基于人工智能方法的變電站選址定容規(guī)劃研究

1、基于人工智能方法的變電站選址定容規(guī)劃研究    摘 要:變電站選址定容優(yōu)化規(guī)劃是一個(gè)多目標(biāo)、多階段、非線性、受約束的混合整數(shù)規(guī)劃問題,傳統(tǒng)的運(yùn)籌學(xué)方法已不能滿足求解的需要,以人工智能技術(shù)為主的各種智能優(yōu)化算法成為解決變電站規(guī)劃的主流算法。本文對變電站選址定容從規(guī)劃的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性劃分可靠性和經(jīng)濟(jì)性模型,按規(guī)劃時(shí)間分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。并對多種算法進(jìn)行全面的綜述,重點(diǎn)分析這些模型和算法存在的問題和不足,并對存在問題和研究進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞:電網(wǎng)規(guī)劃 變電站選址定容 規(guī)劃模型 優(yōu)化算法 綜述中圖分類號(hào):TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(20

2、11)11(b)-0112-02變電站規(guī)劃是電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中重要的一環(huán),它直接決定供電范圍、網(wǎng)架出線和與上級(jí)電網(wǎng)的連結(jié),保障用戶的供電可靠性和電能質(zhì)量。傳統(tǒng)的變電站規(guī)劃主要依賴規(guī)劃專家的工程經(jīng)驗(yàn)。近年來,變電站優(yōu)化規(guī)劃在電力系統(tǒng)中得到長足的發(fā)展。變電站選址定容優(yōu)化規(guī)劃是一個(gè)多目標(biāo)、多階段、非線性、受約束的混合整數(shù)規(guī)劃問題。從數(shù)學(xué)角度來說,這是運(yùn)籌學(xué)問題。而傳統(tǒng)的運(yùn)籌學(xué)方法,如線性規(guī)劃法、整數(shù)規(guī)劃法、混合整數(shù)規(guī)劃法雖數(shù)學(xué)原理嚴(yán)格,但在解決變電站規(guī)劃問題時(shí)常常發(fā)生搜索方向錯(cuò)誤、迭代發(fā)散等問題。當(dāng)變量增多時(shí),往往陷入“組合爆炸”,這些方法很難得到問題的優(yōu)化方案。目前,以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的各類優(yōu)化算法

3、逐步成為求解變電站優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的主流算法。本文綜述近年來變電站優(yōu)化規(guī)劃的研究成果,述評變電站選址定容的數(shù)學(xué)模型和各種尋優(yōu)算法,重點(diǎn)分析模型和算法存在的不足,并對進(jìn)一步的研究方向和相關(guān)問題進(jìn)行展望。1 變電站規(guī)劃數(shù)學(xué)模型早期的變電站規(guī)劃一般作為配電網(wǎng)規(guī)劃子系統(tǒng)模型出現(xiàn),所考慮的情形包括有、無給出初始站址、單源站址和多源站址等。變電站規(guī)劃從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度也可以分為以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)和以可靠性為目標(biāo)的模型;在處理站址的地理信息(GIS)上可分為單階段模型(靜態(tài))和多階段(動(dòng)態(tài))模型;如果考慮的影響因素較多時(shí)還可采用綜合評判模型。1.1 以可靠性為目標(biāo)的規(guī)劃模型該模型把負(fù)荷抽象為幾何意義上的點(diǎn),按照變

4、電站靠近負(fù)荷中心的原則分配負(fù)荷,以總體負(fù)荷矩最小為目標(biāo)函數(shù),以功率平衡、變壓器容量、供電半徑等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)限制為約束。早期國內(nèi)外對模型采用線性規(guī)劃法、分支定界法等運(yùn)籌學(xué)方法求解,雖然存在理論上的最優(yōu)解,卻因維數(shù)過高和計(jì)算復(fù)雜而難以得到理想的結(jié)果。文獻(xiàn)1提出包含固定和可變費(fèi)用的運(yùn)輸模型,采用整數(shù)分支定界法和最短路徑表來求解。1.2 以最小投資和年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)的受約束的靜態(tài)優(yōu)化模型大多數(shù)文獻(xiàn)采用變電站投資和運(yùn)行最小費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù),考慮變電容量、供電半徑等約束的靜態(tài)優(yōu)化模型。這種模型相對運(yùn)輸模型符合工程經(jīng)濟(jì)需要,而且可以利用算法自行站址尋優(yōu),無需給出初始站址。缺點(diǎn)是沒有考慮實(shí)際地理信息,站址選擇僅在理

5、論上是最優(yōu)的,簡化了用地限制等重要自然約束條件。1.3 以最小投資和年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)考慮地理信息的多階段規(guī)劃模型第1階段初始方案的形成,一般按照1.2模型,通過優(yōu)化算法得到初始的站址。第2階段根據(jù)第1階段獲得的初始站址確定待選方案,為避開如河流、湖泊、街道等不可建站區(qū)域,對初始站址進(jìn)行二次選址。對于候選站址區(qū)域,根據(jù)定性地理信息,如:用地性質(zhì)、交通、施工條件、防洪排水、通信干擾、地形地質(zhì)等,采用層次分析法或模糊理論來確定地理因子的相對重要性,構(gòu)建評估指標(biāo),評價(jià)影響選址的關(guān)鍵性因素,綜合比較得出站址。1.4 構(gòu)建變電站選址的綜合評判模型針對變電站選址定容涉及因素多,決策困難的特點(diǎn),該模型從經(jīng)濟(jì)性

6、和可靠性角度出發(fā),分析影響變電站選址的關(guān)鍵因素,構(gòu)建評估指標(biāo)體系,包括:站址土地性質(zhì)、變電站本體投資、進(jìn)出線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等,運(yùn)用模糊理論和層次分析法,對影響站址選擇的關(guān)鍵因素進(jìn)行評價(jià),從而確定合理的變電站站址。這種變電站選址模型和方法常用于已知多個(gè)候選站址的場合,通過指標(biāo)評判,得到優(yōu)選結(jié)果。該方法在權(quán)重選擇上有一定的主觀性。2 智能優(yōu)化算法在變電站優(yōu)化規(guī)劃中的應(yīng)用智能優(yōu)化算法有良好的魯棒性、收斂速度快,在變電站選址定容模型求解中得到廣泛應(yīng)用。2.1 遺傳算法(Genetic Algorithm)的應(yīng)用遺傳算法GA在求解復(fù)雜組合優(yōu)化問題具有強(qiáng)大能力,算法的搜索結(jié)果在給出最優(yōu)解的同時(shí)也能給出一批次優(yōu)解

7、。將遺傳算法用于變電站規(guī)劃問題需要給定候選站址或候選站容,而且存在計(jì)算時(shí)間較長,解的質(zhì)量不高等問題。使用GA一般要給定待選站址和給定站容,而且GA收斂速度較慢,局部尋優(yōu)能力差?；谏鲜鰡栴},文獻(xiàn)2提出了一種無需給定站址的交替定位分配算法結(jié)合GA的混合遺傳算法(GA-LA),LA算子操作更使變電站坐標(biāo)接近負(fù)荷中心,從而提高混合算法的尋優(yōu)能力,而且LA算子提高了GA的計(jì)算速度。2.2 粒子群算法(PSO)的應(yīng)用粒子群算法(PSO)是模擬鳥群覓食行為仿生演化計(jì)算方法,本質(zhì)是利用當(dāng)前位置和全局極值和個(gè)體極值共同指導(dǎo)粒子下一步迭代位置。優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)、收斂速度快、魯棒性好,但對復(fù)雜搜索問題易早熟收斂、局

8、部尋優(yōu)能力較差。文獻(xiàn)3提出一種改進(jìn)的多組織粒子群優(yōu)化算法(RMPSO)來解決配電網(wǎng)絡(luò)變電站選址定容問題。輸入站址、規(guī)劃地塊及湖泊,建筑物等數(shù)據(jù),判斷變電站站址是否在規(guī)劃地塊中;按就近原則把負(fù)荷分配到各個(gè)變電站。再由變電站所帶負(fù)荷的大小來確定其容量。由變電站的容量、位置以及地理信息等因素(地塊面積、用地性質(zhì)、交通狀況、施工條件、地質(zhì)地形等),尋找變電站站址的最優(yōu)位置。文獻(xiàn)4模型不僅包含了以往的變電站選址的可量化因素,還將地理信息作為懲罰因子融合入模型,并以改進(jìn)粒子群算法尋優(yōu)求解。以基本的PSO和改進(jìn)的PSO分別進(jìn)行單源選址和多源選址,算例表明改進(jìn)PSO算法降低了尋優(yōu)復(fù)雜度,使選址結(jié)果科學(xué)合理。2

9、.3 微分進(jìn)化算法(DE)的應(yīng)用微分進(jìn)化算法(DE)1995年由Rainer Storn和Kenneth Price首先提出,是一種新型的啟發(fā)式進(jìn)化算法。與遺傳算法比,具有進(jìn)化速度快和使用方便的特點(diǎn);但是存在二進(jìn)制編碼困難,參數(shù)設(shè)置沒有統(tǒng)一的選擇方法等不足。可以先給出隨機(jī)初始化站址(DE中的個(gè)體),再根據(jù)地理信息對站址的可行性進(jìn)行規(guī)范,最后用外點(diǎn)法構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù),將狀態(tài)變量約束以罰函數(shù)計(jì)入目標(biāo)函數(shù)中,通過變異、交叉后確定站址和容量。與PSO算法相比,DE算法可避免早熟,當(dāng)問題規(guī)模較大時(shí),全局尋優(yōu)能力更好。如果應(yīng)用慣性加權(quán)系數(shù)策略的微分進(jìn)化改進(jìn)算法,相比傳統(tǒng)的DE算法,計(jì)算速度更快,但是慣性加權(quán)

10、系數(shù)每次需根據(jù)實(shí)際函數(shù)調(diào)整,過程繁瑣。2.4 智能算法結(jié)合伏羅諾伊圖(Voronoi)的應(yīng)用Voronoi圖也叫泰森多邊形,是俄國數(shù)學(xué)家G.Voronoi在1908年最早提出的。在地理信息的幾何分析上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。單一的伏羅諾伊圖方法對初值具有一定的敏感性。可以利用計(jì)算幾何Voronoi圖來解決變電站規(guī)劃問題,但是該方法是在假設(shè)負(fù)荷均勻分布、新增變電站的容量和臺(tái)數(shù)一定的前提下提出的,沒有考慮供電范圍與變電站負(fù)載率的合理性,只解決了變電站優(yōu)化規(guī)劃的一個(gè)子問題。文獻(xiàn)5充分利用V圖的特性并結(jié)合變電站站址的選取原則來指導(dǎo)新建站址的選擇。將V圖應(yīng)用于負(fù)荷均勻分布和非均勻分布兩種情況,以現(xiàn)有變電站為基礎(chǔ)

11、,選擇新建站址。并對負(fù)荷非均勻分布下新建站址選擇的交替迭代方法進(jìn)行了實(shí)例仿真。但是該文獻(xiàn)沒有限定變電站容量范圍,優(yōu)化所得變電站容量可能超出備選容量,造成規(guī)劃結(jié)果不合理。文獻(xiàn)6根據(jù)是否含有已有站,分別給出利用常規(guī)Voronoi圖法及綜合考慮規(guī)劃區(qū)域地形特點(diǎn)、區(qū)域面積和負(fù)荷分布情況的坐標(biāo)幾何方法產(chǎn)生初始站址,但該方法操作較為復(fù)雜,甚至需要大量的人工干預(yù),而且由于采用基于固定站址數(shù)的等分圓或等分網(wǎng)格方法,使得產(chǎn)生的初始站址容易偏離負(fù)荷中心。文獻(xiàn)7提出一種基于粒子群優(yōu)化的加權(quán)伏羅諾伊圖(weighted Voronoi diagram,WVD)變電站規(guī)劃方法。利用整數(shù)規(guī)劃的優(yōu)化技術(shù)得到新建站的容量組合

12、,結(jié)合改進(jìn)加權(quán)伏羅諾伊圖(自適應(yīng)調(diào)整權(quán)重)與交替定位分配算法,確定新建變電站的站址及供電范圍;以每個(gè)粒子的位置作為變電站站址,費(fèi)用函數(shù)作為適應(yīng)函數(shù),通過粒子群算法優(yōu)化變電站站址;比較WVD和PSO-WVD投資費(fèi)用與方案規(guī)劃結(jié)果,說明PSO-WVD比單一算法的優(yōu)越性。3 存在的問題及研究展望以上分析可見,變電站選址定容規(guī)劃得到廣泛的關(guān)注和重視,大量研究取得了卓有成效的成果。但變電站選址定容針對動(dòng)態(tài)負(fù)荷和地理信息存在規(guī)劃模型和求解方法的不足、受分布式發(fā)電、電壓層級(jí)變化影響變電站規(guī)劃等問題,從以下3個(gè)方面進(jìn)行展望。(1)針對動(dòng)態(tài)負(fù)荷和實(shí)際區(qū)域地理信息,建立變電站多目標(biāo)多階段規(guī)劃滾動(dòng)規(guī)劃模型和實(shí)用的求

13、解方法研究。傳統(tǒng)的變電站選址定容規(guī)劃一般是根據(jù)現(xiàn)時(shí)經(jīng)濟(jì)、電網(wǎng)狀況,預(yù)測某規(guī)劃年的負(fù)荷總量及其分布和地理信息進(jìn)行站址、容量的布點(diǎn)。對實(shí)際每年的變電規(guī)劃需求沒有詳實(shí)的理論模型,易造成變電站個(gè)數(shù)不足,擴(kuò)建難的困境,或者過于超前規(guī)劃失誤,一次性投資巨大的問題。(2)分布式發(fā)電引入配電網(wǎng)對變電站選址定容規(guī)劃影響研究。在國家倡導(dǎo)新能源應(yīng)用大環(huán)境下,分布式發(fā)電大量引入配電網(wǎng),分布式電源的位置和容量影響配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃。分布式電源的接入使得配電網(wǎng)絡(luò)線路投資和損耗降低,主網(wǎng)側(cè)的變電容量需求減少,相應(yīng)變電站數(shù)量和規(guī)?？s小,改變了傳統(tǒng)的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,有必要考慮分布式電源布點(diǎn)對變電站規(guī)劃的影響,協(xié)調(diào)好分布式電源和新建

14、變電站的供應(yīng)負(fù)荷、選址定容的關(guān)系,合理取得供電安全和經(jīng)濟(jì)性的雙優(yōu)化。(3)電壓層級(jí)優(yōu)化引起變電站規(guī)劃變化的研究。城市電網(wǎng)沿用的電壓層級(jí)是220/110(35)/10/0.4kV,電壓級(jí)差較小,使得變電層級(jí)過多,造成變電站布點(diǎn)過密,電能損耗大,使得在土地資源緊張的城市中心區(qū)站址選擇和出線走廊獲取日益困難。遵循“簡化電壓層級(jí),提升中壓等級(jí)”原則,20kV已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)電壓,豐富了電壓等級(jí),規(guī)劃人員有更多的電壓層級(jí)序列可供選擇。在負(fù)荷密度大于30MW/km2的新建開發(fā)區(qū)或特級(jí)城市需升壓改造的中心區(qū),220/20/0.4kV供電已有多個(gè)示范工程。220kV變電站深入負(fù)荷中心,忽略了110kV變電站的規(guī)劃

15、建設(shè),大大減少了站址面積,增強(qiáng)供電能力,但要考慮電網(wǎng)建設(shè)過渡和負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,研究做好以變電站為中心的電壓層級(jí)優(yōu)化的電網(wǎng)規(guī)劃。4 結(jié)語本文對變電站選址定容的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的智能求解算法進(jìn)行綜述,重點(diǎn)探討了模型的分類和相關(guān)算法在變電站規(guī)劃應(yīng)用中存在的問題和不足,從變電站選址定容模型、受分布式發(fā)電、電壓層級(jí)變化影響等問題對未來變電站選址定容研究進(jìn)行了展望。參考文獻(xiàn)1 Thompson G L,Wall D LA branch and bound model for choosing optimal substation locationsIEEE Transactions on Power Appar

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