基于确定性二层规划模型的输电网规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于确定性二层规划模型的输电网规划方法，规划模型将电网投资成本作为经济性目标，将系统在正常和单故障运行条件下的切负荷总和作为可靠性目标。下层目标为可靠性目标，下层约束为系统正常运行约束和单故障条件下的运行约束；上层目标以经济性目标为主，下层的可靠性目标以罚函数方式加入其中，上层约束为待架线路数目约束。采用改进小生境遗传算法和原始－对偶内点法相结合的混合算法对模型进行求解，利用小生境遗传算法处理上层规划的整数变量，进行全局寻优；对下层规划采用原始－对偶内点算法进行快速求解，提高算法速度和收敛性。本发明专利技术将可靠性问题以约束加入到经济性规划中，实现了规划方案在高可靠性条件下的经济性最优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，用于对电力 系统规划中的输电网规划研究，属于电气工程

技术介绍
传统的输电网规划一般是在给定未来水平年电源规划和负荷预测的基础 上，根据现有的电网结构，合理的选择新建设输电线路以满足输电系统安全、 可靠、经济运行。对于输电网的优化规划方案， 一般是满足负荷增长需要和各 种常规运行约束，并追求输电网络建设成本最小。各种规划方案都满足负荷增 长需求，但是对于系统的可靠性要求不一样。系统运行的可靠性和系统的经济 性建设是一对矛盾，传统规划中处理矛盾的方法多采用折衷法，即，将经济性 目标和可靠性目标以线性加权的方式结合在一起，如，.采用投资建设成本，运 行成本和可靠性成本线性加和的方式，这种做法存在一定的局限性，由于经济 性目标和可靠性目标存在数量级差异，且对于规划的几种目标的权重选取有很 大的主观随意性，因此不能通过简单的线性加权的方式来处理，必须探索一种 新的建模方法来研究输电网规划工作存在的经济性和可靠性相矛盾的问题。近年来，多层规划在理论研究领域和应用研究领域非常活跃，是一种区别 于多目标规划的层次建模分析方法，由Bracken和McGill (J Bracken and J M McGill. Mathematical programs with optimization problems in the constraints [J]. Operations Research, 1973， 21: 37-44)最早提出的一种解决分层决策问题的数 学建模方法。这种模型可以处理多个决策问题，而且可将决策问题放在一定的 决策等级结构中，此外，各决策问题拥有自己的决策变量、目标及约束。在模 型中，上层决策影响下层决策，下层决策反作用于上层决策的结果，上下层相 互反馈，相互影响。多层规划是将下层优化问题作为约束条件的极值问题、极 大极小问题和对策问题的推广，具有鲜明的实际背景和广泛的应用价值，在经济、管理、工程等众多领域中都有重要应用，在数学领域及应用研究领域也是被关注的前沿课题。但目前多层规划模型尚未应用于输电网规划研究中，利用多层规划建模方法来处理输电网规划中经济性与可靠性的矛盾问题，是一项新的输电网规划研究课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于确定性二层规划模 型的输电网规划方法，能对规划模型进行有效求解，具有较好的计算性能，实 现输电网规划方案的经济性和可靠性。为实现上述目的，本专利技术的基于确定性二层规划的输电网规划模型，分为 上层规划问题和下层规划问题，下层规划问题为上层规划问题的一个约束。规 划模型考虑到输电网规划中经济性问题和可靠性问题的重要性，将电网投资成 本作为经济性目标；将系统在正常和单故障运行条件下的切负荷总和作为可靠 性目标。下层目标为可靠性目标，下层约束为系统正常运行约束和单故障条件 下的运行约束；上层目标以经济性目标为主，下层的可靠性目标以罚函数方式 加入到上层目标中，上层约束为待架线路数目约束。针对上述确定性二层规划 模型，采用改进小生境遗传算法和原始对偶内点算法相结合的混合算法对模型 进行求解，利用小生境遗传算法处理上层规划的整数变量，进行全局寻优；对 下层规划采用原始-对偶内点算法进行快速求解，提高算法速度和收敛性。本专利技术方法的整个过程包括以下基本步骤1、建立输电网二层规划模型；建模时，将输电网投资成本最小作为经济性 目标，将输电系统在基本运行条件下和单故障运行条件下的系统切负荷最小作 为可靠性目标；下层目标为可靠性目标，下层约束为系统正常运行和单故障运 行条件下的运行约束，即潮流等式约束、线路容量约束、发电节点出力约束、 负荷节点约束；上层目标以经济目标为主，下层的可靠'哮目标以罚函数方式加 入到上层目标中，上层约束为系统中待架线路数目约束。2、 将上层决策向量设定为待架线路数目的整数向量，通过均匀随机选取的 方法确定上层的输电规划网络试验解，在随机选择过程中随机数的选择必须满 足上层约束。3、 对试验解进行连通性校验，对存在孤岛和独立小网的不连通网络进行随 机连通性修正，使随机产生的规划网络满足连通性条件。4、 取待架线路数目、待架线路长度及单位待架线路成本的乘积为上层中的 经济性目标。5、 设下层决策向量为发电节点出力、负荷节点切负荷量，设下层状态向量为节点相角，利用原始-对偶内点法求解系统在正常运行条件下的系统切负荷量， 以及系统在单故障运行条件下的系统切负荷量总和，将上述系统正常切负荷量 及系统单故障切负荷量总和相加，得到下层可靠性目标。6、 将下层可靠性目标以罚函数方式加入到上层目标中，与步骤4中的上层 经济性目标相加，得到上层目标值并将其作为个体目标值。7、 选择比个体目标值大一个数量级的值减去个体目标值得到个体适应值。8、 采用小生境遗传算法和原始-对偶内点法组合的混合算法，对输电网二层 规划模型进行迭代求解首先，按照步骤2和步骤3随机产生10N个试验解， 组成遗传算法的原始种群，其中N为种群个体数目；然后按照步骤4、 5、 6得 到原始种群的个体目标值，按照个体目标值由小到大选择前N个个体组成初始 种群；对初始种群执行选择、交叉、逆转、变异、补算操作，产生优化种群； 按照步骤4、 5、 6计算优化种群的个体目标值，按照步骤7计算优化种群的个 体适应值；利用小生境技术对优化种群的个体适应值进行调整，按照选择适应 值由大到小选择前N个个体组成下一代初始种群，再次执行选择、交叉、逆转、 变异、补算操作，产生优化种群；依次重复，直到满足最大迭代次数为止；最 后输出输电网二层规划模型的最优解。本专利技术基于确定性二层规划的输电网规划方法， 一方面可以避免传统输电 网规划中采用多目标规划方法解决经济性规划和可靠性规划中的困难；另一方 面，其分层建模的思想将问题层次化，其求解过程更明确。本专利技术所采用的混合算法充分利用了改进小生境遗传算法和原始-对偶内点算法的优势，提高了求 解的效率。本专利技术可以应用到电气工程领域的输电网规划和电力系统运行的建模和求 解中。 ' 附图说明图1是本专利技术18节点实施例中的适应值比较示意图。 具体实施例方式'为更好地理解本专利技术的技术方案，以下结合附图和具体的实施例作进一步 描述。在本专利技术实施例中，首先建立输电网确定性二层线性规划模型，在计算过 程中，根据输电网的原始数据，确定现有网络和可架线路及可架线路最大条数， 并对可架线路进行排序，通过随机架设的方法形成一组染色体，即原始种群， 通过原始种群进行选择，交叉，逆转，变异，补算操作不断形成新个体，每个 个体的适应值都需采用原始-对偶内点法对下层规划进行计算系统在基本运行条 件下和N-l运行条件下的系统切负荷量总和，从而得到个体目标值。按照改进 小生境遗传算法的全局搜索能力最后找到最优解。 实施例. 输电网规划是电力系统规划和发展的一项重要内容。本专利技术以18节点系统 为例，进行实例分析。18节点系统数据参考文(王锡凡.电力系统优化规划[M].北 京水利电力出版社，1990)，为使规划结果满足安全准则，假设所有线路走 廊均有3条可扩建线路。为叙述方便，假定线路单价为100万元/(公里.回)。具 体实现步骤如下所示1)建立输电网二层规划模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于确定性二层规划模型的输电网规划方法，其特征在于包括如下步骤：１）建立输电网二层规划模型；建模时，将输电网投资成本最小作为经济性目标，将输电系统在基本运行条件下和单故障运行条件下的系统切负荷最小作为可靠性目标；下层目标为可靠性 目标，下层约束为系统正常运行和单故障运行条件下的运行约束，即潮流等式约束、线路容量约束、发电节点出力约束、负荷节点约束；上层目标以经济目标为主，下层的可靠性目标以罚函数方式加入到上层目标中，上层约束为系统中待架线路数目约束；２）将上 层决策向量设定为待架线路数目的整数向量，通过均匀随机选取的方法确定上层的输电规划网络试验解，在随机选择过程中随机数的选择必须满足上层约束；３）对试验解进行连通性校验，对存在孤岛和独立小网的不连通网络进行随机连通性修正，使随机产生的规 划网络满足连通性条件；４）取待架线路数目、待架线路长度及单位待架线路成本的乘积为上层中的经济性目标；５）设下层决策向量为发电节点出力、负荷节点切负荷量，设下层状态向量为节点相角，利用原始－对偶内点法求解系统在正常运行条件下的 系统切负荷量，以及系统在单故障运行条件下的系统切负荷量总和，将上述系统正常切负荷量及系统单故障切负荷量总和相加，得到下层可靠性目标；６）将下层可靠性目标以罚函数方式加入到上层目标中，与步骤４）中的上层经济性目标相加，得到上层目标值并 将其作为个体目标值；７）任意选择比个体目标值大一个数量级的值减去个体目标值得到个体适应值；８）采用小生境遗传算法和原始－对偶内点法组合的混合算法，对输电网二层规划模型进行迭代求解：首先，按照步骤２）和步骤３）随机产生１０Ｎ个 试验解，组成遗传算法的原始种群，其中Ｎ为种群个体数目；然后按照步骤４）、５）、６）得到原始种群的个体目标值，按照个体目标值由小到大选择前Ｎ个个体组成初始种群；对初始种群执行选择、交叉、逆转、变异、补算操作，产生优化种群；按照步骤４）、５）、６）计算优化种群的个体目标值，按照步骤７）计算优化种群的个体适应值；利用小生境技术对优化种群的个体适应值进行调整，按照选择适应值由大到小选择前Ｎ个个体组成下一代初始种群，再次执行选择、交叉、逆转、变异、补算操作，产生优化种群；依次重复，直到满足最大迭代次数为止；最后输出输电网二层规划模型的最优解。...

【技术特征摘要】
1、一种基于确定性二层规划模型的输电网规划方法，其特征在于包括如下步骤1)建立输电网二层规划模型；建模时，将输电网投资成本最小作为经济性目标，将输电系统在基本运行条件下和单故障运行条件下的系统切负荷最小作为可靠性目标；下层目标为可靠性目标，下层约束为系统正常运行和单故障运行条件下的运行约束，即潮流等式约束、线路容量约束、发电节点出力约束、负荷节点约束；上层目标以经济目标为主，下层的可靠性目标以罚函数方式加入到上层目标中，上层约束为系统中待架线路数目约束；2)将上层决策向量设定为待架线路数目的整数向量，通过均匀随机选取的方法确定上层的输电规划网络试验解，在随机选择过程中随机数的选择必须满足上层约束；3)对试验解进行连通性校验，对存在孤岛和独立小网的不连通网络进行随机连通性修正，使随机产生的规划网络满足连通性条件；4)取待架线路数目、待架线路长度及单位待架线路成本的乘积为上层中的经济性目标；5)设下层决策向量为发电节点出力、负荷节点切负荷量，设下层状态向量为节点相角，利用原始-对偶内点法求解系统在正常运行条件下的系统切负荷量，以及系统在单故障运行...

【专利技术属性】
技术研发人员：程浩忠，范宏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]