（电力电子与电力传动专业论文）配电网负荷管理的智能算法研究.pdf

s u b j e c t：i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m so fl o a dm a n a g e m e n tf o rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k s s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e r n a m e ：w a n gs h u a n g h u i n s t r u c t o r ：l i uj i a n a b s t r a c t ( s i g a t u ) 蚴盆髫垒 ( s i g 明t u r e ) i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r sa sm u c ha sp o s s i b l ei nc a s eo f b e i n gl a c ko f p o w e rs u p p l y i n g ，as e r i e so f t e c h n i c a la p p r o a c h e sa r ep r o p o s e d t h el o a db a l a n c i n gm e a s u r ei ss e l e c t e da st h ef i r s tc h o i c et or e l i e v et h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e ns u p p l y i n ga n dn e e d i n gs i n c et h ec u s t o m e r sa r en o ti n f l u e n c e d b a s e do nas i n g l e s t e p p r o c e s so nl o o ps w i t c h e s ，ad 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 na p p r o a c hf o rl o a db a l a n c i n g i sr e a l i z e d a na p p r o a c ht oo b t a i nt h eo p t i m a lp e a kl o a ds h i f t i n gp l a ni s p r o p o s e d t h em o d e so f w o r k i n gs c h e d u l er e g u l a t i o na n dh o l i d a ys t a g g e r i n gp l a na r er e g a r d e da sg e n e s t h e s u m m a t i o no fp r o d u c t sb e t w e e na f f e c t e du s e rn u m b e ra n da f f e c t e dt i m eo rt h es u m m a t i o no f p r o d u c t sb e t w e e na f f e c t e dk w ha n da f f e c t e dt i m ea r eu s e da st h ei n d e x ag e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i si n t r o d u c e dt og e tt h eb e s tp e a kl o a ds h i f t i n gp l a na tac e r t a i no p e r a t i o nm o d e a s i n g l e s t e pp r o c e s so nl o o ps w i t c h e si sd e f i n e dt oa d j u s tt h eo p e r a t i o nm o d e ah e u r i s t i c m e t h o di sd e v e l o p e dt oo b t a i nt h eo p t i m a lp l a ni na l lo p e r a t i o nm o d e s b yu s i n gr a n d o m i n i t i a lv a l u ep r o c e s s ，t h ep o s s i b i l i t yt or e a c ht h eg l o b a lo p t i m u ms o l u t i o ni sr e m a r k a b l y i n c r e a s e d at y p i c a lt h r e e s e c t i o n - t h r e e - c o n n e c t i n gg r i di sg i v e na sa ne x a m p l es h o w i n gt h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d i ti sa l s os h o w nt h a tt h ep r o p e r t yo ft h er e s u l ti m p r o v e s 、v i t i lt h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e ro fi n v o l v e de l e m e n t s a na p p r o a c ht oo b t a i nt h eo p t i m a l o u t a g es c h e d u l ep l a n i sp r o p o s e dt or e d u c et h e i n f l u e n c eo nc u s t o m e r si nc a s eo fb e i n gl a c ko fp o w e rs u p p l y i n g s i n g l e s t e pa d j u s t m e n ti s u s e dt oc h a n g et h ep o s i t i o no ft h el o o p e ds w i t c h e s o n ed a yi sd i v i d e di n t os e v e r a lc o n t r o l s t a g e s t h ei n t e r r u p t i b l el o a d sa r er e g a r d e da sg e n e s ab i n a r yc o d i n gi sa d o p t e dt oi n d i c a t e w h e t h e rt h e r ea r eo u t a g e si nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t a g e s t h es u m m a t i o no fp r o d u c t s b e t w e e na f f e c t e du s e rn u m b e ra n da f f e c t e dt i m eo rt h et o t a ll o s tk 、bi su s e da st h ei n d e x t h e l i m i t a t i o no fo u t a g et i m e sf o re a c hc u s t o m e ri no n ed a yi si n t r o d u c e db ya p e n a l t yf a c t o r t h e c o n s t r a i n tc o n d i t i o n si n c l u d et h el i m i t a t i o n so fe l e c t r i c a l a p p a r a t u sa n dt h em a x i m u m p e r m i t t e dt i m e st oc h a n g eo p e r a t i n gm o d e s g ai si n t r o d u c e dt og e tt h eb e s to u t a g es c h e d u l e p l a na tac e r t a i no p e r a t i n gm o d e b yt a k i n gar a n d o mi n i t i a lv a l u em e a s u r e ，t h ep o s s i b i l i t yt o r e a c ht h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o ni sr e m a r k a b l yi n c r e a s e d a ne x a m p l ei sg i v e ns h o w i n gt h e f e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d t h ed e s c r i b e da l g o r i t h m sa r er e a l i z e do nm a t l a b p l a t f o r m t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w t h a t ：i nc a s eo fb e i n gl a c ko fp o w e rs u p p l y , t h ec o o r d i n a t i o na p p l i c a t i o no ft h ep r o p o s e d a p p r o a c h e sc a nn o to n l ye l i m i n a t et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l y i n ga n dr e q u i r e m e n t s ，b u t a l s om i n i m i z et h ee f f e c t so nc u s t o m e r s k e y w o r d s ：l o a dm a n a g e m e n t ( l l v o g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n w o r k i n gs c h e d u l er e g u l a t i o n h o l i d a ys t a g g e r i n gp l a n p e a kl o a ds h i f t i n gp l a n o p t i m a lo u t a g ep l a n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技太肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 l 学位论文作者签名：互双南日期：匆，乍趵 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：王蚁7 皂指导教师签名：1 眨翌 f 7 , o d 年毕月阳日 1 绪论 l 绪论 1 1 需求侧负荷管理的意义 近年来，随着我国国民经济产业结构的调整和电力工业的发展，用电结构和水平发 生了很大的变化。使得电力生产中供需矛盾较为突出，一方面电力的生产、输送及煤炭 运输等的压力很大，负荷峰谷差越来越大，但另一方面能源利用水平较低，浪费较大， 环境污染也相当严重。据资料 1 1 显示，2 0 0 2 年我国1 2 个省份缺电；2 0 0 3 年，全国2 3 个省份供电紧张，2 0 0 4 年2 7 个省份出现不同程度的拉闸限电现象。”电荒”波及范围广 大，使原来的局部性缺电变为全年性缺电。电力供需矛盾已经成为制约我国经济发展和 人民生活水平提高的全局性问题，电力紧张给老百姓的生活造成了很大的影响，企业的 日子更是不好过，在缺电最严重的浙江省一般企业实施供四停三，更有甚者供三停四。 虽然各级政府加大了对电力工业的投入，电力工业有了很大的发展，但电力富余之 后仍然缺电，主要原因【1 1 有以下几点： ( 1 ) 电力建设滞后于电力需求增长，直接导致电力供应总量不足。( 2 ) 近些年来 我国经济结构发生重大变化，电力发展规划对电力需求增长速度的预测不足，导致电力 供应总量不足。( 3 ) 市场没有充分发挥其资源优化配置作用，使得电厂出现“缺煤少水” 的现象，导致电力供应的不足。由于电煤供应紧张，致使火电厂缺煤影响发电机组出力。 ( 4 ) 电力消费引导不力，电力消费习俗的惯性使电力“削峰填谷”的效果并不明显。 由于长期以来电力企业并没有加强对电力消费的积极引导，电力消费习惯是自然形成 的，居民甚至生产企业只是根据自己的作息习惯来使用电力，从而导致电力需求和使用 时间集中。对居民来说，蓄热、蓄冷的电气设备并没有得到推广；对生产企业来说，分 时电价政策不够优惠或者执行不力，从而使得企业和居民对峰谷消费电力的积极性降 低。 解决电力短缺，不仅仅是依赖多建电厂，更多的是应该加强用电需求管理，实现有 序供电。我国于9 0 年代发展起来的通过对综合资源规划祁电力需求侧管理的研究，旨 在更合理开发电源项目、有效地配置电力资源、提高终端用电效率、节约电力电量。综 合资源规划和电力需求侧管理不仅是解决电力供应不足和支持我国“能源开发与节约并 重，把节约放在优先地位”的能源发展战略方针的重要手段，同时也是减少污染、保护 环境、缓和交通运输和资金压力、降低企业成本，从而成为有效推动社会、经济可持续 发展的重要途径。 需求侧管理【2 】( d e m a n d s i d em a n a g e m e n t 简称d s m ) 是国际上先进的综合资源规 划方法和管理技术的重要内容，始于2 0 世纪7 0 年代中期，2 0 世纪8 0 年代初期开始逐 西安科技大学硕士学位论叉 步充实和完善。2 0 世纪9 0 年代以来，需求侧管理逐步在许多国家推广。能源需求侧管 理的涵义就是能源部门( 主要是电力部门) 作为供应侧( s u p p l y s i d e ) ，采取行政和财政 激励政策，鼓励需求侧( d e m a n d s i d e ，即用户方) 利用各种有效的节能技术，改变能 源需求方式，在保证能源服务水平的前提下，有效地降低能源消费量和负荷水平，从而 减少新建电厂投资和一次能源消费量，取得明显的社会经济效益和环境效益。换句话说， d s m 的目的，就是影响用户改善能源使用的方法，以增加能源使用的效益，降低能源 需求的增长【3 1 。 电力工业传统的电力规划方法侧重于供应侧，即电源的开发，考虑如何以最经济的 投资建设发电厂，供应用户有廉价可靠的电力，满足用电负荷的不断增长。这种作法所 带来的负作用，就是电力系统尖峰负荷的居高不下和用能部门的浪费电力。现在人们已 认识到。不能单纯地重视能源的价值，更应该重视能源的使用价值。基于此，能源d s m 的观念应运而生。作为一种新观念，d s m 可以运用到公用事业的各个方面，如电力、 煤气、自来水等。目前世界各地区运用d s m 比较有成果的是电力d s m ，因此，能源 d s m 目前主要就是指电力d s m 口l 。 电力需求侧管理是指电力部门和政府有关部门运用有效的激励、诱导措施和适宜的 运作方式，与客户共同努力提高终端用电效率和改变用电方式，在满足同样用电功能的 同时减少电量消耗和电力需求，实现最低成本能源服务所进行的运营管理。负荷管理 4 1 ( l m ) 是需求侧管理一个重要的手段【5 1 ，也是配电管理系统的一个子系统，它面向用户， 借助于各种经济、技术手段，改变系统的负荷曲线形状而达到不同的负荷管理目标，从 而为电力系统更安全、经济地运行服务。主要是电力公司通过需求侧管理技术来改变用 户的用电行为从而改变负荷曲线的形状。负荷管理下的负荷改变目标为：削峰，填谷， 负荷转移，策略性节电，策略性发电，柔性负荷。 随着电力市场研究的不断深入，l m ( l o a dm a n a g e m e n t ) 在d s m 中得到了广泛的推 广和应用，功能主要包括合理安排负荷、实施调荷节电、平滑负荷曲线等。在需求侧管 理中，采用电力负荷管理系统对建立正常的供电秩序，防止无计划拉闸限电，保证重点 企业和重要市政及人民生活用电，维护社会安定，促进经济发展，具有十分重要的作用。 从2 0 0 2 年浙江省的用电负荷情况看【6 l ，最高尖峰负荷高达1 2 5 9 万千瓦，也就是在 1 1 0 0 万千瓦以上的时间仅为6 3 7 小时，只占全年的7 2 ，如能将这个尖峰负荷用需求 侧管理技术移到谷时段，就可节省1 5 9 万千瓦的发配电投资。按l 千瓦投资6 0 0 0 元计， 就要9 5 4 亿人民币，而且尖峰负荷时间不长，往往需要抽水蓄能电站、燃气发电机调峰， 单发电成本就在0 8 元每千瓦时以上，另外，抽水蓄电站建设成本非常高，燃气发电厂 不利于环保，而且受电源建设周期影响，难以在近时期内发挥作用。故此当务之急要运 用多种有效错峰让峰措旌、加强需求侧管理，确保供电稳定，以避免拉闸限电。 因为电力供应相对不足，这就要求各类用户注意节约用电，也要采取相应的错峰、 1 绪论 避峰、技术移荷等用电措施，共同度过缺电难关。在我们国家，许多省( 市) 如浙江、 云南、江苏、北京、上海等卜1 1 1 由于采取了一系列负荷管理措施，己使缺电的紧张形势 得到缓解。但这仅仅是局部得到缓解，全国范围内供需矛盾问题仍然没有得到有效解决。 而且即使现在解决了这一问题，随着国民经济的发展和产业结构的调整，在未来，“电 荒”仍然是一个需要解决的难题。配电网负荷管理理论方面的研究也有待进一步探索， 而根据我们的国情，国外的一些技术措施也不允许直接拿来就用，所以，配电网负荷管 理的研究具有非常大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 美国在世界上率先开展电力需求侧管理( d s m ) 并取得显著成效1 1 “，带动了d s m 在全世界的发展，目前已有3 0 多个国家和地区实施了d s m 。以美国为例，2 0 0 0 年人均 一次能源消费量与1 9 7 3 年几乎相等，但人均g d p 却增长7 4 。法国通过应用电力负荷 监控等d s m 措施，日负荷率从7 3 提高到8 5 左右，相应减少发电容量1 9 0 0 万千瓦。 英国筹集1 6 5 亿美元，投资到5 0 0 多个提高能效的项目中，实现节能6 8 0 0 百万千瓦时， 相当于2 0 0 万家庭的年用电量。2 0 0 1 年美国加州通过采取一系列提高能效的负荷管理措 施，削减高峰负荷5 7 0 万千瓦，有效缓解并度过了当时发生的电力危机难关，避免了1 6 0 亿美元的经济损失。 美国是最早实行d s m 的国家，也是最早实行电力负荷管理的国家【l ”。在美国有电 的初期，电力负荷仅为晚上照明用电和白天爱迪生公司的电力马达用电。在负荷管理方 面，1 8 9 5 年实行了使用分时计价法( t i m e o f - u s e ，t o u ) ，即是通过b r o o k l y n 的两用表将 时标转化为电量来计费；1 9 5 0 年采用脉动系统法( r i p p l es y s t e m s ) ；1 9 6 8 年采用特高频法 ( v e r yh i g hf r e q u e n c y , v h f ) 。尽管如此，当时多数美国电力公司并没有积累到多少负荷管 理方面的经验。这种现状一直持续到7 0 年代后期。如今，多数美国电力公司对负荷管 理使用分时计价制。1 9 9 5 年，美国有5 8 3 家大型电力公司通过实行负荷管理和需求方管 理，使高峰期用电量减少了2 9 5 6 1 m w ，达到整个高峰负荷的4 。美国电力公司负荷管 理的控制方案有：( 1 ) 直接负荷控制，即电力公司能在必要时直接掉闸。( 2 ) 可断续负荷 控制，即电力公司在掉闸前预先通知用户。( 3 ) 使用分时计价法，即电力公司通过适当的调 峰电价鼓动用户多用峰谷电力。 欧洲负荷管理的目标在于实现节约使用能源，使自然资源得到合理使用和贯彻环境 目标。意大利就采用了小水电进行负荷管理，它的特点是由区域电网提供基本负荷，而 由村镇的小供电系统供给峰值负荷和大部分中间级负荷 1 5 1 。美国、香港和南非的有些学 者提出了通过新建筑材料的使用、楼宇内终端电力设备优化安装以及联合控制建筑物热 负荷的冷化措施的采用即通过建筑节能削减高峰负荷 i “9 】。文献 2 0 1 提到的分时电价策 略被多个国家采用，被认为是一种减缓峰荷的有效措施。文献【2 1 】和 2 2 指出了在泰国 西安科技大学硕士学位论文 和沙特阿拉伯应用蓄冷蓄热技术达到了转移高峰和减少环境污染的效果。 英国和威尔士共和国的电网系统在7 0 年代就已经实行了用户自愿参加可断续负荷 控制工程，并取得成功。最早实施分时计价制且比较成功的是法国电力公司的g r e e t a f t f f 制。即电力公司可允许用户自行决定是否接受以工业或商业电力用户负荷系数为基准， 提供灵活的价格选择【i 。 文献f 4 4 提到在工业生产过程中负荷管理措施的应用，该方法是将负荷曲线划分为 高峰时段与非高峰时段，错峰时直接把负荷从高峰时段转移到非高峰时段，并且通过采 用分时电价策略，降低了总电力费用，负荷因子也得以提高，缓和了电力供需紧张局面。 通过1 1 节的描述我们知道，当配电网出现的“电力短缺”现象只发生在负荷高峰的一 小段时间内，而这种方法只把负荷曲线划分为两个时段，遇到电力高峰时，把负荷调整 至非峰值时段，这样对用户的生活会造成的影响较大。 文献1 2 2 提出了一种用模糊控制器实现电热水器类负荷错峰的方法，它将一天平均 分为四个时段，同时将所有用户分为四组，分别用四个模糊控制器来控制每组的延迟时 段，结果是三组用户都受到推延。这种方法对于蓄热和蓄冷类负荷尚可以接受，但是应 用到其他负荷时，虽然能达到错峰的目的，但影响用户数太多。 在企业遭遇电力短缺时，文献 4 1 、 4 2 分别提出用动态规划和动态迭代规划的方 法，以最小化用户的损失电量为目标，即就是最小化可中断负荷的容量，制定了拉闸限 电即就是停电计划，有效地缓解了电力短缺的局面，但没有考虑对某一用户频繁停电的 不合理性，这种方法对于集中供热、供暖类负荷尚可，对于工业类负荷就不适合了。而 且该方法没有考虑电网运行方式对停电计划的影响。 自上世纪9 0 年代初起，d s m 技术陆续引入我国，一些省市的电力公司先后将需求 方管理技术应用到用电管理中，取得了较好的效益。北京、上海、浙江、天津、深圳等 省市的电力公司，开展了适合本省市的需求方管理，提出了分时电价等价格体系，以及 科学的用电管理系统，提高了能源的利用率，降低了发电成本，系统负荷率得以改善。 2 0 0 2 年夏季，中国第一部电力需求侧管理方法在江苏省出台，从此，需求侧管 理就成为弥补全省电力缺口的第一手段。2 0 0 3 年，在电力缺口高达近4 0 0 万千瓦的情况 下，江苏通过需求侧管理，保证了电网安全运行和居民生活、重要生产的可靠用电。 深圳、河南、广东、浙江等地都有d s m 实践经验，且取得较好效果。实例证明， 以下降低高峰电力负荷的措施被认为是切实可行的： 错峰避峰等限电措施成为首选方案，以削减高峰期的用电量，确保限电不拉电； 将用电政策与产业政策、环保政策、能耗政策配合，确立优先确保优势产业、力争满 足均势产业、严格限制劣势产业的用电原则，限制高耗能企业的发展：开展节电宣传 以改变人们大手大脚的不良用电习惯，控制城市光亮工程的点亮时间，推广使用节电产 品；实施峰谷电价、季节性电价、可中断电价等价格措施，引导人们多在低谷期用电， d l 绪论 少在高峰期用电：加快电力建设，提高发电能力； 为了降低高峰负荷，我们国家根据国情，提出了先错峰，后避峰，再限荷，最后拉 路的基本策略【2 3 l 。减缓高峰负荷的负荷管理方面的措施主要有：削峰、填谷和移峰填谷 三种。 削峰的控制手段主要有两个：一个是直接负荷控制，即在电网峰荷时段，系统调度 人员通过远动或自控装置随时控制用户终端用电的一种方法。另一个是可中断负荷控 制，可中断负荷控制是根据供需双方事先的合同约定，系统调度人员在电网峰荷时段向 用户发出请求信号，经用户响应后中断部分供电的一种方法。 填谷是在电网低谷时段增加用户的电力电量需求，有利于启动系统空闲的发电容 量，并使电网负荷趋予平稳，提高了系统运行的经济性。 移峰填谷是将电网高峰负荷的用电需求推移到低谷负荷时段，同时起到削峰和填谷 的双重作用。主要的移峰填谷技术措施有： ( 1 ) 采用蓄冷蓄热技术。用户是否愿意采用蓄冷和蓄热技术，主要取决于它减少高峰 电费的支出是否能补偿多消耗低谷电量支出电费，并获得合适的收益。( 2 ) 能源替代运行。 在夏季尖峰的电网，在冬季用电加热替代燃料加热，在夏季可用燃料加热替代电加热； 在冬季尖峰的电网，在夏季可用电加热替代燃料加热，在冬季可用燃料加热替代电加热。 在日负荷的高峰和低谷时段，亦可采用能源替代技术实现移峰填谷，其中燃气和太阳能 是易于与电能相互替代的能源。( 3 ) 调整作业程序。调整作业程序是一些国家曾经长期采 取的一种平仰电网日内高峰负荷的常用办法，在工业企业中把一班制作业改为二班制， 把二班制作业改为三班制。( 4 ) 调整轮休制度。调整轮休制度也是一些国家长期采取的一 种平仰电网日问高峰负荷的常用办法，在企业间实行周内轮休来实现错峰，取得了很大 成效。 虽然负荷管理的很多项目已经在进行，但各国各地区的情况又不尽相同，要切实解 决这一问题，还有很多的工作要做。国家在负荷管理方面的研究处于起步阶段，应用上 大多是根据经验进行的，而理论方面的研究仍然有待进一步探索，本文的工作就是在这 样的背景下展开的。 1 3 本文的工作 从目前国内外负荷管理的研究现状可以看出：国内的负荷管理大多都是根据实际运 行经验安排进行的，国外的一些研究也都只是针对某些特殊类型的负荷展开的，影响的 用户数过多，缺乏通用性，而对于配电网负荷管理领域的研究就更少了。在配电网中， 负荷分布范围广，而且性质多变：工业负荷、民用负荷和商业负荷等。实际上，按照我 国的国情，民用和商业负荷曲线都不能改变，所以在实施负荷管理方案时，只能对工业 负荷采取相应措施。而在工业负荷中，两班制和三班制的企业负荷曲线一般都比较平坦， 西安科技走学硕士学位论文 峰谷差也比较小，所以只有峰谷差较大的一班制负荷曲线可以改变，进而影响整个配电 网络负荷曲线的改变。本文在前人工作的基础上，通过科学探索和严格论证，提出可以 缓解配电网络供需矛盾的错峰计划、轮休计划以及停电计划等一系列负荷管理方案，具 体工作如下： 在电力供需矛盾比较突出的情况下，满足用户用电需求是主要矛盾，因此，在采取 的所有方案中，对用户用电不造成任何影响的方案应该是首选措旌。本文在引入了联络 开关单步平移操作的概念后，把对用户用电不产生任何影响、以负荷均衡化为目标的配 网重构作为解决供需矛盾的首选方案。 当负荷均衡化措施不能解决供需矛盾时，通过对用户的作息时间或休息日时间做出 调整，转移高峰负荷到非高峰时段，不仅满足用户的总用电需求，而且可以降低高峰负 荷。本文提出了应用该方法的简单轮休计划和简单错峰计划的生成算法。即运用遗传算 法，以影响的户时数最少为目标函数，对配电网络连通系中的可控制负荷进行二进制编 码，以电气极限容量为约束条件，得出简单轮休计划和简单错蜂计划。 在我国，很多情况下都是错峰和轮休措施并举，因此，提出了错峰轮休计划的生成 算法，即就是在制定错峰计划时，也考虑轮休调整对负荷的影响。该算法仍然以电气极 限容量为约束条件，以受影响的户时数最少为目标，以可控制负荷为基因进行二进制编 码，染色体考虑错峰和轮休的双重调节作用。 本文探索了将三种措施同时应用于负荷管理过程的情况，提出了最优错峰计划的制 定。最优错峰计划就是综合考虑轮休、错峰和运行方式调整三种负荷管理措施的方法， 并通过算例证明了应用该措施可以得到更好的效果。 当最优错峰计划不能奏效时，就要对用户拉闸限电。为了合理地安排停电计划，本 文在前人大量工作研究的基础上，提出了最优停电计划的实现算法，算法考虑了运行方 式调整对停电计划的影响。 6 2 负荷均衡化 2 负荷均衡化 2 1 引言 配电网运行时，可能会由于馈线所带负荷性质的不同而出现负荷不平衡的情况， 即使在同一条馈线，在不同的时间段也会出现负荷的波动，所以，有的馈线和开关的负 荷接近甚至超过其额定负荷，而另一些馈线和开关的负荷却很小，这种运行方式显然是 不理想的。 负荷不均衡的网络不仅损耗大，甚至可能危及整个网络的稳定性。配电网负荷的均 衡化对于提高负荷率、提高网络的稳定性和可靠性具有重要意义。配电网由辐射状馈线 子系统组成，馈线上装有分段开关和联络开关。通过改变开关状态从而改变网络结构， 系统可以更加灵活、安全、经济地运行。通过网络优化重构应当将负荷过大的馈线和顶 点的负荷分配一部分到负荷较低的馈线和顶点上去，以达到负荷平衡的目的，面且用户 的用电不受任何影响，供电方的总售电量也不变。 所以，在配电网存在供需矛盾时，首先考虑网络重构。 2 2 配电网络重构的意义 配电网络重构就是在保证配网呈辐射状、满足馈线热容、电压降落要求和变压器容 量等的前提下，确定使配网某一指标( 如：配电网的线损、负荷均衡或供电电压质量等) 最佳的配网运行方式。 配电网络重构是优化配电系统运行的重要手段，在正常的运行条件下，配电调度员 根据运行情况进行开关操作以调整网络结构，一方面平衡负荷，消除过载，提高供电电 压质量；另一方面降低网损，提高系统的经济性。 配电网络重构的意义【2 4 1 主要在于： 降低配电网线损，提高系统经济性。西方主要工业国家的线损率大致在5 8 ， 我国为9 左右，与发达国家相比尚有差距。而在正常运行时，通过网络重构改善电网 运行方式从而达到降低配网线损的目的。均衡负荷，消除过载，提高供电电压质量。 在配网中，每条馈线均有不同类型的负荷如：商业类、民用类和工业类。由于不同类负 荷的日负荷曲线是不同的，在变电所变压器及每条馈线上峰值负荷出现的时问是不同 的，通过网络重构，可以将负荷从重负载或是过负载馈线( 或变压器) 转移到轻负载馈 线( 或变压器) 上，这种转移不仅调节了运行馈线的负荷水平，消除馈线过载，还能改 善电压质量，同时也可以有效地减少整个系统的网损。提高供电可靠性。在配电系统 发生故障时，可以打开配电系统中的某些分段开关隔离故障，同时合上某些联络开关把 西安科技大学硕士学位论文 故障线路上的部分或全部负荷转移到其他线路上去，从而起到快速隔离故障和恢复供电 的目的。 2 3 配电网拓扑结构的简化 2 3 1 配电网的无向图描述模型 将配电网的馈线当作无向边，并采用n 行n 列的网基结构矩阵d 加以描述，n 为 配电网中顶点的个数，即 d = d d n q ( 2 3 ) 若顶点i 和j 之间存在一条边，则吒= d j i 一，否则为0 。 网基结构矩阵d 描述了配电网的潜在联接方式，它决定于配电线路的架设，这种由 具有潜在联接方式的配电网构成的图被称作“网基”( b a s e ) 。在网基中，具有潜在连通 关系的一个子系统称为配网的一个连通系，例如图2 1 所示的配电网就是由两个连通系 组成的。 图2 1 具有两个连通系的网基 2 3 2 配电网的顶点描述矩阵 建立1 行列的源点分布矩阵m ，即时= b ，川：，川。 ，若顶点i 为电源点，则 m ，= l ，否则m 。= 0 。 建立1 行列的t 接点分布矩阵t ，即t = f 。，：，t 。】，n n , ai 为t 节点，则 2 负荷均衡化 ，= 1 ，否则t t = 0 。 建立1 行列的顶点状态矩阵o ，即d = 【d ，o ：，o 。】，若顶点i 处于合闸状态 则0 l = l ，否则o i = 0 。一般地，t 节点均认为处于合闸状态。 2 3 3 配电网的有向图描述模型 将配电网的馈线当作有向边( 也可称为“弧”) 的方向，其方向就是线路上潮流的方 向，并采用行列的弧结构矩阵c 加以描述，即 c = c l l c 1 2 + c 2 1 -_- c n i 。 ( 2 4 ) 其中为弧结构矩阵c 的顶点个数，如果节点f 和节点，之间存在一条由i 指向，的边， 则c 广1 ，c j f o ，弧结构矩阵c 阵的其余元素为o 。 2 3 4 配电网络的负荷矩阵描述 定义点网络的负荷矩阵： l = ，1 1l l2 ，l ，2 t ( 2 5 ) 工的对角线元素“为各节点的实际负荷值，b ( 1 i ，j n ) 为节点i 和节点，之间的 弧负荷值； 定义点网络的额定负荷矩阵e ： e = e 1 1e 1 2 e 2 1 ( 2 6 ) 额定负荷矩阵e 的对角线元素e i i 为各节点的实际负荷值，e f ( 1 i ，j n ) 为节点i 和节点j 之间的弧负荷值，额定负荷矩阵e 中没有对应的弧的位置的元素为很小的值， 比如o 0 1 。 建立行列的矩阵l n 为点网络的归一化负荷矩阵，即 9 嘶 西安科技大学硕士学位论文 l 。= l ml n w ( 2 7 ) 三打中的元素分别为l 。= 1 0 0 l 。e , 和户1 0 0 b 尼f 。 称网络的归一化负荷矩阵竹中，归一化负荷大于给定阈值( 如7 0 ) 的节点为该网络 的热点。称归一化负荷大于1 0 0 的节点为网络的过热点，称l n 中归一化负荷最大的节 点为网络的最热点；如果网络的热点是源点，则称它为网络的热源点；如果网络的过热点 是源点，则称它为网络的过热源点；称网络的热源点中归一化负荷最大的源点为网络的 最热源点；称网络的源点中归一化负荷不为o 且最小的源点为网络的最冷源点，称网络 的最冷源点的归一化负荷与网络的最热源点的归一化负荷之比为该网络的负荷比率。称 网络中归一化负荷大于7 0 的弧为该网络的热弧，称归一化负荷大于1 0 0 的弧为过热弧， 称网络的l n 中归一化负荷最大的弧为网络的最热弧。 2 3 5 基形变换 对于一个给定的点配电网络网络，实际上其网基结构矩阵d 和源点分布矩阵膨 是确定的，而其节点状态矩阵d 是变化的，每一种d 矩阵形式对应一种网形，也即对 应一个弧结构矩阵c 。因此，可以认为弧结构矩阵c 是网基结构矩阵d ，t 节点分布矩 阵丁和源点分布矩阵m 在节点状态矩阵。作用下的变换，称为基形变换，用y o u x i a n g t u 】 表示，即 c 。y o u x i a n g t u p ，m ，t ，0 ( 2 8 ) 开环配电网络的弧具有下列性质： ( 1 ) 处于分状态的节点只能作为弧的终点： ( 2 ) 处于合状态的非t 节点可以作为弧的起点； 上述性质是基形变换的依据，基形变换的含义是根据配网的潜在连接方式和各开关 的当前状态求得配网当前运行方式的过程。 基形变换可以按连通系进行，首先定义起点队列e s ，然后来用如下步骤： 第一步：根据源点分布矩阵m 将某个连通系中的源点的序号填入起点队列q ，中； 第二步：从起点队列e s 首取出一个节点作为当前起点，并判断该节点是否处于合 状态，若是则进行下一步，否则进行第四步； 第三步：查阅网基结构矩阵d ，搜寻是否存在以当前起点为端点的边，若存在这样 的边，则考察弧结构矩阵c ，看该边的方向是否己明确，若尚未明确，则在网形中一定 存在从当前起点发出的弧，将这些弧填人弧结构矩阵中，将它们终点当中处于合状态的 节点的序号填入起点队列中； 1 0 2 负荷均衡化 第四步：起点队列是否空? 若是则退出，否则回到第二步。 对于图2 2 所示的网形，假如节点如处于分状态，其余节点均处于合状态，则这种 情况下由网基变为网形的过程如下： 图2 2 一个典型的网形 4 将连通系中的源点的序号填入起点队列旦墨中，q 弘( v ，v 7 ) 。从节点v ，开始搜 寻，删除q 5 中的v i ，显然存在弧( v ，r e ) ，由于心处于合状态，因此将其放入起点 队列中，即q s = ( v 7 ，v 2 ) 。从节点v 7 开始搜寻，删除q s 中的v 7 ，显然存在弧( v 7 ，w ) ， 由于v 6 处于合状态，因此将其放入起点队列中，q - 弘( ，v 6 ) 。从节点v 2 开始搜寻，删 除( 梦中的，显然存在弧( u ，p 3 ) ，由于b 处于分状态，不将它放入起点队列，因此， q s 2 ( v 6 ) 。从节点v 6 开始搜寻，册0 除q s 中的v 6 ，存在弧( ”6 ，v s ) ，由于u 处于合状态， 因此将其放入起点队列中，q s = ( b ) 。从节点开始搜寻，删除旦嗲中的b ，显然存在 孤( v j ，v 0 和恬，v 0 ，由于”，处于合状态，v 8 处于分状态。将妇放入起点队列中，q s = ( v 一) 。从节点v 4 开始搜寻，删除q s 中的v ，存在弧( v 4 ，v 3 ) ，由于v 3 处于分状态，因 此不将其放入起点队列中，g p ( 中) ，搜索完毕。 2 3 6 馈线偶的负荷均衡化过程 采用流过配电网的源点的相对负荷来反映该馈线的负荷均衡情况。通常具有网络优 化潜力的配电网络呈环状或网格状以开环方式运行，因此从某个联络开关t s ；出发，沿着 逆潮流方向搜索，总可以找到两条馈线，对应两个源点p 锄和砌。定义一个联络开关两 西安科技大学硕士学位论文 侧的两条馈线为该联络开关的馈线偶。一个典型的馈线偶的构成如图2 t 3 所示。 潮流方向潮流方向 一 札m2日3t s in 2n ln 热源点分断开关联络开关分断开关冷源点 图2 3 典型的馈线偶组成 定义联络开关t s f 的馈线偶的负荷均衡率r l g 为： r l c ：m a x 。，i t 。 m i n 【l t 。，i t 。】i 。ex ( 2 9 ) 其中f t i o - x 1 t 。，k 胡和m l n i t 。，l t 。 分别表示取。和k 。中的较大者和较小者； 表示联络开关蜥的馈线偶中所有源点的集合。 定义一个连通系中所有联络开关的馈线偶的负荷均衡率最大者为该连通系的负荷 均衡率厶。，即 厶。= m a x r l c t ，r l c z , ，r l c ，】 f ex ( 2 1 0 ) 其中x 表示连通系中所有联络开关的馈线偶的集合。 2 3 7 配电网重构的数学模型 本文采用的重构方法以均衡负荷为目标，同时提高配电网的稳定性和可靠性。此优 化问题的目标函数可表示为。最小： m i n l 。= m 扣x r l g ，r l c 2 ，尺c 。】i ，。， 。， s ，玉s ( 2 1 1 ) u ，m u ，u ，一 其中，s 和最。分别为流过第i 个支路的负荷和其电气允许极限。u f 和v 。与v 。 为第i 个负荷处的电压和其允许上下极限，x 表示连通系中所有联络开关的馈线偶的集 合。 2 4 负荷均衡化 配电网络实际上是一种变结构耗散网络，开关运行方式变化可导致拓扑结构改变。 为了确保配电网的供电可靠性，一般采用多供电途径的环状网络开环运行的方式，即各 条馈线之间通过通常处于分状态的联络开关相联系。 目前已有多种不同的方法实现了以配电负荷均衡化为目标的网络重构，而以联络开 关为核心的网络重构方法【2 7 】，能够实现全局负荷均衡化，且具有迭代次数少和不需要量 测馈线配电变压器参数等优点。 随着计算机科学技术的发展，图论【28 】已广泛地应用于自然科学、工程技术和社会科 2 负荷均衡化 学的各个领域，图算法作为配电网自动化的新算法已发展成为一种重要的计算方法。将 配电网络看作是一种图，采用邻接矩阵加以描述，将配电线路沿线的馈线开关当作是图 的顶点，将馈线当作是图的弧，其方向就是线路上潮流的方向，从而构成描述配电网的 数学模型，本文利用文献【2 9 阐述的方法对配电网进行简化建模，如2 2 节和2 3 节所述。 并且在前人工作的基础上，提出了一种基于联络开关单步平移的启发式算法来进行配电 网络重构。 2 4 1 联络开关的单步平移操作 定义某个联络开关的单步平移操作为：将该联络开关节点合闸，而将逆着潮流方向 与其相邻的一个开关节点分闸，作为新的联络开关节点。显然由于入度最大为2 ，因此 对于每个联络开关的单步平移操作最多有2 个结果，分别称作单步左平移操作和单步右 平移操作。若得到的运行方式为不可行拓扑则保持原有运行方式不变。所谓不可行拓扑 是指存在闭环或无电孤岛的情形，可以分别采用下列判据判断： i ) 若存在入度大于l 的合闸节点则一定存在闭环； i i ) 若存在入度为0