城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址輔助決策

高振楠

(安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系, 安徽 合肥 230031)

城市配電網(wǎng)是供電企業(yè)與電力用戶聯(lián)系的紐帶。隨著我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)設(shè)備的不斷發(fā)展,在城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造中,要求高壓直接進(jìn)入負(fù)荷中心,形成高壓受電—變壓器降壓—低壓配電的供電方式[1-3]。其中變電站是電力系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換,接受電能及分配電能的場(chǎng)所。隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市配電網(wǎng)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為人們的關(guān)注熱點(diǎn),相關(guān)的城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址方法研究受到人們的關(guān)注[4-6]。蘇宇等[7]建立了城市配電網(wǎng)有載調(diào)容配電變壓器規(guī)劃模型,采用分支定界法在有載調(diào)容配電變壓器可更換點(diǎn)集合內(nèi)求解該模型,得到電能替代下的城市配電網(wǎng)配電變壓器最優(yōu)規(guī)劃方案。張姚等[8]根據(jù)變壓器調(diào)控原理,綜合考慮重構(gòu)配電網(wǎng)的約束條件,構(gòu)建變壓器選址優(yōu)化模型,并利用細(xì)菌覓食算法計(jì)算模型最優(yōu)解,獲得最終選址方案。陳垚煜等[9]基于柔性多狀態(tài)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行配網(wǎng)變壓器選址定容,構(gòu)建了選址3層規(guī)劃模型;運(yùn)用模擬退火算法確定變壓器的調(diào)控變量,利用粒子群算法確定變壓器運(yùn)行工況,并引入網(wǎng)損微增率與功率傳輸分布系數(shù)作為選址的輔助決策,降低了選址規(guī)劃模型求解的復(fù)雜度。以上方法進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的智能規(guī)劃性較弱,特征匹配能力不強(qiáng),對(duì)動(dòng)態(tài)選址節(jié)點(diǎn)的定位性能較低[10-12]。

針對(duì)上述問題,本文提出了城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址輔助決策,輔助當(dāng)前電網(wǎng)變電站變壓器選址規(guī)劃。構(gòu)建城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址模型,結(jié)合對(duì)配電變壓器選址虛擬視景圖像分析,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的三維視覺重構(gòu)。分析城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的視覺分布特征量,根據(jù)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的規(guī)模數(shù)進(jìn)行特征優(yōu)化求解。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址視景信息融合處理,根據(jù)信息融合結(jié)果,實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的空間區(qū)域規(guī)劃和網(wǎng)格分塊匹配,實(shí)現(xiàn)選址優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文方法在提高城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址可視化能力方面的優(yōu)越性能。選址結(jié)果的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真圖線路分明,立體感較強(qiáng),輔助增強(qiáng)了城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址規(guī)劃能力。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)果匹配度和可靠性較高,輔助電網(wǎng)規(guī)劃和變電站場(chǎng)站選址,從而提高規(guī)劃審批的效率。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)視景處理

1.1 虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布

為了實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址,采用虛擬視景仿真方法,以便進(jìn)行圖像三維場(chǎng)景可視化分析。建立城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景圖像三維采樣模型,進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[13-14]。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧,進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即為了在簇內(nèi)傳感節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景仿真,以LM2576HV-5.0作為傳感器基陣,假設(shè)N k為第k層城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的三維場(chǎng)景分布集的個(gè)數(shù)為第k層第j個(gè)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值;為第k層城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬現(xiàn)實(shí)第i(i=1,2,…,N)個(gè)電壓輸入分布節(jié)點(diǎn)、分別為配電網(wǎng)絡(luò)中第k層第j(j=1,2,…,N k)個(gè)供電、配電節(jié)點(diǎn)。將供電節(jié)點(diǎn)與電壓輸入節(jié)點(diǎn)相匹配后,城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的視景分布規(guī)則項(xiàng)集為

式中:n為選址虛擬現(xiàn)實(shí)分布節(jié)點(diǎn)數(shù)量(n)為配電網(wǎng)絡(luò)中第k+1層第j個(gè)供電節(jié)點(diǎn)的選址虛擬現(xiàn)實(shí)電壓輸入分布節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;f為分布規(guī)則下的配電變壓器選址的有效激活函數(shù);d(L)i為城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬現(xiàn)實(shí)第i個(gè)電壓輸入分布節(jié)點(diǎn)的輸出層L的電壓期望值;為第k+1層第j個(gè)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值共軛特征。

綜合輸出頻域特征,得到城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的可視化分布函數(shù)為

式中:λ為城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的可靠性因子,為一個(gè)大于0,且小于1的常數(shù)。

為了在不同工作頻率內(nèi)進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的虛擬視景圖像采樣及輸出可靠性評(píng)價(jià),采用交直交換方法,得到城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景仿真的輸出功率為

式中:I為交直交換前電壓輸出量。

圖1為配電變壓器選址虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布模型,提高了配電變壓器選址虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布融合能力[15-16]。

圖1 配電變壓器選址虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布模型

1.2 配電變壓器選址過程中的視覺重構(gòu)處理

為了輔助當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)選址,對(duì)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的特征分布集進(jìn)行自適應(yīng)融合處理。

采用信息融合和模糊層次分析方法[17],構(gòu)建配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的模糊決策評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中:μ為自適應(yīng)權(quán)值迭代系數(shù),取值條件為

引入虛擬現(xiàn)實(shí)的視景仿真技術(shù)。現(xiàn)實(shí)的變電站配電變壓器共包含k(k=1,2,…,n)個(gè)供電節(jié)點(diǎn),為了對(duì)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址過程進(jìn)行視覺重構(gòu)處理,依據(jù)式(4)進(jìn)行特征采樣和自適應(yīng)調(diào)度。提取城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景圖像的三維可視化分布特征量x(n),得到三維場(chǎng)景可視化重建的特征分辨率最優(yōu)解為

城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景重構(gòu)的模糊加權(quán)值為

式中:y*(n)為配電網(wǎng)絡(luò)中配電節(jié)點(diǎn)分布特征量的連接權(quán)值共軛特征;e(n)為誤差,表達(dá)式為

將誤差值作為初始模糊加權(quán)值,輸入圖1模型中,即可實(shí)現(xiàn)變電站配電變壓器選址過程中的視覺重構(gòu)處理。

2 城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址優(yōu)化

2.1 配電變壓器選址視景信息融合

基于上述城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的三維場(chǎng)景可視化重構(gòu)結(jié)果[18],進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景增強(qiáng),增強(qiáng)過程的迭代式為

式中:Pf為滿足三維視景分布規(guī)則的變壓器選址虛擬視景仿真圖像增強(qiáng)結(jié)果;為第k+1層第j個(gè)配電變壓器節(jié)點(diǎn)圖像的重構(gòu)誤差值;f(n)為配電變壓器節(jié)點(diǎn)分布規(guī)則特征量。

在視覺圖像融合算法控制下,采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行配電變壓器選址視景信息融合處理,設(shè)配電變壓器選址的三維分布屬性值P R=[P Rp,P Rq],則

式中:P Rp、P Rq分別為視景信息融合處理的互信息量和分布屬性關(guān)聯(lián)維數(shù)。

設(shè)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址三維場(chǎng)景分布時(shí)態(tài)為I Rp,得到配電變壓器選址三維場(chǎng)景重構(gòu)輸出最優(yōu)特征解為

則配電變壓器選址虛擬視景圖像三維場(chǎng)景重建的分布場(chǎng)為

綜上分析,實(shí)現(xiàn)了城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址視景信息融合處理,根據(jù)信息融合結(jié)果,進(jìn)行配電變壓器選址的視覺規(guī)劃。

2.2 變電站配電變壓器選址的空間區(qū)域規(guī)劃

采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行配電變壓器選址視景信息融合處理后,根據(jù)信息融合結(jié)果進(jìn)行配電變壓器選址的空間區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì),匹配選址空間區(qū)域規(guī)劃和網(wǎng)格分塊,從而優(yōu)化選址的視景圖像三維場(chǎng)景,便于選址結(jié)果的快速規(guī)劃審批。

首先,進(jìn)行配電變壓器選址的空間規(guī)劃信息設(shè)計(jì),得到配電變壓器選址的視景圖像的三維場(chǎng)景重構(gòu)決策函數(shù)為

其次,提取配電變壓器選址虛擬視景圖像的三維可視化分布特征,得到第k層(k=1,2,…,n)城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址虛擬視景重建的統(tǒng)計(jì)特征量為

最后,結(jié)合式(15)～式(17),對(duì)配電變壓器選址模糊特征重構(gòu),得出配電變壓器選址虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)輸出模型為

至此,建立了配電變壓器選址的三維網(wǎng)格分布結(jié)構(gòu)模型,使變壓器選址結(jié)果虛擬現(xiàn)實(shí)仿真圖更加清晰立體,輔助當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行變電站場(chǎng)站選址,代替圖片、視頻等展示匯報(bào)形式,提高配電變壓器選址的視覺規(guī)劃和空間重構(gòu)能力[19]。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在Matlab中設(shè)置仿真測(cè)試,在虛擬規(guī)劃平臺(tái)下進(jìn)行變壓器選址的虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真。配電變壓器選址的信息采樣周期為0.135 s,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 Mb,城市配電網(wǎng)變電站分布的載波頻率為12 k Hz,搜索步長(zhǎng)a=4,選址的地理空間分布網(wǎng)格尺寸分別為9 mm×9 mm,11 mm×11 mm,圖像頻帶增強(qiáng)系數(shù)為0.68。根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù),進(jìn)行配電變壓器選址的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將多配電變壓器選址虛擬視景圖像融合后,獲取最終的配電變壓器選址結(jié)果虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布結(jié)果,即空間區(qū)域規(guī)劃初始仿真圖如圖2所示。圖中標(biāo)注的黑框位置即為配電變壓器選址結(jié)果。對(duì)選址結(jié)果中的變壓器進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)化仿真,如圖3所示。

圖2 城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址結(jié)果

圖3 城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)化仿真圖

由圖3可知,本文的變壓器選址結(jié)果虛擬現(xiàn)實(shí)仿真圖中的變壓器線路分明,立體感較強(qiáng),說明基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),輔助當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行變電站場(chǎng)站選址,可以摒棄以前圖片或視頻等形式展示匯報(bào)的方式,提高了城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址規(guī)劃能力。

對(duì)變壓器選址結(jié)果虛擬現(xiàn)實(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行量化測(cè)試,測(cè)試指標(biāo)如下:

(1) 匹配度。采用三維場(chǎng)景可視化方法產(chǎn)生數(shù)個(gè)場(chǎng)景,運(yùn)用同步前向回代法從各個(gè)模擬場(chǎng)景中選取代表場(chǎng)景結(jié)果,并對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行比例化重構(gòu);將圖譜分析、視頻分析手段與本文算法進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)其差異度保持在2%以內(nèi),且擬合準(zhǔn)確度接近98%時(shí),表明選址結(jié)果符合規(guī)劃需求。匹配度計(jì)算公式為

本文方法、文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[9]方法的匹配度驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的匹配度對(duì)比

由表1可知,采用本文方法進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的結(jié)果與規(guī)劃需求的匹配度達(dá)到了0.997,滿足了匹配度要求。

(2) 可靠性。通過可靠性判斷其仿真選址結(jié)果呈現(xiàn)的清晰度、完整性。將最終的電網(wǎng)變電站配電變壓器選址結(jié)果三維分布屬性值與配電變壓器選址虛擬視景圖像三維場(chǎng)景分布模型進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)其差異度保持在5%以內(nèi),且擬合準(zhǔn)確度接近95%時(shí),表明虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)化仿真結(jié)果可靠性較高?？煽啃杂?jì)算公式為

本文方法與文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]方法的匹配度驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的可靠性對(duì)比

根據(jù)以上匹配度和可靠性對(duì)比可知,本文的虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合選址優(yōu)化方法要求。

4 結(jié) 語

本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址的三維視覺重構(gòu),分析了配電變壓器選址的視覺分布特征量,根據(jù)選址規(guī)模數(shù)進(jìn)行特征優(yōu)化求解以提高選址能力,增強(qiáng)選址的空間區(qū)域規(guī)劃和網(wǎng)格分塊匹配效率,從而實(shí)現(xiàn)選址優(yōu)化。本文方法改變了之前圖片或視頻等形式展示匯報(bào)的方式,豐富了城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址優(yōu)化研究?jī)?nèi)容。然而該研究隨著城市配電網(wǎng)變電站增多,其匹配量也隨之增長(zhǎng),推薦效率會(huì)有所降低,時(shí)間和空間上的選址質(zhì)量會(huì)受到影響,且未克服配電網(wǎng)本身的限制,因此后續(xù)將進(jìn)一步改進(jìn),深入配電網(wǎng)選址的研究和應(yīng)用,提高選址方法的技術(shù)與性能,為城市配電網(wǎng)變電站配電變壓器選址優(yōu)化提供更加切實(shí)有效的應(yīng)用方法。