考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動態規劃方法
【專利摘要】本發明是一種考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動態規劃方法，在架空線安裝故障指示器、電壓時間型終端、電壓電流型終端，在電纜線安裝故障指示器、二遙終端和三遙終端，根據自動化終端類型確定故障影響模式，以開關為邊界劃分配電網的區域節點，以用戶年平均故障停電時間為評價供電可靠性的指標，分別建立以用戶年平均故障停電時間為優化目標和以投資總額為優化目標的配電自動化終端布點優化的動態規劃模型，使用JAVA語言進行編程，從XML文件讀取配網數據，以開關為邊界劃分配電網的區域節點，采用開源的圖形庫JGraphT存儲配網拓撲信息，調用通用代數建模系統GAMS求解每階段的優化模型，選擇的求解器是BARON。
【專利說明】
考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動 態規劃方法
技術領域
[0001] 本發明是一種考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動態規 劃方法，涉及配電終端配置方法，屬于配電自動化規劃技術領域。
【背景技術】
[0002] 配網自動化以一次網架和設備為基礎，綜合多種通信方式，實現對配電網的監測 與控制，并通過與相關應用系統的信息集成，實現配電網的科學管理;配網自動化系統是一 項綜合了計算機技術、現代通信技術、電力系統理論和自動控制技術的系統工程;經過數十 年的發展，配網自動化技術已取得了長足的進步，是提高配電網供電可靠性、擴大供電能 力、提高供電質量、實現配電網高效經濟運行等的重要手段；隨著智能電網理念的不斷深 入，配網自動化在智能配電網故障定位及隔離、配電網自愈、配電網潮流動態優化、提高配 電網資產利用率等方面將發揮越來越重要的核心作用。
[0003] 配網自動化可以快速檢測并隔離故障，實現負荷轉供，從而最大程度地減少因故 障導致的用戶停電次數和時間，對提高配電網可靠性的重要作用毋庸贅言;但正如前所述， 配網自動化綜合了多種技術和理論，其技術復雜，部署施工難度大，造價高；如何盡可能使 有限的資金和資源得到優化配置，根據實際工程情況逐階段進行配置，多快好省地充分發 揮配網自動化的作用，是擺在配電網規劃、建設和運行人員面前的重要課題。
[0004] 配電自動化(Distribution Automation，DA)是提高供電可靠性、供電質量和實現 配電網高效經濟運行的重要手段，也是智能電網的重要組成部分，一般由配電主站、配電子 站和配電終端組成；配電終端（Distribution Automation Terminal Unit)是配網自動化 系統的基本組成單元，其性能與可靠性直接影響到整個系統能否有效地發揮作用;配電終 端用于中壓配電網中的開閉所、柱上分段開關、環網柜、配電變壓器、重合器、線路調壓器、 無功補償電容器的監視與控制，與配網自動化主站通信，提供配電網運行控制及管理所需 的數據，執行主站給出的對配網設備進行調節控制的指令。
[0005] 配電終端層主要包括安裝在開閉所內的開閉所終端設備（Distribution Terminal Unit，DTU)，和安裝在線路環網柜、柱上開關處的饋線終端設備（Feeder Terminal Unit，FTU)，以及安裝在箱式變、桿上變等配電變壓器處的配變監測終端 (distribution Transformer supervisory Terminal Unit，TTU);它們負責米集柱上開 關、負荷開關、配電變壓器等配電設備的運行信息并轉發至主站，接收主站的遠方控制命 令，實現對配電設備的遠方監控;饋線自動化(Feeder Automat ion，FA)是配電自動化終端 的核心功能之一，實現對中、低壓配電網故障自動定位、隔離及非故障區域的供電恢復;1臺 FTU只能對1臺柱上開關進行監控，而1臺DTU可以對幾臺開關進行監控;架空饋線的"三遙" 終端模塊一般采用饋線終端單元(FTU)實現，電纜饋線的"三遙"終端模塊一般采用站所終 端單元(DTU)實現，故架空的終端既可以安裝于柱上開關處，也可以安裝于架空饋線其他位 置，電纜的配電終端一般安裝于環網柜中。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點 優化的動態規劃方法化方法。
[0007] 混合使用多種類型配電終端，在架空線安裝故障指示器、電壓時間型終端、電壓電 流型終端，在電纜線安裝故障指示器、二遙終端和三遙終端。
[0008] 根據自動化終端類型確定故障影響模式：（1)對于架空線，節點j故障對節點i的影 響可劃分為以下9種故障影響模式:不受影響模式、架空線傳統隔離模式、架空線故障指示 器隔離模式、電壓時間型FTU隔離模式、電壓電流型FTU隔離模式、架空線手動轉供模式、架 空線故障指示器轉供模式、電壓時間型FTU轉供模式、電壓電流型FTU轉供模式；（2)對于電 纜，節點j故障對節點i的影響可劃分為以下9種故障影響模式:不受影響模式、電纜傳統隔 離模型、電纜故障指示器隔離模式、二遙隔離模式、三遙隔離模式、電纜手動轉供模型、電纜 故障指示器轉供模式、二遙轉供模式、三遙轉供模式； 使用JAVA語言進行編程，從XML文件讀取配網數據，以開關為邊界劃分配電網的區域節 點，采用開源的圖形庫JGraphT存儲配網拓撲信息，以用戶年平均故障停電時間為評價供電 可靠性的指標，分別建立以用戶年平均故障停電時間為優化目標和以投資總額為優化目標 的配電自動化終端布點優化的動態規劃模型，使用建模系統GAMS求解模型，求解器是 BAR0N，得到配電終端布點優化結果。
【附圖說明】
[0009] 圖1為編程實現的流程圖。
[0010] 圖2為某區域配電網的化簡后的網絡拓撲圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0012] 考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動態規劃方法化方法， 將配電饋線映射成樹狀拓撲結構，將相互關聯的饋線映射成多個樹狀拓撲通過聯絡開關支 路連接而成的無向圖，建立起配電網絡的數學模型；以配電網絡數學模型為基礎，建立給定 投資總額優化可靠性指標和指定可靠性指標期望值優化投資的動態規劃模型，進行面向供 電可靠性和經濟成本對配電終端進行優化配置，布點優化的結果用于配電網自動化改造， 用同樣的投資達到最大化可靠性指標的效果，或用最小的投資達到期望的可靠性指標。
[0013] 一、使用軟件包javax.xml對XML格式的文件進行解析，得到本方法需要的數據。
[0014] 二、獲得饋線數據后，基于開關設備進行配網結構化簡，定義配電網絡中以開關設 備為邊界劃分的子配電網絡為一個區域節點，從而將復雜配電網簡化為較為簡單的節點網 絡。
[0015] 三、使用JGraphT存儲配網拓撲信息，一個區域節點為一個頂點。
[0016] 四、建立給定投資總額優化可靠性指標的動態規劃模型： (1) 階段總數η，且指定每一階段的資金； (2) 狀態變量Sk，Sk是到第k階段為止整個系統已有的配電終端的集合； (3) 決策變量xk及允許決策集合Xk，xk是第k階段安裝的配電終端集合，Xk是滿足該階段 資金約束的決策變量集合，xk e Xk; (4) 狀態轉移方程sk=sk-i+xk-i; (5) 指標函數的遞推關系：
式中：u是初始狀態時的可靠性指標，d( sk+xk)是第k階段可靠性指標減少量，xk*是第k 階段的最優決策，fk*(sk，xk*)表示第k階段的狀態為&時，第1到第k階段所獲的最優可靠性 指標減少量。
[0017] 五、建立指定可靠性指標期望值優化投資的動態規劃模型： (1) 階段總數η，且指定每一階段的資金； (2) 狀態變量sk，sk是到第k階段為止整個系統已有的配電終端的集合； (3) 決策變量xk及允許決策集合Xk，xk是第k階段安裝的配電終端集合，Xk是滿足該階段 指定的可靠性指標減少量期望值的決策變量集合，x k e Xk; (4) 狀態轉移方程sk=sk-i+xk一 1; (5) 指標函數的遞推關系：
式中：fo*是初始狀態時花費的金額，m(sk+Xk)是第k階段用的金額，Xk*是第k階段的最 優決策，fk*(sk，Xk*)表示第k階段的狀態為&時，第1到第k階段所花費的最少金額數目。
[0018] 六、求解，如圖1;調用GAMS，求解給定投資總額優化可靠性指標和指定可靠性指標 期望值優化投資的動態規劃模型中每一階段的優化模型： (1)優化可靠性指標的階段模型
Μ是該階段給定的投資金額;模型的優化變量是每個待安裝配電終端的位置上的配電 終端類型，在編程實現過程中用固定的整數值來代表終端類型，存儲于列向量Υ中；表達式 如下： Y-[yiocation]， 式中：location是待安裝配電終端的位置，對于架空饋線，終端安裝在柱上開關處，對 于電纜饋線，終端安裝在環網柜中；對應于不裝自動化終端、架空線故障指示器、電壓時間 型FTU、電壓電流型FTU、電纜饋線安裝故障指示器、二遙DTU和三遙DTU，y分別對應的值為0、 1、2、3、4、5、6;該模型是非線性混合整數規劃模型； (2)優化投資總額的階段模型如下：
式中：v是該階段指定的可靠性指標期望值； 每一階段的狀態加上該階段的優化結果，就是下一階段的狀態;如此進行求解，直至階 段結束。 實施例
[0019] 圖1為編程實現的流程圖；本實施例以圖2的某區域配電網的化簡后的網絡拓撲 圖為例來進行研究，紅色節點表示饋線的網供電源所在區域節點，藍色邊為聯絡線，數字編 號是饋線ID;已知設備單價及隔離/轉供時間如表1，配電網元件故障率和故障修復時間如 表2。
[0020] 表1設備單價及隔離/轉供時間
表2配電網元件故障率和故障修復時間
(1)給定總投資總額80萬元，建立動態規劃模型和每階段的優化模型，用GAMS進行求解 每一階段的優化模型，計算結果如表3;表4是本方法求解的配電自動化終端布點優化結果 的分階段配置情況，分為5個階段： 表3優化用戶年平均故障停電時間的結果
表4分階段輸出配電終端布點優化結果-優化用戶年平均故障停電時間
(2)指定用戶年平均故障停電時間為7.7895 h，該值是表3中的計算結果，計算結果如 表5;輸出投資總額最小的算例的具體配電自動化終端布點優化結果，如表6。
[0021]表5優化投資總額的計算結果
表6分階段輸出配電終端布點優化結果-優化投資總額
【主權項】
1. 一種考慮供電可靠性和經濟成本的配電自動化終端布點優化的動態規劃方法化方 法，其特征在于混合使用多種類型的配電終端，以用戶年平均故障停電時間作為評價可靠 性的指標，定義故障影響模式的概念，建立優化可靠性指標和優化投資總額兩種動態規劃 模型，按照給定資金百分比逐階段進行改造，使用JAVA語言進行編程實現，從XML文件讀取 配網數據，以開關為邊界劃分配電網的區域節點，采用開源的圖形庫JGraphT存儲配網拓撲 信息，調用通用代數建模系統GAMS求解每階段的優化模型，選擇的求解器是BARON。2. 根據權利要求1所述的混合使用多種類型的配電終端，其特征在于在架空饋線安裝 故障指示器、電壓時間型FTU和電壓電流型FTU，在電纜饋線安裝故障指示器、二遙DTU和三 遙 DTU。3. 根據權利要求1所述的以用戶年平均故障停電時間作為評價供電可靠性的指標，其 特征在于由于配電終端在故障隔離、轉供、修復方面的重要作用，本使用用戶年平均故障停 電時間作為可靠性評價指標，用戶年平均故障停電時間是一年中每一用戶的平均故障停電 時間，它的計算公式如下：式中：化為負荷區域節點i的用戶數，m為節點i的年平均停電時間，η為負荷節點個數； 區域節點是以開關為分界劃分的;m的計算公式為： Ui=Uil+Ui2， 式中:UU是本區域節點的故障停電時間，ul2是節點i受其它區域節點故障影響的停電時 間； 本區域節點的故障停電時間UU的計算公式為： 式中：是架空絕緣線路故障率，是架空絕緣線路修復時間，架空裸導線故 障率，rtjKL是架空裸導線修復時間，Xcable是電纜故障率，:Ttcable是電纜修復時間，Xtrans是配 電變壓器故障率，rt trans是配電變壓器修復時間;架空絕緣線路、架空裸導線、電纜和配電變 壓器的故障率的計算公式分別為： \jkj=Ijkj*1jkj， \jKL=ljKL*ljKL, ^?cable-Ccable^lcable j ^?trans-Ctrans^Iltrans j 式中：和Urans分別是架空絕緣線路平均故障率、架空裸導線平均故障率、 電纜平均故障率和配電變壓器平均故障率，線路的平均故障率即一年中每公里線路的故障 次數，變壓器平均故障率即一年中每臺變壓器的故障次數山 1^、1肌、1。^(3分別是架空絕緣 線路、架空裸導線、電纜的長度，單位是公里，n trans是配電變壓器的臺數； 節點i受其它區域節點故障影響的停電時間1112的計算公式為：A屮：^ isolate-ι定對節總1仴丨補咼影_的節總的果甘，也柳定節總J取I邊，節點i需要 隔離；Ω transfer-i是對節點i有轉供影響的節點的集合，也就是節點k故障，節點i需要轉 供;集合Ω isolate-i和Ω transfer-i可通過負荷轉供優化方法計算得到;Aj、Ak分別是節點 j和k的等值故障率山1(^是隔離操作時間，是轉供操作時間;e表示故障影響模式， ei(H)是j故障后i的隔離模式，t&o^)是k故障后i的轉供模式。4. 根據權利要求1所述的故障影響模式，其特征在于： (1) 對于架空線，節點j故障對節點i的影響可劃分為以下9種故障影響模式:不受影響 模式、架空線傳統隔離模式、架空線故障指示器隔離模式、電壓時間型FTU隔離模式、電壓電 流型FTU隔離模式、架空線手動轉供模式、架空線故障指示器轉供模式、電壓時間型FTU轉供 模式、電壓電流型FTU轉供模式； (2) 對于電纜，節點j故障對節點i的影響可劃分為以下9種故障影響模式:不受影響模 式、電纜傳統隔離模型、電纜故障指示器隔離模式、二遙隔離模式、三遙隔離模式、電纜手動 轉供模型、電纜故障指示器轉供模式、二遙轉供模式、三遙轉供模式； 若節點j故障對節點i無影響，則節點j故障對節點i的故障影響模式為不受影響模式； 若節點j故障，節點i需要隔離/轉供，對于架空線（電纜)而言： ① 對于相鄰的區域節點i和j (a) 若兩節點之間的開關無終端監測，則節點j故障對節點i的故障影響模式為傳統隔 離/轉供模式； (b) 若兩節點之間的開關是由故障指示器監測，則節點j故障對節點i的故障影響模式 為故障指示器隔離/轉供； (c) 若兩節點之間的開關是由電壓時間型FTU(二遙DTU)監控，則節點j故障對節點i的 故障影響模式為電壓時間型FTU(二遙DTU)隔離/轉供； (d) 若兩節點之間的開關是由電壓電流型FTU(三遙DTU)監控，則節點j故障對節點i的 故障影響模式為電壓電流型FTU(三遙DTU)隔離/轉供； ② 對于不相鄰的區域節點i和j，先獲取i到j的路徑 (a) 若該路徑上有電壓電流型FTU(三遙DTU)，則節點j故障對節點i的故障影響模式為 電壓電流型FTU(三遙DTU)隔離/轉供； (b) 若該路徑上沒有電壓電流型FTU(三遙DTU)，有電壓時間型FTU(二遙DTU)，則節點j 故障對節點i的故障影響模式為電壓時間型FTU(二遙DTU)隔離/轉供； (c) 若該路徑上沒有電壓電流型FTU(三遙DTU)和電壓時間型FTU(二遙DTU)，有故障指 示器，則節點j故障對節點i的故障影響模式為故障指示器隔離/轉供； (d) 若該路徑上沒有電壓電流型FTU(三遙DTU)、電壓時間型FTU(二遙DTU)和架空線故 障指示器(電纜故障指示器），則節點j故障對節點i的故障影響模式為傳統隔離/轉供模式。5. 根據權利要求1所述的優化可靠性指標的動態規劃模型，其特征在于： (1)階段總數n，且指定每一階段的資金； (2) 狀態變量Sk，Sk是到第k階段為止整個系統已有的配電終端的集合； (3) 決策變量xk及允許決策集合Xk，xk是第k階段安裝的配電終端集合，Xk是滿足該階段 資金約束的決策變量集合，xk e Xk; (4) 狀態轉移方程sk=sk-ι+xk-1; (5) 指標函數的遞推關系：式中：U是初始狀態時的可靠性指標，d( Sk+Xk)是第k階段可靠性指標減少量，Xk*是第k 階段的最優決策，fk*(sk，xk*)表示第k階段的狀態為&時，第1到第k階段所獲的最優可靠性 指標減少量;每一階段的優化模型如下：式中:Μ是該階段給定的投資金額;模型的優化變量是每個待安裝配電終端的位置上的 配電終端類型，在編程實現過程中用固定的整數值來代表終端類型，存儲于列向量Υ中；表 達式如下： Y-[yiocation]， 式中：location是待安裝配電終端的位置，對于架空饋線，終端安裝在柱上開關處，對 于電纜饋線，終端安裝在環網柜中；對應于不裝自動化終端、架空線故障指示器、電壓時間 型FTU、電壓電流型FTU、電纜饋線安裝故障指示器、二遙DTU和三遙DTU，y分別對應的值為0、 1、2、3、4、5、6;該模型是非線性混合整數規劃模型。6.根據權利要求1所述的優化投資總額的動態規劃模型，其特征在于： (1) 階段總數n，且指定每一階段的資金； (2) 狀態變量Sk，Sk是到第k階段為止整個系統已有的配電終端的集合； (3) 決策變量xk及允許決策集合Xk，xk是第k階段安裝的配電終端集合，Xk是滿足該階段 指定的可靠性指標減少量期望值的決策變量集合，xk e Xk; (4) 狀態轉移方程sk=sk-ι+xk-1; (5) 指標函數的遞推關系：式中：fo*是初始狀態時花費的金額，m(sk+Xk)是第k階段用的金額，Xk*是第k階段的最優 決策，fk*(sk，Xk*)表示第k階段的狀態為％時，第1到第k階段所花費的最少金額數目；每一 階段的優化模型如下：式中：v是該階段指定的可靠性指標期望值。7.根據權利要求1所述的編程實現，其特征在于本方法使用JAVA語言編程讀取饋線數 據以及實現模型的生成和求解： 首先，本方法饋線拓撲信息來源于某地區GI S系統導出的XML文件，使用軟件包 javax. xml對文件進行解析，得到本方法需要的數據； 第二步，獲得饋線數據后，基于開關設備進行配網結構化簡，定義配電網絡中以開關設 備為邊界劃分的子配電網絡為一個區域節點，從而將復雜配電網簡化為較為簡單的節點網 絡； 第三步，使用JGraphT進行配電網數據建模，一個區域節點為一個頂點，將饋線拓撲結 構和元件參數整合在一起;JGraphT是一個免費的JAVA圖形庫，提供數學圖論對象和算法， 可以方便地對配電網的結構進行創建、修改、遍歷、顯示、添加、刪除、獲取路徑等操作； 第四步，建立優化模型后，使用軟件包com. gams.api調用GAMS，對每一階段的優化模型 進行求解，直至階段結束；由于每一階段的優化模型是非線性混合整數規劃模型，所以選擇 對該類模型求解性能較好的求解器BARON; 第五步，輸出布點優化動態規劃的結果。
【文檔編號】G06Q10/04GK105868869SQ201610303775
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】陳東新, 武志剛
【申請人】華南理工大學, 陳東新