（电力系统及其自动化专业论文）基于改进分步最优法的配电网开关配置及网络重构.pdf

关开启的先后次。算法算式简明，计算速度快，重构结果最优。 关键词：分步最优：开关配置；网络重构；优化算法 l l s e c t i o n a l i z i n gs w i t c h e s a l l o c a t i o n i n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s a n dd i s t r i b u t i o n f e e d e rr e c o n f i g u r a t i o nb a s e d o ni m p r o v e d m u l t i p l e s t e po p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m m a j o r ：e l e c t r i c p o w e r s y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：s h e nx i a o d o n g a d v i s o r ：l i uj u n y o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i f e ，e l e c t r i cp o w e rr e q u i r e dm o r ea n dm o r e ，c u s t o m e r sm a k e d e m a n d so n h i g hp o w e rs u p p l yq u a n t i t ya n dr e l i a b i l i t y , e v e no c c u r r e n c et oi n s t a n t a n e o u sp o w e r s u p p l yb r e a ko f f c a l l ts u f f e r , w h i c hm a k e se l e c t r i ci n d u s t r yg r o wf a s ta n de l e c t r i c n e t w o r k e x p a n dq u i c k l y b e c a u s et r a d i t i o n a lt e c h n i q u e a n d m a n a g e m e n t m e a n sc a n t a l r e a d ya d a p t t ot h en e ws i t u a t i o n ，t h en e w t e c h n i q u em u s t b eu s e d s w i t c h e sa l l o c a t i o ni nd i s t r i b u t i o r r cn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tp a r to fd i s t r i b u t i o n n e t w o r k p r o g r a m m i n g d u e t ot h e c o m p l i c a c y a n d c o m b i n a t i o n ，t r a d i t i o n a l m a t h e m a t i c a lo p t i m a la p p r o a c h e sc a l lt h e o r e t i c a l l yg u a r a n t e et h eo p t i m u m ，b u ti t c o s t s l o n gt i m ea n dr e q u e s tl a r g ee m sm e m o r y a l g o r i t h m sb a s e d o na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，s u c h a s a l g o r i t h m s b a s e do n g e n e t i c ，a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka n d s i m u l a t e da n n e a l i n g ，r e l yo ni n i t i a lp a r a m e t e r a n dt h e i rv e l o c i t i e sa r es l o w ；p e r h a p s t h e i rr e s u l t sc a n t c o n s t r i n g e n c y an e wm o d e lo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ks w i t c h e s a l l o c a t i o nt om i n i m i z ec o s ti sp r e s e n t e d t h ei m p r o v e dm u l t i p l e s t e po p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m i su s e dt os o l v et h em o d e l o n es w i t c hi s p l a c e d i n e v e r yo p t i m a l p r o c e s s i n ga n ds i m p l i f i e dr u l e sa r eu s e dt os h o r t e nt h es e a r c h i n ga r e a s i tn o to n l y i n s u r e st h ec o n v e r g e n c eo f ) h ea l g o r i t h m ，b u tw o r ko u to p t i m a ls o l u t i o n t h e r ea r eal o to fs e c t i o n a l i z i n gs w i t c h e sa n dt i es w i t c h e s b yc h a n g i n g ) h e s t a t u so ff e e d e rs w i t c h e s ，d i s t r i b u t i o nf e e d e rc o n f i g u r a t i o nw i l lb ea l t e r e da n dt h e r e s u l t i n g l i n e f l o w ，b u sv o l t a g e ，a n d l o s s e sw i l lb er e d i s t r i b u t e d n o t a b l e a d v a n c e m e n t sh a v ea c h i e v e da f t e rl o n gt i m es t u d y , a n da l lk i n d so f a p p r o a c h e st o i i i s o l v ed 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 np r o b l e ma r ep r e s e n t e d h o w e v e r , t h e ya r e v e r y t i m e c o n s u m i n ga n dt h e i rc o n v e r g e n c e sa r eb a d t h i sp a p e rb a s e do ns w i t c h e x c h a n g em e t h o d ，f o rr e e o n f i g u r a t i o no f p o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kt om i n i m i z ec o s t ， p r o p o s e s t h eh e u r i s t i cr u l eb a s e do n s t r i c t l y a c a d e m i c a n a l y s i s t h es e q u e n c e d e c i d i n gt h e s t a t u so ff e e d e rs w i t c h e si sa l s o p r o p o s e db a s e d o nm u l t i p l e s t e p o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi nt h i sp a p e r c a s es t u d i e sa r eg i v e nt os h o wt h a tt h em e t h o d i se f f i c i e n ta n d p r a c t i c a l k e y w o r d s ：m u l t i p l e s t e po p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；s w i t c h e sa l l o c a t i o n ；d i s t r i b u t i o n r e c o n f i g u r a t i o n ；o p t i m a l i t ya l g o r i t h m 四川大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 1 前言 配电网络因为主要供给一个地区的用电，因而又称地方电力网。相对于区域 电力网来说，它的电压等级和供电范围均要小些，但它在结构上最大的特点 是作为电力网的末端而直接和用户相连，敏锐地反映着用户在安全、质量、经 济等方面的要求。配电网自动化是根据各国配电网的发展、用电的性质雨提出 来的。每一个国家电力发展史既有共同的一面，也有不同的一面。因此，对于 电力发展较为迅速，配电网分布面较广，城乡差别较大的中国，发展研究应当 符合国情国力，具有中国特点的配电网自动化方案，以便充分发挥优势力量， 达到少花钱，办好事，讲实际，实用化的要求。 如果将电力工业的投资按表1 1 i 所示的发电、输电、配电进行分配，我国 与发达国家比较，其比例就显得不够协调。如表i - i 所示，发达国家都是电网 ( 包括输电与配电) 投资大于电源投资，且配电网投资又明显大于输电网投资： 我国刚好相反，电网投资不到电源投资的一半，而且配电网投资又小于输电网 投资。国外先进国家和地区的供电可靠率及相应年户停电时间为9 9 9 9 8 6 和 l o m i n ( 纽约市) ，美国全国平均5 8 m i n ，日本全国平均9 m i n 。我国全国平均年停 电时间长达3 0 h ，差距太大。不但如此，目前突出矛盾是发电厂窝电，老百姓用 不上电，卡脖子地方主要是配电网，表现在：( 1 ) 网络结构不合理，降低了供电 可靠性：( 2 ) 配电线路上不设开关，一有问题便拉整条线路，或使用落后的油开 关，负荷电流都不敢拉，每三年就要更换，有名无实：( 3 ) 供电半径过大，导线 截面太小，使电压合格率很低：( 4 ) 无功补偿不完善，有的虽装了补偿电容器， 但人工简单操作，在高峰投，低谷切，功率因数提不高；杆上公用变一般都未 装补偿电容器，线损率居高不下：( 5 ) 配电变压器损耗大，容量不足。高峰过载 烧坏屡见不鲜：( 6 ) 迸户线老化，截面积小，适应不了用电增长要求。经常出事 故。为此，国家投巨资于城网、农网改造，以便提高配电网供电能力和安全经 济运行水平。 目前，馈线自动化倍受关注，其重要原因就在于，它能以较少的投资来减 少停电时间，提高供电可靠性。传统的城市配电网采用双回甚至三回线路供电， 四川大学硕士学位论文 来保证重要用户的供电可靠性。由于增加了变电站的出线数，通常需要建开闭 所。这种变电站一开闭所一用户的供电方式不仅设备利用率低，线路投资大， 而且增加了变电站的出线困难，使得城市电缆和架空线路更加拥挤。在环状供 电网中，采用馈线自动化技术只需要沿馈线装设柱上开关、分段器、重合器等 设备，就可以通过故障定位、隔离和恢复供电功能来保证供电可靠性，并降低 配电网的维护和检修费用。但线路如何分段，环网开关如何定位，这是馈线自 动化规划应该解决的问题。开关定位是馈线自动化规划中最重要的决策变量， 一旦开关位置确定，就可以初步确定配电自动化的通信方式和控制决策及其他 设备的配置。 表卜l各国发电、输电、配电投资比例表 国别发电投资：输电投资：配电投资 美国 ： 1 ：o 4 3 ：0 7 英国l ：o 4 5 ：0 7 8 日本l ：o 4 7 ：0 6 8 法国】：o 6 7 ：1 6 0 中国( 1 9 9 1 1 9 9 5 )1 ：o 2 3 ：0 2 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刀 闸及少量常开刀闸。正常运行条件下，配电调度员周期性( 如按季节) 地进行 刀闸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，闭合一些常开刀闸，隔离故障支路。同时打开一些常含刀闸，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 一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，是配电网络优化的一个有效手 段，既可作为网络规划的工具，又可作为实时控制的工具。 网络重构通过切换联络开关和分段开关的开合状态来改交网络的拓扑，在 馈线或变电站之间转移负荷，从而影响耐络中的功率流动，最终达到网络优化 的目的。总的看来，配电网重构所涉及的问题有：负荷预测、潮流计算、搜索 2 罂型查兰矍圭兰竺丝l 一 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。配电网重构是配电网特有的功能，在我国所进行的研究较少。 随着d m s 的建设和完善，配电网重构有望得到实际应用，从而提高配电网的可 靠性、安全性和经济性。因此，加快对配电网重构问题鼢研究具有重要的现实 意义。 1 2 配电网开关配置的历史及现状 配电自动化在发达国家进行的比较早，从2 0 世纪7 0 年代开始，其发展过 程大致可以分为三个阶段：第一阶段主要的目标是在重要的线段进行故障自动 隔离，结合配电网的改造，进行配电系统自动化的试点工作：第二阶段在2 0 世 纪8 0 年代初期，配电自动化系统开始大量投入，营业管理自动化、负荷控制开 始实麓，但是由于计算枧技术的限制，当时的自动化系统大部分为单项自动化 系统；第三阶段开始于2 0 世纪8 0 年代后期，由于计算机技术的飞速发展，配 电自动化朝着综合自动化的方向发展。实现配电自动化及管理系统的目标主要 是保证供电质量和供电可靠性，以及在运行管理、设备管理、负荷管理、质量 跟踪监视、收费管理等方面实现全面的自动化，使配电网的运行更加有序可靠。 馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ) 的作用包括：在正常情况下，远方实时监视 馈线开关状态和馈线电流电压，实现馈线开关远方合闸、分闸操作，通过配电 网络重构达到负荷均衡和降低线损的配电优化目的：在故障时，获取故障记录， 自动完成故障定位和隔离故障馈线区段。通过配电网重组实现对非故障区域的 供电。因此其主要功能有：遥测馈线柱上开关处的电流、电压：遥信馈线柱上 开关的位置、储能完成信号、其他监视信号；遥控馈线柱上开关的合闸、分闸； 故障区域和类型自动判断、指示及自动隔离，故障消除后自动恢复供电，实现 故障处理；根据负荷情况合理改变配电网的运行情况，实现负荷管理；过电流、 时间顺序等记录，定值远方修改和召唤以及对时等。 配网馈线自动化是建立在环网供电开环运行的网络结构基础上，因此，将 旧城网辐射供电方式逐步改造成环网供电方式是实现配电网馈线自动化的前提 条件。环网供电一次系统，包括一次接线、柱上开关或环网开关柜的选择、线 路分段、开环点的定位，都与馈线自动化密切相关，是实现馈线自动化最基础 的工作。 四川大学硕士学位论文 目前研究分析配电网开关配置的方法主要可分为传统的数学优化法和人工 智能法。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。在文 献 2 】中提出了种应用辖区指数选择开关设备数量和定位的方法，利用保护区 域末端可能的最大故障电流与区域首端开关设备的最小脱钩电流之比来选择与 定位开关设备。文献 3 提出一种基于o l 整数规划的开关配置算法，将可靠性 指标停电电量损失( e n s ) 和停电功率损失f e n s ) 表示成o 一1 开关变量的多项式， 能够考虑故障的隔离和恢复对可靠性的影响。然后将馈线自动化规划模型表示 成开关的最优配置问题，并采用多项式o 一1 规划方法进行求解。 人工智能算法主要包括遗传算法1 4 】和模拟退火算法1 5 1 。遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 是以自然界基因选择机理为基础的搜索方法，通过模拟基因 串的优者生存及随机交换信息的方法搜索优化方案。在每个新代里，它利用上 代最适合的信息去创造新的合成基因串，它有效利用过去的信息去搜索新的搜 索点，从而改进搜索操作。 模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 将组合优化问题与统计力学中 的热平衡问题类比，可以有效地绕开局部最优解，以较大的几率找到全局最优解， 而且最终解与初始解无关方法。该算法的要点是：设计合适的全局冷却过程， 即确定起始冷却温度，冷却率，每次交换开关的数目及每个温度下交换开关的 总数等。 1 3 配电网网络重构的历史及现状 配奄系统中装有大量的常闭开关和少量的常开开关，网络重构就是通过操 作这些开关，即通过调整网络中分段开关和联络开关的分、合状态，重新组织 网络的运行方式，使之处于一个更有利的运行状态。网络熏构的作用主要体现 在以下三点：( 1 ) 降低配电网的网损，提高配电网运行的经济性。( 2 ) 平衡各馈 线的负荷，消除过载。( 3 ) 在故障情况下恢复供电，提高供电的可靠性。随着我 国城网改造进程的推进，网络重构问题的研究在配电系统自动化中有着更为重 要的实际意义。 最优配电网络重构技术最早是由m 留l i n 和b a c k 于1 9 7 5 年提出来的旧，之 后不断有研究成果发表。针对不同的网络重构目的和网络重构方法，对这些研 4 四川大学硕士学位论文 究成果进行了比较分析。 1 3 1 网络重构的目标函数 重构的目标函数分为以下几类： ( 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7 】f 8 】【9 】【1 0 1 。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【1 1 1 【l z t t 3 1 【1 4 】。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【1 5 】f l 碰1 7 1 。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1 1 8 1 1 9 】1 2 0 】。提 高系统可靠性的途径一般有两条：i 提高组成系统各元件的可靠性性能：i i 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【2 j l 】脚】。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 d 2 ”。 随着研究的进一步深入，有时不是以单一的函数作为重构的目标函数，而 是将配电网络重构视为多目标优化问题，即将最小化系统有功功率损耗、最小 化系统能量损耗、平衡系统负荷、提高系统可靠性和稳定性等其中的两个或两 个以上的目标组合作为网络重构的目标。 1 3 2 网络重构的基本方法及其特点 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跚。 四川大学硕士学位论文 ( 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。分枝界面法陋堤将 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1 2 7 1 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，在打开的联络开关中集中搜索一个使其闭合，在闭合的分段开关中集中搜 索个使其断开，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 r a o h a m m a d i 7 】7 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晌。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c 4 6 在考虑了网络重构的实际运行约束的基础上提出了一个改进最优 流模式法，并用一个快速有效的单环网潮流算法求解最优流模式。文献【4 2 1 在理 论上推导出了在最优流模式下打开环网中的一个开关后系统功率损耗变化的计 算公式，然后以打开开关所引起的网损增量最小为启发式规则来打开开关以形 成新的辐射网。 ( 3 ) 支路交换法 该算法由s c i v a n l a r 等人( 8 l 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 6 四川大学硕士学位论文 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。 m e b a r a n 等人f 9 j 在文【8 的基础上提出了一种在支路交换后重新计算潮流 的方法，将二次函数求极值的方法用于寻找开关的最优操作，加快了搜索速度。 文 5 2 】提出了一种针对大规模配电网络实时算法，采用了一种简化负荷模型和启 发式方法，提高了计算速度。文献 5 3 1 根据配电系统中存在大量独立拓扑调整的 特点提出一次可以实旌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。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 ) 近全局寻优技术 近年来，近全局寻优技术( 如模拟退火，遗传算法和t a b u 搜索) 作为许多 工程问题的一种可能的解决方法已经引起了广泛关注。 a 遗传算法( g a ) 遗传算法【i o j 【2 8 】是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法。它将网络的刀 闸状态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 ，1 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。 文献 1 0 1 所用算法充分利用了遗传算法的性质解决网络重构问题，但没有利 用问题的特有性质而是对全部开关的状态o l 编码，这样会在遗传操作中产生 大量不可解，降低了求解速度。文【2 8 】利用启发式算法来提高遗传算法的局部寻 优能力，并且注意到了配电网的自身特点网络中的联络开关( 指本次网络重 构前处于断开状态的开关) 只占全部开关的极小一部分，故用联络开关的开合状 态来编制染色体，可保证求出的解既有全局优化的性质，又实际可行，并且大大提 高了求解的速度。 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 7 四川大学硕士学位论文 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。 b 模拟退火算法 2 9 1 1 3 0 1 ( s a ) 1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为模拟熔融态固体热平衡的形成而提出 m e t r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，这种算法被用于求解组合优化问题，从而产生 了模拟退火算法，它采用随机搜索迭代过程寻求最优解。模拟退火法的优点是 对目标函数无特殊要求，得到的是全局最优解，此解与初始可行解基本无关， 它同时还能有效地克服“维数灾”。缺点是收敛的关键在于退火方案的选取，若 选取不当，则需要大量的随机迭代，计算量大，得到的解与最优解相差甚远。 文献【2 7 】使用改进的s a 算法解决多目标函数优化的配电网重构问题，算法 的关键是扰动策略和接受标准的配合策略。文献【2 9 】提出了一种改进的s a 算法， 即以当前最优解作为当前控制温度的初始当前解，从而构造了一个单调递减的 初始当前解序列，这一改进是算法对参数的依赖减小，而且进一步降低了计算 量。随后，文献【3 0 】中应用s a 算法提出越界惩罚模型，针对目标函数提出了损 耗模型，负荷率中心矩以及混合模型，并引入概率负荷潮流概念，试图摸索解 决负荷不确定的问题。 c 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 3 1 】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。 ( 5 ) 人工智能方法 a 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，g a v 神经 8 四川大攀硕士学位论文 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 3 2 1 使用四个a n n 模型来满足系统的复杂性和负荷的性质，最适合的一 个模型被用来预测开关的最优状态，在此状态下系统的网损最小。5 4 提出了用 b p 模型实现配电系统馈线结构重构，以实现网损最小。首先根据每个地区负荷 的测量数据利用一组b p 模型估计负荷水平，之后根据负荷水平再由另一b p 模 型决定期望的系统拓扑结构，最后比较当前的和期望的系统拓扑结构决定控制 策略( 开关操作顺序) 。采用m q n 结构是分层分布式的。m a k a s h e m 5 5 】等人 将负荷分为工业，商业和民用三类，同时将负荷水平分为七类，降低了配电网 重构的维数，提高了运算速度。一 b 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 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 1 5 】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 1 s 5 6 5 7 1 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。p e p o n i s g 【5 3 j 等人提出 了针对大规模配电网的基于启发式方法的配电网重构算法，不但降低了网损， 也改善了负荷分布。 9 四川大学硕士学位论文 c 模糊集理论( f s t ) 模糊集理论是控制论专家z a d e h 在1 9 6 5 年提出的，提供了对研究对象多种 属性的选择方案，通过设计适合于研究对象的加权法，来解决矛盾目标。模糊 集理论用隶属度来描述没有明确界限和概念的外延的模糊现象，适用不能用经 典的布尔逻辑描述的模型，并能很好地利用专家的经验。但是模糊集理论在线 处理能力较差，理论上不能得到最优解，必须依赖于其他技术的联合应用。 文 3 3 】提出一种模糊逻辑和进化算法相互配合的算法，用模糊集控制进化进 度，从而得到全局或近全局最优。【5 9 提出以网损最小和负荷平衡为目标，采用 基于模糊策略和模糊控制的启发式算法来获得最优解。f 3 4 提出一种模糊遗传算 法，即通过模糊规则在线地改变您和p m 的值，模糊遗传算法改进了简单遗传 算法的性能，提高了收敛速度，避免了未成熟收敛。 1 3 3 配电网重构研究的重点及展望 总的来看，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 3 5 | 。 a 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。 b 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v 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。 c 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。 d 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 1 0 四川大学硕士学位论文 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 4 本文的主要工作 如前所述，配电网开关配置和网络重构所具有的诸多特点，使得配电网开 关配置和网络重构成为一个非常复杂的、大规模的组合最优问题。对于求解这 样一个问题，要准确地考虑到方方面面是不可能的，也是不现实的。本文是在 总结前人经验的基础上，从另外一个角度和侧面对这一研究课题作了尝试性的 工作。 首先提出了一种配电网开关配置和网络重构的新方法一改进分步最优法。 分步最优法能够保证开关配置和网络重构获得全局解，但是当网络规模较大时， 会大大影响分步最优法的收敛速度。本文提出的改进的分步最优法充分利用了 分步最优算法和启发式算法的优点，既保证了收敛的速度，又能得到全局最优 解。 其次，建立了配电网开关配置和网络重构的新模型。该模型综合考虑了网 络的经济性和安全性，更适合于实际的情况。 最后，本文基于路交换法，以网损最小为配电网重构的目标，采用一种新 的配电网最优流模式算法计算开关操作引起的网损，提出了一个建立在严格理 论分析基础上的打开开关的启发式规则，根据分步最优法的原理确定开关开启 的先后次。 对几个i e e e 标准算例和实际算例，验证了所提出方法和模型的正确性。 四川大学硕士学位论文 第三章配电网开关配置和网络重构模型 2 1 前言 配电网是电力系统从发电到用电中的一个环节，它分布于负荷中心区域， 为各用户直接提供供电电源。随着我国国民经济助发展，配电网的改造与建设 也日益完善和深入。l l o k v 电网作为配电网进城已是众所周知的事实，它丰富和 扩展了配电网的内涵。由于配电网是输电网和电能用户的中间环节，它的电压 等级较输电网的低，而且随着城市配电网的发展，电缆线路在其中所占的比重 呈现愈来愈大的趋势，从而使线路电阻与电抗大小相接近的情况比较普遍。配 电系统多采用闭式网络结构，具有开环运行的特点，因此，网络往往呈现梳状。 在6 - l o k v 的低压配电网中，往往只有一个电源点，因此线路上的功率通常具有 单向流动性等等。这些事实使配电网络的计算和分析具有它自身的特点。 i 线路的r x 比值偏大使p q 解藕法潮流计算收敛困难 分析表明，随着支路r ，x 比值的增大，p q 解藕法潮流计算迭代次数明显增 加，当r x 比值较大时，迭代过程中可能出现振荡现象。在3 5 1l o k v 的高压配 电网中，因电缆线的采用使r x 比值大的线路增多，常常造成p q 解藕法潮流计 算难以收敛。因此，对这种高压配电网，p q 解藕法潮流汁算程序需做相应的改 进，以降低对r x 比值的敏感性，保证潮流可靠收敛。在6 1 0 k v 的中压配电网 中，导线的截面普遍偏小，就我国目前的情况来看，分支线截面在7 0 m m 2 及以 下的导线还大有存在，线路r x 比值大于l 的情况较为普遍，同时这种配电网结 构繁杂、表计不全，因此，传统的潮流计算方法不仅在原理上难以胜任，而且 实际操作起来也很困难，对这种配电网的潮流往往采用特殊解法或简化的近似 解法。 2 线损计算要分压进行 对6 - 1 0 k v 的中压配电线路，由于其结构复杂，分布面广，特别是从我国目 前的实际情况来看，一般线路上的负荷点无表计，且人员的技术水平和管理水 平参差不齐。表计记录的准确性和同时性无法保证，因此，往往采用简单实用 的方法计算配电线路的线损。而对3 5 k v 及以上电压等级的高压配电网，表计的 记录齐全可以采用基于潮流的计算方法计算线损。 1 2 四川大学硕士学位论文 3 谐波分布计算的特点 配电网是输电网和用户之间的纽带，它实现直接向用户供电的功能，而用 户是谐波的滋生地，因此配电网是谐波的首要受害者和传播者，它本身的结构 和参数以及并联电容器装置的参数，决定了它对谐波的传播特性，即是放大了 还是抑制了谐波。谐波源应视为电流源，并按阻抗分流原理确定它在配电网中 的分布。元件的谐波电抗可以近似地认为是相应基波电抗的，z 倍加 l ，为谐波 次数) ，而元件的谐波电阻则不同，它通常由直流电阻和与频率有关的电阻两个 部分组成，在工程实践个，往往采用近似公式计算元件的谐波电阻。 2 2 配电网开关配置的数学模型 考虑开关优化定位以及开关设备自身的可靠性，有下面数学模型。 目标函数：r a i n g ( k ，m ，p ，l ) ( 2 一1 ) 约束条件：矗似，吖，l ) = 0 t ( k ，m ，j s0 kc 豆 mc 砑 其中，k ，m ，p ，l 分别为系统中各种约束条件。 约束条件 ( 1 ) 可靠性指标约束 t ( k ，m ，三) l ( 2 - 2 ) r ( x ，m ，三) 表示配电网设置开关后的可靠性指标值，l 为给定的可靠性指 标值。配电系统的可靠性指标主要有【5 l 】：系统平均停电频率指标s a l f i 、系统 平均停电持续时间指标s a i d i 、停电能量损失e n s ( e n e r g y n o ts u p p l i e d ) 、停电功 率损失p n s ( p o w e r n o ts u p p l i e d ) 等。 ( 2 ) 节点电压约束 矿僻，m ，l ) o ( 2 - 3 ) ( 3 ) 支路过负荷约束 j 僻，m ，工) si,m(2-4) ，p k ，厶。分别表示节点电压最低值，节点电压最高值和支路最大安 全电流：v ( k ，m ，上) ，i ( k ，m ，三) 分别表示在当前负荷水平下的节点电压和 四川大学硕士学位论文 支路电流。 ( 4 ) 位置约束 k c 露，m c 厨( 2 5 ) 对于一个具体的配电网络，设置开关往往受到诸如地理位置、地形、特殊 用户、供电区域，电源点分布，配变容量等许多因素的限制。 2 3 配电网重构的数学模型 配电网重构的优化目标函数有很多种： ( 1 ) 以提高系统的稳定性和可靠性为目标， 少甩负荷的可能性。典型的目标函数为： m i n e l a w 。三q ) i i 式中，尸为系统负荷点数目之和； 使系统可以带更多的负荷，减 ( 2 6 ) 口为负荷点i 的年平均负荷，三“，为负荷点i 的年停运时间： r 是网络中所有间隔开关的状态。 ( 2 ) 以故障恢复时间最短，停电范围最小为目标函数。典型的目标函数为： r _1m 2 m i n 以，y z ) = | e a , ( 1 - y , ) + e a 。+ ，z ，i + 芝r ( 2 7 ) l f 。i l 。 j 1 - 1 其中，y ，研为开关和联络开关的状态； 口，为权重系数。 ( 3 ) 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。典 型的目标函数为： 三b 二= 兰一 s ， 2 玄善孛 q - s 其中，b ，邡k 分别是支路和系统的负荷平衡指数； s ，昌“分别是流过支路的功率和支路的容量； m 为系统总支路树。 ( 4 ) 最小化系统有功功率损耗典型的目标函数为： 4 婴删查兰堡主兰焦丝苎一 m i n p j 。 ( 2 - 9 ) ( 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。典型 的目标函数为： 脚行h ，? r ，+ x ，+ c o s t , ( 2 - 1 0 ) ，i 】 其中，c o s t s w 是开关的运行费用。 约束条件 g k ，xj = o 乩【，zj s o k t ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中：x 是状态变量，包括有功功率p ，无功功率q ，电压矿等运行参数；x 是控制变量，即开关状态变量，是处于0 - i 之间的离散量，决定着网络的结构。 当系统负荷和根节点电压给定时，系统的运行状态完全由控制变量决定。 r 是构成辐射网的开关变量集合。配电网络中为了继电保护的需要，保持 着闭式设计、开式运行的特点，这一特点限制了开关组合的任意性，必须将随 机产生的开关组合中没有可行解的组合去掉，以提高计算效率。 式( 2 1 1 ) 为潮流方程，式( 2 1 3 ) 为不等式约束，包括电压约束、支路过 载约束等，即 k m msk蔓(2-14) 墨s s 。 ( 2 1 5 ) 式中：k 础，巧，形。为节点f 电压的下限值、计算值、上限值； s i ，s 。为支路i 流过的功率及其最大容许值。 四川大学硬士学位论文 第三章分步最优法原理及分析3 6 1 1 3 7 1 1 3 8 j 1 , 9 5 1 年美国数学家贝尔曼( r b e l l m a n ) 等人，根据各类多阶段决策问题的 特点，把多阶段决策问题变化为一系列互相联系的单阶段问题，然后逐个加以 解释。与次同时，他提出了解决这类问题的“最优性原理”，研究了许多实际问 题，从而创建了解决最优化问题的方法。 分步最优常比线规划或非线形规划更为有效，特别是对于离散性的问题， 在某些情况下比人工智能法( 如遗传算法，模拟退火等) 有效。因为分步最优 法不依赖与系统的初始条件，算法收敛性好。 3 1 分步最优法的基本概念和方程4 7 l f 4 8 i 3 1 1 多阶段决策