本發(fā)明涉及配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說,它涉及一種基于城市綜合管廊的配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù):
2013年,國務(wù)院出臺了《關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》,提出用3年左右時間在全國36個大中城市啟動地下綜合管廊試點(diǎn)工程,其他中小城市因地制宜建設(shè)一批綜合管廊項(xiàng)目。同時,國家鼓勵新建道路、城市新區(qū)和各類園區(qū)地下管網(wǎng)按綜合管廊模式進(jìn)行開發(fā)建設(shè)。近兩年,國務(wù)院以及住建部、財(cái)政部、國家能源局等國家部委又陸續(xù)出臺了關(guān)于深化城市綜合管廊建設(shè)的相關(guān)指導(dǎo)意見,各試點(diǎn)城市及其他具備條件的城市新區(qū)、開發(fā)區(qū)等綜合管廊建設(shè)管理和技術(shù)日漸成熟,地下管廊規(guī)模日趨龐大。
現(xiàn)階段城市新區(qū)的中壓電力線路均以電纜為主,傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式占用地下空間較多且較雜亂,新增負(fù)荷增設(shè)管道或電纜維修時,會造成道路的反復(fù)開挖。地下綜合管廊可以收納較多電力電纜,集約利用空間,管廊內(nèi)良好的工況便于電纜的運(yùn)行維護(hù)和后期改建、擴(kuò)建,電力電纜納入城市地下綜合管廊是科學(xué)可行也是非常必要的。
然而,城市綜合管廊建設(shè)給配電網(wǎng)規(guī)劃工作提出新的思路和要求:一方面,綜合管廊規(guī)劃在布局上要依托電力電纜通道規(guī)劃,管廊中電力倉要滿足電纜的技術(shù)要求,優(yōu)化管廊斷面布置;另一方面,電力電纜通道規(guī)劃也應(yīng)在綜合管廊的規(guī)劃布局基礎(chǔ)上合理整合歸并通道資源,集約利用地下空間與地下綜合管廊規(guī)劃形成良好互動。上述線路路徑規(guī)劃是配電網(wǎng)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),目前的方法大部分時候?qū)⒕€路路徑規(guī)劃與配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃同步開展,以啟發(fā)式算法為主,可以保證配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的規(guī)范性和可拓展性,但線路路徑不一定能達(dá)到最優(yōu),也不適應(yīng)有城市綜合管廊建設(shè)的情況,有待提出更加新穎有效的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對實(shí)際運(yùn)用中城市綜合管廊配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃不一定能夠達(dá)到最優(yōu),即投資費(fèi)用最小這一問題。本發(fā)明基于城市新區(qū)綜合管廊建設(shè)的特點(diǎn),結(jié)合配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃的要求,提出一種基于城市綜合管廊的配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃方法,以年綜合投資費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),利用dijkstra算法求解電纜線路最短路徑,優(yōu)化城市新區(qū)電力設(shè)施布局,引導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)科學(xué)有序開展。
本發(fā)明的解決方案:基于城市綜合管廊的配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃方法,該方法包括如下步驟:
s1,建立中壓線路供電規(guī)劃區(qū)域;
s2,建立中壓線路路徑規(guī)劃模型,包括,
s21,設(shè)定目標(biāo)函數(shù),
以年綜合投資費(fèi)用f(x)最小作為規(guī)劃目標(biāo),其中包括電纜建設(shè)投資(含土建費(fèi)用和電纜材料費(fèi)用)、年運(yùn)行費(fèi)用及損耗:
等式右邊第一項(xiàng)為年固定投資及年運(yùn)維費(fèi)用,其中年運(yùn)維費(fèi)用取年固定投資一定的折算系數(shù)m,采用“現(xiàn)值轉(zhuǎn)年法”,將總的費(fèi)用折算成每年內(nèi)的建設(shè)費(fèi)用,
等式右邊第二項(xiàng)為網(wǎng)損費(fèi)用,λ為綜合電價;δpji為通過路徑j(luò)中的支路i的有功損耗,
s22,設(shè)定約束條件,
a、開環(huán)供電約束,
采用電源-開關(guān)站等雙回路供電模式,形成供電路徑時滿足該條件;
b、電纜容量約束,
流經(jīng)每段支路電纜的功率pji小于限值pji(lim),即:
pji≤pji(lim),j=1,2,…,dj;i=1,2…,di(2)
c、敷設(shè)電纜回路數(shù)約束,
每條支路上,采用不同的電纜敷設(shè)方式,其電纜條數(shù)ni不得超過綜合管廊電力倉或電纜排管規(guī)模的上限ni(max):
0≤ni≤ni(max)(3)
d、變電站出線數(shù)目約束,
每個變電站的出線數(shù)目mb小于等于變電站允許的出線數(shù)目限值mb(max),即
0≤mb≤mb(max)(4)
e、供電半徑約束,
在建立形成規(guī)劃區(qū)域時考慮變電站的供電半徑,保證所有開關(guān)站負(fù)荷在變電站的供電半徑范圍內(nèi);
s3,基于dijkstra算法優(yōu)化線路路徑,
根據(jù)所述規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的變電站和負(fù)荷點(diǎn)的分布,建立圖形g=(v,e),令g=(v,e)為一個帶權(quán)有向圖,上述帶權(quán)有向圖由集合v和e所構(gòu)成,其中v是非空的由有限個頂點(diǎn)所構(gòu)成的頂點(diǎn)集合,e則是由頂點(diǎn)對所構(gòu)成的路徑集合,上述頂點(diǎn)對又稱為邊(edge),即路徑;將圖中的頂點(diǎn)集合v分成兩組,第一組為已求出最短路徑的頂點(diǎn)集合s,初始時頂點(diǎn)集合s中只有源節(jié)點(diǎn),以后每求得一條最短路徑,就將它對應(yīng)的頂點(diǎn)加入到頂點(diǎn)集合s中,直到全部頂點(diǎn)都加入到頂點(diǎn)集合s中;第二組是未確定最短路徑的頂點(diǎn)集合u,在加入過程中,總保持從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)集合s中各頂點(diǎn)的最短路徑長度不大于從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)集合u中任何頂點(diǎn)的最短路徑長度;
dijkstra算法的計(jì)算步驟如下:
s31,初始化時,上述頂點(diǎn)集合s只含有源節(jié)點(diǎn);
s32,從頂點(diǎn)集合u中選取一個距離v最小的頂點(diǎn)k加入頂點(diǎn)集合s中,該選定的距離就是v到k的最短路徑長度;
s33,以k為新考慮的中間點(diǎn),修改頂點(diǎn)集合u中各頂點(diǎn)的距離;若從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)u的距離(經(jīng)過頂點(diǎn)k)比原來距離(不經(jīng)過頂點(diǎn)k)短,則修改頂點(diǎn)u的距離值,修改后的距離值是頂點(diǎn)k的距離加上k到u的距離;
s34,重復(fù)步驟s32和s33,直到所有頂點(diǎn)都包含在頂點(diǎn)集合s中。
進(jìn)一步的,所述步驟s1中,所述建立中壓線路供電規(guī)劃區(qū)域,具體步驟包括:
s11,根據(jù)城市新區(qū)總體布局,將城市新區(qū)按街道河流等劃分為若干功能區(qū);
s12,按照用地性質(zhì)將所述功能區(qū)劃分為建設(shè)開發(fā)單元,即以路網(wǎng)形成的網(wǎng)格作為建設(shè)開發(fā)單元;
s13,規(guī)劃區(qū)內(nèi)負(fù)荷以所述網(wǎng)格為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),中壓配電網(wǎng)構(gòu)成以開閉站(環(huán)網(wǎng)室)為節(jié)點(diǎn)的中壓配電網(wǎng)骨干網(wǎng)架。
進(jìn)一步的,所述建立圖形g=(v,e)的具體流程包括,
將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的變電站和負(fù)荷點(diǎn)當(dāng)作圖的頂點(diǎn),將規(guī)劃綜合管廊或可能開挖的電纜溝走廊的交叉處稱為交叉點(diǎn),將頂點(diǎn)和交叉點(diǎn)統(tǒng)稱為節(jié)點(diǎn),將各個節(jié)點(diǎn)間可能開挖電纜溝道的走廊稱作路徑,將以頂點(diǎn)為端點(diǎn)的路徑當(dāng)作圖的邊,將各條路徑和邊上線路的建設(shè)費(fèi)用(包括線路材料費(fèi)用和施工費(fèi)用)分別作為各條路徑的邊和權(quán),用w代表各條路徑的權(quán),以此將配電網(wǎng)規(guī)劃論域轉(zhuǎn)化為一個加權(quán)圖g=(v,e),其中v和e分別表示圖中所有頂點(diǎn)和邊的集合。
進(jìn)一步的,當(dāng)新增路徑和完善路徑時,各條路徑權(quán)值的計(jì)算方法為,
路徑的權(quán)值為新增一個開關(guān)站負(fù)荷后,網(wǎng)絡(luò)中各支路費(fèi)用,對支路i,可表示成:
wi=wfi+wli(5)
wfi為電纜投資綜合費(fèi)用,包括電纜通道建設(shè)費(fèi)用wdi和電纜材料投資費(fèi)用wci,wli為網(wǎng)損費(fèi)用,計(jì)算參見公式(1)。
本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果至少包括:
劃定規(guī)劃區(qū)域后,各個規(guī)劃區(qū)域呈網(wǎng)格狀,通過建立城市新區(qū)綜合管廊建設(shè)背景下配電網(wǎng)規(guī)劃中壓線路路徑規(guī)劃模型,將路徑規(guī)劃分為兩步:首先利用最短路徑法初步形成供電網(wǎng)格,且網(wǎng)格內(nèi)電纜路徑實(shí)現(xiàn)最優(yōu),完成主干線路規(guī)劃;再基于增量最短路徑法完成線路聯(lián)絡(luò),相比啟發(fā)式算法,該方法具有概念清晰,計(jì)算速度快,規(guī)劃效果好的特點(diǎn)。規(guī)劃后的配電網(wǎng)中壓線路不僅適應(yīng)于有城市綜合管廊建設(shè)的情況,并且綜合投資費(fèi)用最小,電纜路徑最短。
附圖說明
圖1為基于城市綜合管廊的配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃方法的流程示意圖;
圖2為本發(fā)明技術(shù)方案中dijkstra算法的計(jì)算步驟流程圖;
圖3為本發(fā)明建立中壓線路供電規(guī)劃區(qū)域的步驟流程圖;
圖4為配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃地理示意圖;
圖5為配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃電氣示意圖;
圖6為利用最短路徑法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)電纜路徑最優(yōu)的流程圖;
圖7為利用增量最短路徑算法決定各供電網(wǎng)格間的聯(lián)絡(luò)路徑,算法流程圖;
圖8為案例城市中綜合管廊的規(guī)劃圖;
圖9為案例城市中配電網(wǎng)供電網(wǎng)格圖;
圖10為案例城市中配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果圖;
圖11為中壓電纜線路路徑規(guī)劃結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施方式
目前城市新區(qū)的中壓線路敷設(shè)方式占用地下空間較多且較雜亂,新增負(fù)荷增設(shè)管道或電纜維修時,會造成道路的反復(fù)開挖,結(jié)合利用城市綜合管廊進(jìn)行電纜布局規(guī)劃可以解決上述問題。但是,電力電纜通道規(guī)劃中,如何在綜合管廊的規(guī)劃布局基礎(chǔ)上合理整合歸并通道資源,集約利用地下空間與地下綜合管廊規(guī)劃形成良好互動,成為了新的路徑規(guī)劃難點(diǎn)。目前的方法大部分時候?qū)⒕€路路徑規(guī)劃與配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃同步開展,以啟發(fā)式算法為主,可以保證配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的規(guī)范性和可拓展性,但線路路徑不一定能達(dá)到最優(yōu),也不適應(yīng)已經(jīng)有城市綜合管廊建設(shè)的情況。
本發(fā)明技術(shù)方案提出的解決思路是:首先利用最短路徑法初步形成供電網(wǎng)格,且網(wǎng)格內(nèi)電纜路徑實(shí)現(xiàn)最優(yōu),完成主干線路規(guī)劃;再基于增量最短路徑法完成線路聯(lián)絡(luò),該方法具有概念清晰,計(jì)算速度快,規(guī)劃效果好的特點(diǎn)。
下面結(jié)合實(shí)施例及圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明,但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。
一種基于城市綜合管廊的配電網(wǎng)中壓線路路徑規(guī)劃方法,如圖1所示,該方法包括如下步驟:
s1,建立中壓線路供電規(guī)劃區(qū)域;
s2,建立中壓線路路徑規(guī)劃模型,包括:
s21,設(shè)定目標(biāo)函數(shù),
以年綜合投資費(fèi)用f(x)最小作為規(guī)劃目標(biāo),其中包括電纜建設(shè)投資(含土建費(fèi)用和電纜材料費(fèi)用)、年運(yùn)行費(fèi)用及損耗:
等式右邊第一項(xiàng)為年固定投資及年運(yùn)維費(fèi)用,其中年運(yùn)維費(fèi)用取年固定投資一定的折算系數(shù)m,采用“現(xiàn)值轉(zhuǎn)年法”,將總的費(fèi)用折算成每年內(nèi)的建設(shè)費(fèi)用,
等式右邊第二項(xiàng)為網(wǎng)損費(fèi)用,λ為綜合電價;δpji為通過路徑j(luò)中的支路i的有功損耗,
s22,設(shè)定約束條件,
a、開環(huán)供電約束,
采用電源-開關(guān)站等雙回路供電模式,形成供電路徑時滿足該條件;
b、電纜容量約束,
流經(jīng)每段支路電纜的功率pji小于限值pji(lim),即:
pji≤pji(lim),j=1,2,…,dj;i=1,2…,di(2)
c、敷設(shè)電纜回路數(shù)約束,
每條支路上,采用不同的電纜敷設(shè)方式,其電纜條數(shù)ni不得超過綜合管廊電力倉或電纜排管規(guī)模的上限ni(max):
0≤ni≤ni(max)(3)
d、變電站出線數(shù)目約束,
每個變電站的出線數(shù)目mb小于等于變電站允許的出線數(shù)目限值mb(max),即
0≤mb≤mb(max)(4)
e、供電半徑約束,
在建立形成規(guī)劃區(qū)域時考慮變電站的供電半徑,保證所有開關(guān)站負(fù)荷在變電站的供電半徑范圍內(nèi)。
s3,基于dijkstra算法優(yōu)化線路路徑,
根據(jù)所述規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的變電站和負(fù)荷點(diǎn)的分布,建立圖形g=(v,e),令g=(v,e)為一個帶權(quán)有向圖,上述帶權(quán)有向圖由集合v和e所構(gòu)成,其中v是非空的由有限個頂點(diǎn)所構(gòu)成的頂點(diǎn)集合,e則是由頂點(diǎn)對所構(gòu)成的路徑集合,上述頂點(diǎn)對又稱為邊(edge),即路徑;將圖中的頂點(diǎn)集合v分成兩組,第一組為已求出最短路徑的頂點(diǎn)集合s,初始時頂點(diǎn)集合s中只有源節(jié)點(diǎn),以后每求得一條最短路徑,就將它對應(yīng)的頂點(diǎn)加入到頂點(diǎn)集合s中,直到全部頂點(diǎn)都加入到頂點(diǎn)集合s中;第二組是未確定最短路徑的頂點(diǎn)集合u,在加入過程中,總保持從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)集合s中各頂點(diǎn)的最短路徑長度不大于從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)集合u中任何頂點(diǎn)的最短路徑長度。
如圖2所示,dijkstra算法的計(jì)算步驟如下:
s31,初始化時,上述頂點(diǎn)集合s只含有源節(jié)點(diǎn);
s32,從頂點(diǎn)集合u中選取一個距離v最小的頂點(diǎn)k加入頂點(diǎn)集合s中,該選定的距離就是v到k的最短路徑長度;
s33,以k為新考慮的中間點(diǎn),修改頂點(diǎn)集合u中各頂點(diǎn)的距離;若從源節(jié)點(diǎn)v到頂點(diǎn)u的距離(經(jīng)過頂點(diǎn)k)比原來距離(不經(jīng)過頂點(diǎn)k)短,則修改頂點(diǎn)u的距離值,修改后的距離值是頂點(diǎn)k的距離加上k到u的距離;
s34,重復(fù)步驟s32和s33,直到所有頂點(diǎn)都包含在頂點(diǎn)集合s中。
dijkstra(迪杰斯特拉)算法在配電網(wǎng)供電最佳搶修路徑計(jì)算中得到應(yīng)用,在已知通道信息和變電站、開關(guān)站位置的條件下,本發(fā)明技術(shù)方案利用dijkstra算法,計(jì)算開關(guān)站和變電站之間的最短路徑(新增節(jié)點(diǎn)時產(chǎn)生新費(fèi)用最小),使供電網(wǎng)格內(nèi)的電纜路徑最優(yōu)。
當(dāng)采用最短路徑法規(guī)劃網(wǎng)格供電路徑時,每當(dāng)新增路徑和完善路徑時,都需要計(jì)算路徑權(quán)值。路徑的權(quán)值為新增一個開關(guān)站負(fù)荷后,網(wǎng)絡(luò)中各支路費(fèi)用,對支路i,可表示成:
wi=wfi+wli(5)
wfi為電纜投資綜合費(fèi)用,包括電纜通道建設(shè)費(fèi)用wdi和電纜材料投資費(fèi)用wci,wli為網(wǎng)損費(fèi)用,計(jì)算參見公式(1)。
如圖3所示,所述步驟s1中,所述建立中壓線路供電規(guī)劃區(qū)域,具體步驟包括:
s11,根據(jù)城市新區(qū)總體布局,將城市新區(qū)按街道河流等劃分為若干功能區(qū);
s12,按照用地性質(zhì)將所述功能區(qū)劃分為建設(shè)開發(fā)單元,即以路網(wǎng)形成的網(wǎng)格作為建設(shè)開發(fā)單元;
s13,規(guī)劃區(qū)內(nèi)負(fù)荷以所述網(wǎng)格為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),中壓配電網(wǎng)構(gòu)成以開閉站(環(huán)網(wǎng)室)為節(jié)點(diǎn)的中壓配電網(wǎng)骨干網(wǎng)架。
上述這種供電模式使中壓線路的供電范圍也呈現(xiàn)“網(wǎng)格化”的形式,配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃地理示意圖和電氣示意圖分別如附圖4、附圖5所示。
在步驟s3中,變電站-開關(guān)站電纜路徑確定中應(yīng)用dijkstra算法的關(guān)鍵問題是如何把待研究問題轉(zhuǎn)化為圖論問題,即各相關(guān)量之間的對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明技術(shù)方案中,所述建立圖形g=(v,e)的具體流程包括,
將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的變電站和負(fù)荷點(diǎn)當(dāng)作圖的頂點(diǎn),將規(guī)劃綜合管廊或可能開挖的電纜溝走廊的交叉處稱為交叉點(diǎn),將頂點(diǎn)和交叉點(diǎn)統(tǒng)稱為節(jié)點(diǎn),將各個節(jié)點(diǎn)間可能開挖電纜溝道的走廊稱作路徑,將以頂點(diǎn)為端點(diǎn)的路徑當(dāng)作圖的邊,將各條路徑和邊上線路的建設(shè)費(fèi)用(包括線路材料費(fèi)用和施工費(fèi)用)分別作為各條路徑的邊和權(quán),用w代表各條路徑的權(quán),以此將配電網(wǎng)規(guī)劃論域轉(zhuǎn)化為一個加權(quán)圖g=(v,e),其中v和e分別表示圖中所有頂點(diǎn)和邊的集合。
利用最短路徑法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)電纜路徑最優(yōu)的流程如附圖6所示,利用最短路徑算法,決定各供電網(wǎng)格間的聯(lián)絡(luò)路徑,算法流程如附圖7所示。
實(shí)施案例:
某市科技城位于由技術(shù)研發(fā)區(qū)、科技創(chuàng)業(yè)區(qū)、教育培訓(xùn)區(qū)、生活服務(wù)區(qū)四大功能區(qū)塊構(gòu)成,如圖8所示,規(guī)劃形成和城市規(guī)劃相協(xié)調(diào),城市道路下部空間得到合理、有效利用,具有超前性、綜合性、合理性、實(shí)用性的綜合管廊系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案中提出的規(guī)劃模型和基于最短路徑的配電網(wǎng)供電網(wǎng)格電纜線路優(yōu)化方法,在完成負(fù)荷預(yù)測、高壓配電網(wǎng)規(guī)劃、確定開關(guān)站(環(huán)網(wǎng)室)位置的情況下,采用規(guī)劃算法形成的配電網(wǎng)供電網(wǎng)格如案例圖9所示。
其中,參數(shù)給定如下:r0=0.1;n=30;對于綜合管廊,入廊建設(shè)費(fèi)用暫按直埋敷設(shè)成本進(jìn)行估算,除綜合管廊外,僅考慮電纜排管,分別為8孔,12孔和24孔三種。配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果如圖10所示,中壓電纜線路路徑規(guī)劃結(jié)果示意圖如圖11所示。
由于在中壓線路路徑規(guī)劃過程中,充分考慮到了城市新區(qū)綜合管廊的因素,規(guī)劃后的配電網(wǎng)中壓線路不僅適應(yīng)于有城市綜合管廊建設(shè)的情況,并且由于采用了年綜合投資費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),有效結(jié)合dijkstra算法,使得電纜路徑最短,投資費(fèi)用最低。相比于啟發(fā)式算法,該方法也具有概念清晰,計(jì)算速度快,規(guī)劃效果好的特點(diǎn)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例,凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。