本發(fā)明涉及配電網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種配電變壓器選址及低壓網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

目前，在配電網(wǎng)建設(shè)過程中，變壓器布點(diǎn)及低壓線路存在點(diǎn)多面廣、使用量巨大的狀況，配電網(wǎng)新建和改造投入的資金量巨大，威海地區(qū)每年投入配電網(wǎng)的建設(shè)資金就數(shù)以億計(jì)。規(guī)劃設(shè)計(jì)變壓器布點(diǎn)與低壓出線選擇的合理性，將直接影響工程初始投資及投運(yùn)產(chǎn)生的低電壓問題。每年的工程數(shù)量如此龐大.基本是依靠設(shè)計(jì)人員逐個(gè)現(xiàn)場查勘、人工完成定位。在設(shè)計(jì)方案時(shí)主觀性較強(qiáng).不同的人可能有不同的結(jié)論。誤差較大.工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很難做到最優(yōu)化。

配電變壓器地理位置的選擇結(jié)果直接影響到后期配電網(wǎng)絡(luò)線路規(guī)劃。其位置和容量的確定既要考慮到負(fù)荷點(diǎn)的用電量及分布情況，又要考慮到整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，選址結(jié)果對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)合理性、及整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性有著直接的影響。

根據(jù)農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃的相關(guān)導(dǎo)則，目前形成的配變選址方式主要有：

1)基于求解臺(tái)區(qū)負(fù)荷重心的方法；

為了減少迂回供電，各級(jí)導(dǎo)則均要求配變布點(diǎn)需深入負(fù)荷中心。而最理想的負(fù)荷中心就是所謂的負(fù)荷重心。以圖1為例，不妨令各負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷值與坐標(biāo)組合依次為{P₁，(X₁，Y₁)}、{P₂，(X₂，Y₂)}、……{P_n，(X_n，Y_n)}，則負(fù)荷重心的坐標(biāo)可由式(1)確定。顯然，在荷重心處安裝配變，從純物理角度來說是非常合理的。

式中，X、Y為負(fù)荷重心的縱橫坐標(biāo)；P為各負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷總加。

2)基于運(yùn)行費(fèi)用最小的數(shù)學(xué)解析方法

仍以圖1為例(各負(fù)荷點(diǎn)的參數(shù)表示不變)，設(shè)理想狀態(tài)的配變安裝坐標(biāo)為(X,Y)，則通過建立式(2)所示目標(biāo)函數(shù)，借助計(jì)算機(jī)可求得X、Y值。

式中，β為單位負(fù)荷、單位距離費(fèi)用系數(shù)。

上述傳統(tǒng)選址方式存在主要問題如下：

(1)傳統(tǒng)選址方式不符合低壓配網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)。由上述內(nèi)容可知，不論是負(fù)荷重心法還是數(shù)學(xué)解析法，均將低壓配網(wǎng)簡化為單一的電源點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直供網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)。這種網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中很難應(yīng)用，原因如下：

①負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量必然遠(yuǎn)大于配變出線間隔數(shù)量，因此不可能一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)占用一個(gè)間隔；

②低壓線路實(shí)際走向受到周邊地形、建筑物、線路走廊等影響，難以一條直線走到底；

③每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)均由電源點(diǎn)直供，必然造成導(dǎo)線的極大消耗。

(2)傳統(tǒng)選址方式中的坐標(biāo)定位缺乏操作可能性。按照現(xiàn)有技術(shù)，坐標(biāo)定位需要建立測(cè)量控制網(wǎng)、用到較為先進(jìn)的測(cè)繪設(shè)備等，這對(duì)于建設(shè)周期短、建設(shè)數(shù)量大的低壓配電網(wǎng)來說是難以承受的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種配電變壓器選址及低壓網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了配變選址與低壓線路規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)，對(duì)低壓配電網(wǎng)建設(shè)具有較大的輔助決策意義，詳見下文描述：

一種配電變壓器選址及低壓網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法，所述優(yōu)化方法包括以下步驟：

以負(fù)荷矩理論為基礎(chǔ)，輔助決策配電變壓器最佳布點(diǎn)；

通過線性迭代計(jì)算尋找供區(qū)范圍內(nèi)各點(diǎn)負(fù)荷矩代數(shù)和最小值的點(diǎn)坐標(biāo)，作為配電變壓器規(guī)劃布點(diǎn)的依據(jù)；

從低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，利用圖論的有關(guān)理論，將低壓配電網(wǎng)優(yōu)化布局等效為圖論中最小生成樹及最短路徑的搜索。

其中，所述以負(fù)荷矩理論為基礎(chǔ)，輔助決策配電變壓器最佳布點(diǎn)；通過線性迭代計(jì)算尋找供區(qū)范圍內(nèi)各點(diǎn)負(fù)荷矩代數(shù)和最小值的點(diǎn)坐標(biāo)，作為配電變壓器規(guī)劃布點(diǎn)的依據(jù)的步驟具體為：

計(jì)算不同線路的負(fù)荷矩、以及總負(fù)荷矩，判定負(fù)荷的電壓損失是否滿足自身額定壓降系數(shù)要求，是否需要對(duì)線路進(jìn)行更換或?qū)ω?fù)荷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整；

手工輸入或在地理圖上選取負(fù)荷點(diǎn)位置，錄入負(fù)荷點(diǎn)或負(fù)荷組的負(fù)荷數(shù)據(jù)，將負(fù)荷點(diǎn)標(biāo)示在地理圖上，以直線連接多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)形成的多邊形為測(cè)算范圍，來測(cè)算最小總負(fù)荷矩；

通過窮舉法測(cè)算范圍內(nèi)的x，y值，計(jì)算出最小的總負(fù)荷矩，則最小總負(fù)荷矩的x，y取值坐標(biāo)點(diǎn)就是最佳電源點(diǎn)布點(diǎn)位置；x為測(cè)算電源點(diǎn)的地理橫坐標(biāo)；y為測(cè)算電源點(diǎn)的地理縱坐標(biāo)。

其中，所述從低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，利用圖論的有關(guān)理論，將低壓配電網(wǎng)優(yōu)化布局等效為圖論中最小生成樹及最短路徑的搜索的步驟具體為：

運(yùn)用地理分割或歸并的方法對(duì)自然負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行區(qū)劃和歸集，形成一個(gè)新的負(fù)荷小塊集合要求該集合中的各負(fù)荷小塊的負(fù)荷或容量基本相等，并粗略定出各負(fù)荷小塊的地理中心，以此作為待優(yōu)化低壓電網(wǎng)等效于圖的頂點(diǎn)；

初始時(shí)將待優(yōu)化低壓網(wǎng)絡(luò)的所有線路均視為統(tǒng)一規(guī)格，以此達(dá)到低壓電網(wǎng)等效為圖所要求的各邊“平等”的要求；再根據(jù)線路實(shí)際承擔(dān)的負(fù)荷小塊的數(shù)量來選擇合適的線徑；

將各負(fù)荷小塊中心進(jìn)行兩兩相聯(lián)，形成一個(gè)所謂的無向完備圖，根據(jù)各邊的長運(yùn)用最小生成樹算法，從所有支撐樹中找到樹權(quán)最小的那一棵；

計(jì)算最小生成樹的任一頂點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的最短路之和，形成一個(gè)和值集；而該和值集中最小的和值所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)就是最佳的配變安裝點(diǎn)，組成該和值的各邊就是低壓配網(wǎng)的布線路徑；

將無向完備圖的各邊按一定規(guī)則進(jìn)行排列；按邊長從小到大，檢查不構(gòu)成回路但又能將圖連通的最少邊集組合。

所述方法還包括：

選擇自然負(fù)荷點(diǎn)中不能分割的最大負(fù)荷值；或，

當(dāng)?shù)爻Ｓ脦最惖蛪簩?dǎo)線中載流量最低的導(dǎo)線所對(duì)應(yīng)的可承受負(fù)荷，作為負(fù)荷小塊的參考負(fù)荷值。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：從低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，利用圖論的有關(guān)理論，將低壓配電網(wǎng)優(yōu)化布局問題等效為圖論中最小生成樹及最短路的搜索問題，從而在理論上實(shí)現(xiàn)了配變選址與低壓線路規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)。該方法操作簡便、工作量小、實(shí)用性強(qiáng)，在很大程度上達(dá)到了臺(tái)區(qū)建設(shè)初投資最小化和線損最優(yōu)化的效果，有效提升工作效率，為農(nóng)村配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行和保障電能質(zhì)量提供了技術(shù)支持，因此對(duì)低壓配電網(wǎng)建設(shè)具有較大的輔助決策意義。

附圖說明

圖1為負(fù)荷分散條件下的負(fù)荷重心示意圖；

圖2為實(shí)際低壓配電網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖3為一種配電變壓器選址及低壓網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法的流程圖；

圖4為利用最小負(fù)荷矩測(cè)算電源點(diǎn)最佳布點(diǎn)位置示意圖；

圖5為負(fù)荷中心示意圖；

圖6為連接負(fù)荷中心的無向完備示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

然而，實(shí)際的低壓配電網(wǎng)存在干線、支線、支干線等層次，其結(jié)構(gòu)大致如圖2所示。因此，可以嘗試運(yùn)用圖論的相關(guān)知識(shí)，將低壓配電網(wǎng)等效為圖論中“圖”：即將配變安裝點(diǎn)和各負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)為“圖”的頂點(diǎn)，將低壓線路對(duì)應(yīng)為“圖”的邊集。然后進(jìn)行尋優(yōu)搜索(方法是找到“圖”的一棵最小生成樹，之后運(yùn)用最短路理論確定配變安裝位置和各條低壓配電線路的大致走向)，使配變選址與低壓線路規(guī)劃能夠協(xié)同進(jìn)行，從而避免傳統(tǒng)選址方法的弊端。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種配電變壓器選址及低壓網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法，參見圖3，該方法包括以下步驟：

101：以負(fù)荷矩理論為基礎(chǔ)，輔助決策配電變壓器最佳布點(diǎn)；

通過該步驟優(yōu)化網(wǎng)架規(guī)劃方案。

102：通過線性迭代計(jì)算尋找供區(qū)范圍內(nèi)各點(diǎn)負(fù)荷矩代數(shù)和最小值的點(diǎn)坐標(biāo)，作為配電變壓器規(guī)劃布點(diǎn)的依據(jù)；

通過上述步驟，使得配電網(wǎng)規(guī)劃更科學(xué)、合理，為配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行和保障電能質(zhì)量提供支持。

103：從低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，利用圖論的有關(guān)理論，將低壓配電網(wǎng)優(yōu)化布局等效為圖論中最小生成樹及最短路徑的搜索。

綜上所述，通過上述步驟，在理論上實(shí)現(xiàn)了配變選址與低壓線路規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)。本方法操作簡便、工作量小、實(shí)用性強(qiáng)，在很大程度上達(dá)到了臺(tái)區(qū)建設(shè)初投資最小化和線損最優(yōu)化的效果，因此對(duì)低壓配電網(wǎng)建設(shè)具有較大的輔助決策意義。

實(shí)施例2

下面結(jié)合具體的計(jì)算公式、附圖對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)介紹，詳見下文描述：

201：對(duì)線路的負(fù)荷矩進(jìn)行計(jì)算；

在電力線路改造或新增規(guī)劃時(shí)，由于線路的實(shí)際或遠(yuǎn)景負(fù)荷已知，所以在對(duì)不同狀況下的線路(高、中、低壓架空或電纜)選型時(shí)，通常會(huì)采用以允許電壓損失來校驗(yàn)的簡便方法。其原理為：在某一允許電壓損失條件下，負(fù)荷越大，供電半徑越??；反之，負(fù)荷越小，供電半徑越大。因此，根據(jù)負(fù)荷與供電半徑的關(guān)系，產(chǎn)生了負(fù)荷矩(又稱負(fù)荷力矩)的概念，即功率乘以負(fù)荷點(diǎn)距電源點(diǎn)的距離：

負(fù)荷矩＝P×L，

式中：P為功率；L為負(fù)荷點(diǎn)距電源點(diǎn)的距離。

以給定電壓等級(jí)和總終端負(fù)荷值的某條架空線路為例，計(jì)算線路的負(fù)荷矩、最大輸電距離及線路上某一終端的電壓降、最大輸出功率，具體如下：

ΔU％＝(R+X×tanθ)pl/(10U²) (3)

式中：R為線路電阻：X為線路感抗值；tanθ為線路功率因數(shù)；U為線路的電壓；p為線路的有功功率：l為線路長度。ΔU％為線路首末段電壓降，由于ΔU％是1個(gè)計(jì)算基數(shù)，所以常常以p為1kW和l為1km的單位量來取值。

所以，式(3)可以寫成：

ΔU％＝(R+X×tanθ)/(10U²) (4)

根據(jù)具體終端來計(jì)算相應(yīng)的終端電壓降為：

ΔU＝ΔU％×P_i×l_i (5)

式中：P_i為線路上某一終端的負(fù)荷；l_i為線路上某一終端到電源點(diǎn)的距離。

線路上某終端的最大負(fù)荷功率為：

P_imax＝M/l_i (6)

式中：M為電力負(fù)荷矩；l_i為線路上某終端到電源點(diǎn)的距離；p_imax為在滿足電壓降條件下的最大允許掛接負(fù)荷值。

線路的最大輸送距離為：

L_max＝M/P_t (7)

式中：Pt為線路的總終端負(fù)荷。

總負(fù)荷矩為：

通過上述公式可預(yù)先計(jì)算出不同線路(架空或電纜)的線路負(fù)荷矩M，當(dāng)遇到同一電源點(diǎn)的負(fù)荷類型較多時(shí)，就可以通過計(jì)算這些負(fù)荷的總負(fù)荷矩，并與線路負(fù)荷矩M比較，判定這些負(fù)荷的電壓損失是否滿足自身額定壓降系數(shù)要求，是否需要對(duì)線路進(jìn)行更換或?qū)ω?fù)荷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。線路自身負(fù)荷矩的計(jì)算方法為：

式中：U₀為線路額定電壓；U_t為線路末端允許電壓；λ為調(diào)整系數(shù)。計(jì)算公式(8)和(9)2種負(fù)荷矩后，能簡單而準(zhǔn)確地指導(dǎo)現(xiàn)場的線路安全檢測(cè)和改造等實(shí)際工作。

202：計(jì)算所選擇的負(fù)荷點(diǎn)的最佳電源位置、在地理圖中展示位置坐標(biāo)及最小負(fù)荷矩；

其中，計(jì)算主要針對(duì)3種類型的用戶：普通用戶、大用戶和混合用戶。通過手工輸入(要區(qū)分普通用戶負(fù)荷和大用戶負(fù)荷)或在地理圖上選取負(fù)荷點(diǎn)位置，錄入負(fù)荷點(diǎn)或負(fù)荷組的負(fù)荷數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將這些負(fù)荷點(diǎn)標(biāo)示在地理圖上，以直線連接多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)形成的多邊形為測(cè)算范圍，來測(cè)算最小總負(fù)荷矩。

式中：P_i為各負(fù)荷點(diǎn)終端功率；x_i為各負(fù)荷點(diǎn)的地理橫坐標(biāo)；y_i為各負(fù)荷點(diǎn)的地理縱坐標(biāo)；x為測(cè)算電源點(diǎn)的地理橫坐標(biāo)；y為測(cè)算電源點(diǎn)的地理縱坐標(biāo)。

通過窮舉法測(cè)算范圍內(nèi)的x，y值，計(jì)算出最小的總負(fù)荷矩(M_min)，則最小總負(fù)荷矩的x，y取值坐標(biāo)點(diǎn)就是最佳電源點(diǎn)布點(diǎn)位置，測(cè)算示意如圖4所示。

203：最小生成樹理論應(yīng)用于低壓電網(wǎng)布局；

1、實(shí)際低壓電網(wǎng)與“圖”的差異及相關(guān)處理；

圖論中的“圖”由一定數(shù)量的頂點(diǎn)和邊組成，各點(diǎn)、邊只有位置或長度的不同，其他特性一致。而實(shí)際低壓電網(wǎng)的各自然負(fù)荷點(diǎn)存在容量差異、各段導(dǎo)線存在線徑差異，可以說是“不平等的”。因此若要運(yùn)用圖論理論來處理低壓配網(wǎng)優(yōu)化問題，必須做到：

(1)運(yùn)用地理分割或歸并的方法對(duì)自然負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行區(qū)劃和歸集，形成一個(gè)新的負(fù)荷小塊集合(要求該集合中的各負(fù)荷小塊的負(fù)荷或容量基本相等)，并粗略定出各負(fù)荷小塊的地理中心，以此作為待優(yōu)化低壓電網(wǎng)等效于“圖”的頂點(diǎn)，詳見圖5所示。

至于這種“人造”負(fù)荷小塊的參考負(fù)荷值確定，可以視情況分別采取以下兩種方法：

①選擇自然負(fù)荷點(diǎn)中不能分割的最大負(fù)荷值(如單個(gè)用戶的電動(dòng)機(jī)組)；

②選擇當(dāng)?shù)爻Ｓ脦最惖蛪簩?dǎo)線中載流量最低的導(dǎo)線所對(duì)應(yīng)的可承受負(fù)荷。

(2)初始時(shí)將待優(yōu)化低壓網(wǎng)絡(luò)的所有線路均視為統(tǒng)一規(guī)格(如常用導(dǎo)線中載流量最低的導(dǎo)線)，以此達(dá)到低壓電網(wǎng)等效為“圖”所要求的各邊“平等”的要求。在運(yùn)用圖論程序產(chǎn)生目標(biāo)網(wǎng)架后，再根據(jù)線路實(shí)際承擔(dān)的負(fù)荷小塊的數(shù)量來選擇合適的線徑(顯得很有層次和條理)。不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過以上兩步的處理，可以規(guī)避：

①因自然負(fù)荷點(diǎn)過多而造成的目標(biāo)網(wǎng)架過于復(fù)雜；

②因自然負(fù)荷點(diǎn)容量的不同而造成對(duì)目標(biāo)網(wǎng)架線路線徑選擇的困難。

2、具體建模

首先將圖4展示的各負(fù)荷小塊中心進(jìn)行兩兩相聯(lián)，形成一個(gè)所謂的無向完備圖，如圖5所示。并根據(jù)大致估測(cè)得到各邊的長(也稱“權(quán)”)。其次運(yùn)用相關(guān)算法(最小生成樹算法)，從圖6的所有支撐樹(連通而無圈的圖稱為支撐樹)中找到樹權(quán)最小的那一棵。最后，對(duì)已經(jīng)找到的最小生成樹，計(jì)算“樹”的任一頂點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的最短路之和，形成一個(gè)和值集。而該和值集中最小的和值所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)就是最佳的配變安裝點(diǎn)，組成該和值的各邊就是低壓配網(wǎng)的布線路徑。

204：最小生成樹算法設(shè)計(jì)；

最小生成樹的經(jīng)典算法有Kruskal算法等，結(jié)合低壓配網(wǎng)實(shí)際(節(jié)點(diǎn)多、分之多)進(jìn)行最小生成樹算法改進(jìn)。

(1)首先將無向完備圖的各邊按一定規(guī)則進(jìn)行排列；

考慮操作簡便性不妨定規(guī)則為“按邊長遞增”。對(duì)于一個(gè)含有q條邊的圖來說，有

l(a₁)≤l(a₂)≤...≤l(a_q) (11)

式中，l(a_i)(i＝1、2、…，q)為編號(hào)為a_i的邊長。

(2)按邊長從小到大，檢查不構(gòu)成回路但又能將圖連通的最少邊集組合。

令參數(shù)e₁＝a₁，參數(shù)e₂＝a₂測(cè)試邊長a₃，若邊長a₃與參數(shù)e₁,e₂不形成回路，則令e₃＝a₃，如果邊長a₃與參數(shù)e₁,e₂形成回路，則測(cè)試邊長a₄(不再考慮將邊長a₃納入最小生成樹)；若邊長a₄與參數(shù)e₁,e₂不形成回路，則令參數(shù)e₃＝a₄，否則測(cè)試邊長a₅(不再考慮將邊長a₄納入最小生成樹)，如此往復(fù)，直到找出含有參數(shù)e₁,e₂，…，e_p等p條邊的連通圖為止。那么參數(shù){e₁,e₂，…，e_p}組成的集合就是一顆最小生成樹。

綜上所述，通過上述步驟，在理論上實(shí)現(xiàn)了配變選址與低壓線路規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)。本方法操作簡便、工作量小、實(shí)用性強(qiáng)，在很大程度上達(dá)到了臺(tái)區(qū)建設(shè)初投資最小化和線損最優(yōu)化的效果，因此對(duì)低壓配電網(wǎng)建設(shè)具有較大的輔助決策意義。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。