一种电网侧电压暂降防治方法及系统与流程

1.本发明属于电压暂降治理技术领域，具体涉及一种电网侧电压暂降防治方法及系统。


背景技术：

2.随着高端制造业在社会经济发展中的作用不断增强，治理电压暂降已成为当前学术界和工业界关注的重要问题。电压暂降是指供电电压的方均根值突然下降至正常值的90％～10％，持续0.5个工频周波到1min后自动恢复的供电扰动事件，在电网正常运行中难以避免。以芯片制造、半导体、精密器械加工和电力电子设备生产等为代表的行业，需要大量使用敏感设备，而敏感设备对电压暂降，若是发生电压暂降，则会造成设备损坏，原材料损坏等经济损失。产生电压暂降事件的原因很多，普遍认为包括系统内的短路故障、大型电动机起动、大型变压器空载激磁、大容量无功补偿电容器组的投切等，但这些原因可统一归结为短时间内从系统突然汲出一个大电流(包括有功分量和无功分量，其中，无功分量的影响更突出)，并自动恢复。而电力系统在运行过程中，雷击过电压、操作过电压、绝缘材料的自然老化、设计与安装及维护不良所带来的设备缺陷、由于大风或导线覆冰引起的线路电杆倒塌、运行人员的误操作、鸟或动物跨接裸露导体等都可能引起电力系统短路故障，电力系统中，短路故障是引起电压暂降的主要原因。可以认为，电压暂降事件是电力系统正常运行不可避免的事件。
3.电力系统内不可避免的电压暂降事件，与越来越敏感的设备之间的矛盾日益突出，使电压暂降问题成为了近20年来工业界和学术界最关注和最亟待解决的电能质量问题。近年来，为了治理电压暂降，减少用户损失，供电方已经采取了诸多措施，电压暂降的治理问题本质上是供电电压暂降水平与用电设备电压暂降耐受能力的兼容性问题，安装电压暂降治理设备是敏感用户最常用的电压暂降治理技术，电压暂降治理设备的本质是提高供给用电设备的电能质量水平，根据设备电压暂降耐受能力，选取合适类型，容量的治理设备理论上可补偿任意的电压暂降事件，避免敏感用户生产过程的不正常运行甚至中断。
4.随着我国经济发展进入新常态，企业集聚的工业园区进一步成为中小城市重要的经济增长点。而工业园区内部往往连接有一个或多个对电压暂降敏感的工业用户，每当电力系统中由于发生短路故障等引起电压暂降事件时，如果电压暂降事件的暂降幅值与持续时间超出了敏感用户对电压暂降的耐受能力，则会破坏正常的工业过程并造成经济损失。目前还未有一种经济有效的针对电网侧电压暂降的防治方法及系统。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种电网侧电压暂降防治方法及系统，具体技术方案如下：
6.一种电网侧电压暂降防治方法，包括以下步骤：
7.s1：计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失；
8.s2：计算电网侧线路优化改造的投资成本；
9.s3：通过对电压暂降防治投资成本和经济损失的关联性与冲突性分析，考虑电网侧通过减少短路故障的电压暂降防治方案优化模型目标函数为电压暂降总损失最小，求解目标函数得到对应线路的具体防治方案。
10.优选地，所述步骤s1中总经济损失的计算方式如下：
[0011][0012]
为单个用户平均每次遭受电压暂降后造成的经济损失，u为电网中敏感用户总数；为用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数。
[0013]
优选地，用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数的计算方式如下：
[0014][0015]
式中，vi为故障点i对应电压暂降的幅值，v
min
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压下限，v
max
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压上限，且不同的暂降持续时间所对应的vmax不尽相同；s为线路上设定的故障点数，t为故障类型，δs为线路发生第s类故障的故障率；当故障点对应电压暂降幅值vi满足v
min
≤vi＜v
max
时βi＝1，否则βi＝0，βi为电压暂降发生的特征量。
[0016]
优选地，通过对发生故障的各种原因采用针对性防治措施后，采用线路改造技术后的线路故障率为：
[0017]
δs＝psδp
c_s
β
c_s
；
[0018]
ps为引起故障的第s类原因发生的概率；δp
c_s
表示第s类原因采用改造技术的作用；0＜δp
c_s
＜1；β
c_s
为0，1变量，当对第s类原因采用改造技术时其值为1，否则为0；
[0019]
引起故障的原因有：树枝和输电线之间的接触、雷击线路、动物接触线路、其他人为因素，即：
[0020][0021]
优选地，所述步骤s3中电网侧线路优化改造的投资成本的计算方式如下：考虑电网侧防治技术的寿命周期为y年，则电网侧防治技术投资总成本ccost为：
[0022][0023]
其中，m
l
为投入暂降防治技术的线路总数，为线路k使用第j种暂降防治技术的单位投资成本；为0,1变量，当线路k应用了第j种暂降防治技术时其值为1，否则为0，yj为第j种暂降防治技术的寿命周期，j为暂降防治技术的数量。
[0024]
优选地，所述目标函数为电压暂降总损失最小，具体如下：
[0025]
[0026]
其中，为电网中各个敏感用户每年遭受电压暂降的总损失，c
cost
为电网侧电压暂降防治技术年投资成本；
[0027]
约束函数包括：
[0028]
(1)技术约束：
[0029]
地下电缆与其他防治技术的冲突性应有：
[0030][0031]
其中表示线路k上是否使用地下电缆改造技术，为线路k上是否使用其他暂降防治技术；
[0032]
(2)经济约束：
[0033][0034]
其中，为电网侧不采用任何电压暂降防治技术前所有敏感用户每年遭受电压暂降造成的总损失。
[0035]
优选地，采用遗传算法求解目标函数。
[0036]
一种电网侧电压暂降防治系统，包括总经济损失计算模块、投资成本计算模块、目标函数求解模块；所述总经济损失计算模块用于计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述投资成本计算模块用于计算电网侧线路优化改造的投资成本，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述目标函数求解模块用于根据总经济损失计算模块、投资成本计算模块的计算结果建立以电压暂降总损失最小为目标函数并求解得到对应线路的具体防治方案。
[0037]
本发明的有益效果为：本发明提供了一种电网侧电压暂降防治方法，包括步骤计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失；计算电网侧线路优化改造的投资成本；通过对电压暂降防治投资成本和经济损失的关联性与冲突性分析，考虑电网侧通过减少短路故障的电压暂降防治方案优化模型目标函数为电压暂降总损失最小，求解目标函数得到对应线路的具体防治方案。本发明从电网侧角度对所有敏感用户进行综合性防治，得到最优的电压暂降防治方案，针对每条线路的防治方案相同或不同，减少电压暂降防治投资成本。本发明采用减少故障概率的暂降防治技术降低全网敏感用户每年遭受电压暂降的经济损失，可以得到最优的线路电压暂降防治方案，解决了电网侧电压暂降防治的问题，本发明采用遗传算法对目标函数进行求解，简单通用，鲁棒性强。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0039]
图1为本发明的流程示意图；
[0040]
图2为本发明采用的遗传算法的流程图；
[0041]
图3为本发明的系统结构示意图；
[0042]
图4为本发明实施例中ieee 30节点系统的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0045]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0046]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0047]
一种电网侧电压暂降防治方法，包括以下步骤：
[0048]
s1：计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失；总经济损失的计算方式如下：
[0049][0050]
为单个用户平均每次遭受电压暂降后造成的经济损失，可以通过敏感用户的生产经验获得，u为电网中敏感用户总数；为用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数，需要考虑敏感用户的电压暂降耐受特性并对电网每年的电压暂降水平进行预测获得。
[0051]
用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数的计算方式如下：
[0052]
式中，vi为故障点i对应电压暂降的幅值，v
min
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压下限，v
max
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压上限，且不同的暂降持续时间所对应的vmax不尽相同；s为线路上设定的故障点数，t为故障类型，δs为线路发生第s类故障的故障率；当故障点对应电压暂降幅值vi满足v
min
≤vi＜v
max
时βi＝1，否则βi＝0，βi为电压暂降发生的特征量。
[0053]
通过对发生故障的各种原因采用针对性防治措施后，采用线路改造技术后的线路故障率为：
[0054]
δs＝psδp
c_s
β
c_s
；
[0055]
ps为引起故障的第s类原因发生的概率；δp
c_s
表示第s类原因采用改造技术的作用；0＜δp
c_s
＜1；β
c_s
为0，1变量，当对第s类原因采用改造技术时其值为1，否则为0；
[0056]
引起故障的原因有：树枝和输电线之间的接触、雷击线路、动物接触线路、其他人
为因素，即：
[0057][0058]
s2：计算电网侧线路优化改造的投资成本；电网侧线路优化改造的投资成本的计算方式如下：
[0059]
考虑电网侧防治技术的寿命周期为y年，则电网侧防治技术投资总成本ccost为：
[0060][0061]
其中，m
l
为投入暂降防治技术的线路总数，为线路k使用第j种暂降防治技术的单位投资成本；为0,1变量，当线路k应用了第j种暂降防治技术时其值为1，否则为0，yj为第j种暂降防治技术的寿命周期，j为暂降防治技术的数量。暂降防治技术包括电缆改造、避雷器、动物防护、树木修剪。
[0062]
s3：通过对电压暂降防治投资成本和经济损失的关联性与冲突性分析，考虑电网侧通过减少短路故障的电压暂降防治方案优化模型目标函数为电压暂降总损失最小，求解目标函数得到对应线路的具体防治方案。
[0063]
目标函数为电压暂降总损失最小，具体如下：
[0064][0065]
其中，为电网中各个敏感用户每年遭受电压暂降的总损失，ccost为电网侧电压暂降防治技术年投资成本；
[0066]
约束函数包括：
[0067]
(1)技术约束：
[0068]
地下电缆与其他防治技术的冲突性应有：
[0069][0070]
其中表示线路k上是否使用地下电缆改造技术，为线路k上是否使用其他暂降防治技术；
[0071]
(2)经济约束：
[0072][0073]
其中，为电网侧不采用任何电压暂降防治技术前所有敏感用户每年遭受电压暂降造成的总损失。
[0074]
本实施例采用遗传算法求解目标函数。遗传算法作为一种经典的智能算法，具有全局并行搜索，简单通用，鲁棒性强等优点，被广泛地应用于计算机科学，自动控制，人工智能，工程设计，制造业，生物工程和社会科学等领域。
[0075]
遗传算法是由美国的荷兰教授于1975年在他的专著《自然界和人工系统的适应性》中首先提出的，它是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法。遗传算
法模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖交叉和基因突变现象，在每次迭代中都保留一组候选解，并按某种指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子选择交叉和变异特征在于群体搜索策略和简单的遗传算子。群体搜索使遗传算法得以突破领域搜索的限制，可以实现整个解空间上的分布式信息采集和探索；遗传算子仅仅利用适应值度量作为运算指标进行随机操作，降低了一般启发式算法在搜索过程中对人机交互的依赖。
[0076]
遗传操作是模拟生物基因遗传的做法。在遗传算法中，通过编码组成初始种群后，遗传操作的任务就是对群体的个体按照它们对环境适应度施加一定的操作，从而实现优胜劣汰的进化过程。从优化搜索的角度而言，遗传操作可使问题的解，一代又一代地优化，并逼近最优解。使用遗传算法求解优质电力园区组合方案优化模型步骤如下：
[0077]
步骤1：根据实际系统及用户确定多层级电能质量协同防治优化模型决策变量参数集；
[0078]
步骤2：针对系统特性、用户特性及实际情况对决策变量进行编码；
[0079]
步骤3：初始化种群，产生初始种群p0；
[0080]
步骤4：计算种群适应度值；
[0081]
步骤5：进行遗传操作，产生新种群。遗传操作包括选择、交叉和变异；
[0082]
步骤6：判断是否满足停止规则，若是则停止运行，否则使用新种群代替原始种群，转到步骤4继续运行。其流程图如图2遗传算法流程所示。
[0083]
如图3所示，本发明的具体实施方式提供了一种电网侧电压暂降防治系统，包括总经济损失计算模块、投资成本计算模块、目标函数求解模块；所述总经济损失计算模块用于计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述投资成本计算模块用于计算电网侧线路优化改造的投资成本，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述目标函数求解模块用于根据总经济损失计算模块、投资成本计算模块的计算结果建立以电压暂降总损失最小为目标函数并求解得到对应线路的具体防治方案。
[0084]
本项目以4所示的ieee 30节点系统为例进行仿真。该系统含132kv及33kv两个电压等级，由6台发电机组、30条母线、37条线路以及4台变压器组成。所有变压器为y0/y0接线方式，假设线路上故障服从均匀分布。并且三相短路、单相接地短路、两相短路以及两相接地短路的故障发生概率分别为0.1、2、0.125、0.3次/100km
·
年。
[0085]
为仿真模拟需要，假设电网具有高中低三种不同敏感度的敏感用户，节点10连接有高、中两种不同敏感度的敏感负荷，节点14连接有三个不同敏感度的敏感用户，节点27连接有两个高敏感度的敏感用户。敏感负荷的三种不同敏感度及其遭受一次电压暂降扰动后的经济损失如下表1所示：
[0086]
表1敏感用户特性
[0087]
敏感度经济损失高85万元/次中50万元/次低10万元/次
[0088]
采用故障点法对敏感用户每年遭受电压暂降造成的经济损失进行评估，线路故障点数设置为200，系统线路保护特性如下表所示，在不采用任何防治技术时，全网所用敏感
用户每年因遭受电压暂降扰动造成的经济损失为6.7224千万元。
[0089]
假设系统线路发生故障的原因及其概率如下表2所示：
[0090]
表2敏感用户特性
[0091]
故障原因概率树木接触50％雷击30％动物破坏15％人为及其他5％
[0092]
本发明采用地下电缆改造、加装避雷器、装设动物防护和树木修剪四种电网侧电压暂降防治技术进行防治，考虑到系统故障原因及其概率，电网侧电压暂降防治收益及成本如下表3所示：
[0093]
表3电网侧电压暂降防治技术
[0094]
防治技术防治技术收益投资成本寿命周期电缆改造减少线路95％故障率70万元/km20年避雷器减少线路23.4％故障率5.705万元/km20年动物防护减少线路7.5％故障率0.14万元/km10年树木修剪减少线路10％故障率0.14万元/km/次5年
[0095]
采用遗传算法对优化问题进行求解，遗传算法参数设置如下表4所示：
[0096]
表4遗传算法参数设置
[0097]
种群大小进化代数交叉率变异率402000.60.1
[0098]
电网侧电压暂降防治优化结果如下表5所示：
[0099]
表5电网侧电压暂降防治优化结果
[0100][0101][0102]
对比暂降防治前全网敏感用户遭受电压暂降造成的经济损失及暂降防治后电压暂降总损失，可以发现通过电压暂降电网侧防治可减少30％的经济损失。同时，进行电网侧电压暂降防治后将降低全网电压暂降频次，当在电力系统中接入新的敏感负荷时在不进行进一步用户侧防治也能够减少新接入负荷的电压暂降损失。
[0103]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0104]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0105]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失；s2：计算电网侧线路优化改造的投资成本；s3：通过对电压暂降防治投资成本和经济损失的关联性与冲突性分析，考虑电网侧通过减少短路故障的电压暂降防治方案优化模型目标函数为电压暂降总损失最小，求解目标函数得到对应线路的具体防治方案。2.根据权利要求1所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：所述步骤s1中总经济损失的计算方式如下：经济损失的计算方式如下：为单个用户平均每次遭受电压暂降后造成的经济损失，u为电网中敏感用户总数；为用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数。3.根据权利要求2所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：用户u每年由于电压暂降造成正常生产发生故障的次数的计算方式如下：式中，v
i
为故障点i对应电压暂降的幅值，v
min
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压下限，v
max
为电压暂降持续时间为ti时在敏感用户的电压暂降耐受曲线上所对应的电压上限，且不同的暂降持续时间所对应的vmax不尽相同；s为线路上设定的故障点数，t为故障类型，δ
s
为线路发生第s类故障的故障率；当故障点对应电压暂降幅值v
i
满足v
min
≤v
i
＜v
max
时β
i
＝1，否则β
i
＝0，β
i
为电压暂降发生的特征量。4.根据权利要求3所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：通过对发生故障的各种原因采用针对性防治措施后，采用线路改造技术后的线路故障率为：δ
s
＝p
s
δp
c_s
β
c_s
；p
s
为引起故障的第s类原因发生的概率；δp
c_s
表示第s类原因采用改造技术的作用；0＜δp
c_s
＜1；β
c_s
为0,1变量，当对第s类原因采用改造技术时其值为1，否则为0；引起故障的原因有：树枝和输电线之间的接触、雷击线路、动物接触线路、其他人为因素，即：5.根据权利要求1所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：所述步骤s3中电网侧线路优化改造的投资成本的计算方式如下：考虑电网侧防治技术的寿命周期为y年，则电网侧防治技术投资总成本ccost为：其中，m
l
为投入暂降防治技术的线路总数，为线路k使用第j种暂降防治技术的单位
投资成本；为0，1变量，当线路k应用了第j种暂降防治技术时其值为1，否则为0，y
j
为第j种暂降防治技术的寿命周期，j为暂降防治技术的数量。6.根据权利要求1所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：所述目标函数为电压暂降总损失最小，具体如下：其中，为电网中各个敏感用户每年遭受电压暂降的总损失，c
cost
为电网侧电压暂降防治技术年投资成本；约束函数包括：(1)技术约束：地下电缆与其他防治技术的冲突性应有：其中表示线路k上是否使用地下电缆改造技术，为线路k上是否使用其他暂降防治技术；(2)经济约束：其中，为电网侧不采用任何电压暂降防治技术前所有敏感用户每年遭受电压暂降造成的总损失。7.根据权利要求6所述的一种电网侧电压暂降防治方法，其特征在于：采用遗传算法求解目标函数。8.一种电网侧电压暂降防治系统，其特征在于：包括总经济损失计算模块、投资成本计算模块、目标函数求解模块；所述总经济损失计算模块用于计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述投资成本计算模块用于计算电网侧线路优化改造的投资成本，并将计算结果输入至目标函数计算模块；所述目标函数求解模块用于根据总经济损失计算模块、投资成本计算模块的计算结果建立以电压暂降总损失最小为目标函数并求解得到对应线路的具体防治方案。

技术总结
本发明属于电压暂降治理技术领域，具体涉及一种电网侧电压暂降防治方法及系统，包括步骤计算工业园区中所有敏感负荷每年由于电压暂降造成的总经济损失；计算电网侧线路优化改造的投资成本；通过对电压暂降防治投资成本和经济损失的关联性与冲突性分析，考虑电网侧通过减少短路故障的电压暂降防治方案优化模型目标函数为电压暂降总损失最小，求解目标函数得到对应线路的具体防治方案。本发明从电网侧角度对所有敏感用户进行综合性防治，得到最优的电压暂降防治方案，针对每条线路的防治方案相同或不同，减少电压暂降防治投资成本。减少电压暂降防治投资成本。减少电压暂降防治投资成本。


技术研发人员：姚知洋 陈卫东 金庆忍 韩帅 阮诗雅 郭敏 孙乐平 吴晓锐 龚文兰 卢健斌
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2021.11.27
技术公布日：2022/3/8