（技术经济及管理专业论文）高压配电网规划中变电站选址定容与协调优化问题研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 电力市场条件下，供电公司越来越重视电网规划工作。电网规划的方法很多， 每种方法都有自身的优缺点和适用范围。本文根据系统工程思想，将电网规划分为 变电站选址定容和线路优化两步分别进行。论文在介绍各种电网规划方法、论述基 础知识的基础上，主要研究高压配电网变电站的协调优化及决策。文章以电网规划 的程序为主线，按舰划工作开展的顺序分三个部分详细研究了变电站的优化问题， 包括高压配电网的电力电量平衡分析、变电站选址定容两阶段优化规划的研究、多 电压等级变电站的协调规划探讨。各部分还分别引用或建立了考虑比较全面的数学 模型，其中第二部分应用先进的粒子群算法实现了最优规划方案的求取，从而有效 的提高电网规划的适用性和规划水平，更好的完成高压配电网变电站的规划工作。 通过各部分具体的算例证明了规划方法和模型的有效性。 关键词：配电网规划；变电站；选址定容；协调优化 a b s t r a e t i nt h ep o w e rm a r k e t ，s u p p l yc o m p a n ya t t a c h sm o r e i m p o r t a n c et op o w e rs y s t e m p l a n n i n g t h e r ea r em a n ym e t h o d sf o rp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，a n de a c hm e t h o dh a s i t so w na d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n da p p l i c a b l e s c o p e a c c o r d i n g t o s y s t e m e n g i n e e r i n g ，p o w e rs y s t e mp l a n n i n ga r ed i v i d e di n t os u b s t a t i o nl o c a t i n g ，s i z i n ga n d g r i do p t i m i z i n g ，w h i c ha r ef u l f i l l e ds u c c e s s i v e l y o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h e m e t h o d sa n db a s i ck n o w l e d g eo fp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e s c o o r d i n a t i o np l a n n i n ga n dd e c i s i o no fs u b s t a t i o no fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，t h ep a p e rs t u d i e st h eo p t i m i z a t i o n o fs u b s t a t i o nf r o mt h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fe l e c t r i cp o w e ra n de n e r g y e q u i l i b r i u mo fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h es t u d yo nt w o - p h a s eo p t i m i z a t i o n p l a n n i n ga p p r o a c ht os u b s t a t i o nl o c a t i n ga n ds i z i n g ，t h ed i s c u s s i o no fc o o r d i n a t i o n p l a n n i n go fm u l t i v o l t a g es u b s t a t i o n e a c hc h a p t e rc i t e so rs e t su pa p p l i c a b l em a t h s m o d e l s ，e s p e c i a l l y ，t h es e c o n ds e c t i o ng a i n st h eb e s ts c h e m eb yu s i n gt h ea d v a n c e d p s oa l g o r i t h m ，w h i c hc a ni m p r o v et h ea p p l i c a b i l i t ya n dl e v e lo fp o w e rs y s t e m p l a n n i n g ，a n dm a k et h e s u b s t a t i o np l a n n i n g o fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k b e t t e r i na d d i t i o n ，e a c hs e c t i o ng i v e sn u m e r a le x a m p l et op r o v et h ea v a i l a b i l i t yo ft h e m o d e l sa n dt h ep l a n n i n gm e t h o d s h o uy o n g ( t e c h n i c a le c o n o m i c sa n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f t a nz h o n g f u k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ；s u b s t a t i o n ；l o c a t i n ga n ds i z i n g ；c o o r d i n a t i o n o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力市场条件下，供电公司越来越重视电网规划工作。电网规划的方法很多， 每种方法都有自身的优缺点和适用范围。本文根据系统工程思想，将电网规划分为 变电站选址定容和线路优化两步分别进行。论文在介绍各种电网规划方法、论述基 础知识的基础上，主要研究高压配电网变电站的协调优化及决策。文章以电网规划 的程序为主线，按舰划工作开展的顺序分三个部分详细研究了变电站的优化问题， 包括高压配电网的电力电量平衡分析、变电站选址定容两阶段优化规划的研究、多 电压等级变电站的协调规划探讨。各部分还分别引用或建立了考虑比较全面的数学 模型，其中第二部分应用先进的粒子群算法实现了最优规划方案的求取，从而有效 的提高电网规划的适用性和规划水平，更好的完成高压配电网变电站的规划工作。 通过各部分具体的算例证明了规划方法和模型的有效性。 关键词：配电网规划；变电站；选址定容；协调优化 a b s t r a e t i nt h ep o w e rm a r k e t ，s u p p l yc o m p a n ya t t a c h sm o r e i m p o r t a n c et op o w e rs y s t e m p l a n n i n g t h e r ea r em a n ym e t h o d sf o rp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，a n de a c hm e t h o dh a s i t so w na d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n da p p l i c a b l e s c o p e a c c o r d i n g t o s y s t e m e n g i n e e r i n g ，p o w e rs y s t e mp l a n n i n ga r ed i v i d e di n t os u b s t a t i o nl o c a t i n g ，s i z i n ga n d g r i do p t i m i z i n g ，w h i c ha r ef u l f i l l e ds u c c e s s i v e l y o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h e m e t h o d sa n db a s i ck n o w l e d g eo fp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e s c o o r d i n a t i o np l a n n i n ga n dd e c i s i o no fs u b s t a t i o no fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fp o w e rs y s t e mp l a n n i n g ，t h ep a p e rs t u d i e st h eo p t i m i z a t i o n o fs u b s t a t i o nf r o mt h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fe l e c t r i cp o w e ra n de n e r g y e q u i l i b r i u mo fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h es t u d yo nt w o - p h a s eo p t i m i z a t i o n p l a n n i n ga p p r o a c ht os u b s t a t i o nl o c a t i n ga n ds i z i n g ，t h ed i s c u s s i o no fc o o r d i n a t i o n p l a n n i n go fm u l t i v o l t a g es u b s t a t i o n e a c hc h a p t e rc i t e so rs e t su pa p p l i c a b l em a t h s m o d e l s ，e s p e c i a l l y ，t h es e c o n ds e c t i o ng a i n st h eb e s ts c h e m eb yu s i n gt h ea d v a n c e d p s oa l g o r i t h m ，w h i c hc a l li m p r o v et h ea p p l i c a b i l i t ya n dl e v e lo fp o w e rs y s t e m p l a n n i n g ，a n dm a k et h e s u b s t a t i o np l a n n i n g o fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k b e t t e r i na d d i t i o n ，e a c hs e c t i o ng i v e sn u m e r a le x a m p l et op r o v et h ea v a i l a b i l i t yo ft h e m o d e l sa n dt h ep l a n n i n gm e t h o d s h o uy o n g ( t e c h n i c a le c o n o m i c sa n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f t a nz h o n g f u k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ；s u b s t a t i o n ；l o c a t i n ga n ds i z i n g ；c o o r d i n a t i o n o p t i m i z a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压配电网规划中变电站选址定容与 协调优化问题研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：5 萎翌日 期：旦! ：圭：堡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅i 学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 蠡鱼 日 期：立壶：蔓：! 驴 导师签名： e t期：! ：三! 1 7 华北电力大学硕士学位论文 1 - 1 研究的背景和意义 第一章引言 配电网通常是指从输电网接受电能、再分配给各用户的电网，它是城市范围内 为城市供电的各级电网的总称，包括高压配电网( 3 5 k v 、6 3 k v 、1 1 0 k v ) 、中压配 电网( 1 0 k v ) 和低压配电网( 3 8 0 v ) 等各电压等级电网的总称。城市配电网不仅是 电力系统主要的负荷中心，而且是城市现代化建设的重要基础设施之一。城市配电 网是电力系统的重要组成部分，具有用电量大、负荷密度高、安全可靠和供电质量 要求高等要求和特点。 城市经济发展对电力需求的增长需要，是城市电网发展的原动力。城市高压配 电网的规划建设，对电网发展起着承上启下的作用，一方面要接受上一级输电网或 地方电厂的电力，另一方面还要向下一级中低压配电网提供电源。如何保证城市高 压配电网既有充足的接受上级电网电力的能力，又能安全可靠地给下一级中低压配 电网提供优质可靠的电源，是城市高压配电网规划所要解决的主要任务。 电力系统规划包括负荷预测、电源规划和电网规划三大部分内容。电网规划以 负荷预测和电源规划为基础，反过来也对电源规划产生一定影响使之得到适当修 正。虽然电源规划和电网规划应当作为个整体来研究，但由于二者侧重点不同， 加之在厂网分开的条件下统一研究又非常困难，因此，目前两项工作仍然是分开分 别由发电公司和电网公司来开展，然后再对两部分结果进行必要的协调。 配电网规划分为商压配电网规划和中低压配电网规划，由于高压配电网和中低 压配电网具有不同的特性和特征，因此，在规划中也就形成了不同的规划方法。通 常情况下，中低压配电网规划更注重于根据用地性质等因素进行，而高压配电网规 划则要重点考虑变电站的整体布点容量问题和输电走廊问题。因此，配电网规划一 般也分高压和中低压来分别进行研究和编制。 我国城市配电网经过几十年的发展，特别是改革开放以来，随着经济的高速发 展，全社会用电量和电力负荷都以极快的速度增长，为了解决全国性的电力供应不 足问题，各地纷纷采取各种措施，加大电源建设投入。但是受电力部门长期形成的 “重发、轻供、不管用”的思想影响，在电力电量迅速增加的同时，电网建设相对 滞后，电源电网投资比例失调，我国城市配电网建设滞后、技术落后、设备陈旧、 结构不合理等因素使许多城市配电网达不到“n - l ”的安全准则，供电可靠性差， 线损高，很多城市出现“有电送不出、有点落不下”的问题，薄弱的城市配电网已 经成为制约部分城市发展的一大瓶颈。如何建设好城市配电网、提高供电质量，使 电力系统更加适应经济发展和电力市场建设的需要，是一直以来迫切需要解决的问 华北电力大学硕士学位论文 题。因此必须通过城市配电网的规划和建设改造，为社会服务，提高服务质量，满 足用户的电力需求，同时要切实改变旧有的“重发、轻供、不管用”的思想，推动 “发电一输电一供电一用电”良性循环的发展势头。 9 0 年代末，随之全国电力供需形势供大于求局面的形成和适应市场经济发展的 需要，借着电力体制改革和“国家电力公司”成立的良好机遇，我国各城市普遍丌 始重视编制和贯彻城市配电网发展规划和改造计划，有目的地投入了大量资金和人 力，特别是全国范围的城农网改造，投入3 0 0 0 多亿改造资金，使城市电网和农村 电网建设成绩显著，在当时的条件下基本达到了“有电供得上”预期目标。但是2 0 0 2 年以来，由于全国经济发展速度超过预期，用电负荷和用电量激增，用电质量和可 靠性要求越来越高，加之电源建设远远落后于电力需求，全国相当一部分省份均出 现严重的缺电现象。同时，在负荷放开的情况下，部分城市配电网又出现“有电落 不下”以及电能质量下降等许多问题，配电网改造迫在眉睫。在国家“十一五”发 展规划的开局之年，面对电源由紧张到潜在富裕的又一个发展周期，电网公司也在 积极的投入到“十一五”电网规划的修编之中，如何制定好“十一五”电网规划， 是影响电网发展甚至是国民经济的关键工作。 作为以盈利为目的的企业，必须重视投资效果的综合评价工作。9 0 年代末期的 “两网改造”，使得供电水平有了很大提高，但是改造后的遗留问题也比较严重， 一方面是各地电网之间、主网与配网、高压配电网与中低压配电网之间的不够协调 匹配，部分输变电能力不能完全发挥出来：另一方面，电力公司以贷款的形式投入 资金3 0 0 0 多亿，也使其背负了巨额的财务包袱。具初步统计，仅此项贷款，各省 电力公司每年平均要偿还2 4 3 亿的利息。以2 0 0 3 年国家电网公司系统亏损第一大 户( 河南省电力公司) 为例，近年来该公司仅城乡电网改造和主网建设就贷款2 6 4 亿元，每年需还本付息和运行维护的费用约4 7 亿元，每年除通过0 0 2 元千瓦时 的农网还贷资金收取1 3 亿元夕卜，还有资金缺t 53 4 亿元，还本付息压力巨大。截至 0 4 年9 月份，该公司债务总额已高达3 1 2 亿元，资产负债率高达7 4 5 ，资产负债 率远远高于国家电网公司系统的平均水平。对公司进一步发展产生极大的影响。 总之，在城市配电网的电源接入点建设、城网的建设改造、设备选择和改造项 目选择评价等方面，都存在一些亟待解决的问题： ( 1 ) 城市电网中各变电站、开关站和线路的协调规划存在一定的问题，对各分 区的供电和事故相互支援产生一定的困难： ( 2 ) 配电网技术先进性和适用性的协调水平仍需要提高； ( 3 ) 电网规划水平与经济影响因素的关联度的分析仍需要深入研究： ( 4 ) 配电网改造项目的评价和费用分摊补偿办法是现阶段必须引起高度重视的 工作。 高压配电网的优劣将直接影响供电的安全性、可靠性、投资及运行的经济性、 2 华北电力大学硕十学位论文 电力供需平衡、供电质量等许多方面，进而可能导致用户不断增长的用电需求无法 得到满足。因此，从全局出发，规划出具有最优工作方式、能最大限度满足用户需 求的高压配电网就成为配电网规划的重要目的之一1 2 】。 因此，在高压配电网规划工作中，供电公司在提高供电质量、保持“适度超前 发展”的同时，必须重视分析配电网与影响因素的关系，做好配电网的优化分析和 决策，优选投资建设项目，做好项目评价和费用分摊补偿办法和配电网优化模型的 研究应用工作。同时在保证安全可靠供电的前提下，充分考虑高压配电网的特点， 加强高压配电网规划优化及其经济性的研究工作。本文在满足技术要求的情况下， 力求从经济学和公益性的角度分析优化和评价高压配电网中的变电站，从而得到满 意的高压配电网变电站规划方案。 1 2 国内外研究综述 随着经济的高速发展和现代化水平的逐步提高，国内外普遍开始重视电网的规 划、优化和建设工作，三十多年来，许多学者为研究电网规划优化的数学方法做了 大量的工作，也得到了许多有意义的研究成果。 1 2 1 方案比较法 早期的电网规划方法以方案比较为基础。这种方法从几个设定的待选方案中通 过技术经济比较选择出推荐的方案。然而，参加比较的方案往往是规划人员凭经验 提出，并不一定包括客观上的最优方案，更不可能包含全部可行方案，因此最终推 荐方案包含相当的主观因素和局限性。 1 2 2 成本效益分析法 成本效益分析方法 3 1 f 8 1 作为种经济分析方法，近年来受到了电网规划工作者 的广泛重视，并取得了一定的研究成果。但是，这种方法在电网规划中的应用仍处 于起步阶段，有待于继续研究。 数学和计算机技术的发展，使得电网规划新方法应运丽生。目前电网优化规划 方法主要分为启发式方法、传统的数学优化方法和现代数学方法三大类 9 , 1 0 l 。 1 2 3 启发式方法 启发式方法是一种以直观分析为依据的算法，通常是基于系统某一性能指标对 可行路径上的一些参数做灵敏度分析，根据一定的原则选择要架设的线路。主要由 过负荷校验、灵敏度分析、方案形成三个部分组成。 华北电力大学硕士学位论文 启发式方法又分为两种。第一种是逐步扩展法f l l ，”j ，即根据灵敏度分析的结果， 以最有效的线路加入系统逐步扩展网络。另外一种是逐步倒推法】 ”】，即首先将所 有待选线路全部加入系统，构成一个冗余的虚拟网络，然后根据灵敏度分析，逐步 去掉有效性低的线路。 该类算法原理比较简单，容易计算和实现，不需要考虑收敛问题。但由于孤立 地考虑一条线路的指标，没有考虑线路之间的相互影响，没有从全局的角度确定线 路方案，所以无法严格保证解的最优性，特别是当规划期较长、待选线路数量较多 时，所得结果可能与真正的最优方案有很大偏差。这种方法通常适用于较小规模的 电网规划问题。 1 2 4 专家系统 专家系统是6 0 年代中期出现的一种方法，目前是人工智能中最为活跃的分支之 一。专家系统总结了大量规划专家和工程师们的实践经验，有利于提高电网规划的 合理性，简化数学计算。电力系统规模巨大，电网网络节点和线路多，如果再考虑 多阶段和其它相关因素，电网规划将成为一个规模巨大的规划优化问题，单靠简单 的优化技术是无法解决的。根据规划专家的经验可以合理简化模型，提高算法的效 率，降低计算的复杂性。文献 2 2 】中介绍了国外将专家系统用于生产实践中的尝试， 如瑞典m a l m o 地区已经将专家系统用于1 3 0 k v 和5 0 k v 输配电系统的发展规划。 专家系统可以看作是启发式方法的发展，它需要收集大量的信息，并采取适当方法 存储，建立有效的学习机制，目前在这些方面还有很大困难，它在电网规划中的应 用还处于初期，正有待于进一步深入研究。 1 2 5 传统的数学规划方法 数学优化方法用数学模型来描述电网规划优化问题，它是通过对电网规划作数 学描述，处理成有约束的极值问题，然后用最优化理论进行求解，得到理论上的最 优解。和启发式算法相比，数学优化方法在理论上更为优越，因此得以广泛研究和 发展。 通常情况下，数学优化方法计算量很大，在实际应用中存在一些困难：首先，要 考虑的因素多，问题阶数大，因而难于建模，即使建立了优化模型，也不太容易求 解；其次，实际中的许多因素不能完全形式化，即使通过简化方式获得形式化的优 化模型，这样得到的所谓最优解与真正的最优解也可能存在一定的偏差。 常用的传统数学优化方法如下： ( 1 ) 线性规划方法 线性规划方法是最优化技术中发展最成熟、理论和求解都很完善、应用最广泛 华北电力大学硕士学位论文 的优化方法。文献 1 4 】应用模糊集理论建立了电网规划中计算最小模糊缺电成本的 模糊线性规划模型，从而求得最小模糊缺电成本。在电网规划中，根据实际情况， 通过一些简化措施去除非线性，建立线性的电网规划模型。线性规划法具有计算简 单、求解速度快等优点。线性规划模型的主要不足是用连续变量模拟离散的决策变 量，不能准确地描述输电网络规划的整数性，得到的结果要么偏离最优解，要么不 满足约束条件，而且单纯型法要求解的可行域为凸的，而电网规划中很有可能出现 非凸的情况。这些都限制了线性规划在电网规划中的应用。文献 15 1 将线性规划法 与一些分解技术相结合，从而缩小了混合整数规划的计算规模，效果较好。 ( 2 ) 非线性规划方法 这种方法是采用非线性规划法中的梯度法来求解电网规划模型，利用伴随网的 方法求解性能指标相应于支路电纳的梯度向量，进而选择有效线路加入。由于存在 解的取整问题，为了保证解的可行性，只好采取循环的方法来解决，无法保证解的 最优性，在电网规划中应用较少。 ( 3 ) 0 - 1 整数规划方法 文献【1 6 把电网规划描述为o 一1 整数规划问题，并使用o 1 隐枚举法进行求解。 这种方法对求解小规模的电网规划问题效果比较好，但当规划中变量个数增加时会 遇到“维数灾”问题，因此这种方法还有待改进。 ( 4 ) 分解算法 电网规划问题规模通常很大，不利于求解，可将其分解成多个相对简单的子问 题，然后通过求解各个小的子问题求得最终的最优解。文献 1 7 】应用b e n d e r s 分解 技术来求解规模较大的电网的优化规划问题。 ( 5 ) 分支定界法 分支定界算法是运筹学中求解整数规划的一个行之有效的算法。由于电网规划 中的决策变量( 线路是否被选中) 为0 1 整数规划问题，通常的规划模型均为一个 混合整数规划模型，因此适合于用分支定界法来求解此问题。文献 1 8 】用分支定界 法与b e n d e r s 分解技术相结合求解了电网规划的运输模型。当系统规模比较大时， 分支定界法需要考虑的分支过多，计算量也会很大，这是该方法的主要不足之处。 综上所述，尽管数学规划方法发展较快，在电网规划研究和实践中也进行了一 些有益的尝试，但这些数学规划方法在解决电网规划的实际问题时还存在困难，因 此还有待于进一步完善和发展，只有将这些方法与其他方法相结合才能更好的应用 于实际电网规划实际中。 1 2 6 现代数学方法 启发式方法和传统的数学规划方法的共同特点是以预测结果所确定的未来环 华北电力大学硕士学位论文 境为基础来建立数学优化模型，最终求出最优规划方案。但是，我们在电网规划研 究和实践中还需要考虑各种不确定因素对规划结果的影响。为了克服传统规划方法 的不足，近年来一些现代数学方法也开始逐渐被引入到电网规划的理论研究和实践 应用上。这些方法是通过模拟自然界中一些“优化”现象而研究出的一类比较新的 优化求解算法，适用于求解组合优化问题以及目标函数或某些约束条件不可微的非 线性优化问题。它比较接近于人类的思维方式，易于理解，因此越来越多的应用于 电网规划中。具体的现代数学方法如下： ( 1 ) 模糊规划 电网需要考虑经济性、可靠性、环境等多方面的因素，这就使电网规划优化成 为一个多目标优化问题，而且在电网规划中还存在着负荷以及机组出力等不确定因 素，使电网规划工作更加复杂和模糊。模糊规划采用严密的数学理论处理模糊问题， 较适宜于求解不同量纲、相互冲突的多目标优化和综合评判问题。模糊数学理论在 电网规划中正尝试用于解决多目标优化问题，文献【1 9 】 2 0 将各个目标函数模糊化， 用隶属函数描述各目标函数的实现程度，通过隶属函数将多目标问题统一起来转化 为单目标问题处理，求得使各目标总体实现程度最好的优化解。文献 2 l 】考虑负荷、 投资、电价等相关因素的不确定性，建立相应的模糊优化规划数学模型并求解，证 明这种方法具有较强的鲁棒性。 ( 2 ) 模拟退火算法 模拟退火算法是以马尔科夫链的遍历理论为基础的一种适用于大型组合优化问 题的随机搜索技术，算法的核心在于模拟热力学中固体物质冷却和退火过程，采用 m e t r o p o l i s 接受准则避免落入局部最优解，渐进地收敛于全局最优【23 1 。文献【2 4 】将 模糊退火算法应用到电网规划中，效果比较好。文献【2 5 】将模拟退火算法用于输电 网中长期规划问题的研究，详细介绍了算法实现过程中各种参数的选择方法并给出 了具体算例，优化结果令人满意。 模拟退火的不足是为使每一冷却步的状态分布平滑要花费时间，而且这种算法 属于单点寻优，不能像遗传算法那样获得多个优化解。 通常将模拟退火方法与其他方法结合使用，以发挥各自的优势。文献 2 6 】将模 拟退火算法与遗传算法相结合，克服了传统遗传算法难以解决的不稳定和局部收敛 等问题，计算速度也令人满意，效果良好。 ( 3 ) 遗传算法 遗传算法是目前电网规划中使用比较广泛的一种现代启发式寻优方法。它通过 编码将规划方案转变为一组组染色体并列出一组待选方案作为祖先( 初始可行解) ， 以适应函数的优劣来控制搜索方向，通过遗传、交叉、变异等逐步完成进化，最终 逐步收敛到最优解。同传统算法相比，遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、随机 操作等特点，对数据的要求低，不受搜索空间的限制性约束，不要求连续性、导数 6 。 华北电力大学硕士学位论文 存在、单峰等假设，可以考虑多种目标函数和约束条件；同时，遗传算法也存在计 算速度慢，有时会收敛到局部最优解等不足。文献 2 7 1 提出一种将变电站容量、位 置的选择和输电线路综合考虑、一体优化的方法，用遗传算法来搜索变电站的供电 范围，从而得到传统方法难以找到的优化解。文献 2 8 1 考虑了投资费用最小、系统 可靠性最大、对环境影响最小三个目标，用遗传算法来求解这个多目标规划问题， 证明这种方法是有效的。 文献 2 9 】对这种方法进行了一些改进，提出了一种计及非定量不确定性的扩展 规划方法，能有效地综合不确定性因素对规划方案比较全面客观的评价。此外，考 虑到模拟退火算法可以有效防止陷入局部最优解这一特性，文献 3 0 1 将模拟退火和 遗传算法结合的混合遗传模拟退火算法 4 2 】能够使计算跳出局部收敛而达到全局最 优的目的，取得了不错的效果。 ( 4 ) t a b u 搜索法 t a b u 搜索法是一种高效的启发式搜索技术，其基本思想是通过记录( t a b u 表) 搜 索历史，从中获得知识并利用其指导后续的搜索方向，以避开局部最优解。t a b u 搜 索法的搜索效率高，收敛速度很快，目前已受到规划工作者的重视。文献【3 1 】将t a b u 搜索算法应用于配电网络重构问题，方法非常有效，鲁棒性很好；文献 3 2 1 同时考 虑配电系统扩展的固定费用和与电能损失相关的变化费用的基础上对配电网络规 划问题进行了描述，并用t a b u 搜索法求解建立的数学模型。 但是t a b u 搜索法是一种扩展邻域的单点寻优方法，收敛受到初始解的影响，而 且t a b u 表的深度及期望水平影响搜索的效率和晟终的结果，机理还不甚清楚，从数 学上无法证明其一定能达到最优解，尚需进一步研究。 ( 5 ) 蚁群算法 蚁群算法是一种新型的仿生启发式优化寻优算法，该算法仿照蚂蚁群觅食机理， 构造一定数量的人工蚂蚁，每个人工蚂蚁以路径上的荷尔蒙强度大小( 按照一定的 状态转移准则) 选择前进路径，并在自己选择的行进路径上留下一定数量的荷尔蒙 ( 进行荷尔蒙强度的局部更新) ，当所有蚂蚁均完成一次搜索后，再对荷尔蒙强度 进行一次全局更新。通过反复的迭代，最终大多蚂蚁将沿着相同的路线( 最优路线) 完成搜索。文献1 3 3 1 将蚁群算法用于配电网网架优化规划问题，求解以线路的年综 合费用和过负荷惩罚费用之和最小为目标函数的数学模型，证明该方法具有应用的 可行性和有效性。文献 3 4 1 将该算法应用于单阶段输电网扩展规划中，方法有效。 3 c 献 3 5 将禁忌搜索算法的全局最优与蚁群算法的局部搜索性能相结合用于配电网 规划问题，求解非线性混合整数规划模型，效果又有所提高。应用表明，其算法效 率、寻优能力均强于目前已有的其它现代启发式优化算法【3 “，适宜于求解有约束问 题【3 7 ，有着广阔应用前景。 实践证明这些研究工作都是有意义的，设计上和算法上的少量改善往往就可以 7 华北电力大学硕士学位论文 获得运行使用中巨大的经济效益。 1 3 主要解决的问题及研究思路 本文主要是针对高压配电网的特点，通过引入系统工程思维，使用定性与定量 相结合的综合集成优化方法，对高压配电网规划工作进行分解分层优化规划，重点 研究了变电站的优化问题，并分别建立了相应的优化评价模型。 本文规划的总体思路是在高压配电网主网规划和二次规划等专项规划中，分解 选择主网规划作为研究对象；在主网规划中，分电压等级、分变电站和线路、分阶 段分别进行优化，最终得到可行、较优的电网规划方案。 根据上面确定的总体研究思路，结合电网规划的具体程序，本论文具体的优化 评价程序如图1 i 所示： 由于研究的实际进度情况和论文篇幅限制，本论文主要在电力电量平衡、变电 站布点规划优化及调整、变电站协调规划方面展开，结构规划优化部分和其它部分 未做探讨。 论文主要的研究体系、各章节分布及主要研究内容如下： 第一章主要分析了电网的体系以及高压配电网在电网中的重要作用、电网规划 建设情况、现阶段电网规划建设中存在的主要问题等。重点从优化规划方法方面详 细介绍了各种不同的规划优化方法的原理、优缺点和国内外研究情况，从总体上来 把握各种优化方法； 第二章主要介绍电网规划方面的一些基础知识，总结论述了电网规划的目标、 原则、内容和特点等，以及高压配电网规划的技术原则、高压变电站和电力通道建 设的总体原则；给出了高压配电网规划的基本工作程序，并分析了电网规划中几个 非常重要的技术经济指标；最后探讨了系统理论及系统思维在电网规划中的应用； 第三章利用高压配电网规划中主要的参数一一容载比，在负荷预测的基础上， 建立了电力电量平衡优化模型以及分区平衡与全区平衡的适应准则模型，从而得到 能够在规划目标年使电网平衡的变电站与主变压器数量方案； 第四章利用二阶段变电站选址定容的思想，将变电站布点规划分为优化与调整 两个阶段来考虑。第一阶段是变电站的最优化阶段，建立变电站布点的优化模型， 运用目前比较热门的粒子群算法，求得目标年变电站的最优布点方案。第二阶段是 变电站的布点容量调整阶段，建立变电站优化评价指标体系，通过运用基于理想点 逼近技术的灰色多层次评价方法，通过多层次综合评价调整现实中无法实现的变电 站站址和容量，从而得到满意的变电站规划优化方案； 第五章通过容载比和经济学中的边际理论，建立多电压等级变电站的协调优化 模型以及低电压等级变电站的分配模型，力求做到上下级变电站容量协调、下级变 华北电力大学硕士学位论文 电站分配合理、运行经济等目标： 第六章总结全文并给出结论和建议。 确定规划目标、任务分解 需求预测 电力电量平衡分析 i 同一电压等级变电站的优化规划 l 同一电压等级变电站优化方案调箍 同一电压等级变电站的协调规划 i 高压配电网结构优化 高压配电网二次规划 j 高压配电网规划的评价 i 得到满意规划方案 图1 1高压配电网规划优化的程序 - 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章配电网规划的基础知识 2 1 研究电网规划的目的 配电网既是电力系统的一个重要组成部分，同时又是为地区服务和提供充足电 能的一项重要基础设施。电网建设通常是随着地区建设和发展而逐步发展起来的， 两者是相辅相成的密切关系，它与所在地区的发展密不可分，对地区的发展起到相 当重要的作用。做好配电网规划，就是要促进配电网领先发展，确保电力送得进、 落得下。满足规划期电力负荷及用电量增长的需要，保证经济的发展。 电网规划的耳的【3 。5j 是寻找一个满足目标年用户对负荷的要求，并保证在f 常及 合理事故下正常供电的经济性最好的网络。而电网规划的最终目标是在满足未来负 荷需求的前提下建立安全、可靠、经济的电网。配电系统的安全、可靠、经济地运 行不仅关系到电力公司的经济效益，而且对于提高用户的满意度和树立良好的公司 形象有着重要意义。以往的电网规划一直将经济性作为规划的目标，可靠性指标用 于校验提出的经济性规划方案，因而忽视了供电可靠度的经济价值对用户侧的影 响，无法达到规划方案的经济性和可靠性的协调。 针对不同阶段的电网规划，规划的目标通常是不同的，近期电网规划的主要目 标是加速电网的建设和改造，增强供电能力，降低电网损耗，提高供电可靠性，完 善用户侧负荷监控，以适应国民经济发展和居民生活水平不断提高的需要；而中远 期电网规划的主要目标是将电网建设成电源容量充足、电网设备逐步更新、网络完 善合理、供电质量和自动化程度高、技术经济指标先进、调度灵活、运行安全的现 代化电网。 在配电网规划工作中应该做好电网建设改造和投资的技术经济评价，做到电网 投资适度，在为用户提供数量充足、质量可靠的电能的基础上，提高电力企业的经 济效益和综合社会效益，保证电力企业的可持续发展。 2 2 电网规划的原则 在电力市场条件下，高压配电网规划必须加强对电力市场的研究，提高电力需 求预测的水平，以电力需求为导向，既要考虑电网建设的社会效益也要考虑电网建 设的经济效益。规划所安排的电网建设项目必须有利于电力市场的开拓，有利于电 网的安全稳定运行，有利于供售电量的增长。 高压配电网的规划建设，也要贯彻电力与经济、社会、环境协调发展和适度超 前的方针，加强高压配电网的建设与改造，满足社会经济发展和人民生活水平的提 高，满足用户对供电可靠性和供电质量越来越高的新要求。使近期城市高压配电网 华北电力大学硕士学位论文 的建设，能够兼顾长远目标，更好地发挥送变电工程的效益。 高压配电网规划要充分发挥市场在资源配置中的基础性作用，充分体现行业规 划的宏观性和指导性，坚持电力工业的可持续发展战略，提高能源利用率，加快高 压配电网的技术创新，以确保高压配电网的安全经济运行。 综上所述，电网规划的基本原则是在保证将电力安全可靠地输送到负荷中心的 前提下，使电网的建设和运行费用最小。 在城市高压配电网规划工作中应体现如下四点原则l 】： ( 1 ) 合理利用能源的原则。要认真研究，科学分析能源分布，合理规划和布局 城市高压配电网的骨干网架结构。 ( 2 ) 电网配套发展原则。电力的生产、供应和销售是相对独立但又不可分割的 统一过程，必须同时加大输变电设施、调度通信自动化设施等的规划和建设。 ( 3 ) 提高经济效益的原则。对于新建的输变电工程项目，必须从城市经济建设 的整体利益出发，通过严格的科学计算，经济分析和可行性研究，使电力建设符合 客观经济规律，充分发挥投资效益，同时提高供电企业的经济效益。 ( 4 ) 有利于环境保护的原则。城市高压配电网的规划建设要采用新技术、新设 备，淘汰可能对环境造成严重污染的设备，切实做好环境保护工作。 2 3 电网规划研究的内容和特点 电网规划的主要任务是根据规划期内负荷增长和电源规划方案确定相应的最 佳电网结构，以满足如下经济可靠输送电能的要求i j 圳： ( 1 ) 正常运行要求：在电力系统设备完好的情况下，保证各项运行指标如线 路输送功率、发电机出力、系统电压水平和稳定储备系数等指标在允许范围内，因 此要进行过负荷校验，即所谓的“n 检验”。 ( 2 ) 安全运行要求：在某些设备故障、检修( 如n 。1 或n 2 运行方式) 的情 况下，满足供电可靠性要求。 按规划期的时间长短，电网规划可以分为短期电网规划、中长期电网规划和远 景电网规划三种。 短期电网规划又称为静态电网规划，通常只对未来某一负荷水平的电网接线方 案感兴趣，不要求考虑接线方案的过渡问题，因而也称为水平年规划。短期电网规 划期一般为5 年左右。 规划期在1 0 至2 0 年的规划问题属于中、长期电网规划问题。由于中、长期电 网规划期较长，所以需要将规划期分为多个水平年，并考虑水平年间规划的过渡方 案，又称为动态规划。 远景电网规划通过对未来发展情况的简单分析，给出根据环境参数进行技术规 华北电力大学硕士学位论文 划的一般原则，并作出最后的初步选择。它的规划期一般在3 0 年左右。 通常情况下，三种规划方案相互联系、相互影响。远景电网规划所做出的技术 选择可以通过中、长期电网规划的实际情况进行修正，长期规划( 1 5 2 0 年以上) 侧重于对主网架进行战略性、框架性及结构性的研究和展望，中期规划( 5 - 1 5 年) 侧重于对电网网架进行多方案的比选论证，推荐电网方案和输变电建设项目，提出 合理的电网结构：近期规划( 5 年) 侧重于对近期输变电建设项目的优化和调整。 与此同时，中、长期电网规划又可以指导短期研究，确保短期决策与中、长期电网 发展相一致。 从规划水平年数量上来说，电网规划通常分为单阶段规划和多阶段规划。单阶 段规划是根据规划初期的数据寻求规划末期“目标年”的最佳网络结构；多阶段规 划则需给出各阶段网络发展结构，前一阶段的规划结果对后一阶段有明显的影响， 因此每一扩展方案既要考虑本阶段要求，又要考虑整个规划期的要求，保证各阶段 网络结构协调，这就使得单阶段规划的结果不能简单地用于多阶段规划。 高压配电网的发展不能脱离地区经济发展而单独存在，通常在高压配电网规划 中，要做到以下几点p 圳： ( 1 ) 具备充分的供电能力，能满足各类用电负荷增长的需要。 ( 2 ) 适应网内电源和网外来电发展的需要，并适当超前与主要电源建设。电 源的接入必须按照一定的比例配黄相应的输变电容量。 (