（电力系统及其自动化专业论文）配电网经济性和可靠性的综合评估.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e c o n o m ya n dr e l i a b i l i t ya l et h em o s tt w oi m p o r t a n ti n d e xo fp o w e rs y s t e m , b u ta l s oc o n t r a d i c t o i yt oe a c ho t h e r t h i sp a p e rf i n d sam e t h o dt oe v a l u a t eb o t h e c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c o m b i n i n gw i t hd i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e e o n f i g u r a f i o na n dp s s a i tu 螂p o w e rc l l s t o m e ri n t e r r u p t i o nc o s tt o d e s c r i b er e l i a b i l i t yi n d e x ，a l s ow i t he c o n o m i ci n v e s t m e n t 、n e t w o r kl o s s 、n - m i n t e n a n e e c o s ta n ds oo n ，i ts o l v e st h ep r o b l e mb e t w e e ne c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y t h i sm e t h o d g a l l b e u s e d i n e v a l t c a i n g b o t h d i f f e r e n t p r o j e c t s m d t h e s a m e p r o j e c t t h em e t h o dt a k e sd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e e o n f i g u r a f i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n i ti s r e a s o n a b l et oc o m p a r ew i t ht h eb e s tm o d e i ti n t r o d u c e sr e l i a b i l i t yw e i 曲tt os a t i s f j r d i f f e r e n tr e l i a b i l i t yd e m a n d sf r o md i f f e r e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ， t h et e s b n ge x a m p l ee s t a b l i s h e dw i 也t h i sm e t h o dp r e s e n t st h ec h o i c eo f d i f f e r e n tc o n n e c t i o nm o d e si nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sb a s e do nl o a dd e n s i t y a n da l s o ，t h i sp a p e rd i d t h eb a s i cr e s e a r c ho fr e l i a b i l i t yo p t i m i z a t i o n i tf i n d s p o p u l a rc o n c l u s i o no nt h eb a s i so fq u e s t i o ns i m p l i f i c a t i o n ，e v a l u a t i n ge a c hb a s i c e q u i p m e n to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i s i su s e f u lf o r 缸t h e rr e s e a r c ho nr e l i a b i l i t y o p t i m i z a f i o n k e yw o r d s ：p l a n , d 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 ：r e l i a b i l i 锣； e c o n o m i c ：v a l u a t i o n ：o p t i m i z a t i o n ：p s s a l l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 配电网经济性研究的重要性和必要性 配电工程的投资非常巨大，发达国家输配电工程投资常常占整个电力系统 投资的5 0 以上，而在各区域( 或城市) 电力公司中配电系统投资通常占预算的 6 0 。而在我国，过去几十年缺电的困扰导致了电力建设中存在“重发，轻供， 不管用”的偏向，配电网长期缺乏合理的规划与资金投入，致使近年呈现出有 电“送不进、落不下、用不上”的矛盾，阻碍了国民经济的发展和人民生活质 量的提高。同时，我国输配电系统目前线损率很高，1 9 9 5 年为8 7 7 ，1 9 9 7 年 为8 2 0 ，配电系统网损尤为严重，而日本、德国、法国等发达国家线损率仅 为5 6 左右。按1 9 9 7 年配电系统网损水平，我国相当于比国外发达国家水平多 损耗1 8 0 亿k w h 的电量，相当于损失3 到4 个百万k w 级电厂的全年发电量 l 2 1 。 为了改善我国配电系统的现状，“八五”以来输配电工程投资已提高到整 个电力系统投资的3 1 5 。仅1 9 9 8 年至2 0 0 0 年，国家就投资数千亿元进行一 批城市的配电网改造。今后，配电网的改造投资还将继续扩大和深化。面对未 来巨大的资金投入，如何既考虑当前的需要和可能，又惠及长远的发展，合理 有效地利用资金和资源，取得最大的效益，避免浪费，同时考虑整个社会的效 益最大乃是各级决策者应该十分关注的问题【3 l 。 配电网是一个庞大而又复杂的系统，并且不同于其它任何的系统，它关系 到国民经济的发展和社会的稳定，对这样一个系统的投资改造的分析是非常必 要的。要让有限资金和资源投入到最需要的地方，投入到对整个社会最有价值 的地方，这些都是值得认真研究的问题。 1 2 配电网可靠性研究的重要性和必要性 电力系统可靠性的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，刚起步的时候可靠性的研 究主要侧重于发电侧，而配电侧则没有得到足够的重视。这主要是由于发电侧 浙江大学硕士学位论文 设备一次性投资更大，建设周期更长，发电量不足造成的后果和对社会造成的 影响更严重更明显等，这些更容易引起人们的注意。因此当时的经济投资主要 用于发电侧建设以提高电力供应的充裕度。 6 0 年代末、7 0 年代初以后，特别是9 0 年代以来，随着经济技术研究和社 会的发展，配电系统的可靠性越来越受到人们的重视。其重要性主要体现在以 下几点1 4 j ： ( 1 ) 配电系统处于电力系统末端，直接与用户相连，是电力系统向用户提 供电能和分配电能的重要环节。由于电能具有发、供、用的同时性特点，电能 不能大规模的储藏。一旦配网出现故障，就会直接造成对用户的停电。其重要 性不亚于发电系统。 ( 2 ) 中国的配电系统多采用辐射式网络，对故障比较敏感，一旦在某一点 出现故障，就会造成整条线路或者部分线路停电，大大降低了供电的可靠性。 据不完全统计，用户8 0 以上的停电故障是由配电系统的故障造成的。由上可 见配网可靠性对用户用电的影响是非常大的，也是不容忽视的。 ( 3 ) 随着电子科技的发展，以计算机为代表的高度信息化的电子设备的普 及，人们对配电网的可靠性的要求也越来越高。 ( 4 ) 目前，国外很多发达国家都对配电系统的可靠性做了专门系统的研 究，并已用于实际生产。 电力系统可靠性的研究对整个国家和社会有着重要的意义。可靠性水平低 最直接的表现就是停电，而上述重要性可知，大部分的停电事故是由配网的故 障所引起的。这些年来，国内外电力系统由于稳定的破坏，曾发生多次大面积 停电事故，对国民经济造成极大损害，使社会和人民生活受到极大影响。如： 1 9 6 5 年美国东北部大停电事故，不单使纽约市和东北部六州大停电还波及加拿 大安大略省，停电区域2 0 万k m 2 ，经济损失达1 亿美元，影响约3 0 0 0 万居民； 1 9 7 8 年法国电力系统大停电事故，占全国负荷四分之三的大部分地区停电，经 济损失约2 亿美元；1 9 8 3 年瑞典电力系统大停电事故，瑞典南部全部停电，占 事故前全国负荷的三分之二，经济损失约2 3 亿瑞典克郎；1 9 8 7 年日本东京 电力系统电压崩溃大停电事故，事故损失负荷8 1 8 6 m w ，影响了2 8 0 万用户； 1 9 7 2 年我国湖北电力系统稳定破坏事故，使全省失去负荷约6 8 6 m w ，导致湖 北地区大面积停电；等等。 2 浙江大学硕士学位论文 我国电网长期以来严重缺电，这造成了目前“重发、轻供、不管用”的局 面，致使配电网现状极端落后。表现在配电网网络混乱，装备陈旧，供电可靠 性低下。r e # l 先进国家和地区( 如纽约市) 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 ，美国全国平均年户停电时间为5 8 r a i n ，日本全国平均年户停 电时间为9 i i l i n ，而我国全国平均年户停电时间长达3 0 h ，和国外发达国家的差 距非常明显。不仅如此，近年电网的突出问题是发电厂窝电，用户用不上电， 出问题的地方恰恰主要是配电网，表现在：配网网络结构不合理，降低了供电 的可靠性：配电线路上不设开关，一旦出现问题便造成整条线路失电，或使用 落后的油开关，每三年就要更换，有名无实；供电半径过大，导线截面太小， 使电压合格率很低；无功补偿不完善，有的虽装了补偿电容器，但人工只是简 单操作，在高峰期投入，在低谷期切出，功率因数提高不多：公用变一般都未 装补偿电容器，线损率居高不下；配电变压器损耗大，容量不足，高峰过载烧 坏的情况是屡见不鲜：进户线老化，截面积小，适应不了用电增长要求，经常 出现事故。 为此，国家投巨资于配网改造，以便提高配电网供电能力和安全经济运行 水平。改造配电网不能简单化地加大导线截面或改为电缆、增大配变容量。广 东菜市为提高供电可靠性，也为改善市容，投巨资将架空线改为地埋电缆，实 施了几条线路后发现，简单地将架空线改为电缆，投入了大量的资金和人力， 但提高可靠性的效果不明显，后来工程被迫停工，重新规划。因此改造配电网 要先从改造网络结构入手，而如何改造网络结构则要基于对网络结构的可靠性 研究。 近几年来我国电源建设有了很大的发展，与此同时用电量也有相应增加， 而且用户对电能质量( 包括频率、电压和谐波问题等) 有更高要求，对供电可靠 性、电量计算和电价更为关切。电力法实施以后，用户在应用法律保护自己的 权益以及要求电力部门提高供电服务水平等方面的意识均有明显增强。目前我 国电力工业正在进行公司化改组，向商业化运营和法制化管理发展，郎全面推 行“两个根本性转变”，构筑与社会主义市场经济相适应的，以资本和电网调 度为纽带的新的管理体制。电力市场的体制改革目的是促进市场竞争，提高效 率，降低成本和电价。 上述【习新发展和新动向对我国配电网目前的状况是个新的挑战，如何适 浙江大学硕士学位论文 应和促进这种新形势发展是配电网可靠性应着重考虑的新问题。 综上，配电系统可靠性研究在保证供电质量、提高经济效益和社会效益， 进行城市网络建设和改造起着重要的作用。建立以经济性为基础的可靠性评估 程序，研究配电系统可靠性评估的各种手段己成为当前形势所需。通过配电系 统可靠性仿真和评估，一方面可以了解整个配电系统的可靠性分布水平，找到 配电网络的薄弱环节，指出网络的改造方向，为城市配电网的改造提供参考意 见：另一方面，可以通过定量计算得出不同增强性措施所带来的经济效益的不 同，从而用有限的资金最大限度地增加系统的可靠性旧。 1 3 配电网的经济性和可靠性的矛盾和协调 在许多工程领域，合理的可靠性水平总是与经济性相联系的，可靠性应当 与经济性协调。但这一工作却十分复杂，因为需将故障的费用加以量化，同样 也需将为提高可靠性所需的费用加以量化。故障造成的损失有的可以用货币表 示，有的则不能，提高可靠性的代价有的可用货币表示，有的也不能。因此， 经济性和可靠性的调和是一个很复杂的问题。 可靠性和经济性的协调问题，可理解为寻求以下若干问题的解答： a ) 在给定投资的条件下，能把可靠性提高到何等水平? b ) 在给定的可靠性条件下，如何使建造系统的费用最小? c ) 在给定预算的条件下，应把投资花在什么地方最恰当? d 1 在什么基础上对不同的方案进行比较? 工程开发的某些阶段，上述问题是可以假定或者估计的，但有的时候则是 十分困难的，因为无法为之建立定量的数学模型。首先是故障后果的估计，故 障总是造成人们不舞望的后果，这些后果有的可能难以用货币来表示；其次是 提高可靠性效益的估计，从经济上讲，期望故障损失费用的降低至少与期望可 靠性提高所带来的经济效益相等。 电力系统可靠性的价值在于连续供电的价值。对用户来讲，连续供电的价 值取决于他们在用电中所能得到的效益。可靠性低往往会造成缺电或者停电， 造成经济损失和社会损失。另方面为了提高可靠性，电力部门要增加投资， 这部分投资应作为电费的部分由用户承担。因此研究投资与提高电力系统可 4 浙江大学硕士学位论文 靠性水平之间的关系就显得菲常重要唧。 对电力用户来说，都希望有1 0 0 的可靠性。但高可靠性是由高的经济投 入作保证的。图1 1 表示了供电可靠性与由于停电造成用户损失费用之间的关 系。当供电可靠性为1 0 0 时，用户的停电损失费用为零，但为了达到这个目 标供电企业增加的费用是急剧增加的，所以达到1 0 0 的供电可靠性在经济上 也不一定是最好的。图中曲线3 上的d 点是社会费用最小时所对应的点，这个点 可以用来决定供电可靠性水平。如果一个用户希望1 0 0 的安全供电，一方面 在供电方案中考虑采用双电源、多电源供电回路的同时，应当考虑自己配置备 用电源，一旦电力供应部分或者全部失去时，可通过自备电源来保障全部负荷 或部分负荷。 o 供电可靠性x 图1 1 供电可靠率与费用之间的平衡曲纠8 】 从图1 1 可以看到，曲线1 的斜率掣 0 ，这说明随着可靠性的提 a x 高，电力公司需要投入的供电成本也越来越高，超过一定的限度( 如b 点) 后， 供电成本随可靠性要求的提高急剧增长。综合停电损失和供电成本的总成本的 曲线3 则近似于一个u 型曲线，在可靠性小于d 点可靠性时，曲线3 的斜率 浙江大学硕士学位论文 皇彗 0 ，总成本随着可靠性的提赢而增加；面等于d 点可靠性时，曲线3 积 的斜率车：0 ，此时供电总成本最低，此时的可靠性水平即是系统最佳的可靠 a t 性水平。 1 4 配电网的经济性和可靠性研究的现状和方向 国内外对配电网的经济性方面做了大量的研究，文献【9 】对阜新地区农村电 网建设与改造做了技术经济分析。文献【l o 1 5 】对配电系统的规划做了较为详 细的分析，提出了配网规划研究中常用的工具和研究方法。文献 1 6 1 9 】对配 电网的可靠性研究做了概述性分析，提供了配网可靠性研究的基础技能和方 法。 配电系统可靠性( 曲f i b u f i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y ) 是指供电点到用户，包括变电 所、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量 满足用户电力及电能量需求能力的度量。配电系统可靠性评估通过可靠性指标 来体现。 分析配电系统可靠性的方法主要有解析法和模拟法两大类。 解析法的基本思想是：根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间 的逻辑关系，建立系统的可靠性概率模型。通过递推或迭代等过程精确求解此 模型，从而计算出系统的可靠性指标嗣。解析法利用故障枚举进行状态的选择 和估计，用数学模型描述系统，并用数学方法从数学模型中估计可靠性指标， 包括状态空间法、近似法和故障树等。解析法优点是物理概念清晰，模型精度 高，缺点是其计算量随系统规模的增大而急剧增大，故只能考虑有限的负荷水 平，不宜处理相关事件。 模拟法是通过对元件概率分布采样来进行状态的选择和估计，是利用统计 学的方法得到可靠性指标，包括蒙特卡罗模拟法( m c s ) 、人工神经网络法 ( a n n ) 、非指数分布法等。模拟法比较直观，便于处理负荷的随机变化特性。 但它具有明显的统计性质，且计算时间和计算精度紧密相关，为了获得较高的 6 浙江大学硕士学位论文 可靠性指标，往往需要很长的计算时间。比如；m c s 是用数值计算方法去模拟 系统的实际过程，首先从设备概率分布函数中抽样确定系统状态，然后对产生 状态进行状态估计，用一个模拟序列表示一个实际的样本，累积了足够数目的 样本后对每次状态估计的结果进行统计，得到系统的可靠性指标。为了得到比 较接近实际的模拟结果，模拟过程的次数不能太少，所以模拟运算量必然很大， 但高速计算机的应用已经使这种方法成为一种可行的技术。随着全国的电网联 网，系统规模越来越大，因此系统的建模越来越困难，计算也更为复杂。m c s 能够较好地解决这些闯题，因此被广泛应用 z o - l 。 城网可靠性与计划的经济性研究属于可靠性经济学中的内容，而可靠性经 济学是从经济方面对可靠性工程与管理进行分析评估的技术科学，它是一种定 量的科学，它研究的主要内容就是可靠性投资( 可靠性成本) 与可靠性增益( 可靠 性效益，可由停电损失来表述的分析方法，而可靠性指标及其定量评估是可靠 性经济学的基础1 6 】。 目前，国内外对可靠性评估方法的算法和模型等方面做了非常广泛的研 究，文献【2 3 】的提出了一种利用数据结构中的深度搜索方法的改进故障遍历法： 文献 2 4 1 从理论上提出了电网可靠性评估的随机网流模型；文献【2 5 】针对故障树 分析方法在可靠性分析中的局限性，研究了贝叶斯网络在可靠性分析中的应 用；文献【2 6 3 1 】分别研究了基于最小割集法、基于二叉树模型和遍历技术、 基于简化网络模型、基于双层同构贝叶斯网络模型、基于最短路、基于交流潮 流的配网可靠性评估算法；文献【3 2 3 5 】对配网可靠性的评估模型和计算进行 了研究；文献【3 6 】从采用环网供电等几个方面阐述了如何提高城市配网的供电 可靠性；文献【3 7 3 8 1 则对配电网可靠性计算的一些软件做了介绍。 配电网可靠性分析指标： 负荷点指标； ( 1 ) 平均故障率：乃= ，巧 ( 2 ) 平均停电持续时问：= ( 3 ) 平均每年停电时间：q = 五( + ) 上面式子中，乙和分剐是第j 个负荷点所有工作时间和停电时阀 的总和：是在模拟时问内的故障次数。 浙江大学硕士学位论文 系统指标： ( 1 ) 系统平均停电频率( s = 笔等警塾= 丐簪( 次( 用户年) ) ( 2 ) 用户平均停电持续时间( c a r d 0 = 黧譬警禁竽：莓貉m 洲停蜩牌” 用户总停电次数一罗，乃”1 ”“1 “ ( 3 ) 系统平均停电持续时f 司( s a i d 0 = 旦旦鱼霎姿警塑! ! 里塑：至；：生受( h ，( 用户年) ) 总的用户数y m i ”“ “7 ( 4 ) 平均供电可用率( a s a i 户 旦皇篁堡皇尘堕墼：塾! ! ! 竺二坚堡 用户要求供电总小时数 t x 8 7 6 0 ( 5 ) 平均供电不可用率( a s u i ) - i a s a i = 用户停电小时数 一m ，u j 用户要求供电总小时数一m j x 8 7 6 0 ( 6 ) 系统缺电指标但n s 产系统总的用电量不足= l 邮) u ， ( 7 ) 平均系统缺电搠麟) = 篙= 哿 上面式子中，乃为负荷岗的故障率；m ，为负荷点j 的用户数；u ，为负荷点 j 的年停电时间：l 枷为连接在负荷点j 的平均负荷1 “。 在综合考虑配电网经济性和可靠性方面，国内外也做了很多的研究和尝 试：文献 3 9 】探讨了供电可靠性与经济性的协调问题，分析了停电损失的估算 和提高供电可靠性措施的经济性；文献f 4 0 】从数学模型方面分析和比较了电网 扩展规划中可靠性和经济性指标的不同处理方法，并归纳和总结了上述数学模 型的各种计算方法；文献【4 1 】提出了安全性经济当量的概念；文献f 4 2 】在引入满 意度、模糊概念的基础上，结合遗传模拟退火算法，提出了一种用于综合协调 电网规划中经济性和可靠性矛盾的新的电网规划方法；文献【4 3 】采用“单位负 荷年费用”为经济性指标，以“平均用电有效度”为可靠性指标，对两级配电 网形成的组合电网进行了经济性和可靠性指标的量化计算，研究了上述两种指 标随负荷密度和变电所容量变化的趋势，以及进行相同条件下不同接线模式之 8 浙江大学硕士学位论文 问的比较：文献 4 4 1 介绍了配电网接线方式的选择原则，接着从经济性、可靠 性、灵活性等方面对城市中压配电网络的常用接线方式进行了分析比较：文献 4 5 1 利用配网可靠性分析的网络等值法，通过对同一个地区采取不同供电方案 进行比较，确定了各种典型网架结构在可靠性指标和建设成本上的差异，针对 电网建设改造对可靠性的要求确定最经济的方案提供了参考依据；文献1 4 6 1 针 对配电网扩建多目标规划中。通过进化算法寻找最佳的可靠性和最低的系统扩 建费用；文献【4 7 】进行了电力市场环境下电力系统安全性的经济化研究。 在电力市场逐步形成和发展的今天，电力运营应从整个社会最佳效益的角 度出发指导各方的行为。因此，在电力市场机制下，供电总成本应该包含电网 投资、运行成本以及电力供给不足或者中断所造成的用户停电损失。对配电网 而言，在进行配电网可靠性优化或者说可靠性设计时，其投资成本就应该是为 增强供电可靠性在设备上增加的投入，其用户损失一般是指供电中断所造成的 停电损失，后者反应了配电网供电可靠性水平的高低。增加配电网可靠性必然 是以增大设备的投入为代价的。在以往的配电网规划模型中，优化的目标是使 电力部门的投资最省，这无疑有其局限性。如何在供电可靠性与电网方的投入 之间寻求某种平衡，是可靠性优化需要重新考虑的问题。 1 5 本文的主要工作和成果 本文在以上众人研究的基础上，结合配电网重构和p s s a 软件，建立了一 套综合考虑配电网经济性和可靠性的评估方法，用停电损失来经济量化可靠性 的指标，并综合考虑经济投资、线路损耗、检修费用等，协调了经济性和可靠 性之间的矛盾。 该评估方法可以有效地综合评估配网不同方案的经济性和可靠性，提供了 比较不同方案优劣的途径，而且可以判断现有接线方式的改造在经济上是否可 取。 方法中考虑了基于提高可靠性的配电网重构，在评估方案前先确定各方案 的最优运行方式，用各方案的最优运行方式进行比较更具有合理性。 方法中用用户停电损失来经济量化配电网的可靠性指标，实现了经济性和 可靠性的合并，有效地调和了经济性和可靠性的矛盾。并且引入了可靠性惩罚 9 浙江大学硕士学位论文 系数，考虑了停电损失的奖励惩罚系数和权重，可以满足不同实际配电网对可 靠性的不同要求。 算例在不同负荷密度和停电损失惩罚系数下，基于两种不同的停电损失计 算方法，对配电网典型接线方式的经济性和可靠性进行了综合评估，并得出了 不同条件下最佳接线方式的选择。 本文还对配网可靠性优化做了最初的基础研究，对配网主要设备逐一进行 了经济性和可靠性的评估，在对问题简化的基础上得出了一些较一般的结论， 对进一步迸行可靠性优化法的研究提供了基础。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章基于提高可靠性的配电网重构 2 1 配电网重构的内容和意义 配电网重构是指在满足线路电压、电流及电网辐射状运行等基本要求的前 提下，通过改变网络中开关状态来优化配电网运行结构，从而达到降低配电网 有功损耗、改善节点电压偏移、消除线路过载等目的。 配电网具有环网设计开环运行的特点，同时在配电网中存在大量的开关， 主要包括联络开关和分段开关。联络开关在通常运行情况下打开，用于提供可 选的供电通道；分段开关在通常运行情况下闭合，用于隔离故障。因此配电网 在正常运行条件下，可以通过调整这些开关的开合状态来改变电网运行方式， 以提高电网运行的经济性和安全性，保证供电质量【4 ”。 随着我国经济持续快速发展的发展，全社会对电力的需求不断增长的。配 电网作为电力系统重要的组成部分，是电力系统的主要负荷中心，是保证经济 社会稳定发展的重要基础设施之一，因此配电网重构的意义就更为突出。通过 配电网重构可以降低系统的网络损耗，有利于改善电网的效益：通过重构可以 提高电网运行的安全性，有利于社会的和谐稳定；通过配电网重构可以提高供 电质量，有利于支持经济建设和社会发展。配电系统的网络重构是影响其可靠 性的重要因素。合理的接线方式能减少故障停电时间以及预安排停电时间，提 高系统的可靠性【叫。 由于配电网重构不需要增加新的设备，却可以提高配网的可靠性，能够带 来电网经济性、安全性等多方面的提升，因此随着配电网研究的不断深入和完 善，重构已经成为改善配电网品质的一项重要手段。 2 2 配电网重构的特点 配电网重构是一个多目标非线性组合优化问蹶，属于电力系统中n p ( t 线 性) 难问题。具体来说，由于配电网的一些自身特点，在求解配电网重构的过程 浙江大学硕士学位论文 中存在以下几个难点： ( 1 ) 多目标性：配电网重构不仅要求提高电网运行的经济性，还要求能够保证 一定的安全性，提高供电质量。 ( 2 ) 非线性：电网安全经济的评价是非线性的，配电网线路上负荷分布是非线 性的。 ( 3 ) 不确定性：配电网的总负荷是不断变化的，每条支路上负荷也是变化的。 ( 4 ) 维数灾：配电网中有大量的开关存在，对应的开关组合的总数非常多，其 优化问题不可避免的存在维数灾，即随着系统的增大，优化问题的求解需 要的时间越来越长。 可见，配电网重构是一个比较困难的优化问题。属于一个电力系统中典型 的n p 难问题 4 1 q 。 2 3 配电网重构的算法 配网重构的算法主要有传统数学方法( 穷举法和线性规划法等1 、启发式算 法( 支路交换法和最优流模式法等) 、人工智能算法( 禁忌搜索算法和遗传算法等) 和混合算法。 传统数学方法试图以解析的方法搜索全局最优解，但由于模型不够精确或 假设与实际情况不完全相符，在实际求解过程中还往往采取近似和简化。因而 无法保证得到全局最优解，而且求解时间较长，难以满足实际需要。 启发式算法就是通过一套启发式规则，迅速排除那些明显不合理或者不是 优化解的开关组合，选出数量少的、最有可能是优化解的开关组合，再从中选 出一个相对最优解。启发式算法不能保证得到全局最优解，但便于程序实现， 计算速度快。最具代表性的启发式算法是最优流模式算法和支路交换法。 基于随机化技术的智能优化算法近些年在优化领域得到迅速的发展，并得 到了日益广泛的应用。人工智能算法具有较好的全局搜索性能，不易陷入局部 最优，但其缺点是计算量大，需要的计算时间较长。 由于单一算法在全局解的获得和计算时间耗费上存在矛盾冲突，因此近年 综合两种或者多种算法优点的混合算法越来越得到重视和应用。通常情况下好 的混合算法在搜索效率、收敛稳定性和全局解的获得上都比单一算法具有更好 1 2 浙江大学硕士学位论文 的性能。如文献d o 提出了一种基于最优流法和遗传算法的配电网重构。 2 4 配电网重构的目标函数和模型 配网重构的目标函数通常有降低网损、电压稳定、负荷均匀分布、提高可 靠性等。以下逐一介绍： 1 降低网损的目标函数和模型 m i i l 三= 毛k 1 2 z 口- - z k , , z ，、p ，, 2 + 。- , i 。z , 一、t h ，2 ( i j = l ，2 ，3 n ) 式中， 磊一支路i j 的阻抗 最一一支路i j 末端的有功功率 q ，支路日末端的无功功率 u ，支路i 末端的电压( 即节点j 的电压) 一为对应的支路i 的开合状态，吒为1 表示该支路是闭合的，屯为 0 时表示该支路是打开的。如果只考虑有功损耗，则上式中的乙可以用支路i j 的电阻r 代替。 2 负荷均匀分布的目标函数和模型 m i n 三：m a ) s 岛一】：m a ) ( p - ) 2 + - ) 2 】 式中：品、弓、岛分别为线路日间通过的总功率、有功功率和无功功率 s 一一线路日运行通过的最大功率 3 提高可靠性，降低停电损失的目标函数和模型 m i n e n s = w l ( 足) 哦( 髟) = ( k ) 嘱( 髟) ( k ) 式中：，- 总负荷点数 w ，一负荷i 的连接负荷 珥、a ，、，f 一一分别为负荷i 的年停电时间( h i 年) 、负荷i 的故障率( 次 浙江大学硕士学位论文 侔) 、负荷i 每次故障的平均停电时问( h ，次) k - 一网络中所有开关的状态，乃= 1 表示支路目的开关闭合，乃= o 表示支路i j 的开关断开。 文献 5 1 - - 5 4 提出了基于提高可靠性的各种配电网重构的目标函数，并进 行了求鳃研究。 以上目标函数通常还需要满足以下网络约束条件： ( 1 ) 要保证在此开关状态下，网络结构为辐射状，并且不存在环路和孤立 节点。 ( 2 ) 配电网节点电压约束 电网运行为保证供电质量，需要对节点电压偏移有一定的限制节点 电压约束数学表示为： 。，血 k ，。 其中，k 为节点f 的电压，巧。为电网运行允许的节点电压最小值，k 。为 电网运行允许的节点电压最大值。 ( 3 ) 支路容量约束： i i ，j l 0 ，则说明这样的修改在经济上 是不可取的。 3 2 1 设备投资g g 是指折算成等年值的方案中所有设备设施的投资总和。不同使用年限的 设备的投资要通过货币时值转换公式转换至4 等年值的基础上相加。 g ”善c 篆篙 n 螺)( 3 2 ) 式中：聊一投资的总项数 卯r 一一第i 项投资的使用年限 如一利率 p r 一第i 项投资的初期投资 浙江大学硕士学位论文 口，第i 项投资的每年投资( 包括运行费用) 设备投资g 应该包括所有的设备，对于实际的配网系统而言，这是相当繁 杂的，因为实际系统中的设备投资的数量是很多的。如果在没有条件的情况心 爱，有些设备的数量和投资可以用经验值代替。 需要说明的是，如果设备的购置是发生在不同时间，即上式中鼽发生在不 同时间，那么应该先将它的投资转换到现在值，然后再转换为等年值。 3 2 2 检修费用x z 是指单位时间( 通常为一年) 内，因维修故障设备或者替换故障设备所 需要的费用。z 只考虑故障检修，不考虑计划检修。 x ( 工) = 以( x ) t = l ( 3 3 ) 式中：疗一一每年检修任务的总项数 矗一第i 项检修任务的费用 应当说明的是，在对一个配网分析的时候，它在分析的时间里将发生的故 障是未知的，因此上式的计算在实际中是很难预先估计的，实际在缺乏数据的 情况下，计算时可以用前年故障检修的费用统计值来大致估算。 合理的作法应该是通过所有设备故障概率和故障平均维修费用来统计故障 检修的数学期望的检修费用，即 x ( 工) = u ( 工) ( 3 - 4 ) t = l 式中：m 设备的总数 矗设备i 的故障检修平均费用 g 广一- 设备i 的年故障率即年故障次数 3 2 3 线路损耗s s 是指单位时间( 通常为一年) 内，配电网系统的线路网络总损耗。 浙江大学硕士学位论文 s ( x ) = r ( x ) 吨p ( 3 5 ) 1 - 1 式中：卜一线路总数 皋一第i 条线路的电流 r 广一一第i 条线路的电阻 h r 一第i 条线路的年运行时间( 小时数) p 平均电价 通常情况下，矗是接近于2 4 x 3 6 5 = 8 7 6 0 h ，如果不考虑故障或者各种外在 因素故障停运的时间，线路的运行时间舶珑是8 7 6 0 。在有数据的前提下，可以 用实际计算精确的h ，如果缺乏数据的情况则可以用统计数据或者经验值代替。 对电价p 的说明：实际中，电价往往是波动的，不同季节不同时问的价格往 往是不一样的，因此上式中的p 为分析区域的年平均电价。 3 2 4 停电损失k 量是指单位时间( 通常为一年) 内，因各种设备故障造成的用户停电的总 损失。所谓停电损失，是指由于配电系统实际停电而对国民经济造成的损失。 其中包括对用户造成的用户停电损失和电力部门自身因停电而造成的经济损 失。由于配电系统直接与用户相连，直接面对用户，并且用户的种类很多，因 此停电损失的计算是非常复杂的。 3 241 停电损失的分类 视停电对用户影响的性质，停电损失可以分为直接停电损失和间接停电损 失。前者是指实际发生停电时及以后一段时间内承担的损失，一般直接反映在 产品成本、性能效益以及经济和社会滔动中；后者是指用户为减少停电影响而 调整其活动因而支付的额外费用，或采用备用能源而承担的费用，包括经济、 社会和组织方面。直接停电损失通常是由未曾预期到的停电的短期效应决定 的；而间接停电损失则是预期将发生停电的更长期考虑所产生的，故停电损失 又有短期和长期之分。 浙江大学硕士学位论文 3 242 影响停电损失的主要因数 对于每个具体用户的停电损失，从理论上讲，是可以具体地确定并加以计 算的，但是实际上做起来却很困难，这不仅由于各个用户的用电性质不同而不 同，而且也因停电发生的时间及停电持续时间的长短不同而不同，并且停电持 续时间与停电损失的关系往往也是非线性的【4 j 。 用户的停电损失主要受以下几个因素的影响【卿： ( 1 ) 用户的类别。不同类别的用户，其用电方式和停电特性不同，在研究 停电损失时应微观定向地针对具体用户而言。即使对于同一类型的用户，每缺 一度电所导致的停电损失在不同的情况下也可能是不同的。 ( 2 ) 用电的性质。在同等条件下，不同的用电性质( 如加热、照明、电动 机驱动或者计算机) ，停电的损失也是不一样的。 ( 3 ) 停电发生的时间。因为用户用电具有时间性，所以停电损失也和停电 的具体时间有关。如对于住宅用户，因为其一天的主要用电时间在夜间的前半 段，所以白天或后半夜停电给居民带来的损失与不便要明显低于前半夜停电造 成的影响。对于生产具有季节性特点的工业用户，停电损失会随着季节的改变 而改变。 ( 4 ) 停电频率。很明显，停电次数越多，造成的损失越严重。 ( 5 ) 停电持续时间。一般情况下，停电损失随停电时间的延长而增大。在 此还应强调的是，突然或没有准备的停电所造成的后果要比计划停电或得到预 先通知的停电对用户造成的后果要严重得多。这是因为，如果预先被告知会停 电，那么用户可采用调整活动、加强防范或是借助其它形式的能源等措施，将 可能产生的直接停电损失降低为间接停电损失。 由上可以看出，停电损失的调查统计和计算是非常复杂的，不同国家、不 同地区、不同用户类型、不同停电时间及持续时间的长短是各不相同的。目前， 各国的统计和计算方法也各不相同。 3 243 各国停电损失的估算方法1 4 】r 玎 1 美国 美国对各类工业的5 1 个工厂和5 4 个建筑物做了研究，得出的统计数据结 果如表3 2 、3 、4 ： 新江大学硕士学位论文 表3 - 2 美国和加拿大工业用户停电损失统计 大工厂( 需求大于1 0 0 0 k w )小工厂( 需求小于1 0 0 0 k w ) 停电持续时间 $ 瓜w$ i 【w h$ k w$ 瓜w h l m i no 6 03 6 0 0 0 8 55 1 0 0 2 0 m i n1 8 0 5 4 0 2 7 78 3 1 lh2 6 7 2 6 7 4 3 9 4 3 9 2 h4 6 02 3 0 4 h6 0 2 1 5 l 1 9 9 24 9 8 8 h8 8 31 1 0 3 1 5 03 9 4 不考虑停电持续时问时，工厂平均停电损失为： 大工厂：1 0 5 $ k w + o 9 4 $ k w h 小工厂：4 5 9 $ ，k w + 81 1 $ ，k w h 平均：1 8 9 $ k w + 2 6 8 $ k w h 表3 - 3 商业建筑平均停电费用 所有商业建筑物$ l 【w h 2 17 7 只考虑办公用建筑物$ 州“ 2 6 7 6 表3 - 4 美国住宅停电损失的统计 以 9 7 7 年美元值为基础 调查统计范围 的停电损失，$ k w h 美国平均 1 8 7 伊里诺斯州中心地带 0 1 1 4 佛罗里达州西部要害地区 o 2 l 太平洋西北部 o1 5 加州 0 1 0 2 加拿大 工业划分标准( s l c ，s t a n d a r di n d u s t r i a lc l a s s i f i c a t i o n ) 将电力用户划分为大 用户、工业用户、商业用户、农业用户、居民用户、政府& 协会和等七个群体。 浙江大学硕士学位论文 加拿大s a s k a t c h e w a n 大学调查了这七种不同用户群体的停电损失情况，归纳出 了一组数据作为用户损失函数，以进行用户停电损失费用的计算，如表3 - 5 和图 3 1 所示。调查显示停电费用取决于遭受停电的用户类型、停运负荷的大小和停 运时间嗍。 表3 5 停电损失调查表州 损失费用( $ 屉w ) 用户分类 1 分钟2 0 分钟1 小时4 小时8 小时 大用户 1 0 0 51 5 0 92 2 2 53 9 6 88 2 4 0 工业用户 1 6 2 53 8 6 89 0 8 52 5 1 6 s 5 8 1 商业用户 0 3 8 l2 9 6 98 5 5 2 3 1 3 28 3 o l 农业用户 o 0 6 0o 3 4 30 6 4 92 0 6 44 1 2 0 居民用户 o o o l0 0 9 30 4 8 24 9 1 4 1 5 6 9 政府& 协会用户 0 0 4 40 3 6 91 4 9 26 5 5 8 2 6 0 4 事务所机构用户 4 7 7 89 8 7 82 l ，0 66 8 8 31 1 9 2 图3 1 各类用户的停电损失 表3 5 给出的是对于五个离散时间的停电损失，当停电的时间介于两个离 散时间之间时，可以通过线性插值的方法来获得其对应的损失费用值。从表3 - 5 和图3 1 中可以看到，不同类型的用户的停电损失随停电时间延长的变化是不 一样的，就算是相同的停电时间，不同类型的用户停电损失也可以相差很大。 3 英国 英国对每停供l k w h 电量损失的测试结果，如表3 6 ： 浙江大学硕士学位论文 表3 _ 6 英国每停供1 k w h 电量的损失 测试范围 测试结果 工业区为平均电价的6 0 倍 商业区为平均电价的7 0 倍 居民区为平均电价的7 0 倍 总平均 为平均电价的5 0 倍 4 瑞典 瑞典对3 分钟内的停电损失的测试，每停供l k w h 的电量，损失约为平均 电价的2 0 - - 3 0 倍； 对于停电在3 分钟以上的，按下式计算； 停电损失= 停电千瓦数x 7 5 元+ 停供千瓦时数1 5 0 元 5 法国 法国对每停供l k w h 电量的经济损失以平均电价的1 0 0 倍来估算。 3 244 适合我国的停电损失估算方法 国内对停电损失的估算做了不少研究：文献 5 6 1 对供电企业和用户改善供 电可靠性的投资费用和供电方案的经济性进行了技术分析，并通过供电网络改 造方案的应用实例，重点对停电损失费用进行了定量分析；文献【5 7 】在对受停 电影响造成的各类用户的经济损失进行分类调查的基础上，以峰荷时刻的停电 损失为基准，建立了表示综合用户停电损失和停电持续时间关系的综合用户停 电损失函数，用以估算每类用户的综合停电损失；文献 5 8 1 在目前研究成果的 基础上，提出一种参考其它地区停电损失函数、根据所研究地区电力用户消耗 每k w h 电力的平均效益估算用户停电损失函数的方法。 目前适合中国的停电损失估算方法主要有：平均电价折算倍数法、产电比 法、总拥有费用法1 7 1 。 1 ) 平均电价折算倍数法 不同的设计方案，可靠性是不同的，其中期望缺供电量e e n s ( e x p e c t e d e n e r g yn o ts e r v e d ) 指标适合用于评价可靠性的货币价值。因可靠性低造成的停 电损失费用用当时的电价乘以折算倍数来估计，这就是平均电价折算倍数法。 在现阶段的中国，采用平均电价的2 5 倍来估计停电损失是比较合理的。其理 浙江大学硕士学位论文 由是它与中国目前的经济状况相适应，与用产电比来估计的值比较接近。 2 ) 产电比法 产电比( r a t i oo fo u t p u tv a l u et ou n i td e c t f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n ) 是指莱一 时期、某一地区内国内生产总值( g d p ) 与消耗电能量之比，单位为元，k w h ， 它描述了单位电能创造的经济效益，是对电能货币价值的一种社会度量，可以 从宏观上近似估计停电损失。它的特点是适用于大面积的宏观估计，不适合对 具体用户损失的估计。 3 总拥有费用法 总拥有费用法t o c ( t o t a lo w n i n gc o s t ) 是指工程的初始投资和其在使用期 间的停电损失费用之和。它是通过比较具有不同投资和不鼹可靠性水平的方 案，在使用期间的总拥有费用，按照总拥有费用最低来选择方案的。 t o c 的计算公式如下： 赋- c + 【l 一倦卅等踯6 d