（企业管理专业论文）以网损积分最小为目标的配网组网方式研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着城市配电网的发展，电网互供电能力和冗余度有了很大的提高，这为配电网通过 网络重构而获取经济效率和提高可靠性带来了可能。配网重构的问题成为近年的热门研究 领域，c n k i 学术趋势的报告显示：2 0 0 3 年开始，学术对此问题的关注度直线上升，并取得 了大量的成果。配电网络重构，又称配电网络再组合，它主要是通过配电系统中的开关操 作来改变网络拓扑，实现预定的目标。 本文首先阐述了配网重构理论以及当前通行的配网算法和方式，分析了其在配网模型 和算法速度等方面存在的不足，根据配网的结构特征，建立了两层结构的配网模型，并提 出了针对该模型的拓朴分析、潮流计算的通用算法；利用禁忌搜索( t a b u ) 和支路交换组合 技术进行配网重构优化研究，并针对待求解问题的特征，在邻居试验解的产生方面，提出 了改进参数选择的方法。本方案算法简单、速度极快，克服了配网节点众多，维数灾难等 问题，且不存在收敛性问题。 关键词：配网网损网络重组 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko ft h ec i t yd e v e l o p i n g , t h ea b i l i t yt h a te l e c t r i cn e t w o r k w i t he a c ho t h e rp o w e rs u p p l ya n dt h er e d u n d a n c yd e g r e eo fe l e c t r i cn e t w o r kh a daq u i t eh e a v y e x a l t a t i o n ，s oi ti sp o s s i b l et h a tt h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kg a i n se c o n o m ye f f i c i e n c ya n d e x a l t st h e c r e d i b i l i t yb yn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n t h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o nb e c o m e st h ep o p u l a rr e s e a r c hr e a l mo fr e c e n ty e a r s ，t h er e p o r to ft h ec n k i a c a d e m i ct r e n dm a n i f e s t a t i o n ：f r o m2 0 0 3 ，a c a d e m i cp a ya t t e n t i o nt ot h i sp r o b l e ms t r a i g h tl i n e a s c e n s i o n ，a n do b t a i nag r e a td e a lo fr e s u l t t h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，a l s oc a l l e de l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k c o m p a g e s ，i tc h a n g e sn e tt o p o l o g ya n dr e a l i z e ss c h e d u l et oo ft a r g e tb ys w i t c ho p e r a t i o no f e l e c t r i cd i s t r i b u t i o ns y s t e m a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h i s t e x t p u t s f o r w a r do n es e to fm o d e lo ft h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n ，a n dp u t sf o r w a r dan e wo fl o a df l o wc a l c u l a t i o nm e t h o do nt h i sf o u n d a t i o n b a s eo nt h en e wl o a df l o wc a l c u l a t i o n , c o n d i t i o nn e t w o r kn o tw r e a t hn e ta n dc o m p o n e n t h o w e v e rc a r r yf o rl i m i tc o n d i t i o n ，w i t hat i m en e t w o r ke x p e n s em i n i m u mf o ro b j e c t i v ef u n c t i o n , p u tf o r w a r das e to fp r o j e c to ft h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n t h i sp r o j e c t c a l c u l a t ew a yi ss i m p l e ，t h es p e e di sv e r yq u i c ka n do v e r c o m e sp r o b l e m s ，s u c ha st o om a n y n o d e so ft h ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，d i m e n s i o nb a l e f u l n e s sa n ds oo n , a n dn o n e x i s t e n t a s t r i n g e n c yp r o b l e m k e yw o r d ： e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kn e t w o r ke x p e n s en e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：公聋日期： 研究生学位论文版权使用授权书 0 9 ji 加 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着城市配电网的发展，电网互供电能力和冗余度有了很大的提高，这为配电网通过 网络重构而获取经济效率和提高可靠性带来了可能。但配网运行数据和网络结构数据非常 繁杂，要真正收到实际效益，必须依托配网自动化相关技术。目前我国的配网自动化正处 于试点阶段。国家电网公司将配网新技术纳入科技发展规划，国家电网公司农网”十一五” 科技发展规划纲要已经明确指出，“十一五”期间完成农网配网自动化建设技术导则、模 式及标准化设计规范的制定。并围绕重组问题产生了大量的算法及算法改进方法。刘道康、 林尚庆、陈作兵等人发表在大众科技2 0 0 6 年3 期上对配电网络重构的研究对当前各 种配电网重构的基本原理，包括目标函数，现有的算法及其优缺点进行了对比和评论。沈 晓东，刘俊勇，孙毅在此之前，也曾撰文对此进行过综述【l 】，事实上都是对前阶段配网重 构算法的一个阶段总结。 但是所有的研究都存在一些缺陷。一是理论线损的数学模型对配网的精细结构考虑不 够，因而其目标函数本身就存在问题；二是计算量大，维数灾难没有很好解决；三是以瞬 时值最优为目标，没有考虑根据历史的负荷数据统计的规律，以网损积分最小为目标，而 这是没有实际应用意义的，因为不可能以开关频繁操作为代价，来获取这种利益。改进三 点不足，以负荷变化趋势为依据，以时段内网损最小为目标函数，以任一元件不过载，不 环网为限定条件，调整配网结构，获得最佳经济效益正是本课题研究的目标。本课题的研 究的意义主要在于： ( 1 ) 根据电网实际运行结构，从理论上抽象并建立起适合配网自动化的配网模型；在 建立的模型基础上，提出针对其拓朴结构分析、故障判别、潮流计算的通用算法，从理论 上实现配网模型及算法的新的突破； ( 2 ) 配网自动化是今后城区配网的发展方向，其核心的目标提高供电可靠性和降低网 损，以不环网和配网网损最低为目标函数并寻求最优解，实现减少运行中电力的损失，创 造更好的经济效益； ( 3 ) 通过优化的配网模型和及其算法，使得电网在运行中能以最快的速度识别并隔离 故障，保证电网的正常运行。 1 2 配网重构理论及研究现状 配网重构的问题成为近年的热门研究领域，c n 学术趋势的报告显示：2 0 0 3 年开始， 学术对此问题的关注度直线上升，并取得了大量的成果。 配网重构是一项系统性的工作，除了重构算法外，还涉及多方面的基础工作，如配网 拓朴结构建模，电网潮流计算等等，这些基础性的工作直接影响重构算法的效率。现就相 关技术的研究现状进行介绍，重点介绍重组算法涉及的目标函数及其实现方法。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 1 网络建模和结线分析 网络建模和结线分析( 也称拓扑分析) 是网络重构算法中不可缺少的一部分。在网络重 构中，拓扑分析程序用来在不断的变换网络的运行方式下，寻找满足目标函数的最优的网 络结构。可以看出拓扑分析是整个网络重构算法的基础，拓扑模型结构是否合理，拓扑分 析效率的高低，直接影响着网络重构算法的效率。网络拓扑结构包含配电网的拓扑结构描 述和状态变量描述，必须将这两方面有机地结合起来。一个优秀的描述模型将有助于功能 算法的实现，特别是对于配电网，其各种功能均与配电网的拓扑结构紧密相连。但迄今尚 无专门研究与探讨适合配电网络结构特点的网络建模方法和在此基础上实现的网络结线 分析。一些国际著名的产品中，也仍采用与输电网相同的网络数据库结构和建模方法【2 】。 在配网数学建模方面，还远没有达成统一的认识，也没有形成通用的拓扑分析方法和思想。 输电网的模型，通常被表述为一个n x n 的节点导纳矩阵( n 为网络的节点数) ，每个 节点对应的物理对象是变电站内的一段母线。导纳矩阵内的元素，是各节点之间连接线路 导纳【2 l 。由于电网节点众多，给存贮信息带来了诸多不便，但实际的电网并非各节点都有 直接的连接，导纳矩阵中有大量的0 元素，因而这个矩阵是稀疏矩阵。最常用的稀疏矩阵 结构有三元素表】和邻接多重表【3 】，这是目前描述电网结构最通行的做法。 但配网的特点是树型结构居多，即使是环网结构，实际运行也是开环的。配网要求解 的问题多半与经济运行有关，重组的各种算法都涉及到拓朴结构的调整，而且节点众多， 这使传统的输电网模型很难适应实际需求。文献【4 】针对树型结构特点，以动态树节点类来 定义树型网络，但是每次拓朴结构变化都要重新调整每个节点的数据，工作量仍然很大， 且不适应表述环网结构。 网络结线分析或拓扑分析的主要功能是把基于节点的物理模型转换成可供配电潮流、 短路计算、网络重构等使用的数学模型。对于配网，拓朴分析主要是要识别网络是树型、 环型、还是手拉手型，以及是否存在孤岛。网络结线分析的主要要求是可靠、快速和有效。 1 2 2 潮流计算 有关潮流计算的研究已经比较成熟，过去存在的内存开销过大，速度太慢的问题已随 着计算机硬件技术提高和算法的成熟而改观。近三年来，发表的关于电网潮流计算方面的 学术论文不下三百篇( 论文数据库检索结果) ，这反映出潮流计算还有很多问题没有解决。 大部分的论文都是改进算法收敛性和提高计算速度的论述。潮流计算的方法比较多，主要 有高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法、p q 分解法【5 1 。相比而言，p q 分解法计算量要小的多， 因而得到了广泛的应用。这些算法都是功率平衡思想的一种算法，要多次迭代才能得到解。 由于p q 分解法是从牛顿法潮流简化而来的，所以，当系统参量不符合简化条件时， 会影响其收敛性，甚至会出现不收敛的情况【6 】。配网的参数显然不符合简化条件x r ， 因此用p q 分解法计算配网潮流，不可避免存在收敛性问题。 这些算法从原理上能适应各种网络，不过具体的网络由于参数不同，必须采取一些改 善收敛性的技巧。常用的技巧之一就是对节点编号进行优化，以减少高斯消元时产生的误 差，并产生了专门的节点优代算法【7 】，其二是选取合适的初值，如通过高斯塞德尔法或者 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 直流潮流法迭代一、二次，再以产生的结果作为初值，这样做主要是使初始解更接近真实 解而避免出现解的振荡。具体的算例表明，直流潮流法产生的初值有更好的收敛性1 6 ，这 个结论是否适用于配网，未有人进行过研究。 配网树型的结构和x 、r 相当的参数特点，使得上述方法显得过于复杂，且收敛困难， 特别是在配网重构的算法中，目标函数将用到潮流计算结果，会出现多次的拓朴分析和潮 流计算，对算法的速度和可靠性的要求更高。因此必须寻找新的算法。有人根据树型结构 研究出了特殊的算法，这种算法适用于树型网络，不存在收敛性问题，求解速度很快【4 】。 所有对树型网络的潮流计算都基于各自独特的数学模型，在这种描模型下，各算法都是有 效的。 1 2 3 配网重构的目标函数 配网重构的目标函数有多种，其中占主导地位的有以下几种： 1 ) 以提高系统的稳定性和可靠性为目标，使系统可以带更多的负荷，减少甩负荷的 可能性。典型的目标函数为 m i n 釜三口v i l 识尺) ( 1 2 3 1 ) 式中坳为系统负荷点数目之和； l a v i 为负荷点f 的年平均负荷； l u i 为负荷点f 的年停运时间； r 是网络中所有间隔丌关的状态。 提高系统可靠性的途径一般有三条：一是提高组成系统各元件的可靠性；二是增加系 统的冗余度；三是进行配网重构。前两条要增加硬件投资，经济性不好。对配电网可靠性 进行评估的方法有两类：一类是解析法，另一类是模拟法。解析法【8 1 0 】是对预想的停运事 件进行逐个评估和计算，最终得到用户和系统可靠性指标。解析法原理简单，模型准确， 已广泛用于辐射型配电网的可靠性评估。但配电系统结构比较复杂时，计算将会很繁杂。 配电网可靠性评估常用的最小路法四1 属于解析法，它同时考虑了最小路上的元件和非最小 路上的元件故障对负荷点可靠性指标的影响，并能找出网络的薄弱环节，是一种非常有效 的算法。模拟法是通过模拟元件寿命过程的实际情况，并对此模拟过程进行若干时间观察， 评估所求的可靠性指标，模拟法适合与复杂系统计算，在有些特定场合，该方法甚至是唯 可行的求解方法。 事实上，可靠性指标更多的受偶然因素的影响，要评价一个网络的可靠性，其目标函 数是很难准确定义的。 2 ) 使负荷均匀分布，避免设备过载，提高电网的安全性和供电质量。典型的目标函 数为： 皿f - 旦 s f m a x 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 l b 叫= 亡盖 ( 1 2 23 - 3 ) i = 1o t 式中l b i ，l e 。分别是支路和系统的负荷平衡指数； ，分别是流过支路的功率和支路的容量：柚为系统总支路树。 由于负荷的快速变化和电力建设的滞后，使配电网的负荷分布极不平衡，由此带来很 大的危害，如增加系统的能量损耗，影响系统的电能质量和增加系统过负荷的危险。实现 负荷平衡的手段主要有两种：一是在系统水平的馈线问进行负荷转移；二是进行馈线水平 的相间负荷交换。文献川1 就负荷平衡问题提出一种网络重构的线性整数规划模型，将问 题的目标函数和约束条件都精确地用数学解析表达式表示，试图用解析的方法寻找全局最 优解。 3 ) 最小化系统有功功率损耗【1 2 1 3 1 。典型的目标函数为： m i n ( 1 2 3 4 ) 目前，大部分关于配电网重构的文献都以最小化有功为目标。但实际的配电系统中各 节点的负荷时刻都在发生变化，以有功功率损耗最小为目标的最优结构也不可能是固定 的，它随时会发生改变，并导致频繁的开关操作，这是不经济的，也是不现实的。 4 ) 多重目标优化，其目标函数为各子目标的加权之和： j u ( 厂( x ) ) = w ，( x ) f = l 式中：子目标数； 形：第f 子目标权重； z ( 石) ：第f 子目标函数。 最常见的组合目标为安全性与经济性兼顾型，如高供电可靠性和低网损目标组合，文 献即是这种一种组合目标。 5 ) 某给定时间段上( 一日、一周或一季度) 的系统能量损耗最小【1 5 16 1 。典型的目标 函数为： 式中 c o s 疋：开关的运行费用。 z ：运行时间 为了便于计算，一般采用阶梯形曲线来近似代替配电系统的实际的连续负荷曲线，同 时忽略在较小时间段( 一小时) 内负荷的波动情况。其实质是将连续变量离散化，注重变 化趋势，忽略小的量变，目的是为了节省能源，简化计算。它保证了在某给定时间段上的 系统能量损耗最小。本文的研究将采用这一目标。 1 2 4 配网重构实现的方法 最优配电网络重构技术最早是由m e r l i n 和b a c k 于1 9 7 5 年提出来的，之后不断有研究 矿瓦 soc+ 乃 尺r 上 m nm 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 成果发表，提出了多种方法，如从早期的传统优化手段到启发式和近全局寻优技术，再到 近期的人工智能技术。 1 ) 传统的数学优化法 m e r l i n 和b a c k t l 2 】首先提出用分支定界法将重构问题表达成线形规划或非线形规划问 题。其主要缺点是：用直流潮流算法来计算网络潮流，负荷为纯有功。有文献提出了一种 解决最优配电网络重构的单回路优化法，将最优网络结构表示成一个整数优化问题，其目 标函数为网络有功损耗，是电流的二次函数。其计算简单，效率高，解答可行，其不足之 处在于要确定初始可行解，同时对于大网络，花费时间较长。 传统的数学优化法，算法比较成熟，可以得到不依赖于配电网初始结构的全局最优解， 但其计算时间长，不能处理复杂的大规模的电力系统。 2 ) 最优流模式算法 最优流模式算法是由d s h i 姗o h a m m a d i 【1 3 】等人于1 9 8 9 年提出的一种启发式方法，该 方法首先闭合网络中的所有开关，形成有几个环的少网孑l 配电系统。以网损最小为目标， 在满足负荷需求的情况下计算最优潮流，求得环网支路的电流分布；然后将电流最小的支 路断开，从而解开一个环，并且重新计算最优潮流；如此重复，直到配电网变成辐射网。 这种算法中计算一次开关由合至开需要计算两次环网潮流，计算量大，而且求解潮流时各 环网电流相互影响。但是配电网重构的结果与初始网络状态无关，比较容易收敛于最优解。 3 ) 支路交换法 该算法由s c i v a n l a r 等人首先提出，并以公式 a p = r e ( e m e n ) 宰】+ r l o o p e i f l i e j dl i e di 式中d 为被转移区域的节点集合； m 和以为合上的联络开关两端的节点，且m 为从电源点开始电压降落较小的节点； 为节点i 的负荷电流； r l o o p 为合上联络开关后形成的环网的电阻之和； e m 和e n 分别为节点m 和节点n 的电压； 【 ，幸，l1 分别表示复数的实部、共扼和模。 这类方法大都将负荷处理成恒定电流，用重构前的潮流分布进行网损估计。由于重构 可能引起较大的负荷转移和电压变化，网损估计有一定的误差。支路交换算法以固定节点 注入电流，以优化理论为根据，把开关操作的组合问题变为开关的启发式单开问题，而且 只需要估算支路交换引起的网损变化，无需重新计算潮流，计算量小。缺点是每次只能考 虑一对开关的操作，给出的配电网重构结果与配电网的初始结构有关，不能保证全局最优。 m e b a r a n 等人在文献n 7 3 的基础上提出了一种在支路交换后重新计算潮流的方法， 将二次函数求极值的方法用于寻找开关的最优操作，加快了搜索速度。文献n 引根据配电 系统中存在大量独立拓扑调整的特点提出一次可以实施多个独立拓扑调整的配网重构方 法，并通过节点流过的负荷电流值与理想转移负荷之间的距离确定打开的分段开关，进一 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 步提高了处理效率。该算法考虑并非所有配网支路上都安装开关，更符合实际情况。 4 ) 遗传算法( g a ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 作为随机性算法在解决实际问题时，首先根 据编码随机产生一组初始解，形成包含数据信息的码串，再通过遗传操作使其重新组合， 最后码串所对应的解将趋向最优。 文献n 9 3 利用启发式算法来提高遗传算法的局部寻优能力，并且注意到了配电网的自 身特点网络中的联络开关( 指本次网络重构前处于断开状态的开关) 只占全部开关的 极小一部分，故用联络开关的开合状态来编制染色体，可保证求出的解既有全局优化的性 质，又实际可行，并且大大提高了求解的速度。文献啪1 提出减少配电网重构中不可行解 的染色体编码方法和遗传操作策略；通过对配电网结构的简化减少了g a 染色体长度，从 而进一步提高其计算效率。 近年来，单亲遗传算法( p a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h m ，p g a ) 在电网的重组中得到广泛 应用f 2 1 2 2 1 。该算法由我国学者李茂军首次提出，在优化组合等领域取得了良好的效果。单 亲遗传算法特别适用于配网重组，因为重组问题实质是个开关开环点的优化选择问题，是 个组合问题，基因o ，1 两种表达值j 下适合表达开关状态。 5 ) 模拟退火算法( s a ) 模拟退火法将组合优化问题与统计力学中的热平衡问题类比，可以有效地绕开局部最 优解，以较大的几率找到全局最优解，而且最终解与初始解无关方法。 文献眨3 1 提出了一种改进的s a 算法，即以当前最优解作为当前控制温度的初始当前解， 从而构造了一个单调递减的初始当前解序列，这一改进是算法对参数的依赖减小，而且进 一步降低了计算量。随后，文献眩4 1 中应用s a 算法提出越界惩模型，针对目标函数提出了 损耗模型，负荷率中心矩以及混合模型，并引入概率负荷潮流概念，试图摸索解决负荷不 确定的问题。 该方法具有良好的收敛性，但其算法性能依赖于退火方案的选择，且需要进行大量的 随机迭代，计算量大，将其用于配电网重构时需要进行多层次大量的开关交换，需要进行 多次潮流计算和网损估计，计算量更大。 6 ) 粒子群优化( p s o ) 算法 粒子群优化算法( p s o ) 是一种进化计算技术( e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ) ，由e b e r h a r t 博士 和k e n n e d y 博士发呀2 5 ，2 6 1 。源于对鸟群捕食的行为研究 p s o 同遗传算法类似，是一种基于叠代的优化工具。系统初始化为一组随机解，通过 叠代搜寻最优值。但是并没有遗传算法用的交叉以及变异。而是粒子在解空间追随最优的 粒子进行搜索。同遗传算法比较，p s o 的优势在于简单容易实现并且没有许多参数需要调 整。目前已广泛应用于函数优化，神经网络训练，模糊系统控制以及其他遗传算法的应用 领域 一般而言，p s o 与其他演化算法一样，能用于求解大多数优化问题【2 7 】。 7 ) 蚁群算法 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 蚁群算法( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n , a c o ) ，又称蚂蚁算法，是一种用来在途中寻找优化 路径的机率型技术。它由m a r c od o r i g o 于1 9 9 2 年在他的博士论文中引入，其灵感来源于 蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为【2 8 】。蚂蚁的行为按简单的觅食规则、移动规则、 避障规则、播撒信息素规则决策，因而具有编程简单的特点。 蚁群算法易于收敛于局部最优，要想得全局最优，必然要牺牲收敛性。各种改进的蚁 群算法，主要是在全局最优和收敛性方面进行调节，使之取得能接收的解。 8 ) t a b u 搜索算法( t s ) t a b u 搜索( t s ) 最早由f r e dg l o v e r 于1 9 7 7 年提出，作为一个最优工具来求解非线性覆 盖问题。近年来，它已被成功地用于求解许多领域的组合最优问题，并被证明是行之有 效的。文 2 9 - 5 2 j 贝i j 报道了t a b u 搜索在电力系统中的应用。 t s 是一项通用的内启发式最优技术，可用于求解大规模的组合最优问题。它通过利用 灵活记忆的特殊形式，来避免搜索陷入局部最优。t s 中的基本概念主要由“邻 居”( n e i g h b o r h o o d ) 和“保留期”( t e n u r e ) 组成。通常，t s 方法从一初始解开始搜索。初始解可 以通过随机方法产生或由已有的启发式方法产生。通过应用操作符移动( m o v e ) ，对当 前解进行操作，产生一组当前解的邻居试验解。在产生的这些邻居试验解中，最能改善评 价函数的那个解被选择为新的当前最优解。如果所有的移动均不能改善评价函数，表明 当前的解为局部最优解。为了防止陷入局部最优，在t s 中还设置了一指定长度的t a b u 表， 称作为t a b ul i s t ，在t a b u 表中保存了那些最近已经实现了移动的反方向移动，称之为 t a b u 移动，t a b u 表在每次迭代中都进行更新。在产生新的移动时，t a b u 表中的移动必 须加以限制，因为它们会使搜索过程返回到已经访问过的搜索空间中去。重复t s 的搜索 过程，直到满足指定的停止规则。 3 3 1 t s 算法有大量的改进型，所采用的改进的方法大多是在搜索过程中自动调整有关参 数，无需由使用人员凭经验给定。 9 ) 人工神经元( a n n ) 作为- - l - j 活跃的边缘性交叉学科，神经网络的研究与应用正成为人工智能、认识科学、 神经生理学非线性动力学等相关专业的热点近十几年来，针对神经网络的学术研究非常活 跃，且提出上百种的神经网络模型，涉及模式识别、联想记忆、信号处理、自动控制、组合 优化、故障诊断及计算机视觉等众多方面，取得了引人注目的进展【3 4 1 a n n 是基于并行分布，联想的方式实现的。基于a n n 的算法不需要进行潮流计算， 可以在很短的时间内得出结果，但其精度取决于样本，而要获得完整的样本很困难，需要 较长的时间来训练样本。 1 0 ) 专家系统( e s ) 专家系统擅长解决电力系统中难以建立数学模型而又依赖专家经验知识的问题。专家 系统的决策，依赖于专家经验库。该库由前题和决策两部分构成。它的主要缺点是：知识 获取难；处理复杂问题的时间长；容错能力差；基础理论还不完善。【3 5 】 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 5 存在的主要问题 前述的的各种算法及其改进型、以及各种组合型，都致力于将通用的方法与具体要解 决的问题相结合，以期便捷地取得问题的全局最优解。改进的目的主要在以下三个方面： 一是使程序跳出局部最优而收敛于全局最优解；二是改善收敛性；三是提高寻优的速度。 不论采用何种方法，其计算量都会非常大。计算量大，不仅表现在获得可行解需要大 量的叠代选优方面，而且表现在配网结构的变化而引起的描述变化方面。此外，除少数算 法不需要进行潮流计算外，绝大多数算法都涉及潮流计算的问题，而潮流计算本身就有众 多的问题没有很好的解决，比如维数灾难问题、病态参数问题、收敛性问题。如果要计算 多时段的潮流，计算量会更大。 配网重构，不仅涉及重构算法问题，还涉及配网结构描述、识别、潮流计算等一系列 的问题。因此配网重构是一个复杂的系统工程，每个环节的进步都会改善重构算法的性能。 1 3 本文所做的工作 在新的配网模型基础上，采用分步决策的方法，以给定时间段内网损最小为目标，以 不环网、无孤岛、不过载为约束条件，在初始解邻域寻优，并最终找到最优解。所做工作 主要包括： 1 ) 构件了一整套配网结构模型，并提出了针对该模型的拓朴分析、潮流计算的通用 算法； 2 ) 采用禁忌搜索( t a b u ) 和支路交换组合技术进行配网重构优化，针对待求解问题的特 征，在邻居试验解的产生方面，提出了新的方法； 3 ) 采用拓朴简化策略，保证在最大范围内寻优，以取得全局最优解； 4 ) 改进潮流算法，充分利用树型结构的特点，计算潮流，克服了维数灾难和不收敛 的问题。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章配网结构的模型 配网结构描述，是电网各种计算最基础的工作，好的结构描述，可以减少参数修改和 计算的工作量。本章基于配网的特点，提出了独特的两层结构描述方法。为配网计算及处 理带来极大的便利。整个配网参数不必根据开关位置变化而修正，程序能方便的自动识别。 2 1 配网结构与主网异同 电网的数学模型研究已经比较成熟，但这些模型对主网比较适合，对配网则不太适用， 这是由于主网与配网的结构和要解决的问题不同有关。主网通常以变电站母线为节点、以 开关线路联结组为联接来描述网络结构，要求解的问题通常是各开关的电流和各母线 的电压。这样的网络，节点是无损的，只负责分配负荷，且节点各处电压一致，而联结线 路( 图论中的“边”) 是有损的，网损在“边”上产生。但配网则有所不同，配网开关不再和 单一的线路构成一个有损联结，而是变成一个无损联结；线段也不能像母线一样，看成无 损的节点，而是变成有损的节点，且各处的电压不一致；所要求解的的问题也不再是节点 的电压和联结上的电流，而主要是解决网络重构和网损问题。因此有必要根据配网实际的 情况和所要解决的问题，研究一种新的配网数学模型。 本文将采用粗、精两层模型来描述配网结构，以粗模型解决网络重组和结构识别问题， 以精细模型计算网损。 为什么采用两层模型来描述配网? 这是由实际配网的现状决定的。 中国的配电网络大多数是电缆与架空线路的混合网络，这与国外大量研究的电缆网络 有所不同。架空线路与电缆的显著不同在于沿线路可以分布多个用电点，而电缆只在几个 开闭所集中向负荷供电，也就是说，电缆网络的节点数少，而架空线路节点很多。过多的 节点将导致拓朴分析的效率大幅降低。 2 2 配网粗结构描述及术语 2 2 1 基本思想 一个配网由多个开关设备和多个线段构成，每个线段可以视为一个电气岛，每个线段 之间通过至少一个开关与其它线段相连，每个开关只连接两个线段。根据图论的有关理论， 线段可以视为一个节点，对开关可以视为一个连接，这样可以由两张数据表唯一确定一个 电网结构。这两张表就是开关端节点表和线段表。这样的描述，不涉及配网中的配变等信 息，称之为粗结构。为了避免引起混淆，将粗结构中的线段，称为粗节点。粗节点实际是 组线段与配电变压器的集合。 粗结构将仅用于拓朴分析和计算每个开关流过的负荷，而不用于计算目标函数，目标 函数将以精细结构为主进行计算。 2 2 2 开关端节点表 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 2 2 0 开关端节点表 d m od m o ld m k gy x b h k gs m a x ld m x l ld m x l 2b z lb z ob z 2y x jz x b zf x 表中的字段的含义见表2 2 2 1 ，以下所定义各表的字段含义如不特别强调，均使用表 2 2 2 1 约定。 表2 2 2 1 各结构表字段含义 字段名 中文含义特别约定 d m 0组代码 d m 0 1 子组代码 d m k g 开关代码 d m x l o 线段代码 d m x l l左线段代码 d m x l 2右线段代码 d m x l o l 子线段代码 d m j d 节点代码 d m j d l 左节点代码 d m j d 2 右节点代码 y x b h k g开关运行编号 y x b h x l线段运行编号 b z o 电源开关标志是变电站开关为t 否则为f b z l运行状态 合上为t 否则为f b z 2 可用标志可以使用为t 否则为f b z 3 关口节点标志节点为开关时为t 否则为f 从左线段流入右线段为+ 1 ，否则 f x 电流正方向 为。l y 组网优先级别 s m a x l 开关负荷上限k v a s m a x 2 子线段负荷上限k v a g d c c供电层次 z x b z 支线标志 是支线为t ，否则为f r 子线段电阻 x 子线段电抗 表2 2 2 0 中d m k g 、d m x l l 、d m x l 2 是描述结构的主要字段，其它为辅助字段。 相关概念： 组：在配网中通过配网操作，可以联系在一起的设备集合称为一个组，每个组指定唯 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 一一个代码，称为组代码( d m 0 ) 。通过组，可以把一个庞大的网络，分解成多个小网络， 从而避免维数灾难。 子组：每个组在运行时，可能按电源点分成几个电气岛运行，每个电气岛称为一个子 组。给定一个临时的且在组内唯一的代码，来标识这个电气岛，这个代码称子组代码。 b 站 b 站母 第2 组 第l 组 母线 图例 v - - q 开关 园 断开的开关 第2 组 母线 2 子组 图2 2 2 组与子组示意图 组网优先级别( y x j ) ：可以根据经验，将开关的级别分为多级，级别越低的开关，越 不容易用于组网，这对于根据网络设备设置正常开环点是有好处的。为以后人工根据经验 设置开环点而预备。 电源开关标志( b z 0 ) ：变电站内向配网供电的开关，如是，将该标志置t ，否则置f 电流正方i f i ( f x ) ：规定从d m j d l 流向d m j d 2 为+ 1 ，如相反，则为一1 。 可用标志( b z 2 ) ：处于检修态或者故障态以及其连接的线段有一条不能使用时，该标志 置f ，否则置t 。 为了方便以后的拓朴分析，还可以将反映拓朴结构的主要字段d m k g 、d m x l l 、 d m x l 2 转换成表2 2 2 2 的格式，分析时直接使用。d m x l l 、d m x l 2 数据汇入d m x l 中，相当于表2 2 2 0 中每条记录转化成表2 2 2 。2 中2 条记录。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 2 2 - 2 粗结构描述表( - - ) 表2 2 2 2 表达的意识是每个粗节点上所连接的开关。表2 2 2 2 与表2 2 2 0 在表达网 络结构方面是等效的，只是表现形式不同而已。为了后续计算处理方便，增加了个临时逻 辑型字段t e m p ，用以做表处理过程中的某种标志。这里的b z 0 是指粗节点为变电站母线 情况的一种标志，该标志由查下面要介绍的粗节点表而得来，而不是指d m k g 是供电开 关的标志。 2 2 3 粗节点表 粗节点表用以唯一登记网络中出现的粗节点。同一母线在不同的组中，应分别登记。 表2 2 3 粗节点表 d m od m 0 1d m x ly x b h x lb z ob z 2g d c c 可用标志( b z 2 ) ：处于检修态或者故障态的线段该标志置f ，否则置t ；如果该线段不 可用，则与其相联接的开关的可用标志置为不可用。 供电层次( g d c c ) ：单电源树枝状供电网络，其线段( 粗节点) 是有层次的，为了便于 计算机处理，我们将这种层次量化，1 表示由变电站开关直接供电的线段，2 表示由l 级 线段供电的线段，依此类推。 如图2 2 3 所示。供电层次是一个非常有用的概念，在配网自动化故障判断中，可以 以最快的速度判别出故障线段，而且原理简单，在感受到故障的设备集合中，层次最大的 线段即为故障线段。这是一种新的故障判别方法，以往文献中未曾记载过，由于这不是本 文关注焦点，在此不再赘述。 图2 2 3 供电层次图示 用开关表和线段表描述的配网结构，物理概念清晰，适应性强，可以方便表达任何结 构，比文献【5 1 所采用的树节点类简单，配网的任何重组，仅改变开关的运行状态，不用像 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 树节点类方法，要更新大量数据。通过专门的程序，可以自动识别配网的结构。事实上， 线段表不是必需的，只要保证开关表中的线段编号的一致性就行；开关表中也有些字段是 的非必需的，如果去掉这些字段，这个表将与稀疏矩阵相类似的功效。 2 3 配网精细结构描述及术语 配网结构的精细描述主要是为了计算线损计算，在粗结构中的一个粗节点实际是一个 树枝型供电子网，该子网的结构用图2 3 表示。这个图可以描述粗结构中的一个粗节点的 精确结构。根据用途不同，可以做一些简化，如本文重点在于比较网损的差异，对部分更 细小的分枝等效成一个节点负荷，对分枝以下的部分予以简化。 s 1 d l 2 l 4 l 3l 5 d l 3 图2 3 配网精细结构图例 精细结构与上面粗结构基本思想相类似，一条物理的线路被表述为一条条子线段相互 串联或t ”，子线段有具体的电气参数电阻、电抗。在结构上其两端各连接一个节点，这 个节点物理上可能是配电变压器、也可能是线路的t ”接点，也可能是一台开关。这样可 以用精细线段表唯一表述一个粗节点的精细结构。其数据库描述如下： 2 3 1 精细线段表 表2 3 1 精细线段表 d m 0d m x ld m x l 0 1d m j d ld m j d 2s m a x 2rx8 0 d m 0 、d m x l ：与表2 2 2 0 中相同； d m x l 0 1 ：子线段唯一的代码，每条子线段在表中对应一条记录； d m j d l 、d m j d 2 ：子线段两端的节点代码； r ：子线段电阻( 欧) ； x ：子线段电抗( 欧) ； 6 0 ：是计算字段，8 0 = t g - 1 ( x r ) 。 同粗结构描述一样，精细结构也可以下表形式表达。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 3 1 2 精细结构表( 二) d m x ld m x l 0 1d m j db z z 表2 3 1 2 是表2 3 1 的主要字段另一种表达形式，其与表2 3 1 关系，类似表2 2 2 2 与表2 2 2 0 的关系。 d m j d ：精细节点代码 b z z ：在一个粗节点内，获得电源的精细节点( 实际上是一个开关，在精细结构中， 一个开关表达为一个精细节点) 。 2 3 2 精细节点表 表2 3 2 精细节点表 id m 0d m x ld m j d b z 3 l d m j d ：精细节点的代码； b z 3 ：节点是否为开关标志，如果则为t ，否则为f d m 0 、d m x l 含义与表2 2 2 一o 相同。 2 4 拓朴分析 对数据库描述的电网结构，要进行识别。是环网结构、手拉手结构还是树型结构，必 须通过拓朴分析得出。 为了便于程序处理，在这里使用前面已经提到的表2 2 2 2 。表2 2 2 2 是表2 2 2 0 中 主要字段的另一种表达形式，只是在其中增加了一个标志字段t e m p 。 表2 2 2 0 的主要字段 表2 2 2 - 2 ：粗结构描述表( 二) d m k gd m x l ld m x l 2 lab d m k gd m x lb z ot e m p laff lbff t e m p ：其作用是临时标记，以便程序判别配网结构 拓朴方法如下： 方法一：去支路法 s t e p l将一个组的粗结构按表2 2 2 2 格式调入内存。 s t e p 2 将表2 2 2 2 中，所有记录的t e m p 置t 。 s t e p 3 查找最木端粗节点( 只与一个可用开关相连的非电源粗节点为末端粗节点) s t e p 4 将所d m k g = 末端粗节点的开关的记录t e m p 置f 。 s t e p 5 重复s t e p 3 s t e p 4 排除所有的分支，直至找不到末端粗节点。 如此时，所有t e m p 全变成f ，则网络为树型结构。 如还有t e m p 为t 的记录，说明网络为环网或手拉手网络。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 略去分支的主干图 图2 4 1 去支路法例图 方法二：去电源法 经过方法一的处理，可以确定整个网络是否为树型网络，究竟是环网还是手拉手结构 还不清楚，因此还要在方法一处理之后，进一步识别。 s t e p l在表2 2 2 2 中查找电源开关，将电源开关所在记录t e m