǎng)約束：路段的最大電纜回?cái)?shù)；網(wǎng)絡(luò)約束：輻射性約束與連通性約束。

（一）染色體編碼

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地理與電氣信息的查詢，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)修改操作，需要處理各種約束，確定個(gè)體的適應(yīng)度，應(yīng)用多信息矩陣進(jìn)行個(gè)體染色體編碼。

地理節(jié)點(diǎn)信息：

該矩陣能夠?qū)Φ乩砉?jié)點(diǎn)中經(jīng)過的電氣之路完成記錄，并對(duì)電氣節(jié)點(diǎn)編號(hào)，地理節(jié)點(diǎn)的編號(hào)是行號(hào)，每相兩個(gè)元素，就對(duì)應(yīng)著1條制度與電氣節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，例如MGN（i，1）所指為：在i地理節(jié)點(diǎn)的第1條支路，以此類推。

支路信息：

該矩陣是對(duì)每一個(gè)電氣支路的電氣和地理信息進(jìn)行記錄，行號(hào)表示的支路的編號(hào)，每一行的前兩個(gè)元素表示的支路的首端與末端的電氣節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，第三個(gè)則表示的是支路所在線路的編號(hào)，第四個(gè)表示的支路的長(zhǎng)度，其后的元素表示的支路的首端到支路的末端所存在的地理節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

線路信息：

該矩陣能夠?qū)γ織l線路中的負(fù)荷功率以及電源編號(hào)記錄，線路的編號(hào)是行號(hào)，例如：ML（i，1）就是線路i的電源編號(hào)，ML（i，2）就是線路i的負(fù)荷功率。

電源信息：

能夠記錄出線回?cái)?shù)和負(fù)荷功率，電源編號(hào)對(duì)應(yīng)行號(hào)。

（二）種群初始化

基本思路是從任意負(fù)荷點(diǎn)，根據(jù)街道隨機(jī)進(jìn)行新線路敷設(shè)，從任意地理節(jié)點(diǎn)對(duì)另一個(gè)進(jìn)行隨機(jī)收索，尋找沒有超限的供電電源，即完成供電布線。如果已經(jīng)存在供電線路，并且接入后負(fù)荷點(diǎn)的線路容量沒有超限，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先將該線路接入。緊接著按照該方式完成剩余負(fù)荷點(diǎn)的供電布線，指導(dǎo)完成個(gè)體網(wǎng)架的規(guī)劃，并確保所規(guī)劃的網(wǎng)架能夠符合輻射性與連通性的約束。

（三）適應(yīng)度計(jì)算

在完成初始化操作后，根據(jù)個(gè)體的線路信息矩陣與支路信息矩陣，對(duì)每個(gè)支路的電源歸屬進(jìn)行確定，并確定每一條支路的長(zhǎng)度和電氣節(jié)點(diǎn)編號(hào)，然后可以根據(jù)推回代算方法計(jì)算供電子網(wǎng)的潮流，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓有功網(wǎng)損進(jìn)行確定。

（四）遺傳操作

選擇：為了讓優(yōu)良的個(gè)體穩(wěn)定地保存，應(yīng)用非線性排名、分組競(jìng)標(biāo)賽的方式隨機(jī)選擇，為了避免最優(yōu)個(gè)體沒被選出，應(yīng)用最優(yōu)個(gè)體保留方案，讓最優(yōu)個(gè)體直接進(jìn)行下一代。

交叉：邊重組交叉運(yùn)算，本文對(duì)路網(wǎng)信息進(jìn)行了考慮，因此每一條線路會(huì)包含地理路段較多，因此本文中的邊重組實(shí)際上也是支路重組和路段重組，因此重組過程會(huì)發(fā)生圖1的布線情況。邊重組個(gè)體對(duì)應(yīng)的是隨機(jī)的地理節(jié)點(diǎn)與路段，同樣會(huì)產(chǎn)生新電氣節(jié)點(diǎn)與新支路，確保新個(gè)體能符合約束。

變異：應(yīng)用的變異方法有：支路最短路徑替換變異與末端負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移變異兩種。

支路最短路徑替換：選擇最短路徑縮短支路長(zhǎng)度，降低迂回供電發(fā)生率，該方法基本思想是應(yīng)用兩端電氣節(jié)點(diǎn)最優(yōu)地理對(duì)變異支路的地理路徑進(jìn)行替換，同時(shí)應(yīng)用Dijkstra算法提高搜索效率，這種變異操縱不會(huì)對(duì)破壞個(gè)體約束。末端負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移變異，支路最短路徑替換并不會(huì)對(duì)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此會(huì)對(duì)制遺傳算法搜索空間存在一定限制，因此該方法選擇使用末端負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移變異的方法來產(chǎn)生新的電氣節(jié)點(diǎn)和新個(gè)體?；舅悸窞檫x中的末端負(fù)荷點(diǎn)的供電支路進(jìn)行刪除，然后對(duì)其進(jìn)行重新布線，形成全新的供電網(wǎng)絡(luò)，該方法也不會(huì)對(duì)變異個(gè)體約束造成破壞。

三、舉例分析

根據(jù)本文所提出的模型和算法，對(duì)某城市新建的供電區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，該城市的區(qū)域面積在3km2左右，共有街道65條，共有負(fù)荷點(diǎn)69個(gè)，每個(gè)變電站的容量統(tǒng)一為3×6.3萬kVA，電壓等級(jí)為10kV，10kV出線共48回，110kV進(jìn)線共兩回。最大總負(fù)荷為28.75kW。

遺傳算法的運(yùn)行參數(shù)：變異率0.05，最大迭代次數(shù)400，交叉率0.85，個(gè)體最優(yōu)的保留代數(shù)20，種群規(guī)模30。直供線路是最短路徑替換變異，存在分支線路應(yīng)用末端負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移變異。根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出最優(yōu)個(gè)體最終規(guī)劃方案，如圖2所示。

從圖2可以知道，左邊大負(fù)荷為直供，無新電氣節(jié)點(diǎn)，右邊較分散小負(fù)荷則有新電氣節(jié)點(diǎn)5個(gè)，有一個(gè)地理節(jié)點(diǎn)還出現(xiàn)了不同的電氣節(jié)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地理環(huán)境因素，本文提出了相應(yīng)的模型與算法，希望能夠提高多電源配網(wǎng)規(guī)劃水平，降低投資成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李佐君.考慮地理信息城市配網(wǎng)規(guī)劃模型和算法研究［D］.重慶大學(xué)，2008.

［2］李春立.配電GIS中配網(wǎng)拓?fù)涮卣魈崛〖熬W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅难芯浚跠］.華中科技大學(xué)，2006.DOI：10.7666/d.d047393.

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