基于LCC的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置研究

郝　培李辰蕊史金剛

（1.石家莊市科技合作與創(chuàng)新平臺中心 2.國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司）

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基于LCC的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置研究

郝培1李辰蕊2史金剛2

（1.石家莊市科技合作與創(chuàng)新平臺中心 2.國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司）

摘要：在市場環(huán)境下，電力企業(yè)面臨更多競爭壓力，配電網(wǎng)規(guī)劃方案全壽命周期經(jīng)濟(jì)性變得越來越重要。本文基于全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）理論建立了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型，模型考慮了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方案的初始投資、全壽命周期運行維護(hù)成本及停電損失成本等。該模型兼顧了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方案全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，使得配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置投資和可靠性收益達(dá)到最佳平衡，提高了配電網(wǎng)投資的收益能力。利用尋優(yōu)能率較強的改進(jìn)遺傳算法對配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型進(jìn)行了求解，并用實例證明了本文模型和算法的有效性和實用性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；全壽命周期成本；開關(guān)優(yōu)化配置；改進(jìn)遺傳算法

0 引言

用戶對供電可靠性的要求越來越高，在配電饋線上配置一定數(shù)量的開關(guān)設(shè)備是提高配電網(wǎng)供電可靠性的有效措施之一。配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置以成本-效益分析原理為基礎(chǔ)，通過確定饋線上斷路器、隔離開關(guān)等開關(guān)設(shè)備的最佳位置和數(shù)量提高系統(tǒng)的供電可靠性。增加配電網(wǎng)中開關(guān)設(shè)備的數(shù)量意味著供電部門需要額外增加投資和維護(hù)費用，怎樣既能保證供電可靠性，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，是配電網(wǎng)建設(shè)中一個重要的問題。長期以來很多學(xué)者對這一問題做了很多研究[1-7]。文獻(xiàn)[1]指出了開關(guān)優(yōu)化配置的重點和難點，以及如何提高計算效率。文獻(xiàn)[2]提出了關(guān)于配電網(wǎng)開關(guān)配置的改進(jìn)遺傳算法。文獻(xiàn)[3]提出了一種關(guān)于配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的免疫算法。文獻(xiàn)[4]提出了一種關(guān)于配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的人工魚群算法。文獻(xiàn)[5]提出了一種將二分法應(yīng)用于配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[7]根據(jù)動態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化原則，建立了饋線分段開關(guān)的配置模型，采用改進(jìn)的分步最優(yōu)法求解，實現(xiàn)了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置。以上方法從不同的角度研究了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置，取得了不錯的效果。但上述方法未考慮規(guī)劃方案的全壽命周期成本。

配電網(wǎng)具有系統(tǒng)性、長期性的特點，從長遠(yuǎn)觀點看，配電網(wǎng)開關(guān)的運行成本、維護(hù)成本、停電損失成本有時會大于其建設(shè)成本，而且先期建設(shè)成本的多少對未來運營成本、維護(hù)成本和停電損失成本的多少會產(chǎn)生很大的影響，因此有必要從配電網(wǎng)建設(shè)的全壽命周期角度進(jìn)行配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置。

本論文將全壽命周期成本理論應(yīng)用到配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置中來。考慮了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方案的初始投資、全壽命周期運行維護(hù)成本及停電損失成本等，建立了可兼顧配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方案全壽命周期經(jīng)濟(jì)性和可靠性的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型。由于配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置是一個離散的、非線性、多目標(biāo)組合優(yōu)化問題。論文結(jié)合配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置特點，提出了一種改進(jìn)遺傳算法用于配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型求解。用Visual Studio2010開發(fā)了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置程序，實例證明了本文模型和算法的有效性和適用性。

1 基于LCC的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型

本文從全壽命周期成本角度考慮，以配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方案全壽命周期成本等年值最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型

minLCC=C1+CO+CM+CF（1）

式中，C1為配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備初始投資成本等年值；CO為配電網(wǎng)年度運行損耗成本；CM指配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備年度檢修維護(hù)成本；CF為配電網(wǎng)年度停電損失成本。

各成本的詳細(xì)計算公式如下：

（1）開關(guān)設(shè)備初始投資等年值C1

開關(guān)設(shè)備初始投資包括設(shè)備購置成本和建設(shè)安裝成本，安裝建設(shè)成本通常取設(shè)備購置成本的某一比例，即

式中，CA為開關(guān)設(shè)備總投資；PEVE為等年值折算系數(shù)，PEVE=r(1+r)n/( (1+r)n-1)，n為設(shè)備壽命周期，r為社會折現(xiàn)率；M為開關(guān)類型數(shù)(如分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等)；Nj為第j種開關(guān)安裝臺數(shù)；CIj為第j種開關(guān)價格；α為驗建筑工程費和安裝工程費系數(shù)，根據(jù)實際經(jīng)驗本文α 取20％。

（2）配電網(wǎng)年度運行成本CO

年度運行成本主要指配電網(wǎng)年度網(wǎng)損成本。聯(lián)絡(luò)開關(guān)的安裝位置不同，會使系統(tǒng)運行在不同的輻射網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)運行損耗也會不同。如圖2所示，聯(lián)絡(luò)開關(guān)安裝在支路23和安裝在支路10時，該配網(wǎng)就運行在不同的輻射網(wǎng)狀態(tài)，其運行損耗是不同的。配電網(wǎng)年度運行成本的計算公式如下

式中，?P為最大負(fù)荷損耗功率，通過配網(wǎng)潮流計算得到；τMAX為年最大損耗小時數(shù)；η為躉入電價，元/年。

（3）開關(guān)設(shè)備年度檢修維護(hù)成本CM

根據(jù)配電網(wǎng)運行實際情況，檢修維護(hù)成本通常取其配網(wǎng)初始投資的某一百分比，該值需根據(jù)實際運行經(jīng)驗確定，本文取初始投資2％，即

（4）年度停電損失成本CF

停電損失是指由于配電系統(tǒng)停電而對用戶造成的損失和電力部門售電收益損失。停電損失的計算主要與以下幾個因素有關(guān)：停電發(fā)生的時間、停電持續(xù)時間、停電頻率和用戶負(fù)荷性質(zhì)。用戶損失計算采用修正產(chǎn)電比法（通過對各類型質(zhì)用戶的調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到），計算公式如下

式中，N為該配網(wǎng)負(fù)荷點數(shù)；EENSi為負(fù)荷點i年度電量不足期望值，kWh；Ri為節(jié)點i的產(chǎn)電比，元/kWh，不同類型用戶的單位停電容量對應(yīng)的產(chǎn)電比如表1第4列所示；β為供電公司的售電利潤，由于供電公司對不同類型負(fù)荷執(zhí)行不同的電價，因此不同類型負(fù)荷對應(yīng)的售電利潤也不同，如表1第4列所示。

（5）配網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置約束條件

式中，Vi為配網(wǎng)節(jié)點i的節(jié)點電壓，Vmin和Vmax為節(jié)點電壓允許的最大值和最小值；Ij為支路j實際傳送電流，Ijmax為支路j最大載流量。

2 適用于開關(guān)優(yōu)化配置的改進(jìn)遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計算模型，傳統(tǒng)GA進(jìn)行開關(guān)優(yōu)化配置模型求解時，存在求解速度慢、易早熟等問題。若在初始解編碼和進(jìn)化策略過程中，結(jié)合配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的實際情況，引入更多的啟發(fā)策略能顯著減小解的搜索空間，提高算法的尋優(yōu)能力。

2.1 開關(guān)優(yōu)化配置改進(jìn)遺傳算法啟發(fā)策略

結(jié)合配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的實際情況，本文提出的啟發(fā)策略如下：

1）設(shè)定合理的開關(guān)數(shù)量，本文取3～7臺；若存在分段開關(guān)，則分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)量比例范圍為6:1～2:1；

2）從電源點開始，離電源點越遠(yuǎn)的支路安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)的概率越大，反之越小，服從正太分布；

3）在尋優(yōu)過程中若出現(xiàn)環(huán)狀配電網(wǎng)，需要配置聯(lián)絡(luò)開關(guān)來解環(huán)（聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)量小于等于1），解環(huán)過程采用策略2）。

2.2 遺傳算法的實現(xiàn)過程

1）改進(jìn)二進(jìn)制編碼

配電網(wǎng)開關(guān)配置優(yōu)化問題實際上就是要進(jìn)行開關(guān)位置和類型的選擇。線路中所有可選的位置最終只有三種狀態(tài)，編碼表達(dá)式如下

式中，xi=0、xi=1、xi=2分別表示支路i不安裝開關(guān)、安裝分段開關(guān)、安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)；n為支路數(shù)。

2）開關(guān)優(yōu)化配置求解流程

一個完整的遺傳算法應(yīng)包括以下幾個方面：參數(shù)選取、編碼、遺傳操作、適應(yīng)度評價。配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的遺傳算法求解流程如圖1所示。

圖1　開關(guān)優(yōu)化配置求解流程圖

3 算例分析

采用IEEE RBTS-5系統(tǒng)[7]的F1、F2兩條主饋線進(jìn)行開關(guān)優(yōu)化配置，配電網(wǎng)主接線圖如圖2所示。

圖2　IEEE RBTS-5饋線F1、F2主接線圖

圖2中各負(fù)荷點負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示，主饋線線路電阻0.299Ω/km，電抗0.096Ω/km，分支饋線線路電阻0.622Ω/km，電抗0.113Ω/km，各支路長度如表2所示。線路的年平均故障率取0.04次/km，平均修復(fù)時間取30小時/次，開關(guān)倒閘操作時間20分/次，開關(guān)投資20000元/臺，設(shè)備規(guī)劃使用年限是20年。貼現(xiàn)率取8％，躉入電價取0.45元/kWh。改進(jìn)遺傳算法初始種群數(shù)60，交叉和變異操作時的系數(shù)分別為0.6和0.02，最大迭代次數(shù)100。利用本文建立的基于LCC的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型和改進(jìn)遺傳算對圖2所示配電網(wǎng)進(jìn)行開關(guān)配置優(yōu)化計算，優(yōu)化結(jié)果如表3方案3所示。最優(yōu)方案的開關(guān)配置為：在支路7和支路18安裝分段開關(guān)，在支路23安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

為了體現(xiàn)出本文所提方法的優(yōu)點，分別與圖2所示的配置7個分段開關(guān)和1個聯(lián)絡(luò)開關(guān)方案（LCC成本見表3方案1）和不配置分段和聯(lián)絡(luò)開關(guān)方案（LCC成本見表3方案2）兩種情況進(jìn)行對比，各方案全壽命周期成本數(shù)據(jù)如表3所示。

表1　各負(fù)荷點用戶數(shù)據(jù)

表2　線路類型及長度

表3　不同開關(guān)配置方案LCC成本明細(xì)表 （單位：元）

由表3數(shù)據(jù)可以看出，方案3為最優(yōu)開關(guān)配置方案，具有最小的年度LCC成本。另外，由表3還可以看出初始投資低的方案（方案2）不是全壽命周期經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案，因為其后期的停電成本較高。而一味追求可靠性的高初始投資的方案也不是全壽命周期經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案，因為安裝較多的開關(guān)設(shè)備不僅初始投資大，而且后期的運維費用也高。利用本文方法得到的方案3取得了初始投資、運維成本與停電損失成本的折中，是全壽命周期經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的開關(guān)配置方案。

4 結(jié)束語

本文基于全壽命周期成本理論，提出了一種以配電網(wǎng)全壽命周期年度綜合費用最低為目標(biāo)的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置方法，利用改進(jìn)遺傳算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。通過對IEEE RBTS-5配網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置實例結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

1）基于LCC理論建立的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型有效折中了初始投資成本、運行維護(hù)成本與停電損失成本，有效平衡了配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備投資與配網(wǎng)可靠性的關(guān)系，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

2）由規(guī)劃方案LCC結(jié)果可以看出，配電工程運營階段成本（維護(hù)成本、運行成本、停電成本）占很大比重，基于LCC方法的規(guī)劃結(jié)果更科學(xué)、合理，具有較高的實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝開貴,劉柏私,趙淵,等.配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的動態(tài)規(guī)劃算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005(6): 25-17.

[2] 王峻峰,謝開貴,周家啟.配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的改進(jìn)遺傳算法[J].電網(wǎng)技術(shù), 2005(10): 29-19.

[3] 謝開貴,周家啟.基于免疫算法的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置模型[J].電力系統(tǒng)自動化, 2003(3):27-15.

[4] 程曉榮,張秋亮, 智慧,等.基于人工魚群算法的配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置[J].華東電力，2008(1):36-1.

[5] 葛少云,李建芳,張寶貴.基于二分法的配電網(wǎng)分段開關(guān)優(yōu)化配置[J].電網(wǎng)技術(shù), 2007(7):31-13.

[6] 沈曉東,劉俊勇,孫毅.改進(jìn)的分步最優(yōu)法在配電網(wǎng)開關(guān)配置中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備, 2003, 23(12): 9-12.

[7] Allan RN, Billinton R, Sjarief I, et al. A reliability test System for education purposes-basic distribution system data and results[J]. IEE Trans. on Power System, 1991, 6(2): 813-820.

收稿日期：（2015-12-03）