本發(fā)明屬于電源規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及計(jì)及可靠性約束的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電憑借其清潔、低成本等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前可再生能源的重要利用方式之一，越來越受到各個(gè)國家的重視。而相比于陸地風(fēng)電，海上風(fēng)電具有無需占用土地資源、能量效益高、運(yùn)行穩(wěn)定、還可建設(shè)于沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)以利于就近消化等諸多優(yōu)點(diǎn)，利用前景非常廣闊，已經(jīng)成為未來風(fēng)能利用的必然趨勢。但同時(shí)，海上風(fēng)電在利用上技術(shù)難度大、同時(shí)投資與維護(hù)成本高，因而對(duì)海上風(fēng)電的技術(shù)研究也就顯得尤為重要。在當(dāng)前世界范圍內(nèi)，已經(jīng)投入運(yùn)營或在建的海上風(fēng)電場一般容量不大、電氣連接方式并不復(fù)雜，因此可以由設(shè)計(jì)人員結(jié)合海上風(fēng)電場工程項(xiàng)目的實(shí)際需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而在海上風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模日益趨向大型化的未來，該種設(shè)計(jì)方式對(duì)設(shè)計(jì)人員的水平依賴將越來越強(qiáng)，不同的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致的誤差也將越來越大。

根據(jù)海上風(fēng)電場典型排布研究與電源規(guī)劃理論，可以采用標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法來重新設(shè)計(jì)海上風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)風(fēng)電場內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把風(fēng)電場拓?fù)涞膯栴}轉(zhuǎn)化為最小生成樹的問題，利用標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法獲得風(fēng)機(jī)之間連接線最短的拓?fù)渎窂?，并通過算例證明了風(fēng)電場在采取kruskal算法之后對(duì)原來的潮流分布影響不大，而降低連接線長度的效果十分顯著。

標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法中出現(xiàn)的電纜線載流量分布極不均勻的問題，仍是海上風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)果設(shè)計(jì)中亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進(jìn)一步提高風(fēng)電場拓?fù)涞木C合價(jià)值，需在盡量保留kruskal算法在連接線路長度上的優(yōu)勢基礎(chǔ)上充分考慮如何均勻化線路的載流量，即需要對(duì)kruskal算法進(jìn)行改進(jìn)，本發(fā)明提供計(jì)及可靠性約束的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，得到滿足系統(tǒng)可靠性約束的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

計(jì)及可靠性約束的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，對(duì)已經(jīng)算得的標(biāo)準(zhǔn)kruskal結(jié)果進(jìn)行再處理，形成一種計(jì)及電纜線路載流量約束的改進(jìn)kruskal算法；依據(jù)此思路，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)kruskal算法求得的結(jié)果進(jìn)行分析，找出其中對(duì)該拓?fù)涞妮d流量影響最大的那條線路，進(jìn)而選取其他線路或增加輔助線路代替，最終使得拓?fù)渲械乃芯€路都滿足載流量的要求；

標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法忽視了原本典型排布中各個(gè)接線可能的載流量限制與可靠性問題，由此引出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的改進(jìn)方法，提出了計(jì)及可靠性約束的改進(jìn)kruskal算法對(duì)海上風(fēng)電場拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；所述計(jì)及可靠性約束的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟一：錄入初始數(shù)據(jù)、載流量限制cmax，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)kruskal計(jì)算；標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法為：初始化計(jì)算數(shù)據(jù)，主要是錄入所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與節(jié)點(diǎn)間的路徑權(quán)重，形成初始路徑權(quán)重集，并建立已選節(jié)點(diǎn)集與已選路徑集供儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果備用；根據(jù)上述初始化的結(jié)果，從路徑權(quán)重集中挑選權(quán)重最小的路徑加入已選路徑集，將該路徑連接起來的點(diǎn)加入已選節(jié)點(diǎn)集；對(duì)每一個(gè)已經(jīng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和路徑組成起來的樹，將除了已選路徑以外其他節(jié)點(diǎn)之間的路徑從路徑權(quán)重集中刪除，以防止形成環(huán)網(wǎng)；重復(fù)上述選取最小路徑和更新路徑權(quán)重集的步驟，直到所有節(jié)點(diǎn)都加入到已選節(jié)點(diǎn)集中；這時(shí)已選路徑集中的路徑即為該加權(quán)連通圖最小生成樹的所有路徑；

步驟二：統(tǒng)計(jì)當(dāng)前拓?fù)渲忻總€(gè)線路載流量，找出一條載流量ci≥cmax的線路，標(biāo)記該線路功率注入點(diǎn)為o；

步驟三：從初始路徑權(quán)重集中分別選出能夠通過o點(diǎn)及與o點(diǎn)相鄰點(diǎn)將功率送出去的最短路徑，將添加后功率更平均的線路加入拓?fù)渲校?/p>

步驟四：若產(chǎn)生了多重環(huán)網(wǎng)，則去除環(huán)網(wǎng)的內(nèi)部多余拓?fù)洌?/p>

步驟五：判斷對(duì)所有線路編號(hào)i，均有ci<cmax，如果不滿足，返回步驟二；

步驟六：輸出當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)果。

本發(fā)明方法并未對(duì)kruskal算法的使用本身做出任何更改，而是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算出的拓?fù)涓鶕?jù)原定線路載流量的約束做了少許必要更改使其滿足條件，而又不至于像典型排布那樣具有許多冗余線路。這種對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal的拓?fù)涓牡姆椒ㄗ钪饕奶攸c(diǎn)是保留了原來拓?fù)溥h(yuǎn)端或相距非常近的點(diǎn)之間的樹，使其在滿足條件內(nèi)的部分以最小生成樹的形式繼續(xù)留在拓?fù)渲?；而?duì)于靠近匯流點(diǎn)的電纜線，基于標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的拓?fù)涫沟眠h(yuǎn)端的風(fēng)機(jī)功率在送至匯流點(diǎn)的過程中會(huì)越來越集中，而該再約束算法會(huì)從靠近不滿足線路最大載流量的線路節(jié)點(diǎn)開始對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，篩選出其他可供輸送功率的多條支路，選出其中最小的一條最為輔助路徑加入到拓?fù)渲?，再去除輔助路徑加入后可能出現(xiàn)的不必要的多重環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以此逐步對(duì)每一條超過載流量的線路進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足系統(tǒng)可靠性約束的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的流程框圖。

圖2為計(jì)及可靠性約束的kruskal優(yōu)化方式流程圖。

圖3為算例風(fēng)機(jī)排布情況。

圖4為典型拓?fù)洹?/p>

圖5為標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法拓?fù)洹?/p>

圖6為采用計(jì)及可靠性約束的kruskal算法拓?fù)洹?/p>

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及詳細(xì)模型構(gòu)建原理，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的基本步驟為：初始化計(jì)算數(shù)據(jù)，主要是錄入所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與節(jié)點(diǎn)間的路徑權(quán)重，形成路徑權(quán)重集，并建立已選節(jié)點(diǎn)集與已選路徑集供之后儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果備用；根據(jù)上述初始化的結(jié)果，從路徑權(quán)重集中挑選權(quán)重最小的路徑加入已選路徑集，將該路徑連接起來的點(diǎn)加入已選節(jié)點(diǎn)集；對(duì)每一個(gè)已經(jīng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和路徑組成起來的樹，把除了已選路徑以外其他節(jié)點(diǎn)之間的路徑從路徑權(quán)重集中刪除，以防止形成環(huán)網(wǎng)；重復(fù)上述選取最小路徑和更新路徑權(quán)重集的步驟，直到所有節(jié)點(diǎn)都加入到已選節(jié)點(diǎn)集中。這時(shí)已選路徑集中的路徑即為該加權(quán)連通圖最小生成樹的所有路徑。具體流程圖如圖1。

算例風(fēng)機(jī)排布情況如圖3，該風(fēng)電場典型拓?fù)淙鐖D4，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算后拓?fù)淙鐖D5，圖中數(shù)字為風(fēng)機(jī)編號(hào)，橫縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)所在地理位置(適用于圖3‐圖6)。該算例經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算后風(fēng)電場拓?fù)渌枰倪B接線路長度降低得十分明顯，對(duì)成本降低十分有幫助。同時(shí)潮流計(jì)算的結(jié)果中，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算后的風(fēng)電場拓?fù)溆捎陔娎|線長度的降低，雖然線路載流量上升了，但整體電壓升高量與典型排布相差無幾，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)依然易于控制在允許范圍內(nèi)，而由于電壓相角對(duì)整個(gè)風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行影響不大，其微小偏移對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

但與此同時(shí)，由于kruskal算法的結(jié)果中所有風(fēng)機(jī)只經(jīng)過一條電纜線匯流到匯流母線進(jìn)行升壓，不同的電纜線路載流量差距巨大，潮流計(jì)算前提出的均一網(wǎng)假設(shè)很可能無法同時(shí)匹配兩種拓?fù)浞绞綄?duì)電纜線的要求。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法求得的拓?fù)淇煽啃韵啾扔诜派滏準(zhǔn)礁睿渲嘘P(guān)鍵的某一條或幾條電纜故障后造成的損失可能比放射鏈?zhǔn)焦收蠒r(shí)更大。除此之外，采用標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于線路載流量高，總功率損耗也有少量升高，抵消了一部分減少電纜的鋪設(shè)線路所帶來的成本降低，具體效果需要采用完善的經(jīng)濟(jì)比較模型進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比。因此總的來說，使用標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法是一個(gè)較為直觀且簡單的優(yōu)化方法，效果一目了然，但在可行性方面有待商榷。

本發(fā)明設(shè)計(jì)計(jì)及可靠性約束的改進(jìn)kruskal算法進(jìn)行優(yōu)化，具體流程圖如圖2。對(duì)已經(jīng)算得的標(biāo)準(zhǔn)kruskal結(jié)果進(jìn)行再處理。標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法中亟待解決的核心問題是線路載流量極為不均勻。依據(jù)此思路，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法求得的結(jié)果進(jìn)行分析，找出其中是哪一條線路對(duì)該拓?fù)涞妮d流量影響最大，進(jìn)而選取其他線路或增加輔助線路代替，最終使得拓?fù)渲械拿恳粭l線路都滿足載流量的要求。

該方法并未對(duì)kruskal算法的使用本身做出任何更改，而是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法計(jì)算出的拓?fù)涓鶕?jù)原定線路載流量的約束做了少許必要更改使其滿足條件，而又不至于像典型排布那樣具有許多冗余線路。這種對(duì)標(biāo)準(zhǔn)kruskal的拓?fù)涓牡姆椒ㄗ钪饕奶攸c(diǎn)是保留了原來拓?fù)溥h(yuǎn)端或相距非常近的點(diǎn)之間的樹，使其在滿足條件內(nèi)的部分以最小生成樹的形式繼續(xù)留在拓?fù)渲校欢鴮?duì)于靠近匯流點(diǎn)的電纜線，基于標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的拓?fù)涫沟眠h(yuǎn)端的風(fēng)機(jī)功率在送至匯流點(diǎn)的過程中會(huì)越來越集中，而該再約束算法會(huì)從靠近不滿足線路最大載流量的線路節(jié)點(diǎn)開始對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，篩選出其他可供輸送功率的多條支路，選出其中最小的一條最為輔助路徑加入到拓?fù)渲?，再去除輔助路徑加入后可能出現(xiàn)的不必要的多重環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以此逐步對(duì)每一條超過載流量的線路進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿意的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用計(jì)及可靠性約束的kruskal算法對(duì)上述算例進(jìn)行優(yōu)化后結(jié)果如圖6。

該方法在對(duì)kruskal結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化后，由于電路中形成了環(huán)網(wǎng)，每條線路的載流量無法再簡單地用該線路所連接的風(fēng)機(jī)數(shù)量表示，這里近似認(rèn)為功率順著環(huán)網(wǎng)的不同兩條匯流路線平均分配。在匯流的過程中，每到一個(gè)載流量將要超過允許值的線路時(shí)，按照算法線路一般會(huì)在近處分為兩條不同的傳輸路徑并盡可能地平均帶載，以此來盡量發(fā)揮每條電路的載流能力，可以想象，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，風(fēng)電場拓?fù)鋵②呌诰W(wǎng)狀。

本發(fā)明采用電力系統(tǒng)成本評(píng)估中常用的等年值法來對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。等年值法是選取等年值費(fèi)用最小的方案為最佳方案，該方案將電網(wǎng)設(shè)備在使用壽命內(nèi)的所有費(fèi)用均換算成每年等值費(fèi)用。

根據(jù)計(jì)算，可算得本發(fā)明中給出的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定投資成本如下表1。

表1不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定投資成本表

這里根據(jù)線路最大載流量而選取了不同的電纜規(guī)格，可以看出，雖然標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的電纜線長度很短，但由于其對(duì)電纜線橫截面規(guī)格要求很高，實(shí)際投資成本并沒有顯著降低，而優(yōu)化算法在投資成本上明顯降低。

這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總年損耗費(fèi)用如下表2。

表2不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年損耗費(fèi)用表

根據(jù)計(jì)算，這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年故障損失功率與總平均功率成本如下表3。

表3不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年平均功率成本表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，標(biāo)準(zhǔn)kruskal在計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后，其平均功率成本反而不如典型放射鏈?zhǔn)脚挪?，這是由于在光考慮其電纜線投資建設(shè)的同時(shí)忽略了可能影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的其他方面因素，如電纜線截面取值、由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不可靠帶來的故障功率損失等。而對(duì)于經(jīng)過優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，其平均功率成本較典型排布明顯降低。

和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)計(jì)及可靠性約束的改進(jìn)kruskal算法是從標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法的結(jié)果入手，從單獨(dú)連接的風(fēng)機(jī)向里找出超過載流量限制的線路，在其附近增加輔助電纜線，分擔(dān)功率輸送的同時(shí)在風(fēng)電場拓?fù)渲行纬森h(huán)網(wǎng)，加強(qiáng)了整個(gè)風(fēng)電場拓?fù)涞姆€(wěn)定性。

(2)本發(fā)明解決了以下問題：標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法求得的風(fēng)電場拓?fù)潆m然結(jié)構(gòu)上顯著減少了風(fēng)電場內(nèi)電纜線數(shù)量，但由于帶來的諸如可靠性與電纜線截面等問題，其在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中相對(duì)于典型排布方式并無優(yōu)勢可言。而將標(biāo)準(zhǔn)kruskal算法改進(jìn)后的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則兼顧了拓?fù)溥B線短與良好的可靠性，無論從拓?fù)渲庇^結(jié)果還是從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比來看都優(yōu)于原傳統(tǒng)排布結(jié)構(gòu)，值得在未來的工程中作為參考。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。