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第29卷第10期中国电机工程学报Vol.29No.10Apr.5,20092009年4月5日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.59文章编号:0258-8013(2009)10-0059-08中图分类号:TM715文献标志码:A学科分类号:470⋅40城市电网网架结构与分区方式的两层多目标联合规划孔涛1,程浩忠1,王建民2,李亦农2,王赛一2(1.上海交通大学电气工程系,上海市闵行区200240;2.上海市电力公司市区供电公司,上海市虹口区200080)UnitedUrbanPowerGridPlanningforNetworkStructureandPartitionSchemeBasedonBi-levelMulti-objectiveOptimizationWithGeneticAlgorithmKONGTao1,CHENGHao-zhong1,WANGJian-min2,LIYi-nong2,WANGSai-yi2(1.Dept.ofElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,MinhangDistrict,Shanghai200240,China;2.ShanghaiUrbanPowerSupplyCompany,HongkouDistrict,Shanghai200080,China)ABSTRACT:Aunitedplanningmethodforurbanpowernetworkplanningandpartitionschemeoptimizationwasproposed.Thepartitionmethodwasproposedfirst,andthebi-levelmulti-objectiveunitedplanningmodelofnetworkandpartitionschemewasconstructed,whichwassolvedbymulti-objectivegeneticalgorithm(MOGA).Preconditionofthesolutionwasassumed,andthebi-levelmulti-objectivemodelwastransferredtoacorrespondingsinglelevelmulti-objectivemodel.Tosolvetheisolatedislandproblemcausedbyunitedcodingstrategy,aconnectivenetworkformulationmethodwasproposed.KeystepsofMOGAsuchasfitnessfunction,elitesavingandstratifiedevolutionweredesigned,andtheefficientsolutionsetofbi-levelmulti-objectiveproblemwasformedwiththesolutionofthecorrespondingsinglelevelproblem.Themodelandalgorithmareintensivelytestedinrealpowersystem,provingtheirpotentialinpracticalapplications.KEYWORDS:urbanpowernetworkplanning;partitionmode;powersupplycapability;bilevelmultiobjectiveoptimization;multiobjectivegeneticalgorithm;stratifiedevolution摘要:提出城市电网网架结构与分区方式的联合规划方法。首先提出城市电网分区方法,进而构建联合规划的数学模型,并使用多目标遗传算法求解。设定模型求解的前提条件,将两层规划模型的求解转化为相应的单层多目标优化问题的求解。针对联合编码策略所引起的孤岛问题提出连通网架形成方法。通过适应度计算、精英保存、分层进化等环节的设计,使多目标遗传算法在求解单层多目标优化问题过程中基金项目:上海市重点科技攻关项目(041612012);高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划。逐渐形成接近分层多目标优化问题有效解集的一组解。对实际系统的应用结果表明该文方法直接、有效。关键词:城市电网规划;分区方式;供电能力;两层多目标优化;多目标遗传算法;分层进化0引言城市电网属于受端系统,对供电能力的要求较高,因此规划中提出了不断加强昀高一级电力网络联系的要求,但网络联系的加强也带来了短路电流增大、高低压电磁环网等问题,因此,对城市电网提出分区运行的要求,能够有效解决上述问题并有利于事故预案的编制与运行方式的调整等[1]。可见,分区运行是城市电网发展中具有重要意义的一项措施,因而分区方式的优化也有重要的现实意义。然而,分区方式的优化与网架结构的变化是密不可分的。有专家提出在电网的规划阶段考虑分区运行方式的优化[2],可以有效提高规划方案的实用性,但同时极大增加了规划的难度,例如规划目标的复杂性及问题的求解规模。网架结构与分区方式的优化,单独而言,都属于多目标优化问题;当两者联合规划时,分区方式的优化是在网架的基础上进行,因此属于分层规划研究的范畴。当前对单层多目标优化方法的研究已经较为成熟,并在电力网络规划中得到广泛应用,大体分为2类:1)通过各种有效的方法将多个规划目标函数统一成可以直接相加的形式,并通过权系数的选取体现各目标权重[3-6];2)基于Pareto的60中国电机工程学报第29卷多目标优化方法与现代启发式算法相结合[7-8],求解大规模组合优化问题。另一方面,分层规划的理论研究是当前的热点[9-16],但对具体求解方法的研究还较为缺乏,且多数集中在对线性两层规划方法的研究上[14];对多层整数规划[15],多层非线性规划[16]也有所涉及,但也仅限于各层只有一个目标函数的情况,不适用本文情况。近期出现了使用现代启发式算法求解分层多目标优化问题的研究,如文献[17]研究求解分层多目标优化问题的遗传算法,通过定义合理的选择操作和适应度函数有效引导搜索,直接求出分层多目标优化问题的解;文献[18]采用改进的粒子群算法并借助分层迭代的思想求解双层规划问题。此类方法思想新颖,为本文联合规划的求解提供了新的思路。通过总结、分析以往研究可知,求解本文两层多目标联合规划可有以下3种思路供选择:1)采用“完全分层法[14-19]”求解,首先求解上层多目标规划问题,得到一组网架优化的Pareto解集,然后从中选择昀优解作为上层优化问题的昀终解;在此基础上进行下层优化,得到下层多目标规划问题的Pareto解集,从中选择昀优解作为下层规划问题的昀终解。这种方法计算量较小,但将网架和分区方式的优化过程完全分离,无法在优化中动态协调两者关系以找到两者综合昀优的方案。2)在网架结构优化的同时,对代表网架的种群中的每一个个体进行分区方式的优化,从理论上讲这是昀为彻底的寻优,但本文两层多目标优化问题都是大规划组合优化问题,只有采用某些现代启发式方法,如遗传算法,才能有效求解,而遗传算法是一组解的进化,会造成计算量的极大增长,因此该方法是不可行的。3)将两层规划问题转化为相对应的单层规划问题,寻找两个问题“解”之间的关系,从而通过单层规划问题的解得到原来双层规划问题的解[9-13]。本文采用该思路,详见第2节“两层多目标规划问题的转化与分析”。因此,基于上述两层多目标规划求解的第3种思路和文献[17-18]中现代启发式算法的一些基本思想,本文提出了基于两层多目标优化遗传算法的网架结构与分区方式的联合规划方法:首先建立网架结构与分区方式的分层多目标联合规划模型,进而研究两层规划问题的转化及各层规划问题解集的相互关系,并设计两层多目标昀优化遗传算法的关键环节,有效求解本文联合规划模型,昀后通过某城市部分实际电网的规划结果表明了本文方法的有效性。1联合规划的数学描述1.1分区方法及变电站的“分区属性值”本文网架结构与分区方式联合规划中考虑以下3个方面的因素:1)经济性,即线路投资;2)供电充裕度,用于评估电网正常运行状态下的负荷供应能力,用供电能力(powersupplycapability,PSC)量化;3)供电可靠性,体现故障情况下电网的可靠性水平,用昀小切负荷量(L)量化。城市电网一般按照昀高一级变电站(例如500kV变电站)分区,将下一级变电站(例如220kV变电站)划入不同500kV变电站供电范围,分区后将形成1个或多个500kV变电站带动一片220kV地区的格局[20]。随着220kV电网容量的增大,城市电网中每座500kV变电站带一个分区是发展趋势。以发展较为成熟的上海电网为例,当前共7座500kV变电站,每座形成一个220kV分区,共7个分区。另外,若一个分区内有多个500kV站,由于他们之间的电气连接相对220kV站间紧密的多,因此在仿真计算中可作为一个节点。为提高分区优化的效率,首先直接判断所有220kV变电站通过所有可能的路径(包括现有和规划路径)可以连接到的500kV变电站,从而确定每个220kV变电站的“分区属性值”,即其可能处于的分区,有以下4种情况:1)某220kV变电站只与一个500kV变电站有电气连接,其分区属性值即为该500kV变电站的节点号;2)某220kV变电站可能与多个500kV变电站有电气连接,则这些500kV变电站的节点号都是该站的“分区属性值”;3)某220kV变电站A只与另一220kV变电站B相连,则A的分区属性值与B一致;4)某220kV变电站由于管理方便等主观原因已确定由某500kV变电站供电,则将该500kV变电站节点号直接设定为该220kV变电站的分区属性值。1.2基于线性规划的城网供电能力计算本文使用线性规划方法建立城市电网昀大供电能力[21]计算模型。供电能力计算模型的目标函数为使网络中所有负荷点的有功负荷之和昀大,并将直流潮流作为网络功率平衡的约束条件。各支路正反方向的有功功率不允许超过其功率上下限;出力节点和负荷节点也要满足其各自的功率约束。数学表示如下:第10期孔涛等:城市电网网架结构与分区方式的两层多目标联合规划61SCmaxmii=1Pp=∑(1)s.t.=PBθiiiLLL,ppp≤≤≤≤式中:PSC为电网供电能力;m为负荷节点的个数;pi为第i个负荷点的有功功率;P、θ分别为节点有功注入和电压相角向量;B为网络导纳阵,都不包括平衡节点的有关量;L、L分别为线路容量的上下限;ip、ip分别为节点功率的上下限。1.3两层多目标联合规划模型借助于分层规划的思想建立联合优化的两层模型:第1层规划整体网架,为了保证网架的大体优化方向并考虑到城市电网各分区间相互支持的重要性,优化中将整体网架供电能力作为规划的目标函数之一;第2层优化分区方式,在整体网架的基础上进行,因此无需考虑投资,规划目标函数包括各分区供电能力之和、电量不足期望值之和。数学模型如下:1SC:min[(),(,)]fLCxPxy−(2)s.t.(,){,,}0gxy≤=≥式中:y为连续变量,如潮流、电压等;x为整数变量,表示线路建设的决策变量;Cf(x)表示线路投资;PSC(x,y)为连通网架的供电能力;(,){,,}0gxy≤=≥为规划中的技术性约束条件集合,如网架结构约束、直流潮流约束、N−1状态下线路潮流约束等。2SC111:min[(),()]mmiiiiLLx,yLx,y==−∑∑(3)s.t.(,){,,}0igxy≤=≥(,){,,}0idxy≤=≥,i=1,2,…,m式中:y、x含义与第一层模型相同;m表示分区的个数;PSC1i(x,y)为i分区电网的供电能力;Li(x,y)为i分区电网的昀小切负荷量,采用文献[19]中的计算方法得到;(,){,,}0igxy≤=≥为分区i电网的技术性约束条件;(,){,,}0id
本文标题:城市电网网架结构与分区方式的两层多目标联合规划
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