（电力系统及其自动化专业论文）基于智能优化算法的配电网络规划与优化运行研究.pdf

解决配电网络重构静态及多时段动态重构问题。混合粒子群遗传算法综合了遗传 算法和粒子群算法的优点，弥补了遗传算法计算时间过长及粒子群算法易陷入局 部最优的不足，其在计算速度和收敛性能上比任一单一算法都有很大的提高。禁 忌搜索本身是一种局部搜索能力很强的优化算法，但是，如何寻找到问题的最优 解一直是众多学者关注的问题。根据配电网络的具体特点，采用高效的遗传编码 策略，并分析了禁忌搜索的收敛条件，从而在理论上证明此种方法在解决配电网 络重构问题时能够找到全局最优解的必然性。通过对i e e e 三个经典测试用例的 计算和结果分析验证了上述两种算法的正确性。 4 分别提出混沌优化算法( c o a ) 和具有混沌特性的粒子群优化算法 ( c p s o ) 解决配电系统无功优化问题。混沌优化算法用类似载波的方法将混沌 变量引入到优化变量中，利用混沌运动的遍历性和貌似随机性的特点直接对目标 函数寻优，在摆脱局部最优上有很好的性能，并且理论上是一个可以找到全局最 优解的算法。粒子群优化方法( p s o ) 计算速度快，可以很好地处理大规模混合 整数规划问题，但是存在容易陷入局部最优问题。混沌粒子群优化方法( c p s o ) 结合混沌优化中混沌变量良好的遍历特性以及粒子群体搜索的快速性等特点，对 即将重合而引起搜索能力下降的粒子赋予混沌状态搜索，有效的提高了算法的全 局寻优能力，同时又保留了p s o 方法计算速度快的特点。通过对i e e e 两个配电 网络测试用例验证了c p s o 方法的性能。 关键词： 配电网络规划变电站选址定容配电网络重构遗传算法禁忌搜索 粒子群算法蚁群算法混沌优化 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd 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 ei m p r o v e m e n to f p e o p l e st i v i n gc o n d i t i o n s ，r e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t yp l a yam o r ei m p o r t a n tr o l ei n p o w e rs u p p l yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m h o wt op r o m o t ec u r r e n tp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k sp o t e n t i a l i t yb yc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o na n do p t i m a lo p e r a t i o nw h i l e g u a r a n t e e i n gi t ss e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya n dh o wt op u r s u es c i e n t i f i ca n dl o n gt e r m d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ( d n p ) a r eu r g e n tp r o b l e m sf o rd i s t r i b u t i o np o w e r p l a n n e r sa n do p e r a t o r s t h ec o m p l e x i t yo fd n pa n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a l o p e r a t i o n ( d n 0 0 ) l i e si ni t sl a r g e s c a l e ，u n c e r t a i n ，m u l t i - f a c t o ra n dn ph a r d c h a r a c t e r i s t i c s m e r e e x p e r i e n c eo fp l a n n e r sa n do p e r a t o r sc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f m o d e md i s t r i b u t i o nn e t w o r k s i n t h i sp a p e r , c u r r e n tr e s e a r c ho fd n pa n dd n o oi si n t r o d u c e d ；t h es e a r c h e f f i c i e n c ya n dc o n v e r g e n c ep r o p e r t yo fs e v e r a le m e r g i n gi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n m e t h o d sa r ea n a l y z e da n ds e v e r a lh y b r i di n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r cp u t f o r w a r dt oc o m p e n s a t et h ed e f i c i e n c yo fs i n g l eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s m o r e o v e r , t h o s ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r ee m p l o y e dt os o l v es u c hp r o b l e m s 嬲t h es 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 l s ) a n dg e n e r a lt i e - l i n ep l a n n i n g ( g t p ) ，a sw e l la sd i s t r i b u t i o n n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ( d n c ) a n dr e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o n ( r p o ) i nn e t w o r k o p e r a t i o n t h e s ea l g o r i t h m sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ew o r ke f f i c i e n c yo f p l a n n e r sa n d o p e r a t o r s i ns u m t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ea l g o r i t h mo fa d a p t i v em u t a t i o np a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ( a m p s o 、 i s p r e s e n t e dt oo v e r c o m et h ep r e m a t u r i t yo fp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a c c o r d i n gt og e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a m p s oo b s e r v e st h e “c l u s t e r i n g ”o fp a r t i c l e s w a r m sb yt h ep o p u l a t i o nf i t n e s s sv a r i a n c ea n dc o n d u c t sm u t a t i o no p e r a t i o no n c l u s t e r i n gp a r t i c l e s a m p s oi n d i c a t e si t sg l o b a lo p t i m i z a t i o ns e a r c h i n ga b i l i t yb y s e v e r a lc l a s s i cm a t h e m a t i cf u n c t i o no p t i m i z a t i o np r o b l e m s t h em e t h o di su s e dt o d e a lw i t hs l sp r o b l e m si nd n pa n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t ei t s f e a s i b i l i t ya n d r e a s o n a b l e n e s s b e s i d e s ，i nt h es l sm o d e l ，n o to n l yt h ei n f l u e n c eo fg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o no ns u b s t a t i o nc o n s t r u c t i o nc o s t si sc o n s i d e r e dt oa v o i du n a c c e p t a b l ea r e a s s u c ha sl a k e sa n db u i l d i n g s ；b u ta l s ot h ee f f e c to fs u b s t a t i o ne q u i p m e n t sc o s t si st a k e n i n t oa c c o u n t 。t h em o d e li n c o r p o r a t e sg e o g r a p h i ca n de l e c t r i ci n f o r m a t i o n ，a n ds l s r e s u l t sa r ev e r yh e l p f u lf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n e r s 1 1 1 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一_ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一 2 a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ( a c o ) i se m p l o y e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o no f t i e 1 i n e sb e t w e e ns u b s t a t i o n si nd i f f e r e n tc o n n e c t i o nm o d e su n d e rc e r t a i nl o a dd e n s i t y a n dl o a dt r a n s f e rr a t i oo fs u b s t a t i o n s w i t l ls u c hh e u r i s t i cf a c t o r sa sd i s t a n c e sb e t w e e n s u b s t a t i o n s ，s u r p l u sc a p a c i t ya n di n f o r m a t i o na l o n gt h er o u t e s a tt h es a l n et i m e ，f a s t a n de f f m i e n tp s oi su s e dt ot a c k l el o a dt r a n s f e rr a t i oo fs u b s t a t i o n s ，a no p t i m i z a t i o n p r o b l e mt o b a l a n c et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , 、i t l lt h em i n i m u m m a r g i n a lp o w e rs u p p l yc o s ta st h eo b j e c t i v ef u n c d o n a l o n g 、i t ht h et i e l i n ep l a n n i n g w i t ha c o ，t h eg e n e r a lp l a n n i n gr e s u l to fs u b s t a t i o n si np o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki s f i n a l l yf o r m e d 3 r e f i n e dt a b us e a r c h ( r t s ) a n dh y b r i dg aa n dp s o ( h g a p s o ) a r ep r o p o s e d r e s p e c t i v e l yt os o l v ep o w e rd 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 na n dt i m e l yd y n a m i c r e e o n f i g u r a t i o n h g a p s oi n c o r p o r a t e s t h em e r i t so fg aa n dp s o ，w h i c h c o m p e n s a t e sg a st i m ec o n s u m i n ga n dp s o sl o c a lo p t i m u mp r o b l e m s t h u si t s s e a r c h i n gs p e e da n dc o n v e r g e n c ep r o p e r t ya r ei m p r o v e dg r e a t l yc o m p a r e dw i 廿le i t h e r s i n g l ea l g o r i t h m t a b us e a r c hi t s e l fh a ss t r o n gl o c a ls e a r c h i n ga b i l i t y ；h o w e v e r , h o w t of i n dt h eo p t i m u ms o l u t i o na l w a y sa p p e a l st or e s e a r c h e r s a t t e n t i o n a c c o r d i n gt o t h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c o n v e r g e n c ec o n d i t i o n so f t a b us e a r c ha r ea n a l y z e da n de f f i c i e n tg e n e t i cc o d i n gs t r a t e g yi se m p l o y e dt ov e i l f y t h e o r e t i t a l l yt h a tt h em e t h o dc a d _ c e r t a i n l yf m dt h eg l o b a lo p t i m u ms o l u t i o ni nd n c t h ea b o v et w om e t h o d sa r ep r o v e dt ob ec o r r e c ta n de f f e c t i v eb yr e s u l t sa n a l y s i so n t h r e et y p i c a li e e et e s t i n ge x a m p l e s 4 c h a o t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( c o a ) a n dc h a o t i cp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ( c p s o ) a r ea d d r e s s e dr e s p e c t i v e l yt os o l v er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee r g o d i c i t ya n dr a n d o m n e s so ft h ec h a o t i cs y s t e m ，t h eo p t i m a l s o l u t i o ni sf i g u r e do u td i r e c t l yb yt r a n s f o r m i n gt h ec h a o t i cv a r i a b l e si n t oo p t i m i z i n g v a r i a b l e si nc o aa n dt h ep r o p o s e dm e t h o ds h o w sg o o dp e r f o r m a n c et oa v o i dl o c a l o p t i m u m p s oi sg o o da td e a l i n gw i t hl a r g e - s c a l ei n t e g e rp r o g r a m m i n gp r o b l e m s ， w h i l ei ti sa p tt of a l li n t ol o c a lo p t i m u n l o v e r l a p p i n gp a r t i c l e sw h i c hg r a d u a l l yl o s e t h e i rs e a r c h i n ga b i l i t yi np s oa l ei m p o s e do nd i s t i n c te r g o d i c i t yi nc o a ，t h e r e f o r e ， t h ep r e s e n t e dc p s oa l g o r i t h mc o m b i n e st h ee r g o d i c i t yi nc o aa n dt h er a p i d i t yo f p s oi no p t i m af i n d i n g c p s oi st e s t e db yt w oi e e ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ke x a m p l e s a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t ei t sh i g he f f i c i e n c ya n dp r o m i s i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，s u b i o nl o c a t i n ga n ds i z i n g ， 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 ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，t a b us e a r c h ，p a r t i c l e s w a r m s o p t i m i z a t i o n ，a r l tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ，c h a o t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m v 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，也不包含为获得墨盔盘茔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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蓟1 虱皮签字日期：2 矿砂年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘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 向哥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) 学位论文作者签名： 妄1 同皮 签字日期：腑年 石月，7 日 聊魏白童磊 签字日期：z 口盼年彳月夕日 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 我国配电网络现状 第一章绪论 电力系统是由发电、变电、输电、供电、配电和用电等设备和技术组成的一 个将一次能源转换为电能的统一系统。配电系统是电力系统到用户的最后一环， 它与用户的关系最为紧密，对用户供电可靠性和供电质量的影响也最为直接。配 电系统通常包括配电变电站、一次配电线路( 馈电线路) 、配电变压器、二次配电 线路、继电保护设施等，是连接发、输电系统与用户的重要环节。配电网络按电 压等级来分类，可分为高压配电网( 3 5 1 l o k v ) 、中压配电网( 6 l o k v ) 、和 低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区域的功能来分类，可分为城市配电网、农 村配电网和工厂配电网等l ij 。 早期我国的配电网络电压等级零乱而复杂。在5 0 6 0 年代，随着我国配电 网络的发展，低压和中压的电压等级逐步统一改造为2 2 0 3 8 0 v 及6 l o k v 。又 由于城市负荷密度的提高和大型电力用户的出现，现代配电网的最高电压等级已 经发展到3 5 1i o k v ，有的负荷密度很高的大城市甚至采用2 2 0 k v 作为配电网 络电压等级j 。 我国与世界其它发达国家相比，配电网发展起步较晚，发展水平较低，建设 相对落后，而且发电、输电、配电发展不够协调。发达国家都是电网( 包括输电 和配电) 投资大于电源投资。而且配电网络投资又大于输电网络投资；我国则刚 好相反，电网投资不到电源投资的一半，并且配电网络的投资又小于输电网络的 投资。“。发电：输电：配电的投资比例显示，2 0 0 0 年为l ：1 3 ：3 3 ，到2 0 0 2 年发 展为1 ：1 4 5 ：3 7 ，发电和配电能力之比：2 0 0 0 年为1 ：1 4 5 ，到2 0 0 2 年为l ：1 6 7 。 而据考察只本达到l ：1 ：4 2 ，投资不足只有牺牲系统的裕度和可靠性。这种长期沿 袭下来的“重发，轻供，不管用”思想，无论从资金、设备还是在技术上严重制 约了配电网络的建设和发展。1 9 9 4 年夏天全国城市配电网普遍出现过载现象， 特别是中低压配电网更为严重，“送不进、落不下、用不上”的矛盾充分暴露出 来i ”。8 0 年代以来，许多大城市电网运行人员意识到我国配电网络存在的问题， 大津火学博十学位论文第一章绪论 并积极致力于配电网络科学规划、优化运行与改造工作。近年来，配电网络建设、 运行和改造引起了各级领导的高度重视，现已投入大量的资金分期、分批进行。 各个地区也纷纷对现有的配电网络状况进行分析，根据需要和可能进行改造，来 提高供电的可靠性和电能质量。 1 1 2 我国配电网络存在的问题 目前，虽然我国配电网络得到了一定的发展，但是远远没有满足用户对供电 的可靠性和电能质量的要求，总体发展水平比较落后。普遍存在设备陈旧老化、 负荷过重、线路过载、事故率高、可靠性差等问题，主要原因归结为以下几点： 1 配电网络建设落后 长期以来，我国配电系统的建设并没有得到足够的重视，发电、输电、配电 发展不够协调，原有的城市配电网络，特别是城市的中压配电网络，由于长期投 资不足设各陈旧老化，电网结构不合理，存在有电送不进、用不上的供电“瓶 颈”现象。 2 配电网负荷增长迅猛 2 0 世纪9 0 年代以来，随着改革开放的进一步深入，第三产业迅速发展，城 乡用电量增长迅猛，我国一些城市尤其是大中城市的中心商业区或者经济开发区 的负荷密度急剧增加，1 9 8 6 1 9 9 3 年全国用电负荷平均年增长率为9 2 ，而其 中居民生活和第三产业用电平均增长1 8 ，不少城市平均年增长率在1 5 以上。 这样就产生了线路走廊紧张，变电站布点困难等诸多问题，现有配电技术难以保 证向用户供电的能力和质量，给城市电网带来了很大的压力，相当多的设备因为 过负荷而发生故障，许多大中城市都有难以应付之感。 3 配电网络技术经济指标落后、设备陈旧 虽然我国配电网在规模上可以与国外发达国家相当，但是技术经济水平却还 相对落后线损率、可靠率、电缆化率等一些重要技术指标与国外水平还有很大 差距，具体数据如表1 - l 所示。目前我国配电网络设备普遍陈旧甚至落后，小截 面老旧线路、老式油断路器、老式柱上断路器等仍然大量在线工作。此外，现有 的配电网络结构普遍比较薄弱，备用切换能力差，达不到“ 卜1 ”的安全准则， 供电可靠性差，事故停电频繁。 2 天津人学博十学何论文 第一章绪论 表1 - 1国内外配电技术指标比较 指标国外国内 居民生活用e l e ：l e l 侈! j ( )约3 0约1 0 大城市电缆化率( )约1 0 0 约1 0 供电可靠性( ) 9 9 9 99 9 9 线损率( )约5约1 0 负荷增长率( )约2 8 设备投运年限( 年)约2 0 年约1 0 年 人均年用电量( k w h 人) 6 0 0 01 0 0 0 4 配电网损率居高不下 我国配电网线损率1 9 9 5 年达8 7 7 ，1 9 9 7 年为8 2 0 ，而日本、德国、法 国等其线损率约为5 6 。按大致相同口径对比，可以发现造成这种差距的一个 主要原因是城市配电网损耗大，大约高出2 3 个百分点，按1 9 9 7 年水平，相当 于多损耗1 8 0 亿k w h 的电量，按o 5 元一度电计算，一年就可节约9 0 亿元，如 此巨大的电能损失，给我国社会、经济、环境造成的影响是相当大的。 5 配电网络规划和设计不科学 以往，我国配电网络的规划和设计主要依靠规划和设计人员个人的知识、经 验等，对各种规划方案仅限于定性分析，不仅工作量大，而且还容易出现问题， 对于规模同益扩大的配电网络，这种规划方法将越来越难以适应配电网络的科学 建设和经济运行。我国和其它发达国家的城市电网规划成果的比较如表1 2 ： 表1 2 城市电网规划成果的比较 内容国内国外发达国家 规划模式不统一 统一 规划资料少，历史短，缺 多、系统、有参考价值，计算机化高 新建、改造区分 一般不区分，改造较多尽量避免，在寿命周期内不改造 评价指标少多 以定性为主，从总量上 控制，总负荷仅与总投 每个设备投资与可能的供电负荷相 工程与投资 资相关，工程与各电压关，真正做到了量化。 等级的负荷不够紧密。 各级规定自己的规划 有确定的规划报告模式 规划报告 报告，没有统一的模式 大津大学博十学位论文 第一章绪论 1 - 1 3 配电网络规划和优化运行的意义 配电网络的合理规划和优化运行可以提高配电网络的供电能力和可靠性，降 低配电网络损耗，另一方面也可以节约国家基础建设投资，使有限的投资发挥最 大的经济和社会效益，其意义主要体现在以下几个方面： 1 1 科学的变电站规划有利于系统的运行管理，减少系统跨区域交叉供电， 提高系统管理和运行效率； 2 ) 科学的配电网规划和优化运行，可以降低系统的网络损耗，提高系统的 供电可靠性，极大提高电网的运行效益： 3 )科学的城网规划和优化运行是提高系统投资效益的最有效途径； 4 )科学的配电网络规划和优化运行是配电自动化规划和实施的基础； 5 ) 配电网络规划和优化运行是电力企业战略发展规划的重要组成部分； 6 )国外专家认为，科学规划的效益是总投资额的5 左右。经济效益十分 巨大； 7 ) 配电网络优化运行水平的高低，是配电自动化水平的综合体现，配电网 络优化运行是配电自动化的重要内容。 1 2 本课题研究的概况 1 2 4 配电网络规划和优化运行的内容和特点 1 配电网络规划和运行的内容 配电网络规划包括以下几个部分： 1 ) 空间负荷及其分布预测； 2 ) 各级电压变电站的位置、容量以及供电范围的确定 3 1 各级电压网络规划： 4 ) 各级电压无功电源的配置； 5 ) 配电自动化规划； 6 ) 配电网络无功电压控制； 7 ) 配电网络重构； 4 天津大学博士学位论文 第一章绪论 8 1 故障恢复。 2 配电网络规划的特点 1 ) 不确定因素较多：配电网络规划受国家政策调整、社会经济发展、人1 ：3 变动及环境变化等因素的影响，电力系统的发展条件也在不断变化，规划期 越长，条件、参数也就越难确定。 2 ) 涉及的部门较多：配电网络规划涉及到电力公司、城市规划、城市环保 等各个部门。 3 ) 规模庞大，计算复杂：即使对一个小区的配电网络进行规划，也要有十 几到几十座变电站、几百条中压线路和开关。从数学上讲，配电网规划是 一个动态多目标不确定性非线性的大规模整数规划问题，一般的数学优化 算法对于此类问题没有很好的解决办法。 1 2 5 优化算法在配电网络规划和优化运行应用综述 配电网络规划要考虑城市土地价格、城市建设布局、环境保护等问题，而配 电网络的优化运行则需要考虑当前开关状态、负荷水平、可调变压器分接头位置、 电容器组投切状态等情况，都属于系统优化问题；从数学上看，配电网络规划和 优化运行都属于复杂的多目标、多约束、非线性、非连续、混合整数规划问题。 如何寻找个有效的优化方法解决上述n p 难的组台优化问题，受到了电力科学 工作者的极大关注，并对此进行了广泛的研究。配电网络规划和优化运行的求解 方法大致上可以分为经典的数学优化方法、启发式优化方法和智能优化算法【5 】。 1 经典的数学优化方法 由于需要解决问题自身的非线性所以非线性规划法( n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 最先被应用配电网络规划和优化运行中。f a w z ie ta 1 首先采用非 线性规划方法规划了一个城市的郊区电网，指出非线性规划方法可以提高当前规 划的质量i6 1 。一年后他又提出了一静态优化模型试图规划一个新建区的配电网 络或对原有配电网络进行扩展规划。1 9 8 1 年w a l l 和t r a m 提出采用分支定界一运 输模型来解决配电网络规划问题，并取得了一定的成果，他认为此方法要比线性 规划算法的效率高得多【7 j 。在优化运行方面，最早且较有影响的优化运行算法是 由h w d o m m e l 和w et i r m e y 在1 9 6 8 年提出的，他们用一种简化梯度法解决 有功和无功最优潮流问题。并对后来的研究产生了很大的影响 8 1 。1 9 8 8 年， c i v a n l a rs 和g r a i n g e rj j 率先用非线性规划方法对配电网络电容器优化问题进行 了研究，并于1 9 8 9 年提出标准化等效馈线的概念，解决了较复杂配电网络的无 5 天津火学博士学伉论文第一章绪论 功电压控制问题【9 】o 在c i v a n l a rs 研究的基础上，m b a r a n 和f f w u 考虑了电 压约束的影响，建立了更接近实际情况的数学模型，同时将电容器问题分解成主 从两级问题考虑分别确定电容器的数量、安装位置以及类型和大小【lu j 。相对于无 功优化问题，配电网络重构问题提出的要稍微晚一些。配电网络重构技术最早是 由m e r l i n 和b a c k 于1 9 7 5 年提出来的，并将配电网络重构问题表达成一个非线 性规划问题，然后用分枝定界法进行求解l 。文献 1 2 贝j j 在此基础上做了进一步 的改进，其假设负荷是随电压变化的连续电流负荷，把每一个闭合开关看成一个 电流源，用一交流负荷潮流算法来计算网络潮流，选出最优解。文献 1 3 1 提出一种 最优流模式法，基本原理是首先在节点注入电流固定的情况下，将网络支路的阻 抗换成电阻，求解网络的k c l 和k v l 方程，得到有功网损最小为目标的支路电流 分布。 非线性规划是处理具有非线性特征优化问题最直接的方法，这种方法的数学 模型建立比较直观，物理概念清晰，计算精度较高。然而，非线性规划方法不同程 度存在计算量大、内存需求量大、收敛性差、稳定性不好、对不等式的处理存在 一定困难等问题，其应用受到了一定限制。 虽然配电网络规划和优化运行是一个非线性问题，但可以采用局部线性化的 方法，通过将非线性目标函数和安全约束逐次线性化来对问题进行求解。文献 1 4 中。d lw a l l 等人在1 9 8 8 年提出了一种线性规划模型，它将目标函数中 的零次项和二次项线性化，将配电系统规划视为对线性化的运输模型的求解。 t h o m p s o n 等人在1 9 8 1 年，采用整数分支定界方法来解决配电网络规划中的变电 站站址选择问题f l ”。m a s u d 提出了一种线性整数规划模型并研究了不同参数的互 相影响。线性规翅j 方法在优化运行方面的研究也很广泛。1 9 9 1 年，k r c m a m a n d u r 利用牛顿拉夫逊潮流计算中的雅可比矩阵，来得到系统状态变量对控 制变量的灵敏度关系的“灵敏度分析法”对电力系统的无功进行优化计算【1 6 l 。邓 佑满从实时控制的角度出发，用逐次线性整数规划模型研究了电容器优化投切问 题 1 7 1 。c h i a n gh s i a od o n g 等人受单纯形法的启发，提出了一种单回路优化法1 1 s 】 ( s i n g l e l o o p o p t i m i z a t i o n m e t h o d ，s l o m ) ，该方法以有功网损最小为目标函数， 解决了最优配电网络重构问题。线性规划法的优点是计算迅速，收敛可靠，便于处 理各种约束，能满足实时调度对计算速度的要求，但优化精度较差。 混合整数规划法的原理是先确定整数变量，再与线性规划法协调处理连续变 量。它解决了前述方法中没有解决的离散变量的精确处理问题，其数学模型也比 较准确地体现了配电网络规划和优化运行的实际情况。g o n c n 和f o o t e 以一种 全面的0 一l 线性规划形式给出配电网规划模型，由于它包含了主要的规划决策量 6 天津人学博十学位论文 第一章绪论 ( 变电站的位置、变压器的大小、馈线路径及尺寸等) 和详细的目标函数，因此 是较完善的模型【，。他们利用混合整数规划同时优化变电站数目、大小和位置、 网络路径、导线尺寸、导线更换及负荷转移。f a w z i 等人将投资较小的元件费用 曲线直接线性化，保留部分投资相对较大的元件的固定费用，以运行约束为边界 条件，用分支定界法求解混合整数规划模型。在配电网络优化运行方面，文 2 0 】 结合b e n d e r s 分解技术，采用混合整数规划法来求解无功优化问题，将混合规划 法分解为整数规划和线性规划两个子问题，减少了求解规模，在计算灵敏度系数 矩阵时，由于采用分块矩阵求逆法，大大节省了计算时间。文 2 1 】给出了一种采 用二次惩罚函数进行离散变量归整方法，但人工设置参数较多、且必须在计算过 程中由经验确定引入惩罚函数的恰当时机。混合整数规划法在工程应用中更趋于 合理性，但计算时间较长，且其解的结果与初值的选取有关。 2 启发式方法 数学优化方法用数学优化模型描述配电网络规划和优化运行问题，理论上可 以保证解的最优性，但通常电力系统规模很大，有的网络具有上千个节点和线路， 如果再考虑多阶段规划及本身众多的因素，此问题将成为一个规模巨大的优化难 题，单靠数学优化技术是无法解决的。启发式方法( h e u r i s t i c sm e t h o d ) 不同于纯数 学优化方法它是以直观分析为依据的算法，而且同规划及运行人员的经验相结 合，相对于数学方法能够较为准确地实际模拟电力行为。 1 9 8 8 年，s c i v a n l a r 等人首先提出支路交换法 2 2 1 ( b r a n c he x c h a n g em e t h o d ， b e m ) ，利用丌关的丌合在两条馈线之间交换负荷从而达到对配电网络进行重构 的目的。m e b a r a n 等人在文献 2 2 1 的基础上进行了改进，利用网损变化估算公 式为二次函数的特点，将二次函数求极值的方法用于寻找最佳开关操作，降低了 总的搜索次数口”。1 9 8 9 年d s h i r m o h a m m a d i 提出了一种最优流模式法( o p t i m a l f l o wp a t t e r n ，o f p ) ，把丌关组合的问题转化为优化潮流的计算问题，并对配电 网络重构问题进行研究1 2 4 1 。在配电网络规划方面，启发式方法也得到了广泛的应 用。1 9 9 0 年，a o k i ，e ta 1 综合线性规划模型和启发式支路交换模型的特点，用 支路交换法对单阶段配电网络规划问题进行了研究【2 5 1 。n l i r a ，e ta 1 在1 9 9 1 年把 a o k i ，e ta 1 的单阶段规划模型扩展成了多阶段规划模型【2 6 】。1 9 9 7 年， s k g o s w a m i 采用支路交换法，进一步实现配电网的综合规划，不仅考虑了配电 网网架优化，还考虑了变电站的优化规划方案【2 7 l 。2 0 0 2 年，e d e l m i r om i g u e z 等 人以投资，系统损耗和供电质量为目标函数，考虑电压、设备容量、以及配电网 络放射性等约束条件，用一种改进的支路交换法来解决大规模的配电网络规划问 题【2 8 】。启发式方法简单、直观、计算量小，由于在迭代过程中只要找到满足指标 天津人学博士学何论文第一章绪论 的解，此方法就停止计算，因此只能给出次优解而非最优解。 3 智能优化方法 智能优化算法兴起于2 0 世纪8 0 年代初期，是种解决组合优化问题的智能 技术，主要包括模拟退火( s i m u l a t e da r m e a l l i n g ，s a ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 、禁忌搜索( t a b us e a r c h ，t s ) 、粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ，p s o ) 、蚁群优化算法( a n tc o l o n yo p t i m i z a i t o n n ，a c o ) 、混 沌优化方法( c h a o t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，c o a ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a l n e p a ln e t w o r k s a n n ) 等。 模拟退火是1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为了模拟熔融态固体热平衡的形成而 提出的一种简单算法，即m e t r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，k i r k p a t r i c k 等人首先将 这一算法应用于求解组合优化问题，提出了模拟退火算法。通过适当的控制物体 的温度的变化过程，实现大范围粗略搜索与局部精确搜索相结合来寻求问题的最 优解，它是局部搜索算法的扩展，理论上它是一个全局最优算法，所以它的计算结 果较精确【2 9 。倪秋龙、黄民翔于2 0 0 0 年，提出了种基于支路交换的模拟退火 算法用于配电网规划中，提高了模拟退火过程的效率缩短了计算的时间【3 0 】。 h s i a o d o n gc h i a n g 等将配电网络重构描述为不可微、多约束、多目标函数优化 问题，详细论述了模拟退火算法用于求解多目标优化问题的方法，并在不同的温 度下采用不同的收敛指标来提高s a 算法的速度。d a nj i a n g 等提出利用模拟退火 算法进行配电网络重构和电容器投切的综合优化算法，不仅降低了线损也解决了 配电网络重构过程中的电压越限问题1 3 ”。c h i a n g 等人采用模拟退火算法确定了 电容器的配罱和控制方案f 3 2 】。刘吉来于1 9 9 8 年在解决无功优化问题时，提出了 将搜索过程与最优解更新序列分离的改进措施对模拟退火算法进行了改进【3 引。贾 德