煤改电配电网可靠性提升的优化方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种煤改电配电网可靠性提升的优化方法、系统、设备及介质。

背景技术

随着工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，环境污染日趋严重，温室气体减排压力巨大，遇了大范围的雾霾天气，特别是在冬季供暖期，部分城市达到重度污染，严重影响了人民群众生产生活和生命健康，煤改电实施是解决这些问题的一个可行方式。随着加速推动煤改电实施，热泵、电锅炉等规模化煤改电负荷的接入将会对配电网带来负荷大幅且不均衡的增长、配电网峰谷差加大等影响，为配电网的建设运行带来前所未有的挑战。煤改电实施区域的负荷特性将发生变化，其中，电采暖负荷具有功率大、刚性强且时间集中的特点，将对负荷日峰谷差、季节峰谷差、设施利用率带来显著影响。煤改电规模化接入时当夜间供暖低谷电价开始及结束时，居民电采暖负荷普遍迅速攀升和陡降，形成明显的持续高峰负荷段，以蓄热方式为主的地区，日峰谷差率可达70％以上；在非供暖季节负载率普遍较低，夏季峰值负载率仅为采暖季的40％左右。另外，农村地区和城郊地区配电网较为薄弱，普遍供电能力低、网络薄弱等一些列问题，导致煤改电区域的配电网的可靠性不高，为煤改电项目的实施带来很大风险。如农村地区10kV供电线路长，在接入电采暖负荷后，对电压、三相不平衡度、谐波等电能质量问题都将产生显著影响；农村地区变电站布点少、线路互倒互带能力在规模化煤改电实施后进一步降低，10kV线路或配电变压器故障后，带来大量用户停暖或濒临停暖的风险。

综上，煤改电区域现有的配电网的可靠性不高，不能满足电力供暖对配电网的需求。提高可靠性大体有三种方法：(1)增加冗余；(2)在设计中考虑环境能力；(3)进行环境试验。有时，考虑这三种方法的混合。不同方案的可靠性水平不同，投入的费用也不同。在许多工程领域，合理的可靠性水平总是与经济性相联系的，可靠性需与经济性协调。这一工作十分复杂，因为需将故障损失的费用加以量化，同样为提高可靠性所需的费用也要量化。可靠性和经济性的协调可理解为寻求以下若干问题的解答：(1)在给定投资的条件下，能把可靠性提高到何等水平？(2)在给定可靠性水平的条件下，如何使建造系统的费用最小？(3)在给定预算的条件下，应把投资花在什么地方最恰当？(4)在什么基础上对不同的方案进行比较？在工程开发的某些阶段，上述问题是可以假定和估计的，但有时则十分困难，因为无法建立定量的数学模型。首先是故障后果的估计。故障总是造成人们不希望的后果，这些后果有的可用造成的经济损失表示。其次是提高可靠性效益的估计。从经济上讲，期望故障损失费用的降低至少与期望可靠性提高所带来的经济效益相等。电力系统可靠性的价值就是连续供电的价值。对于用户来讲，连续供电的价值取决于它们在用电中所能得到的效益。可靠性低往往会造成缺电和停电，造成经济损失和社会损失。另一方面，为提高可靠性，电力公司要增加投资，这部分投资应作为电费的一部分由用户承担。

因此，要研究投资与提高电力系统可靠性水平之间的关系，高可靠性与低投资成本是一对矛盾，目前，提高电力系统可靠性时，总是优先满足可靠性指标，而常常忽略投资成本因素，导致最终的采用的提升方案成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，煤改电区域配电网的可靠性提升方案成本较高的缺点，提供一种煤改电配电网可靠性提升的优化方法、系统、设备及介质。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，一种煤改电配电网可靠性提升的优化方法，包括以下步骤：

基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案；

根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景；

基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

本发明煤改电配电网可靠性提升的优化方法进一步的改进在于：

所述基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案的具体方法为：基于可靠性提升需求，根据配电网网架结构、配电网运行方式、配电网自动化水平、是否运维检修、配电网分段情况以及配电网供电半径对配电网可靠性的影响，构建配电网可靠性提升方案。

所述配电网运行影响因素包括电/热负荷、光照辐射强度以及气温。

所述将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景的具体方法为：基于配电网运行场景的电/热负荷曲线、光照辐射强度曲线以及气温曲线的历史数据，通过合成聚类算法，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景。

所述基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量的具体方法为：基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标，通过式(1)获取配电网中各设备装机容量：

其中，式(1)满足式(2)约束：

其中，C

所述通过式(1)获取配电网中各设备装机容量时，采用广义benders分解法进行求解。

所述基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量的具体方法为：基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标，获取各典型日工况场景下各设备装机容量；根据各典型日工况场景下各设备装机容量，通过割平面法得到配电网中各设备装机容量。

本发明第二方面，一种煤改电配电网可靠性提升的优化系统，包括：

获取模块，用于基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案；

场景划分模块，用于根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景；以及

优化模块，用于基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

本发明第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述煤改电配电网可靠性提升的优化方法的步骤。

本发明第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述煤改电配电网可靠性提升的优化方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明煤改电配电网可靠性提升的优化方法，通过采用根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景，充分考虑不同运行场景对配电网运行的影响，基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，兼并考虑可靠性与成本两者，在满足可靠性提升需求的同时，尽量降低配电网可靠性提升的总成本，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案，最终得到总成本最低的配电网可靠性提升方案，降低配电网可靠性提升的资源投入。

附图说明

图1为本发明实施例的煤改电配电网可靠性提升的优化方法流程框图；

图2为本发明实施例的通过合成聚类获得典型日工况场景流程示意图；

图3为本发明实施例的通过合成聚类获得典型日工况场景原理示意图；

图4为本发明实施例的可靠性成本/效益分析曲线图；

图5为本发明实施例的基于GBD的求解过程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一、“第二等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括和“具有以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

利用可靠性经济性相协调方法进行“煤改电”优化的主要手段是成本/效益的对比分析，电网可靠性成本可定义为供电部门为使配电网达到设计的可靠性水平而需增加的配电网建设投资和配电网年运行维护费用；可靠性效益可定义为因电网达到一定供电可靠性水平而使用户获得的效益，在成本/效益分析法中将可靠性效益用缺电成本来表示，即由于电力供给不足或中断引起用户缺电、停电而造成的经济损失。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一实施例中，提供一种煤改电配电网可靠性提升的优化方法，通过兼并考虑可靠性与成本，通过基于可靠性提升需求获得的若干配电网可靠性提升方案中，从中选取年化配电网可靠性提升成本最优的配电网可靠性提升方案，实现配电网可靠性提升方案的成本优化，降低配电网可靠性提升改造时的投入成本，并且不降低配电网可靠性提升效果。

具体的，该煤改电配电网可靠性提升的优化方法包括以下步骤：

S1：基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案。

基于可靠性提升需求，通过考虑配电网不同的网架结构、运行方式、自动化水平、运维检修、分段情况以及供电半径等因素对配电网可靠性的影响，通过将不同的网架结构、运行方式、自动化水平、运维检修、分段情况以及供电半径组合，构建配电网可靠性提升方案。

其中，配电网自动化水平包括基于故障指示器的故障定位技术、基于时序配合的馈线自动化技术、基于配电自动化主站的集中控制技术、基于分布式智能终端的就地控制技术；配电网运行方式包括合环运行方式和开环运行方式；配电网供电半径包括3km、6km、9km和12km；配电网网架结构包括单辐射接线模式、单环网接线模式、两联络接线模式；配电网分段情况包括单回线路三分段、单回线路四分段以及单回线路五分段。

具体的，本实施例中，构建的配电网可靠性提升方案多达180余种，且采取不同的配电网可靠性提升方案，可将供电可靠率由99.852％提升到99.984％，停电时间由9.49小时降低至1.396小时。将这些配电网可靠性提升方案通过表的形式存储，通过查表即可指导相关人员采取相对应的配电网可靠性提升方案提高配电网的可靠性水平，在实际使用时，可以从中选取适应的配电网可靠性提升方案。

S2：根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景。具体的，对于用户侧多能源系统，负荷需求、外部环境、可再生能源输入等构成了能源系统规划设计的不确定性因素，使得能源系统的优化配置为不确定性规划问题。配电网中设备的能源转换效率不仅与设备负载率相关，同时受到环境温度、湿度等因素的影响。由于配电网所面临不确定因素之间通常是不独立的，为了降低问题的复杂程度，同时体现配电网变工况工作条件，本实施例中采用场景分析方法，基于配电网的典型工况场景，从时间维度将不确定性规划问题分解为多个确定性子问题。

由于光照、气温、负荷等不确定因素具有典型的日周期性特征，本实施例中，以日电/热负荷、日光照辐射强度以及日气温变化曲线为场景的特征，即配电网运行影响因素。配电网运行场景可以归纳为若干个典型日工况场景，构成配电网的典型场景集{SC

参见图2和3，在具备配电网年以上电/热负荷、光照辐射强度以及气温历史数据的条件下，可采用自底向上聚类的思路，通过合成聚类(Agglomerative Clustering)算法获得配电网的若干典型日工况场景，基于day1至dayn的光照、气温以及电/热负荷曲线，逐次将其聚类为一个典型日工况场景，典型工况场景为所聚类场景簇的中心场景。

参见图4，当投资成本曲线斜率与可靠性边际缺电成本曲线斜率大小相等、方向相反时，总成本最低，为图中的T

具体的，配电网的优化设计可选取多种目标，如用能可靠性、能源利用效率、社会效益、经济性等。本实施例以最小化配电网的总年化成本为目标，总年化成本包括配电网年化投资成本、配电网年化运行维护成本以及配电网年化输入能源成本三部分，即：

min：C

其中，C

其中，获取配电网可靠性提升方案所需的配电网年投资成本的具体方法为：

通过下式获取配电网可靠性提升方案所需的配电网年投资成本C

其中，C

获取配电网可靠性提升方案所需的配电网年运维成本的具体方法为：通过下式获取各配电网可靠性提升方案所需的配电网年运维成本C

其中，C

获取配电网可靠性提升方案所需的配电网年输入能源成本的具体方法为：通过下式获取各配电网可靠性提升方案所需的配电网年输入能源成本C

其中，C

具体的，考虑不同典型日工况场景下配电网的运行成本有较大的区别，本实施例中以各典型日工况场景为单位，计算各典型日工况场景。

S3：基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

具体的，考虑各设备的装机容量受到安装条件、设备技术型号的限制，同时设备的成本也与设备容量存在依存关系。基于分段线性化思想，假设设备的装机容量在一定范围内为具有上下限的连续变量，其单位安装成本和单位运维成本在该范围内为常数。因此，装机安装容量约束为：

x

其中，x

配电网的年运行成本由配电网在各时段内的运行成本累积而成。为了考虑配电网中储能的运行，本实施例中，以配电网中储能的最小运行周期T为计算周期进行运行成本的计算，运行成本包括输入能源成本和运维成本：

其中，

各设备在每一时段的输出功率需满足变工况平衡方程与储能的状态转移方程：

P

P

其中，在变工况条件下，U

除上述约束外，还需考虑能源转换设备的工作范围、爬坡率约束以及储能的功率和状态约束：

P

R

0≤P

E

其中，P

同时，需储能状态在计算阶段末回复到初始阶段的状态，以待下一周期利用：

E

综上所述，可知配电网输入能源成本为设备装机容量和运行功率的函数，记典型日工况场景下配电网的输入能源成本：

配电网运维成本可记为设备运行功率的函数：

其中，w

将设备爬坡速率约束记为g

其中，式(1)满足式(2)约束：

其中，C

可知，上式中目标函数为非线性函数，同时g

从上式中可以看出，目标函数可分解为两部分，前一部分为以设备装机容量为变量的混合整数线性规划问题，后一部分为以设备变工况运行功率为变量的非线性多阶段决策问题。为了降低问题的求解难度，考虑对规划问题进行分解。广义benders分解(GBD)可将复杂问题分解为相对容易求解的主问题和子问题，通过逐次交替迭代获得原始问题的最优解，已在电力配电网机组组合、热电联供配电网规划等问题中有成功的应用。Benders分解是一种基于对偶理论的分解方法，其本质是对原始问题进行松弛，以降低求解难度，广义benders分解将benders分解扩展至非线性优化问题，其基本算法流程与benders分解相同。

对于上式中描述的原始问题，利用GBD分解，可得，子问题为：

其中，C

min：C

s.t.h(C

同时，主问题需满足以下约束：

其中，上式分别为最优性割平面和可行性割平面；为子问题对应约束的拉格朗日最优乘子向量。为子问题对应约束的可行方向乘子向量；z为引入的变量，代表目标函数中子问题部分：

子问题中，每个变工况场景描述了配电网的一个完整运行周期，各场景之间相互独立，因此每个场景对应问题都可以独立求解,此处将每个场景对应的独立问题称为场景子问题：

参见图5，当每个煤改电场景子问题都具备可行解时，可由各煤改电场景子问题的最优解获得最优性割平面。在求解过程中，可能出现某个场景子问题无可行解的情况，即主问题的解无法满足所有场景运行要求，此时，子问题无可行解，则应依据子问题的所有约束求得可行割平面。优化流程如下图所示，首先设定配电网设备容量初值，对各“煤改电”场景子问题进行求解，若每个“煤改电”场景子问题均可行，则由各场景的最优解生成最优性割平面，若某个场景不可行，则由各“煤改电”场景约束生成可行性割平面；求解子问题后，获得优化目标上界UB值，并对主问题进行求解，获得优化目标下界LB值，若UB与LB的差值满足给定收敛条件时，问题求解完毕，否则返回各场景子问题求解步骤。煤改电各场景子问题为时间尺度上的多阶段决策问题，可利用动态规划(DP)将复杂的多阶段决策问题变成一系列规模较小且容易求解的单阶段问题，实现子问题的求解。

以各典型日工况场景的可行解或可行性割平面，通过割平面法求得配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案，进而得到总成本最低的配电网可靠性提升方案。

综上所述，本发明煤改电配电网可靠性提升的优化方法，通过采用根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景，充分考虑不同运行场景对配电网运行的影响，基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，兼并考虑可靠性与成本两者，在满足可靠性提升需求的同时，尽量降低配电网可靠性提升的总成本，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案，最终得到总成本最低的配电网可靠性提升方案，降低配电网可靠性提升的资金及人力投入，节约资源。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

参见图3，本发明再一个实施例中，提供了一种煤改电配电网可靠性提升的优化系统，该煤改电配电网可靠性提升的优化系统能够用于实施上述的煤改电配电网可靠性提升的优化方法，具体的，该煤改电配电网可靠性提升的优化系统包括获取模块、场景划分模块以及优化模块。

获取模块用于基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案；场景划分模块用于根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景；优化模块用于基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于煤改电配电网可靠性提升的优化方法的操作，包括以下步骤：基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案；根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景；基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关煤改电配电网可靠性提升的优化方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：基于可靠性提升需求，获取配电网可靠性提升方案；根据配电网运行影响因素，将配电网运行场景划分为若干典型日工况场景；基于若干典型日工况场景，以配电网成本最小为目标获取配电网中各设备装机容量，以配电网中各设备装机容量优化配电网可靠性提升方案。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。