（电力系统及其自动化专业论文）基于地理信息系统的配电网规划.pdf

a b s t r a c t t h er e s e a r c h0 fd i s t r i b u t i o ns y s t e m o p t l m a lp l a n n i n gb a s e dg l s a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no fa na n t c o l o n ya l g o r i t h mf o rt h eo p t i m a l d e s i g no fr a d i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m s i no r d e rt om a k er d i c a ld i s t r b u t i o nn e t w o r k s f r o man o n - r a d i c a lp r i m a r yn e t w o r k s ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b i l i t yo ft h eo p t i m a l d e s i g na n dt h ep r o b l e mo fm i n i m u mp o w e rt r e ed r a w i n g ，id e n o t et h eo u t c o m eb y u s i n gt h em i n i m u mt r e e ，p o w e rs u p p l yi st h er o o tt h i sm i n i m u mt r e e t h er e s u l to f t h e o p t i m a ld e s i g ni sn o tn e c e s s a r yt ob ev e r i f i e df o r t h er a d i a n c ya n dc o n n e c t i v i t yf o rt h e t r a i to f t h ep o s i t i v ef e e d b a c ko f t h ea n t - c o l o n ya l g o r i t h m t h i si m p r o v e st h ee f f i c i e n c y o fa l g o r i t h mg r e a t l y r e c u r r i n gt ot h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h eg i s ，b yu s i n g e x c e l l e n tg i ss o f t w a r e m a p l n f o ”，a n de x a t i a t i n gp r o c e s so fo b t a i n e ro ft h eg r i d i m a g ea n df o u d i n go ft h ev e c t o rd r a w i n g b yu s i n g m a p b a s i c ”，ic o m p i l e d4 m o d u l e s ：p r o g r a m m i n gi n t e r f a c em o d u l e ，o p t i m a ld e s i g nm o d u l e ，o p t i m a la n a l y s e m o d u l e ，q u e r ya n ds t a t i s t i cm o d u l e e a c ho ft h em o d u l e sw i l lc a l t yo u tt h er e l a v a n t f u n c t i o n ，a n dt h ef u n c t i o n so ft h e s em o d u l e sc a nt r a n s f e re a c ho t h e r a l g o r i t h mo f t h e s em o d u l e si sa n t - c o l o n ya l g o r i t h m t h i sw i l lm a k et h ep r o c e s so fo p t i m a ld e s i g n i n t u i t i o n i s t i ca n dd i s d i n c tb yd i s p l a y i n gi d i o g r a p h i cl o c a t i o no ft h ef a c i l i t ya n d c i r c u i t r ya n dd i s p l a y i n ga t t r i b u t r yd a t ao ft h ei m a g ei nt h eb r o w s ew i n d o w sa n d d i s p l a y i n gt h er e s u l to ft h eo p t i m a ld e s i g ni nt h ei m a g e t h i ss o f t w a r eo ft h eo p t i m a l d e s i g nn o to n l yh a se a s ym a n e u v e r a b i l i t ya n dd i s t i n c t i o n ，b u ta l s or e a l i z et h ef u n c t i o n e x t e n d i b i l i t yb yu s i n gl i n ko f g e n u sm o d u l e s k e y w o r d s ：r a d i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m s ；o p t i m a ld e s i g n ；a n t c o l o n ya l g o r i t h m ；g i s i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 同期： 擎丝一翩繇牝 n f 3 0 第一章绪论 第一章绪论 电力生产的主要目的是满足用户对电能的需求。发电厂一般建在使总 体销售成本最低的地方，然后利用输电系统将大量的电能从各个主力电厂 输送到主要的负荷中心。配电系统则是利用最适当的电压等级将电能输送 给最终用户。因此，电力系统包括发电、输电和配电三个不同的部分j 。配 电系统作为连接电力用户和供电企业的重要部分，是本文重点研究的对象。 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 配电网发展概况 与世界其它发达国家相比，我国的配电系统发展起步较晚，发展水平 较低，建设相对落后。城市配电网，特别是老城网，已或多或少滞后于城 市的经济发展，成为制约城市发展的瓶颈。配电网结构不合理，电力设备 数量多但性能落后、免维护水平低且不适合自动化要求等，导致停电事故 频繁发生，可靠性较低，严重影响了人民的生活水平和经济建设的发展。 表1 1 为包括我国在内的一些国家在发电、输电、配电上的投资比例【2 j 。 表1 1 各国发电、输电、配电投资比例表 t a b l e l 1i n v e s t m e n tp r o p o r t i o no f g e n e r a t ee l e c t r i c i t y , t r a n s m i te l e c t r i c i t ya n dd i s t r i b u t i o n 从表中可以看出，发达国家都是电网( 包括输电与配电) 投资大于电 源投资，配电网投资又明显大于输电网投资。我国则刚好相反，电网投资 不到电源投资的一半，且配电网投资又小于输电网投资。与发达国家相比， 我国的配电网建设相对落后。 近年来，国家电力公司已经加快和推进配电网的建设与改造，把重点 第一章绪论 放到中低压配电网。从1 9 9 8 年以来近4 年的城市电网建设改造中，电力系 统累计完成投资1 0 7 0 亿元，新增变电容量7 1 0 0 万千伏安，农村电网建设 改造累计完成投资1 4 8 8 亿元【3 1 。目前，各地区纷纷从现有配电网的状况进 行分析，根据需要和可能进行改造，提高供电质量、可靠性和安全性，降 低损耗，以适应电力体制改革的要求和城乡发展建设的需要。 i 1 2 当前配电网存在的主要问题 ( 1 ) 配电网基础数据缺乏完整性和及时性1 4 j 配电网的电压等级多，配电设备数量多，覆盖面广，基础数据的信息量 非常庞大，现行系统只对部分信息进行管理，还有许多信息没有进入计算机 系统。另外，城市建设的飞速发展和电力用户的急剧增加，使得配电网不断 的扩大，这些变动信息的收集和更新直接影响着配电网的生产与管理。 ( 2 ) 配电网的数据缺乏共享性 配电网的管理涉及供电企业中的大多数部门，特别是电网调度、配电部 门、用电部门、营业等。这些部门虽然相互独立，但又是紧密联系的，它 们的数据需要互为共享。现行信恩系统大多数都是孤立的系统，没有形成 网络共享数据，其功能单一，有的甚至重复建立数据库，这样造成了数据 来源不统一，准确性降低，信息处理和传递的速度慢，存贮和查询不便， 费时费力，工作效率低，无法对信息进行深加工等缺陷。 ( 3 ) 没有与地理信息相结合 配电网直接联系着用户，配电网的线路、设备都与所在的地理环埔率 切相关。由于缺乏地理信息，无法对特定区域、特定数据进行分析。分析 结果不能直观显示在地理图上。 ( 4 ) 配电网实时信息与管理信息相结合有待发展 随着计算机技术的发展，配电网数据采集和监视控制系统( s c a d a ) 的逐步完善，负荷控制系统和远程抄表技术的逐步推广应用于配电网络， 提高了电网的自动化程度。但是，如果能把这些实时数据与管理信息结合 起来，从全局的角度动态地管理和分析配电网的运行，并提供辅助决策， 这将使配电网管理综合自动化迈进一大步。 ( 5 ) 系统开发平台、开发工具比较落后 随着d m s 的发展，要求把各个单独的系统连起来，但现行的系统大多 第一章绪论 是在d o s 环境下开发的，数据库系统一般是微机下的d b a s e 、f o x b a s e 、 f o x p r o 等，这些系统人机界面简单，多以文字信息为主，扩展性差，无法 集成统一系统。 ( 6 ) 缺乏计算机辅助决策的功能 由于数据缺乏完整性，因此综合处理能力比较差，不能更好地达到计 算机辅助决策的目的。 1 1 3 配电网规划的目的和意义 随着现代工业、商业、服务业和农业的不断发展及人民生活水平的日 益提高，电力的供应和消耗已渗透到社会生产、人民生活的各个角落，社 会对电力的需求量越来越大。同时，产业结构的调整，城市土地使用制度 的改变也对电力供应提出了新的要求。这些变化和要求使电力系统面临着 更复杂繁重的规划任务。电力工业的发展水平不仅对国民经济的其它部门 会产生巨大的影响，而且一次能源消耗和投资的数量也相当巨大。所以， 合理地进行电力系统规划不仅可以获得巨大的社会效益，也可以获得巨大 的经济效益。因此，对电力系统规划问题进行研究，以期最大限量地提高 规划质量，具有重大的现实意义。 1 2 配电网规划的研究内容 电网规划主要包括以下内容：负荷预测、变电站优化、配电网网架优 化、配电网潮流计算、正常和故障状态下的可靠性分析、短路容量校验、 配电自动化、投资估算以及效益分析等。随着对配电网重要性认识的不断 提高，配电网的规划研究工作也日益受到重视，国内外在城网规划方面的 研究工作取得了一定的成绩，涌现了很多新的思路和方法。下面对配电网 规划的主要内容及方法作简要介绍。 l _ 2 1 负荷预测 负荷预测是城网规划工作的基础。常用的负荷预测方法可分为确定性 方法、不确定性方法和空问负荷预测方法。确定性负荷预测方法，即把电 量和电力负荷预测用一个或一组方程来描述，变量之间有明确的一一对应 关系。其中又可分为经济模型预测法、时间序列负荷预测法、相关系数预 第一章绪论 测法、“s ”曲线预测法等。由于实际的电力负荷预测中存在着很多的不确 定因素，这些不确定因素很难用确定的数学方法描述和考虑，但是这些因 素对负荷的影响往往又是很重要的，常规的预测方法对此显得无能为力。 为此，近年来对电力负荷预测不确定性方法的研究成为了电力负荷预测中 的一个热点。模糊预测方法、灰色预测方法、神经网络预测方法、专家系 统方法等方法的引入，促使电力负荷预测取得了很多的进展。空间负荷预 测不仅能够预测未来负荷量的变化规律，而且对未来的负荷地理分布情况 也作出了相应的预测。其特点是通过对大量数据的处理，得到比其他负荷 预测方法更好的预测结果。 1 2 2 变电所的选址及容量选择 变电所容量既可按电力系统5 1 0 年发展的需要来确定，也可由上一 级电压与下一级电压电网的潮流交换容量来确定。同时也需考虑n l 情况 下的负荷安全送进送出，以满足负荷率规定。变电所的所址应符合下列要 求：接近负荷中心；使地区电源布局合理；高低压进出线方便；所区地形、 地貌及土地面积满足近期建设和发展要求；所址不能被洪水淹没或受山洪 冲刷，地质条件适宜；所址与邻近设施互不影响；交通运输方便；水源可 靠，排水方便；施工条件方便等。 1 2 3 网架优化 网架规划的i g 的在于根据投资及运行等费用最小的原则，确定扩建线 路的类型、时间及地点，建设技术上安全可靠、经济上费用最省的最佳电网结 构，保证可靠的供电。目前网架优化规划方法分为数学优化方法和启发式方法 两类【5 】 6 1 。数学优化方法就是将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案。这种方 法由于考虑了电网的决策变量与运行变量等之间的相互关系，并将实际规 划问题采用优化方法求解，因而在理论上更严格些并保证了方案的最优性。 但由于电网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。因此，优化方法在建立 模型时不得不对具体问题作大量简化。此外，有些规划决策因素难以用数 学模型表达，所以由优化方法求出的数学意义上的最优解未必是符合实际 4 第一章绪论 的最优方案。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 性优化方法有线性规划法、非线性规划法、动态规划法、整数规划法、图 论及网流法等；不确定性优化方法有随机规划法、模糊规划法等。相对来 讲，确定性方法出现比较早，解法也比较成熟，但难以精确考虑规划问题 的不确定性及多目标性。不确定性方法出现比较晚，但它可较为有效地处 理随机因素( 如随机规划) 、模糊因素及多目标多重性( 如模糊规划) 。 启发式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。常用的启发式方法可分为基于线路性能指标( 如线 路过负荷) 的启发式方法及基于系统性能指标( 如系统年缺电量) 的启发式 方法两种。近年来，模拟退火算法、遗传算法、免疫算法、t a b u 搜索、蚁 群算法等现代启发式方法的应用，为提高优化问题的求解速度及保证解的 最优性提供了新的手段。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。缺点是难以选择既容易计算又能 真正反映规划问题实质的性能指标，并且当网络规模大时，指标对于一组 方案都差别不大，难以优化选择。 传统的数学优化方法和启发式方法，共同特点是以确定的未来环境为 基础，建立数学模型，求得最佳规划方案。 1 2 4 配电网潮流分析 配电网潮流计算是配电网络分析的一项重要内容，它根据给定网络的 结构及运行条件来确定整个网络的电气状态( 主要是各节点电压幅值和相 角、网络中功率分布及功率损耗等) 并进行越界检查，它是对配电系统规 划设计和运行方式的合理性、可靠性及经济性进行定量分析的重要依据。 与输电网相比，配电网多为辐射状网络。配电网的另一个特点是线路长且 分支多，配电线的线径细，导致r x 比较大。随着国内外对配电网研究的 不断深入，出现了众多结合配电网特殊网络结构而开发的简单迭代算法， 如母线类算法和支路类算法。母线类算法以母线的注入量为自变量列出潮 流方程，而支线类方法以配电网的支路数据为研究对象列出潮流方程，此 类方法面向支路前推回代。 另外，无功优化、配电系统可靠性分析、配电自动化、社会和经济效 第一章绪论 益分析等也是配电网络规划的重要组成部分。 1 3 配电网规划方法综述 配电网规划问题有如下特点1 5 。 i 、动态性：网架规划不仅要满足规划年限内的经济、技术等性能指标 要求，而且要考虑到今后网络的发展以及网络性能指标的实现问题。 2 、非线性：线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 3 、多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑 社会、政治及环境等因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 4 、不确定性：负荷预计、设各有效度及其他条件等均存在显著的不确 定性。 5 、线路呈辐射状：由于配电网线路一般呈辐射状运行，每个用户只从 一个电源受电，各变电所所带用户之间是独立的，所以配电网潮流、规划 要按辐射网来计算，线路不能随意组合。 因此，从数学上讲，网架规划是一个动态多目标不确定性非线性整数 规划问题。要想解决这个复杂的问题，不进行一些技术上的假设和简化是 不可能的。根据简化手段的不同，形成了众多有特点的规划方法。 1 3 1 配电网优化规划模型方法及分析 配电网一般运行在辐射状( 树状) 结构下，其优点是结构简单、节省 电网投资、简化继电保护设计、限制供电系统的短路容量。因此，现有的 模型大多是以辐射网优化规划为主。 l 、最小运输费用模型【4 】 在做网络规划时，供电范围内各负荷点的负荷分配给各变电所，要求 变电所对每块负荷实现最经济而又不使变压器发生过负荷供电。可采用最 小运输费用模型进行计算( 因为电能在电网中的传送和货物在交通网络中 的运输情况类似) 。最小运输费用模型以电源变电所供给负荷点的电能为货 物，以从电源变电所到负荷侧的可能最小距离为运输距离，考察运输费用。 a ) 目标函数 6 第一章绪论 p i j 式中，n g ：电源变电所数： n d ：负荷数： s l j ：从电源变电所i 到负荷j 的可能最小距离 p 从电源变电所i 上供给负荷j 的负荷量。 b ) 约束条件 弓= p ，j = l 川2 ”，n d 名= s 。，i = 1 2 ，n d j - 1 式中，p 。：负荷j 的负荷量； s 一电源变电所i 的输出负荷。 用最小运输费用模型确定的是一个是电网投资和运行费用均可行的初 始网架，但还不是最合理的最终网架。需要进一步对其接线方式作相应修 改，以便在初始网架基础上形成一个安全与经济统一的电网接线方案。 最小运输费用模型是过于简化的线性化模型，至多只能形成主干网络的 参考解，远远不能满足优化的要求。文献 1 2 虽然采用一种逐次线性化方法， 可以在一定程度上消除线性化带来的误差，但是，这种线性化只能应用于辐 射网中的线路选择，而配电网优化的很多方面是很难全部线性化的。 2 、网络模型 7 1 对应于图论中的概念，将配电网络用有向图表示，图的弧就是连接两 节点之间的线路，图的节点就是接受或发送功率的负荷、发电厂或变电站。 然后根据图的结构建立方程。该模型以各弧段上输送单位功率( 或电流) 需要的费用为弧的权，以实际输送功率为变量，考察综合费用。 a ) 目标函数 f = m i n c , x t 0 一 m nm 一一 f 第一章绪论 式中，c k ：常数，k 弧段上输送单位功率( 或电流) 需要的费用，包括建造 线路的投资费和运行费； a ：待建线路数； x k ：k 弧段上的输送功率。 b ) 约束条件 x i 一x k = 工j p 0 x 以，k 仨a k e l n j e 0 式中，p ：网络节点的集合； l i ：j 节点负荷值； i n j ：指向j 节点方向的弧段： 0 n j ：离开j 节点方向的弧段； u k ：k 弧段的允许传输功率上限。 网络模型与最小运输费用模型很接近，同样不能满足优化的要求。 3 、基于线路选择的非线性模型 基于线路选择的非线性模型是在给出的可选线路集合中，选出某些线 路，构成相应的网络( 3 j 9 】【l 。】j ，使得非线性的目标函数最小。 a ) 目标函数 f = m i n 五( c ，+ p 瓦。纰) 式中，f ：目标函数，年综合费用： z i ：二值变量，当支路i 被选中时取1 ，否则取o ； c i ：支路i 的年综合费用，包括投资和维护费用等，由于配电网的建 设和使用周期较长，因此一般需要进行一些折算： p ：电价； t 。拼最大运行小时数； p i ：支路的的有功损耗： m ：可选支路数 b ) 约束条件 节点的功率平衡约束； 第一章绪论 支路的电压平衡约束； 支路的最大电流约束； 支路的最大电压降约束： 运行网络的辐射状约束。 线路选择模型是应用最广泛的模型。事先确定可选的线路，大大减小了 解空间的规模。如果可选线路选择的比较适当，往往可以取得较优的结果。 但是，过分限制解空间的规模，在没有系统、可靠、有效的方法确定可 选线路的情况下，只是依靠专家的经验和技巧，将会使得该模型缺乏取得更 优解的条件。 该模型的目标函数，没有包含配电网可靠性的相关信息。仅用于形成辐 射网。由于该模型保留了原始问题中存在的非线性，从而对优化的算法提出 很高的要求。它要求优化算法能够解决大规模、非线性、高复杂度的问题。 有些文献 1 2 对该模型的目标函数进行了简化，较多的是采用线性化 的方法。但是，这些模型在消去配网优化问题本身固有的非线性时，没有 采取相应的补偿措施，因此，这些过于简化的模型不能完全表达原有问题 的需要，从而不能得到更优的解。 1 3 2 配电网规划搜索策略方法及分析 配电网优化规划模型确定后，要用数学方法对模型进行求解。对于混 合整数规划模型，配电网优化规划本质上就是组合最优化问题，怎样搜索 到最优组合就构成了问题的关键。由于配电网规划的可行解集是有限点集， 所以采用枚举法逐一搜索该点集一定能得到最优解。枚举是以时间为代价 的，对于大规模网络来说，逐一搜索所需要的时间是不可能接受的，因而 需要沿某种方向寻找最优解。由此，沿怎样的方向搜索最优解把配电网规 划的研究方法大体分为传统最优算法和现代优化方法两类。 1 、传统最优算法 传统最优算法具有数学的严密性、确定性、精确性，参数都是清晰的。 用于配电网规划的主要有线性规划法、网络流规划法【”】、分支定界法等。线 性规划法是一种局部搜索法。它以一个初始解出发，在邻域中寻找目标值更 小的点，最后达到一个无法再下降的点。初始解的选取极为重要，若初始解 离最优解比较近或没有除最优解之外的局部最优解，可能可以寻找到最优解： 第一章绪论 否则，极易造成搜索到局部最优点时停止搜索，最终导致找不到全局最优解。 所以。在大规模配电网中，线性规划法不太适用。文献 1 3 利用网络流规划 法求解电网规划问题，但是由于网络流规划法对应的模型是运输模型，不易 增加约束条件，在求解出初始解之后，还要检验其是否满足其它约束条件， 所以不利于求全局最优解。分支定界法【1 4 】是求解混合整数规划模型的重要方 法，主要包括“松弛”和“分离”两个部分。“松弛”是指松驰原问题的所有 整数约束条件得到一个可行解区域和一个最优解，若该最优解满足整数约束 条件，则该解就是原问题的最优解；否则用“分离”的方法，另立两个新问 题将原问题分开，同时剔除“松弛”后可行解中的一些非整数解，保留其中 的所有整数解。这样，将足够的非整数解剔除后，就获得一个整数解。文献 1 4 1 5 1 6 利用分支定界法很好的解决了配电网规划问题，但是该算法计 算速度较慢，不适宜大规模网络的规划。而且，分支定界法以线性规划为基 础，有线性规划的局限性【1 。”。 总之，传统最优算法与初始解的选取有密切的关系，并且容易陷入局部 收敛。对于负荷数据不确定、参数估计不准确的配电网规划中，难以确定一 个离最优解较近的初始解，所以用传统最优算法来规划配电网误差较大，有 可能脱离实际。 2 、模拟退火算法【1 8 】【1 9 】 模拟退火法( s a ) 来自于对熟力学过程的模拟。为了生成规则晶体，先 将原材料加热到融化状态，再将晶体熔融液徐徐降温，使之凝固成晶体结 构。在冷却的过程中，如果降温太快，则会带来不良后果，特别是导致所 形成的晶体不够规则，并且能量远远高于一个完美结构的晶体。物理系统 和模拟退火优化问题之间具有明显的类似点。下表列出了它们之间的一些 基本的“等价“概念。 模拟退火算法可以表示为： 步骤1 ：任选一个初始解s 。作为当前解，内能为c ( s 。) ；设置初始温度t 。； 步骤2 ：在当前温度下，当前解的邻域中随机产生一个新的当前解，若满足 m e t r o p o l i s 抽样平衡，转向步骤3 ；否则，s 。以一定概率被接受，重复步骤2 ； 步骤3 ：按一定规则降温：若满足停止条件，终止计算：否则，回到步骤2 。 模拟退火法从一个初始解出发，沿对目标函数有利的方向搜索，当收 敛于局部最优点时，退火技术可以给它一个适当的“外力”，将其拉出局部 1 0 第一章绪论 表1 2 物理系统概念与模拟退火优化算法的对应关系 t a b l e l 2p a r a l l e l i s mc o n n e c t i o no f p h y s i c ss y s t e mc o n c p t i o na n ds a 物理系统优化问题 状态可行解 能量评估函数 基态最优解 快速淬火局部搜索 温度控制参数t 徐徐退火模拟退火 最优点，从而向全局最优点变化。 3 、遗传算法( g a ) 【2 0 】 遗传算法( g a ) 主要借用生物进化中“适者生存、优胜劣汰”的规律 它与生物遗传概念的对应关系如表 表1 3 生物遗传概念与遗传算法的对应关系 t a b l e l 3 p a r a l l e l i s mc o n n e c t i o no f b i o l o g yd e s c e n d i b l i t yc o n c e p t i o na n dg a 生物遗传概念遗传算法 个体 染色体 基因 群体 适应度 选择 交叉( 通过两个父代个体产生子个体) 变异 解 解的编码形式 解的各个分量 选定的一组解 目标( 适应) 函数值 适应函数值大的以较大概率生存 由两个解产生一个新的解 解的某一分量变化 遗传算法( g a ) 可以表示为如下过程： 步骤1 ：选择编码形式，给出一个有n 个个体的初始群体： 步骤2 ：计算每个个体的适应函数； 步骤3 ：若满足停止规则，算法停止；否则，按规则进行遗传操作( 选 择、交叉、变异) ，产生一个平均适应函数较高的新群体，返回步骤2 。 遗传操作使遗传算法能够搜索到全局最优解。选择操作使群体中适应 第一章绪论 度高的个体有更多的机会传给下一代，从而产生平均适应度越来越高的新 群体：交叉是对新群体中随机选择的两个个体进行基因交换的操作，体现 了自然界中群体内个体之间的信息交换；变异操作则是对新群体中随机选 择的某个个体的某个随机产生的基因进行突变。交叉和变异都是为了引入 新的变种确保群体中个体的多样性，不致陷入局部最优区域。经过遗传操 作，初始群体一代代地进化到搜索空间中越来越好的区域，直至达到最优 解点。g a 作为一种新的优化算法，还有许多技术问题有待完善和改进，如 初始群体规模、交换率、变异率等参数的确定、最优个体的保存等。许多 文献都对此做了研究。例如，文 2 1 研究了群体规模的选取：文 2 2 提出 了自适应交换率；文 2 3 提出了自适应变异率等等。 4 、蚁群算法【2 4 】 蚁群算法( a c a ) 主要是模仿蚂蚁觅食机理，通过一定数量人工蚂蚁的相 互通信、协作，迅速寻找到最优路径。起初是通过蚂蚁系统( a s a n t s y s t e m ) 2 5 1 来模拟这一过程，后来逐步发展为蚁群系统( a c s a n tc o l o n y s y s t e m ) 2 6 1 。a c a 是一种求解组合最优问题的通用新型内启发式方法，该算 法通过多个代理( 人工蚂蚁) 间的信息交互完成整个蚁群的复杂行为，通过 正反馈来加速最优解的搜索过程，通过分布式计算来避免过早的陷入局部 最优解【6 】【8 】。近年来，国内已有专家学者将a c a 应用于电网规划问题 2 7 1 2 8 】【2 9 1 ，均取得了一定效果。本论文将以蚁群算法作为配电网的优化方法。 1 4 本文的主要内容 本文主要应用蚁群算法进行网架优化，并在g i s 的基础上进行配网规划 的方法进行了研究，开发了基于g i s 的配电网规划平台。作者参阅了大量国 内外关于配电网规划的书籍和文章，通过本课题的研究，现将结果汇于本文。 第1 章绪论，介绍配电网基本情况、配电网规划的现状及存在的问题、 配电网规划的主要内容。第2 章地理信息系统及其在配电系统中的应用，介 绍地理信息系统的定义、发展概况、功能、数据形式及其在配电网中的应 用。第3 章主要介绍了应用蚁群算法进行配网规划。第4 章详细介绍了采用 地理信息软件平台m a p i n f o ，把g i s 和配电网规划结合起来，并应用m a p l n f o 的二次开发语言m a p b a s i c 实现第3 章的算法，以及配电网规划软件的其它功 能。第5 章结论与展望，对先前所作工作的总结及其对未来工作的展望。 1 2 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 2 1 地理信息系统的概述 2 1 1 地理信息系统的定义 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是在计算机 硬件、软件系统支持下对整个或部分地球表面( 包括大气层) 空间中与地 理分布有关的数据讲行采集、存储、管理运算、分析、显示和描述的综合 技术系统【30 1 。它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适 时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算 机技术系统。其基本结构如下图 图2 1 地理信息系统基本结构图 f i g 2 1 b a s i cs t r u c t u r a lc h a r to fg i s 2 1 2 地理信息系统的发展 1 9 6 2 年加拿大测量学家r o g e rt o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统概 念【3 ”，建成世界上第一个g i s ( 加拿大地理信息系统c g i s ) ，并用于自然资 源的管理和规划。不久其他国家如德国、瑞典和日本等国相继发展了自己 的g i s 。8 0 年代起，随着计算机技术突飞猛进的发展，加上社会的迫切需 要和经验与教训的积累，g i s 系统在土地与房地产管理、资源调查、环境保 护、市政建设与管理、区域与国家的宏观分析与调控等方面取得了显著成 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 绩。进入9 0 年代后，g i s 已经逐步成为区域管理、经济发展和社会进步的 一种不可缺少的现代化手段，也在城市规划、管理和科学决策等方面发挥 着重要的作用。在“数字地球”概念后，其核心技术一一g i s 系统更为各国 政府所广泛关注。 我国g i s 的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 、 准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) 、发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。g i s 已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。8 0 年代初 开始，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、 区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取 得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用 奠定了基础。自9 0 年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。我国开始实 施地理信息系统、遥感、遥测联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实 用化、集成化和工程化，努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件 的实用化以及遥感、遥测和地理信息系统技术一体化。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了六个阶段，即g i s 功能模块、 集成式g i s 、模块化g i s 、核心式g i s ，从而发展到组件式地理信息系统 ( c o m g i s ) 和互联网地理信息系统( w e b g i s ) 的过程。传统g i s 虽然在功 能上已经比较成熟，但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发 的，属于独立封闭的系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握， 费用昂贵，阻碍了g i s 的普及和应用。c o m g i s 的出现为传统g i s 面临的多 种问题提供了全新的解决思路。 组件式软件是新一代g i s 的重要基础，c o m g i s 是面向对象技术和组件 式软件在g i s 软件开发中的应用。c o m 是组件式对象模型( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 的英文缩与，c o m 不是一种面向对象的语言，而是一种二进制标准； c o m 所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建 立之后，模块之间就可以通过称之为“接口”的机制来进行通信。c o m g i s 的基本思想是在同一平台上，把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每 个控件完成不同的功能：各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的 g i s 应用软件。控件如同一堆各式各样的积木，它们分别实现不同的功能( 包 括g i s 和非g i s 功能) ，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就 1 4 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的戍用 构成应用系统。 国际互联网( i n t e r n e t ) 的迅速崛起，并在全球范围内飞速发展，使 网络成为高效的全球信息发布渠道。随着人们对g i s 应用的需求，利用 i n t e r n e t 技术在w e b 上发布和出版空间数据，以供用户浏览、查询并获取 所需的空间数据和应用，是g i s 发展的必然趋势，这就产生了w e b g i s 。从 w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据， 以及制作专题图，进行各种空间检索和空间分析。 g i s 网络化、数据商业化、标准化、系统专门化、企业化、全球化、大 众化是地理信息系统发展的趋势。 2 1 3g i s 的功能分析 l 、g i s 系统功能的作用 由于g i s 系统要对地理信息系统自动处理与分析，因此g i s 系统的功 能必须遍历数据采集一分析一决策应用的全部过程，并且能够回答和解决 以下五类问题： a ) 位置它可表示为地方名、邮政编码、地理坐标等，即能够回答和 解决有什么的问题。 b ) 条件例如在某个地区寻找面积不小于1 0 0 0 m 2 的不破坏植被且地 下条件适合于电力电缆埋设的配电站地址，即能够回答和解决符合条件的 实体在那里的问题。 c ) 趋势如某个工厂扩建需改变送电路径，即要回答和解决某个地方 发生的某个事件及其随时间的变化过程。 d ) 模式如某个供电区域的配电线路分布情况，即要回答和解决某个 地方存在的空间实体的分布模式问题。 e ) 模拟如某个城市住宅小区规划将架空线路改为地下电缆，即要回 答和解决某个地方如果具备某种条件会发生什么的问题。 2 、g i s 系统的基本功能 a ) 采集、检验与编辑主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库 中的数据在内容和空间上的完整性、数据值逻辑一致、无错等。 b ) 数据操作实现数据的格式化、转换和概化。数据的格式化是指不 同的数据结构的数据问交换，是一种耗时、易错、需要大量计算的工作。 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变换。在数据格式的转化方式 上，矢量到栅格的转换要比其他运算快速、方便。数据比例尺的变换涉及 到数据比例尺的缩放、评议、旋转等方面，其中最重要的是投影变换。数 据概化包括数据平滑、特征集结等。目前地理信息系统提供这方面的功能 极弱，需要进一步发展。 c ) 数据的存储与组织这是一个数据集成过程，也是建立地理信息系 统的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型 和栅格矢量模型的混合模型是常用的空间数据组织方法。属性数据的组织 方式有层次结构、网络结构和关系数据库管理系统等，最常用的是关系型 数据库系统。大多现行的系统中，空间数据和属性数据是分开存储的，通 过公共项( 一般定义为地物标示码) 来连接。 d ) 查询、检索、统计和计算功能查询、检索、统计、计算是地理信 息系统及其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的功能。 e ) 空间分析是地理信息系统的核心功能也是地理信息系统与其它 计算机系统的根本区别。 f ) 显示地理信息系统为用户提供了许多用于显示地理数据的工具， 其表达形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是报告、表格、地图等硬拷 贝图件，尤其要强调的是它的地图输出功能。 3 、g i s 的高级功能 a ) 空间检索 包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件 集检索空间物体。 b ) 空间拓扑叠加分析空间拓扑叠加实现了输入特征的属性合并以 及特征属性在空间上的连接。 c ) 空间模拟分析 空间模拟分析刚刚起步，目前多数研究工作着重于 如何将地理信息系统与空间模型分析相结合。 2 1 4 地理信息系统中的数据 在地理信息系统中，有关空间目标实体的描述数据可以分为空间特征 数据和属性特征数据，二者统称为空间数据( 或地理数据) 【30 1 。空间特征 数据和属性特征数据通过内部索引相连，是地理信息系统区别于其他绘图 软件的关键之处。 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 地理信息系统的地理数据包括实体的位置、可能的拓扑关系、地物的 特征等，数据结构主要有两种形式：矢量数据和栅格数据，其中矢量数据 的使用更为广泛【3 “。 1 、地理信息系统中的数据类型 空间数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、线、面等各种 图形符号信息：属性数据的表达方法包括基于地理特征( 包括空间特征和 属性特征) 的多种分类关系的表格。地理信息系统正是通过建立空问特征 数据的图形符号表达与属性数据的表格表达之间的联系，才具备了强大的 空问分析能力。 属性信息即对图形相关要素的描述信息，如配电线路的长度、电缆型 号、线路编号、额定电流，配变型号、编号、名称、安装位置、投运时间、 检修情况、额定电流、实验报告等。这些属性数据的用途为结合图形进行 档案资料的查询提供具体信息。 对普通的二维属性数据当然可以采用关系数据库来维护，但在地理信 息系统中，属性数据并不独立，而是与视图中的几何图形一一对应的。为 此，可以先将几何图形数据库建立一个或几个文件，并且对每一个目标设 置唯一的标识号，然后属性数据建立一个表结构文件，通过标识号i d 将两 者连接起来，如图所示。 属性数据 i d 空间数据 图2 2 属性数据与空间数据的关联 f i 9 2 2 c o n n e c t i o no f t h ea t t r i b u t ed a t aa n di n t e r s p a c e 2 、地理信息系统中的数据结构 空间数据结构是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机处 理，可以分为矢量数据结构和栅格数据结构。数据结构的选取取决于数据 的性质以及使用方式，大多数地理信息系统都同时采用矢量数据和栅格数 据结构。 a ) 矢量数据结构 在矢量数据结构中，空问目标可以划分为点( 节点) 、线( 弧段) 、面( 多 1 7 第二章地理信息系统及其在配电网系统中的应用 边形或封闭曲线) 三种基本类型，每种类型可以用采样点的坐标来表示： 点( x ，y ) ； 线( x ，y 。) 、( x 2 、y 2 ) ( x 。、y 。) ； 面( x 。，y 。) 、( x 2 ，y 2 ) 、( x 。，y 。) ，且( x ；，y ，) = ( x 。，k ) 。 在地理信息系统中，除了记录空间目标几何图形数据外，还要考虑与 他相关的属性信息以及空间目标的相互关系。以满足空间查询和空间分析 的需要。在几何形态方面，主要涉及坐标、角度、方向、距离、周长和面 积等；在空间关系方面，则采用拓扑几何来描述，涉及的术语有“相连”、 “相邻”、“在里面”和“在外面”等。这也是g i s 软件与一般的矢量软件 ( 如a u t oc a d ) 的最关键的区别之处。 b 】栅格数据结构 采用栅格结构，主要是因为来自遥感、数字摄影测量和扫描的数据等是 栅格形式的。另外。结构简单、空间叠置、易于进行空间分析也是其得以 应用的原因。但对于比例尺变换、投影变换等则显得力不从心。 2 2 地理信息系统在配电系统中的应用 由于g i s 系统独有的空间数据库技术，不仅能生动、形象地反映电力 系统的设备和运行情况，而且可以把大量的人工从中解脱出来，并实现资 料的快速、及时更新和电力系统设计运行等的科学管理。与传统的方法相 比，应用地理信息系统完成各项任务有许多优越性p 3 1 ，现简述如下： l 、允许存储多种性质的数据，包