一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，该方法包括如下步骤：(1)给定建立海上变电站的数量，每个数量对应为一种方案；(2)以总建设成本最低为目标，采用双层控制方法分别对每种方案下海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑进行优化；(3)选取总建设成本最低的方案对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果。与现有技术相比，本发明专利技术提出建设海上公共变电站供多个风电业主使用，并将海上电网规划规划和陆上架空线扩建规划放入同一个体系，根据海上风电规划情况结合陆上电网结构进行统一规划与统一建设，从整体上实现成本与效益最优。

An optimization method of transmission system on the scale of offshore wind farm

The invention relates to a transmission system optimization method of offshore wind farm cluster scale, the method comprises the following steps: (1) the number given to establish a maritime substation, each corresponding to a number of programmes; (2) with the lowest total construction cost as the goal, using the double control method of each scheme under the sea substation the position of the sea, substation capacity and collecting network topology and transmission system optimization; (3) the number of offshore substation selection total construction cost corresponding to the lowest position, sea offshore substation substation capacity, collecting network topology and transmission system as the optimal results. Compared with the prior art, the invention proposes the construction of offshore wind power substation for the public more owners to use and marine power system planning and land planning and transmission line expansion into the same system, according to the offshore wind power planning combined with onshore grid structure for unified planning and construction, to achieve the optimal cost and benefit from the whole.

【技术实现步骤摘要】
一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法
本专利技术涉及一种海上风电场输电系统优化方法，尤其是涉及一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法。
技术介绍
海上风电资源丰富，环境影响小，能量密度高，正逐渐成为各国研究和开发的热点。从当前世界各国海上风电的发展与规划来看，海上风电发展逐渐走向深远海域，同一片海域大规模海上风电场的出现，因其更大的装机容量和集群化的特点，使得海上输电系统的建设更为重要。现已有专家学者对海上风电场输电系统做了一定的研究，文献“EfficiencyEvaluationforOffshoreWindFarms”介绍了单个内海上风电场风机之间的多种接线形式以及风机串与海上变电站的多种接入方式，同时考虑到风速变化和风机输出功率曲线提出了风电场容量有效性的计算方法。文献“AClusteringbasedWindFarmCollectorSystemCableLayoutDesign”提出了采用属性阙值聚类算法对风场内的风机进行多级聚类以确定中心集电点，从而作为海上变电站的位置，再来确定网络的接线形式。该方法可以降低中压海缆损耗，提高可靠性，减少经济成本。文献“OptimizationforOffshoreWindFarmLayoutandSubstationLocation”考虑了单个海上风电场内海上变电站的位置对集电系统总成本的影响，通过遗传算法规划出经济性最优方案。这些研究可以认为是给定并网点，风电机组位置条件下，通过海上变电站选址定容以及组网拓扑选择以达到投资成本最佳的优化规划问题。以上文献都只从单个海上风电场的角度去建设输电系统(用户自建站模式)。而从现有的海上风电场发展规划来看，海上风电场大规模、集群化的特点愈加明显，多个风电业主将交叉拥有部分海域的风电开发权限。一方面，海域资源竞争激烈，海上风电并网既要规避渔业区、军事区等限制海域，还要避开与海底通信光缆等其他通道的交叉敷设。另一方面，大规模海上风电并网会对近海陆上电网结构产生影响，需要新建或加强风电场登陆点附近电网的结构来满足新能源接入系统的要求。为了经济、合理、可靠地对海上路由和并网点资源进行优化配置，有必要对某片海域中可能建设的风电场群(包含可能是不同业主的多个风电场)进行统一的海上风电场输电系统规划。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，该方法包括如下步骤：(1)给定建立海上变电站的数量，每个数量对应为一种方案；(2)以总建设成本最低为目标，采用双层控制方法分别对每种方案下海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑进行优化；(3)选取总建设成本最低的方案对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果。双层控制方法具体为：外层通过遗传算法对海上变电站的位置和海上变电站容量进行优化，内层通过人工鱼群算法在外层确定的海上变电站的位置和海上变电站容量下对集电网络和输电系统拓扑进行优化，同时内层将确定的集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本反馈至外层进行循环迭代优化，所述的集电网络为海上风机和海上变电站之间的线路，所述的输电系统拓扑包括海上变电站与陆上并网点之间的线路、海上变电站之间的线路以及陆上电网节点之间的线路。通过遗传算法对海上变电站的位置和海上变电站容量进行优化具体为：(101)设置初始种群，种群个数为m，每个种群包括n个个体，n为对应方案下海上变电站个数，每个个体的染色体包括海上变电站的位置和容量，给定初始适应度值和最大迭代次数G；(102)对每一个种群分别采用遗传算法进行优化得到总建设成本最低时的对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果；其中对每个种群采用遗传算法进行种群更新优化具体为：(a)判断种群中染色体是否满足海上变电站位置和容量约束，若是，执行步骤(b)，否则结束；(b)将种群值代入人工鱼群算法，优化集电网络和输电系统拓扑；(c)将步骤(b)确定的集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本作为种群适应度值；(d)判断适应度值是否小于初始适应度，若是，则更新初始适应度值，执行步骤(e)，否则，不更新初始适应度值，执行步骤(e)；(e)若迭代次数小于G，进行染色体交叉变异，保留优良基因，得到新的种群，返回步骤(a)，若迭代次数等于G，则结束种群更新，输出最优结果。步骤(2)中分别通过人工鱼群算法对集电网络和输电系统拓扑进行线路规划直至最优，具体为：(202a)设定初始条件，包括人工鱼条数、游动步长、可见域、拥挤度和最大迭代次数Gmax，设当前迭代次数Gen＝0；(202b)随机生成m*n维初始矩阵X，m为人工鱼条数，n为集电网络或输电系统拓扑中线路走廊总条数，所述的线路走廊为两节点之间的线路，对于集电网络，节点包括海上风机和海上变电站，对于输电系统拓扑，所述的节点包括海上变电站和陆上节点，矩阵X中第i行表示第i条人工鱼的人工鱼状态，矩阵X中第i行第j列元素表示为Xij，Xij表示第i条人工鱼中第j条线路走廊是否确定有线路，若有，Xij为1，否则Xij为1；(202c)计算每条人工鱼所在位置的食物浓度，所述的食物浓度为对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本，寻找食物浓度最大的人工鱼状态，计入公告板；(202d)进行人工鱼聚群、追尾和觅食行动，每次人工鱼行动结束后计算该人工鱼状态下的线路规划状态是否满足线路规划约束条件，若是，则执行步骤(202e)，否则重新执行步骤(202d)；(202e)对行动后的人工鱼分别计算食物浓度，并与公告板中人工鱼状态比较，若行动后的人工鱼中存在高于公告板中人工鱼状态对应的食物浓度的人工鱼，则更新公告板中的人工鱼状态，赋值迭代次数Gen＝Gen+1，返回步骤(202d)，否则，直接赋值迭代次数Gen＝Gen+1，返回步骤(202d)；(202f)判断迭代次数达到最大迭代次数Gmax，若是将公告板中的人工鱼状态确定的集电网络和输电系统拓扑对应的总建设成本反馈至外层网络。所述的总建设成本Y为：Y＝Cter+Cexp+Csub+Cland，其中，Cter为集电网络成本、Cexp为海上高压输电系统成本、Csub为新建海上变电站成本，Cland为陆上电网扩建成本，所述的海上高压输电系统成本包括建设海上变电站与陆上并网点之间的线路和海上变电站之间的线路的成本，所述的陆上电网成本扩建成本包括建设陆上电网节点之间的线路的成本。集电网络成本Cter为：其中，和表示集电网络的海缆建设成本与网损费用，ns′为集电网络中的中压海缆条数，a′submarine、b′losssea分别表示中压海缆单位长度建设成本和网损费率，表示第i条中压海缆的长度，表示流过第i条中压海缆的电流，r0′为中压海缆单位长度电阻，γ为中压海缆长度的裕度；海上高压输电系统成本Cexp为：其中，和分别为高压海上输电系统的海缆建设成本、网损成本、无功补偿设备成本，ns为新建高压海缆条数，asubmarine和cw为高压海缆单位长度的建设成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)给定建立海上变电站的数量，每个数量对应为一种方案；(2)以总建设成本最低为目标，采用双层控制方法分别对每种方案下海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑进行优化；(3)选取总建设成本最低的方案对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果。

【技术特征摘要】
1.一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)给定建立海上变电站的数量，每个数量对应为一种方案；(2)以总建设成本最低为目标，采用双层控制方法分别对每种方案下海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑进行优化；(3)选取总建设成本最低的方案对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果。2.根据权利要求1所述的一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，双层控制方法具体为：外层通过遗传算法对海上变电站的位置和海上变电站容量进行优化，内层通过人工鱼群算法在外层确定的海上变电站的位置和海上变电站容量下对集电网络和输电系统拓扑进行优化，同时内层将确定的集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本反馈至外层进行循环迭代优化，所述的集电网络为海上风机和海上变电站之间的线路，所述的输电系统拓扑包括海上变电站与陆上并网点之间的线路、海上变电站之间的线路以及陆上电网节点之间的线路。3.根据权利要求2所述的一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，通过遗传算法对海上变电站的位置和海上变电站容量进行优化具体为：(101)设置初始种群，种群个数为m，每个种群包括n个个体，n为对应方案下海上变电站个数，每个个体的染色体包括海上变电站的位置和容量，给定初始适应度值和最大迭代次数G；(102)对每一个种群分别采用遗传算法进行优化得到总建设成本最低时的对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑作为最优结果；其中对每个种群采用遗传算法进行种群更新优化具体为：(a)判断种群中染色体是否满足海上变电站位置和容量约束，若是，执行步骤(b)，否则结束；(b)将种群值代入人工鱼群算法，优化集电网络和输电系统拓扑；(c)将步骤(b)确定的集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本作为种群适应度值；(d)判断适应度值是否小于初始适应度，若是，则更新初始适应度值，执行步骤(e)，否则，不更新初始适应度值，执行步骤(e)；(e)若迭代次数小于G，进行染色体交叉变异，保留优良基因，得到新的种群，返回步骤(a)，若迭代次数等于G，则结束种群更新，输出最优结果。4.根据权利要求2所述的一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，步骤(2)中分别通过人工鱼群算法对集电网络和输电系统拓扑进行线路规划直至最优，具体为：(202a)设定初始条件，包括人工鱼条数、游动步长、可见域、拥挤度和最大迭代次数Gmax，设当前迭代次数Gen＝0；(202b)随机生成m*n维初始矩阵X，m为人工鱼条数，n为集电网络或输电系统拓扑中线路走廊总条数，所述的线路走廊为两节点之间的线路，对于集电网络，节点包括海上风机和海上变电站，对于输电系统拓扑，所述的节点包括海上变电站和陆上节点，矩阵X中第i行表示第i条人工鱼的人工鱼状态，矩阵X中第i行第j列元素表示为Xij，Xij表示第i条人工鱼中第j条线路走廊是否确定有线路，若有，Xij为1，否则Xij为1；(202c)计算每条人工鱼所在位置的食物浓度，所述的食物浓度为对应的海上变电站数量、海上变电站位置、海上变电站容量、集电网络和输电系统拓扑下的总建设成本，寻找食物浓度最大的人工鱼状态，计入公告板；(202d)进行人工鱼聚群、追尾和觅食行动，每次人工鱼行动结束后计算该人工鱼状态下的线路规划状态是否满足线路规划约束条件，若是，则执行步骤(202e)，否则重新执行步骤(202d)；(202e)对行动后的人工鱼分别计算食物浓度，并与公告板中人工鱼状态比较，若行动后的人工鱼中存在高于公告板中人工鱼状态对应的食物浓度的人工鱼，则更新公告板中的人工鱼状态，赋值迭代次数Gen＝Gen+1，返回步骤(202d)，否则，直接赋值迭代次数Gen＝Gen+1，返回步骤(202d)；(202f)判断迭代次数达到最大迭代次数Gmax，若是将公告板中的人工鱼状态确定的集电网络和输电系统拓扑对应的总建设成本反馈至外层网络。5.根据权利要求2所述的一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，所述的总建设成本Y为：Y＝Cter+Cexp+Csub+Cland，其中，Cter为集电网络成本、Cexp为海上高压输电系统成本、Csub为新建海上变电站成本，Cland为陆上电网扩建成本，所述的海上高压输电系统成本包括建设海上变电站与陆上并网点之间的线路和海上变电站之间的线路的成本，所述的陆上电网成本扩建成本包括建设陆上电网节点之间的线路的成本。6.根据权利要求5所述的一种海上风电场集群规模下的输电系统优化方法，其特征在于，集电网络成本Cter为：其中，和表示集电网络的海缆建设成本与网损费用，ns′为集电网络中的中压海缆条数，a′submarine、b′losssea分别表示中压海缆单位长度建设成本和网损费率，表示第i条中压海缆的长度，表示流过第i条中压海缆的电流，r0′为中压海缆单位长度电阻，γ为中压海缆长度的裕度；海上高压输电系统成本Cexp为：

【专利技术属性】
技术研发人员：符杨，刘阳，黄玲玲，汤华，冯煜尧，崔勇，
申请(专利权)人：上海电力学院，国网上海市电力公司，华东电力试验研究院有限公司，上海绿色环保能源有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31