（电力系统及其自动化专业论文）基于改进遗传算法的复杂配电网重构分析与研究.pdf

一雠支删必 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 袭善瞄 l 学位论文使用授权说明 2 0 1 0 年占月犏 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 酌p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：袭荔专王智导师签名：扳t 、毒2 。年占月于日 一 0 基于改进遗传算法的复杂配电网重构分析与研究 摘要 随着我国国民经济的高速发展和电力工业的长足进步，配电网的重要性日益受到重 视。配电网重构是配电系统运行与控制的重要手段，通过配电网重构可以充分发挥现有 配电网的潜力，提高系统的安全性与经济性，具有很大的经济效益和社会效益。 本文分析配电网的运行规律与网基结构，对其简化模型进行拓扑分析以及潮流算法 研究；并分析现有的数据存储方式，分析辐射型配电网的搜索方法以及节点与支路优化 的方法，应用广度优先搜索算法，提出一种基于邻接矩阵对辐射型配电网的分层搜索方 法，该方法不必事先对网络支路进行分析与定义，通过邻接矩阵的搜索得到节点分层矩 阵，直接采用节点分层矩阵赋值给支路，完成对支路的定义。本文重点阐述了这种方法 的方式和具体步骤，实践表明：这种方法可以快速对辐射型配电网络拓扑识别并进行实 用的潮流计算。 在研究遗传算法的基础上，分析遗传算法的原理，对遗传算法进行计算机的模拟运 行，对比了二进制编码与刀进制符号编码的优劣，采用行进制的符号编码策略和对应的 基因操作等，采用在选择部分运用精英选择的策略和赌轮盘策略相结合的办法与在交叉 与变异过程中使用改进的自适应策略的控制方式，得出一种性能优越的改进遗传算法。 基于环快速分解方式对闭环设计的配电网络进行环分解使其分解为辐射型结构配 电网，通过对遗传算法的染色体信息的修改对环路中的支路打开，有效消除孤岛和环路 以使得遗传算法在可行域中搜索，提高搜索的效率。 目前，大量的文献对辐射型配电网分层与编号优化，大都停留在使用节点与支路的 关联矩阵上，关联矩阵需要事先分析节点与支路的对应关系，并按照这对应的规律进行 指针运算与储存，关联矩阵的巨大问题就在于当环路开关状态发生变化时它很难有效识 别支路功率的方向以及扑捉支路；另一方面关联矩阵难以分析当某条或者某几条支路退 出运行后故障恢复的网络分层计算。本文对i e e e 标准算例进行计算验证，并对1 8 - b u s 配 电网系统及p & g e 算例仿真结果进行分析，结果表明邻接矩阵分层的方法不仅可以处理 连续的、随机不连续的编号方式，以及配电网优化重构和恢复重构的精英与自适应策略 的遗传算法效能优越的结论。 本文使用m a t l a b 软件做为计算仿真的工具，m a t l a b 的运算优势在于矩阵运算，本文 尽可能采用矢量计算的方式结合矩阵稀疏化的手段，对配电网网络优化重构、恢复重构、 分时段重构以及计及分布式发电的配电网重构进行仿真计算，对比和分析计算结果，结 果表明本文的改进算法是有效的。 关键词：潮流计算配电网重构遗传算法邻接矩阵拓扑分析 as t u d ya n da n a l y s i s0 fr e c o n f i g u r a t i o ni n 。7 d i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do ni m p r o v e d a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m s a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fe c o n o m ya n dp o w e ri n d u s t r y , i ti s ，t oo u ra m a z e ，o b v i o u st h a t t h ei m p o r t a n to fd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mh a si n c r e a s i n g l yf o c u s e do u r b i gp u b l i ca t t e n t i o n a tp a r e n t ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr c c o n f i g u r a t i o nw h i c hi st h ei m p o r t a n tm e a n so fp o w e rs y s t e m o p e r a t i o n , n o to n l ye n h a n c e st h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ss e c u r i t ya n dt h ee f f i c i e n c y , b u tb e n e f i t s a n do p t i m i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n dt h es o c i a la c t i v i t i e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k sl a wa n di t ss t r u c t u r ea sw e l la si t sd a t a s t o r a g e t h ep a p e rp r o p o s e st h en e wk i n dm e t h o dw h i c hb a s e so nt h ea d j a c e n tm a t r i xt o a n a l y z et h er a d i a t e d - p a t t e r nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k st o p o l o g ya d o p t i n gb r e a d t hf i r s ts e a r c h i n g a l g o r i t h m i ti su n n e c e s s a r yt h a tt h eb r a n c h e so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa n a l y z e da n dd e f i n e d d i r e c t l yb e f o r et h ec a l c u l a t i n g t h r o u g ht h ec a l c u l a t i n g , i te n a b l e st oo b t a i nn o d el a m i n a t i o n a sw e l la sb r a n c hl a m i n a t i o n 1 h ep r a c t i c a lr e s u l t sa r eb e t r a y e dt h a tt h em e t h o de n a b l e st o d i s t i n g u i s ht h es t r u c t u r eo ft h en e t w o r ks p e e d i l ya n di se a s yt oc a l c u l a t et h ep o w e rf l o wo ft h e s y s t e m i nt h er e s e a r c ho f g e n e t i ca l g o r i t h m ，i th a sc o n t r a s t e db e t w e e nt h eb i n a r yc o d ea n dt h e n c o d e t h ea u t h o rf o u n dt h a tt h e n c o d ew a sb e n e f i tt ot h ec a l c u l a t i o n 1 1 1 ep a p e ra d o p t sn e i m p r o v e da d a p t i v eg a t or e s e a r c ht h eo b j e c to fd 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 n 1 1 1 el o o p sa r ed e c o m p o s i t e dp r o c e s s i n gt h e c l o s e d l o o p d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t o o p e n e d l o o pd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fe n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo fg ae l i m i n a t i n gt h ei s o l a t e d i s l a n d sa n dt h er i n gc i r c u i t se f f e c t i v e a tp r e s e n t , t h em a s s i v ep a p e r sh a n d l et h el a m i n a t i o na n dt h es e r i a ln u m b e r so f r a d i a t e d p a t t e r nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , p a u s i n gm o s t l yi nt h eu s eo ft h ei n c i d e n c em a t r i x 1 1 1 e i n c i d e n c em a t r i xa n a l y z e db e t w e e nt h en o d ea n db r a n c h sr e l a t i o n s h i p s ，a n dd e f e r r e dt o t h i s c o r r e s p o n d i n gt h er u l et oc a r r yo n t h ei n d i c a t o ro p e r a t i o na n dt h es t o r a g e u s i n gt h ei n c i d e n c e m a t r i xt h eh u g eq u e s t i o nl i e st h a tw h e nt h er i n gc i r c u i to n - o f fs t a t ec h a n g e si tv e r yd i f f i c u l tt o d i s t i n g u i s ht h ed i r e c t i o no fl i n e sp o w e re f f e c t i v e l ya sw e l la ss e i z e st h el i n e s ；o nt h eo t h e r h a n d ，t h ei n c i d e n c em a t r i xa n a l y z e sw i t hd i f f i c u l t y ,w h e na f t e rs o m eo rs e v e r a ll i n e s w i t h d r a w sf r o mt h em o v e m e n t ，t h eb r e a k d o w nr e s t o r e sn e t w o r kl a m i n a t i o nc o m p u t a t i o n 删s i 一 p a p e rc a l r i e so nt h ec o m p u t a t i o nc o n f i r m a t i o nt ot h ei e e es t a n d a r de x a m p l e , a n dc a r r i e so n t h ea n a l y s i st ot h e18 - b u sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks y s t e ma n dt h ep & g ee x a m p l e ss i m u l a t i o n r e s u l t ，f i n a l l yi n d i c a t e st h a tt h em e t h o dn o to n l ym a yp r o c e s sc o n t i n u a l ，t h es t o c h a s t i cn o t c o n t i n u a ls e r i a ln o d e s ，a sw e l l 嬲t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ea u t o a d a p t e ds t r a t e g y g e n e t i ca l g o r i t h mp o t e n c ys u p e r i o rc o n c l u s i o nr e s t r u c t u r e sa n dr e s u i n o sr e s t r u c t u r i n g t h i sp a p e ru s e st h em a t l a bs o f t w a r ea st h es i m u l a t i o nt 0 0 1 t h es u p e r i o r i t yo fm a t l a bl i e s i nt h em a t r i xc a l c u l a t i n g t h i sp a p e ru s e st h ev e c t o rc a l c u l a t i n ga sf a r 嬲p o s s i b l et h ew a y a s s o c i a t e dm a t r i x s p a r s e m e t h o dt od i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n , a n dr e s u l t i e s r e s t r u c t u r i n g , t od i v i d et h et i m ei n t e r v a l t or e s t r u c t u r ea sw e l la st ot a k ei n t oa c c o u n tt h e d i s t r i b u t i o n a l e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e s t r u c t u r i n gt o c a r r yo nt h e s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e m e n ta l g o r i t h mi se f f e c t i v ei n t h ep a p e r k e yw o r d s ：p o w e rf l o w , p 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 n ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，a d j a c e n tm a t r i x ，t o p o l o g ya n a l y s i s - i 、，- 气 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 引言 1 1 1 电力工业概况 1 1 2 配电网的特点 1 1 3 配电网重构研究的目的和意义 1 2 配电网络优化重构的国内外研究现状 1 3 本文主要工作 第2 章配电网分析与化简方法及潮流计算方法 2 1 引言 2 2 数据的储存 2 3 配电网潮流计算 2 3 1 配电网潮流计算模型 2 3 2 配电网潮流计算方法 2 4 前推回代法的收敛性研究 第3 章基于邻接矩阵分层搜索的改进前推回代法 3 1 引言 3 2 邻接矩阵分层搜索的方法 3 3 潮流计算 3 4 算例分析 3 5 故障恢复计算 3 6 结论 第4 章遗传算法及其改进与分析 4 1 引言 4 2 基本遗传算法 4 2 1 遗传算法编码 4 2 2 遗传操作2 9 4 2 3 适应度函数3 1 4 2 4 遗传算法控制参数选取的建议。3 2 4 2 5 约束条件的处理方法3 4 4 3 遗传算法的数学证明3 4 4 4 遗传算法早熟分析与自适应遗传算法的改进3 6 4 4 1 遗传算法的早熟原因3 6 4 4 2 遗传算法的改进3 7 第5 章配电网与计及分布式发电的配电网重构分析3 9 5 1 引言3 9 5 2 配电网重构的数学模型3 9 5 2 1 目标函数4 0 5 2 2 约束条件4 0 5 3 改进的自适应遗传算法的实现4 1 5 3 1 染色体编码4 1 5 3 2 初始种群的生成4 3 5 3 3 染色体的适应值4 3 5 3 4 遗传操作4 3 5 3 5 算法停止准则4 4 5 4 仿真算例4 5 5 5 配电网恢复重构、分时段配电网重构与计及分布式发电配电网重构4 8 5 5 1 配电网恢复重构4 8 5 5 2 分时段配电网网络优化重构与计及分布式发电的配电网网络重构5 0 5 5 3 计及分布式发电的配电网网络优化重构5 4 5 6 小结5 5 第6 章总结与展望5 6 参考文献5 9 附录a 配电系统原始数据6 2 致谢6 5 攻读学位期间发表的学术论文目录6 6 广西大掌硕士摩订立论文| j 于改进胡订专算法的复杂配电网 i t 构分析与研究 1 1 引言 1 1 1 电力工业概况 第1 章绪论 随着我国国民经济的高速发展和电力工业的进步，发电装机容量急速提升，特别是 近些年来，大型水电站、火电厂、核电厂以及新能源发电厂在全国各地相继兴建和投产， 到2 0 0 9 年末，我国电力装机容量已达8 6 亿千瓦。如图1 1 所示，具历史统计我国电力 装机容量在1 9 4 9 年仅为1 8 5 万千瓦；到1 9 7 8 年改革开放前夕为5 7 1 2 万千瓦，1 9 8 7 年 电力装机容量突破1 亿千瓦，到1 9 9 5 年实现2 亿千瓦，到2 0 0 0 年时全国电力装机容量 达到3 亿千瓦，2 0 0 3 年为3 9 亿千瓦，2 0 0 4 年为4 4 亿千瓦，到2 0 0 5 年时为5 1 7 亿千 瓦，2 0 0 6 年为6 2 2 亿千瓦，到2 0 0 7 年时，全国电力装机为7 1 3 亿千瓦，2 0 0 8 年为7 9 2 5 3 亿千瓦。根据数值统计，从2 0 0 2 年至2 0 0 7 年五年间全国新增发电装机容量是过去5 3 年发电装机容量的总和。从2 0 0 3 年起，我国每年新增发电装机容量平均以8 0 0 0 万千瓦 发展速度增长。 图1 - 1 全国各年发电机装机容量 f i g 1 1t h e a n n u a lt o t a lg e n e r a t o ri n s t a l l e dc a p a c i t yo f c h i n a j - - 西大掌硕士掣唾乞论文| i 于改进遗传算法的复杂配电网e 构分析与研究 一个国家的电力工业的发达程度可以在很大程度上衡量一个国家的经济实力，目前 我国的发电量仅次于美国，居世界第二位；经济总量位列美国与日本之后，处在世界第 三。但是我们电力工业的运行与管理水平还是落后于西方发达国家，研究电力系统的降 损对我国“节能减排有着重要的意义。 1 1 2 配电网的特点 配电网络( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 由架空线、变压器、接入设备等组成，其具有如 下特点： ( 1 ) 网络节点多、网基结构复杂； 。 ( 2 ) 输送容量较小，输送距离短，但总线路里程较长，分叉支路较多； ( 3 ) 运行电压低，线损较大； ( 4 ) 由于网络结构不合理以及负荷分布不均匀，这就容易造成配电网相间带负荷不均 衡的现象，电能质量较差。 整个电力系统分为发、输、配三个系统，处在电力系统最后一个重要环节的配电网 系统是承担连接电源系统或输变电系统和用户设施的作用，它直接面向用户分配和供给 电能叫。 1 1 3 配电网重构研究的目的和意义 随着国民经济的快速增长对电力的倚重加大，电力的需求量日益增长，目前存在的 主要问题是，城市人口急剧增多，工业产业密集，城市电网长期投入不足，城市电网建 设滞后，电网容量跟不上电力需求，而且存在着结构不合理，难以满足城市居民迅猛增 长的生活用电的需求以及客户要求的高品质电源，经常受到拉闸限电等停电限电的困 扰，这使得城市居民的用电连续性以及可靠性得不到保证。电力作为一种特殊的商品， 在现代社会中是不可或缺的，为此加强对配电网络的投入，特别是加大对配电网络的建 设与改造，这是解决电网分配瓶颈问题与开拓电力市场具有非常深远和现实的意义。随 着我国产业结构调整与深化的要求，电力市场化的计划逐渐走上台面，并且随着我国居 民对优质、廉价的电能的呼声越来越高以及对电力部门的服务水平提出更高的要求，必 然导致电力市场的出现。电力部门面临的竞争将会变得激烈，提高灵巧、高效、优质、 廉价的电能将成为电力部门重点提高的方向。 近些年来，由于我国国民收入水平的提高，大量的家用大功率用电设备( 空调、电 2 囊i 于铀口七遗传算法的复杂配电网e 构分析与研究 热水器等) 的普及，使得配电网节点负荷增大，配电网的传输功率增大，这也使得损耗 增大。配电系统是连接用户的最后环节，其特点是配电电压等级较低，一般为l f f - , 3 5 k v ， 线路分布广而且线路总里程较长，这就造成其损耗大。配电网的损耗大约占这个电力系 统的7 0 - , - 8 5 ，我国的线损率在8 左右，这与西方主要工业国家的5 7 相比还是差距甚 大。由于我国发电量巨大，如果能够降低城市配电网的线损率，那么能节省下的电力能 源将是相当可观的。另外我国火电机组占主导地位，约占6 2 5 ，降低1 线损率将能 大大减少化石能源的使用与气体排放，而且在提倡“节能减排 的今天，降低线损不仅 供电部门可以降低生产成本，提高企业效益，而且可以降低有毒气体及二氧化碳排放， 保护环境有着十分重要的意义。 配电网网络重构按照网络的不同状态和侧重面的不同，可以细分为网络优化重构以 及故障后恢复重构。配电网络是闭环设计、开环运行，这是因为现阶段继电保护对闭环 运行的配电网保护与整定困难。在配电网络上，装设了大量的开关( 分段开关和联络开 关) 为了增加系统的可靠性减少网损或其他的目的，在正常的运行状态下通常会定期的 对这些开关进行操作，改变这些开关的状态来改变网络的运行结构，使网络的运行状态 及指标能达到某种要求；在故障产生时，快速地为用户输送电力，与此同时使配电网电 能指标最好，网络状态需要进行相应的改变。二十年以来，大量的学者已经就对配电网 络重构在理论上以及工程上做了大量的研究和细致的工作，并提出了大量的实用且有效 的算法，配电网络重构是一个多目标有约束的非线性组合问题，在数学理论上存在最优 的解，但现如今尽管学者提出了不同的方法以及借鉴不同的理论并取得了大量的成果， 而科学探索之路远远没有尽头，为了寻找一个性能优越的解决方法，无论是现在还是将 来，配电网重构问题仍然是值得我们继续进行深入研究的领域口1 。 1 2 配电网络优化重构的国内外研究现状 现在配电网优化问题是现在配电网研究的一个热门。目前配电网络重构的目标有许 多种，如配电网线损最小、均衡负荷、供电电压质量最高等，也可以上述目标构成的多 目标函数的配电网络重构。根据研究的各种侧重与需要选择合适的目标。 基于配电网闭合设计开环运行的特点，按照方法的特点与类型可以配电网重构算法 分为三个类别，其分别为启发式、人工智能以及随机优化算法。启发式方法中包含了支 路交换法( b e m ) 、最优流模式法( o p f ) 和支路交换最优流模式法( b e m o p f ) 等方法。 人工智能类方法主要用神经网络( a n n ) 、专家系统( e s ) 等方法。随机模拟优化算法主 3 广西大学硕士掣q 止论文基于改进遗传算法的复杂配电网1 e 构分析与研究 要有模拟退火法( s a ) 、遗传算法( g a ) 和蚁群算法( a c a ) 等算法。 配电网重构方法 启发式方法 人工智能类方法 支路交换法 ( b e h ) 最优流模式法 ( 0 p f ) 0 再。髓嵫 一燃 一 一黻 一 一一一 一一一一 a t , 于改进遗传算法的复杂配电嬲e 构分析与研究 其提出的方法的特点是容易收敛于最优解并且最终结果不依赖配电网开关的初始结构。 文献 8 】描述以求取辐射性配电网网损最小为目标基于k v l 、k c l 原理的最优流模式的 启发性算法，该方法通过辅助采用一种快速、简单的近似潮流计算方法以闭合辐射性网 络的一个开关形成一个单环计算最优流，如此重复上述步骤找到网损最小的结构。这种 方法优于之前重构方法。文献 9 】的特点为结合o f p 与b e m 方法，以恒定的源节点的假 设作为基础以最优流最小的支路做支路交换修正结构，并借鉴二叉树原理分析实现对配 电网的重构。文献 1 0 1 主要描述为计及变压器过负荷与电压跌落约束的专家系统，系统 采用最佳优先树搜索技术以表处理和递归的编程方法的运用解决组合优化问题以此配 电网解决约束越限问题。文献 1 1 1 结合实际调度经验与配电网理论分析以降低网损为目 标建立一套配电网重构的专家系统，但该方法的缺陷在于依赖调度经验，运算结果是否 为全局最优不能保证。文献 1 2 1 1 3 1 4 均采用专家系统的方法，一般说来，专家系统的 运算取决于系统库的完备性，由此需要大量时间采集，这是专家系统的主要困难之处。 文献 1 5 1 提出通过使用人工神经网络( a m 与其映射能力对配电网重构。a n n 的目标为 根据负荷类型变量以减小功率损耗为目标确定配电网拓扑结构。通过a n n 提供的控制 策略，配电网重构实现瞬捷简单。a n n 方法需要开发多个设计、训练的程序并且人工 神经网络的精度也需要经过大量的测试，这个过程仅繁琐又复杂，a n n 最突出的问题 是尚无理论为指导处理规模大的节点系统。文献 1 6 】 1 7 】共同描述了模拟退火法的实现 过程及测试结果，其方法引入大量的开关操作，对网络拓扑进行期望值评估，选出最佳 结构。这种方法的性能取决于高温与低温两个部分的取值，取值不佳，则计算结果就误 差较大。文献 1 8 】指出以网损最小的配电网重构问题是一个复杂的开关状态的组合优化 问题，该文献成功的运用遗传算法求解配电网重构问题，其提出以开关状态作为控制变 量，考虑电压与线路容量约束，对越限的参数以罚函数的形式处理，并对遗传算法的实 现过程做出详细的描述。文献 1 9 】描述了一种多目标的改进遗传算法，该算法采用自适 应策略对交叉概率p 。和变异概率p m 进行自适应控制。文献 2 0 】将禁忌搜索与遗传算法 结合，根据启发信息调整模糊控制，并在整个进化阶段，自适应地调整模糊控制器的参 数，该文献还将开关状态以二进制的编码简短表达，引入链表与深度优先搜索于遗传算 法配电网重构的优化过程中，等式与不等式约束以罚函数的方式嵌入到适应度函数中 5 广西大学硕士掌位论文 基于韵晴t 遗传算法的复杂配电网 构分析与研究 去，这能够保证通过模糊控制遗传算法搜索到最优解。文献 2 1 】指出蚁群算法可以有效 的搜寻最佳路径，以散播信息素的形式对路径选择，使得蚁群沿着最佳路径前进，但蚁 群算法在搜索前期，正反馈还不明显，因此在这个阶段要较长时间。 国内在研究配电网重构问题主要成果如下：文献【2 2 】对支路交换法进行改进，提出 一次进行多个拓扑调整以提高支路交换法的效率。文献【2 3 提出了采用配电网采集的数 据作为辅助计算的启发式支路交换法。文献 2 4 】描述了改进的o p f 算法，其吸收了文献 2 5 对开关次序处理的思想，计算迅速，但其计算结果受开关次序影响。文献【2 6 】为改 进的最优流模式法，其引入负荷采样处理，更有针对性。文献【2 7 融合了模拟退火法和 遗传算法应用到配电网重构中，成功结合两种算法的优点，克服单一算法的不足。文献 【2 8 在遗传算法的交叉操作中进一步做改进，提出部分基因逆转交叉，以弥补到算法进 化后期进化停滞的问题。 表1 1 各种主要算法在配电网重构中的特性比较 t a b 1 1t h ed a t ao f m e t h o d sw i t h i nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 1 3 本文主要工作 本文首先阐述了配电网络重构的方法与目的，配电网络的重构无论是在理论研究还 是在实际的工程应用有着重要的意义与光明的前景。随着城镇化建设与城市用电规模的 扩大，人们对配电网重构问题的重视程度加大，在以前的几十年间，国内外许多学者对 这个问题做了大量的努力与不懈的探索研究，对配电网问题建模和简化分析等方面以及 6 | 于磅。毛遗传算法的复杂配电网1 1 1 1 - 构分析与研究 计算上提出大量的方法与多种的求解方案，他们提出的方法和方案中的许多方法有的已 在实际生活中得到应用，本文是在借鉴前人发展和总结成果的基础上，对配电网计算做 一些分析并提出自己的见解。 本文的主要工作如下： 1 、分析配电网的运行规律与网基结构，对其简化模型进行拓扑分析；并分析现有 的数据存储方式，分析辐射型配电网的搜索方法以及节点与支路优化的方法，应用广度 优先搜索算法，提出一种基于邻接矩阵对辐射型配电网的分层搜索方法，该方法不必事 先对网络支路进行分析与定义，通过邻接矩阵的搜索得到节点分层矩阵，直接采用节点 分层矩阵赋值给支路，完成对支路的定义。本文重点阐述了这种方法的方式和具体步骤， 实践表明：这种方法可以快速对辐射型配电网络拓扑识别并进行实用的潮流计算。 2 、在研究遗传算法的基础上，分析遗传算法的原理，对遗传算法进行计算机的模 拟运行，对比了二进制编码与行进制符号编码的优劣，采用, 进制的符号编码策略和对 应的基因操作等，采用在选择部分运用精英选择的策略和赌轮盘策略相结合的办法与在 交叉与变异过程中使用改进的白适应策略的控制方式，得出一种性能优越的改进遗传算 法。 3 、基于环快速分解方式对闭环设计的配电网络进行环分解使其分解为辐射型结构 配电网，通过对遗传算法的染色体信息的修改对环路中的支路打开，以使用遗传算法在 可行域中搜索，提高搜索的效率。 4 、目前，大量的文献对辐射型配电网分层与编号优化，大都停留在使用节点与支 路的关联矩阵上，关联矩阵需要事先分析节点与支路的对应关系，并按照这对应的规律 进行指针运算与储存，关联矩阵的巨大问题就在于当环路开关状态发生变化时它很难有 效识别支路功率的方向以及扑捉支路；另一方面关联矩阵难以分析当某条或者某几条支 路退出运行后故障恢复的网络分层计算。本文对i e e e 标准算例进行计算验证，并对 1 8 - b u s 配电网系统及p & g e 算例仿真结果进行分析，结果表明邻接矩阵分层的方法不 仅可以处理连续的、随机不连续的编号方式，以及配电网优化重构和恢复重构的精英与 自适应策略的遗传算法效能优越的结论。 5 、对配电网进行网络优化重构、分时段的重构、恢复重构以及计及分布式发电的 配电网重构的研究。通过算例结果表明，本文的提出的邻接矩阵分层搜索的潮流算法是 有效的，改进的遗传算法在配电网重构计算是高效的。 7 广西大掌硕士掣啦论文墓于改进遗传善【亭基的复杂配电网e 构分析与研究 2 1 引言 第2 章配电网分析与化简方法及潮流计算方法 配电网的网络重构问题在数学上证明得出所有的网络结构都存在最优的运行方式， 配电网重构的研究目的就是要在当前的网络结构下找出某一组开关状态，使得这个网络 运行状态在某个目标或者多个目标下是最优的。但是配电网的规模巨大，以开关的状 态作为控制变量时，这使得求解时将面临着计算量与存储空间大、运行速度慢、迭代次 数增多、收敛困难等实际的困难，加上本身配电网建设与投入滞后，配电网量测数据严 重缺乏，因此配电网的分析与计算潮流就要作必要的等值与简化，建立其简化的数学模 型并描述其拓扑结构，从而降低分析与计算的难度。 配电网的简化数学模型分为两个部分：l 、配电网电力元件的简化等值，如架空线、 电缆、变压器等设备；2 、电力线路网络的简化，即将哪些看作是配电网络结构图的节 点。配电网简化的目的是将实际的配电网转为以边阻抗节点功率形式的可以用图论知 识分析的赋权图。 ( 1 ) 电力元件的简化 配电网的计算中，由于实际配电网的电压较低，功率较小，传输距离较短的特点， 习惯上对架空线、电缆只是做一般的估算，根据架空线、电缆的长度乘上电阻及电感系 数得到，不计线路的对地电容。在变压器的等值中，一般只计算变压器的等值电阻与等 值电感，省略掉其对地支路。 ( 2 ) 电力线路网络的简化 配电网网络节点较多，在分析局部区域的时候，通常会将一些影响因子的较小的支 路进行转移或者省略，本区域与区域外相连的部分用一个阻抗与流出或流入的复功率做 等值以达到简化的目的。 将经过简化的网络看作是一个带权值的图，根据待求问题分析与计算的需要做出适 当的简化，这样可以应用图论的知识进行网络结构和各种位置关系分析，做实用的等值 计算。 2 2 数据的储存 将经过适当简化的配电网转为带有连枝的树状网络，用用图论的知识进行网络拓扑 8 广西大掌硕士掌位论文基于改进遗传算法的复杂配电网。t 构分析与研究 分析时，我们需按照某种规则对节点与支路进行编号以及对一些网络的元素类型下定 义。 ( 1 )构成不含回路不含孤立节点的树的边定义为树枝；在配电网中开关闭合的 支路看做为树枝。 ( 2 )以树包含的支路作为这个树的树枝，那么其他的支路就定义为这个树的连 枝；配电网中以开关打开状态为连枝。 如果在节点与支路的都对应编号的情况下，当网络拓扑结构发生变化的时候，支路 变动就很大，指针的运算增多，计算量增大，用计算机进行处理时中间变量增多不利于 快速运算。一般说来，对于一个复杂的配电网系统，习惯上需确定一条主馈线，对主馈 线上的节点进行顺序编码，可以从0 或者1 开始，主馈线上的节点编码完毕后，再对主 馈线上的支路编码，原则是从左到右，自上而下顺序编码，越靠左的支路优先级越高， 联络线支路则存放到数据表后几列，如附录【彳】数据结构，其结构的特点为妇细= 【支路； 首节点；末节点；首末节点间电阻；首末节点间电感；末节点负荷有功功率；末节点无 功功率】。按照这样的数据结构，对于一个n 节点的复杂配电网络，支路有刀一1 条，以源 节点编号为o 开始，树枝依次从小到大的排列，行数正好为万一1 行，与支路个数一致； 对树枝排列完毕后，在依次对所包含的连枝进行排列填入，这样的数据表如下表示： d a 幻= 当数据表需要追加连枝时，只需要在如纪中追加对应的元素即可，如对以上配电网 络进行扩充，增加支路1 3 、1 4 ，支路1 3 、1 4 为联络线时，其功率用0 表示，如纪扩充 加入： 9 l 2 3 4 5 6 7 8 9 旧 2鲸如如红纥纨翰如如 l 2 3 4 5 6 7 8 9 k 坦石吃吃易吃易 局庇而缸乃靠新知两知即励吒吃吩吩吩吩亿 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 屹 o 1 2 l 4 5 6 6 8 5 加m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m 眩 堕查垒塑查竺笪鲨壅 墨至墨墨苎堕堡蔓鲨箜苎墨曼皇墨! 塑坌堑里堡皇 1 3 3 7 ，i 3 五3 00 l l 1 4 91 1 r t 4 x a 4 0 o j 在这种数据结构中，负荷功率只会在树枝的末节点中出现，加入的联络线数据是没 有功率的。先对树枝节点进行编号与排列，这就保证了这样的数据表不会出现重复的编 号和孤立节点的产生，然后再对连枝进行排列。 其实数据结构和节点支路编号都是为了在算法中使用，数据结构的模式也不是固定 的，现在的一些编程软件能够进行复数运算，那么可以根据个人的喜好和算法的需要进 行更改。如表2 1 ： 表2 - 11 8 节点配电网数据 t a b 2 1t h ed a t ao f1 8 - b u sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( m v a ) 首节点末节点自阻抗( q ) 功翠 i2 0 0 9 2 2 + j 00 4 7 00 2 3 4 5 0 0 4 9 3 + j 0 2 511 0 3 6 6 0 一0 1 8 6 4 0 3 8 1 1 + j 0 。1 9 4 1 o 819 0 + j 0 7 0 7 0 o o g o + j 0 0 4 0 o o 0 6 0 + j 0 0 3 0 o 0 6 0 + j 0 0 2 0 测数 的是 基于改进遗传算法的复杂配电网 构分析与研究 字符型编号，对支路的数据储存采用矢量记录的方式。总的说来，只要是网络的结构不 发生变化，支路的阻抗、末节点编号与末节点功率是一一对应的，我们在处理数据时可 以采用互相关联的方法进行对应的指针运算，当计算完毕再返回即可。 2 3 配电网潮流计算 潮流计算是对配电网络进行定量分析的基础，配电网的重构、故障处理、状态估计 和无功优化都依赖于潮流计算的数据汹1 。在配电网重构中，当开关状态改变，配电网的 拓扑也就随之改变，这时我们就需要重新计算其潮流的分布来判断节点电压和线路功率 是否越界，如果这个拓扑不合适，就可以继续更改开关状态，计算潮流选择一种适合的 经济运行方式。 2 3 1 配电网潮流计算模型 潮流计算最先是尝试在输电网络中的应用，经过几十年的发展，在理论研究和实际 的工程应用中，取得了长足的进步，形成了以牛顿法和快速解耦法和以最优化为目标的 改进牛顿法等系列潮流计算方法。配电网与输电网相比，配电网络在运行方式有很明显 的区别。输电网一般线路较少，高电压且输送容量大，其地位的重要不言而喻，而配电 网运行比较灵活，配电网闭环设计，采用开环运行，其特点是配电网支路多，电压低， 输送功率小，故障时切除影响较小。配电网的每一条馈线可以看作是一个计算独立单元， 对局部供电区域进行潮流计算，不需对全网进行计算。配电网具有如下特点： ( 1 ) 配电网参数中i 溉值较大，另外配电网是以一条主馈线连接许多支路，用传统