说明书一种基于最大供电能力的配电网分区方法
技术领域
本发明属于配电系统技术领域，尤其涉及一种基于最大供电能力的配电网分区方法。
背景技术
长期以来，我国许多城市的电网存在着供电能力不足、网络转移能力不确定、电网设备利用率不高、负载不均衡、损耗大等诸多问题。电力系统面临着日益繁重的规划任务，这对配电网提出了更高的要求，城市配电网络的供电分区优化成为一个值得重视的问题。
传统的配电网分区研究主要依靠人工经验，该法主观影响较大，很多重要因素，比如整个配网的供电能力变化情况等，都没有考虑到，从而无法得到真正最优的结果，造成了规划上的偏差。当前出现的较为先进的分区方法主要包括自由分区，均一网格，等负荷分区法等。
随着配电系统的发展和供电需求的提高，对配电网安全性、稳定性、技术合理性、经济性等方面提出了更高的要求，因此也需要更准确、合理的方法来评估配电网的现状供电能力，优化配电网的分区结构。以前配网分区研究中多侧重于根据负荷分布、地理位置来确定分区方案，对网络最大供电能力的研究涉及较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于最大供电能力的配电网分区方法，旨在解决传统的配电网分区研究主要依靠人工经验，主观影响较大，偏差较大，效率较低的问题。
本发明是这样实现的：对于给定配电网，先算出每一条联络的有效度，参考联络有效度的大小，优先断开无效联络和有效度不高的联络，结合地理位置确定初步分区方案；结合站间联络的有效度，最后分别计算出各自的TSC，再减去未分区前的TSC，找到差值最小的方案，筛选出较为合理的那一种，确定为最优分区方案；
基于最大供电能力的最优分区选择方法，利用最大供电能力选择最优分区方案时，对各个站间联络的断开情况进行排列组合，列出所有可能的分区方案之后，再从这些方案中筛选出分区前后TSC误差最小的结果后，再剔除不合理的分区方案。
进一步，基于最大供电能力的最优分区选择方法包括以下步骤：
步骤一，对变电站编号；
步骤二，确定配电网分区个数；
步骤三，计算每条联络的有效度以及各站间联络的有效度；
步骤四，结合有效度分析和变电站的地理位置确定初步分区方法；
步骤五，计算分区前的总供电能力和网络转移供电能力；
步骤六，计算各方案的总供电能力和网络转移供电能力；
步骤七，计算各方案分区前后的NTC之差，按从小到大的顺序排序；
步骤八，从排序中选取差值小的方案；
步骤九，该方案的各区域符合分配是否均匀，均匀则执行步骤十，不均匀则删除该方案，返回步骤八；
步骤十，确定该方案为最优方案。
进一步，分析联络有效度或者某个联络组合的有效度的方法如下：
(1)计算所有联络都存在时配电网的网络转移供电能力NTC，记为NTCa；
(2)断开所要研究的那条联络或那个联络组合，计算此时配网的TSC，记为NTCb；
(3)计算NTCa与NTCb的差值，值越大则该条联络或该联络组合越有效。
进一步，最优分区，即在考虑经济因素和地理环境状况下，在无效联络处或者近似无效联络处断开这些联络，使分区前后配网供电能力变化极小，并使各区负荷相近，而形成的分区。
进一步，最优分区方案的选择依据：分区前后TSC的差值最小，计算精度高；分为某几个区域后，各个区域内各变电站联系紧密，没有孤立的变电站；分区过程中断开的联络多为无效或近似无效联络，有效联络较少；分区后，各区域负荷分布均匀，各区域间变电站数目相差不大。
本发明提供的基于最大供电能力的配电网分区方法，以配电系统最大供电能力为理论基础，结合联络有效度理论，提出了确定配电网最优分区方案的方法，经过实际电网中算例的验证，最终得到一系列可操作性的建议，以指导城市配电系统优化及规划工作。相比于传统的配电网分区如自由分区法、均一分区法、等负荷分区法、遗传算法等，方法本方法具有如下优点：1、分区后的配电网损失的供电能力最低，有助于减少备用容量、提高设备利用率；2、适用性强，既能适用于小规模配电网，也能适用于大规模配电网；3、可操作性强，对各个方案的评判和最优方案的选择提供了量化计算的标准；4、分区后各区域内的变电站数目相差不大，联系紧密，无孤立的变电站；5、分区后，各区域间的负荷分布均匀，系统具有较高稳定性。
本发明提出了最优分区的概念，即在考虑经济因素和地理环境状况下，能使分区前后配网供电能力变化极小，并使各区负荷相近而形成的分区，这样形成的分区有利于减少备用容量，提高设备利用率，因此为最优分区，最优分区方案的主要特征是：分区前后供电能力的差值最小；分区过程中断开的站间联络多为无效或近似无效联络；分区后各区域内的变电站数目相差不大，联系紧密，无孤立的变电站；分区后，各区域间的负荷分布均匀，系统具有较高稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于最大供电能力的最优分区选择方法流程图；
图2是本发明实施例提供的10变电站-20主变-23条站间联络的配电网示意图；
图3是本发明实施例提供的实施例方案一的示意图；
图4是本发明实施例提供的实施例方案二的示意图；
图5是本发明实施例提供的实施例方案三的示意图；
图6是本发明实施例提供的实施例方案四的示意图；
图7是本发明实施例提供的实施例方案五的示意图；
图8是本发明实施例提供的实施例方案六的示意图；
图9是本发明实施例提供的实施例方案七的示意图；
图10是本发明实施例提供的实施例方案八的示意图；
图11是本发明实施例提供的实施例方案九的示意图；
图12是本发明实施例提供的实施例方案十的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
联络有效度概念
联络有效度反映了某条联络的存在对配电系统总供电能力的影响，其定义如下：若增加该联络后，总供电能力(TSC)增大，则此联络为有效联络；若TSC不变，则其为无效联络；对于增加某条联络后，TSC增大不多与原值较为接近的，可将该联络定义为近似无效联络；
分析某条联络的有效度或者某个联络组合的有效度的方法如下：
(1)计算所有联络都存在时配电网的网络转移供电能力(NTC)，记为NTCa；
(2)断开所要研究的那条联络或那个联络组合，计算此时配网的BTC，记为NTCb；
(3)计算NTCa与NTCb的差值，值越大则该条联络或该联络组合越有效；
具体包括：
最大供电能力的计算方法：对于一个含多个互联变电站的配电网，满足N–1准则的最大供电能力模型如下：
Max TSC＝∑RiTi (1)
s.t.RiTi=Σj∈Ω1(i)Tri,j+Σj∈Ω2(i)Tri,j(∀i)(2)Tri,j+RjTj≤kRj(∀i,j∈Ω1(i))(3)Tri,j+RjTj≤Rj(∀i,j∈Ω2(i))(4)Tri,j≤RLi,j(∀i,j∈Ω1(i)∪Ω2(i))(5)Tmin≤Ti≤Tmax(∀i)(6)LD≤Σi∈ZRiTi(7)]]>
式(1)目标函数为系统最大供电能力，等于所有变电站主变负载之和，Ri为主变i的额定容量；Ti为主变i的负载率；
式(2)-(7)为TSC模型的约束条件，约束条件是以主变i为中心的主变联络单元的N–1准则约束，称为第i组约束条件，包括两类约束，一是基尔霍夫等式约束，二是设备热稳定容量不等式约束；
式(2)为负荷转带的等式约束，表示主变i故障时，事故前主变i正常所带负荷由站内其余主变和其他站联络主变共同转带，Tri,j为主变i故障时向主变j转移负荷的大小，分别表示与主变i站内联络主变集合和站外联络主变集合；
式(3)为站内负荷转带约束，表示站内主变j接受故障主变i的转移负荷后所供负荷不超过额定容量的k倍，Rj为主变j的额定容量；Tj为主变j的负载 率；k为主变短时允许过载系数，取1.0或1.3；
式(4)为站间负荷转带约束，表示站外联络主变j接受故障主变i的转移负荷后不过负荷，k取1.0；
式(5)为联络容量约束，表示转移负荷不超过联络通路的极限容量，RLi,j为主变i与主变j间联络的极限容量；
式(6)为主变负载率约束，表示主变负载率需要介于负载率上下限之间，取0～0.95，增加约束指定某些已知负载率区间的主变；
式(7)为区域负载约束，含义是某个局部区域内的主变负载之和大于给定负载LD，Z为该区所有主变集合，这种区域即是重载区，大部分负荷无法转移到该区域以外电网；
变电站供电能力计算方法：SSC是指一定供电区域内配电网变电站容量配置及站内联络提供的供电能力，数值等于断开所有站间联络后的TSC值；
网络转移能力计算方法：NTC指一定供电区域内配电网通过增加站间联络而新获得的供电能力，NTC＝TSC-SSC；
联络有效度计算方法：Li,j表示第i台主变与第j台主变间的联络，定义单条联络的有效度E(i,j)；定义一组联络的有效度为E{(i1,j1),(i2,j2),...,(in,jn)}，E(i,j)和E{(i1,j1),(i2,j2),...,(in,jn)}分别为减少某一个联络Li,j或联络集合Li1,j1、Li2,j2、Li3,j3、…、Lin,jn前后NTC的变化量；
E＝NTC'-NTC,E＝E(i,j)或E{(i1,j1),...,(in,jn)}；
E(i,j)＝0，即减少Li,j后，系统NTC不变，则称Li,j对供电能力无效；E(i,j)>0，即减少Li,j使系统NTC降低，则称Li,j对供电能力有效；E(i,j)越大，该联络对整个配电网供电能力的有效度越高，贡献越大。
基于最大供电能力的最优分区选择方法：对于给定的配电网，先算出每一条联络的有效度，参考联络有效度的大小，优先断开无效联络和有效度不高的联络，结合地理位置确定初步分区方案；结合站间联络的有效度，最后分别计算出各自的TSC，再减去未分区前的TSC，找到差值最小的方案，筛选出 较为合理的那一种，确定为最优分区方案。
最优分区概念
所谓最优分区，即在考虑经济因素和地理环境状况下，尽量在无效联络处或者近似无效联络处断开这些联络，使分区前后配网供电能力变化极小，并使各区负荷相近，而形成的分区；这样形成的分区通常情况下与分区之前的TSC的差别不大，且各区的负荷值相近，有利于减少备用容量，提高设备利用率，因此为最优分区；
最优分区方案的选择依据可归纳如下：分区前后TSC的差值最小，计算精度高；分为某几个区域后，各个区域内各变电站联系紧密，没有孤立的变电站；分区过程中断开的联络多为无效或近似无效联络，有效联络较少；分区后，各区域负荷分布均匀，各区域间变电站数目相差不大，系统具有较高稳定性。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的基于最大供电能力的最优分区选择方法：
对于给定配电网，可以先算出每一条联络的有效度，参考联络有效度的大小，优先断开无效联络和有效度不高的联络，结合地理位置确定初步分区方案；但是，由于分区过程中需要同时断开某两变电站之间的所有联络，而这些联络中可能既有无效联络，又有有效联络，因此不能单纯地用无效联络或者近似无效联络的某种组合来分区，还要结合站间联络的有效度，最后分别计算出各自的TSC，再减去未分区前的TSC，找到差值最小的方案，筛选出较为合理的那一种，确定为最优分区方案；具体流程如图1所示；
基于最大供电能力的最优分区选择方法包括以下步骤：
S101：对变电站编号；
S102：确定配电网分区个数；
S103：计算每条联络的有效度以及各站间联络的有效度；
S104：结合有效度分析和变电站的地理位置确定初步分区方法；
S105：计算分区前的总供电能力和网络转移供电能力；
S106：计算各方案的总供电能力和网络转移供电能力；
S107：计算各方案分区前后的NTC之差，按从小到大的顺序排序；
S108：从排序中选取差值小的方案；
S109：该方案的各区域符合分配是否均匀，均匀则执行步骤S110，不均匀则删除该方案，返回步骤S108；
S110：确定该方案为最优方案。
本发明的具体实施例：
1、算例概述：
如图2所示，此算例为10变电站-20主变-23条站间联络的配电网，每座变电站中有两座互连的主变，主变容量均为40MVA。所有站内联络容量认为足够，与主变容量相同，算例中各条联络的电压等级为10kV，是对实际电网的复杂站间联络进行简化之后得到的。
2、基于最大供电能力的最优分区方案具体实施如下：
步骤一，对主变进行编号1,2，…，20，对变电站编号A,B,…J；
步骤二，根据实际情况确定配电网分区个数2；
步骤三步骤四，给每条联络编号并计算其有效度，给各个站间联络编号并计算其有效度；
根据联络有效度的概念，若断开某条联络后，网络最大供电能力(TSC)不变，则此联络为无效联络；若TSC与原值接近，则可定义为近似无效联络；若相差较大，则其为有效联络。如果仅断开一条联络，计算此时配网的NTC与断开之前配网的NTC之差，即可得知这条联络的有效度。算例中23条联络的有效度如表2所示：
表2单条联络有效度
注：其中未分区时NTC为176MVA：
由上表可知，联络9-11、9-12、10-11、10-12都是无效联络，而且10-19又是近似无效联络，方案一正是断开了这五条联络，自然对配网的供电能力影响很小，导致总供电能力的计算值与未分区前十分接近，NTC误差很小。
同理，研究两座变电站站间联络的有效度，可以断开这两座站之间所有的联络后，比较此时NTC与原NTC的差值。下表为对应行列两变电站站间联络的有效度分析，表中数值为断开其站间联络后配网的NTC值：
表3站间联络有效度分析(单位MVA)
注：“——”表示原算例配网两座站间无联络或者是与自身联络。
由上表可知：无效的站间联络有：E1(E,H)、E2(E,I)。近似无效的站间联络有：E3(E,F)、E4(F,J)；E5(E,J)。有效的站间联络有：E6(C,F)、E7(E,B)；E8(G,J)、E9(A,E)、E10(D,E)、E11(D,H)；E12(C,G)、E13(H,I)；E14(A,B)。
再结合表2可以看到：若干个单条无效联络的组合不一定还是无效联络，若干个单条有效联络的组合也不一定还是有效联络，同样有效联络和无效联络组合的有效度也不是确定的。但是单条无效联络较多的组合倾向于仍为无效联络或者变为近似无效联络，同时某些有效联络的组合也可能成为无效联络或者近似无效联络。选择分区方案时可以参考联络有效度的结论，优先考虑断开有效度较低的站间联络的方案。
根据上述表格数据对比十九种方案，发现方案一分区前后NTC的差值最小，分为两个区域后，各个区域内各变电站联系紧密，没有孤立的变电站，且分区后地理位置上分布均匀，负荷分布平均，系统具有较高稳定性。(方案一中，两区域间变电站数目相差不大)，因此可选定方案一为最优分区方案。
步骤五，结合有效度分析和变电站的地理位置确定初步分区方法Case1，Case2，…，Case10；算例配网共有14组站间联络，全部的方案列出之后，将有213-1种。为篇幅所限，本发明结合表3-表4的结论，列出几种较为可行的方案如下，各方案断开的单条联络、站间联络及其有效度都标注在后，如图3-图12所示；
方案一，断开E-F,E-J：两个近似无效站间联络；一条近似无效联络、四条无效联络；
方案二，断开D-E,E-H,E-I：一个有效站间联络，两个无效站间联络；一条有效联络、三条无效联络；
方案三，断开C-F,F-J,E-J：两个近似无效站间联络，一个有效站间联络；四条近似无效联络、一条无效联络；
方案四，断开D-E,D-H,A-E,B-E：四个有效站间联络；四条有效联络；
方案五，断开A-B，A-E，D-E，H-E，I-E：三个有效站间联络，两个无效站间联络；六条有效联络；
方案六，断开B-E，A-E，D-E，H-E，I-E：三个有效站间联络，两个无效站间联络；六条有效联络；
方案七，A-E，B-E，F-C，G-J；四个有效站间联络；五条有效联络；
方案八，A-E，B-E，D-E，D-H，E-F，E-J：一个近似无效站间联络，四个有效站间联络；四条有效联络，一条近似无效联络、四条无效联络；
方案九，A-E，B-E，D-E，D-H，F-C，G-J：六个有效站间联络；七条有效联络；
方案十，A-E，B-E，D-E，D-H，F-C，E-J，F-J：两个近似无效站间联络，五个有效站间联络；八条有效联络，一条近似无效联络。
使用LINGO软件可以方便地算出一个配电网络的总供电能力(TSC)和网络供电能力NTC。
按步骤六七八计算上述十种分区方案的总供电能力(TSC)和网络转移供电能力(NTC)，求出分区前后网络转移供电能力(NTC)的差值。如下表所示：
表1分区方案供电能力对比
分析上表可知：分区后算例配网的的总供电能力比分区前有所减少，这是由于分区过程中会断开一些联络，使得网络转移供电能力下降，从而总供电能力也相应下降。
步骤九，从排序中选取差值小的方案，即方案一；
步骤十，该方案的各区域地理位置分布合理且负荷分配较为均匀；
步骤十一，因此方案一为最优分区方案。
本发明介绍了联络有效度的定义和分析方法。联络有效度反映了某条联络的存在对配电系统总供电能力的影响。若增加该联络后，总供电能力(TSC)增大，则此联络为有效联络；若TSC不变，则其为无效联络。
本发明提出了最优分区的概念，即在考虑经济因素和地理环境状况下，能使分区前后配网供电能力变化极小，并使各区负荷相近而形成的分区。这样形成的分区有利于减少备用容量，提高设备利用率，因此为最优分区。最优分区方案的主要特征是：分区前后供电能力的差值最小；分区过程中断开的站间联络多为无效或近似无效联络；分区后各区域内的变电站数目相差不大，联系紧密，无孤立的变电站；分区后，各区域间的负荷分布均匀，系统具有较高稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。