（农业机械化工程专业论文）遗传算法在配电网优化规划中的应用研究.pdf

摘要 随着经济的快速发展，电力需求增长迅速，原有配电网在发展中暴露出很多问题， 这些问题主要表现为设备陈旧、网架结构薄弱、网络供电能力不足、供电质量差、供 电可靠性低、运行和维护费用高等，全国普遍出现配电网不能满足社会发展需求的情 况，配电网急需建设和改造。因此有必要开展配电网优化规划的研究。 本文首先分析了我国配电网的现状，阐述了配电网网架优化规划以及配电网开关 优化规划的主要内容及其数学模型，两模型可以有效地将配电网优化规划的可靠性与 经济性结合起来，能够协调供电方与用户方的利益，适用于电力市场环境下的配电网 优化规划。 然后，本文系统地论述了遗传算法理论，针对遗传算法的“早熟收敛”、局部搜 索不足、编码不规范，不能把问题的约束条件表示出来等缺陷，介绍了主要改进措施， 重点论述了单亲遗传算法，并且对单亲遗传算法的选择算子、基因重组算子、基因突 变算子以及收敛准则做了进一步改进。改进措旌如下： 1 采用最优保留策略与两两竞争相结合的选择方法。有效避免了轮盘赌选择在 个体适应值差异很大时容易引起的“准早熟收敛”和“超级数字串”问题，避免了适 应值很接近时容易出现盲目搜索的封闭竞争问题。 2 采用随最优个体相对保留代数双曲线增加的基因重组率和随最优个体相对 保留代数指数函数增加的基因突变率。避免了重组率和突变率为常数时，取值过大， 会破坏群体中的优良模式，对进化运算产生不利影响；取值过小，产生新个体的速度 又较慢，难以达到最优解的问题。 3 采用最优个体最少保留代数作为收敛准则。这种判据充分利用了单亲遗传算 法在进化过程中的知识积累，比常规最大单亲遗传代数判据更为合理。 最后，详细介绍了改进单亲遗传算法在配电网网架优化规划应用的实现过程，使 用v i s u a lc + + 开发平台完成了配电网优化规划程序的编制，并分别采用遗传算法、单 亲遗传算法以及改进单亲遗传算法对算例进行了计算，计算结果表明改进单亲遗传算 法在计算效率以及全局收敛方面均优于遗传算法和单亲遗传算法。本文进一步将改进 单亲遗传算法应用在配电网开关优化规划中，并进行了实例计算。 通过研究表明改进的单亲遗传算法在配电网优化规划中的应用是有效的、可行 的。 关键词：配电网优化规划；遗传算法；单亲遗传算法；可靠性 r e s e a r c ho ng e n e t i ca l g o r i t h ma p p l i c a t i o ni n d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g a u t h o r ：c h e nj u n h o n g s u p e r v i s o r ：h u a n gl i h u a m a j o r ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t h t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y e l e c t r i cp o w e rd e m a n di n c r e a s e sq u i c k l y , a n di nt h ep r o c e s sm a n yp r o b l e m so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r ee x p o s e d ，s u c ha so b s o l e t e e q u i p m e n t ，w e a kn e t w o r ks t r u c t u r e ，i n a d e q u a t ep o w e rs u p p l yo fn e t w o r kc a p a c i t y , p o o r q u a l i t ya n dl o wr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y , h i 曲c o s t so fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ， n a t i o n a lw i d e s p r e a dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sc a r ln o tm e e tt h en e e d so fs o c i a ld e v e l o p m e n t ， a n du r g e n t l yn e e dt oc o n s t r u c ta n dr e b u i l d t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oe a r l yo u tr e s e a r c h o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a f i o no fc h i n a sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， a n de x p o u n d sm a t h e m a t i c sm o d e l so fd i s t r i b u t i o nn e t w o ks t r u c t u r eo p t i m a lp l a n n i n ga n d s w i t h c ho p t i m a lp l a n n i n gt h a tc a ne f f i c i e n t l yi n c o r p o r a t et h ee c o n o m ya n dr e l i a b i l i t yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g ，a n dc o l l a b o r a t e t h et h eb e n e f i to fp o w e rs u p p l y c o m p a n ya n dc u s t o m e r , i ti sf i tf o rd i s t r i b u d o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n gi ne l e c t r i cp o w e r m a r k e t s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h et h e o r yo fg e n e t i ca l g o r i t h m a n di n t r o d u c e st h em a i nm o d i f i e dm e a s u r e st o w a r d st h eg e n e t i ca l g o r i t h m sd e f e c t so f p r e m a t u r ec o n v e r g e n c e ，l o wa b i l i t yo fl o c a ls e a r c h i n g ，n on o r m si ne n c o d i n ga n df a i l i n gt o e x p r e s sc o n s t r a i n t c o n d i t i o n so f p r o b l e m s ，e s p e c i a l yd i s c u s s e s t h ep a r t h e n o - g e n e t i c a l g o r i t h ma n di m p r o v e si t ss e l e c t i o no p e r a t o r , g e n er e o r g a n i z a t i o no p e r a t o r , g e n em u t a t i o n o p e r a t o ra n dc o n v e r g e n c er u l e f o l l o w i n ga r et h es p e c i f i ci m p r o v e m e n t s ： 1 a d o p t i n gt h es e l e c t i o nw a y so ft h eb e s ts a v es t r a t e g ya n dt w ot w oc o m p e t i t i o nc a n a v o i dp r e m a t u r ec o n v e r g e n c ea n ds u p e rn u m e r a ls t r i n ge a s i l yc a u s e db yw h e e ld i s k g a m b l i n go p t i o nw h e nt h ed i f f e r e n c eo fi n d i v i d u a lf i t n e s si sv e r yl a r g e ，a n dc l o s e d c o m p e t i t i o np r o b l e me a s i l yc a u s e db yb l i n ds e a r c h i n gw h e nf i t n e s si sv e r yn e a r 2 a d o p t i n gt h eh y p e r b o l i cc u r v er e o r g a n i z a t i o np r o b a b i l i t ya n de x p o n e n tm u t m i o n p r o b a b i l i t yi n c r e a s i n gw i t ht h er e l a t i v em a i n t e n a n c eg e n e r a t i o no ft h eb e s ti n d i v i d u a lc a n a v o i dd e s t r o yt h eb e t t e rs c h e m a e si np o p u l a t i o nt h a th a v ea d v e r s ee f f e c to ne v o l u t i o n a r y c a l c u l a t i o nw h e nt h ep r o b a b i l i t yi st o ol a r g e ，a n dt h el o w e rs p e e do fg e n e r a t i n gn e w i n d i v i d u a lt h a tm a k e sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h eb e s ts o l u t i o nw h e nt h ep r o b a b i l i t yi st o o s m a l l 3 a d o p t i n gt h es m a l l e s tm a i n t e n a n c eg e n e r a t i o no ft h eb e s t i n d i v i d u a la sr u l e c o n v e r g e n c ec a nm a k et h em o s to ft h ek n o w l e d g ea c c u m u l a t i o no fp a r t h e n o g e n e t i c a l g o r i t h mi nt h eg e n e r a t i o np r o c e s s ；t h i sr u l ei sm o r er e a s o n a b l et h a nt h et r a d i t i o n a ll a r g e s t p a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h mr u l ec o n v e r g e n c e f i n a l l y , t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o n p r o c e s s o f m o d i f i e d p a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h ma p p l i c a f i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t r u c t u r eo p t i m a lp l a n n i n g ， d e s i g n sp r o g r a mu s i n gv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dc a l c u l a t e st h ee x a m p l e s u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r t h e n o - g e n e t i ca l g o r i t h ma n dm o d i f i e dp a r t h e n o g e n e t i c a l g o r i t h m ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d i f i e dp a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h mi ss u p e r i o r t h a ng e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t h e n o - g e n e t i ca l g o r i t h r ni nc a l c u l a t ee f f i c i e n c ya n dg l o b a l c o n v e r g e n c e f u r t h e r m o r e ，t h em o d i f i e dp a r t h e n o g e n e t i ca l g o r i t h mi s a p p l i e di n d i s t r i b u t i o n n e t w o r ks w i t c ho p t i m a lp l a n n i n ga n dt h ee x a m p l ei sc a l c u l a t e d t h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h em o d i f l e dp a r t h e n o - g e n e t i ca l g o r i t h mi se f f i c i e n c y a n df e a s i b l ea p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m a lp l a n n i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lp l a n n i n g ：g e n e t i ca l g o r i t h m ；p a r t h e n o - g e n e t i ca l g o r i t h m ；r e l i a b i l i v y 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及取得的研究 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! 堡盛些走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：两、1 炎组 签字日期：砌b 年b 月j b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑韭壅些盘堂有关保留、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。本人授权塑些盎些盘鲎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：奇、1 处珏导师签名，旁 为算 签字日期；加占年b 月i b 日 签字日期：& 朋年占月侈日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 1 1 课题提出的背景及意义 1 1 1 课题提出的背景 1 引言 近些年，随着我国经济的高速发展，城市发展迅速，用电负荷需求量大而且有时 集中，特别是随着产业结构的调整，第三产业用电负荷、人民生活用电增长很快i i j ， 对供电能力、供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。而基于历史的原因，过去我 国对发电和输电环节投入较大，对配电系统的建设则相对滞后，致使配电网发展水平 较低，设备陈旧，网架结构薄弱，网络供电能力不足，供电质量差，供电可靠性低， 运行和维护费用高。在这种形势下，全国普遍出现配电网不能满足需求的情况，几乎 所有大中城市夏季负荷高峰年年增长，原有的配电网网络结构正经受着严峻的考验。 这迫使电力部门不得不寻求提高配电系统供电可靠性的有效途径【2 j 。于是国家电网公 司于2 0 0 3 年6 月发出关于开展电网中长期规划工作的通知，通知要求加强电网规 划，以缓解我国电网网架薄弱，电力供需紧张的局面。 在我国电力需求快速增长、配电网急需建设和改造的同时，随着我国社会主义市 场经济的不断深入和发展，我国正在进行电力行业“十一五”规划和2 0 2 0 年远景目 标前期研究。在电力工业引入市场机制，将整个电力生产经营的发电、输电、配电、 售电环节纳入到市场经济体系之中，通过构建竞争性电力市场，实现电力资源的优化 配置，已成为我国电力工业改革与发展的必然。因此在当今开展配电网优化规划的研 究势在必行。 1 1 2 课题提出的意义 配电网是现代电力系统中的重要组成部分之一，其任务是把从电源或输电网获得 的电能直接分配给不同电压等级的用户。我国配电网大多采用放射状的网状结构，对 单故障比较敏感；而且配电网是电力系统中直接针对用户的环节，整个电力系统对用 户的供电能力和质量都必须通过配电网来体现，导致配电网对用户供电质量和供电可 靠性的影响也最为直接。据统计，大约有9 0 以上的用户停电是由配电网引起的 3 1 。 因此配电网在电力系统中占有非常重要的地位，是整个电力系统结构及运行特性的集 中反映。对配电网优化规划问题进行研究，大幅度地提高供电质量和可靠性，对提高 电力公司的经济效益与竞争力、降低电网电能损耗、节约能源具有重大的现实意义。 配电网与输电网比较，配电网电压等级低、供电范围小，但与它直接相连的用户 数量庞大，用电性质干差万别，这使配电网优化规划与其他规划( 如电源规划) 相比， 优化的模型和算法还远不够成熟，亟待进一步研究。 河北农业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 一般根据配电网优化内容的不同，配电网优化规划模型可分为以下几种情况： ( 1 ) 变电站和馈线系统是分开来考虑还是同时考虑： ( 2 ) 负荷是静态的还是动态的； ( 3 ) 是否考虑电压约束和设备的容量约束； ( 4 ) 是否考虑费用和运行约束的非线性； ( 5 ) 是否考虑连通性、辐射状运行约束等。 近年来，国外许多学者对于如何衡量可靠性的价值进行了深入研究 4 - 8 1 ，并且开 始在配电网优化规划中考虑可靠性因素 9 - t 3 1 。而国内对这领域的研究很少，应用也 处于起步阶段。一般以最少的系统投资来满足某负荷水平的预定可靠度，把可靠性分 析作为后校验计算，可靠性指标是一确定性指标。这种规划方法忽略了供电可靠性的 经济价值及其对用户侧的影响，无法达到规划方案经济性和可靠性的协调。 另外，配电网本身拥有大量线路和负荷，其分布范围广，考虑的因素多。要寻求 使目标最优的配电网结构，同时又要满足各种约束，计算相当复杂。传统的配电网优 化规划方法以方案比较为基础，通过对几种给定的可行性方案进行技术经济比较来选 择最终方案。一般情况下，参与比较的方案是由规划人员根据经验提出的，并不一定 包括客观上的最优方案。因此，最终选择的方案往往包含相当多的主观因素。 近年来，计算机技术的发展以及优化理论的应用，一方面使得规划方案的技术经 济评价更加精确全面，另一方面也大大减轻了规划人员的繁琐工作，加快了规划工作 的进程。目前优化算法应用于配电网优化规划需要解决的难点问题主要有： ( 1 ) 如何在备选方案众多的配电网中搜索一种晟优结构，使其目标函数最小，且 灵活性强，即全局搜索策略问题。 ( 2 ) 如何保证在冗余网络上生成的最优配电网满足线路辐射性，即辐射性问题。 ( 3 ) 如何计及非线性特点，即非线性问题。 ( 4 ) 如何在数据模糊的基础上进行优化，即模糊性问题。 ( 5 ) 如何在优化过程中处理更多的约束条件。 另外，优化算法本身需要解决的难点有： ( 1 ) 如何协调优化算法本身的全局优化特性与搜索效率之间的矛盾。 ( 2 ) 如何将算法与配电网优化规划的专有知识相融合，使之成为配电网优化规划 专用算法。 目前，国内外学者提出了多种规划方法。经典的解决配电网优化规划的方法是数 学优化方法 1 4 - 1 6 1 ，该方法主要有线性规划、整数规划、非线性规划及动态规划等。 线性规划方法是最优化技术中发展最成熟的领域，同时也是应用最广泛的优化方 法。线性规划法具有计算简单、求解速度快等优点。但由于是基于灵敏度分析，用连 续变量确定离散整数变量，带来较大的误差。 鎏篮竺鲨垄墼皇塑垡! 兰塑型士塑鏖旦婴窒 整数规划的误差也较大。后来有人对该方法进行了较大的改进，但是，当待选线 路较多时，仍存在计算时间过长的问题。 模糊规划采用严密的数学理论处理模糊性问题，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。配电网扩展规划需要考虑经济性、可靠性、环境等 因素，使其成为多目标优化问题，而且配电网规划中存在着负荷等不确定因素。因此 模糊规划在配电网扩展规划中受到重视。 动态规划的主要思想是将一个问题转化为几个予问题分阶段考虑。通过提出每个 阶段的若干可行网络结构，然后利用各种动态方法求解，因此无法保证解的最优性。 因为电网动态规划是一个组合优化问题，大规模系统的变量组合多，易出现“维数灾 难”、计算时间长和收敛性等问题。 在传统优化方法的基础上，国内外学者发展了多种解决配电网优化问题的现代优 化算法。主要包括分支定界法【1 7 】、支路交换算法【1 州9 】、禁忌算法 2 0 “】、模拟退火算 法 2 5 2 6 1 、贪婪算法2 7 1 等。 分支定界法是通过间接地列举或检验整数规划问题的所有可行解来求解问题。分 支定界中的分支实质上是对问题可行解集的划分或分解，由此将原问题的求解转换为 另外多个子问题的求解。该方法实际上是利用了“分而治之”的思想，即若直接在原 问题解域s 上求解原问题太困难，则可以通过在一些较小的集合上寻求最优，然后将 所得结果集中起来以求解原问题。传统的分支定界法是一种精确求解方法，其求解实 际上是个枚举的过程，只适用于求解小规模问题。当问题规模比较大时，尽管算法能 通过定界来缩小求解空间，但此方法仍很难奏效。 支路交换算法对辐射结构配电网重复进行支路交换，直到目标函数值最好为止， 用这种方法只能达到局部最优解，未能较好的满足问题的全局最优的要求。 禁忌算法是一种单线随机搜索算法，在具体设计禁忌算法时，需要针对实际问题， 对一些参数和规则进行恰当设计。如禁忌表的长度、评价函数的构成、特赦规则及中 止规则等等。像其他智能算法一样，在算法设计中要充分利用问题的特点，在计算时 间和问题最优解之间进行权衡，往往和其他算法联合使用。 模拟退火算法利用概率突跳性在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，和禁 忌算法一样，往往也是和其他算法相结合。虽然模拟退火算法克服了局部搜索法局部 最优的缺点，但它也同样面临解的表示和邻域结构设计问题，这要针对具体问题特点 进行设计，好的设计方法能使算法只在可行解域内进行搜索，否则，会扩大搜索空间， 增加搜索时间。 贪婪算法也是一种基本的启发式算法。该算法基于当前所得信息，在每一步所选 取的决策总是试图使当前的解得到最大的改进，或使相应的目标函数尽可能地增大或 减小。这类算法每次迭代仅考虑当前的解局部达到最优，并不能保证使其从全局或长 远来看亦可最优，故贪婪算法有时也称为近视算法。 另外，专家系统【2 2 9 是6 0 年代中期出现的新兴课题，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，有利于提高配 电网规划的合理性，简化数学计算。电力系统规模一般很大，有的网络具有上千个节 河北农业大学硕士学位论文 点和线路，如果再考虑多阶段和其它相关因素，规划本身成为一个规模巨大的优化问 题，单靠简单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【3 0 】。近年来，国外已经尝试将专家系统用于生产实践 中，如瑞典m a l m o 地区已经将专家系统用于13 0 k v 和5 0 k v 输配电系统的发展规划 口1 l 。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，它在配电网规划中的 应用还处于初期，正有待于进一步深入研究。 意大利科学家d o r i g o 研究总结出种新型的仿生启发式优化寻优算法蚁群 算法【 2 3 3 1 , 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 数蚂蚁将沿着相同的路线( 最优路线) 完成搜索。应用表明，其计算效率、寻优能力 均强于目前已有的其它现代启发式优化算法，适宜于求解有约束问题，有着广阔应用 前景 3 4 - 3 9 】。 当前在各领域应用较多的优化算法是采用“优胜劣汰”进化机制的遗传算法，该 算法应用在配电网优化规划中已取得很多研究成果 4 0 - 4 5 】。另外与遗传算法相结合的混 合遗传算法的研究工作也在不断进行。主要有采用改进的混合模拟退火遗传算法进 行电网规划1 4 6 5 叫，用于克服遗传算法的不稳定和局部收敛问题；将基因、禁忌算法与 遗传算法相结合应用于配电网优化规划中【5 1 - 5 4 1 ，把禁忌作为基因的变异算子来提高遗 传算法的全局寻优能力等；另外，在遗传算法的基础上发展起来的单亲遗传算法【5 5 - 6 0 ， 由于采用基于整数编码策略，消除了遗传算法中对网络可行性破坏严重的双亲杂交算 子的作用。单亲遗传算法以其遗传操作简单的优势，在配电网规划中的应用已越来越 受到人们的关注。本文在后面的章节中对遗传算法及在此基础上发展起来的单亲遗传 算法进行了详细的论述。 总之，目前国内外学者提出的配电网优化规划的模型和优化算法各有特点，当然 在应用中也存在一定的局限性，具体采用何种模型、何种算法以及如何在原有研究基 础上，更新模型、更新算法，需要我们做进一步研究工作。 1 3 本文主要研究工作 本文的研究工作得到了河北省教育厅的基金资助，项目名称：基于电力市场环境 的配电网络优化规划的研究，项目编号：2 0 0 5 3 2 8 。本文对该项目主要进行了如下研 究工作： 1 分析研究配电网及其发展现状、介绍配电网规划的概况、特点；阐述配电网 网架优化规划模型与配电网开关优化规划模型。 2 介绍遗传算法的形成与发展、基本原理、基本理论以及遗传操作。 4 遗传算法在配电网优化规划中的应用研究 3 分析研究遗传算法存在的缺陷，针对遗传算法存在的局部搜索不足以及“早 熟收敛”等缺陷，介绍了多种改进措施，重点阐述了单亲遗传算法，并且对单亲遗传 的基因重组算子、基因突变算子、选择算子以及收敛准则进行改进，得到改进的单亲 遗传算法。 4 阐述了改进单亲遗传算法在配电网网架以及配电网开关优化规划中的应用。 5 总结本文成果，分析研究中存在的不足，展望配电网优化规划的进一步研究 工作。 河北农业大学硕士学位论文 2 1 配电网及其发展现状 2 配电网规划概述 通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为 配电网( d i s t r i b u t i o n n e t w o r k ) 。它由架空线路或电缆配电线路、配电所或柱上降压变 压器直接接入用户所构成。配电网按电压等级来分类，可分为高压配电网 ( 3 5 1 1 0 k v ) 、中压配电网( 6 1 0 k v ) ，低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能 来分类，可分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网等【6 ”。 从体系结构上，配电网可分为辐射状、树状网和环状网，且具有环状结构、开环 运行的特点。配电网的特点一般有：深入城市中心和居民密集点；传输功率和距离一 般不大；供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万别，各不相同；我国配 电网还有一个显著特征，就是中性点不接地，在发生单相接地时，仍允许供电一段时 间。 目前，全国各主要电网，超高压5 0 0 k v 和3 3 0 k v 网架已逐步形成。我国电力工 业的发展已经从大机组、高参数、大电网的阶段，开始进入大区互联、形成全国统一 联合电网的新阶段。但同时我国配电网在发展中也暴露出了很多问题【“6 2 , 6 3 】，主要表 现为： 1 高压网架脆弱、中低压配电网容量不足 近年来第三产业迅速发展，人民生活水平的提高，现代化家用电器大量进入家庭， 使原来就滞后电源建设的城市电网不适应用电负荷增长迅猛的要求。城网建设近年虽 然有很大发展，仍然存在不少问题。如有的大城市城网电源不足，电源可靠度不够， 高压网架脆弱，没有构成超高压双环网，一个方向电源线路停电会造成城市地区较大 范围停电。有的大城市负荷密度高，输电线路短，短路容量高，以致分母线运行，或 者高低压电磁环网运行。有部分省会及中等城市城网仍以2 2 0k v 变电站辐射供电， 或者一般以1 1 0k v 单回线和单环结构为主网架，达不到“n 1 ”标准；城区1 1 0k v 变电站临时过渡t 接较多，从单一2 2 0 k v 变电站受电，形式上两路供电的用户常常 是单一电源，重要用户的l o k v 外电源多来自同一个1 1 0 k v 变电站的不同1 0 k v 母线， 一旦上级变电站或线路发生故障，会造成全部停电。中低压配电网能力不足，大城市 内2 2 0 k v 和1 1 0 k v 变电站较少，交电容载比偏低，一般在1 5 4 1 6 7 ，而城市电力 网络设计导则要求2 2 0 k v 电网变电容载比1 6 1 9 ，1 l o k v 电网变电容载比1 8 2 1 。 配电网主干线导线截面偏小，每年度夏迎峰期，各地配电网主设备严重过载，不得不 采取高峰限负荷或者拉闸限电措施。严重制约了城乡经济的发展。 2 供电可靠性差 一般配电网设备陈旧，老化，小截面架空裸线、高耗能或薄绝缘变压器、老式柱 遗传算法在配电网优化规划中的应用研究 上油开关、窄型小车开关、裂化老化水泥杆大量存在。因电网网架脆弱，加上配电网 设备陈旧，使得供电质量差，故障发生频繁。配电网自动化程度低，虽然近些年来也 引进和开发了一些新的技术，同国外相比差距仍很大，切除故障时间慢，恢复供电时 间长，供电可靠性不高。2 0 0 0 年对我国2 8 6 座城市统计，中压配电网的平均供电可 靠性为9 9 8 8 7 ，而目前国际上发达国家供电可靠率在9 9 9 9 以上，平均每年每户 停电仅十几分钟 j 。 3 线损率高，电压质量较差 我国配电网普遍存在线损较高的问题。目前，西方主要国家的线损率大致在5 一8 ，我国的线损率为9 左右，农村电网的线损率高达2 0 以上。全国城市1 1 0k v 及以下配电网线损电量约占总线损电量的6 0 ，全国还有近2 0 0 0 万k v a 高耗能变压 器在运行。 一批城网电压质量仍然较低，综合电压合格率不足9 3 ，少数城网1 0 k v 母线电 压合格率停留在8 6 - 9 0 ，普遍存在白天电压低，后夜电压偏高的问题。主要原因 是许多负荷增长过快、城网无功补偿不足、调节手段落后、供电线路过长而导线截面 小及配电变压器布点不合理t 同时由于谐波污染日趋严重，也影响了电压波形。 4 城建规划考虑城网发展不够，市区电力线走廊紧张，扩建困难 城市高低压电网与城市建设规划不协调，与邮电、有线广播及各种管道等市政设 旋缺少统一规划，互相争道，互相制约，市区电力线走廊紧张，扩建困难，交叉拥挤， 结果供电安全事故增多，同时使得电网的扩建困难。 2 2 配电网规划 2 2 1 配电网规划的基本概念 配电网规划是指在分析和研究未来负荷增长情况以及现有配电网现状的基础上， 设计一套系统扩建和改造的计划。在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情况下， 对可能的各种接线形式，不同的线路数和不同的导线截面，以经济性为指标，选择最 优或次优方案作为规划改造方案，使电力公司及其有关部门获得最大利益的过程。 一个完整的配电网规划方案，是在仔细分析配网结构的基础上，提供一系列能满 足未来负荷能量、频率、电压等要求的可行建设方案。并以规定的评价标准( 目前一 般是经济标准) 对这些方案进行选择，并选出其中最优的方案作为实际规划的参考方 案。 配电网规划主要内容包括： 1 分析电网布局与负荷分布的现状，明确以下问题： ( 1 ) 供电能力能否满足现有负荷的需要及其可能适应负荷增长的程度： ( 2 ) 供电可靠性； ( 3 ) 正常运行时各枢纽点的电压水平及主要线路的电压损失； 7 河北农业大学硕士学位论文 ( 4 ) 各级电压电网中的能量损失： ( 5 ) 供电设备更新的必要性和可靠性。 2 负荷预测。 3 确定规划各期的目标及电网结构原则和供电设备的标准化，包括中、低压配 电网的改造原则。 4 进行有功、无功电力平衡，提出城网供电电源点( 发电厂、2 2 0 k v 及以上的 变电所) 的建设要求。 5 分期对城市电网结构进行整体规划。 6 确定城市电网变电所的地理位置、线路路径、确定分期建设的工程项目。 7 确定调度、通信、自动化等的规模和要求。 8 估算各规划期需要的投资，主要设备的规范和数量。 9 估算各规划实现后的经济效益和扩大供电能力以取得社会效益。 1 0 编写规划说明书及绘制各规划期末的城网规划地理位置、结构图( 包括现状 接线图) 。 按规划期的时间长短，配电网规划可以分为短期配电网规划、中长期配电网规划 以及远景配电网规划。 短期配电网规划通常只对未来某负荷水平的电网接线感兴趣，不要求考虑接线方 案的过渡问题，因而也称为水平年规划。短期配电网规划期一般为5 年左右。规划期 在1 0 至2 0 年的规划问题属于中、长期配电网规划问题，它用来估计实际配电网的长 期发展和演变。远景配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 进行技术规划的一般原则，并做出最后的初步选择。远景配电网规划的规划期一般在 3 0 年左右。三种规划方案相互联系、相互影响。远景配电网规划所做出的技术选择 可以通过中、长期配电网规划的实际情况进行修正，短期电网规划可以对中、长期配 电网规划引入的假设进行精确分析和论证。与此同时，中、长期配电网规划又可以指 导短期研究，确保短期决策与中、长期配电网发展相一致。 另外，根据对规划期间处理的不同，规划方法可分为： 1 单阶段规划 单阶段扩展规划是根据规划期开始的数据寻找规划末年尾( 即水平年) 的最佳结 构方案。 2 多阶段规划 多阶段规划中，前一阶段的规划结果对后一阶段有明显影响，因此，每一扩展方 案既要考虑本阶段的要求，又要考虑整个规划期的要求。多阶段规划可采用动态规划 方法或静态规划方法来实现。考虑整个规划期最优扩展方案的方法称为动态规划方 法。把多阶段中每一阶段都作为单阶段规划来优化，把上阶段优化结果作为下阶段的 输入，这种处理叫做静态规划。动态规划处理要比静态规划复杂的多，且静态规划不 能给出整个规划期的最优解。 8 遗传算法在配电网优化规划中的应用研究 2 2 2 配电网规划的特点 1 线路呈辐射状 由于配电网线路一般呈辐射状运行，每个用户只从一个电源受电，各变电站所带 用户之间是独立的，所以配电网潮流计算、规划要按辐射网来计算，线路不能随意组 合，这就与输电网规划有较大差异。 2 线路组合多，各选的方案多 配电网是将电能从高压变电所直接分配到用户去的电力网，其复杂性与低压用户 的多少、分布、密集程度有关。在负荷点比较多的配电网中，线路也比较多，线路组 合有成千上万种，这样就给寻找最优解带来了困难。 3 约束条件多 在配电网中，用户多而密集，而由于受公路等限制，线路走廊较少，约束较多； 同时，由于要考虑电力线路对环境的影响，配电网还要求占地面积小、环境污染少。 4 多阶段性 在规划中为了避免短期行为和盲目性，应从长远的角度从整体综合考虑电网的布 局。由于配电网负荷增长速度较快、分布经常变化，配电网规划的适用期相对输电网 要短一些，这就要求在当前阶段的规划中计及各待选变电站和线路对今后各阶段的影 响。 5 整数非线性 配电网线路的建设与投运是0 1 性质的，要么有，要么没有，不存在一个过渡状 态。这种不连续性给分析和处理带来了难度，无法用导数概念来推测某状态点周围的 性态。同时，由于线路容量、电压损耗、变电站容载比等参数均需要非线性的配电网 潮流计算得到，所以配电网规划具有整数非线性特点。 6 数据模糊性 由于配电网直接与用户相连，与用户相关的各个因素如用户的多少、位置、负荷 等直接影响配电网的结构，但这些因素随时问的推移变化很大。尤其对新兴城市和经 济开发区，发展速度很快，负荷的波动也很大，这就使得本来就不精确的负荷预测带 有一定的模糊性。而配电网规划是在负荷预测的基础上进行的，所以参与中长期配电 网规划的各原始参数也带有很大的模糊性。 影响配电网规划的因素有很多。负荷的不断增长，输电网络的发展，配电网电压 等级的升高，配电系统自动化的要求，城市规划和环境的制约，以及社会、政治、经 济、工业和人民生活水平的发展变化，都会对配电系统的发展产生深远的影响。但是， 任何一种规划不可能同等地考虑所有的因素。目前，计算机上实现的配电网规划都只 能使在保证可靠、安全的供电前提下，优化规划期内的配电系统总投资和运行维修等 费用，即以经济指标的优化为目标进行规划。 9 河北农业大学硕士学位论文 2 2 3 配电网规划的基本要求 1 要有稳定可靠的供电能力 配电网的电压范围很宽，覆盖面很广，它直接联系着广大用户。配电网要有充足 的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其对经济发展迅速的城市和地区， 电网对供电能力要予以特别重视。一般来说本地电源是有限的，要求电网有很强的接 受外电的能力，因此要从电网结构上采取必要措施，当网内电源或主要变电站发生事 故时，能迅速从区外获得补充电源。 2 要有较大的灵活性和适应性 在电网规划设计中，配电网的灵活性和适应性观念尤为重要，因为经济发展既是 一个系统工程又是一个动态工程，包含着许多相互制约的不确定因素，远期发展目标 不可能全部预见且在蓝图上全部确定下来，因此要求配电网网架结构具有足够的弹性 ( 包括有足够的设备容量) ，在各种可能出现的运行方式下的应变能力。在制定各阶 段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性，即发展过程中过渡方式。 3 经济性 在配电网建设中始终要十分重视经济性这一点，但是评判经济性的准则不尽相 同，因而结论也不同。不能仅把电网建设的初始投资作为唯一考核指标，要以电网发 展建设的总体效益来衡量。 4 网架结构分层分片 随着电力的高速发展，电网的不足之处暴露出来了。这些都是事故的隐患。因此 在配电网规划时必须认真地加以解决。首先应从网络结构上采取措施，而不是从电器 设备选择上考虑。把一个几百万至上千万千瓦的配电网分隔成既独立又相互联系的几 个片。片与片之间有恰当的交换容量，保证必要时能相互支持。 5 简化接线、增大容量 长期以来，认为简单接线只适用于某些非重要用户。然而当今电网的发展趋势要 求配电网( 包括城市电网) 采用简单的接线形式。长期运行经验也表明复杂接线并不 能提高可靠性，在定程度上反而会降低可靠性：另外，电力技术的发展使得电器设 备更加可靠、功能更强，这为简化接线，为变电站小型化、标准化创造了条件。 2 3 配电网优化规划 本文以成本效益理论为基础，主要对1 0 k v 配电网的优化规划进行了研究。研究 的主要任务包括两方面的内容，简单描述为：( 1 ) 在已经确定供电变电站的布点、容 量、造价及其供电范围，负荷分布及其大小的情况下，在一个冗余配电网上，优化出 一个满足线路辐射状、容载比、线路负载、电压损耗等要求的配电网，使所要求的目 标达到最优，即配电网网架优化规划，已知条件为待选线路路径、长度、截面和造价 遗传算法在配电网优化规划中的应用研究 以及其它各项经济指标和工程指标。( 2 ) 在已知的配电网网络结构中，对开关的装设 位置和数量进行优化，即配电网开关优化规