基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法

何華琴

摘 要：為促進(jìn)我國(guó)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，輸電網(wǎng)的規(guī)劃在推進(jìn)電力改革和國(guó)企改革中占據(jù)主導(dǎo)地位。針對(duì)這一新形勢(shì)，提出基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法。該方法通過設(shè)計(jì)多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃模型，并在模型中以SPEA編碼方法和進(jìn)化算子為條件對(duì)多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃流程進(jìn)行規(guī)劃。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法，可有效的優(yōu)化輸電網(wǎng)規(guī)劃效果，同時(shí)可以增強(qiáng)潮流的可控性，最大程度的降低輸電網(wǎng)損耗，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)電資源的優(yōu)化配置。

關(guān)鍵詞：有功潮流分布;多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃;規(guī)劃模型

Multi-objective transmission network planning method based on active power flow distribution

Abstract： In order to promote the sustainable development of China's power industry， the planning of transmission grids plays a dominant role in promoting power reform and state-owned enterprise reform. Aiming at this new situation， a multi-objective transmission network planning method based on active power flow distribution is proposed. The method designs the multi-objective transmission network planning model， and plans the multi-target transmission network planning process based on the SPEA coding method and the evolutionary operator. The experimental results show that the multi-target transmission network planning method based on active power flow distribution can effectively optimize the transmission network planning effect， and at the same time enhance the controllability of the power flow， minimize the loss of the transmission network， and realize the power generation resources nationwide. Optimization.

Key words： active power flow distribution; multi-objective transmission network planning; planning model

中圖分類號(hào)： TM721.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言：

輸電網(wǎng)是樞紐型企業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)，是電網(wǎng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，是確保電力“落得下、用得上”的重要環(huán)節(jié)。因?yàn)檩旊娋W(wǎng)跟人民群眾的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，用戶繁多，一旦停電，將直接影響人們的正常生活。另外，從電網(wǎng)整體的發(fā)展角度看，輸電網(wǎng)在構(gòu)建合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提高調(diào)峰調(diào)頻和電壓支持、輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、提高電網(wǎng)綜合效益等方面都起著愈加重要的作用。輸電網(wǎng)也是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，它在能量轉(zhuǎn)換過程中起著關(guān)鍵作用，它的核心是運(yùn)用傳統(tǒng)的純供電行為轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合能源配置平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)、協(xié)同優(yōu)化，大大提高能源整體利用率。在現(xiàn)代的能源系統(tǒng)中電力的地位日益突出，大力支撐了能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。本文基于有功潮流分布的計(jì)算方式，通過構(gòu)建多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃模型對(duì)多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法進(jìn)行研究[1]。潮流計(jì)算的主要目的是為了調(diào)度，進(jìn)行最優(yōu)潮流的選取。需要通過狀態(tài)估計(jì)中得出的值輸入到最優(yōu)潮流中，選取最優(yōu)潮流，再反映到電氣設(shè)備上，進(jìn)行相應(yīng)的改變致力于控制電網(wǎng)系統(tǒng)中變量的參數(shù)值，使得輸電網(wǎng)潮流可控性及輸電能力極大增，強(qiáng)降低輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗。

1 基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃

有功潮流分布簡(jiǎn)單來說就是根據(jù)給定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等元件的運(yùn)行條件，確定電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，各部分的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。通常來說，給定的有負(fù)荷功率，節(jié)點(diǎn)電壓，平衡節(jié)點(diǎn)的電壓、相角，母線節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角。是可以利用潮流計(jì)算求得輸電網(wǎng)的功率分布。所謂“潮流”，潮指的是電壓，流指的是功率。潮流計(jì)算是對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的合理性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行定量分析的依據(jù)，也是整個(gè)電力系統(tǒng)靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)[2]。因此，基于有功潮流分布對(duì)多目標(biāo)輸電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃。

1.1多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃模型

考慮到對(duì)多目標(biāo)輸電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃，雖然與單目標(biāo)規(guī)劃流程基本相同，但多目標(biāo)輸電網(wǎng)的規(guī)劃要求必須用動(dòng)態(tài)的視角看待、解決問題[3]。對(duì)規(guī)劃中各變量數(shù)據(jù)的計(jì)算要求更加精準(zhǔn)，并且需要宏觀調(diào)控、規(guī)劃各階段之間的可行性與契合度。基于的多目標(biāo)多階段輸電網(wǎng)規(guī)劃流程如圖1所示：

在電網(wǎng)規(guī)劃模型中，首先輸入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及初始計(jì)算參數(shù);應(yīng)用倒序初始化方法，隨機(jī)生成多階段初始種群;建立外部集合，并置為空;對(duì)各階段方案，應(yīng)用“邊界搜索策略”對(duì)個(gè)體進(jìn)行修補(bǔ);對(duì)當(dāng)代種群中個(gè)體，分別計(jì)算輸電投資總投資現(xiàn)值、各階段系統(tǒng)網(wǎng)損功率平均值;將當(dāng)代種群全體復(fù)制，剔除復(fù)制中被支配個(gè)體;基于最優(yōu)關(guān)系，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值;以二元竟標(biāo)賽（（binary tournament）方式選擇進(jìn)化操作的候選個(gè)體;應(yīng)用多階段進(jìn)化操作方法，對(duì)候選個(gè)體執(zhí)行多階段規(guī)劃的交義和變異算子，形成下一代種群;應(yīng)用“邊界搜索策略”對(duì)個(gè)體進(jìn)行修補(bǔ)并判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，如未達(dá)到要求，將會(huì)將數(shù)據(jù)返回到對(duì)當(dāng)代種群中個(gè)體的價(jià)值計(jì)算中重新求解直至達(dá)標(biāo)，最終輸出到外部集合完成多目標(biāo)輸出的目的。

模型中充分考慮個(gè)體的差異性，力圖發(fā)現(xiàn)種群中最大共性，并設(shè)定邊界搜索，實(shí)現(xiàn)限定范圍的最優(yōu)化選擇。這是多目標(biāo)輸電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃的核心原則。

1.2基于SPEA的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃流程

1.2.1輸電網(wǎng)規(guī)劃中的SPEA編碼方法

SPEA編碼方法應(yīng)用在輸電網(wǎng)規(guī)劃中，主要的編碼方式就是依據(jù)出現(xiàn)概率來構(gòu)造異字頭的平均長(zhǎng)度最短的碼字。其中將信源符號(hào)的概率按減小的順序排隊(duì)。把兩個(gè)最小的概率相加，并繼續(xù)這一步驟，始終將較高的概率分支放在右邊，直到最后變成概率1。畫出由概率1處到每個(gè)信源符號(hào)的路徑，順序記下沿路徑的0和1，所得就是該符號(hào)的最短碼字。最后將每對(duì)組合的左邊一個(gè)指定為0，右邊一個(gè)指定為1[4]。該方法降低了輸電網(wǎng)決策變量維數(shù)和求解的難度，而得到廣泛的應(yīng)用，如表1所示：

根據(jù)表1可知，SPEA碼的編碼方法確保概率較大的符號(hào)對(duì)應(yīng)著短碼，概率較小的符號(hào)對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)碼，并且充分運(yùn)用到短碼。每次將信源的最后兩碼字縮減都會(huì)發(fā)現(xiàn)最后位的碼元不一樣，前面每一位的碼元一致。每次縮減信源的最長(zhǎng)兩碼字具有相同的碼長(zhǎng)[5]。以上三大特點(diǎn)保證了所得的SPEA碼一定是最佳碼。應(yīng)用在輸電網(wǎng)規(guī)劃中可以得出最優(yōu)解，最大程度降低輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗。

1.2.2輸電網(wǎng)規(guī)劃中的SPEA進(jìn)化算子

結(jié)合SPEA編碼方法可知，SPEA在求得輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗最優(yōu)解的前提下，必須考慮到有些優(yōu)秀的種群個(gè)體在進(jìn)化時(shí)不被遺棄，這樣就提高了優(yōu)化的精度[6]。運(yùn)用進(jìn)化算子，不僅解決了計(jì)算中需要人工指定共享參數(shù)的缺點(diǎn)，還把它當(dāng)作種群中個(gè)體之間的比較準(zhǔn)則。由圖1可知，要種群里的個(gè)體可以均勻地?cái)U(kuò)散到全部區(qū)域，確保了種群多樣性。求各規(guī)劃階段功率損耗的平均值作為目標(biāo)函數(shù)：

其中，指的是新增線路投資現(xiàn)有目標(biāo)值;指平均網(wǎng)損功率目標(biāo);指規(guī)劃階段數(shù);指系統(tǒng)可增線路走廊數(shù);指系統(tǒng)走廊總數(shù);指線路支路i的回線路單位長(zhǎng)度造價(jià);指規(guī)劃階段內(nèi)支路i擴(kuò)建的線路數(shù);n指支路i的原有線路數(shù);指支路i的線路長(zhǎng)。

2驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法對(duì)的改進(jìn)效果，分別采用原始輸電網(wǎng)規(guī)劃和改進(jìn)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法對(duì)16節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算。此系統(tǒng)存在28條可架線走廊，設(shè)置各線路走廊的可架線路回?cái)?shù)為2回，使規(guī)劃方案可以滿足安全準(zhǔn)則。在相同計(jì)算初始條件下，對(duì)原始輸電網(wǎng)規(guī)劃和改進(jìn)SPEA輸電網(wǎng)規(guī)劃在尋找最優(yōu)解能力方面進(jìn)行比較。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，可得實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖2所示：

從圖2可以看到，在相同的間隔指標(biāo)和迭代次數(shù)條件下，改進(jìn)的SPEA輸電網(wǎng)規(guī)劃因在搜索過程中引入了“邊界搜索策略”等改進(jìn)措施，對(duì)個(gè)體進(jìn)行修補(bǔ)。雖然導(dǎo)致需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，但可以精準(zhǔn)的找到最優(yōu)迭代次數(shù)。不僅有效地提高了SPEA進(jìn)化算子尋找最優(yōu)解的能力，同時(shí)在最優(yōu)集均勻分布性上有顯著的改善。而原始的規(guī)劃則無法有效地?cái)U(kuò)展最優(yōu)集規(guī)模。從而，證明了SPEA輸電網(wǎng)規(guī)劃可以增強(qiáng)潮流可控性，最大程度降低輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗。

3.結(jié)束語

在新的電力工業(yè)時(shí)代背景下，多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃具有重要的質(zhì)變意義。基于有功潮流分布的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃方法改變了輸電網(wǎng)原來只單向接受電力的狀況，使之成為有源網(wǎng)絡(luò)。利用SPEA編碼方法和輸電網(wǎng)規(guī)劃中的SPEA進(jìn)化算子兩部分規(guī)劃基于SPEA的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃流程。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基于SPEA的多目標(biāo)輸電網(wǎng)最優(yōu)解的驗(yàn)證，證明基于SPEA的多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃流程可以最大程度降低輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗，在多目標(biāo)輸電網(wǎng)規(guī)劃中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為電力工業(yè)改革指明了發(fā)展方向。

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