一种计及负荷特性的超高层建筑配电网两阶段优化方法

1.本发明涉及超高层建筑配电网规划研究领域，具体地说是一种计及负荷特性的超高层建筑配电网两阶段优化方法。


背景技术：

2.超高层建筑通常集商住楼、写字楼、高档公寓、宾馆酒店、娱乐场所、大型商场、百货超市、地下车库于一体，其负荷种类多、密度大，不同业态负荷的特性具有显著差异。如何科学合理地配置建筑内变压器及其供电线路，对提高超高层建筑供配电系统运行的安全可靠和稳定运行具有重要作用。超高层建筑内部的供配电系统规划隶属于中低压配网层面。目前，已有研究对超高层建筑中变压器的选址定容问题展开了分析与讨论，但仅从满足超高层建筑用电设计规范的角度出发，在简单对比了不同方案间运行参数后确定最终变压器配置方案，无法保证所选方案的最优性。
3.对变压器的优化配置，首先要确定变压器的供电范围。仅依据用地性质与负荷量划分的供电区线路最高负载率高而平均负荷率低、峰谷差大、设备利用率低。因此，现研究在供电区划分时会考虑负荷的特性，而综合类的超高层建筑业态多样、负荷特性各异并存在地理位置上的接壤，存在以负荷特性划分供电区的优化条件与空间。供电区确定后，可建立最优化模型获得配电网网络的配置方案。为兼顾设备容量与运行效果，配电网规划通常分为多个阶段或将规划与运行协同考虑。但是，现有的研究成果大都针对城市配电网规划，缺乏对超高层建筑配电网规划的研究。
4.超高层建筑的配电网规划与传统“平面”配电网规划有着很大的区别。一方面，超高层建筑的变压器只能放置于避难层或设备层，其供电区划分需考虑变压器的位置约束。另一方面，在网架规划阶段，“立式”的配电网线路有着固定的延伸方向，仅从变压器出线至供电区末端。基于以上，传统的“平面”配电网网络规划方法难以适用。


技术实现要素：

5.本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种计及负荷特性的超高层建筑配电网两阶段优化方法，以期能以优化的方法寻找超高层建筑最佳配电方案，不仅能减少变压器的容量，还能进一步提升超高层建筑配电网运行的安全性与稳定性。
6.本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
7.本发明一种计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法，所述超高层建筑配电网是由市内变电所引入10kv电源，并通过电缆进线至各楼层变电站后，再配置0.4kv密集型母线槽为每个楼层的供电；
8.所述超高层建筑配电网中的器件包括：10kv配电柜、10kv电缆、10/0.4kv变压器以及0.4kv密集型母线槽；其特点在于，所述两阶段优化方法是按如下步骤进行：
9.步骤1、统计超高层建筑的负荷信息，包括：各楼层的负荷量和每层楼在四季典型工作日的日负荷曲线；令s
c,k
为第k层楼的总负荷量；令s
c,k,j,t
为第k层楼在第j季节的典型
工作日的t时刻的负荷量；1≤t≤24表示一天中的24个时刻；j＝1，2，3，4分别表示春、夏、秋、冬季；
10.步骤2、搭建超高层建筑供电区的最优划分模型；
11.步骤2.1、划分超高层建筑内的供电区；将超高层建筑的负荷以10/0.4kv变压器容量的标准规格进行组合以形成供电区，且各供电区的负荷量不超过10/0.4kv变压器的容量；
12.令s
t,i
为第i个供电区的10/0.4kv变压器容量，则各个供电区的10/0.4kv变压器容量记为{s
t,1
,s
t,2
,...,s
t,i
,...,s
t,n
}1×n，其中，n表示最大的供电区数，且n等于建筑总负荷除以最小变压器配置规格的取整结果；
13.步骤2.2、所述超高层建筑供电区的最优划分模型，是以第i个供电区的10/0.4kv变压器容量s
t，i
为优化变量，以n个供电区的平均负荷饱和度f1、平均日负荷率f2和平均反峰谷差f3作为划分的评估指标，并以评估指标的最大加权和作为所述超高层建筑供电区的最优划分模型的优化目标f，同时构建所述超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，从而在所述约束条件下，对优化目标f进行求解后，输出评估指标最优的供电区划分参数，包括：第i个供电区的起始楼层数starti、第i个供电区的终止楼层数endi和第i个供电区的总负荷量s
d,i
；
14.步骤3、搭建超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型，并与所述超高层建筑供电区的最优划分模型构成超高层建筑配电网的两阶段优化模型；
15.步骤3.1、依据供电区划分参数计算第i个供电区的负荷同时系数ki和计算负荷s
z,i
，并在满足10/0.4kv变压器配置约束的条件下，选择各供电区中10/0.4kv变压器的型号；
16.步骤3.2、选择各供电区变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×n，其中，w
t,i
为第i个供电区中10/0.4kv变压器所在楼层数；
17.依据载流量配置10/0.4kv变压器的10kv进线电缆与0.4kv出线的密集型母线槽；
18.所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型是以10/0.4kv变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×n为优化变量，以n个供电区的10/0.4kv变压器容量g1、10kv电缆长度g2、10kv电缆年网损g3、0.4kv密集母线长度g4、0.4kv密集母线年网损g5作为多目标规划模型的多优化目标，并构建所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件，从而在其约束条件下，对所述多目标规划模型进行求解后，获得使多优化目标取得较小值的pareto最优解集g；
19.步骤3.3、采用熵权法从pareto最优解集g中筛选出一个折中最优解g'，即为超高层建筑配电网最优规划方案。
20.本发明所述的计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法的特点也在于，步骤2.2中是利用式(1)分别计算平均负荷饱和度f1：
[0021][0022]
利用式(2)～式(5)计算平均日负荷率f2：
[0023][0024][0025][0026][0027]
式(2)～式(5)中，s
d,i,j,t
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的t时刻负荷量；s
av,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的平均负荷量，s
max,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最大负荷量；
[0028]
利用式(6)、式(7)计算平均反峰谷差f3：
[0029][0030][0031]
式(7)中，s
min,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最小负荷量；
[0032]
利用式(8)计算所述供电区划分的优化目标f：
[0033]
max f＝w1f1+w2f2+w3f3ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0034]
式(8)中，w1、w2、w3分别为各正向指标的权重；
[0035]
所述超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，包括：
[0036]
1)利用式(9)得到供电区负荷量约束：
[0037][0038]
式(9)中，s
t,i
为第i个供电区的变压器容量的规格；供电区从建筑底层开始分配，前m个供电区的变压器放置在裙房和地下室，第m至n供电区的变压器放置在建筑高层的避难层或设备层；
[0039]
2)利用式(10)得到供电区域负荷饱和率约束：
[0040][0041]
式(10)中，β
l
为变压器的负载率；
[0042]
3)利用式(11)得到供电需求约束：
[0043][0044]
式(11)中，starti表示第i个供电区的起始楼层数，endi表示第i个供电区的终止楼层数，并由式(12)得到；
[0045][0046]
利用式(13)得到第i个供电区的总负荷量s
d,i
：
[0047][0048]
所述步骤3.1中是利用式(14)计第i个供电区的负荷同时系数ki：
[0049][0050]
利用式(15)计算所述第i个供电区的计算负荷s
z,i
：
[0051]sz,i
＝ki×sd,i
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0052]
利用式(16)和式(17)配置10/0.4kv变压器的约束条件：
[0053]
αz×sz,i
≤s
t,i
ꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0054]sd,i(ⅰ,ⅱ)
≤s
t,i
ꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0055]
式(16)、式(17)中，αz为总计算负荷的百分比，s
d,i(ⅰ，ⅱ)
为第i个供电区的全部一、二级负荷。
[0056]
所述步骤3.2中是利用式(18)计算主干线路的10/0.4kv变压器总容量g1：
[0057][0058]
利用式(19)计算10kv电缆长度g2：
[0059][0060]
式(19)中，w
t,i
为第i个供电区变压器所在楼层，w
t10,i
为第i个供电区10kv进线变电站所在楼层数，为超高层建筑的平均楼层高度；
[0061]
利用式(20)计算10kv电缆年网损g3：
[0062][0063]
式(20)中，i
l10,i
为第i个供电区变压器进线的电流，并由式(21)得到，r
l10，i
为第i个供电区10kv进线电缆的单位电阻，t
max
最大负荷利用小时数；
[0064][0065]
式(21)中，un表示额定电压；
[0066]
利用式(22)计算0.4kv密集母线长度g4：
[0067][0068]
式(22)中，l
up,i
、l
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供最大距离；
[0069]
根据变压器与供电区的位置关系，将变压器的供电方式分为上供、下供和上、下
供，从而利用式(23)～式(26)计算0.4kv密集母线年网损g5：
[0070][0071][0072][0073][0074]
式(23)～式(26)中，ep
up,i
、ep
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供功率损耗，eu
up,i
、eu
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电压损耗百分数，i
up,i
、i
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电流，s
up,i
、s
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供负荷；
[0075]
利用式(27)计算变压器向上供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0076][0077]
利用式(28)计算变压器向上、下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0078][0079]
利用式(29)计算变压器向下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0080][0081]
利用式(30)计算超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的pareto最优解集g：
[0082]
ming＝min{g1,g2,g3,g4,g5}
ꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0083]
所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件包括：
[0084]
1)变压器位置约束为：w
t,i
∈{设备层或避难层}；
[0085]
2)利用式(31)得到线路最大容量约束：
[0086]sd,i
≤η0c
l，i
ꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0087]
式(31)中，c
l,i
为第i个供电区线路的传输容量，η0线路负载率上限；
[0088]
3)利用式(32)得到电压降约束：
[0089][0090]
式(32)中，u0为20kv及以下三相供电电压偏差允许值。
[0091]
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述超高层建筑配电网两阶段优化方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0092]
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述超高层建筑配电网两阶段优化方法的步骤。
[0093]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0094]
1、本发明在多个变压器容量约束的条件下，提出了超高层建筑供电区划分方法，以建筑变压器容量的标准规格对超高层建筑的负荷进行划分，实质上是将超高层负荷以建筑变压器容量的标准规格进行组合；在供电区划分的评估指标中，以平均负荷饱和度表示每个供电区负荷饱和度的平均水平，从而避免了按照变压器容量的标准规格分区后，某一供电区的负荷量较小这类不合理的分区结果。
[0095]
2、本发明在划分供电区时充分考虑了不同业态用户的负荷特性，具有负荷特性互补的供电区，其不同楼层的负荷同时系数较低，按此系数配置变压器设备可降低变压器的配置容量，减少了变压器装机容量与运行资源的浪费。另一方面，在供电区划分时考虑负荷特性可减少供电区的峰谷差，提高了供电区的日负荷率。
[0096]
3、本发明提出超高层建筑的主干线路规划方法，根据变压器与供电区的位置关系计算变压器的单边负荷与最大供电距离，进而计算每段线路的额定载流量并选择线路型号。以优化的方法获得变压器与线路的规划方案，兼顾了系统的建设资源与运行效果。
[0097]
4、本发明将超高层建筑配电网规划分为两个阶段，ⅰ阶段以负荷量与负荷运行稳定性寻找供电区的最佳划分参数，ⅱ阶段配电网规划寻找变压器位置与线路配置的最佳方案，两阶段优化方法不仅能减少变压器的容量，还进一步提升了超高层建筑配电网运行的安全性与稳定性。
附图说明
[0098]
图1为现有技术中超高层建筑供配电方案的主干线路示意图；
[0099]
图2为本发明中计及负荷特性的超高层建筑配电网两阶段优化方法流程图；
[0100]
图3a为本发明中公寓(居民)四季典型工作日负荷曲线图；
[0101]
图3b为本发明中办公四季典型工作日负荷曲线图；
[0102]
图3c为本发明中酒店四季典型工作日负荷曲线图；
[0103]
图3d为本发明中车库四季典型工作日负荷曲线图；
[0104]
图3e为本发明中商业(裙房)四季典型工作日负荷曲线图；
[0105]
图4为本发明中粒子群算法求解超高层建筑供电区划分模型的流程图；
[0106]
图5为本发明中粒子群算法求解超高层建筑配电网规划模型的流程图；
[0107]
图6为本发明中超高层建筑供配电方案的主干线路示意图。
具体实施方式
[0108]
本实施例中，一种计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法是针对超高层建筑变压器与网架设计这一常见的配电网规划改造方案，考虑不同业态用户负荷特性互补的影响，对超高层建筑供电区进行划分，继而，以供电区划分参数计算各配电方案下变压器容量与系统运行参数，选择最优评估指标规划结果作为超高层建筑的配电网设计方案。
[0109]
超高层建筑配电网是由市内变电所引入10kv电源，并通过电缆进线至各楼层变电站后，再配置0.4kv密集型母线槽为每个楼层的供电，其拓扑结构如图1所示；
[0110]
超高层建筑配电网中的器件包括：10kv配电柜、10kv电缆、10/0.4kv变压器以及0.4kv密集型母线槽；方法流程如图2所示，该两阶段优化方法是按如下步骤进行：
[0111]
步骤1、统计超高层建筑的负荷信息，包括：各楼层的负荷量和每层楼在四季典型工作日的日负荷曲线；本实施例是由高端购物中心、甲级商务办公、公寓和超五星级酒店所组成的建筑综合体，包括超高层塔楼和高层商业裙房，总建筑面积为270065.42m2，总高度431m。其中，地下1～8层为商业、设备机房、后勤配套服务及汽车库；地上1～6层为办公、五星级酒店、公寓出入口及商业、餐饮；地上7层、7夹层为五星级酒店宴会厅、会议中心；塔楼自下而上为办公(10～39层)、公寓(40～62层)、五星级酒店(65～88层)。超高层建筑地上88层，地下8层，楼层编号从地下8层开始编号为1，地上第88层编号为96。原方案中超高层建筑的变压器装机容量如表1所示。本实施例中还包含商业、公寓的冷冻机房配电，该类型的负荷在配电规划中需单独的配电，故本发明优化方法为不包含特殊用电的规划。
[0112]
表1原方案中超高层建筑变压器的装机容量
[0113][0114]
本实施例中，假设地下2层与地上41层各有一个10kv的变电站。10kv变电站出线至各10/0.4kv变压器为10kv电缆线路，10/0.4kv变压器出线至各楼层配电柜为0.4kv密集母线线路。
[0115]
不同业态的建筑有着不同的负荷特性，其负荷特性主要体现在同一天内每个时刻的负荷量大小不同、不同季节或不同工作日的最大负荷值不同。就本实施例的综合类超高层建筑而言，其负荷类型可分为居民(公寓)负荷、办公(行政)负荷、商业负荷、酒店负荷、车库负荷。不同业态的用户负荷四季工作日典型日负荷曲线如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e所示。图3a、图3b、图3c、图3d、图3e表现了不同业态的建筑用户用电行为。以居民与办公用户为例，由图3a和图3b可看出居民与办公用户的用电高峰存在明显的时差，居民用电高峰出现在18点到22点，而办公用户的用电高峰出现8点到12点、14点到18点。由上述分析可知，综合类的超高层建筑业态多样、负荷特性各异并存在地理位置上的接壤，存在以负荷特性划分供电区的优化条件与空间。具有负荷特性互补的供电区，其不同楼层的负荷同时系数较低，按此系数配置变压器设备可降低变压器的配置容量。另一方面，在供电区域划分时考虑负荷特性可减少供电区域的峰谷差，提高供电区域的日负荷率。
[0116]
令s
c,k
为第k层楼的总负荷量；令s
c,k,j,t
为第k层楼在第j季节的典型工作日的t时刻的负荷量；1≤t≤24表示一天中的24个时刻；j＝1，2，3，4分别表示春、夏、秋、冬季；
[0117]
步骤2、搭建超高层建筑供电区的最优划分模型；
[0118]
步骤2.1、划分超高层建筑内的供电区；将超高层建筑的负荷以10/0.4kv变压器容量的标准规格进行组合以形成供电区，且各供电区的负荷量不超过10/0.4kv变压器的容量；
[0119]
令s
t,i
为第i个供电区的10/0.4kv变压器容量，则各个供电区的10/0.4kv变压器容量记为{s
t,1
,s
t,2
,...,s
t,i
,...,s
t,n
}1×n，其中，n表示最大的供电区数，且n等于建筑总负荷除以最小变压器配置规格的取整结果；
[0120]
步骤2.2、超高层建筑供电区的最优划分模型，是以第i个供电区的10/0.4kv变压器容量s
t，i
为优化变量，以n个供电区的平均负荷饱和度f1、平均日负荷率f2和平均反峰谷差f3作为划分的评估指标，并以评估指标的最大加权和作为超高层建筑供电区的最优划分模型的优化目标f，同时构建超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，从而在约束条件下，对优化目标f进行求解后，输出评估指标最优的供电区划分参数，包括：第i个供电区的起始楼层数starti、第i个供电区的终止楼层数endi和第i个供电区的总负荷量s
d,i
；
[0121]
步骤2.2中是利用式(1)分别计算平均负荷饱和度f1：
[0122][0123]
式(1)中，平均负荷饱和度f1表示每个供电区负荷饱和度的平均水平，可避免按照变压器容量的标准规格分区后，某一供电区的负荷量较小这类不合理的分区结果。
[0124]
利用式(2)～式(5)计算平均日负荷率f2：
[0125][0126][0127][0128][0129]
式(2)～式(5)中，s
d,i,j,t
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的t时刻负荷量；s
av,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的平均负荷量，s
max,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最大负荷量；
[0130]
利用式(6)、式(7)计算平均反峰谷差f3：
[0131][0132][0133]
式(6)中，平均反峰谷差f3使用一减去峰谷差率将负向指标转换为正向指标，与指标f1、f2保持一致；式(7)中，s
min,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最小负荷量；
[0134]
利用式(8)计算供电区划分的优化目标f：
[0135]
max f＝w1f1+w2f2+w3f3ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0136]
式(8)中，w1、w2、w3分别为各正向指标的权重；
[0137]
超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，包括：
[0138]
1)利用式(9)得到供电区负荷量约束：
[0139][0140]
式(9)中，s
t,i
为第i个供电区的变压器容量的规格；供电区从建筑底层开始分配，前m个供电区的变压器放置在裙房和地下室，第m至n供电区的变压器放置在建筑高层的避难层或设备层，高层因变压器运输限制，配置变压器容量不超过1250kva；
[0141]
2)利用式(10)得到供电区域负荷饱和率约束：
[0142][0143]
式(10)中，β
l
为变压器的负载率，考虑到变压器的节能和留有余量，变压器的负载
率一般取70％～85％；
[0144]
3)利用式(11)得到供电需求约束：
[0145][0146]
式(11)中，starti表示第i个供电区的起始楼层数，endi表示第i个供电区的终止楼层数，并由式(12)得到；
[0147][0148]
利用式(13)得到第i个供电区的总负荷量s
d,i
：
[0149][0150]
本实施例使用粒子群算法求解超高层建筑供电区划分模型，粒子群算法求解超高层建筑供电区划分模型的流程图如图4所示，具体流程如下：
[0151]
step1：根据各类建筑用电指标与用地面积估算每层负荷量s
c,k
，统计各类各类建筑的四季典型工作日负荷曲线，初始化粒子群参数；
[0152]
step2：，计算每个粒子下的供电区域划分参数starti和endi，计算供电区划分的评估指标；
[0153]
step3：更新各粒子的个体历史最优适度值，更新粒子速度与位置；
[0154]
step4：重复step2、step3，达到最大迭代次数后，输出最优粒子的供电区域划分参数与评估指标。
[0155]
考虑负荷特性的超高层建筑供电区划分的优化结果如表2所示，与原方案相比，优化方案减少了一个供电区，增加了部分供电区的负荷量。
[0156]
表2供电区划分结果对比
[0157][0158]
两方案的供电区负荷特性如表3所示，可以直观的看出，优化方案的供电区的各项负荷评估指标均有所提高，其中平均负荷饱和度提升9.19％，平均日负荷率提升3.47％，平均反峰谷差率提升11.13％。
[0159]
表3供电区负荷特性对比
[0160][0161]
步骤3、搭建超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型，并与超高层建筑供电区的最优划分模型构成超高层建筑配电网的两阶段优化模型；
[0162]
步骤3.1、依据供电区划分参数计算第i个供电区的负荷同时系数ki和计算负荷s
z,i
，并在满足10/0.4kv变压器配置约束的条件下，选择各供电区中10/0.4kv变压器的型号；
[0163]
步骤3.1中是利用式(14)计第i个供电区的负荷同时系数ki：
[0164][0165]
利用式(15)计算第i个供电区的计算负荷s
z,i
：
[0166]sz,i
＝ki×sd,i
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0167]
利用式(16)和式(17)配置10/0.4kv变压器的约束条件：
[0168][0169]
式(16)、式(17)中，αz为总计算负荷的百分比，s
d,i(ⅰ，ⅱ)
为第i个供电区的全部一、二级负荷。
[0170]
两方案的变压器配置结果如表4所示；
[0171]
表4变压器配置结果对比
[0172][0173]
步骤3.2、选择各供电区变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×n，其中，w
t,i
为第i个供电区中10/0.4kv变压器所在楼层数；
[0174]
依据载流量配置10/0.4kv变压器的10kv进线电缆与0.4kv出线的密集型母线槽；
[0175]
超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型是以10/0.4kv变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×n为优化变量，以n个供电区的10/0.4kv变压器容量g1、10kv电缆长度g2、10kv电缆年网损g3、0.4kv密集母线长度g4、0.4kv密集母线年网损g5作为多目标规划模型的多优化目标，并构建超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件，从而在其约束条件下，对多目标规划模型进行求解后，获得使多优化目标取得较小值的pareto最优解集g；
[0176]
步骤3.2中是利用式(18)计算主干线路的10/0.4kv变压器总容量g1：
[0177][0178]
利用式(19)计算10kv电缆长度g2：
[0179][0180]
式(19)中，w
t,i
为第i个供电区变压器所在楼层，w
t10,i
为第i个供电区10kv进线变电站所在楼层数，为超高层建筑的平均楼层高度；
[0181]
利用式(20)计算10kv电缆年网损g3：
[0182][0183]
式(20)中，i
l10,i
为第i个供电区变压器进线的电流，并由式(21)得到，r
l10，i
为第i个供电区10kv进线电缆的单位电阻，t
max
最大负荷利用小时数；
[0184][0185]
式(21)中，un表示额定电压；
[0186]
利用式(22)计算0.4kv密集母线长度g4：
[0187][0188]
式(22)中，l
up,i
、l
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供最大距离；
[0189]
根据变压器与供电区的位置关系，将变压器的供电方式分为上供、下供和上、下供，从而利用式(23)～式(26)计算0.4kv密集母线年网损g5：
[0190][0191][0192]
[0193][0194]
式(23)～式(26)中，ep
up,i
、ep
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供功率损耗，eu
up,i
、eu
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电压损耗百分数，i
up,i
、i
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电流，s
up,i
、s
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供负荷；
[0195]
利用式(27)计算变压器向上供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0196][0197]
利用式(28)计算变压器向上、下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0198][0199]
利用式(29)计算变压器向下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
[0200][0201]
利用式(30)计算超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的pareto最优解集g：
[0202]
ming＝min{g1,g2,g3,g4,g5}
ꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0203]
超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件包括：
[0204]
1)变压器位置约束为：w
t,i
∈{设备层或避难层}；
[0205]
2)利用式(31)得到线路最大容量约束：
[0206]sd,i
≤η0c
l，i
ꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0207]
式(31)中，c
l,i
为第i个供电区线路的传输容量，η0线路负载率上限；
[0208]
3)利用式(32)得到电压降约束：
[0209][0210]
式(32)中，u0为20kv及以下三相供电电压偏差允许值。
[0211]
本实施例中超高层建筑配电网的10kv电缆线路选择yjv22三芯电力电缆，0.4kv母线选择密集型母线槽，线路参数见表5、表6。
[0212]
表5 10kv电缆yjv22参数
[0213][0214]
表6 0.4kv密集型母线槽参数
[0215][0216]
步骤3.3、采用熵权法从pareto最优解集g中筛选出一个折中最优解g'，即为超高层建筑配电网最优规划方案。
[0217]
步骤3.3中是利用式(33)～式(37)筛选pareto最优解集g中的折中最优解g'；
[0218]
利用式(33)计算去量纲化处理的第a个方案中第b个指标的函数值h
ab
：
[0219][0220]
式(33)中，g
ab
为pareto最优解集g中第a个方案中第b个指标的函数值，nps为粒子群规模，m为指标个数；
[0221]
利用式(34)计算第a个方案中第b个指标在a个方案中的权重p
ab
：
[0222][0223]
利用式(35)计算第a个方案中第b个指标的信息熵eb：
[0224][0225]
利用式(36)计算第b个指标的权重ωb：
[0226][0227]
利用式(37)计算pareto最优解集g中的折中最优解g'：
[0228][0229]
本实施例使用多目标粒子群算法求解超高层建筑的配电网规划模型，多目标粒子群算法求解超高层建筑配电网规划模型的流程图如图5所示，其具体流程下：
[0230]
step1：向优化算法输入初始参数，包括各供电区的起始楼层数、终止楼层数和负荷量，初始化粒子群；
[0231]
step2：根据各粒子表示的变压器位置，计算10kv进线电缆与0.4kv上下供密集母线的载流量、供电距离和电压降，依据载流量选择电缆与密集母线的型号；
[0232]
step3：统计各粒子的适度值，更新外部存档archive；
[0233]
step4：从外部存档archive中选择个体历史最优的适度值，更新各粒子的速度与位置，更新外部存档archive；
[0234]
step5：重复step2、step3、step4直至迭代完成，选择序列1的解形成pareto最优解集；
[0235]
step6：输出超高层建筑配电网的最优规划方案与各经济性指标。
[0236]
两种超高层建筑配电网规划方案的评估指标如表7所示。超高层建筑供配电的优化方案主干线路示意图如图6所示。
[0237]
表7两种超高层建筑配电网规划方案的评估指标
[0238][0239][0240]
在结果对比中，优化方案的10kv电缆线路长度增加但年网损下降，分析10kv电缆线路的各段网损，其统计结果如表8所示。
[0241]
表810kv电缆功率损耗统计
[0242][0243]
原方案线路总长568.4m，总损耗1.6551kwh，优化方案线路总长为784m，年总损耗1.456kwh。优化方案的10kv线路总长度更多，但高层变压器的容量更小，远距离输送时的功率损耗更小，故优化方案的10kv电缆线路网损更小。
[0244]
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
[0245]
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。

技术特征：
1.一种计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法，所述超高层建筑配电网是由市内变电所引入10kv电源，并通过电缆进线至各楼层变电站后，再配置0.4kv密集型母线槽为每个楼层的供电；所述超高层建筑配电网中的器件包括：10kv配电柜、10kv电缆、10/0.4kv变压器以及0.4kv密集型母线槽；其特征在于，所述两阶段优化方法是按如下步骤进行：步骤1、统计超高层建筑的负荷信息，包括：各楼层的负荷量和每层楼在四季典型工作日的日负荷曲线；令s
c,k
为第k层楼的总负荷量；令s
c,k,j,t
为第k层楼在第j季节的典型工作日的t时刻的负荷量；1≤t≤24表示一天中的24个时刻；j＝1，2，3，4分别表示春、夏、秋、冬季；步骤2、搭建超高层建筑供电区的最优划分模型；步骤2.1、划分超高层建筑内的供电区；将超高层建筑的负荷以10/0.4kv变压器容量的标准规格进行组合以形成供电区，且各供电区的负荷量不超过10/0.4kv变压器的容量；令s
t,i
为第i个供电区的10/0.4kv变压器容量，则各个供电区的10/0.4kv变压器容量记为{s
t,1
,s
t,2
,...,s
t,i
,...,s
t,n
}1×
n
，其中，n表示最大的供电区数，且n等于建筑总负荷除以最小变压器配置规格的取整结果；步骤2.2、所述超高层建筑供电区的最优划分模型，是以第i个供电区的10/0.4kv变压器容量s
t，i
为优化变量，以n个供电区的平均负荷饱和度f1、平均日负荷率f2和平均反峰谷差f3作为划分的评估指标，并以评估指标的最大加权和作为所述超高层建筑供电区的最优划分模型的优化目标f，同时构建所述超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，从而在所述约束条件下，对优化目标f进行求解后，输出评估指标最优的供电区划分参数，包括：第i个供电区的起始楼层数start
i
、第i个供电区的终止楼层数end
i
和第i个供电区的总负荷量s
d,i
；步骤3、搭建超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型，并与所述超高层建筑供电区的最优划分模型构成超高层建筑配电网的两阶段优化模型；步骤3.1、依据供电区划分参数计算第i个供电区的负荷同时系数k
i
和计算负荷s
z,i
，并在满足10/0.4kv变压器配置约束的条件下，选择各供电区中10/0.4kv变压器的型号；步骤3.2、选择各供电区变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×
n
，其中，w
t,i
为第i个供电区中10/0.4kv变压器所在楼层数；依据载流量配置10/0.4kv变压器的10kv进线电缆与0.4kv出线的密集型母线槽；所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型是以10/0.4kv变压器的安装位置{w
t,1
,w
t,2
,...,w
t,i
,...,w
t,n
}1×
n
为优化变量，以n个供电区的10/0.4kv变压器容量g1、10kv电缆长度g2、10kv电缆年网损g3、0.4kv密集母线长度g4、0.4kv密集母线年网损g5作为多目标规划模型的多优化目标，并构建所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件，从而在其约束条件下，对所述多目标规划模型进行求解后，获得使多优化目标取得较小值的pareto最优解集g；步骤3.3、采用熵权法从pareto最优解集g中筛选出一个折中最优解g'，即为超高层建筑配电网最优规划方案。2.根据权利要求1所述的计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法，其特征是，步骤2.2中是利用式(1)分别计算平均负荷饱和度f1：
利用式(2)～式(5)计算平均日负荷率f2：：：：式(2)～式(5)中，s
d,i,j,t
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的t时刻负荷量；s
av,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的平均负荷量，s
max,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最大负荷量；利用式(6)、式(7)计算平均反峰谷差f3：：式(7)中，s
min,i,j
为第i个供电区在第j季节的典型工作日的最小负荷量；利用式(8)计算所述供电区划分的优化目标f：max f＝w1f1+w2f2+w3f3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式(8)中，w1、w2、w3分别为各正向指标的权重；所述超高层建筑供电区最优划分模型的约束条件，包括：1)利用式(9)得到供电区负荷量约束：式(9)中，s
t,i
为第i个供电区的变压器容量的规格；供电区从建筑底层开始分配，前m个供电区的变压器放置在裙房和地下室，第m至n供电区的变压器放置在建筑高层的避难层或设备层；2)利用式(10)得到供电区域负荷饱和率约束：式(10)中，β
l
为变压器的负载率；3)利用式(11)得到供电需求约束：
式(11)中，start
i
表示第i个供电区的起始楼层数，end
i
表示第i个供电区的终止楼层数，并由式(12)得到；利用式(13)得到第i个供电区的总负荷量s
d,i
：3.根据权利要求2所述的计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法，其特征是，所述步骤3.1中是利用式(14)计第i个供电区的负荷同时系数k
i
：利用式(15)计算所述第i个供电区的计算负荷s
z,i
：s
z，i
＝k
i
×
s
d，i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)利用式(16)和式(17)配置10/0.4kv变压器的约束条件：α
z
×
s
z,i
≤s
t,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)s
d,i(ⅰ,ⅱ)
≤s
t,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)式(16)、式(17)中，α
z
为总计算负荷的百分比，s
d,i(ⅰ，ⅱ)
为第i个供电区的全部一、二级负荷。4.根据权利要求3所述的计及负荷特性的超高层建筑配电网的两阶段优化方法，其特征是，所述步骤3.2中是利用式(18)计算主干线路的10/0.4kv变压器总容量g1：利用式(19)计算10kv电缆长度g2：式(19)中，w
t,i
为第i个供电区变压器所在楼层，w
t10,i
为第i个供电区10kv进线变电站所在楼层数，为超高层建筑的平均楼层高度；利用式(20)计算10kv电缆年网损g3：式(20)中，i
l10,i
为第i个供电区变压器进线的电流，并由式(21)得到，r
l10，i
为第i个供电区10kv进线电缆的单位电阻，t
max
最大负荷利用小时数；
式(21)中，u
n
表示额定电压；利用式(22)计算0.4kv密集母线长度g4：式(22)中，l
up,i
、l
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供最大距离；根据变压器与供电区的位置关系，将变压器的供电方式分为上供、下供和上、下供，从而利用式(23)～式(26)计算0.4kv密集母线年网损g5：：：：式(23)～式(26)中，ep
up,i
、ep
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供功率损耗，eu
up,i
、eu
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电压损耗百分数，i
up,i
、i
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供电流，s
up,i
、s
down,i
分别为第i个供电区密集母线的上供、下供负荷；利用式(27)计算变压器向上供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；利用式(28)计算变压器向上、下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；
利用式(29)计算变压器向下供电时，上供、下供负荷s
up,i
、s
down,i
与上供、下供最大供电距离l
up,i
、l
down,i
；利用式(30)计算超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的pareto最优解集g：min g＝min{g1,g2,g3,g4,g5}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)所述超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型的约束条件包括：1)变压器位置约束为：w
t,i
∈{设备层或避难层}；2)利用式(31)得到线路最大容量约束：s
d,i
≤η0c
l，i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)式(31)中，c
l,i
为第i个供电区线路的传输容量，η0线路负载率上限；3)利用式(32)得到电压降约束：式(32)中，u0为20kv及以下三相供电电压偏差允许值。5.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1-4中任一所述超高层建筑配电网两阶段优化方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。6.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-4中任一所述超高层建筑配电网两阶段优化方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种计及负荷特性的超高层建筑配电网两阶段优化方法，是按如下步骤进行：1、统计超高层建筑的负荷信息；2、搭建超高层建筑供电区的最优划分模型；3、搭建超高层建筑配电网主干线路的多目标规划模型。本发明能实现超高层建筑配电网的规划，其中计及负荷特性的供电区划分不仅能够增加系统运行的稳定性，还能降低变压器的容量配置需求，减少系统的运行损耗。的运行损耗。的运行损耗。


技术研发人员：陶骏 李大为 朱乾龙 朱明星 邓天白 尹骁骐 张茂松 彭飞翔
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/9/26