本發(fā)明屬于電源規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

能源問題愈發(fā)嚴(yán)重的今天，風(fēng)力發(fā)電已被諸多國家重視并開發(fā)，研究也趨于成熟，已經(jīng)成為了新能源發(fā)電的最重要形式之一。而海上風(fēng)能相比于陸地風(fēng)能更是具有風(fēng)速穩(wěn)定、單機(jī)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是未來新能源體系中不可替代的組成部分。但由于海上風(fēng)電場成本十分高昂，維護(hù)難度大，因此如何提高海上風(fēng)電場的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是促使海上風(fēng)能被大量利用的必要條件。

針對(duì)現(xiàn)有海上風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計(jì)中普遍采用典型放射形或其它規(guī)則排列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能造成集電線路成本不經(jīng)濟(jì)的問題，可以采用基于Kruskal最小生成樹原理的風(fēng)電場內(nèi)部拓?fù)鋬?yōu)化方法。首先對(duì)海上風(fēng)電場內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，根據(jù)現(xiàn)今海上風(fēng)電場內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冗余與不足點(diǎn)，可采用基于Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，能夠減小海上風(fēng)電場內(nèi)部拓?fù)涞碾娎|總成本。

然而，標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法直接應(yīng)用于風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算中可能出現(xiàn)線路載流量過于集中的問題，是海上風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)果設(shè)計(jì)中亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，對(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將風(fēng)機(jī)劃分區(qū)域后再進(jìn)行Kruskal計(jì)算來保證每個(gè)區(qū)的匯流線載流量都不會(huì)超過線路最大載流量。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，其特征在于：對(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將風(fēng)機(jī)劃分區(qū)域后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)Kruskal計(jì)算，來保證每個(gè)區(qū)的匯流線載流量都不會(huì)超過線路最大載流量，即通過預(yù)先對(duì)待求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行逐一分區(qū)降低匯流到母線時(shí)電纜的載流量，使其滿足要求。

所述基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一：將風(fēng)機(jī)位置錄入，形成路徑權(quán)重集，錄入載流量限制，設(shè)置分區(qū)節(jié)點(diǎn)數(shù)；即預(yù)先錄入線路預(yù)期最大載流量為k臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率量，由于標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法得出的結(jié)果必定會(huì)將樹的所有節(jié)點(diǎn)通過一根線連接至匯流母線，則對(duì)于總風(fēng)機(jī)數(shù)為m的風(fēng)電場劃分的區(qū)域數(shù)n即是m/k的值，m/k的值小數(shù)直接進(jìn)位，再將樹的所有節(jié)點(diǎn)平均分布到各個(gè)分區(qū)，即能夠保證每個(gè)分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)都不超過允許的最大載流量；

步驟二：對(duì)第i個(gè)分區(qū)M_i排列組合分配節(jié)點(diǎn)；

步驟三：判斷是否i＝n，如果不滿足，令

其中，i為標(biāo)記當(dāng)前需要排列組合的分區(qū)，初值為1，M為可分配節(jié)點(diǎn)集，用于記錄每次分配時(shí)還可供M_i分區(qū)選取的節(jié)點(diǎn)，初始化后為初始節(jié)點(diǎn)集，n為總分區(qū)數(shù)；即對(duì)分區(qū)號(hào)i和可分配節(jié)點(diǎn)集M進(jìn)行更新；同時(shí)返回步驟二；

步驟四：對(duì)分區(qū)逐一使用標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法計(jì)算在本次為最優(yōu)解時(shí)記錄樹；標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法為：初始化計(jì)算數(shù)據(jù)，主要是錄入所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與節(jié)點(diǎn)間的路徑權(quán)重，形成初始路徑權(quán)重集，并建立已選節(jié)點(diǎn)集與已選路徑集供儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果備用；根據(jù)上述初始化的結(jié)果，從路徑權(quán)重集中挑選權(quán)重最小的路徑加入已選路徑集，將該路徑連接起來的點(diǎn)加入已選節(jié)點(diǎn)集；對(duì)每一個(gè)已經(jīng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和路徑組成起來的樹，將除了已選路徑以外其他節(jié)點(diǎn)之間的路徑從路徑權(quán)重集中刪除，以防止形成環(huán)網(wǎng)；重復(fù)上述選取最小路徑和更新路徑權(quán)重集的步驟，直到所有節(jié)點(diǎn)都加入到已選節(jié)點(diǎn)集中；這時(shí)已選路徑集中的路徑即為加權(quán)連通圖最小生成樹的所有路徑；

步驟五：判斷排列組合是否枚舉完畢，如果不滿足，令i＝1，并重置M為初始節(jié)點(diǎn)集，返回步驟二；

步驟六：輸出結(jié)果最小生成樹。

本發(fā)明將標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法的節(jié)點(diǎn)集根據(jù)電纜線路能夠承受的載流量預(yù)先進(jìn)行分區(qū)，再進(jìn)行Kruskal計(jì)算，這種方法在進(jìn)行Kruskal算法計(jì)算之前就先杜絕Kruskal算法的匯流過載問題，同時(shí)這也是均勻化電纜線路載流量最簡單的方式。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法流程圖。

圖2為算例風(fēng)機(jī)位置排布情況。

圖3為典型海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)拓?fù)洹?/p>

圖4為標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)拓?fù)洹?/p>

圖5為分區(qū)組合Kruskal算法設(shè)計(jì)的海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)拓?fù)洹?/p>

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及詳細(xì)模型構(gòu)建原理，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

算例風(fēng)機(jī)排布情況如圖2，該風(fēng)電場典型拓?fù)淙鐖D3，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法計(jì)算后拓?fù)淙鐖D4，圖中數(shù)字為風(fēng)機(jī)編號(hào)，橫縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)所在地理位置(適用于圖2‐圖5)。將標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法拓?fù)渑c其它拓?fù)鋵?duì)比可以得到，一方面肯定了標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法對(duì)風(fēng)電場減少電纜連接線總距離的效果，并通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)了在均一網(wǎng)下電力系統(tǒng)潮流并不會(huì)受到太大影響；但另一方面也發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用Kruskal算法之后完全忽視了原本典型排布中各個(gè)接線可能的載流量限制與可靠性問題，由此引出本發(fā)明圍繞該標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法采取的改進(jìn)方式。

本發(fā)明設(shè)計(jì)基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，具體流程圖如圖1。將標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法的節(jié)點(diǎn)集根據(jù)電纜線路能夠承受的載流量預(yù)先進(jìn)行分區(qū)，再進(jìn)行Kruskal計(jì)算，這種方法在進(jìn)行Kruskal算法計(jì)算之前就先杜絕Kruskal算法的匯流過載問題，同時(shí)這也是均勻化電纜線路載流量最簡單的方式。

本發(fā)明方法會(huì)預(yù)先錄入線路預(yù)期最大載流量為k臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率量，由于標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法得出的結(jié)果必定會(huì)將樹的所有節(jié)點(diǎn)通過一根線連接至匯流母線，則對(duì)于總風(fēng)機(jī)數(shù)為m的風(fēng)電場劃分的區(qū)域數(shù)n即是m/k的值(小數(shù)直接進(jìn)位)，再將節(jié)點(diǎn)集平均分布到各個(gè)分區(qū)，即可保證每個(gè)分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)都不超過允許的最大載流量。在計(jì)算程序中，需要對(duì)排列組合算法進(jìn)行迭代的方式枚舉各個(gè)區(qū)分配到不同節(jié)點(diǎn)的所有情況?；诜謪^(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)，得到的拓?fù)淙鐖D5。

對(duì)分區(qū)組合Kruskal算法拓?fù)溥M(jìn)行潮流分析可得，該種算法計(jì)算出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同標(biāo)準(zhǔn)Kruskal排布一樣，更改了分布之后對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)幾乎沒有任何影響，損耗也較標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法略微降低；而最重要的是，其可以按照輸入的允許線路最大載流量來規(guī)劃線路，這在線路載流量要求與典型排布相同時(shí)可能效果不佳，但如果線路最大載流量超過典型排布的載流量，并在降低分區(qū)數(shù)量的情況下依然滿足要求，本發(fā)明方法可以有效篩選出當(dāng)前不會(huì)造成線路載流量超額的電纜線最短排布。

另一方面，即使線路最大載流量在典型分布拓?fù)渲幸呀?jīng)到達(dá)極限值，但根據(jù)此種算法，降低少量的分區(qū)數(shù)，即提升并不多的線路載流量就可能換來更多的電纜鋪設(shè)線路節(jié)省，所付出的是全網(wǎng)使用帶載能力更高的電纜線，有效對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行規(guī)劃取舍也可換取相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。

對(duì)于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的衡量，本發(fā)明中采用電力系統(tǒng)成本評(píng)估中常用的等年值法來對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。等年值法是選取等年值費(fèi)用最小的方案為最佳方案，該方案將電網(wǎng)設(shè)備在使用壽命內(nèi)的所有費(fèi)用均換算成每年等值費(fèi)用。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)模型計(jì)算可以得到不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固定投資成本如表1。

由表1可以看出，雖然標(biāo)準(zhǔn)Kruskal算法排布的電纜線長度很短，但由于其對(duì)電纜線橫截面規(guī)格要求很高，實(shí)際投資成本并沒有顯著降低，而分區(qū)組合Kruskal算法排布則在總的投資成本上明顯低于典型放射鏈?zhǔn)脚挪己蜆?biāo)準(zhǔn)Kruskal算法排布。

表1不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定投資成本表

同樣，可以計(jì)算得到不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總年損耗費(fèi)用如表2，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年故障損失功率與總平均功率成本如表3。

表2不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年損耗費(fèi)用表

表3不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)年平均功率成本表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于基于分區(qū)組合Kruskal算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，其載流量與典型式大致持平，電纜線截面積小，同時(shí)還具有年故障損失功率低等特點(diǎn)，因此平均功率成本較其余兩種排布明顯降低。

和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明方法考慮了線路載流量的限制：基于分區(qū)組合Kruskal算法的海上風(fēng)電場拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法可以按照輸入的允許線路最大載流量來規(guī)劃線路，這在線路載流量要求與典型排布相同時(shí)可能效果不佳，但如果線路最大載流量超過典型排布的載流量，并在降低分區(qū)數(shù)量的情況下依然滿足要求，本發(fā)明方法可以有效篩選出當(dāng)前不會(huì)造成線路載流量超額的電纜線最短排布。

(2)本發(fā)明方法具有較好的經(jīng)濟(jì)性：對(duì)于基于分區(qū)組合Kruskal算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，其載流量與典型式大致持平，電纜線截面積小，同時(shí)還具有年故障損失功率低等特點(diǎn)，因此平均功率成本較其余兩種排布明顯降低。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。