（电气工程专业论文）油田矿区配电网络重构.pdf

摘要 网络重构是配电系统运行和控制的重要手段，也是配电管理系统的重要组 成部分。网络重构在理论上是一个复杂的多目标非线性组合优化问题。 自上世纪8 0 年代以来，人们对配电网络重构进行了广泛的研究，形成了比 较成熟的网络重构的方法和理论，但各种方法都存在着缺点。本文对国内外配 电网络重构的方法一最优流模式法、支路交换法、s a 算法、g a 算法、a n n 算 法等进行了阐述。通过对比表明：g a 具有很多适于求解网络重构的特点，如果 能结合配电网络的特点，提高收敛速度和收敛性，那么在网络重构中将会得到 更好的应用。因此论文采用遗传算法进行网络重构的研究。 本文采用以网损最小为目标的配电网络重构数学模型；在初始种群的生成 中，采用不重复生成策略，保持群体的多样性；对交叉操作提出了部分映射交 叉策略，变异操作采用成对变异的方式，使网络结构满足辐射和连通约束；提 出了一种新的收敛判据，避免了未成熟收敛；根据配电网络特点，采用前推回 代法的潮流计算方法。 研究成果应用于大庆油田矿区配电网络重构，经验证，取得了满意的效果。 关键词：配电网络；网络损耗；网络重构；遗传算法；前推回代 a b s t r a c t n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni sn o to n l yi m p o r t a n tm e t h o d si no p e r a t i o na n dc o n t r o l o fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，b u ta l s oi m p o r t a n tp a r to fd i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni sac o m p l e xa n dm u l i t i o b j e c t i v ec o m b i n a t i o no p t i m i z a t i o n p r o b l e mt h e o r e t i c a l l y s i n c et h e1 9 8 0 s ，t h ep e o p l eh a v ec o n d u c t e dt h ee x t e n s i v er e s e a r c ht on e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，s om a n yr e l a t i v e l ym a t u r em e t h o d sa n dt h e o r y o fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nh a v ef o r m e da n dd e v e l o p e d ，b u te a c hm e t h o dh a st h e s h o r t c o m i n g t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nm e t h o d so fd i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n - - o p t i m a lf l o wp a t e n ，b r a n c he x c h a n g em e t h o d ，t h es a a l g o r i t h m ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ea n na l g o r i t h me t c i t ss h o wb yc o n t r a s tt h a t g e n e t i ca l g o r i t h mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c st h a t s u i t a b l ef o rn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ， i tw i l lg e tm o r ea p p l i c a t i o ni nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni fi tc a nc o m b i n ew i t ht h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mp e c u l i a r i t ya n di m p r o v et h ec o n v e r g e n ts p e e da n da s t r i n g e n c y s o t h et h e s i s a p p l i e dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m o nt h er e s e a r c ho ft h en e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n t h et h e s i sa d o p t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nt h a tt h e l o s sr e d u c t i o ni sm i n i m i z e ；a d o p t e dt h es t r a t e g yt h a ti n i t i a lp o p u l a t i o nd o n tr e p e a t f o r m i n ga n dg u a r a n t e e dd i v e r s i f i c a t i o no fp o p u l a t i o n ；p u tf o r w a r dt h es t r a t e g yt h a t c r o s s o v e ra d o p t e dp a r t m a p p i n g c r o s s o v e ra n dm u t a t i o n a d o p t e dg e m i n a t i o n m u t a t i o n ，i tm a d et h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o nc a ne a s i l yc o n t e n tw i t ht h er e s t r i c t i o n a g a i n s tr a d i a l i z a t i o na n dc o n n e c t i o n ；p u tf o r w a r da n e wc o n v e r g e n tc r i t e r i o n ，s oi tc a n a v o i di m m a t u r i t yc o n v e r g e n c e ；a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c ， p o w e rf l o wc a l c u l a t i o na d o p t e dt h em e t h o do fb a c k w a r da n df o r w a r ds u b s t i t u t i o n t h er e s u l t so ft h i s a r t i c l eh a sa p p l i e di nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni nd a q i n go i l m i n i n ga r e a ，a f t e rt h ec o n f l r m a t i o n ，t h a th a sm a d et h es a t i s f a c t o r yp r o g r e s s k e yw o r d ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；n e t w o r kl o s s ；n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；b a c k w a r da n df o r w a r ds u b s t i t u t i o n 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和取得的研究成 果，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，也不包含为获得墨鲞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了 谢意。 学位论文作者签名：安，方及 签字日翌：多以叩年月砷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 丕鲞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，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文拓者签名：淙乞段 导师签名： 歃均芝 签字日期：) 1 年1 月溯 签字日期：2 间，年2 月站日 第一章绪论 第一章绪论帚一旱瑁了匕 服务用户、提供优质经济电能是电力系统存在的意义所在，所以配电网的 运行效果直接关系着国民经济和各级用户能否享受到优质服务、关系着电力企 业能否实现其自身价值并不断提高经济效益。 1 1 配电网及其特点 电力系统【l 】 【2 】是指整个电能系统中的电气部分，是由发电、变电、输电、配 电、用电等设备组成的统一系统。用于将其他形式的能源诸如热能、势能、核 能等转换为清洁方便的电能，满足国民经济各部门的需要。通常把发电机和用 电设备之间的属于输送和分配电能的中间环节称为电力网，电力网可分为输电 网和配电网，输电网用于将发电厂发出的电能升压后通过输电线送到邻近负荷 中心的枢纽变电所或作相邻电力系统的联络线，配电网【3 】通常指电力系统中二次 降压变电所直接或降压后向用户供电的网络。 配电系统在电力系统中是直接面向各级各类用户的最终环节，担负着分配 电能的任务。其电压等级以3 5 k v 和1 0 k v 为主，直接向工厂、大用户供电或再 次降压后以0 4 k v 电压向居民供电。随着近些年经济的发展，负荷增长速度加快， 1 1 0 k v 甚至2 2 0 k v 变电所逐步深入负荷中心，广义而言，l l o k v 及以下电压的 线路和设备构成的电力网均可称为配电系统。 配电系统是一个复杂而庞大的网络系统，为了减少相互间干扰以及提高供 电的可靠程度，降低故障时事故影响，通常具有闭环设计、开环运行的特点， 采取具有多电源可转换的放射型运行方式，网络可以灵活地进行切换。 配电系统一般沿配电线路设有线路分段开关，并在相邻电源的馈线处装有 联络用的联络开关。其中馈线的入口处装设可以切除线路电流的联络开关，馈 线中装设可切断正常负荷电流的负荷开关。如图1 - 1 所示： 图1 - 1 配电系统示意图 第一章绪论 在图1 1 中，b l 、b 2 、b 3 是“常闭”联络开关，b 4 、b 5 是“常开”联络开关， s i - s 8 为线路分段开关，其中s 8 为打开状态。 与输电网相比，配电网具有自身特点： 1 配网各节点深入各类居住区中心，传输功率和距离一般不大( 尤其低压配 网为限制线损更是如此) ，供电容量、用户性质、对电能质量的要求各不相同。 2 由于配网深入到各类单位和千家万户，不可能在每个节点上都装设量测 装置，一般只有馈线出口端和少数重要的配电变压器得到量测。 3 配电网直接面向各类用户，节点数目众多，从而导致其节点导纳矩阵非 常庞大。 4 配电网通常闭环设计、开环运行，这是为了保证供电可靠性的同时避免 调度操作复杂化。当某条线路故障时，可通过分合闸操作隔离故障点，尽快为 停电波及区域恢复供电。这就决定了配电网在运行时多呈辐射型树状结构( 如图 1 2 ) 或环状供电结构( 如图1 3 ) ，只有在某些必要的倒闸操作时才会出现短时闭环 运行。 图1 2 配网树状供电结构 图1 - 3 配网环状供电结构 配电网的辐射型网络结构特点决定了对电力配电网的研究方法将不同于目 前发展已较成熟的输电网分析方法。 第一章绪论 1 2 配网重构的概念和意义 配电网处于电力系统末端，是连接输电网与用户的中间环节，电力用户负 荷成份、区域分布的多样化决定了配电网无法如输电网一般脉络清晰、干线分 明，可以严格统一规划。一方面配网深入到千家万户和各类用电单位，供电路 径各不相同；另一方面，各类负荷成份变化较大各不相同，日负荷曲线形状、 峰值出现时刻亦各不相同。当网络正常运行时，可能出现部分配电线路负荷率 极低而另一部分线路则严重过负荷，从而导致线损显著增大，全网损耗增加的 现象；当配网某部分发生故障时，会有正常用户受停电波及，必须迅速隔离故 障区为这一部分用户及时恢复供电。配电网络重构为解决类似问题提供了 有效方法。 配电网络重构是指在满足网络约束( 馈线热容、电压降落要求、配变容量等) 和辐射状网络结构的前提下，通过打开、闭合环路中的联络线开关和分段开关 改变网络拓扑结构【2 】 4 1 5 】，确定使配网某一指标最佳的运行方式，从而达到优化 配网运行、降低网损、消除支路过载和电压越限、平衡馈线负荷或恢复非故障 区域供电的目的。 重构的前提是负荷具有多种可行的供电方案，即网络具有在满足约束条件 下进行拓扑调整的能力，单一供电路径是谈不上重构的。由于辐射型网络在发 生故障时短路电流相对较小，且调度方便有利于继电保护设备的整定配置，故 配电网通常以辐射状或树状结构运行；但辐射型结构供电可靠性差，发生故障 后沿线将造成大面积正常区域停电，直到故障排除后才可能为正常区域恢复供 电，而长时间停电在现代经济生活中已不能为用户接受。同时单纯的辐射型网 络供电方案单一，当某条线路出现供电半径过长或负荷过重时，无法调整供电 方案，导致网损增大、电压质量降低。所以综合比较辐射状供电网络与环状供 电网络两者的优缺点。配电网采用闭环设计、开环运行的方案。某处发生故障 时，可在定位、切除故障点后闭合联络线上的环路开关，将原故障线路上的正 常部分通过倒闸操作切换到环路中的另一个供电路径上，从而恢复其正常供电。 某条线路过载严重时亦可通过倒闸操作均衡负荷。那么，当某地区配电网整体 采用什么样的网络结构时，可使全网损耗最小或经济最优，就不能仅凭经验来 确定，必须对全网适当简化建立数学模型，进行综合分析计算，从而找出一个 网损最小或经济最优的配网运行方案，并给出相应的开关操作建议。这就是配 网重构问题的意义所在。 配电网络重构是优化配电系统运行的重要手段，是提高配电系统安全可靠 性和经济性的重要手段，具有社会、经济等多方面意义【5 】： 第一章绪论 1 提高服务质量，创造良好的社会效益 通过网络重构可以将负荷从重负载线路、变压器转移到轻负载线路、变压 器上，从而调节配网内各部分负荷水平，消除馈线过载，提高电压质量，防止 末端压降过大。 2 降低线损，创造更高的经济效益 电力系统作为能量系统的一部分，在能量转换过程中会有能量损耗，在电 网运行过程中会有网损包括线损、变压器损耗等，如果不采取一定措施，则损 耗会相当巨大。因此降低能耗和网损一直是世界各国电力系统面临的一项长期 课题。我国线损率在9 左右，与发达国家5 - 8 的线损率相比，尚有较大差距。 尤其我国配网线损一直是地区线损的重要组成部分，通过网络重构改善电网运 行方式从而达到降损增效的目的，对提高经济效益具有重要意义。 网络重构不仅适用于日常运行，而且在故障跳闸后，恢复受停电波及的正 常区域供电的也适用。 1 3 配电网络重构的实现前提 配网重构的实施需要两方面的条件：一方面，配电网络馈线自动化、配网 环网化、分段开关自动操作等要达到一定程度，本文目的并不在此；另一方面， 需根据配电网络特点，开发适宜于配网问题的简化算法，这正是本文的重点之 1 4 配电网络重构研究方法综述 配电网络重构是一个复杂非线性优化问题，自7 0 年代由m e r l i n 和b a c k 提出 以来【6 】，经过三十多年的研究，产生了许多相应的算法，这些算法主要可以分为 两大类：传统的优化技术和人工智能方法。 1 4 1 传统的优化技术 传统的优化技术是相对于人工智能方法这些现代优化技术而言的，它主要 包括了启发式方法、最优流模式算法、支路交换法、线性或非线性规划法。其 实从本质上来说，最优流模式算法和支路交换法都应该属于启发式方法，但是 由于它们都各自形成了一系列的算法，因此把它们单独列出来介绍。 1 启发式方法 4 第一章绪论 m 耐i i l 首次提出配电网重构的概念，做了如下几个假设：负荷以恒定的纯有 功分量电流源表示、电压角度被忽略、不考虑网络的约束条件、以d c 潮流计算 网络流。他采用启发式规则及分支定界策略来确定具有最小网损的网络结构。 其缺点是没有考虑网络约束，并且采用了大量的直流潮流计算，较费时。t i m t a y l o r 采用了启发式最佳优先搜索策略，尽可能地消除违反约束条件的开关状态 组合，以缩小要搜索的状态空间【7 】。状态空间搜索算法中植入的启发式规则越有 效，要搜索的解空间越小，搜索越快，但也越有可能漏失最优解；反之，解空 间越大，搜索速度越慢，则不能适应大规模配电网的要求。文 8 用启发式方法 决定配电网的最小电阻损失结构。该文主要对电压修正法的潮流计算进行了改 进，采用有效的潮流计算技术并且引入对网络元件进行高效检查的算法。此类 方法的缺点是易收敛于局部最优解。 2 最优流模式法 最优流模式法【9 】是1 9 8 9 年由d a r i s hs h r i m o h a m m a d i 等人首次提出的一种启 发式方法，它是以功率损耗最小为目标函数的。这种方法首先计算初始辐射网 潮流，为建立最优流模式，闭合所有开关，形成有几个环的少网孔配电系统， 再计算潮流，求得网环上各等值注入电流，这时求解最优流，然后以电流最小 的支路解开一个环，直至变成辐射网。其实现网络重构的基本思想可用如下过 程表示：第l 步，先不考虑配电网络必须为辐射状结构的约束条件，将所有开 关合上以形成多环网；第2 步，除了系统的潮流方程，在不考虑其他约束条件 的情况下，求出使系统功率损耗最小的系统的电流分布。这个电流分布就是所 谓的“最优流模式。将网络中所有支路阻抗中的电抗部分去掉，这样求得的电 流分布就是系统的最优流模式。第3 步，以打开在最优流模式下电流最小的开 关为打开开关的启发式规则，打开一个开关以解开一个环路。重复步骤2 和步 骤3 ，直至由步骤1 形成的环网中的所有环路被解开，网络的拓扑变为辐射状结 构为止。然而，在最优流模式下打开电流最小的开关的指导思想缺乏理论根据， 环网中的各个环流相互影响，解开其中一个环路将影响其它支路的电流，并且 打开开关的先后顺序对结果也有较大的影响。因此，又出现了许多改进算法。 s k g o s w a m l l 0 】对文 9 做了改进，即每次只闭合一个联络开关，这时网络中仅有 一个环存在，然后计算最优流，在电流最小处将环打开，形成新的辐射网。如 此重复进行直至网损不能减少为止。文 1 1 提出的改进的最优流模式算法采纳了 文 1 0 1 提出的一次只闭合一个联络开关的思想，在计算最优流后，不选择流过电 流最小的开关，而是在算出最优流后，估算打开环路各分段开关后对应的网损 变化，选择网损最小，同时又满足过载约束的支路打开。但网损估算的误差将 会影响开关操作的准确性。 第一章绪论 3 支路交换法 此类算法是直接计算各种开关状态下的潮流，然后通过改变开关状态，观 察由其产生的网损变化量，从而选出使网损下降的开关状态，其实质是开关状 态改变对网损灵敏度的计算【1 2 1 。s c i v a n l a r 推导出一组负荷从一条馈线转移到另 一条馈线时网损变化的公式，指出只有当负荷从电势低的点转移到电势高的点， 而且这两点间的电势差足够大时才有可能引起网损下降【1 3 】。利用该算法降低了计 算量。m a k a s h e m t l 4 1 在s c i v a n l a r 的基础上推导出一条简单的网损降估计公式， 并引入了标准网损降这一指标以提高支路搜索的效率。文献 1 5 介绍的快速估计 法是基于支路交换的算法，采用配电网潮流计算由开关操作引起的估计网损， 推导出以单环网内支路电流为变量的网损降估计公式和平衡算法。由于它进行 一次重构只需要计算一次辐射状潮流，而不需要计算环网潮流特别是多环网潮 流，而且在计算中忽略了重构前后节点电压的变化，因此具有算式表达简捷、 计算量少、计算速度快等优点，十分适用于工程实际。这类算法的不足之处在 于：在推导过程中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及电压变化，因此，网损估计有一定的误差， 但估计的相对值已能说明重构的效果。总的说来，此类算法优化精度不高。 。4 ，线性或非线性规划法 分支界面法是将重构问题表达成一个非线性或线性规划问题，然后用已相 对成熟的规划优化方法进行求解。m 融i n 和b a c k l 6 】首先提出将此方法用于配电网 络重构，基本原理是首先将所有开关闭合，然后根据与原网络相似的线性电阻 网络模型来决定要打开的开关，不断重复，直至形成辐射网络。这个方法的优 点是最终的网络结构不依赖网络开关的初始状态，并且问题的解算过程是趋于 最优解的。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，用 不能反映网络结构变化的电流源来表示，忽略了网络约束。文献 1 6 1 贝, u 在此基础 上做了进一步的改进，假设负荷是随电压变化的连续电流负荷，把每一个闭合 开关看成一个电流源，用一交流负荷潮流算法来计算网络潮流，选出最优解。 单纯形法是解决线性规划问题的一种常用方法，受其启发，文献 1 7 提出了 一种解决最优配电网络重构的单回路优化法。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。求 解时先寻找一个初始辐射结构为基本可行解，在此基础上，在打开的联络开关 集合中搜索一个使其闭合，在闭合的分段开关集合中搜索一个使其打开，形成 新的网络结构，并使网损有所减少，不断重复此过程，直至网损不再减少为止， 对应的结构就是最优网络结构。应用单回路优化法解决配电网络重构问题，无 需将目标函数近似成线性规划问题，并且其计算简单，效率高，解答可行，其 6 第一章绪论 不足之处在于要确定初始可行解，同时对于大规模网解算，花费时间较长。 1 4 2 人工智能算法 人工智能算法( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) 就是模拟工作人员在实际工作中获 得的经验进行操作所采用的方法，它是在1 9 5 6 年由美国的m c c a r t h y 和m i n s k y 等人提出的，经过多年的努力，已经有了很大的发展。应用在网络重构中的包 括人工神经元网络法、模拟退火法、遗传算法、进化规划法以及这些智能方法 的综合应用。 1 人工神经网络法 它适用于映射复杂的非线性函数关系，文献1 1 8 用( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 法进行网络重构以实现有功网损最小。该方法首先根据每个区域不同负荷 的变化情况，用人工神经网络估计输入初始网络结构和负荷水平，然后决 定系统的输出最优结构，即为一个包含输入输出关系的样本。这种方法与 传统方法不同之处在于不需要进行潮流计算，对神经网络的训练数据只需对应 于不同初始结构和网络结构即可，因此，一旦a n n 权值给定，只要给定输入， 马上可以得到输出。由于神经网络具有非线性映射较强的并行计算能力和抗干 扰能力，有潜力实现在线实时控制。a n n 法的不足之处在于其最优解与训练组 的数据有很大关系，而配电网络的结构与负荷变化非常频繁，a n n 权值常需要 重新更换，从而限制了其实用性，而且训练过程中有时会出现“麻痹”现象， 究竟应选用多大的a n n 节点规模尚无理论指导。 2 模拟退火法 模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g s a ) 是1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为了模拟 熔融态固体热平衡的形成而提出的一种简单算法，即m e t r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，k i r k p a t r i c k 等人首先将这一算法应用于求解组合优化问题，提出了模拟退火 算法，即采用随机搜索迭代过程来寻求最优解。文献 1 9 、 2 0 将这一算法用于 实现最优配电网络重构。由于一个规模较大的配电系统会产生大量的待选结构， 要对每一个网络状态进行网损计算，势必增加计算时间。事实上每一个新的网 络结构都是在前一个网络结构的基础上通过对某一条或几条馈线做随机扰动而 产生的，在假设电源电压恒定时，只需对扰动过的馈线进行有功网损增量的计 算，即可得到整个系统的有功网损变化量，然后根据m e 仃0 p o h s 接受准则判断是 否接受为当前状态，若被接受，则修改当前网络结构，否则，放弃此待选结构。 s a 法对目标函数无特殊要求，得到的是全局最优解，此解与初始可行解基本无 关，s a 法同时还能有效地克服“维数灾”问题，但是，s a 法收敛的关键在于 第一章绪论 退火方案的选取，若选择不当，则需要大量的随机迭代，计算量大，得到的解 与最优解相差甚远。 3 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m - g a ) 是模拟进化方法中最主要的一种方法，由美 国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授于6 0 年代首先提出，基本思想是适者生存。经 过几十年的努力，g a 法己成功地应用于搜索、优化及机器学习等多个领域，它 也是电力系统应用最多的一个方法，文献 2 1 首先将g a 算法用于最优配电网络 重构，将网络的开关状态编码成二进制字符串，类似于生物中的基因链，每一 个字符串对应一个适应度函数，考虑网络损耗及约束条件罚因子，将问题转化 为一个混合的 0 1 规则问题，通过字符串进行“复制、杂交、变异等操作， 经过许多“代的进化以后，从中选出适应度最大的字符串，即为最优网络结 构。模拟进化方法与传统的优化方法比较，它采用二进制码参加运算，不是变 量本身。优化计算采用概率搜索规则，从一组的点开始搜索而不是一个点，对 目标函数的要求不高，因而容易达到全局最优。但是，模拟进化方法的算法性 能易受控制参数( 如杂交率、变异率等) 的影响，随机迭代次数多，尤其是当搜索 点接近最优点时，搜索时间可能是前面的数倍。 4 进化规划法 y h s o n g 认为：g a 法交叉过程中随机产生的个体容易违反实际系统辐射状 的特性【2 4 】，虽然可以采用一定的技术来限制，但毕竟增加了计算时间，进化规划 法( e p 法) 与遗传算法同属模拟进化法，但在方法上是不同的，进化规划法没有交 叉进程，只强调变异。 2 2 1 尝试着用模糊技术控制变异速度，取得了很好效果。 对3 馈线1 6 节点进行测试，进化规划法只用4 7 秒，但没有叙及该方法用到中 型和大型配电网的情况。 1 4 3 其它算法 尽管大量的重构算法是以网损最小为目标函数的，但也有其他角度来考虑 网络重构问题的。文献 2 3 从提高配电系统可靠性出发，研究满足运行约束条件 下的配电网重构问题，并首次利用遗传算法进行供电可靠性最优的网络重构。 文献 2 4 提出了一种考虑安全约束的配电网最优网络重构。文献 2 5 】采用了一种 启发式方法求解以电能损耗最小为目标函数的网络重构。文献 2 6 则在改进的最 优流模式算法的基础上，对负荷曲线采用估算和修正的处理，提出了一种具有 实用价值的以电能损耗最小为目标函数的网络重构算法。文 2 7 ：j 1 入了开关组的 概念，提出了一种用于负荷平衡重构的同步开关法。这些算法都大大丰富了网 第一章绪论 络重构算法的研究。 1 5 本文主要工作 上述各种方法中，基于s a 的算法可以获得全局最优解，但存在算法依赖参 数和计算量大的缺点。基于a n n 的算法不需进行潮流计算，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较困难，需要较大的 时间来训练样本。最优潮流模式和基于支路的交换方法不能保证得到全局最优 解，但与启发式规则结合后，可以在较短的时间得到结果。g a 具有很多适于求 解配电网络重构的特点，如果能结合配电网络的特点，提高收敛速度和收敛性， 那么在配电网络重构中将会有更好的应用。采用遗传算法对配电网络重构进行 研究，提高了算法的收敛性和计算速度。 论文主要进行了以下工作： 1 对遗传算法的来源、基本原理、数学机理、特点及应用进行了论述；为 了提高遗传算法的收敛性能，同时考虑到交叉率和变异率的选取问题，本文提 出不重复的初始种群形成策略提高种群的多样性；改进了一种基于个体适应度 值的自适应调整交叉率和变异率的自适应遗传算法。 2 建立以网损最小为目标的网络重构模型，在分析配电网络结构特点的基 础上，对前推回代潮流计算方法进行了分析。 3 结合配电网络特点和遗传算法特点，具体探讨了如何实现遗传算法的网 络重构。通过具体算例分析来说明本文提出方法的可行性和正确性。 4 利用本文所得，对大庆油矿区( 龙南地区) 配电网进行了重构，取得了理 想的效果。 第二章配电网络重构理论和数学模型 第二章配电网络重构理论和数学模型 任何一个配电网络，理论上都存在一个最优的结构，在这个最优结构下运 行，各负荷点的运行电压和网络总损耗的协调优于其它可能方案。从数学角度 来看，配电网络重构是在满足一定约束条件下，通过网络开关的组合，以使系 统网损和或负荷平衡等目标达到最优解，所以它实际是一个有约束、多目标、 不可微的大规模非线性组合优化问题。 2 1 配电网基本元件数学模型 配电网内基本元件包括线路、变压器、负荷、电容器、电压互感器、电流 互感器等，这些元件各自具有不同的物理特性，要运用数学工具对其进行综合 分析，就必须建立其数学模型。配网元件建模是对配网进行计算机分析的基础， 是进行配网分析的前提。 配电网的元件按其与网络的拓扑连接方式和功能特性可分为串联元件( 又称 双端元件) 、并联元件( 又称单端元件) 和逻辑元件。串联元件包括线路和变压器； 并联元件包括并联电容补偿器、负荷和热电联产发电机组；逻辑元件主要包括 断路器、隔离开关、分段器、重合器、负荷开关、熔断器等。串联元件和并联 元件的阻抗和其电压特性直接影响系统的潮流分布，而逻辑元件虽然能够通过 分合操作改变网络潮流分布，但其功能主要体现在控制网络接线变化、拓扑调 整上，基本不反映阻抗、电压特性，因此在建立数学模型时不考虑逻辑器件， 而是主要考虑串联元件和并联元件，即线路、变压器、电容器、热电联产发电 机组、负荷等【2 8 】。 1 配网线路模型 配网中导线包括架空线和电缆，它们均可用如图2 1 所示的图形模型表示。 配网线路模型线路电阻不能省略。并联电容是三相线路之间以及线路与大地之 间的静电效应产生的横向分布参数，包括相间电容和相对地之间电容，在数学 模型中通常把电容分布参数等分并集中等效在线路两端【2 9 1 。但对于电压较低且 长度较短的线路，可忽略线路与线路、线路与大地之间的电容耦合效应，故等 效模型仅为串联阻抗【3 0 】。 1 0 第二章配电网络重构理论和数学模型 图2 - 1 配网线路数学模型图 在配电系统中，由于不对称负荷和单相用户的存在、特殊情况下两相或单 相运行的影响，再加上配网馈线往往不换位，造成配网可能出现三相参数不平 衡、三相负荷不平衡的情况，所以在需要计算三相不平衡潮流的时候必须建立 三相模型和参数。但在网络重构算法中，为集中精力考虑重构带来的影响，对 其他因素进行了简化，假定三相参数平衡，线路仍采用单相模型，忽略对地电 容，将线路表示成集中参数的电阻和电抗。 2 配电变压器模型 电力变压器是电力系统主要组成元件之一，用于发电厂出口升压送入输电 网、输电网末端降压送入配电网及配电网二次降压最终将电能送给用户，利用 变压器分抽头调节还可进行电压调节。另外，电力系统中中性点接地方式也是 通过变压器中性点是否接地来实现的 1 】。因此在电力系统分析计算中必须记及变 压器的特性及其参数。 变压器参数包括电阻、电抗、电导、电纳、变比，其中阻抗对应变压器漏 磁支路，导纳对应变压器励磁支路，变比则是变压器不同于其他电力元件的参 数，其幅值为变压器一次、二次电压或电流幅值之比，其相角为一次、二次电 压或电流相位差，视变压器接线方式而定。当分析暂态特性时，需要建立变压 器的正序、负序、零序参数，由于变压器是静止元件，故正负序参数相等，而 零序参数则需根据网络拓扑结构、变压器中性点运行方式及接线方式综合考虑。 本文基于网损最优的配网重构是分析配网稳态运行时网络结构对网损的影响， 只需建立配网变压器稳态模型即可。 配电网变压器一般为三相双绕组降压变压器，包括次输电线路与配电一次 馈线间的降压变压器、一次馈线与用户侧之间的二次降压配电变压器。 根据变压器运行原理和结构特点，建立变压器模型必须包含铜损和铁损、 绕组的连接形式( 星形、接地星形、三角形) 、抽头形式和一些特殊运行方式 2 8 】，【3 1 1 。 ( 1 ) 铜损、变压器漏阻抗 第二章配电网络重构理论和数学模型 铜损间接反映变压器漏阻抗，它是指变压器运行时由于原、副线圈的电阻 而造成的能量损耗，稳态运行时这个数值近似等于短路损耗【3 2 1 。把变压器二次 线圈短路，在一次线圈额定分接头位置上通入额定电流，此时变压器所消耗的 功率即为为短路损耗，可用于测量变压器漏阻抗。 如图2 - 2 设每相短路损耗为最，相电压为，相电流为厶，则有： 一l 羼 广n 1i ji 厂n 1 r 1 广n 1 图2 - 2 变压器漏抗图 r z k = uk i k r k = 最厶2( 2 - 1 ) l 五= z 。2 一r 2 ， 变压器工作时，铜损主要决定于负载电流的大小，而负载电流的大小不仅 与负载阻抗的大小有关，而且与负载阻抗的性质有关，因此铜损的大小实际是 由负载的大小与功率因数决定，不是定值。 配电变压器漏阻抗建模时不能忽略其电阻。 ( 2 ) 铁损、变压器激磁导纳 铁芯损耗是指励磁支路电流中的磁化电流分量引起的励磁支路吸收的无功 功率和磁滞、涡流分量在铁芯中所消耗的有功功率两部分。变压器二次侧空载 运行时，激磁电流产生三个分量 3 1 1 ，即由于磁路饱和造成的无功电流分量和因 磁滞、涡流造成的有功电流分量。后者合并统称为铁耗电流分量，对应的能量 损耗为变压器铁芯损耗有功部分。而磁化电流分量则对应铁芯损耗的无功部分。 铁耗与外加电压的平方成正比而与负荷大小无关，当电压一定时，基本是一个 恒定值。铁耗是变压器的一个重要性能指标。 对于输电网变压器而言，为计算简便，通常忽略变压器励磁支路，这是因 为输电网电压级别较高、变压器数量较少，因此变压器铁损占网络总损耗的百 分比较小，忽略励磁支路不会给潮流计算带来较大误差。但在配电网中，情况 则有所不同。由于配网电压级别低、配变数量众多，因此在配电网中不能忽略 励磁支路，比输电网建模要复杂。 ( 3 ) 接线组别 常用的三相变压器线圈连接方式有两种，即星形连接简称y 连接和三角形 连接简称连接，如果再将y 形接法中的线圈中性点引出接地则形成y 0 接法。 第二章配电网络重构理论和数学模型 我国配电网通常有如下三种标准连接组变压器： y y n 1 2 接线。一般用于容量不大的配电变压器和小容量所用变压器， 供给动力负载( 接4 0 0 v 线电压) 和照明负载( 接2 2 0 v 相电压) 。 y 1 1 接线。用于中等容量，电压为1 0 k v 、3 5 k v 、6 3 k v 及电厂中较 大容量的厂用变压器。 y 0 1 1 接线。这种接法从星形一次线圈中性点引出一条线接地，适用 于中性点接地系统，故通常用于l l o k v 及以上系统。 ( 4 ) 变压器分抽头调整 分抽头调整往往用于调压，这在建模中可通过非标准变比来反映。 通过上述特性分析，可用包含串并联集总参数的反i 型等值电路来表示配电 变压器模型，如图2 3 所示： 配 变 次 侧 配 变 - 。一 次 侧 图2 3 配电变压器数学模型 3 并联补偿电容器模型 配网负荷种类繁多，其中许多负荷诸如空载变压器、感应电动机、电抗器 等要吸收大量无功，如果大量无功都要通过配网线路传输，则线路功率因数较 低，传输同样有功的情况下线路流经电流增大从而造成线损增大、电压降低， 故为了充分利用发电设备、减小线损、改善电压质量，应提高功率因数、减少 网内无功流动量。并补电容器即是为了满足这一要求而设。无功补偿有多种方 式，电容器补偿由于其静止、噪音低、消耗能量小、安装方便等优点而在配电 网中得到广泛应用。 运用并联补偿电容器进行无功补偿时应根据需要选择合适的电容器和接线 方式。电容器按电压级别可分为低压电容器和高压电容器。低压电容器一般是 三相电容器而高压电容器则是单相电容器，实际投运时根据具体需要确定接线 方式。电容器接线方式有三角形、星形和星形接地三种，如图2 4 所示。 第二章配电网络重构理论和数学模型 三角形接线 图2 4电容器常用接线图 由于电容器补偿容量与两端电压成正比，如公式( 2 1 ) 所示，故当线路额定 线电压与电容器额定电压相等时，应采用三角形接法以使电容器得到充分应用。 q c = 2 t r f c u 2 ( 2 1 ) 配电网无功补偿方式有高压集中补偿、低压成组补偿和低压分散补偿三种。 ( 1 ) 高压集e e , i , 偿如图2 5 中电容器c 1 所示，是将补偿电容器接在变电所 1 0 k v 母线上，它可以减少1 0 k v 母线电源侧线路如图2 5 中三l 的无功流动，但所 有1 0 k v 线路出线侧诸如线路2 则无法从这种配置方式中得到补偿； 线l。 如 牛 c i 上 1 h l 3t c ，1 l 1rr r r 图2 - 5 配网电容器补偿方式图 ( 2 ) 低压成组补偿如图2 5 中电容器c 2 所示，是指工厂用户将补偿电容器接 在配电所4 0 0 v 母线上进行成组补偿，这种配置方式可以补偿1 0 k v 线路如三2 侧无 功，减少l o k v 出线上的无功流动，但仍无法对厂内大量4 0 0 v 线路如三3 之类予以 补偿； ( 3 ) 低压分散补偿是将电力电容器分散地装设在各个车间或用电设备附近， 如图2 5 中c 3 所示。这种补偿方式能够就地补偿位于其安装部位前面的所有高低 压线路诸如三3 类和工厂专用变压器的无功功率，因此配置灵活、补偿范围大、效 果好。但这种补偿方式过于分散，不便维护，且设备投资过大，故仅用于负荷 比较分散、补偿容量较小的小型用户。 以上三种补偿配置方式可根据实际需要取长补短，配合使用。 综上，电容器等效模型可表示为如图2 - 6 所示： 1 4 第二章配电网络重构理论和数学模型 2 2 负荷模型 ? = 图2 - 6 并补电容器模型图 电力负荷是电力系统的重要组成部分，由于电能目前尚无法储存，发电、 输电、用电必须同时进行，而配电网更是电力系统中直接与电力负荷相连的最 后一环，故负荷的特性及其数学模型的选择对电力系统分析计算至关重要。 在电力系统中，负荷有多种含义，可以指电力系统中消耗电功率的某种设 备，也可以指电力设备消耗的功率，在配网模型中，负荷特指配变二次侧某节 点上连接的所有电气设备消耗的有功功率和无功功率，原因是在做分析计算时 不可能也没必要对某节点上成百上千个具体负荷进行单独描述。电力系统 负荷的运行特性从广义上可分为两大类【3 3 】即负荷随时间而变化的规律负荷 曲线和负荷随变压、频率而变化的规律负荷特性。负荷数学模型则是用来 描述负荷功率与电压、频率关系的数学表达式【1 1 。负荷模型的分类有多种标准3 4 1 ， 从模型是否反映负荷的动态特性而言可以分为动态模型和静态模型；从模型是 否线性可分为线性模型和非线性模型；从模型是否与系统频率相关可分为电压 相关模型和频率相关模型；从模型的导出方式区分，可分为机理式模型和输入 输出式模型。其中动态模型与静态模型是常用的两种建模方案。 动态模型用来描述当系统电压和频率急剧变化时，负荷有功功率和无功功 率随之变化的特性，它的表达式是一组微分表达式。静态模型则描述有功负荷 和无功负荷随电压和频率变动的稳态关系，其表达式是一组代数方程式，如公 式( 2 2 ) 所示。 i e l = c ( “，f ) = p o u 肇 i q = ( 甜，厂) = q u 舡 p 叫 式中： p o 、9 一表示电压标么值为1 时的有功和无功负荷； 【，电压幅值； 第二章配电网络重构理论和数学模型 岛、岛有功、无功电压特性系数，代表不同的负荷模型。 基于降损目的的配网重构属于稳态分析范畴，故重点分析几种常用的静态 模型。 1 恒定阻抗模型 这是较简单的负荷模型，即用恒定阻抗来模拟负荷，其值由稳态情况下负 荷所吸收的功率和负荷节点的电压来决定，且认为在暂态过程中该等值阻抗保 持不变。这种模型过于粗略，但由于其简洁便于运算，因而在稳态分析中常用。 公式( 2 2 ) 中，当缸= 岛= 2 时代表恒定阻抗模型，对应阻抗值为： a d 百u l = 矗= 吃+ 成( 2 - 3 ) s l p