專利名稱：一種基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)的規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)配電的方法，特別涉及一種考慮了負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果不確定性的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的方法。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法是通過選擇確定的規(guī)劃參數(shù)，建立配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型，求解滿足各種約束的，并使經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的確定性方案。然而，配電網(wǎng)規(guī)劃中存在著大量不確定的規(guī)劃參數(shù)，比如，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)值、設(shè)備投入時(shí)間、利息率、資金約束，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和環(huán)境約束等。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法往往沒有考慮不確定因素的影響，其數(shù)學(xué)上的最優(yōu)方案對(duì)未來的情況而言可能并非最優(yōu)，甚至可能需要進(jìn)行大量的補(bǔ)償投資，造成損失和浪費(fèi)。為此本研究創(chuàng)新性地考慮了負(fù)荷預(yù)測(cè)值的不確定性，利用模糊變量表示負(fù)荷預(yù)測(cè)值，特別是建立了基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并采用遺傳算法求解，較好的解決了考慮負(fù)荷不確定性的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮負(fù)荷預(yù)測(cè)值的不確定性，以梯形模糊變量表示負(fù)荷預(yù)測(cè)值，以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡方程、節(jié)點(diǎn)電壓、支路功率限制為約束條件，建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，從而提供了一種基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)的規(guī)劃方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它根據(jù)已知的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃參數(shù)，建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型，并采用遺傳算法求解而獲得配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃，所述規(guī)劃參數(shù)包括規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各區(qū)塊負(fù)荷中心負(fù)荷預(yù)測(cè)值，固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)，單位電價(jià)，最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，規(guī)劃所要求的區(qū)域容載比，節(jié)點(diǎn)電壓上下限，支路功率上下限，以及規(guī)劃區(qū)初始網(wǎng)架數(shù)據(jù)；初始網(wǎng)架數(shù)據(jù)包括變電站現(xiàn)有容量和各線路容量，線路阻抗，投資費(fèi)用，及備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)；備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)包括新建或擴(kuò)建變電站投資費(fèi)用，新建或替換線路投資費(fèi)用，線路容量，及線路阻抗，其特征是 (1)所述負(fù)荷預(yù)測(cè)值采用梯形模糊變量表示，備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)采用0-1變量表示； (2)所述基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型為 基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型是以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡、節(jié)點(diǎn)電壓、和支路功率限制為約束條件，采用0-1規(guī)劃方法建立模型模型中將固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)乘以投資費(fèi)用，再加上年網(wǎng)損費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)；其中投資費(fèi)用包括替換線路費(fèi)用、新建線路費(fèi)用、增加現(xiàn)有變電站容量費(fèi)用、和新建變電站費(fèi)用；年網(wǎng)損費(fèi)用是各條線路最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)與線路模糊支路功率的乘積和，再乘以電價(jià)；功率平衡約束是指現(xiàn)有變電站容量、現(xiàn)有變電站擴(kuò)容容量和新建變電站容量的總和需滿足負(fù)荷的需求；節(jié)點(diǎn)電壓約束是指配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓需滿足電壓限制，支路功率約束是指配電網(wǎng)各支路功率不能超過線路容量的限制； 以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值，即年投資費(fèi)用和網(wǎng)損費(fèi)用的模糊期望值，為優(yōu)化目標(biāo)，以配電網(wǎng)年投資費(fèi)用模糊期望值和年補(bǔ)償費(fèi)用模糊期望值來評(píng)價(jià)配電網(wǎng)優(yōu)化效益。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于與采用傳統(tǒng)規(guī)劃方法得到的配電網(wǎng)規(guī)劃方案相比，根據(jù)該模型求得的配電網(wǎng)規(guī)劃方案對(duì)于未來負(fù)荷的不確定性具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能在很大程度上減少事后的補(bǔ)償投資，降低損失和浪費(fèi)。同時(shí)，該方法考慮了配電網(wǎng)規(guī)劃的各種因素，包括是否新建變電站，是否增加現(xiàn)有變電站容量，以及是否替換或新建線路等。



圖1、本發(fā)明梯形模糊變量描述的模糊負(fù)荷。
圖2、本發(fā)明遺傳算法求解流程。
圖3、本發(fā)明實(shí)施例1某規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)初始網(wǎng)架圖。
圖4、本發(fā)明實(shí)施例1某規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃后網(wǎng)架圖。

具體實(shí)施例方式 (1)采用模糊變量表示負(fù)荷預(yù)測(cè)值 根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)值的不確定性和特點(diǎn)，采用梯形模糊變量表示負(fù)荷預(yù)測(cè)值。比如，由模糊預(yù)測(cè)法可知，某區(qū)域某年最高負(fù)荷L不會(huì)大于L1或小于L4，很有可能在L2到L3之間，負(fù)荷預(yù)測(cè)值的這種模糊性可用梯形模糊數(shù)來表示，其隸屬函數(shù)如下式所示。

其隸屬度函數(shù)曲線如附圖1所示。
(2)建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型 基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡方程、節(jié)點(diǎn)電壓、支路功率限制為約束條件。采用0-1規(guī)劃方法，綜合考慮考慮了配電網(wǎng)規(guī)劃的各種因素，包括是否新建變電站，是否增加現(xiàn)有變電站容量，以及是否替換或新建線路。其目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下式所示。
minE[αCinv(x)+Closs(x)]② 其中
④ s.t.

⑦ 其中，Cinv(x)為年投資費(fèi)用，Closs(x)為年網(wǎng)損費(fèi)用，α為固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)，p為單位電價(jià)，τ為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，λ為區(qū)域容載比。
n為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，l為某規(guī)劃方案中的配電網(wǎng)絡(luò)支路數(shù)，x為決策向量，為0-1變量構(gòu)成的向量，SR為各條線路可替換線路集合，SRi為第i條線路的替換方案集合，Cij為替換線路費(fèi)用；SA為可新增線路集合，SAk為第k條新增線路新建方案集合，Ckl為新建線路投資費(fèi)用；S為現(xiàn)有變電站節(jié)點(diǎn)集合，Sm為第m個(gè)變電站的擴(kuò)容方案集合，C0為單位容量費(fèi)用，Smn為擴(kuò)容容量；SN為可新增變電站節(jié)點(diǎn)集合，SNg為第g個(gè)新增變電站的新建方案集合，Sgh為新建容量方案，Cg0為固定投資費(fèi)用。


為負(fù)荷模糊向量，

為支路模糊損耗功率，

為節(jié)點(diǎn)模糊電壓，Vimin、Vimax為各節(jié)點(diǎn)電壓上下限值，為

支路模糊功率，Pimax為各線路支路功率上限值。
(3)采用遺傳算法求解 配電網(wǎng)規(guī)劃是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，規(guī)劃人員必須對(duì)配網(wǎng)中各個(gè)變電站的選址定容、大量饋線的布置、容量等做出決策，其數(shù)學(xué)優(yōu)化模型往往含有大量的變量和約束條件，采用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法難以求解。而遺傳算法是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法，在解決復(fù)雜的全局優(yōu)化問題方面，遺傳算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其求解流程如附圖2所示。
求解時(shí)會(huì)涉及配電網(wǎng)潮流計(jì)算，配電網(wǎng)潮流計(jì)算是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。由于負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)存在模糊性，因此在根據(jù)模糊負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝蠼夤?jié)點(diǎn)電壓、支路功率和網(wǎng)損的時(shí)候，傳統(tǒng)的確定性潮流算法不再適用，需要進(jìn)行模糊潮流計(jì)算。模糊潮流計(jì)算就是當(dāng)以模糊數(shù)描述節(jié)點(diǎn)注入功率的不確定性時(shí)，求出節(jié)點(diǎn)電壓模糊幅值、相角及支路有功、無功模糊潮流(也是模糊數(shù))的可能性分布(用模糊數(shù)的隸屬函數(shù)描述)。
本發(fā)明可以通過發(fā)明內(nèi)容中說明的技術(shù)具體實(shí)施，通過下面的實(shí)施例可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述，然而，本發(fā)明的范圍并不限于下述實(shí)施例。
實(shí)施例1 為驗(yàn)證以上所提出的模型的有效性，將該模型應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際規(guī)劃區(qū)的配電網(wǎng)規(guī)劃中。該區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)為10kV配網(wǎng)，初始網(wǎng)架共有5個(gè)節(jié)點(diǎn)、4條支路，現(xiàn)要擴(kuò)展為10個(gè)節(jié)點(diǎn)的輻射型網(wǎng)絡(luò)，其初始網(wǎng)架圖如附圖3所示。0節(jié)點(diǎn)處為35/10kV變電站，現(xiàn)有1臺(tái)10MVA主變，遠(yuǎn)期可擴(kuò)建為2×10MVA。各區(qū)塊負(fù)荷中心負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果如下表所示。
表1節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)值
網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下表所示。
表2網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

設(shè)變電站和線路的固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)相同，均為α＝0.1，各線路的年最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)相同，均為τ＝1600h，而單位電價(jià)p＝0.5元/kWh。設(shè)該區(qū)域容載比要求達(dá)到λ＝2。采用遺傳算法求取最優(yōu)解時(shí)，各參數(shù)為初始群體規(guī)模pop_size＝100，交叉概率Pc＝0.8，變異概率Pm＝0.05，終止代數(shù)T＝500。
采用以上模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其結(jié)果為0節(jié)點(diǎn)處35/10kV變電站需增容為2×10MVA，年投資運(yùn)行費(fèi)用的期望值為26.17萬元，網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果如附圖4所示。
規(guī)劃方案對(duì)于未來不確定負(fù)荷的適應(yīng)性，可以采用補(bǔ)償費(fèi)用的期望值來衡量，其定義如下 其中

為該規(guī)劃方案在模糊負(fù)荷條件下的模糊年投資運(yùn)行費(fèi)用，C(x0)為某規(guī)劃方案的前期確定性網(wǎng)架投資費(fèi)用。通常來說，補(bǔ)償費(fèi)用期望值越小，說明該規(guī)劃方案對(duì)于未來不確定的負(fù)荷具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
模糊規(guī)劃方案和采用確定性規(guī)劃方法求得的規(guī)劃方案的網(wǎng)架投資費(fèi)用和補(bǔ)償費(fèi)用期望值比較如下表所示。其中確定性規(guī)劃方法方案1采用模糊負(fù)荷中心值，μ(x)＝1.0截集的平均值(L2+L3)/2作為規(guī)劃水平年的負(fù)荷，方案2采用負(fù)荷預(yù)測(cè)最大值作為規(guī)劃水平年的負(fù)荷。
表3網(wǎng)架年投資費(fèi)用和補(bǔ)償費(fèi)用期望值 單位萬元
從上表可知，與確定性規(guī)劃方法相比，采用模糊規(guī)劃方法的規(guī)劃方案的網(wǎng)架投資費(fèi)用和補(bǔ)償費(fèi)用期望均為最小，說明該規(guī)劃方案建設(shè)成本低，且對(duì)于未來負(fù)荷的不確定性具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。在確定性規(guī)劃方法中，前期網(wǎng)架投資費(fèi)用和后期補(bǔ)償費(fèi)用是一對(duì)比較難平衡的矛盾。但是在模糊規(guī)劃中，這一問題可以得到很好的解決。
由實(shí)例求解過程可知，基于模糊期望值模型配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法由于考慮了負(fù)荷的模糊性，與傳統(tǒng)的規(guī)劃方法相比，該模型所求得的配電網(wǎng)規(guī)劃方案對(duì)于未來負(fù)荷的不確定性具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能在很大程度上減少事后的補(bǔ)償投資，降低損失和浪費(fèi)。
配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中存在著大量不確定的規(guī)劃參數(shù)，此外，隨著電力市場(chǎng)和新技術(shù)的發(fā)展，特別是分布式電源的引入，規(guī)劃人員在配電網(wǎng)規(guī)劃中需要處理的不確定的規(guī)劃參數(shù)越來越多，其中很多不確定因素均可采用模糊理論進(jìn)行描述和處理。因此，模糊期望值模型在配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃中具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)的規(guī)劃方法，它根據(jù)已知的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃參數(shù)，建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型，并采用遺傳算法求解而獲得配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃，所述規(guī)劃參數(shù)包括規(guī)劃區(qū)域內(nèi)各區(qū)塊負(fù)荷中心負(fù)荷預(yù)測(cè)值，固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)，單位電價(jià)，最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，規(guī)劃所要求的區(qū)域容載比，節(jié)點(diǎn)電壓上下限，支路功率上下限，以及規(guī)劃區(qū)初始網(wǎng)架數(shù)據(jù)；初始網(wǎng)架數(shù)據(jù)包括變電站現(xiàn)有容量和各線路容量，線路阻抗，投資費(fèi)用，及備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)；備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)包括新建或擴(kuò)建變電站投資費(fèi)用，新建或替換線路投資費(fèi)用，線路容量，及線路阻抗，其特征是
(1)所述負(fù)荷預(yù)測(cè)值采用梯形模糊變量表示，備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)采用0-1變量表示；
(2)所述基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型為
基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型是以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡、節(jié)點(diǎn)電壓、和支路功率限制為約束條件，采用0-1規(guī)劃方法建立模型模型中將固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)乘以投資費(fèi)用，再加上年網(wǎng)損費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)；其中投資費(fèi)用包括替換線路費(fèi)用、新建線路費(fèi)用、增加現(xiàn)有變電站容量費(fèi)用、和新建變電站費(fèi)用；年網(wǎng)損費(fèi)用是各條線路最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)與線路模糊支路功率的乘積和，再乘以電價(jià)；功率平衡約束是指現(xiàn)有變電站容量、現(xiàn)有變電站擴(kuò)容容量和新建變電站容量的總和需滿足負(fù)荷的需求；節(jié)點(diǎn)電壓約束是指配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓需滿足電壓限制，支路功率約束是指配電網(wǎng)各支路功率不能超過線路容量的限制；
以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值，即年投資費(fèi)用和網(wǎng)損費(fèi)用的模糊期望值，為優(yōu)化目標(biāo)，以配電網(wǎng)年投資費(fèi)用模糊期望值和年補(bǔ)償費(fèi)用模糊期望值來評(píng)價(jià)配電網(wǎng)優(yōu)化效益。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)的規(guī)劃方法，其特征是
(1)負(fù)荷預(yù)測(cè)值用梯形模糊變量來表示，其隸屬度函數(shù)如下式所示
由模糊預(yù)測(cè)法可知，某區(qū)域某年最高負(fù)荷L不會(huì)大于L1或小于L4，很有可能在L2到L3之間，因此采用如上表示；
(2)建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下式所示
minE[αCinv(x)+Closs(x)] ②
其中
③
④
s.t.
⑤
⑥
⑦
Cinv(x)為投資費(fèi)用，Closs(x)為年網(wǎng)損費(fèi)用，α為固定投資年平均費(fèi)用系數(shù)，p為單位電價(jià)，τ為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，λ為區(qū)域容載比；
n為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，l為某規(guī)劃方案中的配電網(wǎng)絡(luò)支路數(shù)，x為決策向量，為0-1變量構(gòu)成的向量，SR為各條線路可替換線路集合，SRi為第i條線路的替換方案集合，Cij為替換線路費(fèi)用；SA為可新增線路集合，SAk為第k條新增線路新建方案集合，Ckl為新建線路投資費(fèi)用；S為現(xiàn)有變電站節(jié)點(diǎn)集合，Sm為第m個(gè)變電站的擴(kuò)容方案集合，C0為單位容量費(fèi)用，Smn為擴(kuò)容容量；SN為可新增變電站節(jié)點(diǎn)集合，SNg為第g個(gè)新增變電站的新建方案集合，Sgh為新建容量方案，Cg0為固定投資費(fèi)用；
為負(fù)荷模糊向量，
為支路模糊損耗功率，
為節(jié)點(diǎn)模糊電壓，Vimin、Vimax為各節(jié)點(diǎn)電壓上下限值，為
支路模糊功率，Pimax為各線路支路功率上限值；
(3)采用遺傳算法對(duì)所述基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型求解的方法為
首先產(chǎn)生滿足約束條件的初始種群，計(jì)算初始種群中各染色體的適值函數(shù)，用適值函數(shù)衡量染色體的好壞，本方法中適值函數(shù)的計(jì)算需要通過計(jì)算模糊潮流求得；然后，由前一代染色體通過選擇、交叉和變異形成新一代染色體，適值函數(shù)大的染色體選中的概率較高；在種群更新過程中，種群中染色體數(shù)目不變；最后，判斷是否滿足遺傳算法的終止條件，如果滿足則結(jié)束、輸出結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明特別涉及一種考慮了負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果不確定性的電網(wǎng)配電的方法，它以配電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用的模糊期望值，即年投資費(fèi)用和網(wǎng)損費(fèi)用的模糊期望值，為優(yōu)化目標(biāo)，以配電網(wǎng)年投資費(fèi)用模糊期望值和年補(bǔ)償費(fèi)用模糊期望值來評(píng)價(jià)配電網(wǎng)優(yōu)化效益。根據(jù)已知的配電網(wǎng)規(guī)劃參數(shù)，以及規(guī)劃區(qū)域初始網(wǎng)架數(shù)據(jù)和各種備擇選項(xiàng)數(shù)據(jù)，其中采用模糊變量表示負(fù)荷預(yù)測(cè)值，采用0-1變量表示各種備擇選項(xiàng)，建立基于模糊期望值模型的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型，并采用遺傳算法求解。本發(fā)明能在很大程度上減少事后的補(bǔ)償投資，降低損失和浪費(fèi)。同時(shí)，該方法考慮了配電網(wǎng)規(guī)劃的各種因素，包括是否新建變電站，是否增加現(xiàn)有變電站容量，以及是否替換或新建線路等。
文檔編號(hào)G06Q50/00GK101764407SQ20101004581
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者楊毅, 周冰 申請(qǐng)人:楊毅, 周冰