一种基于多目标优化的电网规划设计方法

摘要

本发明公开了一种基于多目标优化的电网规划设计方法，其综合考虑了经济性适应度指标、可靠性适应度指标和地理适应度指标，将可靠性指标转化成经济形式加入目标函数，使优化方案的综合效益达到最佳，而且可以对规划方案的经济性和可靠性进行灵活地评价，正确地反映投入资金对可靠性指标的增幅之间的确定关系，从而使电网规划的成本计算更为准确。

主权项

一种基于多目标优化的电网规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对规划区电网运行的历史数据，进行技术合理性、运行安全性和电网转供能力分析，作出电网现状评估；2)收集、分析规划区的经济、人口、政府的有关政策和城市总体发展规划的资料，利用空间电力负荷预测方法进行负荷预测；3)根据步骤2)得出的电力负荷总量，对规划区进行电力电量分析，确定规划区的电压等级序列、电网结构形式和设备选择原则，并且要与当地的地方电网规划原则相适应；4)将规划区按地块功能、地理环境和行政划分因素划分为若干个相互独立、多层次的供电区域；5)利用地理信息系统的数据库，在规划区内建立一个坐标系，确定各负荷中心的坐标；6)基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则对变电站进行优化初步选址，并根据地理情况做相应的站址调整，选出候选变电站站址，并计算其相应的经济性适应度；多源连续选址就是在一个规划区中同时确定几个变电站的站址，在建立模型时，基于不同目标所建立的模型不同，这里设所研究的问题有m个变电站，向n个负荷点供电，则基于等负荷原则、初投资最小原则、负荷距最小原则和网络运行费用最小原则的多源连续选址的目标函数分别为：${\mathrm{minf}}_1=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\delta }_{ji}\left[\right|u_j-x_i|+|v_j-y_i\left|\right]---\left(1\right)$${\mathrm{minf}}_2=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\delta }_{ji}{A}_i\left[\right|u_j-x_i|+|v_j-y_i\left|\right]---\left(2\right)$${\mathrm{minf}}_3=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\delta }_{ji}{P}_i\left[\right|u_j-x_i|+|v_j-y_i\left|\right]---\left(3\right)$${\mathrm{minf}}_4=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\delta }_{ji}{\beta }_i{P}_i\left[\right|u_j-x_i|+|v_j-y_i\left|\right]---\left(4\right)$$s.t.\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\delta }_{ji}=1,\left(i=1,2,3,...,n\right)---\left(5\right)$式中：P_i—各负荷点功率kWA_i—给负荷点i供电的配电线路的截面积β_i—单位距离、单位负荷的费用系数n—负荷点的总个数m—变电站的总个数(u_j,v_j)—第j个变电站的站址坐标(x_i,y_i)—第i个负荷点的坐标将四个原则综合考虑，引入经济性适应度评价函数E(f)，即$E\left(f\right)={\omega }_1\frac{f_1}{\min f_1}+{\omega }_2\frac{f_2}{\min f_2}+{\omega }_3\frac{f_3}{\min f_3}+{\omega }_4\frac{f_4}{\min f_4}---\left(6\right)$式中有E(f)＝E(U,V)，ω_i(i＝1,2,3,4)表示评价函数中各目标函数的相应的权系数；为求解以上权系数，引入均差排序法，求解上述各目标函数赋予的权重，步骤如下：先在其可行域上极小化各目标函数f_j(u,v)，得极小点(u^j,v^j)，$f_i(u^i,v^i)=\underset{(u,v)\in (U,V)}{min}{f}_i(u,v),i=1,2,...,m---\left(7\right)$利用这m个极小点，可以算出第i(i＝1,2,…,m)个目标关于各个极小点的离差${\delta }_i^j=f_i(u^j,v^j)-f_i(u^i,v^i),j=1,2,...,m---\left(8\right)$当j＝i时，有除了上式外，第i个目标关于其他各目标的离差共为m‑1个，对这些离差做算术平均可得到第i个目标关于各极小值点得的平均离差：并且Δ_i≥0，为使权系数规范化，可取作为目标f_i对应的权系数，所以评价函数可表示为$E(u,v)=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{\omega }_i{\bar{f}}_i---\left(9\right)$式中为f_i的标量化，通过评价函数评分，选出k个候选变电站站址；7)运用多层次分析法分析候选变电站站址的地理适应度，得出各候选变电站站址的地理适应度；使用AHP法进行地理适应度指标分析，这里引入地理适应度指标F(U,V)，即$F(U,V)=\frac{1}{m}\underset{j\in J(U,V)}{\Sigma }\frac{c_{ij}}{c_{imax}}---\left(10\right)$式中：m—变电站的总个数c_ij—第i个新建变电站的第j个候选站址评分c_imax—第i个新建站所有候选站址中评分最高值对用地性质、交通情况、施工条件、防洪排水、对通信的干扰和地形地质这6个方面进行评分，确定初选地址的地理适应度指标值；8)根据经济性指标和地理适应度组合所形成的评价函数，求解各候选变电站站址的综合适应度；引入综合适应度H(U,V)，作为经济适应度指标和地理适应度指标的综合评价函数,即$H(U,V)={\beta }_1\frac{1}{E(U,V)}+{\beta }_{2}F(U,V)---\left(11\right)$式中，β₁,β2表示评价函数中各目标函数的相应的权系数；9)将各候选变电站站址，按照综合适应度的高低进行排序，并将最优和次优的站址作为本次规划的优选站址；10)在步骤9)中选出的优选站址和电网现状评估的基础上，对电网进行网架优化；根据电网规划的经济性和可靠性分析，以供应方开发成本的贴现值最小和需求方缺电成本的贴现值最小为多目标电网规划问题的优化目标分别为：$\min f_1=\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}\frac{C_1\left(u\right(t-1\left)\right)+C_2\left(s\right(t\left)\right)}{{(1+r)}^{y_a\left(t-1\right)}}---\left(12\right)$$\min f_2=\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}\frac{C_3\left(s\right(t\left)\right)}{{(1+r)}^{y_a\left(t-1\right)}}---\left(13\right)$s(t)∈S(t)u(t)∈U(t)$P_{ij}\left(k\right)\le {\bar{P}}_{ij}$$P_{ij}^{\prime }\left(k\right)\le {\bar{P}}_{ij}$式中：T—规划期内的总阶段数s(t)—第t阶段的网络状态u(t)—从第t阶段到第t+1阶段的网络扩展方案C₁(u(t‑1))—第t阶段新增线路的投资费用C₂(s(t))—按方案u(t‑1)扩展网络到状态s(t)后网络的运行费用(包括网损费用和维护费用)C₃(s(t))—第t阶段的缺电成本y_a(t)—规划初期到第t阶段末的总年数引入评价函数Q(U,V),令$Q\left(f\right)={\eta }_1\frac{f_1}{\min f_1}+{\eta }_2\frac{f_2}{\min f_2}---\left(14\right)$式中η₁，η₂分别表示上式目标函数的权系数；网架优化规划分两阶段进行，第一阶段利用遗传算法求解单目标函数，第二阶段利用均差排序法求解出评价函数，其中评价函数值越小越好，表示供应方和需求方的损失达到最小，通过评价函数值大小排序来确定最优和次优方案；11)根据步骤10)中得到的网架优化的结果，选取最优和次优的两套方案，作为优选网架方案；12)根据优选变电站站址和优选网架方案的结果，制定规划方案，并进行技术经济评估，得出一个最佳方案。