（电力系统及其自动化专业论文）配电网络重构方法的研究.pdf

郑州大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h e1 0 a d so fu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k h a v ei n c r e a s e da n dt h es c a l ei sa l s oe x p a n d i n gg r a d u a l l y , t h en e t w o r ki sm u c hm o r e c o m p l e x a tt h es a m et i m e , t h em a k e u po fp o w e rc o n s u n l e rh a sc h a n g e dg r e a t l y , a n d c o n s u m e r sr e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gp o w e rq u a l i t ya n d s u p p l yr e l i a b i l i l yi si n c r e a s i n g g r a d u a l l i ti sd i f f i c u l tt ok e e pal a r g e - s e a l e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p e r a t i n gs a f e l ya n d e c o n o m i c a l l yo n l yb ym a n u a lm a n a g e m e n t , a n di t i se v e nd i f f i c u l tf o s a t i s f yp o w e r u t i l i t i e s i m p e r a t i v er e q u i r e m e n to fr e d u c i n gl o s s e sa n de n h a n c i n gs e r v i c eq u a l i t y d 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 ni sa ne f f i c i e n tm e a s u r eo fe n h a n c i n gp o w e r n e t w o r k so p e r a t i n ge f f i c i e n c y , s u p p l yr e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t y i ti sag e n e r a l q u e s t i o nc o v e r e d w i t hm a n y a s p e c t s ，w h i c hc a nb eu s e dt od i f f e r e n to p e r a t i n gt a s k , s u c h a sl o s sr e d u c t i o n ，l o a db a l a n c i n g , r e a c t i o no p t i m i z a t i o n ，s e r v i c er e s t o r a t i o n , a n ds oo n f r o m 1 9 8 0 s , p e o p l eh a v ee x t e n s i v e l ys t u d i e do nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，m a n ym a t u r em e t h o d sa n dt h e o r i e so fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nh a v ef o r m e da n d d e v e l o p e d ，b u ta l lt h em e t h o d sh a v et h e i ro w ns t r o n g p o i n t sa n ds h o r t c o m i n g s b a s e do nt h es t u d yo fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n sb a s i ct h e o r i e s ，t h et h e s i sd i s c u s s e s o nt h em a t h e m a t i c sm o d e lo 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 na c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ec u r r e n tp r o b l e m 皿ed i s s e r t a t i o nc h o o s e s t h er e l e v a n tm o d e l sw h e t h e ri ti st h eo p t i m i z a t i o nr e c o n f i g u r a t i o no fn o r m a lo p e r a t i n g s t a t eo rt h es e r v i c er e s t o r a t i o nr e e o n f i g u r a t i o n i nn o r m a l o p e r a t i n gs t a t e , t h e r e e o n f i g u r a t i o nm o d e li nt h eg o a lf u n c t i o no fl o s sm i n i m i z a t i o ni se s t a b l i s h e d i nt h e s e r v i c er e s t o r a t i o n r e c o n f i g u r a t i o n ，am o d e lc o n s i d e r i n gt h eu n r e s t o r e dl o a d m i n i m i z a t i o na n dt h en u m b e ro fs w i t c h i n go p e r a t i o n sm i n i m i z a t i o ni se s t a b l i s h e d , l o o k i n gl o s sm i n i m i z a t i o na sar e f e r e n c eo fc h o o s i n gt h ef i n a l l yp r o j e c t t h i sf i t st h e q u i c ks e r v i c er e s t o r a t i o nn e e dw h i l em a l f u n c t i o nh a p p e n s b a s e do na n a l y z i n ga l lt h er e e o n f i g u m t i o nm e t h o dc a r e f u l l y , t h et h e s i sr e s e a r c h e s o nan e ws i m u l a n te v o l u t i o na l g o r i t h mc a l l e da n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( a c o ) t h eo p t i m i z a t i o nc a p a b i l i t yo fb a s i ca c o i sa n a l y z e da n di m p r o v e d 耽ea c o 一 张雅：配电网络重构方法的研究 i sa p p l i e dt od 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 , a n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s si s d e s c r i b e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h et w od i f f e r e n tr e c o n f i g u r a t i o ns i t u a t i o n , s a m p l et e s t o fi e e e - 3 3b u ss y s t e ms h o w st h a tt h ea c oh a sg o o do p t i m i z a t i o nc a p a b i l i t ya n dc a n s o l v et h i sk i n do fc o m b i n a t i o n a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nu s e s c o m p u t e rp r o g r a m m i n gt oi m p l e m e n tt h ea p p l i c a t i o no fa c o t h ec o m p u t a t i o na n d a n a l y s i so ft h es a m p l et e s tp r o v e st h er a t i o n a l i t yo ft h en e t w o r kr c c o n f i g u r a t i o nm o d e l a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ea c o t h ed i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e so i lt h ea p p l i c a t i o no fg i st od i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n , a n dp r o p o s e st h a tt h ea p p l i c a t i o no fg i s c a nb er e a l i z e dt h r o u g ht h e d a t ae x c h a n g eo fg i sa n dr e c o n f i g u m t i o ns y s t e m t h ed a t at h a tr e c o n f i g u r a t i o ns y s t e m a n dg i ss h o u l de x c h a n g ea e ci n t r o d u c e d , a n dt h em e t h o do fs h a r i n gs c a d a s y s t e m s r e a l t i m ei n f o r m a t i o ni sr e s e a r c h e d k e yw o r d s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , o p t i m i z a t i o nr e c o n f i g u r a t i o n ，s e r v i c er e s t o r a t i o n r e c o n f i g u r a t i o n , a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( a c o ) ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) 1 1 1 张雅：配电网络重构方法的研究 1 绪论 随着我国经济的飞速发展，用电量需求越来越大，我国的电力系统也得到了 长足的发展，在其中占据着重要地位的配电网络也不断扩大，网络结构日趋复杂， 供电运行方式的变化越来越频繁，控制操作及事故处理的难度也越来越大。配电 网络是电力生产和供应的最后环节，配电自动化是整个电力系统自动化的重要组 成部分，其主要任务是保证配电网络安全经济运行。但是，由于日益增长的能源 成本、环境问题和高昂的资本投入，迫使电力公司尽可能地利用现有网络并优化 现有的系统结构，以达到产生更多的运行容量，减缓投资压力，为用户提供低廉 的电价与优质服务的目的。网络重构正是供电公司充分发挥现有设备潜力，提高 电网运行的经济水平和供电可靠性，降低运营成本的一种有效途径。 1 1 课题研究的目的和意义 配电网络是现代电力系统中的重要组成部分之一，其任务是把从电源或输电 网获得的电能直接分配给不同电压等级的用户，与输电网比较，它电压等级低、 供电范围小，但与它直接相连的用户数量庞大，用电性质千差万别【1 1 ，这就要求配 电网能够在这种复杂多交的情况下。具有较高的安全性和经济性。 配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点，其配电沿线上设有很多常开和 常闭的开关，这些开关的闭合状态的不同组合，就形成了很多种网络运行方式， 不同的运行方式对应着不同的潮流分布，造成不同的网络损耗，这就存在着经济 运行的问题。衡量配电网运行方式有很多指标，对于这些开关状态组成的组合中， 存在一种组合，按这一组合的方式运行，网络的某一种指标达到最优。另外，负 荷是在变化的，变化的负荷影响着系统的潮流分布，一种负荷状况对应的最优运 行方式，不一定是另一种负荷状况的最优运行方式，最优运行方式也随负荷的变 化而变化。 配电网络重构是优化配电系统运行的重要手段，是配电自动化研究的一项重 要内容。随着配电系统中硬件设施的逐渐改善，网络重构作为配电自动化中的高 级应用分析功能，日益受到人们的重视，其原因在于它并不需要大量的硬件投资， 郑州大学工学硕士学位论文 却能在故障恢复过程中有效降低用户停电时间，在配电系统正常运行是也能显著 降低网损，从而可以提高系统的可靠性和经济性。 配电网络重构按侧重面不同，可分为故障后恢复重构和网络优化重构。配电 网络正常运行时的优化重构是通过改变联络开关和分段开关的分、合状态来改变 网络拓扑结构，从而改变网络中的功率分布，以达到降低网损、平衡负荷和提高 供电电压质量的目的；故障后的配电网恢复重构是当系统发生永久性故障时，在 故障点被有效切除后，通过操作联络开关，将非故障停电负荷转移到其它正常运 行的馈线支路上，快速和尽可能多地恢复对非故障停电区域的供电。 在实际的配电系统中，开关操作的排列组合数目十分巨大，因此配电网络重 构问题在理论上是一个庞大的非线性整数组合优化问题。由于作为优化变量的开 关组合数量巨大，穷举搜索将面临“组合爆炸”的问题。并且由于解空间的过于 庞大，使得在直接数学求解是计算量很大，因而要占用大量的机时，并且无法保 证收敛的可靠性。 近几十年来，电力工作者已经在配电网络重构方面( 包括网络优化重构和故 障恢复重构) 作了大量的工作，提出了很多实用、有效的算法，但在收敛性、寻 优效果及运算速度方面还存在着一些问题，配电网络重构仍需寻找一个更为实用、 更为优化的综合解决方法。因此，无论是现在还是将来，作为配电管理系统重要 组成部分的配电网络重构都是值得深入研究的领域。 1 2 配电网络重构的研究现状及发展趋势 网络重构的研究兴起于二十世纪八十年代后期，由于它在降低网损和改善系 统安全方面的重要作用而受到了不少学者的关注。早期的网络重构主要是研究通 过怎样的供电路径给新用户供电可以使整个系统费用最小，即讨论配电系统规划 阶段的网络重构问题。随着对网络重构认识的逐步加深，人们又研究了在配电网 自动化中加进网络重构功能的可行性，证明网络重构不仅在技术、经济上是可行 的，而且会极大的优化配电网的运行。 配电网络重构算法本质就是寻找满足某一或多个组合的目标函数的最优的网 络结构。 根据目标函数的不同【2 】，网络重构算法可以分为以下几类； 以提高配网运行经济性为目的，一般以系统有功损耗最小为目标函数。 以平衡各馈线的负荷，消除过载为目的，般以负荷平衡率为目标函数。 张雅；配电网络重构方法的研究 以提高电压质量，优化无功为目的，一般以无功电源的投切为控制量，以 电压幅值的变化为控制量，通过调整无功电源的投切，提高节点电压，消除越限， 进而降低网损。 在故障情况下恢复供电，以最快、最大可能地恢复用户供电为目的。 多目标的网络重构算法中综合了以上所述的目标函数，在算法中给予每个目 标函数以不同的权值，来满足更复杂的运行管理要求。 根据采用的寻优技术的不同，网络重构算法大致可以分为最优流算法、启发 式算法和人工智能优化算法三类。人工智能优化算法又包括人工神经网络、遗传 算法、模拟退火算法等。 现代化的配网，对于经济运行和提高供电质量的要求越来越强烈，但是日前对 于配电网经济运行算法，如网络重构和故障恢复多停留在理论研究方面，能够实 际应用的并不多，究其原因主要表现在算法的在线性能不好，速度慢，算法所基 于的网络多为理想化的网络结构，与实际的相去甚远，脱离了实际配网运行管理 的需求等等。 网络重构算法及其在配网中的应用和发展，需要以下三个方面的提高： ( 1 ) 快速的拓扑分析手段 网络拓扑分析，在高层应用的算法中常常需要大量的重复调用，如果能够提 高拓扑分析的速度，则整个算法的性能也将得到大幅的提升。 c 2 ) 使用启发式寻优算法 要提高应用的性能，启发式技术是一种非常有效的手段，常规的启发式技术 已经在高层应用的算法中得到广泛的应用；在网络重构算法的研究中引入启发式 寻优算法，对于算法的提升效果是明显的。 ( 3 ) 算法应与我国配网发展的现状相结合 配网网络重构算法研究的最终目的是为了服务于供电企业，提高供电企业的 运行管理水平，一个良好的算法，应当是广义的，能够推广应用的，适合我国配 电网络现状的，并满足当前供电企业运行管理需求的算法。 1 3 本论文的主要工作 本文在研究和总结前人研究成果的基础上，从配电网络的实际出发，研究配 郑州大学工学硕士学位论文 电网络运行时的优化重构，故障后的恢复重构，以及基于地理信息系统的网络重 构。为了提高寻优性能，本文还将蚁群算法应用于配网重构，利用蚁群算法具有 的正反馈、并行计算和鲁棒性强等优点，寻找最佳的网络结构。具体内容如下： ( 1 ) 学习和研究网络重构的数学模型和各种算法，分析重构的各种目标函数， 结合配电网运行的实际需要，选择合适的目标，并通过研究各种算法的利弊，寻 找相对具有优势的算法。 ( 2 ) 将蚁群算法应用于配电网络重构，分别针对正常运行时和故障后两种情 况，构造不同的数学模型，利用v i s u a lc + + 编程实现。 ( 3 ) 对于正常运行时的配电网络重构，以降低网络损耗为目的，建立以系统网 损最小为目标函数的数学模型，并将蚁群算法应用于其中。 ( 将蚁群算法应用于配电网故障后恢复重构，寻求一个综合考虑切负荷最小 和开关操作次数最少的配电网故障后恢复重构模型，并用算例验证了这一应用的 有效性。 c 5 ) 研究地理信息系统( & 碘印p b j c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g j s ) 在配电系统中的 应用，并与电力数据采集监控系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n , s c 蛐a ) 系统相结合，寻找将电力g i s 应用于配电网络重构的方法。 张雅：配电网络重构方法的研究 2 配电网络重构的基本理论与方法 配电网络是电力生产和供应的最后环节，配电自动化是整个电力系统自动化 的重要组成部分，其主要任务是保证配电网络的安全经济运行。而网络重构作为 配电系统安全经济运行的一个重要问题，正受到研究人员的极大关注。任何一个 配电网，都存在一个最优的结构，在这个最优结构下运行，各负荷点的运行电压 和网络总损耗的协调优于其他可能方案，配电网络重构的目的就在于此。从数学 角度来看，配电网络重构是在满足一定约束条件下，通过蹰络开关的组合，以使 系统网损或负荷平衡等目标达到最优解，所以它是一个有约束、多目标、不可微 的大规模非线性组合优化问题。 2 。1 概述 我国近年来国民经济发展迅速，电网规模也成倍扩大，虽然许多地方已经进 行了配电网改造，但由于成本和经济效益的原因，配电网改造并不能完全改善现 有的配电网络结构。因此，如何使新旧配电网联合起来进行优化，使其在一个经 济合理的条件下运行，成为电力企业最关心的问题之一。 配电网络重构是实现配电网网络优化的重要手段之一，其基本原理就是在满 足新条约的条件下通过网络中分段开关和联络开关的分合操作来调整网络结构， 使系统达到符合某种特定运行要求( 如网损最小或者电压质量高) 的拓扑结构。 配电网的运行状态可以分为正常运行、故障前、故障和故障恢复四个状态。 配电网络重构包括配电系统正常运行时的网络重构与故障后的恢复重构。配 电系统中包含大量的联络开关和分段开关，正常运行条件下，配电调度员周期性 地进行倒闸操作以实现网络的优化重构。在故障情况下，闭合或打开一些联络开 关和分段开关，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。 配电网莺构是一个非线性组合优化问题，每一次进行优化的迭代均需要进行 一次配电网潮流计算，连续的配电网潮流计算需要大量的计算时问p j 。为了提高计 郑州大学工学硕士学位论文 算速度，保证得出最优或次最优的配电网结构，人们尝试了用不同的方法来解决 配电网络重构问题。解决配电网络重构的算法主要有；数学优化理论、最优流模 式( o p t i m a lf l o wp a t t e r n , o f p ) 、开关交换法( s w i t c he x c h a n g em e t h o d , s e m ) 和 人工智能算法等几类。本章在研究重构理论的基础上，对各种算法作简单介绍。 2 2 配电网络重构的基本理论 配电网络重构可分为正常运行时的网络优化重构和故障后的恢复重构，正常 运行时的网络重构是为了优化网络结构，使系统运行在最佳状态：故障后的恢复 重构是为了以最快的速度尽可能多地恢复对非故障断电区域用户的供电。 2 。2 1 正常运行时的配电网络重构 正常运行时的配电网络重构也称为网络优化重构，其主要目的是通过改变线 路开关的状态来变换网络结构，在实现电力供需平衡的前提下，减少网络的运行 损耗，提高网络的供电可靠性，并满足容量和电压等约束。正常运行时的配电网 络重构，其目标及研究方法1 4 】主要包括： ( 1 ) 以提高系统的稳定性和可靠性为目标，充分发挥系统的供电潜力。 提高系统可靠性的途径一般有两条：一是提高组成系统各元件的可靠性性能； 二是增加系统的冗余度。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。 配电网可靠性进行评估的方法有两类：一类是解析法，另一类是模拟法。解 析法t s i 是对预想的停运事件进行逐个评估和计算，最终得到用户和系统可靠性指 标。解析法原理简单，模型准确，已广泛用于辐射型配电网的可靠性评估。但配 电系统结构比较复杂时，计算将会很繁杂。 配电网可靠性评估常用的最小路法属于解析法，它同时考虑了最小路上的元 件和非最小路上的元件故障对负荷节点可靠性指标的影响，并能找出网络的薄弱 环节，是一种非常有效的算法。 模拟法是通过模拟元件寿命过程的实际情况，并对此模拟过程进行若干时间 观察，评估所求的可靠性指标，模拟法适合于复杂系统计算，在有些特定场合， 该方法甚至是唯一可行的求解方法。 张雅：配电网络重构方法的研究 ( 2 ) 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。 由于负荷的快速变化和电力建设的滞后，使配电网的负荷分布极不平衡，由 此带来很大的危害，如增加系统的能量损耗，影响系统的电能质量和增加系统过 负荷的危险。 实现负荷平衡的手段主要有两种：一是各变电站之间供电区域的重新划分； 二是同一变电站各馈线间供电负荷的调整交换。文献【6 】就负荷平衡问题提出一种 网络重构的线性整数规划模型，将问题的目标函数和约束条件都精确地用数学解 析表达式表示，试图用解析的方法寻找全局最优解。文献【刀中提出了新的负荷平 衡指数，并应用它来评估网络的负荷平衡情况。文献【8 】提出了一个针对三相不平 衡配电网的负荷平衡算法。文献【9 】使用支路负荷平衡系数和系统总的负荷平衡系 数来确定系统的负荷水平和系统的容量。 ( 3 ) 系统有功功率损耗最小化。 降低配电网线损一直是电力企业努力的方向，西方主要工业国家的线损率大 致在5 一8 ，我国为9 左右，与发达国家相比尚有差距。3 5 k v l o o k v 配电网线 损是地区线损的重要组成部分，1 9 9 5 年全国城网l l o k v 以下配电网线损占总线损 的6 0 ，可见降低配电网线损是降损工作的关键问题之一。早在1 9 7 5 年，m e r l i n 和b a c k l l 4 】就指出配电网络重构是降低配电网线损的有效途径，通过网络重构还可 以均衡负荷、消除过载、提高供电电压质型l o l 。 目前，大部分关于配电网重构的文献都以最小化有功损耗为目标。但实际的 配电系统中各节点的负荷时刻都在发生变化，以有功功率损耗最小为目标的最优 结构也不可能是固定的，它随时会发生改变，并导致频繁的开关操作，这是不经 济的也是不现实的。 因此，实用的有功功率损耗最小化的方案是选择特定时段内特定时刻的负荷 作为计算负荷，通常选用峰值负荷，然后就这一代表状态下有功功率损耗的最小 化，提出开关操作的优化方案，完成网络重构。由于采用的是近似的方案，在非 峰值负荷时刻没有实现真正的最小化系统有功损耗，所以不能得到真正的最优解。 ( 4 ) 某给定时间段上( 一e t 、一周或一季度) 的系统能量损耗最小。 为了便于计算，一般采用阶梯形曲线来近似代替配电系统的实际的连续负荷 曲线，同时忽略在较小时间段( 一小时) 内负荷的波动情况。其实质是将连续变 量离散化，注重变化趋势，忽略小的量变，目的是为了节省能源，简化计算。它 郑州大学工学硕士学位论文 保证了在某给定时间段上的系统能量损耗最小。文献【1 1 ，1 2 】以降低电能损耗为网 络重构的目标函数，前者采用模拟退火法求解，但由于需要进行多层次大量的开 关交换，计算量很大；后者采用遗传算法求解，该方法的主要缺点是选取不同的 初始基因串会有不同的优化结果。 2 2 2 故障恢复中的配电网络重构 配电网运行时经常出现各种问题。根据配电网网络结构的特点，在发生永久 性故障引起停电时，故障设备的切除，可能导致非故障部分成为可直接与原供电 电源相连的部分和故障点以下非相连的两部分。前者可以通过重合变电站相应的 出线断路器恢复供电；后者则要通过与之相连的联络开关来恢复供电i 廿】。因此故 障后的恢复重构主要是考虑对故障区以外的非故障断电区的恢复供电。 配电网故障恢复大致可以划分为以下3 种模式： ( 1 ) 早期的人工故障恢复模式 在自动化水平较低的早期，故障恢复主要依靠装设在配电线路上的故障指示 器。故障发生后，工作人员依靠放障指示器找到故障位置，利用柱上开关设备手 动隔离故障区，人工恢复非故障区的供电。这种早期模式自动化水平较低，故障 处理时间较长。 ( 2 ) 配电自动化( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n ，d a ) 的故障恢复模式 d a 模式主要依靠装设在配电网中的分段器、重合器及柱上开关等具有一定智 能的硬件设备，通过开关功能和保护时问配合，实现故障的自动诊断、隔离和恢 复。这种恢复模式的特点是依赖于配电网的早期规划、配电网结构及配电设备的 自动化程度，但一般只适用于简单接线网络，而且不能考虑实际负荷水平和网络 运行约束。 ( 3 ) 配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，d m s ) 的故障恢复模式 d m s 模式主要应用配置在配电控制中心的故障恢复软件实现故障检测、隔离 和供电恢复。当配电网中发生故障时，d m s 的故障恢复软件根据馈线终端设备 ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，v r u ) 采集并经过通信系统传送到配电控制中心s c a d a 实 时数据库种的故障信息进行逻辑推理，判断故障位置，并且确定隔离故障和恢复 供电的操作步骤，然后以操作序列的形式提交s c a d a 系统，手动或自动执行。这 张雅：配电网络重构方法的研究 种恢复模式的特点是适用于任意结构的配电网络，可以处理一些特殊情况( 如多 重故障) ，可以考虑实际负荷水平和网络约束，但与设备可靠性和软件功能等有着 密切的关系。 ( 4 ) d a 与d m s 模式的比较 d a 模式与d m s 模式在不同的条件下各有优缺点。然而随着通信技术及计算 机技术的发展，d m s 模式必将获得更广泛的应用。 d a 模式实现元件级的局部功能，范围有限；d m s 模式实现主站级功能， 可以适用于任何复杂的配电网。在d a 模式的故障恢复过程中，开关动作完全按 照事先规定的次序进行，而不考虑实际负荷水平和网络状态与此相反，d m s 模 式根据s c a d a 收集到的实时信息，应用智能软件对全网做出实时分析和判断，找 出可行的和优选的恢复方案，因此能够保证满足网络的拓扑约束、设备的容量约 束和用户的电压质量，这是d a 的故障恢复所不能达到的。 d a 模式主要采取开关试投的方式，这样多次开关试投势必造成短路电流 对设备的多次冲击，影响设备的寿命。而d m s 模式利用智能判断，对故障区一次 性定位、隔离，避免开关多次分合闸，避免了短路电流对设备和电网的多次冲击。 d a 模式不能从总体上把握实际电网的恢复状态，不能处理特殊情况和复 杂网络；而在d m s 模式中，由于考虑了网络的数学模型和实对信息，因此能根据 当前的实际情况，灵活地提出可能不同的优选方案。这样，d m s 模式可以从整体 上控制恢复进程，避免“因小失大”的情况出现。 总之，d m s 模式是自动化发展的必然，它运用智能软件控制配电网的故障恢 复，能够从全局来规划和考虑配电网的恢复进程，在一定程度上应付一些不可预 料的情况，能够适用于各种复杂的配电网络。然而，在具体实施过程中，d m s 故 障恢复系统一方面对硬件自动化水平和通信系统要求较高，要求配电网络的 s c a d a 系统能够提供必要的实时信息和控制手段；另一方面，软件总体结构复杂， 数学模型以及算法有待迸一步研究，影响可靠性的因素较多。 2 3 配电网络重构的基本方法 配电网络重构是一个多目标组合优化问题，现有的网络重构算法采用不同的 技术来降低解空间的大小，从而可以加快解的搜索速度。为了提高计算速度，得 出最优或次最优的网络运行结构，很多重构算法研究者尝试用不同的方法来解决 郑州大学工学硕士学位论文 配网重构问题，早期的研究采用了数学优化算法和启发式优化算法，最近的研究 多采用基于人工智能的算法。下面对这些算法作一下简单的介绍。 2 3 1 数学优化算法 数学优化算法是直接利用现有的数学优化原理进行配电网络重构的方法，包 括分支定界法1 1 4 l 整数规划陋1 日、线性规划1 1 7 , 1 s l 、非线性规划【1 9 】等数学优化方法。 m e r l i n 和b a c k 在文献【1 4 】中提出了一种基于分支定界技术的启发式重构方法， 此后许多学者尝试将数学优化理论应用于配电网络重构中。 j i y u a nf a n 等人1 1 5 i 提出一次只开合一对开关的单环网优化阿题，其数学模型 为具有二次目标函数、0 - 1 状态变量的非线性整数规划问题，用单纯形法求解。 t p w a n g e r 等人l 埘把网损最小的网络重构问题转化成考虑二次费用的网络 传输问题，二次功率损耗用分段线性函数表示，将馈线电压降落和热容约束包含 在其中。 ka o k i 等人f 1 9 1 忽略电压降落，将负荷当成恒定电流，用非线性规划技术来求 解配电网重构问题。文献【2 0 】将进行网络规划的最短路算法应用于配电网重构中， 利用最短路径法为每个负荷寻找供电路径，方便地形成了树状网络。 数学优化理论可以得到不依赖于配电网初始结构的全局最优解，但数学优化 理论属于贪婪式搜索算法，计算时间很长，在应用于实际配电网时，随着维数的 增多将导致严重的“组合爆炸”问题【2 l l ，并不适用于现代配电瞬络重构的计算。 2 3 2 最优流模式算法 最优流模式算法是由d s h i r m o h a m m a d i 等人嘲于1 9 8 9 年提出的一种启发式方 法，它以功率损耗最小为目标函数，先合上所有的开关形成多环网，在满足k v l 和k c l 的条件下求得电流分布就是系统的最优流模式，以打开在最优流模式下电 流最小的开关为打开开关的启发式规则，打开一个开关解开一个环路，再重新计 算最优潮流，如此反复，直至网络恢复为辐射网。这种方法把开关组合的问题转 化为优化潮流的计算问题，使复杂问题得到了简化，但随着网络规模的增大，实 时应用比较困难，计算量也较大。 为了克服最优流模式算法存在的问题，kg o s w a m i 等人瞄l 提出每次只合一个 联络开关，确定一个待开开关的方法，消除了环网电流的相互影响，但没有从根 张雅：配电网络重构方法的研究 本上解决问题，计算量仍较大。 文献 2 4 ，2 5 】在文献【2 2 】的基础上进行了改进，在求最优流时，只将环网支路中 的阻抗简化为电阻，而辐射状分支仍保持用阻抗描述，从而更加符合实际情况， 并且通过网损变化的估算来确定要打开的开关虽然对最优流模式算法进行了大 量改进，但是其本质问题，如计算量大、容易产生错误的解等问题依然存在，而 且网络重构在配电网络运行是需要经常进行，因此，最优流模式算法并不完全适 合现代复杂配电网络。 2 ，3 3 支路交换算法 该算法是由s c i v s n l 缸等人闭首先提出的：首先计算初始潮流和网损，利用潮 流计算的结果将负荷用恒定电流表示，每次只合上一个联络开关形成一个环网， 选择环网中一个分段开关并打开，使配电网恢复为辐射网，从而实现负荷转移， 达到负荷均衡和降低线损的目的。该方法是闭合两端电压差最大的开关，而打开 开关的原则是将负荷从电压降落大的一侧转移到电压降落小的一侧，据此可以建 立一组启发式的规则。 m e b a i 等人吲在文献【2 6 】的基础上对支路交换算法进行了改进，利用网损 变化的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。 该算法的优点是可以快速确定降低配电网线损的配电网结构，通过启发式规 则减少需要考虑的开关组合，利用公式估算开关操作带来的线损变化。不足之处 在于网络重构结果与网络中开关的初始状态有关，每次考虑一对开关的操作能够 降低网损，但这个过程并不保证整个过程是最优或近似最优。 2 3 4 人工智能算法 人工智能算法是现代优化算法。近年来，许多学者将人工智能的理论和方法 应用于电力系统的研究和生产实践中，其中用于配电网重构的方法主要有模拟退 火算法、人工神经网络、遗传算法、禁忌搜索法、专家系统法、进化规划法等， 以及这些智能方法的综合应用。 ( 1 ) 模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，s a ) 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。1 9 8 3 年k i r k p a t r i c k 等人首 郑州大学工学硕士学位论文 先将这一算法应用于求解组合优化问题，该算法通过交换开关形成的网络结构， 计算其潮流及网损，若具有较小的网损，则保留，否则按一定的概率接受。继续 交换开关，直到达到最大开关交换数目【矧。 l - i s i a o - d o n gc h i a n g 等人 2 9 3 0 1 将配电网重构描述为不可微的、具有等式和不等 式约束的多目标函数优化闯题，采用在不同的温度用不同的收敛指标来提高s a 算 法的速度。h o n g - c h a nc h a n g 等人【3 1 】提出了一种改进的s a 算法，首先通过多次配 电网重构确定出与系统结构和系统负荷模式相关的初始温度，然后通过改变邻近 开关状态的方法来构造新的配电网结构。 s a 算法一般可以得到全局最优或全局次最优解，但该方法对参数和退火方案 的依赖性大，计算量大，将其用于配电网重构时需要进行多层次大量的开关交换， 需要进行多次潮流计算及网损估计，因此计算量更大。 ( 2 ) 人工神经网络法( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , a n n ) 用于配电网重构可以反 映配电网负荷模式与配电网最优结构之闯高度的非线性关系。一般是将负荷模式 作为样本输入，通过训练输出开关状态。 h k m 等人1 3 2 】提出基于多层前馈神经网络模型的配电网重构算法。m 八 k a s h e m 等人【3 3 l 将负荷分为工业、商业和民用三类，同时将负荷水平也进行分类， 大大减少了负荷模式的数量。由于同类负荷的变化规律是相同的，由三类负荷的 不同负荷水平构成了训练样本的输入，样本的输出由开关交换方法确定。 由于不需要进行潮流计算，也不用对开关操作的降损效果进行估算，利用a n n 可以大大降低配电网重构的时问。但是a n n 算法得出的结果的精度依赖于提供的 训练样本，对于一个有一定规模的配电网，要得到所有可能的负荷模式及其对应 的最优配电网结构是困难的，训练样本也需要大量的时间i 篮l 。 ( 3 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 是由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教 授于2 0 世纪6 0 年代提出的，基本思想是适者生存。g a 是以自然基因选择和群体 遗传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，利用上代最适合的信息去创造新的合成基因串， 有效利用过去的信息去搜寻新的搜索点，从而改迸搜索操作删。 kn a r a 等人【1 2 l 首先将配电网重构描述为混合整数规划问题，然后用种简单 遗传算法进行配电网重构。该方法首先随机产生一组初始种群，采用赌轮的方法 进行选择复制，并用由经验值确定的交叉率和变异率乏对个体进行交叉和变异 操作。由于采用固定的只和只影响了遗传算法的性能，m s r i n i v a s 等人1 3 5 】提出一 种随进化进程自适应地改变和只的算法。 张雅：配电两络重构方法的研究 文献 3 6 1 提出一种模糊遗传算法，即通过模糊规则在线地改变只和己的值， 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。 g a 有以下特点【圳：g a 操作的是参数的编码而不是参数本身；( 後从一群 点搜索，而不是从一点开始搜索，在早代发现优化值的可能性很高，能够快速全 局收敛；g a 使用概率变迁规则而不是确定性规则指导搜索，能处理病态、离散 型的优化问题；g a 具有内在并行计算的特性。当然，g a 面临许多问题，如计算 速度馒，选取不同的初始基因串会有不同的优化结果等。 ( 4 ) 进化规划算法( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g , e p ) 是一种借鉴生物界自然选 择和自然遗传机制的随机搜索方法，其主要特点是群体搜索策略及群体中个体之 间的信息交换，并且不依赖于梯度信息，具有很好的鲁棒性和全局收敛性，在处 理目标函数或某些约束条件不可微的非线性优化问题方面显示出极大的优越性 i 期。但它具有一个根本的缺点过早收敛【3 8 l 。由于进化算法中选择及交叉等算 子的作用，使得一些优秀的基因片段过早丢失，从而限制了搜索范围。使得搜索 只能在局部范围内找到最优值，而不能得到满意的全局最优值。 ( 5 ) 专家系统法( e x p e r t s y s t e m ，e s ) 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。有不少人尝试利用专家系统来进行配电网重构【3 9 - 4 2 1 。 c h e n - c h i n gl i u 等人1 3 9 1 提出有种基于专家系统的故障恢复与配电网重构算法，规 则是对配电网进行研究和了解调度人员的经验后所得到的。t t a y l o r 等人 4 0 l 和g c h a n g 等人【4 1 l 提出的算法基本相同，其目标函数为避免变压器、馈线过负荷以及 电压越限的发生，认为满足这些条件时可以降低配电网线损。由于在实际运行中 调度员不愿意对系统做较大的调整，因此专家系统方法可以给调度员提供确实有 效的建议。 专家系统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以及重构，网络变化后只需要修改相应的知识库。其缺点是 约束条件的考虑较困难，且无法保证最后得到的是全局最优解【钢。 ( 6 ) 禁忌搜索法( t a b us e a r c h ，t s ) 也是现代启发式搜索方法之一，由f r e d g l o v e r 于1 9 7 7 年提出，适合于求解