（电力电子与电力传动专业论文）基于改进蚁群算法的变电站选址与定容的优化研究.pdf

a b s t r a c t o p t i m a lp l a n n i n gf o rs u b s t a t i o nl o c a t i n ga n ds i z i n gi sa ni m p o r t a n t p a r to f t h ep o w e rs y s t e mp l a n n i n gw h i c hi sb e t w e e nl o a d f o r e c a s t i n ga n d n e t w o r ko p t i m i z a t i o n l o c a t i o no fs u b s t a t i o nh a sad i r e c ti m p a c to ft h e p o w e rs y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r e ，f e e d e rl i n e ss y s t e m ，p o w e rq u a l i t ya n d o p e r a t i o ne c o n o m y s ot h es u b s t a t i o np l a n n i n gw i l la f f e c tt h ee n t i r e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki m p o r t a n t l y g i v e na na d v a n c e dt h e o r ya n dp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gm e t h o dw i l lb ev a l u a b l e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e o p t i m a lp l a n n i n gf o rs u b s t a t i o n l o c a t i n ga n ds i z i n g ，s e l e c t sm o d e lw h i c hh a sn o n eo p t i o n a ls i t e i t c h a n g e st h em u t i - s i t ec o n t i n u o u sl o c a t i n gm o d l ei n t ot h es i n g l e - s i t e c o n t i n u o u sl o c a t i n gm o d l eu s i n gt h el o a dp a r t i t i o nm e t h o d t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dap l a n n i n gp r o g r a mo ft h ee x i s t i n ga n dt h en e ws i t ei n d i f f e r e n tm e t h o d s i tc o n s t i t u t e sa ne c o n o m i ci n d i c a t o r sf u n c t i o nm o d e l b a s e do na n e q u a la n n u a l v a l u e a n a l y s i sw h i c hc o n s id e r so ft h e i n v e s t m e n tc o s ta n dc o n s t r u t i o no f s u b s t a t i o n ，t h ei n v e s t m e n tc o s to fl i n e s a n dt h ec o s to fn e t w o r ko p e r m i o n i tu s e s2s t e p s o p t i m a ls i z i n ga n d l o c a t i n gb ya n a l y z i n gt h em a t hm o d e l t h eo p t i m a la l g o r i t h mu s e si m p r o v e da n tc o l o n ys y s t e m ! tp r o p o s e s ad o m a i nd i s c r i m i n a t i o nm e t h o d b yd o m a i ng r i dm e t h o d s o t h e c o n t i n u o u s o b j e c tt r a n s d i s c r e t e o b j e c t s i ta l s oi m p r o v e st h e s t a t e t r a n s i t i o nr u l e s ，l o c a ls e a r c hr u l e s ，p h e r o m o n eu p d a t er u l e i tp r o v e st h e v e r i f i c a t i o n ，f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ei m p r o v e da l g o r i t h m t h ep a p e r a p p l i e st h e s u b s t a t i o n s p l a n n i n g o n2 2 0 k vl u g u h i g h - t e c h n o l o g yc h a n gs h a t h er e s u l t sc o m p a r e dt h es t a n d a r dp s o a l g o r i t h mi ns a m ec o n d i t i o n ss h o w i n gt h a tt h ei m p r o v e da c oa l g o r i t h m o w n sh i g h e ra c c u r a c y , b e r e rp e r f o r m a n c ea n db e t t e rr e s u l t s i tm e a n st h a t t h i sp a p e r sr e s e a r c hi se f f e c t i v e k e yw o r d ss u b s t a t i o n l o c a t i n ga n ds i z i n g ，a n tc o l o n ya g o r i t h m ， c o n t i n u o u sr e g i o n a l l i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包括为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名王整! 丝 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 日期：斗年月上日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 变电站规划概述 第一章绪论 根据i e e e 的c i g r e c i r e d 联合工作组的新分类标准，城市电网分为次输电 网( 电压为2 5 k v 2 7 5 k v ) 和配电网，我国也称为高压配电网( 电压为3 5 k v 、6 6 k v 、 1 l o k v 和2 2 0 k v ) 、中压配电网( 电压为2 0 k v 、l o k v ) 和低压配电网( 电压为3 8 0 v 、 2 2 0 v ) 1 2 o 城市电网规划是电力系统三大规划任务( 电力系统能源与发电规划、输 变电规划、配电系统规划) 之一。按照规划电压等级的不同，城市电网规划任务 可分为城市高压配电网规划和城市中低压配电网规划，它是在城网供电的电源点 给定的前提下进行的，其内容主要包括b 1 ： l 、系统和空间电力负荷预测； 2 、高压变电站、中压柱上变压器、开闭所和配电站的优化规划； 3 、配电网络规划和无功优化； 4 、调度通讯及自动化规划。 城市电网既是电力系统的主要负荷中心，又是城市基础设施建设的重要组成 部分，其建设、改造以及运行的经济性和安全性直接影响到整个电力部门的经济 效益和广大电力用户的供电质量。城市电网建设和改造的目的是在满足城市电力 需求的前提下，保证电网扩展和运行的经济性与安全性。在城市电网的建造、改 造过程中的主要问题，主要体现在以下几个方面： l 、城市电网的薄弱导致有电送不出和供电质量差的问题。在我国历史上， 长期存在着严重的电能供需矛盾，在电力系统建设中出现了“重发、轻送、不管 用 的现象，这造成了我国城市电网普遍比较薄弱：电网建设滞后于城市建设， 网络供电能力不足，缺乏事故下的互带能力，用电高峰期间设备过负荷严重，变 电站个数偏少，位置不尽合理，线损率偏高及电压质量难以保障等。造成这些问 题的重要原因是目前配电网建设、改造过程中缺乏科学规划和不合理建设等。 2 、城市配电系统工程投资巨大，发达国家配电工程投资占整个电力系统投 资的5 3 ，而在各区域( 或城市) 电力公司中配电系统投资通常占预算的6 0 9 6 ， 配电系统的运行费用占总运行费用的2 0 9 6 喳1 。在我国，“八五 以来配电系统工程 投资占整个电力系统投资的3 1 5 ，最近几年国家更是投入上千亿元资金对城乡 电网进行重点改造。如何合理有效地使用这大量资金，以取得最大的经济和社会 效益是决策者和执行者都十分关心的问题。 硕士学位论文第一章绪论 3 、目前我国城市电网线损率偏高，1 9 9 5 年达8 7 7 ，1 9 9 7 年为8 2 0 嵋1 ， 而日本、德国、法国等国家约为5 6 ，和这些国家相比我国的城市电网线损率 大约高出2 - 3 个百分点，按照1 9 9 7 年水平计算我国相当于多损耗了1 8 0 亿k w h 电量。将如此惊人的电能损耗降下来，使有限的电能发挥更大的作用，乃是城市 电网优化规划的重要任务之一。 城市电网规划和设计工作是一项非常复杂而艰巨的工程系统，它具有规模 大、不确定因素多且涉及领域广的特点盯1 ，在新形势下该领域的研究面临着更多 的困难和挑战。确定变电站位置与容量是城市电网规划中介于电力负荷预测和网 络结构优化之间的关键环节，其结果直接影响未来电力系统的线路走线、网络结 构、电网投资、运行经济性及供电可靠性，所以变电站选址定容优化规划是一项 十分重要的基础规划工作。这是一类复杂的大规模、非线性的混合整数优化问题， 至今未得到很好的解决。 结合国情系统深入地研究满足实际要求的城市电网规划理论，开发研制高 效、方便、实用的具有计算机智能决策功能的城市电网规划计算机辅助决策系统 协儿训，既是我国城市电网建设当前的迫切需要，也是今后长期发展的必要的科学 手段。鉴于上述城市电网规划领域面临的难题，本文针对变电站选址定容问题的 研究很有必要，存在研究的必要和价值。 1 1 1 研究的目的和意义 电力工业是国民经济的重要部门之一。电力系统要满足日益增长的电力需求 必须不断扩大其规模，合理地进行电力系统规划可以使电力企业获得巨大的经济 利益。随着电力企业改革的逐步深入，提高规划质量对电力企业具有重大的意义。 变电站选址及定容优化是电力系统规划工作中的重要环节，变电站的位置直 接影响着未来电力系统的网络结构、供电质量和运行经济性；好的馈线网络结构 也可提高供电质量、运行经济性：因此，做好变电站选址及定容工作对电力企业 有重要的意义。 变电站位置的优劣对电力系统网络结构起决定性作用。良好的变电站位置， 可以保证电力系统网架强健，且不容易受到小干扰的影响，从而能够经济、稳定 地运行；反之，电力系统中的小扰动就有可能逐渐放大，造成灾难性后果，甚至 导致系统崩溃。相关法则规定变电站站址应尽可能靠近负荷中心，否则部分负荷 到变电站的馈线过长，使电压质量降低。 变电站的位置对馈线系统( 或下级输电系统) 有较大影响。变电站是馈线系统 ( 或下级输电系统) 的电源点，其位置对馈线系统( 或下级输电系统) 的费用有较大 影响。如果变电站位置选的不合适，将导致输电线和馈线更长，费用更高，而且 2 硕士学位论文 第一章绪论 出线走廊的选择也会随之出现问题。这种决策错误即使可以修正，费用往往也很 高。只有变电站位置决策正确，才能保证电力系统长远的经济性。 研究的目的是对变电站选址及定容的研究提出一种有效的算法来提高电网 规划的效率和质量。 1 1 2 变电站选址规划主要特点 变电站选址选择是一门科学性、综合性、政策性很强的学科，使电力基本建 设工作的主要组成部分。所致选择是否正确，总布置是否合理，对基建投资、建 设速度、运行的经济性和安全性起着决定性的作用。实践证明，凡是重视前期工 作，所址选择的好，则投资省、建设快、经济效益高。反之，将给电力建设造成 损失和浪费，甚至影响安全供电。变电站规划主要要考虑的因素主要有：靠近负 荷中心、节约用地、地形地质、线路走廊、交通运输、水源、避开污秽地段、防 洪排水、环境保护、适应城乡规划、利于施工、考虑发展等。 变电站选址规划要考虑用地规划、土地价格、环境保护、交通运输、施工条 件等问题，属于系统优化问题：从数学上看，变电站站址规划属于复杂的多目标、 多约束、非连续的非线性规划问题。计算机技术和优化方法的发展为电力科学工 作者和技术人员提供了很多有效的算法来解决选址优化问题，但对于复杂系统选 址问题，由于要确定的变电站站址的数量不止一个，并且每座变电站的容量未知， 再加上还存在负荷点的分配( 归属) 问题，因而属于n p 难的组合优化问题，其中 涉及到连续量、离散量和集合量，目前还没有一种有效的算法来处理这一难题。 对于变电站位置、容量和供电范围的优化问题，国内外的一些学者已进行了 广泛和深入的研究，并结合定位理论的研究提出了许多模型和方法。传统的规划 方法是以方案比较为基础，由有关专家指定若干可行方案，通过技术经济比较进 行决策。然而参加比较的方案往往由规划人员凭经验提出，不可避免地包含着很 多主观因素，带来了一定局限性。近三十年来，随着计算机技术和优化理论的迅 速发展，许多电力系统专家致力于应用计算机技术来解决电网规划问题，从而大 大提高了规划的速度和质量，给传统的电网规划工作注入了新的活力。 在变电站选址规划的方法中，可分为预先给出变电站的可能位置的规划方法 和无待选站址的自动优化方法。从理论上分析，第一种方法需要事先确定站址的 参数，增大了规划人员的工作难度和工作量，第二种方法是通过算法大范围搜索 自动寻优得到变电站布点位置。提出一种工程上实用的变电站选址定容优化规划 方法是十分必要的。 3 硕士学位论文第一章绪论 1 2 变电站选址定容研究现状 研究选址问题时大多是把实际问题抽象和简化，建立一个数学模型，然后用 已有的( 或提出新的) 数学方法求解这些模型。国内外己建立了较多的选址模型， 提出了较多的选址方法。用得最多的模型是经典的单、多源连续选址模型，它将 负荷抽象为几何意义上的点，将求最佳所址简化为求使网络运行费最小的点的坐 标，单源连续选址采用数学优化方法中求极值的迭代求解，多源连续选址通常采 用交替选址一分配法求解。 已往的选址方法可以概括为：分析、简化问题一建立数学模型一用数学方法 求解，这样做的优点是分析问题容易、目的性强。这些方法也有不足之处：首先 目前建立的数学模型越来越复杂，规模也越来越大，求解时经常出现“维数灾” 问题，因而求解时要进行简化处理，计算效果要打些折扣。其次受研究工具的限 制，这些模型以工程投资、运行费用等最小为目标，仅能考虑导线载流量、电压 降等电力系统技术约束条件，简化略去了用地限制、街道可达性等重要的自然约 束条件，且求解这些模型的前奏是计算负荷点到变电站的欧几里得距离( 直线距 离) ，简便但不切合实际，因此较难给出技术上可行的最优解。最后，在变电站 选址过程中，有侯选站址的由于人工干预不适应大范围的规划，而不需要候选所 址的算法，进行随机搜索确定变电站位置，但它们未考虑选址过程中电力规划专 家的选择和判断所起的决定性作用，很难实现电力系统的长期最优。 1 2 1 变电站选址规划数学方法 近几十年来，对于城市配电网规划优化方法的研究已取得了很大的进展，国 内外有很多文献报道了各种优化方法在规划工作中的应用，这些方法可大致分为 启发式优化方法、传统数学优化方法和智能优化算法等，如下所述。 l 、启发式优化方法引。该方法是以直观分析为依据的算法，通常基于系统 某一性能指标对可行路径上一些线路参数的灵敏度，根据一定的原则，逐步迭代 直到得到满足要求的方案为止。这种方法直观、灵活、计算时间短，便于人工参 与决策，且能给出符合工程实际的较优解。 在城市配电网规划中常用的启发式方法有灵敏度分析法1 、支路交换法n 2 1 和专家系统n 3 3 等。其中，专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 在电力系统中的应用研究 自1 9 8 0 年以来己逐步成为一个热门研究课题。但专家系统由于获取信息的不完 全导致其可靠性不高，因而在实际应用中具有一定的局限性。 、 2 、传统数学优化方法。数学优化方法是将城市配电网规划问题用数学优化 模型进行描述，然后通过一定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方 4 硕士学位论文 第一章绪论 案。数学优化方法有严格的理论基础，但由于规划问题属于大规模的组合数学问 题，计算时间长、占用计算机内存大，对于实际的大规模系统求解困难很大。数 学优化方法可分为确定性优化方法及不确定性优化方法。确定性方法出现较早， 解法也较成熟，但难以准确考虑规划问题的不确定性及多目标性；目前不确定性 优化方法越来越多的得到运用： ( 1 ) 随机规划法1 5 1 将已往的经验和规律采用统计参数来表示，然后在随 机环境中对未来环境和参数采用概率方法进行处理，通过运行模拟的方法得到评 价指标，为随机规划提供数据。 ( 2 ) 模糊规划法n 蛐引在进行规划之前对各种数据、专家经验和语言规则等资 料进行模糊化处理，对输入输出之间的关系通过模糊规则来描述。将模糊集理论 与专家系统、诀策支持系统等结合起来，以及利用模糊集理论改进了传统规划方 法的柔性和强壮性，被证明是行之有效的。 3 、智能优化算法。启发式优化方法和传统数学优化方法等传统的规划方法 在理论研究方面已经比较成熟，在工程应用中也取得了较好的经济效益和社会效 益。在近二十年的优化领域中，基于随机化技术的智能优化算法正在迅速发展， 并得到日益广泛的应用，实践证明这些方法普遍来说具有比传统优化方法更好的 全局优化能力，如下所述： ( 1 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 。该方法是模仿生物进化过程的一种 方法，由于其独特的优越性在电力系统的许多领域中得到了应用。其主要思想是 通过列出或随机产生一组待选规划方案作为祖先，经编码后生成一个个“染色 体，评价其中各方案的好坏，并通过交叉、变异等多次作用，产生出具有更好 品质的子代、孙代，直到取得最优的结果为止与传统方法相比，g a 具有多路径 搜索、隐含并行性、随机操作等特点，同时它对数据的要求低，基本上不要探索 空间的知识或其他辅助信息，它采用概率变迁规则来指导搜索方向，使其具有明 确的搜索方向，提高了算法的鲁棒性。遗传算法己在城市配电网规划中得到了一 定的应用，如文献 1 7 1 8 均将g a 应用于配电网络的优化规划中。 ( 2 ) 进化规划( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ，e p ) 算法。该方法不需要对变量 进行编码和解码，与遗传算法相比，更适合连续优化问题采用该方法进行城市配 电网规划时，需在所要考虑的电网中列出所有的待选线路n9 。，计算出最为合理的 潮流分布，去掉潮流小于某一闽值的支路后得到的网络方案即为所求的最优方 案，其处理的是支路潮流这一连续变量。进化规划与遗传算法的主要区别是，进 化规划采用控制参数而不是它们的编码：进化规划每代的选择过程是竞争和变 异，而遗传算法是复制、交叉和变异。采用进化规划的缺点是计算量大计算时间 较长。 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 模拟退火( s i m u l a t e da n n e a li n g ，s a ) 算法。该方法是基于金属退火的机 理而建立起的一种全局优化方法。算法的核心在于模仿热力学中液体的冻结与结 晶的冷却和退火过程，采用m e t r o p o l i s 接受准则避兔落入局部最优，渐近收敛 于全局最优。但s a 为使每一冷却步的状态分布平衡很耗费时间，而且属于单点 寻优，对存在多个最优解的问题不具有遗传算法的优势，还需要改进。模拟退火 算法在城市电网规划中的应用起步较早，并已得到了一定的应用，如：文献 2 0 将其应用于馈线布局和变电站型号与位置的优化配置，文献 2 1 2 2 2 3 则将其 应用于中长期的电网规划中。 ( 4 ) 禁忌搜索( t a b us e a r c h ，t s ) 算法。该方法是一种高效的用于解决组合优 化问题的启发式搜索算法，其特点是采用了禁忌技术，用一个禁忌表记录己经到 达过的局部最优点，在下一次搜索中，利用禁忌表中的信息、不再或有选择地搜 索这些点，以此来避兔落入局部最优解。虽然在数学上还不能严格证明该算法一 定能够达到最优解，但是通过在城市输配电网规划幢钉幢副m 2 7 1 中的应用，均取得了 令人满意的结果。 1 2 2 变电站选址规划存在的问题 已往的模型和算法都在某些方面存在着一些缺陷，因而很难满足实际变电站 优化选址问题的需要。例如：文献【8 】提出了一种交互式的确定变电站容量和投入 时间的计算模型，虽然该模型能够方便地与规划设计人员进行对话，但是它还不 能确定变电站的地理位置。后来经过人们的不断完善，采用了自动估计负荷转移 费用的方法【2 引，提高了计算精度，但是，也相应地增加了计算时间。文献 2 9 】 以负荷距最小为目标函数，以运输问题为基本求解方法，提出了一种新的变电站 位置和容量的数学优化技术，但是，由于该方法要求有候选的变电站站址，因而 降低了实用性。文献【3 0 】数字图像处理技术应用于变电站选址问题，提出了一种 新颖的计算模型，但是该方法只适用于新建地区( i i 没有已有变电站) 的变电站规 划，而且还不能对变电站的容量进行优化选择，同样存在局限性。文献【3 l 】用分 支定界运输问题模型优化变电站的位置，虽然取得了一定的成果，但是随着问 题规模的扩大，分支定界法的计算时间呈指数增长，因此，该模型还不能解决大 规模的工程实际问题。文献【8 】提出了一种求解变电站和馈电线位置的简单目标 函数，但没有考虑费用的时间特性，并忽略了网损对变电站和网络选择的影响。 文献 3 2 1 提出了一种优化变电站和馈电线位置的改进方法，该方法以变电站和网 络投资及网损的时间特性之和为目标函数，考虑了近似的网络结构，并引入了电 压降约束。文献【2 8 】通过考虑负荷在不同变电站间转移的费用，采用负荷聚类的 方法给出了确定变电站位置的一种方法。文献 3 3 1 提出了待建变电站的容量分级 6 硕士学位论文第一章绪论 问题，但没有考虑不同容量变电站之间的费用差别问题。文献【3 4 】提出了优化变 电站容量和近似考虑配电线路网损的模型和算法，但变电站的位置和数量必须人 为给定。文献【3 5 】和【3 6 】将遗传算法用于变电站规划问题，但它们需要给定候选 站址或候选站容，而且由于遗传算法通常收敛速度较慢，局部寻优能力差，因此 计算时间较长，解的质量不高。 上述文献给出的方法普遍存在两个问题：第一，变电站选址是基于平均负荷 分布假设上的。实际上，负荷的分布是不均匀的，地区间差异很大。这时，如果 假设负荷平均分布进行变电站选址，有可能得到不合理的布点方案。第二，需要 事先给定待选变电站的站址和数量。这一假设有一定优越性，它可以在提出候选 站址时把城市地理状况、建筑条件及进出线走廊等因素都考虑进去，然而，这有 限个站点中不一定包含最优站址，而且当候选站址不确定时，就无法进行计算， 因此它不能满足实际的大规模电网的变电站选址要求。 本文所采用的模型是在充分研究了现有各种网络规划方法的基础上，结合我 国城市中压配电网的特点，所建立的一种非线性混合规划整数模型。它是在完成 负荷预测的基础上，进行城市中变电站所需投建或增容的地理位置和容量优化设 计。系统中所采用的非线性混合整数规划模型的目标函数为：规划水平年中，配 电变压器的投资及年运行费用、估算的线路的网损费用及待建线路的综合投资费 用之和。以排除明显不符合选址的坐标为约束条件。 1 3 本文工作及结构 1 3 1 本文主要工作 变电站优化选址的一般表述是在一定区域范围内，寻优新建变电站的位置坐 标，使某目标值( 如投资和运行费用) 达到最优。由于变电站位置坐标的寻优为一 个带约束的复杂非线性规划问题，需要定位的变电站可能又不止一座，考虑到变 电站选址需要达到多个目标要求，因此变电站优化选址又是一个多目标优化问 题。本文在已往变电站站址规划研究的基础上，根据电网规划中变电站选址的原 则和要求，采用智能优化算法结合考虑影响选址的实际因素研究了变电站的优化 选址问题，主要工作如下： l 、拟定变电站站址规划方案。 提出将已有变电站和新建变电站分而治之的策略，对于已有变电站，保持其 位置不变，根据其新变电容量( 优先考虑扩建) 、容载比要求及“就近 原则，结 合考虑影响变电站选址的实际因素，确定出该已有变电站的最佳供电面积，从而 该已有变电站的不变的位置就是最佳站址。已有变电站的供电范围确定后，规划 7 硕士学位论文第一章绪论 区内剩余的负荷将由m 座新建变电站供电。根据变电站供电范围不能交叉、重叠 的原则以及新建站的容量( 满足容载比要求) ，将剩余负荷分成m 个区域，这样在 每个区域内只需新建一座变电站，从而多站址连续选址优化问题就转化成单站址 连续选址问题。 2 、在基本蚁群算法理论的基础上，提出一种在连续区域蚁群算法。 本文将用于离散空间优化问题求解的蚁群算法扩展到连续空间优化问题的 求解，并将改进后的蚁群算法用于连续空间优化问题。在定义域上采用离散化的 方法，将连续问题转化为t s p 问题，从而能够很好的运用蚁群算法。在算法中 改进状态转移规则，局部搜索，信息素更新规则。 3 、建立基于改进蚁群算法理论的变电站站址优化模型。 在选址的通用模型的基础上，结合拟定的变电站规划方案，提出基于改进蚁 群算法理论的变电站站址优化模型。该模型为一单站址连续模型，充分考虑了变 电站投资和建设费用以及线路投资和网络运行费用，但变电站费用要受到地理信 息等实际因素的影响，这些实际因素无法量化，因此模型稍微简化了变电站费用。 4 、在3 提出模型的基础上，应用在长沙麓谷电网变电站选址定容的规划上。 1 3 2 本文结构 在近三年的时间里，本人在学习了电网规划的基本理论和方法的基础上，在 黄挚雄、李志勇等老师的悉心指导下，对变电站选址及定容优化问题进行了深入 研究。 论文中涉及的主要内容包括： 第一章绪论，对研究工作做一个概述，简要介绍了城市电网规划和变电站选 址及定容优化研究的目的意义、国内外这方面研究现状。 第二章是变电站选址和定容模型分析和变电站规划。采用等年值方法分析变 电站费用，从最小费用函数确定模型。并分析定容和选址的2 步法规划设计方法。 整体上提出整个规划区的规划方案。 第三章介绍了本文主要应用平台，长沙麓谷电网规划的基本情况，及其规划 的二些前期工作方法和成果。 第四章蚁群算法的改进，介绍了蚁群算法的基本模型并提出改进的蚁群算 法，运用连续区域的网格法离散化方法提出其他规则的改进方法，并验证其收敛 性，可行性，有效性。 第五章基于上述算法和模型的研究，在实例长沙麓谷电网变电站规划上做出 应用，提出设计流程，设计实现。 第六章结论与展望，总结前面所做的工作及对以后工作的展望。 8 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 第二章变电站选址定容建模分析 确定变电站的位置与容量是城市电网规划的一个重要环节，其结果直接影响 着未来电网的网络结构、供电半径和运行经济性。如前所述，变电站规划方法一 般有两种做法：预先给出变电站的可能位置的规划方法和无待选站址的自动优化 方法1 3 7 1 从理论上分析，第一种方法需要事先确定站址的参数，增大了规划人 员的工作难度和工作量，依靠规划人员的经验，人为的限制了可能出现的更优点， 得到的结果未必是系统最优，因此更多的规划者趋向于选择第二种方法；第二种 方法是通过算法大范围搜索自动寻优得到变电站布点位置，自动化程度高，搜索 范围大。但是这种方法从工程实践上来看，这种未考虑站址具体地理信息因素的 方法，所选出的站址很肯能坐落在不适宜建站的区域，例如：湖泊、街道、繁华 区等，因此必须对优化结果进行调整。 本章所采用变电站规划方法用在长沙麓谷高新区2 2 0 k v 及1 1 0 k v 变电站的 规划上，因为规划规模不大，数量不多，地理位置上不存在闹市，大面积湖泊等 因素，因此可以采用第二种无待选站址的自动优化方法，并给出不适宜站址的局 部调整策略，以达到站址系统最优。由于地址位置上的连续性，决定了本章采用 连续选址模型。 变电站常用的模型是是经典的单、多源连续选址模型，它将负荷抽象为几何 意义上的点，将求最佳所址简化为求使网络运行费用最小的点的坐标。由于长沙 麓谷高新区2 2 0 k v 及1 1 0 k v 变电站的数量不可能只有单个，因此本章采用多源 连续选址模型。并采用负荷分区的方式将多站址连续选址优化问题就转化成m 个单站址连续选址优化问题。 长沙麓谷高新区变电站优化选址是针对2 0 1 5 年规划，属于单阶段模型；模 型主要考虑经济性指标，从节省供电方投资的角度出发，目标函数考虑经济性指 标，如投资回收费用、设备折旧维修费用和电能损耗费用等；采用确定性规划策 略，利用确定的负荷值、设备投入时间和利息率等信息。因此本章采用单阶段的 确定的经济性指标模型，变电站选址问题可描述为：在规划水平年负荷分布、变 电站容量和供电范围已知的情况下，为了满足一定的负荷需求及约束条件，寻优 确定变电站的位置和容量，以获得最小的投资和年运行费用( 变电站的投资和运 行费用、线路的投资和运行费用) 。 9 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 2 1 变电站选址和定容模型分析 2 1 1 变电站费用分析 l 、等年值计算方法 计算资金的实践价值的方法有单利法和复利法。在工程经济分析中通常都采 用复利法。所谓复利法，即本金在每一时期的增值( 利息) ，可在期末加入本金到 下一时期再增值，其特征是“利滚利 3 8 1 。 利用复利法的资本一次支付等额回收计算方法，也可以称为现值年金法，即 把现在的投资折算到每年的费用，计算过程如下： 如果资金的年增值率或利息率，现有资金为尸，称之为资金的现在值，过 n 年后的资金的数值变为f ，称之为资金的将来值，则有： f = p 0 + t o ) 玎 ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 也可以得出： p = f ( i + t o ) 1( 2 2 ) 从式( 2 1 ) 可以写出： f = a + a 0 + t o ) 1 + a 0 + ) 2 + + 彳( 1 + ) ”1( 2 3 ) 将上式两边同乘以l + ，则得： f ( i + t o ) = a 0 + ) + a ( i + t o ) 2 + + a 0 + ) 一 ( 2 - 4 ) 将式( 2 4 ) 减式( 2 3 ) ，则得 r o f = a ( i + ) ”一a ( i + t o ) o = 彳【( 1 + ) ”- i 】 a = f r o 【( 1 + t o ) ”- h ( 2 - 5 ) 此即为了在n 年后获得资金f ，从现在起每年末应该存入的相等资金数，称 为等年值。式( 2 5 ) 右边花括号内的表达式称为提存系数或偿还基金系数，称为 资金回收率。 如果要将式( 2 5 ) 中将来值改用现在值p 表示，由式( 2 1 ) 很容易写出： a = 尸 ( 1 + ) ”r o 【( 1 + ) ”一1 】 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 右边花括号内表达式称为资本回收系数，它是将资本现在值化为等年 值的计算系数。它的意义也可表为：若现在投入一笔资金p ，在n 年内逐年回收， 每年回收一个相等的数值a ，此系数即为每年可回收的百分数值。 2 、变电站各项费用的等年值计算 在考虑资金的时间价值的因素下，不同时间发生的收入或支出，其数值不能 直接相加或相减，只能通过资金等值计算将它们换算到同一时点上进行分析，所 以需要把各项费用折算成等年值进行计算。需考虑的费用包括：变压器的设备购 置费及设备使用年限内的运行费用，配电变压器二次侧待建线路的投资费用及运 1 0 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 行费用，配电变压器二次侧出现线路的网损费用。 ( 1 ) 变压器费用的等年值计算 如果己知水平年小区低压负荷分布，现有配电变压器或变电站不能满足未来 负荷需要，则需新建变电站，配置变压器。变电站建设投资可根据实际电网给出 各种变压器台数、容量组合的变压器综合投资( 含征地费等) 。若待建配电变压器 的投资费用为厂( s ) ，则根据前面推导，万( s ) 的等年值计算式为： w c s ) 将矧 陋乃 式( 2 7 ) q a ，为贴现率，k 为配电变压器的折i a g r a 。 变压器的年运行费用为u ( s ) ( 其中包括折l e t 提成、运行费用和小修的年度费 用) ，则配电变压器的年费用为； z l = f + 甜( s )( 2 - 8 ) ( 2 ) 二次侧待建线路费用的等年值计算 若待建线路的总投资费用系数为，则根据式( 2 6 ) 它的等年值计算式为 肚d 端k p 9 ， 式中k 为配电变压器二次测线路的折旧年限，吒为变电站与负荷间的距离。 二次侧线路的年运行费用系数为0 ，则待建线路的等年值计算式为 乙= m 揣h 嘞 函 ( 3 ) 二次侧出线线路的网损费用计算 若测计期t 内的线电压为u ，导线电阻为r ，则三相线路电能损耗计算式如 下 3 9 1 i 鲋= 矿r n 尸2 ( r ) + q 2 ( ，) 叫1 0 。3 = 矿rr p 2 ( f ) 1 + 辔2 缈( r ) 出1 0 。3 ( 2 - 1 1 ) 假设测计期内功率因数不变，则式( 2 - 11 ) 可以写成： 鲋= 参( + 姆2 缈) r p 2 ( ，) a t 1 0 4 二志r 州删。 ( 2 - 1 2 ) 测计期内的电价为q ，出线线路的单位长度电阻为吃，年耗小时数为， 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 为了简化计算，在此近似假设负荷不变， 用可按式( 2 - 1 3 ) 计算： z 3 = 删；d q 式中口为近似网损折算系数： p ( ，) = ，则二次侧出现线路的网损费 卵簧麓 2 1 2 多源连续选址模型的转化 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 如前所述，本系统采用了无待选站址自动寻优，因此采用连续选址模型。最 优选址问题有两种不同的类型： 第一类是单源选址问题：对于位置已经知道的若干个现有设施，我们要找出 单一的一个新设施的最优地址。第二类是多源选址问题：对于位置已经知道的若 干个现有设施，我们要找出两个或更多个新设施的最优地址。 单源、多源连续选址模型的目标函数常用的有网络运行费最小等，这里以网 络运行费最小为例说明。 1 、单源连续选址模型h 们 目标函数定义为： n 1 1 2 m i n c = 屈n ( u - - x ，) 2 + ( ，一y ，) 2 】 ，暑l 式中( 甜，) 一待求的变电站的所址坐标； ( 而，y ，) 一负荷点i 的坐标； 防一负荷点f 的功率( 有功) ； 屈一单位距离、单位负荷的费用系数； 刀一规划区域内的负荷点的个数。 令吐= 【( ”一一) 2 + ( l ，一只) 2 】2 ，对式( 2 1 5 ) 求偏导半- - 0 ， ( 2 - 1 5 ) _ t 3 c ：0 ，则有： 卸 p , p d 。 材= 上生一 屈p ，d ， 8 1 ( 2 - 1 6 ) 屈p ，y ，i d , 1 ，= 上曼一 p , p ，i d i 由于( 2 1 6 ) 中z 的表达式中含有，y ，所以可采用迭代算法求解。 1 2 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 2 、多源连续选址模垄d t 4 0 ( 1 ) 目标函数： m i n c 二吒屈艺窆p ，匦，一t ) 2 + n y l 坨( 2 - 1 7 ) j = it = l 露= l o = l ，2 ，n ；j = l ，2 m ) j = l 式万。为标记量，当当电源，向负荷点f 供电则为1 ，否则为0 。 ( u i ，) 为待求的变电站的所址坐标； ( 五，x ) 为负荷点f 的坐标； 阢为负荷点f 的功率( 有功) ； 屈为单位距离、单位负荷的费用系数； 所为城市规划中变电站的个数； 力为规划区域内的负荷点的个数： ( 2 ) 交替选址一分配法求解： 将门个负荷点分成小个子集； 对m 个子集中的每一个，解一个单源连续选址问题( 取万。= 1 ) ，确定出与所 个子集相对应的聊个待选变电站的初始所址( u i ，1 ，l ； 计算出每个负荷点( 行个) 到各个变电站( 聊个) 的负荷矩只4 ，； 选择出负荷点f 到源点，的最小负荷矩，即确定负荷点f 由哪个电源点供 电，负荷矩最小，将疗个负荷点组成的集合重新分组； 检验，若负荷点f 的归属没有变化，计算结束，否则回转步骤2 。 单源连续选址采用数学优化方法中求极值的迭代求解，多源连续选址通常采 用交替选址一分配法求解。本文中为了简化计算，可以通过负荷调整，将多源连 续选址模型变为单源连续选址模型。在考虑变电容载比和区域负荷计算的基础 上，确定变电所的数量和供电范围。根据变电站供电范围不能交叉、重叠的原则 以及新建站的容量( 满足容载比要求) ，将剩余负荷按设计的实际需要分成所个区 域，这样在每个区域内只需新建一座变电站，从而多站址连续选址优化问题就转 化成m 个单站址连续选址优化问题。 2 1 3 变电站选址和定容数学模型 本文只需考虑新建变电站的建模问题，其模型为单源连续型。考虑到变电站 费用中包含占地费用，情况十分复杂( 不同地块费用显然不同) ，因而本文假设各 点单位面积的土地费用一致，即变电站费用的差别就只取决于其投资和运行费 用。这样，变电站选址问题可描述为：在规划水平年负荷分布、变电站容量和供 1 3 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 电范围已知的情况下，为了满足一定的负荷需求，寻优确定变电站的位置，以获 得最小的投资和年运行费用( 变电站的投资和运行费用、线路的投资和运行费 用) ，具体的数学描述见下式： = z l + ( z 2 + z 3 ) = 1 怒r o 等) k , 1 邢m j l _1 ( 1 + 一八w 川 + 兰j e j 毗咖j e j ， 踹r o 卜扩1 8 ii - _ r ， 一1l i 盯：( x ，y ) gg 是明显不适合建站的地理位置； z 1 = l 寺罟舅譬厂( s ) + 材( 印l 为新建变电站的投资和年运 f 亍费用； z ：= 口盱d j 为估算的二次侧出线线路的网损费用； 乙= 吾 属c 杉， 者笔蒡兰 + 岛c ，d j 为估算的= 次侧待建线路综合投资。 口：鲁丝羔垒，口为近似网损折算系数，测计期内的电价为q ，出线线路的单 位长度电阻为，年耗小时数为鸭，u 一线电压，c o s 缈一功率因数； 如为贴现率； 后。为新建变电站的折旧年限； s 为新建变电站的容量； ( s ) 为新建变电站的投资费用； 甜( s ) 为新建变电站的运行费用； 毛为新建变电站低压侧线路的折旧年限； j 为新建变电站所供的第，负荷点； - ，为由新建变电站供电的负荷点的集合； 形，为第，负荷点的有功负荷值； 嘭为新建变电站与第负荷点之间的线路长度，嘭= ( x t ) 2 + ( y 一乃) 2 ； 岛( ) ，岛( ) ：为不同型号导线的单位综合投资和年运行费用系数， q = l ，2 ；l 为可提供选择的导线型号数目。 x ，y 为新建变电站的位置坐标； x ，y ，为由新建变电站供电的第负荷点的位置坐标。 由上式可见，配电网变电站选址是一个多目标、无约束、大规模的非线性优 化问题，决策变量为新建变电站的横纵坐标x ，y 。其中s 为离散量，x ，y 为连续 1 4 硕士学位论文第二章变电站选址定容建模分析 变量。z l 与变电站位置无关，只与变电站容量的组合方案有关，属于组合优化 问题；当变电站容量的组合方案确定后，z 2 ，z 3 只与变电站位置有关，属于连 续对象优化问题。因此，整个式( 2 1 8 ) 的求解是包括组合优化问题和连续优化 对象的大规模优化问题。 2 2 变电站选址定容规划方案 2 2 1 变电站选址定容2 步设计方案 由于2 2 0 k v 变电站的位置和容量的优化中，变电站的投资相对于其二次侧 线路的投资和网损来说，其所占比重相对较大( 2 5 倍) ，因此将这两个问题进行 分解，即先进行变电站的变压器容量和台数的组合，得到最小费用的组合方案， 然后进行选址定位问题的求解，从而求出最佳的变电站位置、容量和布点方