（电力系统及其自动化专业论文）变电站站址优化与配网开关优化配置的研究.pdf

同点开始对最优站址进行探测，结果都收敛于同一个点，大大增加了这个点作为 最优点的可能性。 二、配网开关设备优化配置与定位方法的研究 配电自动化是技术进步的必然结果。要求供电线路没有停电事故是不可能的， 但应用配电自动化达到停电频数少、时间短、供电恢复快则是完全有可能的。保 护用开关设备的作用就是为了隔离故障、限制故障范围、保证非故障部分正常供 电，从而提高配网的供电可靠性；同时这些开关设备还担负着改变运行方式、实 现经济运行、提高运行灵活性的重要作用，其配置方案不同，可靠性提高的程度 及投资的经济性也不同，因此，配电网中开关设备的配置是配网规划与改造的重 要内容之一。 本文在分析辐射式配电网结构特点的基础上，抽象提出了开关设备的保护区 以及上下游保护区的概念，总结了配电网年停电损失的通用计算方法以及收益计 算的方法和数学模型。若整个开关设备配置问题是一个复杂的组合优化问题，则 收益就相当于其中的目标函数部分，在寻优过程中需反复对其计算比较，因此， 它是研究开关设备定位问题的基础。 配电网开关设备的配置包括开关设备类型、数量、位置的确定，而其优化配 置与定位就是从开关设各的备选位置集合中选择一最优方案，使停电收益最大， 或开关设备的投入使停电损失的减少最大。本文中开关定位按照先主干后分支的 原则进行。由于同时确定开关数量、开关类型和开关位置有很大的难度，主干线 路按照断路器、重合器、分段器、熔断器的顺序来分别确定开关的类型和位置， 即按照枚举法对每一个备选的开关位置，通过调用停电损失收益模块，停电损失 最小的那个开关类型和开关位置即为最优的结果。而分支线路开关位置定位由于 其本身的特点，也就是每条分支开关的安装对其他分支开关的停电损失收益没有 影响，可以对每一条分支分别进行开关定位，这样减少了计算量，提高了计算速 度。该方法用可视化语言通过软件实现，最后通过实例进行验证，得到了满意的 结果。 关键字变电站，开关设备，选址优化，优化配置与定位 摘要 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m e t h o d so f o p t i m a ls u b s t a t i o np o s i t i o n i n ga n do p t i m a ls e l e c t i o na n d l o c a t i o no f s w i t c h i n gd e v i c e si nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e ma r cs t u d i e d m a i nw o r k sa s f o l l o w i n g 1 m e t h o d o f o p t i m a l s u b s t a t i o n p o s i t i o n i n gi np o w e r n e t w o r k p l a n n i n g a sm o d e m p o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gm o r eh i g h l yc o m p l e xa n dp a y i n gm o r e a t t e n t i o no ni t sp e r f o r m a n c ea saw h o l e ，m o r er e a s o n a b l ep o w e r p l a n n i n gi sr e q u i r e dt o a c h i e v em o r es e c u r ea n de c o n o m i cp o w e rn e t w o r ko p e r a t i o n ，a n dt oe n s u r ep o w e r n e t w o r kc o n s t r u c t i o na l o n gas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ed i r e c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n i q u e ，m o r e m e t h o d s a p p e a r i no p t i m a lp l a n n i n go f p o w e rn e t w o r k t h eo p t i m i z a t i o no fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o ni st h em a i nc o n t e n to f p o w e rn e t w o r k p l a n n i n g a n dl o c a t i o no f s u b s t a t i o n sw i l li n f l u e n c en e t w o r ks t r u c t u r e s oi nt h i sp a p e r o p t i m a l s u b s t a t i o n p o s i t i o n i n g i ss t u d i e d t o g e t h e r w i t ht h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n o p t i m i z a t i o n an e w m e t h o di sp r o p o s e df o rt h o s e p u r p o s e sa n d i sr e a l i z e db y c o m p u t e r v i s u a l p r o g r a m m i n g s a t i s f a c t o r yr e s u l t s a r eo b t a i n e dw h e na p p l y i n gt h em e t h o dt o p o w e r n e t w o r k p l a n n i n go f o n ec o u n t y i nh e n a n p r o v i n c e i ne s s e n c e ，o p t i m a ln e t w o r k p l a n n i n gi s ac o s m i c ，d y n a m i c ，n o n l i n e a r , m i x e da n d i n t e g r a lp l a n n i n g b e c a u s el a r g es y s t e ms c a l ei n v o l v e di na n dt h ec o n s u m e dt i m ef o r s o l u t i o n sa r el i m i t e dw h e n a p p l i e d t op r a c t i c a lp o w e rs y s t e m ，a n dt h ed i f f i c u l t yt oo b m i n t h e o p t i m a l s o l u t i o n s ，i ti s r e q u i r e d t o s i m p l i f y t h em o d e l i nt h i sa r t i c l e ，n e r l i n e a r i z a t i o n ，t h eo r i g i n a lo p t i m a lm o d e lo fn e t w o r kp l a n n i n g i s s i m p l i f i e d a sa m i n i m u mc o s ta n dm a x i m u mf l o wm o d e l ( m c m f m ) t h em c m f m i ss u m m a r i z e da s f o l l o w i n g f i r s t ，s u p p o s eas 0 1 f f c ep o i n ta n d as i n kp o i n t s e c o n d ，d r a wau n i l a t e r a ll i n e f r o ms o u r c ep o i n tt oe v e r ys u b s t a t i o nn o d e t h el i n e sc a p a c i t yi ss e ta sc o r r e s p o n d i n g s u b s t a t i o n sa l l o w a b l el o a dv a l u ea n dt h el i n ec o s ti ss e ta st h es u b s t a t i o n su n i tl o a d c o s t t h i r d , d r a wau n i l a t e r a ll i n ef r o me v e r yl o a dn o d et ot h es i n kp o i n t t h el i n e s c a p a c i t yi st h el o a dv a l u eo f t h en o d ea n dt h ec o s ti sz e r o l a s t ，u s et h em i n i m u mc o s t a n dm a x i m u mf l o wm e t h o di ng r a p ht h e o r yt os o l v et h ep r o b l e m t h er e s u l tg o t i s r e l a t i v e l ya c c u r a t ea n d t h es o l v i n gp r o c e s si sq u i t ef a s ta n ds i m p l e t h ep r o b l e mo fo p t i m a ls u b s t a t i o np o s i t i o ni sf i n d i n gt h e b e s t g e o g r a p h i c a l c o o r d i n a t e so fs u b s t a t i o nt ob eb u i l tt oo p t i m i z et h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ( e g a n n u a l i i 邦州丈学工学碾士论文 s y n t h e t i c a lc o s to rp o w e rl o s s ，e t c ) w i t hp h y s i c a lc o n s t r a i n t s ，s u c ha sl o a dd e m a n d ， l i n e sc a p a c i t y , s u b s t a t i o n sc a p a c i t ye t c a sw e k n o w , i ti sd i f f i c u l tt og e td i f f e r e n t i a l f u n c t i o no fan o n l i n e a ro b j e c t i v ef u n c t i o n ，s of o rs i m p l i f y i n gt h ep r o b l e m ，al a y e r e d o p t i m a ls t r a t e g yf o rm u l t i c o n s t r a i n e ds u b s t a t i o np o s i t i o n i n gi sp r o p o s e d n ei n s i d e a r i t h m e t i ci sf o ro p t i m a ln e t w o r kp l a n n i n gw i t hg i v e ns u b s t a t i o ns i t e s a p p l y i n gt h e m i n i m u mc o s ta n dm a x i m u mf l o wm e t h o d b a s e do nt h e o p t i m a ln e t w o r k p l a n n i n g a r i t h m e t i c ，t h eo u t s i d ea r t h m e f i ci sf o rt h eo p t i m a lc o o r d i n a t e so fs u b s t a t i o np o s i t i o nb y u s i n go n eo ft h en o n l i n e a ro p t i m i z a t i o nm e t h o d s - d i r e c to p t i m i z a t i o n t h e r e f o r e ，i tc a r l r e a l i z en o to n l yo p t i m i z es u b s t a t i o n p o s i t i o nb u ta l s ot h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n t h o u g h t h em e t h o di sn o t a l w a y s t og e tt h eb e s ts o l u t i o n si nt h ew h o l e s c o p e ，i tc 0 a l a l w a y sp r o v i d et h es e c o n d a r yb e s ts o l u t i o n sw i t h i nc e r t a i nr a n g e c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ll o c a t i o nm e t h o d s ，i tr e m o v e st h e p e o p l e f a c t o r sa n de n s u r e st h er e s u l t u n i f i c a t i o no f o p t i m a ls u b s t a t i o np o s i t i o na n do p t i m a ln e t w o r ks t r u c t u r e s o ，i ti ss i m p l e a n d p r a c t i c a l 2 m e t h o do f o p t i m a ls e l e c t i o na n d l o c a t i o no f s w i t c h i n gd e v i c e si nd i s t r i b u t i o np o w e r s y s t e m d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni st h ei n e v i t a b l er e s u l to ft e c h n i c a la d v a n c e m e n t i ti s i m p o s s i b l ew i t h o u ta n y f a u l ta n db l a c k o u ti np o w e r s y s t e m ，b u t i ti sa b s o l u t e l yp o s s i b l e t or e d u c et h en u m b e ra n dt i m eo ff a u l tm a dr e s t o r et h ep o w e rs u p p l yq u i c k l y t h e s w i t c h e r sc a ni s o l a t et h ef a u l t e db r a n c h ，r e s t r i c tt h ef a u l t e ds c a l ea n de n s u r et h es u p p l y o fn o n - i n t e r r u p t i o n ss u c ht h a tt h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mi si m p r o v e d a tt h es a m et i m e t h es w i t c h e r sa r ei m p o r t a n ti nm a n ya s p e c t si n c l u d i n gc h a n g i n gt h e o p e r a t i o nm o d e s ，r e a l i z i n gt h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o n ，i n c r e a s i n go p e r a t i o nf l e x i b i l i t y t h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m i co ft h es y s t e mw i l lc h a n g ea ss w i t c h e r s s e t t i n gc h a n g e s ，s o o p t i m a ls e l e c t i o na n dl o c a t i o no fs w i t c h i n gd e v i c e si si m p o r t a n ti nd i s t r i b u t i o np o w e r s y s t e mp l a n n i n g a n dr e c o n s t r u c t i o n nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t n l c t u r ef e a t u r e so fr a d i a ld i s t r i b u t i o n p o w e rs y s t e m ，c o n c e p t so f o n es w i t c h e r sp r o t e c t i o nz o n ea n di t su p p e r o rl o w e rz o n e a t es u g g e s t e d ，a n dag e n e r a la p p r o a c hf o rc a l c u l a t i o no fo u t a g el o s sa n dp r o f i ta n a l y s i s i sa l s o p r o p o s e d i ft h e w h o l es w i t c h e s s e t t i n gi s 廿e a t e d a sac o m p l e xo p t i m a l c o m b i n a t i o np r o b l e m ，t h ep r o f i ta n a l y s i sw i l lb ei t so b j e c t i v e f u n c t i o nt h a tn e e db e c a l c u l a t e da n dc o m p a r e dr e p e a t e d l y s op r o f i ta n a l y s i si st h eb a s i so fo p t i m a l s e l e c t i o n a n di o c a t i o n s w i t c h e r s s e t t i n g i n c l u d e st h ed e t e r m i n a t i o no fs w i t c h e rt y p e s ，n u m b e r sa n d l o c a t i o n s a n dt h ep r o b l e mo f i t so p t i m a ls e l e c t i o na n dl o c a t i o ni st of i n dt h eb e s to n e i v f r o mt h ea l t e r n a t i v e p o s t i o n s o t ss u c ht h a t p r o f i t o rr e d u c t i o no fo u t a g ec a i lb e m a x i m i z e d i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fs w i t c h e r sl o c a t i o ni st h mt h es w i t c h e r so n t r u n ka r e f i r s t l yc o n s i d e r e da n dt h e nt h ee m b r a n c h m e n t t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h e d i f f i c u l t yi no b t a i n i n gt h es w i t c h e r s n u m b e r , t y p ea n dl o c a t i o ns i m u l t a n e o u s l y , i tc a l l ， f i r s t ，c h o o s et h et n m ks w i t c h e r s t y p ea n dd e t e r m i n et h el o c a t i o ni nt h eo r d e ro f b r e a k e r s ，r e c l o s e r s ，s e c t i o n a l i z e r sa n df u s e r sr e s p e c t i v e l y , t h e nc o m p a r ec o r r e s p o n d i n g p r o f i t t h eo p t i m a lr e s u l ti st h es i t eo f m i n i m u m o u t a g el o s sb yc a l c u l a t i n gt h e f u n c t i o n v a l u eo fe v e r ys w i t c h e r so u t a g el o s s h o w e v e r , t h el o c a t i o no fe m b r a n c h m e n th a si t s s p e c i a l t yt h a tt h eb e n e f i to fo u t a g el o s so f as w i t c h e ri n s t a l l i n go no n ee m b r a n c h m e n t w i l ln o ti n f l u e n c et h eo t h e rs w i t c h e r s a sar e s u l t ，t h el o c a t i o no fe m b r a n c h m e n t s s w i t c h e rc a nb e c o m p l e t e d i nt e r mo fe v e r yo n es e p a r a t e l y t h et o t a l q u a n t i t y o f c a l c u l a t i o ni sr e d u c e da n dc o m p u t a t i o ns p e e di si n c r e a s e d a ni l l u s t r a t i o ns h o w st h e a p p l i c a t i o n o f t h em e t h o d b ya p p l y i n g t h ea d v a n c e dp r o g r a m m i n g k e y w o r d s s u b s t a t i o n ，s w i t c h i n gd e v i c e s ，o p t i m a ls u b s t a t i o np o s i t i o n ，o p t i m a ls e i e e t i o n a n dl o e a t i o n v 1 绪论 1 1 电力系统规划与改造中的站( 厂) 址问题 1 1 1 最优选址问题 在运筹学中，最优选址问题是指已知一些现有设旌的地址，希望确定一个或 几个新设施的地址，在满足业务要求、服务要求、技术条件等约束情况下，使某 目标函数达到最优化，目标函数一般是与这种业务有关系的某一价格函数取最小 值【”。 选址问题有两种不同的类型：第一类是单源选址问题，第二类是多源选址问 题( 也即单设施选址问题和多设施选址问题) 。单源选址问题是对于位置已经知道 的若干个现有设施，找出单一的一个新设施的最优地址；多源选址问题是对于已 经知道的若干现有设旌，找出两个或更多的新设施的最优地址。 如果有关区域中的任一点都和别的点的地位相同，也就是从数学上来讲，有 无限个可能的地点存在，则这类问题就是连续型选址问题；如果在某一区域中只 有有限个位置需要考虑。而且这些位置在事先就能具体说出来，这类问题就是离 散型选址问题i l j 。 1 1 2 选址问题的重要性 选址已经渗透到国民经济的各部门，大到城市规划中的基础设施，如电力、通 信、交通系统中相关设备或站址的选取和定位，小到商店、工厂的地理位置确定 等等。虽然研究的对象不同，但选址是否合理，均将直接影响到由此产生的社会 效益和经济效益。 厂址选择，是固定资产投资项目前期工作中最重要的内容，它的任务就是在 已选定的建厂地区范围内，确定工厂厂址的具体位置。厂址选择的是否合理，直 接影响企业的投资、建设速度、施工难易，以及建成后长期的生产经营管理和经 济效益，也对城市建设、地区经济和自然环境有极大影响。由于厂址选择工作是 一项复杂的政治、技术、经济相结合的工作，要考虑各方面的因素。因此，要满 足上述各方面的要求，会遇到很多特殊的问题和矛盾，必须综合考虑弘1 。 1 例如，配送中心是现代物流系统的重要组成部分，为了降低流通成本，提高 流通效率，科学地建立配送中心，是市场竞争的必然结果。配送中心合理的选址 能够减少货物运输费用，从而大幅度地降低运营成本【3 】。而停车设施规划是城市交 通规划的重要组成部分，在有限的城市空间中，合理布局停车设旌，最大限度地 提高停车设施服务水平和符合城市可持续发展的需要，是选址规划面临的突出问 题【4 j 。而城市建设规划中，新城建设的选址对旧城的保护工作以及二者的共存互动 都会有重大影响。合理的选择新区的地址既能保护旧城的格局，又能带动旧城的 经济发展，处理不当则会不利于保护旧城的文化古物，导致面目全非5 1 。像有害物 质贮存地点和污水处理厂、垃圾中转站等地址的选取，不仅关系到人类生存环境 问题，还直接关系到人类自身的健康。 和各个领域中的选址问题一样，在电力系统规划、改造与建设中的厂站和设 备选址与定位，同样也是一个重要问题。设备或厂站的选址不仅关系到本身投资 和运行的经济性，而且还与电力系统的安全稳定性密切相关，由此带来不同的社 会效益。 电力系统中涉及到选址问题的方面也有很多，并且各有其特点。比如发电厂 厂址的选择是电力建设规划中的一项基本工作，厂址选择的合理与否，对基建投 资，建厂质量与速度、运行的安全性，以及建成后长期的生产经营管理和经济效 益都起着决定性的作用【6 】【7 】，也对城市建设、地区经济和自然环境有极大影响，而 且随着现代电网的规模越来越大，电厂的选址更是对整个系统的安全稳定性有着 重要的影响。 同样，电力系统中变电站站址的选择，对系统的安全性和经济性有很现实的 意义。电网布局的合理化不仅可以节省建设投资，而且可以极大地降低电网损耗， 提高运行管理水平和调度的灵活性。变电站是主网和配网的交汇点，既是上级电 网的负荷点，同时又是下级电网的电源点。变电站站址的选择将决定整个电网的 结构，而不同的网架结构，将产生不同的系统运行成本和系统的安全级别。因此， 在电网规划中，变电站站址的选择是一个重要问题，它的优选直接影响未来电网 的结构，关系到整个电网的可靠性，也会带来可观的经济效益。因此迅速而有效 的确定出若干有希望的候选站址以及新增站点与原网络各节点的联络关系，是电 网规划应该深入研究的起点和方向。 随着竞争机制在电力市场中的引进，电力公司迫切需要提高供电的质量和可 靠性，因此配网自动化中的馈线自动化倍受关注，因为它能以较少的投资来减少 停电时间，提高供电可靠性。配网开关设备可以迅速而有效的隔离故障、实现网 络结构的管理和重构，因此在配网规划、改造与建设中，开关设备的优化配置与 定位对于配网的可靠、经济和灵活运行起到了非常重要的作用。 配电变压器台区的合理布点是城乡电网改造的重要内容之一。配电变压器布 i 绪论 点方式的不同，电能损失及电压损失率便有很大的差异，因此配变布点的合理与 否对降损节能、提高供电企业的经济效益有很大的关系 8 1 9 1 。 另外，如何选择p s s 在候选发电厂、发电机的安装地点将直接影响到系统的 功角稳定性【1 0 l ：电压稳定与系统的无功裕度密切相关，合理的确定无功补偿装置 安装地点，可以保证系统运行获得令人满意的性能，包括维持符合要求的电压质 量、最小化网络损耗、最大化电压稳定安全裕度等【1 1 】；f a c t s 设备能够明显改善 系统的暂态稳定性，或者改变系统的潮流运行方式，提高系统的功率传输极限， 由于其安装和运行成本很高，所以就必须合理选择其安装地点，以期发挥其最大 效力，文 1 2 冲通过s v c 的定位改善了系统的电压稳定性，而文1 1 3 应用静态优化 方法解决了串联f a c t s 设备，如t c s c 的最佳定位问题，从而尽可能的提高了线 路的极限传输功率。 综上所述，虽然选址问题在各行业领域，甚至同行业不同的设旖间各有其特 点，但都是在决策过程中不可回避的重要问题，其合理性与否将对项目产生不同 程度的影响。因此，针对各选址问题的具体特点，研究相应的选址方法具有重要 的意义。 1 2 电力系统中站( 厂) 址优选、定位问题的研究方法 现代电网的复杂性、综合性和整体性都越来越高，因此对电网规划的要求也 越来越高，合理的规划会有利于电网运行同时能节省投资。随着计算机技术的发 展，电力系统中发电厂、变电站( 所) 位置优选以及开关设备、配变台区等电力 设旄的位置优化也有了更多的途径和方法。 传统的方法是通过对实际情况进行考察，根据具体条件抓住主要因素，对各 种可能存在的方案加以分析，逐步筛选。通过综合分析比较，估算出各项建设工 程的投资和运行费用，权衡利弊，最后推荐出一个供电安全可靠、基建快、投资 省、运行费低、维护方便、经济效益高的选址方案( 一般至少有两个站址方案， 包括推荐方案) 。这种传统的方法，对选址需要进行大量的数据处理和分析，对规 划者的实践经验要求较高，即便是规划者具有丰富的实践经验，规划中仍带有很 大的盲目性，人为因素影响较大，不系统不科学，工作量很大，因此不能满足现 代电网发展的要求。定性分析方法虽能综合考虑多个评价项目，但很难从评价项目 之间错综复杂豹关系中客观、正确地确定厂址a 就定量分析而言，有模糊分析法 1 4 1 、层次分析法【6 l 、专家决策系统决策法、数 字图象滤波方法5 1 等基于计算机辅助分析的启发式方法，运用运筹学的连续选址 方法，基于数学全局最优的优化方法以及遗传算法，模拟退火算法等吲。 对于运筹学中选址问题的研究方法可以分为单源连续选址和多源连续选址。 郑州大学工学硕士诒立 对于单源连续选址可以采用区位理论 1 目的数学模型，即对所求目标函数( 比如喜 费等) 对坐标求偏导，令其为零；由于无法用显式求解，所以用数值迭代的方法 可以求得正确的解a 多源连续选址问题比单源问题要困难的多。如果那些固定的 已知位置称作“终点”，多源选址问题的一般提法是：已知各个终点的位置、各个 终点的需要量和有关区域内的运价，求源的个数、各个源的位置、将终点分划给 各个源的情况和各个源的容量，以上求的各项数值应该使供应物资或提供服务所 需的总费用最小。其解法有两种：( 1 ) 随机终点法；( 2 ) 交替选址分配法。 随机终点法是根据n 个总数中随机取出m 个数，把这m 个数作为电源，然后分配 给n - - m 个终点，使其费用最小，即最后选出i 1 1 个点即为最优解，交替选址分 配法是种单调下降的收敛过程，将n 个终点组成的集合划分成元素个数大致相 等的m 个子集，对m 个子集中的每一个解一个单源连续选址问题，如果求出的这 个源和每一个终点的距离比目前分配中的那个源靠的更近，则重新分配各终点， 继续进行单源选址直到得到满意的结果i l j 【1 7 】。 基于数学全局最优化的方法有枚举法或覆盖法它要求在可行域内遍历搜索， 找出全部精确的全局最优解；直接优化法，包括：1 ) 随机搜索法，它在可行域内 从初始点开始进行一系列的随机方向搜索，这些方向是均匀分布的，并以一定的 概率接受使目标函数值下降的搜索点，直到结果满足精度要求为止；2 ) 聚类法， 它是先搜索出每个局部最优解和所对应的区域，再用聚类分析法使其跳出局部最 优解；3 ) 晟速下降法，它是一种防止不必要的局部搜索的方法，在可行域内连续 随机取点直到找到更小的目标函数值为止；阅接优化法，包括近似水平法和近似 目标函数法1 2 1 1 。 变电站站址优选中基于运筹学的多源连续选址和整数规划方法，一般都是将 区域划分成规则小区来进行负荷预测，利用优化方法求得最优解，但这些方法难 以克服计算机内存和速度方面的限制。另外，带有不尽合理的近似和假设以及主 观因素。 现代电厂厂址选择所涉及的因素极为复杂具有庞大的搜索空间和多重目标， 很多因素无法量化，在选择时受到主观因素影响较多，用传统的方法很难做到客 观、准确全面的地解决厂址优选闯题，丽基于计算机辅助分析的启发式方法可以 解决这种多目标的决策方法。文献【7 】中的层次分析法就是将一个具有多层次、多 属性指标因素的复杂方案的选优决策问题，通过层次序列化和因素重要性的判断 及因素定量计算得到优选方案，它是定性与定量相结合的多目标决策技术。模糊 分析法和专家决策系统方法在变电站站址的优选中也都有研究和应用。启发式方 法虽然可以实现多目标的优化，但由于实际工作中的不确定因素和不完全信息很 多，评定的准则也多样化，加上定性分析，因此会影响到解的最优性，而且模糊 评价法如果选用的综合评价模型不当，也会丢失信息a l 绪论 在配网开关设备配置与定位方面，文献【1 8 】中提出了种馈线自动开关配置的 模型，并用遗传算法对开关进行了优化配置。虽然可以解决多目标的决策问题， 但由于算法本身和电力系统自身的特点，在遗传操作中产生大量不可行解，降低 了求解速度。而模拟退火法是一种以概率l 收敛于全局最优解的全局寻优算法， 但寻优过程较难控制，这直接影响了模拟退火法的寻优能力【1 9 1 。文献【2 0 中用到了 枚举法对开关进行数量的位置的优化，通过计算不同数量的开关的成本和收益， 最终得出目标函数最小的解。虽然这些全局优化方法解决了一些用局部优化方法 所不能解决的优化问题，但每种全局优化方法都有其局限性，不能完全适用所有 复杂形态的优化模型，而且计算代价大【2 1 h 2 5 1 。 1 3 本文的主要工作 本文主要研究电力系统变电站站址的优化选取以及配网中的开关设备最优配 置与定位这两个在电网规划、改造与建设中的主要问题。 变电站站址优化是在满足诸如负荷需求、线路容量、变电站容量等约束的情 况下，寻优新建变电站的位置坐标，使某目标值( 例如，年综合计算费用、线损 等) 达到最优。由于变电站位置坐标的寻优为一个非线性规划问题，难以得到目 标函数关于决策变量导数的解析表达式，因此为简化问题，本文提出了一种在多 约束条件下的变电站站址分层优化策略。内层优化是利用最小费用最大流法进行 在变电站站址给定情况下的网架结构优化。外层优化通过调用网架优化算法，运 用非线性规划中的步长加速法实现变电站站址坐标的优化。该方法在优化变电站 站址的同时，也能实现网架结构的优化。该方法虽然不定保证得出全局范围内 的最优解，但可以得出一定地理范围内的次最优解，同以往传统的选址方法相比 较，消除了人为因素，实现了站址和网架优化的协调与统一，是比较实用的方法。 开关设备在隔离故障、限制故障范围、保证非故障部分正常供电、提高配网 的供电可靠性中发挥着重要作用。同时这些开关设备还担负着改变运行方式，实 现经济运行、提高运行灵括性的重要作用，其配置方案不同，可靠性提高的程度 及投资的经济性也不同，因此，配电网中开关设备的配置是配网规划与改造的重 要内容之一。本文分析了辐射式配电网结构的特点，抽象提出了开关设备的保护 区以及上下游保护区的概念，总结了配电网年停电损失的通用计算方法以及收益 计算的方法和数学模型。在停电损失和收益计算方法的基础上，研究了开关的优 化配置与定位问题。开关定位按照先主于后分支的原则进行。由于同时确定开关 数量、开关类型和开关位置有很大的难度，主干线路按照断路器、重合器、分段 器、熔断器的顺序来分别确定开关的类型和位置。由于配网线路中主干安装的开 关数量较少，而且是离散型的位置优化，因此本文采用数学优化方法中的枚举法， 郊州大学工学硕士论文 即对每一种各选位置通过调用停电损失收益模块，停电损失最小的那个开关类型 和开关位置即为最优的结果，因而可以得到备选位置的全局最优解。而分支支路 开关位置定位由于其本身的特点，也就是每条分支开关的安装对其他分支开关的 停电损失收益没有影响的特点，可以对每一条分支分别进行开关定位，这样减少 了计算量，提高了计算速度。该方法用可视化语言通过软件实现，简单、直观， 并且计算量小，最后通过实例进行验证，得到了满意的结果。 2 最优化算法基础与电力网架结构优化的数学模型 2 最优化算法基础与电力网架结构优化的数学模型 近几十年来，对于优化问题已经提出了很多优化方法，如运筹学中的数学规 划法( 线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划和随机规划) 、图论与网络流 法、以及遗传算法和模拟退火算法等优化算法，这些算法将在下面的章节中做简 要介绍。 由于电力网架规划是整个电网规划的主要内容，从数学角度来讲，网架优化 是一个典型的数学优化问题，而且是本文所要研究的站址优化的基础，因此在本 章中也将简要介绍网架优化的数学模型及其算法。 2 1 线性规划 在一般的优化问题表达式中，若决策变量均非负，约束条件都可以用一组线性 等式或不等式表达，目标函数可表示为一组决策变量的线性函数，则这样的问题 就称为一个线性规划问题【”1 。其标准形式为： d 可 m a x f = 口j 工j ( 2 1 ) 2 譬，m ( 2 2 ) j 。i ，厶，” 并且这里假定b j 0 ( 否则等式两端乘以一1 ) 。不同于标准型的线性规划问题可以 化成标准型。 线性规划问题可以用单纯形法来求解。单纯形法是根据问题的标准型，从可 行域中一个基本可行解开始，转换到另一个基本可行解，并且使目标函数的值逐 步增大；当目标函数达到最大值时，问题就得到了最优解1 2 6 】。 线性规划在提出单纯形的求解方法之后，理论上更趋于成熟，特别是在电子 计算机能处理成千上万个约束条件和决策变量的线性规划问题之后，在很多领域 都可以发挥作用。 l = 咿 邳 。一0 ，-_，-，、ir-1l 盯 郑州大学工学硕士论文 2 2 最短路径和最小费用最大流法 图论是应用十分广泛的运筹学分支，它已经广泛应用在物理、化学、控制、 信息等各个领域，在电力系统的优化规划中也有广泛的应用。本节将主要介绍最 短路径法和以最短路、网络最大流法为基础的最小费用最大流法。 2 2 1 最短路径问题 如图2 - 1 所示为图g = ( v ，e ) ，v 为顶点集合，e 为边集合，图中每条边( f ，) 都有一个长度c o ，又在g 中指定了两个顶点t 、一，现在要从到k 的所有路中， 把长度最小的路找出来，这样的问题就是一个最短路径问题。 v l ( v s ) v 2 i 3 v 4 图2 - 1 最短路径问题 f i g 2 1q u e s t i o no f m i n i m u m p a t h v 8 ( v t ) 最短路径问题可以用d d k s t r a 算法【2 6 1 来求解，这种方法适用于每条边的长度c f 都是非负数的情况，利用这种方法，不仅可以求出从到l 的最短路及它的长度， 而且可以同时求出从到图g 中所有顶点的最短路及其长度( 或者指出不存在 一到的路) 。 整个计算将分成若干“轮”来进行，每一轮中，将求出e 到一个顶点_ 的最 短路及其长度，从而使得一个顶点_ 得到标号。因此，整个计算最多包含n 轮。 利用标号法求解前述最短路径问题，结果如图2 - 2 所示。 作为电网电源点的变电站一般来说不是一个，也即源点k 不是一个，在电网 规划中，我们往往需要确定某用户应由哪个变电站供电- 线路走哪条道路距离最 短。在前述的标号法的基础