基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法及装置与流程

1.本发明涉及配电网网格化规划技术领域，尤其涉及基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法及装置。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.随着能源互联网的建设，配电网的运行将面临海量数据采集、处理以及计算的压力。配电网网络边缘设备产生的数据日益增加，配电网业务需求量和复杂性也在迅速增加，产生大量的计算需求，使得主站压力大大增加。云计算、边缘技术的进步为电力大数据处理提供了途径。但是由于配电网系统结构复杂，功能差异大，对配电网而言，边缘所包含的配电区域范围、终端体量是需要进行明确的。一是因为边缘的大小对其处理能力以及主站的处理能力要求不同，若边缘定义过小，则其计算能力无法完全发挥，对主站压力起不到明显减轻作用；若边缘定义过大，则边缘节点计算压力大，容易造成区域信息堵塞，甚至可能导致边缘体量与主站在同一级别，与边缘计算理念背道而驰。所以在实现配电物联网云边协同时候需要对配电网进行网格划分，配电网网格化是配电网规划、运行和分析的基础，配电网格化就是依据城市控制性计划将配电网按照功能分析需求形成多个划分片区，构成配电网网格边缘，网格内供电范围相对独立互不交叉，打破以往的“自上而下”的方式，以满足用户需求为目标导向，逐步的形成“自下而上”的规划理念，对于不同的供电区域，布置适合当地的中压网架结构。而现有技术中是通过人工规划，基于人的主观经验来划分配电网格，难以保证方案合理性。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法，用以保证配电网网格划分方案的合理性，该方法包括：
5.基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网网格划分方案；
6.确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学模型的目标函数；
7.将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；
8.确定多目标优化函数的约束条件；
9.根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理。
10.本发明实施例还提供一种基于图论和能量平衡的配电网网格划分装置，用以保证配电网网格划分方案的合理性，该装置包括：
11.初始划分模块，用于基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网网格划分方案；
12.目标函数确定模块，用于确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学模型的目标函数；
13.目标函数优化模块，用于将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；
14.约束条件确定模块，用于确定多目标优化函数的约束条件；
15.优化模块，用于根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理。
16.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法。
17.本发明实施例还提供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执行上述基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法的计算机程序。
18.本发明实施例中，基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网网格划分方案；确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学模型的目标函数；将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；确定多目标优化函数的约束条件；根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理，与现有技术中依赖人工规划的主观经验难以保证方案合理性的技术方案相比，通过建立划分模型和优化算法求解方案，可以实现网格划分模型得到的方案可行性和有效性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
20.图1为本发明实施例中基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法流程图一；
21.图2为本发明实施例中基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法流程图二；
22.图3为本发明实施例中利用改进粒子群算法进行目标函数求解方法流程图；
23.图4为本发明实施例中基于图论和能量平衡的配电网网格划分装置结构框图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
25.图1为本发明实施例中基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法流程图一，如图1所示，该方法包括：
26.步骤102：基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网网格划分方案；
27.步骤104：确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学
模型的目标函数；
28.步骤106：将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；
29.步骤108：确定多目标优化函数的约束条件；
30.步骤110：根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理。
31.在本发明实施例中，步骤104和步骤108可以是并列步骤，如图2所示，构建配电网网格划分数学模型时，要同时确定目标函数和约束条件。
32.在本发明实施例中，该方法基于配电网图论搜索原理和配电网运行过程中的电能流、信息流平衡为依据进行网格划分，该方法根据配电网地域特性、功能特性和能量交互特性进行网络边缘节点划分。
33.配电网架构拓扑结构是配电网格划分的基础。配电网由配电变电站、配电线路、用电设备组成，是最终分配电能的终端网络，是电力系统中直接与客户相连接的一环，对整个供电可靠性影响巨大。一个健壮、经济、适应性强的网架结构，可确保电网安全可靠经济的运行，不仅能为用户提供优质、经济的服务，而且能为电力部门节约大量的建设改造投资以及运行维护成本。利用图论搜索原理将配电网中的不同设备用图的顶点表示，它们之间的相互联系可用顶点间的连线表示，这种方法形象直观。通过矩阵的形式来表示电源点、负荷和开关之间的关系，利用连接矩阵和可达矩阵来为约束条件做基础。
34.在本发明实施例中，优化目标为配电网网格内跨网格线路数量最少，配电网格间电功率流最小和网格间信息交互最小。
35.其中，所述目标函数为：
[0036][0037]
其中，f1为优化目标1的隶属度值，优化目标1为配电网格内跨网格线路数量最小；i为馈线编号，li为馈线i所跨网格数量，m为馈线数；
[0038][0039]
其中，f2为优化目标2的配电网格间电功率流，优化目标2为配电网格间电功率流最小；p_flowj为配电网格j与外界交互功率；ω
area
表示配电网格集合；
[0040][0041]
其中，f3为优化目标3的配电网格间信息交互值，优化目标3为配电网格间信息交互最小；info_flowj为配电网格j与外界交互信息。
[0042]
在本发明实施例中，由于各个优化目标属性不同，取值大小相异，因此将各个优化目标进行归一化处理转化到区间[0,1]。
[0043]
在本发明实施例中，采用线性加权求和方式获得最终目标函数，同时也可将配电网网格划分问题看作为多目标优化问题。
[0044]
其中，按照如下公式将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数：
[0045]
f＝min(ω1f1 ω2f2 ω3f3)；
[0046]
其中，f表示多目标优化函数；ω1、ω2、ω3分别为目标函数f1、f2、f3的权重值。从式子可以看出配电网格划分目标函数为一多目标优化问题，利用图论和优化方法进行求解。
[0047]
在本发明实施例中，统计配电网供电区域内馈线、配变等基本属性。约束条件包括配电网格实际运行过程中本网格内的电气约束条件、网格内设备及线路容量约束和区域连接约束。
[0048]
其中，(1)配电网格实际运行过程中本网格内的电气约束条件包括潮流、负荷自给率、设备容量以及馈线总数约束等。
[0049]
潮流约束：
[0050][0051]
其中，分别为储能系统、分布式电源和负荷有功功率，分别为储能系统、分布式电源和负荷有功功率，分别为储能系统、分布式电源和负荷无功功率；u为网格内节点电压。
[0052]
网格内设备及线路容量约束包括分布式电源容量及输出功率、线路电流、节点电压以及储能系统soc约束等。
[0053][0054]
(2)区域连接约束包括网格中所包含的任一区域至少要和网格中其他某一区域相邻。即网格中不存在某一区域脱离网格中的其他区域单独存在，形成区域连接约束，这是网格划分的必要约束条件。其中基本约束条件即判断网格划分方案中网格所包含的区域是否满足相邻连接约束，可以通过结合邻接矩阵和图的可达性矩阵分析求得。具体过程如下：
[0055]
基于区域拓扑连接联系，建立网格内所有地块的邻接矩a＝a
pq
：
[0056][0057]
p、q分别为区域编号；
[0058]
定义邻接矩阵a的u次幂：au＝a
×au-1
，其中
[0059][0060]
式中：w为区域编号，t为网络所包含的区域总数，若a
pwaqw
＝1则代表区域p可以经过区域w连通区域q；若则表示从区域p和q可以联通。构建网络可达矩阵y＝b b2 b3
…
b
t
，基于可达性分析一次判断每一个网络内的区域是否满足相邻连接约束。如果网格内区域满足相邻连接约束，则可以达性矩阵y是一个全1矩阵。对每一个网格都求得可达矩阵，便可判断当前网格划分方案是否满足相邻连接约束条件。
[0061]
在本发明实施例中，利用改进粒子群算法进行目标函数求解。如图3所示，尽管基本的粒子群算法(pso)在求解目标函数时，能够有很好的解决能力，通过迭代计算，可以迅速找到最优解。子群中的每一个粒子都代表一个问题的可能解，通过粒子个体的简单行为，群体内的信息交互实现问题求解的智能性。由于pso操作简单、收敛速度快，因此在众多领域都得到了广泛的应用。但是基本的pso很容易陷入局部最优，导致结果误差较大。本方法实施时，粒子群算法的改进措施包括1)至3)的其中之一或多个：
[0062]
1)在速度和位置迭代过程中增加个体平均位置的迭代，一次提高粒子间的信息沟通，从而避免陷入局部最优解。
[0063][0064]
其中，xj(t)为第j个粒子第t代的位置，vj(t)为第j个粒子第t代的速度，为个体j最优解，p
best_avg
为t代个体最优解中间位置，g
best
为全局最优解，c1、c2和c3为学习因子，rand1、rand2和rand3为(0,1)之间的随机数，ω为粒子群算法的惯性权重，λ为压缩因子。
[0065]
2)粒子群算法的惯性权重随着进化进程非线性调整，利用sigmoid函数进行映射迭代，
[0066][0067]
其中，f
pbest_avg
为个体最优解平均适应度值，f
gbest
全局最优解适应度值。
[0068]
3)粒子群算法的加速因子的非线性调整，利用范式方程定义加速因子，并计算压缩因子。
[0069][0070]
c＝c1 c2 c3；
[0071][0072]
本发明实施例中还提供了一种基于图论和能量平衡的配电网网格划分装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法相似，因此该装置的实施可以参见基于图论和能量平衡的配电网网格划分方法的实施，重复之处不再赘述。
[0073]
图4为本发明实施例中基于图论和能量平衡的配电网网格划分装置结构框图，如图4所示，该装置包括：
[0074]
初始划分模块02，用于基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网
网格划分方案；
[0075]
目标函数确定模块04，用于确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学模型的目标函数；
[0076]
目标函数优化模块06，用于将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；
[0077]
约束条件确定模块08，用于确定多目标优化函数的约束条件；
[0078]
优化模块10，用于根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理。
[0079]
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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图论和能量平衡的配电网网格划分方法。
[0080]
本发明实施例还提供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执行上述图论和能量平衡的配电网网格划分方法的计算机程序。
[0081]
本发明实施例中，基于图论搜索，根据配电网架构拓扑结构确定初始配电网网格划分方案；确定网格划分的优化目标，基于所述优化目标建立配电网网格划分数学模型的目标函数；将目标函数进行线性组合，建立多目标优化函数；确定多目标优化函数的约束条件；根据初始配电网网格划分方案，利用改进粒子群算法对多目标优化函数进行求解，获得优化的配电网网格划分方案，所述优化的配电网网格划分方案用于后续相应处理，与现有技术中依赖人工规划的主观经验难以保证方案合理性的技术方案相比，通过建立划分模型和优化算法求解方案，可以实现网格划分模型得到的方案可行性和有效性。
[0082]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
[0083]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0084]
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。
[0085]
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。
[0086]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。