（农业电气化与自动化专业论文）基于gis的配电网无功优化的研究与应用.pdf

摘要地理信息系统( g i s ) 是集计算机科学、地理学、测绘学、信息和管理科学于一体的一项新兴技术。正是由于g i s 系统具有强大的数据分析和空间分析功能，它已经被应用到了配电网管理中，并成为配电自动化的关键技术之一。而且随着电网经济运行问题越来越受到重视，无功优化成为配电自动化应用中迫切需要解决的问题。本文研究内容属横向课题“配电自动化主站系统”的一部分。研究的目标是实现基于地理信息系统的配电网无功优化高级功能模块的开发。本文的主要研究如下：基于国产s u p e r m a po b j e c t s5 开发平台，结合g i s 组件和高级可视化编程语言v i s u a lc 撑开发了配电g i s 系统。实现了传统g i s 的所有基本功能，包括：缩放、鹰眼、管理海量空间数据和属性数据等，同时对s c m 数据实时显示和保存，具有较高的实用性。网络拓扑是进行潮流计算的基础，本文重新规定了节点的形成规则，结合深度优先和广度优先搜索方法形成了新的拓扑分析方法。通过对节点进行必要的合并形成了新的网络拓扑结构。在此基础上采用了适合配电网的高效、实用的前推回代算法进行潮流及网损计算，计算效率高，收敛性能好。建立了综合考虑网损、电压越限及电容器的投资费用为最小的符合实际配电网的无功综合优化数学模型。在基本遗传算法的基础上，提出了一系列的改进策略。使用实数编码方式，减少了计算复杂性，提高了运算效率。采用锦标赛选择方法并保存每代最优个体，克服了轮盘赌选择盲目性的缺点。采用自适应遗传算法，根据具体的进化情况来自适应调整交叉、变异概率，提供相对某个解的最佳的交叉、变异概率，确保了进化稳定，避免陷入局部最优。提出了最优个体最少保留代数与最大进化代数相结合的终止进化准则。通过测试函数的验证，结果表明其优化效果优于基本遗传算法，具有更高的应用价值。详细介绍了改进遗传算法在无功优化应用中的实现过程，开发了配电网无功优化程序模块，将该模块作为高级功能模块实现与g i s 系统的无缝集成，使优化结果更加清晰，具有一定的理论价值和实用价值，在实际配电网中应用效果显著。关键词：配电自动化；地理信息系统；拓扑分析；无功优化；遗传算法r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do n g i sa u t h o r ：w a n gj i a n j i es u p e r v i s o r ：h u ol i m i nm a j o r ：a 鲥c l l l 岫le l e c 埘f i c a f i o na n da u t o m a t i o na b s 仃a c tg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，i san g n vd e v e l o p i n gi n t e g r a t i v et e c h n o l o g yi n c l u d i n gc o m p u t e rs c i e n c e g e o g r a p h y , m a p p m gs c i e n c e ，i n f o r m a t i o na n dm a n a g e m e n ts c i e n c e b e c a u s eo fg 1 sh a v m gs t r o n gc a p a b i l i t yo fd a t aa n a l y s i sa n ds p a c ea n a l y s i s , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h em a n a g e m a l to fe l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m , a n db e c o m co n eo f t h el 【c yt h n o l o g i e so f d i m i b u t i o na u t o m a t i o n w i t ht h ep r o b l e mo fe c o n o m i c a ln m u l n go fp o w e r 鲥db e i n gm o r ea n dm o r ea t t a c h e di m p o r t a n c et o ，t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nh a sb c c 。o l i l c 卸i m p o r t a n tp r o b l e mw h i c ht h ed i s u - i b u t i o n 锄n 哪撕o nh a st om g e n t l yr e s e a r c ha n dr e i v e t h i sp a p e ri sp a r to fw a n s v a r s ep r o j c c t - p o w e rd i s t r i b u t i o na u t t o n l a f i o nm a s t e rs t a l i s y s t e m u l t i m a t er e s e a r c ho b j e c t i v ei st od e v e l o pp a r to fs g - n i o rf u n c t i o nm o d u l e so fd i s t r i b u t i o n 孤n o m a l i s y s t e m - r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nb a s e do ng i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa sf o l l o w s ：b yt a k i n gs u p c r m a po b j e c t s5a sd e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dc o m b m m gg i sc o m p o n e n ta n dt h es e u l o rp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a l 饼。p o w e rd i s t r i b u t i o ng i si sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mo w l i sa l lo ft h eg i sf i m c t i o n , i n c l u d i n g ：s c a l i l l g , h a w ke y e s , m a n a g i n gm a s ss p a c ed a ma n da t t r i b u t i o nd a t a a l s oi tc b eu s e df o rd i s p l a y i n ga n ds a v i n gt h er e a l - l i m ed a t a n e t w o r kt o p o l o g yi sb a s et op o w e rf l o w t h ep a p e rr e d e f i n e st h er u l eo f n o d ef o r m a t i o na n dc o m b i n e sd f sa n db f sf o n nai l c wt o p o l o g ya n a l y s i sa l g o r i t h m t h r o u g hm e r g e ss o m en o d _ a n d n f i r m st h ew o r ks t a t eo f b r e a k e r s ，i ti n a k c st h en e wt o p o l o g y t h i sp a p e rh a sa p p l i e dt h ef o r w a r d b a c k w a r dm e t h o dt op o w e rf l o wc a l c u l a t i o ne m dn e t w o r kl o s sc a l c u l a t i o n t h i sm e t h o dh a sh i g hc a l c u l a t i n ge f f i c i e n c ya n ds l 驴r i n rc o n v e r g e n tp i q ，e 哆t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dw h i c hi sf i tf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t a k i n gt h el e a s t 自m 面o f a c ：t i v ep o w e rl o s s e s ；v o l t a g eb e y o n dl i m i t sa n dc a p a c i t o ri n v e s t m e n tc o s ti n t oc o n s i d e r a t i o n o nt h eb a s so f s i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m s ( s g a ) ，as e r i e so f i m p r o v e m e n t sh a v eb e e np u tf o r w a r d b ya p p l y i n gd e c i m a lc o d i n g t h ec o m p u t i n gt i m ei sr e d u c e d t h et o u r n m n e n ts e l e c t i o na n dp r e s e r v i n gt h eb e s ti n d i v i d u a lh a v eo v c r c o l n et h es h o r t c o m i n go fb l i n d n e s sf o rr o u l e t t ew h e e l t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m s ( i g a ) a d j u s t st h er a t e so fc r o s s o v e ra n dm u t a t i o ni nt h el i g h to ft h es p e c i f i ce v o l u t i o nc i r c u m s t a n c e s t h e yp r o m o t et h es t a b i l i t ya n da v o i dt op a r t m lo p t i m i z a t i o n a l s ot h i sp a p e ra d o p t st h et e r m i n a t i o nc o n d i t i o n st h a tc e n b i n et h el e a s tr e s e r v i n gg e n e r a t i o no f t h eb e s tu n i ta n dt h el a r g e s te v o l v i n gg e n e r a t i o n a tl a s t , t h er e s u l t so fr e a lc a s e sd e m o n s t r a t et h a ti g ai ss i 畔* i l o rt os g 屯i th a sm o v a l u eo fa p p l i c a t i o n b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n di g a , ar e a 嘶v ep o w e ro p t i m i z a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e d t h ep r o g r a mh a sb e e ni n t e g r a t e di n t og i sa s oo fs c i h o rf u n c t i o nm o d u l e s a n dh a sm o r et h e o r i e sv a l u e dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ；g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ；t o p o l o g y a n a l y s i s ；r c t i v e p o w 玎o p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m s独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作并取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦垒些盘堂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谢意。学位论文作者签名：王建盎签字日期：1 哆年f 月严学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解泣a 堡垒些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塑些盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：王建盘签字唿叩年石月f 尹日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：导师签名滢刹时签字日期：。7 年月争日电话：邮编：基于g i s 的配电网无功优化的研究与应用1 1 课题的研究背景及意义l 绪论随着我国电力工业的迅速发展，发电装机容量增长迅速。在2 0 0 5 年全国电力工业快速平稳发展，电力供需形势总体有所缓和的基础上，2 0 0 6 年全国电力工业继续保持快速增长势头，新增电源机组容量创历史最高水平。继2 0 0 5 年全国电力装机突破5 亿千瓦，在不到一年的时间内，全国电力装机再上新台阶，突破了6 亿千瓦。同时首批国产超超临界百万千瓦机组相继投运，标志着我国电力工业技术装备水平和制造能力进入新的发展阶段。截止2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，但是我国的电网建设和发达国家相比仍然有很大差距，网络损耗问题日益突出，因此，我国正在加大电网建设的力度。为扭转中国电网建设滞后经济发展的局面，“十一五”期间，国家电网公司将投资8 0 0 0 亿元进行电网建设和改造。电网建设。十一五”规划给输变电设备行业带来新的发展机遇。据了解，未来5 年，国家电网公司将加快以各省、市为主的电网建设步伐。进一步加大投资规模，加强主网架建设，进行设备改造和更新，从而提高输电能力和主网架的安全水平。按照河北电力公司“十一五”电网发展规划，2 0 0 7 年电网建设计划完成投资6 8 0 8 亿元，比2 0 0 6 年投资计划增长5 2 9 9 ( 2 0 0 6 年计划投资4 4 5 亿元) ，电网建设规模与去年相比有大幅度提高。2 0 0 7 年将完成投产l l o 千伏及以上输变电工程变电容量1 4 2 1 2 万千伏安，线路2 9 0 6 6 公里，与去年相比有大幅度提高。配电网是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节。配电网设备繁杂，用户众多，覆盖面广，地理环境变化多样，并且受用户增容等外界条件以及城市建设等因素的影响，造成管理工作难度大，工作繁重，再加上长期以来的。重发、轻供、不管用”的思想，致使配电网的建设一直比较落后。配电网建设的落后导致电压不稳，网损较大，直接增大了用户经济负担。随着社会经济的快速发展，用电负荷大幅增加，广大用户对供电质量、供电可靠性提出更高的要求，传统的配电网结构、运行、管理等方式已经不适合电网增长的需求，配电网与用户需求日益突出。因此，加强配电网建设，提高配电网管理水平，全面实现配电网自动化迫在眉睫。配网自动化1 1 , 2 】是以新的自动化配电设备为基础，集计算机技术，自动控制技术，数据通信技术，数据库技术及相关电力系统技术于一身的信息管理系统，是电力系统现代化的必然趋势。因此，开发适于城乡配电网的配电自动化系统，是当前电力部门非常重视的一个问题。基于g i s 的配电网无功优化属于配电自动化中的高级功能的重要一部分，无功优化的研究在提高电压质量、降低网损方面起到了重要的作用，具有一定的研究价值。无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全和稳定，并与经济效益直接挂河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文钩。无功不足将导致系统电压降低，用电设备得不到充分的利用，严重时还会引起电压崩溃等事故p 一。例如1 9 8 7 年的东京大停电和2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东北部和加拿大发生的大面积停电事故。这些典型的电压崩溃事故一般都发生在重载负荷、故障或者无功短缺的电力系统中。高峰负荷时无功不足会造成电压崩溃，进而导致系统瓦解，反之无功过剩也会恶化系统电压，危害系统和设备安全，过多的无功备用也会浪费不必要的投资。如果仅以发电机无功出力来平衡无功，将会有大量无功功率在系统中流动，使线路电压降增大、线路损耗增加和供电的经济性下降。因此，能否合理的做到无功优化配置对有效降低网损，保证电压质量、预防事故发生或者事故扩大起到了重要的作用。综上所述，本课题的研究在当前有一定的先进性和实用性。1 2 课题的研究现状1 2 1 国内外基于g i s 的配电自动化研究现状1 2 1 1 国内外配电自动化研究现状国外配电网自动化1 l 3 , 5 开始于2 0 世纪7 0 年代，在一些发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) ，其功能已多达1 4 0 余种。众多的著名电气制造商均开发了各具特色的配电网自动化产品，如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国c o o p e r 公司、摩托罗拉公司、瑞士a b b 公司、日本东芝公司等均推出了各具特色的配网自动化产品。德国有5 6 、韩国有4 5 、日本有5 8 的配电线路实现了自动化。日本从2 0 世纪5 0 年代开始在配电线上采用自动隔离故障区，并向无故障区恢复送电的按时限自动顺序送电装置：2 0 世纪7 0 年代前后研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置；2 0 世纪7 0 年代后半期开始利用计算机构成配电网自动控制系统，其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的迅速发展，配电自动化计算机控制系统及配电线远方监视控制系统在实际应用中得到了很大的发展。全日本9 个电力公司的配电线基本实现了故障后按时限自动顺序送出，有的实现了柱上开关的远方监控。新加坡公用电力局( p u b ) 在2 0 世纪8 0 年代中期投运并在9 0 年代加以发展和完善的大型配电网s c a d a 系统，其规模最初覆盖2 2 0 k v 配电网的1 3 3 0 个配电所，目前己将网络管理功能扩展到6 6 k v 配电网，进而覆盖约4 0 0 0 个配电所。芬兰e s p o os a h k o 电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的8 5 0 0 0 个用户，8 座1 1 0 2 0 k v 的一次变电所，1 】0 0 k m 的2 0 k v 馈电线和1 4 0 0 个2 0 0 4 k v 的配电变电所。目前，国外正致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究，并且在研究通过负荷分配的优化来减少损耗，对变压器负荷进行管理，以最大限度地利用变压器容量并降低系统有功损耗，以及按即时电价对用户负荷进行管理等。2基于g i s 的配电网无功优化的研究与应用与国外相比，我国国内配电自动化起步于2 0 世纪9 0 年代【l 即】，较国外发达国家约滞后2 0 年。9 0 年代以来，主要开展了两方面的工作：建立配电系统的实时监控系统( 相当于电网调度自动化中s c a d a 系统) ，即在配电网调度中心建立主站系统，在各变电站、开闭所设置r t u 、f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 馈线远方终端，通过通信通道联系，从而达到实时监控的功能。实施了各种类型馈线自动化( f a ，f e e d e ra u t o m a t i o n ) ，以缩短短路故障后的停电时间，加快恢复供电，提高供电可靠率。目前，配电自动化系统在我国的应用并不是很多，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。每个省( 网) 公司建成2 3 个县城配电网自动化试点工程”。因此，配网自动化市场是未来最大的亮点，具有广阔的应用前景。1 2 1 2g i s 在配电自动化中的应用现状随着我国经济建设的快速发展，电力用户对提高配电网的供电可靠性、电能质量、工作效率和优质服务方面都提出了更高的要求。供电部门在电网的规划改造、调度管理、运行维护、业扩报装以及故障情况下的快速反应等方面，都对信息技术和信息工具提出了更高的需求。因此，供电企业利用现代化的计算机网络，建设配电自动化g i s 系统，是企业为满足市场经济和电网建设的需要，也是现代化电网建设对电网管理现代化提出的必然要求【u 】。因此，g i s 系统的发展同时影响着配电自动化技术的水平高低。地理信息系统( g i s ) 是六十年代中期开始发展起来的新技术。它最初为解决地理问题而起，至今已成为一门涉及测绘学科，环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。1 9 6 3 年加拿大测量学家r ft o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语，并建成世界上第一个g i s ( 加拿大地理信息系统c g i s ) 用于自然资源的管理和规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件s y m a p 。这可算是g i s 的起步。进入7 0年代以后，由于计算机软硬件水平的提高，促使g 1 s 朝着实用方向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的g i s ，在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作用。例如：从1 9 7 0 年到1 9 7 6 年，美国国家地质调查局就建成5 0 多个信息系统，其他国家如加拿大、德国、瑞典和日本等国相继发展了自己的g i s 。8 0 年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促进了地理信息产业的形成。到1 9 9 5 年，市场上有报价的软件已达上千种，并且涌现出了一些有代表性的g i s 软件。我国g i s 的发展较晚，到目前为止，我国g i s 市场的发展大致可以分为3 个阶段：第一阶段，从上世纪7 0 年代后期到8 0 年代末期，是理论研究和技术探索的阶段。老一代科学家为发展g i s 理论，培养人才，普及和传播g i s 技术，作出了很大的贡献，为中国g i s 市场的起步奠定了基础。第二阶段，从上世纪9 0 年代初期到本世纪初，这是g i s 商业市场开始出现，g i s普及大为提高的阶段。在全国范围内，不少部门、机构和企业建立了专题g i s ，g i s3河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文应用市场初步形成，实现了g i s 从理论研究到实际应用的转变。最近几年进入第三阶段，是中国g i s 市场快速发展的阶段。在这一阶段，用户数量迅速增长，应用领域更为广泛，应用水平不断提高，部门级的、集成化的应用系统开始出现，市场已具有一定的规模。国内g i s 软件产业开始出现。与十几年前相比，国内g i s 应用的广度和深度都发生了很大变化，国家对空间信息服务市场的重视也越来越高，这与人们对g i s 的认同有很大关系。从“九五”开始，国家就将空间信息领域列为重要发展领域之一，“十五”和“十一五”期间更是重中之重。我国g i s 市场在最近几年呈现出以下几个特点：项目应用从过去的零散型、缺乏组织转向统一规划、统一标准、统一组织、统一实施：g i s 应用从个人、部门级应用向企业和社会级应用转变；用户更加成熟，应用更加广泛深入；产业开始从应用市场向服务市场转变；随着应用的不断深入，新的应用亮点也逐渐出现，如城市网格化管理、安全应急、电力g i s 等。随着g i s 软件的逐步完善，g i s 在配电网中的应用越来越多【5 7 】，由于配电系统的管理范围很大，从变电站、馈电线路一直到各个用电用户的电度表无一不在配电系统的管理范围之内，设备数目繁多，类型各异，而且这些设备大多与地理位置有关，管理任务十分繁重。另外，配电系统的正常运行、检修、故障排除、恢复供电、用户报装、电量计费、规划设计等，都要用到详细的设备信息，其中就包括设备的空间信息，因此一个完备的配电管理系统必然要有一个g i s 系统来负责分析、处理设备的空间信息，并将配电网的结构和运行状态显示出来。根据供电公司配电网的具体情况，g i s 系统在统一编码和数据共享的基础上，采用地理信息软件利用计算机将配电线路信息、设备信息、运行信息与地理图形等有机地结合在一起，并与其它相关系统联网，实现信息共享，从整体上提高了供电企业的现代化管理水平。目前，g i s 在电力系统中的应用虽然尚未普及，但是在电力生产和管理上已经发挥了重要作用。各地供电公司积极研究开发建设了一批g i s 应用系统，收到了良好的效果，同时也为电力系统的进一步发展作出了积极贡献。例如：a m f m g i s 应用开发平台c r o w 在技术上超过了大部分国外软件，处于国际领先水平，已成功地应用于武汉三镇近8 0 个用户的电力配网中：安徽省宿迁供电公司于2 0 0 3 年在配电网中引入g i s ，从而使公司的配电管理水平更上了一个新的台阶；大连供电公司配电电力信息系统；长春供电公司用电g i s 综合管理系统；贵阳南区供电局配网电力系统：长治市的新一代配电管理a m f m g i s s c a d a 系统s u p e r f m 2 0 0 0 ；南昌供电局s c a d a a m f m g i s 自动化主站系统等。这些系统的成功应用说明我国的电力g i s的应用空间和应用深度还很大，相信电力g i s 在不久的将来会达到光辉的顶点。1 2 2 国内外配电网无功优化研究现状4无功优化是保证电力系统安全、经济运行的重要手段之一。电力系统无功功率不基于g i s 的配电网无功优化的研究与应用足和分布不合理，将会产生一系列问题：电压水平降低、损耗增大、系统稳定性下降、用户电压质量下降、用电设备不能正常运行，严重时还会造成系统的崩溃。随着电网规模日益扩大，负荷需求不断增长，如何在满足负荷需求的前提下，充分利用系统的无功资源，保证系统的安全、经济运行，一直是国内外电力工作者们致力研究的问题。由于配电网优化不能对发电机的有功出力进行调节，因此在配电网中无功优化的重要性就更加明显。由于无功优化的重要性，研究人员针对无功优化进行了大量的研究，提出了很多行之有效的算法和思想。其中大致可以分为传统优化方法和人工智能方法两大类。传统优化方法 s - l o j 包括线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法等。一方面，现代电力系统日益增大，控制变量日益增多，其解空间是多维的、复杂的，传统方法都容易陷入局部最优解而非全局最优。另一方面，无功优化问题是离散非线性问题，传统优化方法一般要求可微或线性化，而变压器可调分接头、补偿电容器组可投切的组合都是有级的，由于传统方法对离散变量的处理采用了连续化的近似方法，用于含离散变量的无功优化问题就可能有较大误差。非线性规划法能处理非线性的目标函数，但非线性规划还没有一个成熟的算法，现有算法或多或少都存在计算量大、收敛性差、稳定性小等问题。线性规划法的发展是比较成熟的，它速度快、收敛性好、算法稳定，但线性规划法在处理无功优化时需要将目标函数和约束函数线性化，若迭代步长选取不合适，可能会引发震荡或收敛缓慢。由于传统优化方法具有种种局限，为了使无功优化的解更加接近全局最优值，研究人员把基于人工智能的新方法如遗传算澍t m ：2 、模拟退火算法、禁忌算法、神经网络、免疫算法、模糊集理论、粗糙集理论等应用到无功优化的研究中，克服了传统优化方法的缺点，弥补了传统优化方法的不足，取得了很好的效果。( 1 ) 遗传算法一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机、自适应搜索方法。遗传算法采用随机优化技术，通过遗传操作处理离散变量，以较大的概率求得全局最优解，同时可为实际工程问题提供一系列的最优、次优解，以便选择。基于遗传算法的无功优化方法有许多优良特性，能可靠地找到近似全局最优的计算结果。但是基本遗传算法迭代次数多，计算时间长，很难满足实际运行优化的需要。因此出现了改进遗传算法和与其它智能算法结合的混合遗传算法【| 3 , 1 4 】，在无功优化中的应用效果显著。( 2 ) 模拟退火法1 1 5 , 1 6 是一种基于热力学的退火原理建立的随机的启发式搜索方法，适用于处理非线性规划问题，能以较大概率( 理论证明能够以概率l 收敛到全局最优) 求得优化问题的全局晟优解。该算法模拟了金属溶液冷却或退火的过程，即退火过程中能量逐渐减小，而退火结束后，金属的能量最小。文献 1 6 1 1 7 论述了将模拟退火法应用于无功优化中的具体方法。该算法寻优结束时能得到优化问题的最小值，但其参数的选取比较复杂。为了使最终解尽可能接近全局最优，退火过程不能太快，但这又使算法的计算时间过长。5同北农业大学硕士学位( 毕业) 论文( 3 ) a n n 类方法【1 1 扪神经元网络( a n n ) 技术在近几年也被引入到配电网无功优化领域中。由于训练好的a n n 计算速度非常快，所以在配电电容器控制领域应用a n n 技术实现实时控制电容器投切具有很高的效率。实时数据从一级a n n 输入，控制策略从二级a n n 输出。该方法计算效率高，但对于如何产生a n n 样本还值得进一步研究。训练好的a n n 计算速度非常快，但训练a n n 所需的时间很长。对于配电网而言，由于其网络结构复杂多变，这给a n n 的训练造成了极大的困难，因为每改变一次配电网的结构，就要产生一批新的样本，所以a n n 技术在配电网的应用受到了制约。( 4 ) 禁忌算法禁忌算法 1 9 2 0 是近年产生的现代启发式优化算法，其基本思想是利用一种灵活的“记忆”技术，对己经进行的优化过程进行记录和选择，指导下一步搜索方向。为避免落入局部最优，当达到局部最优解时，禁忌算法将搜索方向后退到目标退化最小的一个方向上，以此作为新的初始方向。其三个基本要素：移动、t a b u 表、期望水平。在配电网无功优化过程中，t a b u 搜索法得到很广泛的应用。禁忌算法寻优速度较快，但此法是一种扩展l 临域的单点寻优方法，收敛受到初使解的影响，而且t a b u 表的深度和期望水平将影响搜索的效率和最终结果。( 5 ) 模糊集理论i “传统方法在处理配电网无功优化时，一般用不断摸索的方式，不能处理许多软约束问题。而模糊优化法是通过引入模糊集理论，使一些不确定的问题得到解决。考虑模糊逻辑的优越性，通过求解约束条件和目标函数的模糊集合的交集，得出有功损耗最小的经济运行状态。将模糊优化法用于配电网的并联电容器组投切，实现电压控制和无功优化，符合配电网经济运行的实情。提出一个模糊推理的无功电压控制专家系统，它能有效控制配电系统的电压偏移。将模糊优化算法与动态规划法相结合，实现配电站电容器优化投切和变压器分接头调节。用模糊集理论优化无功控制，以达到网损最小和提高电压水平。模糊优化法所需的信息量少，智能性强，迭代次数也少，所以计算速度较快于非模糊控制，并能很好地反映电压的变化情况，容易在线实现。然而模糊优化法只对一些不确定性问题分析有效，对于精确的概念会使问题复杂化。( 6 ) 专家系统法专家系统法模拟规划人员的经验进行决策，可看作为启发式方法的发展。它是以一种计算机可实现的方式，收集专家在电力系统领域的知识，利用这些知识提供与专家水平相当的决策支持。其主要优点是与运行人员的知识相结合后的功能将大大加强。开发的专家系统在系统正常运行时有无功优化功能。利用稳态网络等值和专家系统成功地完成大规模配电网的电压控制和无功优化，但这是基于灵敏度分析的专家系统的方法，并采用梯度定向，很容易由于初始点的选取不当而陷入局部极值区。通过对各种优化方法的比较，遗传算法在解决多变量、非线性、不连续、多约束的问题时显示出其独特的优越性，这使得它在无功优化领域中的应用日益为人们所重6基于g i s 的配电网无功优化的研究与应用视，并且人们对遗传算法不断的改进使其优越性得以更充分的发挥，更加适用于实际工程的研究。1 3 本文所做的主要工作本论文主要包括几方面的内容：首先开发基于g i s 的配电自动化主站系统，在该主站系统中应用v i s u a lc 群高级语言编写程序，对配电网进行潮流分析，计算网络各支路功率、功率损耗和节点电压；然后进行灵敏度计算，确定无功补偿节点；建立无功优化数学模型并采用改进遗传算法进行求解。其具体工作如下：( 1 ) 加深对国内外配电g i s 系统的了解，采用国产组件开发配电g i s 系统并实现在实际的配电网中的应用，从整体上提高配电网的自动化水平。( 2 ) 选用具有高度通用性的数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 。该数据库结构具有完整性和安全性的特点，并且可以根据实际的变化轻松的添加或者删除某种设备，具有较高的实用性。( 3 ) 在对实际g i s 数据库中线路进行拓扑分析时，通过改进传统的拓扑分析方法，建立一种更适合高级功能开发的新拓扑结构，在该基础上进行基于前推回代算法的潮流及网损计算的设计开发。( 4 ) 针对实际配电网，利用灵敏度原理确定无功优化的补偿节点，采用改进遗传算法进行基于g i s 的配电网无功优化程序的设计开发，使用测试函数对改进遗传算法的合理性和优越性进行验证，并用某实际配电网验证无功优化方案的可行性和结果的正确性。7河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文2g i s 系统在配电网中的应用研究2 1g i s 的概念地理信息系统p 盈1 ( g i s ) 是融合地理学、几何学、计算机科学及各类应用对象为一体的综合性高新技术，是利用现代计算机图形和数据库技术来获取、管理、处理、分析、建模、显示地理图形及其属性的计算机系统，对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对属性数据有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通过把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合起来，并根据用户的需要对这些信息进行分析，将分析结果作为决策的参考依据，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果，提高了用户在管理决策方面的科学化和合理化。g i s 是一门多学科综合的边缘学科，其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化以及空间分析。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，以地理空间数据库为基础，采集、存储和管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据，为相关应用领域研究( 如城市交通、电力g i s 等) 服务的空间信息系统。2 2 配电网g i s 系统的开发方式配电网g i s 系统的开发方式主要有三种【2 习：1 独立开发独立开发是指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如v i s u a lc + + ，d e l 【p h i ，v i s u a lb a s i c 等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少开发成本，但对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化g i s工具软件相比，而且开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价可能更大。2 单纯二次开发单纯二次开发是指完全借助g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s r i 的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司研制的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原有g i s 工具软件为开发平台，开发自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只能算是二流，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。3 集成二次开发8基于g i s 的配电网无功优化的研究与应用集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如a r c v i e w , m a p l n f o 等，实现g i s的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如v e l p h i ，v i s u a lc + + v i s u a lb a s i c p o w e rb u i l d e r 等为开发平台，进行二者的集成开发。集成二次开发又可分为两种方式：( 1 ) o l e d d e采用0 l ea u t o m a t i o n 技术或d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中地理信息处理功能。( 2 ) g i s 组件利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在o c x ( 0 l ec u s t o mc o n 血 o l s ，o l e 自定义控件) 技术基础上的g i s 功能组件，如e s r i 的m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 公司的m a p x ，s u p e r m a p 公司的s u p e r m a p o b j e c t s5 等，在v i s u a l c 群、v i s u a l c + + 、c + + b u i l d e r等编程语言编写的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的功能。由于独立开发配电网g i s 系统难度大，单纯二次开发又受g i s 编程语言的限制，因此，结合g i s 工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为g i s 应用开发的主流。它的优点是既可充分利用g i s 工具软件对空间数据的管理、分析功能，又可利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，使开发的应用型g i s 具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。尤其是使用o c x 技术，利用g i s 组件进行集成开发，不仅可以减少编程工作量，避开某些应用的具体编程，缩短程序开发周期，而且使编程过程简洁、灵活，用户界面友好。同时，与利用o l e a u t o m a t i o n 技术或d d e 技术相比，利用组件开发速度快，占用资源少，还更容易实现许多底层的编程和开发功能。因此，利用g i s组件进行集成二次开发是构建配电网g i s 系统的最佳选择，本文采用这种开发方式。2 3 组件式g i s 的特点随着面向对象、组件技术、分布式计算技术以及网络技术的发展，g i s 软件的体系结构出现了极大的变化，出现了许多开发g i s 的新技术，如组件技术、中间件技术和分布对象技术等。组件是建立在面向对象开发之上的，它为用户提供多个接口，接口封装了组件提供的服务，隐藏了实现细节的可见性。由于组件表示一个或多个较细粒度类的逻辑集合，封装了一系列的服务，因此组件提供了更高级别的重用性。用户可以使用通用的程序开发语言，通过接口调用g i s 组件中相应的空间操作功能，从而大大提高了应用系统的开发效率。同传统g i s 比较，组件式g i s 具有易于实现与其它信息系统的无缝集成，跨语言使用、易于推广、成本低、扩展性强、开发效率高等特点。因此组件式g i s 是当前g i s 系统软件开发的主流技术。目前存在着多种组件技术标准，其中o m g 的c o r b a ，m i c r o s o f t 的c o m d c o m 和j a v a 的b e a n s 是被9河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文广泛采用的标准。目前商用的组件式g i s 产品主要基于m i c r o s o f t 的c o m d c o m ，包括i n t e r g r a p h 的g e o m e d i a ，e s r i 的m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 的m a p x ，s u p c * m a p 的s u p e r m a po b j e c t s5 等，这些产品已经在多个领域得到了成功应用【2 4 1 。2 4 基于g i s 的配电自动化主站系统开发2 4 1 配电网g i s 开发平台的选择配电网的g i s 系统应用与地理学上的g i s 系统应用有很大的不同，因此，应充分考虑配电网本身的特点来选择和使用g i s 系统平台。选择配电网g i s 系统开发平台应满足如下要点瞄j 。( 1 ) 容错能力。配电网是一个实时运行的系统，系统的稳定性和可靠性是建设系统首要考虑的问题。这要求g i s 系统平台应具有强大容错能力，即对系统的稳定性、强壮性要求非常高。( 2 ) 数