（电力系统及其自动化专业论文）分域结构法在城市配电网重构中的应用.pdf

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 sav e r yi m p o r t a n tf u n c t i o no ft h ed i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m h a v et w oc h a r a c t e r i s t i c s ： o p e n l o o p r u na n dr i n gs t r u c t u r e n e tr e c o n f i g u r a t i o nn o to n l yc a nb a l a n c el o a d ，e r a s e o v e r - l o a d ，i m p r o v ep r o v i d ev o l t a g eq u a l i t y , b u ta l s oc a l lr e d u c en e tl o s s ，i m p r o v e s y s t e me c o n o m i c a le f f i c i e n c y n o r m a l l y , i tm u s tg u a r a n t e et h a td i s t r i b u t i o ns y s t e mo p e n - l o o p r u na n dh a v en o t i s o l a t e di s l a n d b e c a m eo ft h eh u g e q u a n t i t y o ft h es e c t i o nb r e a k e r sa n d i n t e r c o n n e c t i o ns w i t c h ，i tm u s ts p e n dl o n gt i m et oc o m b i n ea n do p t i m i z e t h i sp a p e r s o b j e c t i v ef u n c t i o ni st om a k en e tl o s sl o w e s t ，t h e nm et h em u l t i z o n es t r u c t u r e a l g o r i t h m i nt h eu r b a nd i s t r i b u t i o ns y s t e m o p t i m i z a t i o n m u l t i z o n e s t r u c t u r e a l g o r i t h mr e g a r dt h ep a r tb e t w e e nt h es e c t i o nb r e a k e ra n di n t e r c o n n e c t i o ns w i t c ha sa e q u i v a l e n tp o i n ta n dc o n s i d e r st h es t r u c t u r ea n dl o a dd i s t r i b u t i o no ft h eb r a n c hl i n ei n o r d e rt oi m p r o v et h es p e e da n dt h ea c c u r a c yo ft h eo p t i m i z a t i o n b e c a u s et i f f s a l g o r i t h ma d o p t sd e p t h _ f i r s ts e a r c h ，i tc a nc a l c u l a t et h ep o w e ri nb a c k w a r ds e q u e n c e a n dt h ev o l t a g ei nf o r w a r ds e q u e n c et h r o u g ha c c e s st h es e q u e n c el i s tw h i c hb a s et h e m u l t i z o n es t r u c t u r ea l g o r i t h mi nb a c k w a r do rf o r w a r ds e q u e n c e m e a n w h i l e ，u s i n g t h ea d j a c e n tz o n ea l g o r i t h me s t a b l i s ht h em u l t i z o n es t r u c t u r em o d e la f t e ra d j u s t ， r e s o l v e dt h en e tr e c o n f i g u r a t i o np r o b l e mw h i c hc o n s i d e r st h ec h a n g et h el o a d d i s t r i b u t i o n b e c a u s et h ee s t a b l i s hp r o c e s so ft h em u l t i - z o n es t r u c t u r em o d e li si n d e p e n d e n to f t h es e r i a ln u m b e ro ft h ee l e m e n t ，u s e ro n l ym u s tp r o v i d et h ea t t r i b u t ea n dt h e p a r a m e t e ro ft h ee l e m e n t ，s ot h ev e r s a t i l i t yo ft h i sm e t h o di sg o o d t h i sm e t h o di s a d o p t e di n d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h es h a n g q i ue l e c t r i c p o w e r c o r p o r a t i o n ，h a sr e c e i v e de x p e c t e dp u r p o s e k e yw o r d s ：p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，m u l t i - z o n e s t r u c t u r em o d e l ，t o p o l o g ya n a l y s i 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，也不包含为获得苤洼态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： 们l 签字日期： 咖7 | 学位论文版权使用授权书 年月f 扩日 本学位论文作者完全了解丞鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗太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) 巧寸易 c 7 月g e l 导师签名：荔髟磁勾。乏 签字日期川年石月所 第一章绪论 1 1 配电管理系统简介 第一章绪论 传统上将电力系统划分为发电、输电和配电三大部分。发电系统发出的电能 经由输电系统的输送，最后由配电系统分配给各个用户。配电系统是电力系统发 电、输电和配电中直接面向电力用户的部分。由配电设备，包括馈线、降压变压 器、断路器、各种开关在内构成的配电网和继电保护、自动装置、测量和计量仪 表以及通讯和控制设备构成一个配电系统，按一定的规则运行，以高质量的电能 持续的满足电力用户的需求。一般配电系统可划分为低压、中压和高压三部分， 一般将3 8 0 v 2 2 0 v 选为低压配电系统的电压等级，中压配电系统的电压等级选为 i o k v ，高压配电系统的电压等级通常为3 5 k v 、6 6 k v ，有些大型城市将2 2 0 k v 也 作为高压配电系统电压等级，以适应城市用电规模的增长。由于配电系统直接面 向终端的电力用户，它的完善与否直接关系到广大用户的用电可靠性和用电质 量。随着用户对用电质量和供电可靠性要求的不断提高，对配电系统提出了更高 的要求。发展完善而可靠的配电系统已经成为当前迫切的任务。 配电管理系统( d 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 ，简称d m s ) 是一个涉及供电 企业运行管理、设备管理、用户服务等各个方面的计算机网络系统。以配电自动 化实时环境、地理信息系统、综合性数据库系统等为基础，组成多个相对独立的 应用功能子系统，馈线自动化、故障投诉管理( t c m ) 、配电网地理信息系统 ( g i s ) 、配电网分析软件( p a s ) 、配电工作管理系统( d w m ) 、配电网及相关地 区电网的s c a d a 系统( 即配电网监控主站) 、电量计费( e e f ) 、用电营业管理 ( s m ) 、负荷管理( l m ) 等，同时还应和已有的m i s 等系统进行接口。这些 子系统之间在开放系统结构基础上实现有机的横向和纵向的集成，形成一个完整 的配电网管理系统u 1 。 配电管理系统有以下特点： ( 1 ) 配电管理系统的功能分布在许多数据库、应用服务器和工作站上，服务 器和工作站通过局域网或广域网互联。 ( 2 ) 适应配电网现代化管理的要求，有一套完整的支持配电网运行管理的系 列功能软件，各个模块及其功能应相互配合。 ( 3 ) 配电管理系统采集和监控的信息要比能量管理系统大得多，一般要大1 0 倍以上；通过配电远方终端单元( f t u ) 采集的实时数据量和控制量一般不到全 第一章绪论 部配电网数据总量的1 0 ，必须依靠故障投诉管理、负荷管理、 营业管理等子系统收集的信息来弥补实时信息的不足。 ( 4 ) 配电管理系统主要保证供电质量，迅速确定故障部位， 恢复线路送电和降低网损。 电量计费和用电 及时处理故障， ( 5 ) 由于配电网非常复杂，且网络结构经常变化，原有的模拟盘调度方式已 不能适应现代化配电网调度与管理的需要。配电网调度必须建立在地理图的基础 上进行。 配电管理系统有以下基本功能： ( 1 ) 配电s c a d a 配电s c a d a 系统( 即配电网监控主站) 应能满足配电网的监控需要，并可 以根据实际需要不断扩充系统功能。一般具有的功能包括：数据采集与处理，控 制，开关操作联锁，人工设置状态标志，人机界面( m m i ) ，信息与报警，事件 顺序记录，事故追忆，历史数据存取，趋势曲线分析，报表功能，数据分类，计 算功能，进程调度，数据库与数据库管理系统，实时数据库与应用数据库之间的 数据传输，计算机系统之间的数据传输，模拟显示，时钟校正，通道的切换与监 视，通信，拨号方式，r t o 处理功能，变压器分接头位置的显示幢1 。 ( 2 ) 馈线自动化 馈线自动化是一个完全集成在d m s 环境中，用于配电网络运行、监视、控 制、故障诊断、故障隔离、网络重构，旨在提高配电网供电可靠性和管理水平的 子系统。具体功能包括：事故预想、操作票管理、线路的动态着色和局部追踪、 临时性的网络修改、设备定位、故障诊断隔离和恢复供电。 配电网的实时信息通过就地的f ，r u 采集，传送到区域集控站或变电站集中 后，上报配电调度中心；配电调度中心的控制命令通过区域集控站或变电站转发 给f t i j 执行。应根据实际情况采用多种通信通道，区域集控站或变电站与f t u 之间可采用的通信介质为低压载波、光纤、无线电、公用电话网等，配电调度中 心与区域集控站或变电站之间的通信一般可采用已有的调度与区域集控站或变 电站的通信通道嘲。 ( 3 ) 地理信息系统 地理信息系统( g i s ) 的应用为配电网的运行管理提供一个具有地理环境信息 的网络模型，对配电网设备的资产、规划、设计、施工、检修等进行有效的管理， 并支持应用软件的开发和其它予系统功能的实现，如馈线自动化、故障投诉管理 等。配电g i s 管理信息系统作为采集、分析、处理空间数据的计算机信息系统， 在电力行业具有良好的应用前景“1 。宜采用成熟的商用地理信息系统( 如a r c i n f o ) 作为配电网地理信息系统的开发平台。基本要求包括t 数据库采用层的 2 第一章绪论 概念来组织和管理基础数据；设备信息及地理信息的数据收集与转换；应具备多 种方式创建、复制、更新、组合地图的能力；支持数字化仪的图形输入方式，直 接生成矢量图；提供地图拼装工具。 ( 4 ) 配电工作管理 配电工作管理是在g i s 提供的地理背景图形上，对配电网络的日常工作进行 全面的运行管理。其主要功能为：配电网运行工作管理；配电网设备检修管理； 配电网设备档案管理；配电网统计报表管理；配电网工程设计；配电网施工计划 和施工工作管理。 ( 5 ) 配电网的应用软件 根据配电网的需要，用于配电网的应用软件一般包括配电网络建模和拓扑、 负荷建模和校准、配电潮流、配电负荷预报、网络结构优化和重构等。 所有应用软件都应有实时和研究方式；应用软件的驱动方式可以选择定时、 按事件或调度员请求；中低压配电网络分析软件应充分考虑配电网三相不平衡、 r x 值大、辐射结构等特点，在算法上确保计算的收敛性；允许用户选择计算 模型和计算方法；所有网络分析软件应共享一个系统模型，对可以由用户修改的 部分应具有缺省值；应用软件共享同一核心数据库。在简化系统中，只通过改变 母线的数学模型来反映对网络所作的部分简化，核心数据库保持不变。 ( 6 ) 故障投诉管理 故障投诉管理( t c m ) 主要包括用户电话投诉管理、故障诊断、故障定位等 功能模块，用于配电网停电管理过程。在g i s 提供的带有地理信息背景的设备管 理界面上，通过馈线自动化系统提供的实时信息和从配电工作管理系统、用电营 业管理系统获取的有关信息，将表示投诉电话地址和停电状态( 提出并确认) 的 图符显示在网络图上，为供电可靠性、优质服务提供保证。 应能提供一套完整的工具软件，确认故障投诉电话反映的故障与可能的停电 故障之间的关系，快速而准确地确定电网所发生的故障位置，显示故障诊断结果 ( 如故障类型、故障地点和故障严重程度) ，需要时对诊断结果给出解释，并给 出修复对策，形成故障抢修命令及抢修人员安排计划。 ( 7 ) 用电营业管理 用电营业管理系统是d m s 面向电力用户的前置机，向d m s 提供用户信息。 一般由下述几部分组成：用户报装管理，用户电能信息管理，营业电费管理，电 能计量表计管理，用电检查管理。 ( 8 ) 电能计费电能计费系统是以电能计量技术为基础，采用现代先进的计 算机盟通讯技术，实现电能自动采集传输的自动化系统璐1 。电能计费功能通过对 电量的分时段采集，对不同时段的电量进行不同价格计费，了解不同时段的电量 第一章绪论 变化情况，更好地实现计划用电，并使电网更高效地运行。 d m s 中应提供单独数据库及电能计费的常规软件，具有数据库访问手段， 允许在系统支持平台上开发应用软件。d m s 通过通信工作站用电话拨号方式对 远方厂站的各计量关口电量进行采集、处理、统计、结算，能方便地生成各种统 计、分析报表，具有电量分时段( t l p 按负荷峰、谷、腰时段) 统计和计算等功能， 能方便地在线修改有关参数及报表格式等。 ( 9 ) 负荷管理 电力负荷控制管理系统是集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计 量技术为一体的电力需求侧实时采集和综合信息管理系统1 。通过负荷管理这一 手段，可提高d m s 所需信息的覆盖面；根据配电网的负荷情况、用户的用电性质、 用电合同等用户信息，自动编制负荷的削峰填谷计划；根据削峰填谷计划，自动 编制实施负荷控制用户的清单，允许人工修改、确认并自动进行用户监控参数的 设定；对计划限荷和紧急限荷进行多方案比较选定；根据当前电网运行的状况， 向负荷管理系统提供调整负荷的方案，该方案应充分考虑电网运行的安全性和经 济性；根据当前电网运行的状况，提供降压减载方案，并通过买方负荷管理系统 实施用户可控负荷周期控制，切除用户可控负荷，当电网出现紧急情况时，及时 向买方负荷管理系统提供强制性切负荷命令。 1 2 配电网重构的研究状况 配电系统具有环状结构、开环运行的特点。配电系统中包含大量的常合开 关及少量常开开关。正常运行条件下，配电调度员周期性( 如按季节) 地进行开关 操作以调节网络结构( 重构网络) 。通过网络重构，一方面平衡负荷，消除过载， 提高供电电压质量；另一方面降低网络损耗，提高系统的经济性。在故障情况下， 闭合一些常开开关，隔离故障支路。同时打开一些常合开关，使系统保持开环运 行状态，把故障支路的负荷全部或部分的转移到另一条馈线或同条馈线的另一 条支路上。所以网络重构是提高配电系统安全性和经济性的重要手段。配电网络 重构，又称配电网络再组合，是配电网络优化的个有效手段，既可作为网络规 划的工具，又可作为实时控制的工具。 早期的配电网重构主要是研究通过怎样的供电路径给新用户供电可以使总 的费用最小，即研究配网规划阶段的配电网络重构问题。后来，有学者研究配电 自动化系统中加入网络重构是否可行。研究结果表明配电网络重构不仅在经济和 技术上可行，而且可以极大地优化配电系统的运行，提高供电可靠性，降低配电网 线受损，因此，配电网络重构的研究成为目前电力系统热点研究的问题之一h 1 。 4 第一章绪论 1 2 1 配电网重构的目标函数 配电网重构的优化目标函数有很多种。一般有：网损最小，电压电流越限最 小，负荷平衡度高，可靠性高，开关操作次数最少，能量损耗最小( 需要负荷曲 线) 等，或者综合考虑其中的个或几个方面。 ( 1 ) 提高配电系统运行的经济性为目的，一般是以系统的有功损耗最小作为 目标函数】【9 】。考虑到现实中配电系统各节点的负荷每时每刻都在发生变化，导 致网络以有功功率损耗最小为目标的最优结构也可能随时发生变化。现实系统一 般以一段时间能量损耗最小作为目标函数的配电网络重构方法。 ( 2 ) 以平衡各馈线的负荷，消除过载为目的n 0 1 。一般是以正常运行时每条馈 线和每台变压器、支路上的负荷都不越限作为目标函数。使负荷均匀分布，避免 设备过载，提高电网的安全性和供电质量。 ( 3 ) 以故障情况下恢复供电、恢复供电可靠性作为目的。一般包括以开关的 操作次数最小、恢复供电的负荷最大、重要用户优先供电、系统平均停电时间最 小、系统平均停电频率最小、有较大裕度以预备下一次故障等作为目标函数。 ( 4 ) 以提高系统的稳定性和可靠性为目标，使系统可以带更多的负荷，减少 甩负荷的可能性。提高系统可靠性的途径一般有两条：提高组成系统各元件的 可靠性性能：增加系统的冗余度。但这两种方法都需要增加投资，经济性不是 很好。进行配电网的重构可以在不增加投资的情况下，提高系统的可靠性。 ( 5 ) 某给定时间段上( 一日、一周或一季度) 的系统能量损耗最小。一般为简 化起见，采用梯形曲线来近似代替配电系统的实际的连续的负荷曲线，而不考虑 在较小时间段内负荷的波动情况。这一重构目标是从节省能源的角度考虑的。它 保证了在某给定时间段上的系统能量损耗最小。 1 2 2 配电网重构的优化方法 最优配电网络重构技术从早期的传统优化手段到启发式和近全局寻优技术， 再到近期的人工智能技术。以下将对上述各种方法做出分析和讨论。 ( 1 ) 传统的数学优化法 传统的数学优化法包括分枝界面法、单回路优化法等。分枝界面法是将重构 问题表达成一个非线性或线性规划问题，然后用己相对成熟的规划方法求解。这 种方法的基本原理是将所有开关闭合，然后根据与原网络相似的线性电阻网络模 型确定要打开的开关，不断重复，直至形成辐射网络。单回路优化法将最优网络 结构表示成一个整数优化问题，其目标函数是网络的有功网损最小，它是电流的 二次函数。求解时首先寻找一个初始结构为基本可行解，在此基础上，在打开的 第一章绪论 联络开关集中搜索一个使其闭合，在闭合的分段开关集中搜索一个使其断开，形 成新的网络结构，并使其网损有所减少。不断重复这个过程，直至网损不能减少 为止，对应的结构就是最优网络结构。传统的数学优化法，算法比较成熟，可以 得到不依赖于配电网初始结构的全局最优解，但其计算时间长，不能处理复杂的 大规模的电力系统。 ( 2 ) 最优流模式算法 最优流模式算法是由d s h i r m o h a m m a d i 等人于1 9 8 9 年提出的一种启发式方 法，该方法首先闭合网络中的所有开关，形成有几个环的少网孔配电系统。以网 损最小为目标，在满足负荷需求的情况下计算最优潮流，求得环网支路的电流分 布：然后将电流最小的支路断开，从而解开一个环，并且重新计算最优潮流：如此 重复，直到配电网变成辐射网。这种算法中计算一次开关由合至开需要计算两次 环网潮流，计算量大，而且求解潮流时各环网电流相互影响。但是配电网重构的 结果与初始网络状态无关，比较容易收敛于最优解。 文献 1 1 提出了一种基于改进最优流和遗传算法的配电网重构算法。该算法 既通过压缩寻优空间提高了遗传算法的搜索效率，又利用改进最优流法改善了局 部寻优能力。 ( 3 ) 支路交换法 该算法由s c i v a n l a r 等人首先提出，这类方法大都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和电压变 化，网损估计有一定的误差。支路交换算法以固定节点注入电流，以优化理论为 根据，把开关操作的组合问题变为开关的启发式单开问题，而且只需要估算支路 交换引起的网损变化，无需重新计算潮流，计算量小。缺点是每次只能考虑一对 开关的操作，给出的配电网重构结果与配电网的初始结构有关，不能保证全局最 优。 文献 1 2 提出了一种配电网重构的快速支路交换算法。该方法中用近似网损 替代精确网损，对每个联络开关依次进行对应环网的重构优化，根据最佳转移负 荷的符号和大小确定环网的最大降损开关交换，避免了使用启发式规则，且在重 构过程中无需进行潮流计算，从而显著提高了网络重构的计算速度。文献 1 3 提出一次可以实施多个独立拓扑调整的配网重构方法，并通过节点流过的负荷电 流值与理想转移负荷之间的距离确定打开的分段开关，进一步提高了处理效率， 当降损效率小于给定值时不再进行网络重构，避免了无实际意义的拓扑调整。该 算法考虑并非所有配网支路上都安装开关，更符合实际情况。 ( 4 ) 遗传算法( g a ) 遗传算法是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法。它将网络的开关状态 6 第一章绪论 编码成二进制字符串，类似于生物中的基因链，每个字符中对应于一个适应度函 数，考虑网络损耗及约束条件罚因子，将问题转化为一个混和的0 ，l 规则问题， 通过字符串进行“复制”、“杂交 、“变异”等操作，经过许多代进化后，从 中选择适应度最大的字符串，即为最优网络结构。 遗传算法的优点是简单、鲁棒性强、有较好的全局寻优能力。它将离散的开 关状态或是线路段状态用一系列二进制数表示，适于计算机处理。因为它一开始 就从多起点同时搜索，所以找出全局最优解的可能性很大。遗传算法的适应度函 数仅与目标函数有关，与求解的问题无关，因此对配电网络结构无任何依赖性， 可以适用于不同的网络。 文献 1 4 提出了一种基于“学习范例数组 、“学习算子”和“学习率”的 改进遗传算法可以有效地解决简单遗传算法无法求解配电网络重构问题。文献 1 5 针对遗传算法的局限性，提出了一种新的模糊自适应遗传算法，缩短了染色 体编码长度、设计了与进化代数、适应度、及个体排序相关的自适应交叉率与变 异率，从而使得该算法能够有效地提高收敛速度，避免早熟收敛。 ( 5 ) t a b u 搜索算法( t s ) t s 的基本思想是利用一种灵活的“记忆 技术对已经进行的优化过程进行 记录和选择，指导下一步的搜索方向。文献 1 6 应用了一种改进的t s 方法和专 家系统实现配电系统最优网络重构，优化目标为损耗最小和电压质量最高，同时 保证足够的供电可靠性。供电可靠性指标是根据在预想事故发生的情况下，重构 后的网络结构能否向用户恢复供电来衡量的。所采用的改进的t s 方法可以在搜 索过程中自动调整有关参数，无需由使用人员凭经验给定。 ( 6 ) 人工神经元( a n n ) 人工神经网络方法是模拟人脑的思维方法，适用于映射复杂的非线性函数关 系。人工神经网络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即最优结构，即包括一 个输入输出关系的样本。它的优点在于不需要进行潮流计算，对神经网络的训 练数据只需要对应不同初始结构和网络结构即可。因而，一旦它的权值给定，只 要给定输入，立到就可以得到输出。它的不足在于其最优解与训练组的数据关系 很大，而配电网的结构与负荷变化非常频繁，其权值常需要重新更换，而且在训 练过程中有时会出现“麻痹 现象，从而限制了其实用性。 文献 1 7 提出了一种基于小脑模型关节控制器( c m a c ) 神经网络配电网重 构模型。该模型可以快速地给出重构的结果，适合大型配电网使用。 ( 7 ) 专家系统( e s ) 专家系统法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 7 第一章绪论 法。它包括知识库、推理机( 或推理机制) 、综合数据库( 或工作存储器) 、解释接 口( 或人机界面) 、知识获取( 或预处理程序) 5 个方面。它的优点是使用范围较广， 能满足实时要求，可适用于大规模网络和多故障条件下的恢复，网络变化后只需 要修改相应的知识库。它的主要缺点是：知识获取难：处理复杂问题的时间长：容 错能力差：基础理论还不完善：约束条件的考虑较困难，且无法保证最后所得的解 是全局最优解。专家系统擅长解决电力系统中难以建立数学模型而又依赖专家经 验知识的问题。 文献 4 4 提出一种基于专家系统的故障恢复与配电网重构算法，充分利用了 调度人员的经验，但不能保证得到全局最优解。 1 2 3 配电网重构面临的问题 配电网重构所涉及的问题有：负荷预测、潮流计算、搜索方法、目标函数等。 目前人们最关心的是搜索方法，但是其它几个方面也应得到重视和研究： ( 1 ) 配电网重构的计算是建立在一定的负荷数据上的，因此负荷值对于配电 网重构的计算结果有较大影响，在进行配电网重构计算、比较收益和费用时，必 须努力提高负荷预测精度，考虑到负荷预测误差和负荷模型的影响。 ( 2 ) 由于配电网具有与输电网不同的特点，如三相不平衡及r x 的值较大， 输电网潮流计算方法( 如p q 分解法) 并不完全适合配电网，而且容易出现收敛性 问题：另外，配电网一般呈辐射状运行，因此应当采用独特的潮流计算方法。同 时，在配电网重构中，通常要尝试多种网络结构，进行迭代潮流计算，因此应当 努力提高潮流计算速度。 ( 3 ) 配电网重构可以减少网损带来收益，但是同时也需要一定的费用，而且 实施时必须考虑配电网重构对于继电保护、电网安全性等的影响，受到一定的约 束。因此配电网重构的目标函数并不是单一的网损，而是一个多目标决策问题， 在这方面，人工智能和模糊理论等都可以很好地发挥评估和决策作用。 ( 4 ) 目前实用的配电网重构主要按季节操作。由于负荷是随时变化的，研究 实时的配电网重构具有潜在的重要意义，其实用化则有待于配电管理系统的完善 和开关性能的改进。当前我国对于d m s 的研究起步不久，主要探讨如何利用分 段器、联络开关实现故障的识别、隔离和对非故障区恢复供电。其中恢复供电的 策略可以被配电网重构研究所借鉴。 1 3 本论文的主要研究工作 针对以上提到的配电网重构的现有方法和存在的问题，把分域结构法应用在 8 第一章绪论 城市配电网重构中。具体工作如下： ( 1 ) 本文针对配电网络的特点，设计了配电网数据的可视化管理系统。用户 可以方便地利用本系统结合本地具体情况进行画图，与原有纸面配电图匹配。 ( 2 ) 研究了建立分域拓扑模型的方法。定义主干线为从电源点或者重构开关 到另一个电源点或者重构开关之间的图形。在拓扑分析时也从这些主干线出发， 结合自定义形成的链表，形成很多小的区域。这样，与传统编号方式相比，具有 存储量小，变化跟踪性能好等优点。 ( 3 ) 研究了基于分域模型顺序表的配电网递推式潮流算法。 ( 4 ) 提出了一种基于分域模型的配电网重构优化方法。把分段开关和联络开 关之间的网络看作一个等效节点，且考虑分支线的结构和负荷分布，以提高组合 优化的速度和精度。同时，采用邻域法快速形成调整后的分域模型，很好地解决 了考虑负荷分布变化的网络重构优化问题。 9 第二章基于图形界面的配电网建模 第二章基于图形界面的配电网建模 元件建模是配电管理系统可视化的基础，也是连接用户与计算机系统的桥 梁。用户利用建模后形成的各种元件绘制自己的配电图后才能进行后续的一系列 工作。在考虑到计算机存储方式的基础上，如何能使系统中的元件尽量符合现实 中用户接触到的实际元件，具有实际元件的各种物理特性和电气特性，并且能够 为后面的拓扑搜索作好准备工作，这都是建模时需要解决的问题。 2 1 元件建模及层次关系 很多文献都介绍了建模技术n 蝴，考虑到用户在绘图时可以更加清晰和增加 可读性，我们应用面向对象技术进行元件建模。 面向对象技术是一门新的软件技术脚别。它从现实的事物出发，将实际问题 划分为对象，通过对象的作用及对象间的功能来解决。它以对象为中心，将对象 的属性、动态行为、领域知识和处理方法等有关知识封装。在表达对象的结构中 能清晰地表达出抽象的概念i 面向对象方法有以下主要特征：封装性、继承性、多态性。在程序设计中， 封装是指将一个数据和与这个数据有关的操作集合放在一起，形成一个能动的实 体一对象。用户不必知道对象行为的实现细节，只需根据对象提供的外部特性接 口访问对象即可；继承所表达的就是一种对象类之间的相交关系，它使得某类对 象可以继承另外一类对象的特征和能力。若类之间具有继承关系。则类间既有共 享特征也有细微的差别或新增部分，并且类间具有层次结构多态性描述的是同一 个消息，可以根据发送对象的不同采用不同的行为方式通过重载虚函数和抽象类 实现多态性面向对象程序设计。与传统的结构化程序设计方法相比具有程序易 于维护、扩展、可重用性好等优点。 继承是类之间定义的一种重要关系。定义类口时，自动得到类么的操作和属 性，使得程序员只需定义类么中所没有的新成分就可完成在类曰的定义，这样称 类曰继承了类4 ，类彳派生了类曰，彳是基类( 父类) ，b 是派生类( 子类) 。这 种机制称为继承。派生类可以具有基类的特性，共享基类的成员函数，使用基类 的数据成员，还可以定义自己的新特性，定义自己的数据成员和成员函数。 根据配电网的实际情况，本系统的建模元件主要有：输电线、连接点、变压 器、变电站、开关和负荷等。此外，根据图示的需要，还需要有标注元件。 i 0 第二章基于图形界面的配电网建模 2 1 1 基本元件和派生元件 实际电网中的元件各有不同的物理属性和电气属性，比如输电线有电阻r 、 电感x 和长度以及型号，而变压器则需要有容量，开关、断路器则需要有自身 开关状态。这样就需要建立若干个不同的类来分别表示这些元件。我们可以先建 立一个基类( 也可称为基本元件) ，然后从这个基类中派生出分别具有不同属性 的子类，用来表示具有不同属性的元件。 ( 1 ) 基类( t e l e b a s e ) 基类也称为基本元件，是从t c o m p o n e n t 派生而来。除了具有很多绘图属性 外还具有很多物理和电气属性。 c l a s st e l e b a s e ：p u b l i ct c o m p o n e n t p f i v a t e ： i n tf s e l e c t e d ； 是否被选中 a n s i s t r i n gf e l e n a m e ； 具体元件名 a n s i s t r i n gf e l e c l a s s n a m e ； 所属类名 a n s i s t r i n gf o w n e r s u b s t a t i o n ： 所属变电站 a n s i s t r i n gf o w n e r p a n e l ； 所属盘名 a n s i s t r i n gf o w n e r l i n e ； 所属线路名 a n s i s t r i n gf t y p e ； 元件类型 i n t f s t a t e ； 开关状态 i n tf s o r t ；元件分类 i n tf d i s t a n c e ；元件长度 i n t f c a p a c i t y ； 元件容量 p u b l i c ： v i r t u a lv o i df a s t c a l ls e t h o t p o i n t l i n t ( t e l e b a s e * e i e ) ；设置热点连接 t l i s t * l i n k e l e m e n t ； 与元件连接的其他元件 t l i s t * o r g l i n k b l o c k ； 原始链表 t l i s t * a p p l i n k b l o c k ； 应用链表 i n tt y p e l n m a i n b r a n c h ；主干线元件类型 ) 基本元件因为要派生各种不同类型的元件，所以它具有的属性最全，下面 结合各种派生出的元件还会具体说明各种属性。 ( 2 ) 开关类( t e l e b r e a k e r ) 第二章基于图形界面的配电网建模 开关类派生自t e l e o n o f f ( 派生自t e l e b a s e ，具有设定开关属性的函数) 。 这类元件有开关状态，而且为了后面的拓扑分析和重构定义了两种类型的开关。 表2 1 开关类属性表 ( 3 ) 输电线类( t e l e w i r e ) 输电线类派生自t e l e l i n e 。这类元件属性较多，在系统中也最为常见。 表2 2 输电线类属性表 ( 4 ) 连接点( t e l e l i n k e r ) 系统中的连接点在实际中和在后续的计算中都有很多不同的类型。根据不同 的情况，我们把连接点分为5 类：普通连接点电源点普通负荷点( 相 对于负控负荷点来说的，此点功率数值未知) 负控负荷点( 简单的说就是此 点的用电负荷情况能够得到) s c a d a 检测点。 ( 5 ) 变压器类( t e l e t r a n s f o r m e r ) 变压器类的主要属性有各种变压器参数，如尺、z 和r a t i o 等等。此外，我 们也把变压器分成两类：普通变压器和负控变压器( 此种变压器的用电负荷情况 能够得到) o 此外还有标注类( t e l e t e x t ) ，这里就不赘述了。 1 2 第二章基于图形界面的配电网建模 2 1 2 元件派生及层次关系 22 绘图程序简介 圈 图2 1 元件派生关系图 摹墨学亚e 秽 l ”m t i 盎】 利矗霉 一“一型一一 图22 绘图界面 蜜回国审囱回由囱囱国国囱 第= 章基于图形界面的配电阿建模 菜单栏 女# 哪 d 新建f 眦 c n 岳扪r o 】 c t rr + o 曾差闻c 】 日愠耕5 】 c t r l + s b # 女f q 屯 出舢t 吒a d 女# 【a 州) 学 女l n e t n h h 】 逗【口 图23 文件选项 ；辑【舶 品剪何 毡复就q x 脯习 生日十m 】 修改元件颜色 y 】 惭g 元件十空芋的礤甑w 】 舶除黼范围以外的元# 【” 圉2 4 编辑选项 文件选项主要是对文件的操作。包括：新建、打开、关闭、保存等。此外， 还可将在本画图软件绘制的配电网络图导出成为a u t o c a d 文件和m e t a l 文件。 这样就实现了不同绘图平台的兼容。 编辑选项包括对绘图元件的剪切、复制，删除及着色等功能。 此外，菜单栏还有查看、设置、检查、窗口和帮助选项怛因为它们是对元 件各种输入数据的操作，这里就不予以介绍了。 ( 2 ) 工具栏：包括绘图用的各种元件。 基本元件 线路元件 开关元件 变电元件 b ”i “】h m f ”i i 、口 i * 皿珥舅啊啊幽l 舛斛【! 剜$ t # f t 舯1 日 耕i j 、 7 - i 【。：；：；：；：= = = = = = = d 面画i i i i i i 雨萄蠢面 斟甜i 蚺耕* # 神l l t 斛1 叶斛】 、4o4o 。帚j 。l e r f 7 i i i 罩：一x t 必5 一i 洲i 。i _ e j + 图片元件： 、 1 一。+ 、+ ( 3 ) 状态栏：主要用于显示被选中元件的各种属性。 23 本章小结 至此，介绍了各种元件的建模思想和属性设置，为咀后的拓扑搜索和重构计 一 第二章基于图形界面的配电网建模 算打下了基础。此外，还介绍了绘图程序的界面以及各种菜单的功能通过实践证 明，此种建模方法和绘图程序是符合实际的，也是可以满足实际应用要求的。 第三章分域模型的建立 第三章分域模型的建立 配电网络的拓扑结构与输电网相比具有结构复杂、多分支、多联络、网络庞 大且复杂、设备多等特点。采用何种有效的拓扑表示，使之既能直观地表示出配 电网的结构，且适应配网结构多变化的特点，是实现配电管理自动化系统高级功 能所需解决的主要问题之一。 本文中的拓扑方法主要分两部分，即：初始热点连接，分域拓扑模型。 3 1 拓扑学图论基础 拓扑学的英文名是t o p o l o g y ，是几何学的一个分支，但是这种几何学又和通 常的平面几何、立体几何不同。通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、 面之间的位置关系以及它们的度量性质。拓扑学对于研究对象的长短、大小、面 积、体积等度量性质和数量关系都无关。 电网络是最早应用图论的学科之一，电网络方程的建立、计算参数的拓扑公 式、信号流图、故障诊断、集成电路布线、通讯网络、屯力系统等等问题均与图 论密切相关陋矧。 下面简要叙述一下图论的有关术语和定义口们。 在图论中将事物抽象为点，将事物间的相互关系抽象为点的二元关系，称为 边。点及其二元关系总称为图。由点、边组成的拓扑图构成描述事物间联系的数 学模型。 顶点和边是构成图的两大要素。为了便于研究，人们又根据边是否具有方向， 将图分为有向图和无向图两大类。 有向图g 记作g = ( v ，么) 。其中，y 是顶点的集合，彳是顶点间形如( k ，) 的 有向边( 弧) 组成的集合，它是矿上的一个二元关系。弧( 形，巧) 表示该弧的始点是 形，终点是巧 无向图g 记作g = ( y ，e ) 。其中，矿是顶点集，e 是g 中边( 无向) 的集合， 用 表示边，k ，k 是该边的两个端点。一个图虽然非常直观，但却不易 计算，特别不易于在计算机上进行运算。一个有效的解决方法是将图表示成矩阵 形式，通常采用邻接矩阵和关联矩阵。 邻接矩阵a 表示图g 顶点之间的邻接关系。它是一个”阶方阵。邻接矩阵可 以表示图g 中的自环，但不能表示重边。如果( k ，以) 是g 中的一条弧，则口f ，= 1 ， 1 6 第三章分域模型的建立 否则略= 0 关联矩阵b 揭示了图g 顶点和弧( 边) 之间的关联关系，它是一个 刀胁的矩阵。关联矩阵可以表示图g 的重边，但无法表示自环。 配电网设备繁多，网络纵横，可以看成是由很多树组成的森林。但在实际运 行中，一般是开环运行，可以简化成很多个树的组合。拓扑的主要任务是遍历。 图的遍历是指从图中的任一顶点出发，对图中所有顶点访问一次而且仅能被访问 一次。下面分别介绍一下图的两种遍历方法： ( 1 ) 深度优先搜索 深度优先搜索( d e p t h)遍历类似于树的先根遍历，是树的先根遍firsts e a r c h 历的推广。 假设初始状态是图中所有顶点未曾被访问，则深度优先搜索可从图中某个顶 点y 出发，访问此顶点，然后依次从 ，的未被访问的邻接点出发深度优先遍历图， 直至图中所有和，有路径相通的顶点都被访问到；若此时图中尚有顶点未被访 问，则另选图中一个未曾被访问的顶点作起始点，重复上述过程，直至图中所有 顶点都被访问到为止。 图2 2 一个无向图g 以图2 2 的无向图g 为例，进行图的深度优先搜索。假设从项点彳出发进行 搜索，在访问了顶点彳之后，选择邻接点口。因为口未曾访问，则从曰出发进行 搜索。依次类推，接着从d 、g 、日出发进行搜索。在访问了日之后，由于日 的邻接点都已被访问，则搜索回到g 。由于同样的理由，搜索继续回到d ，召直 至彳，此时由于彳的另一个邻接点未被访问，则搜索又从彳到c ，再继续下去。 由此，得到的顶点访问序列为： a _ b d 专g _ h _ c e 崎f ( 2 ) 广度优先搜索 广度优先搜索( b r e a d t h _ f i r s ts e a r c h ) 遍历类似于树的按层次遍历的过程。 假设从图中某顶点v 出发，在访问了v 之后依次访问v 的各个未曾访问过的 1 7 第三章分域模型的建立 邻接点，然后分别从这些邻接点出发依次访问它们的邻接点，并使“先被访