（电力系统及其自动化专业论文）配电系统可靠性评估及优化研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e m sc o n n e c td i r e c t l y 谢t l lc u s t o m e r sa n dh a v eg r e a t e s ti n f l u e n c e o nt h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p l y i tw a sc o u n t e dt h a ta b o u t8 0 o f t h et o t a lc u s t o m e r i n t e r r u p t i o n sa r o t m dr e s u l t e d ：f r o md i s t r i b u t i o ns y s t e m s s os o m ew o r ki sd o n ei nt h e r e s e a r c ho fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fd i s t r i b u t i o na n di t so p t i m a ls w i t c h i n gd e v i c e s p l a c e m e n ti nt h i sp a p e r t h i sp a p e r i sm a i n l ya sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n db a s i cc o n c e p to fd i s t r i b u t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t yi s g i v e n t h e nt h er e s e a r c h s t a t u so fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na n do p t i m a l s w i t c h i n gd e v i c e sp l a c e m e n t a sw e l la st h ee v o l u t i o no fo r t h o g o n a ld e s i g n t e c h n i q u e ，a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 2 as u m m a r i z a t i o no fb a s i ct h e o r yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t yi s p r e s e n t e d a tt h e s a m et i m e ，s y s t e m sr e l i a b i l i t yi n d i c e sf o r m u l a sa r e i n t r o d u 【c e d 3 as i m p l i f l e dn e t w o r km o d e lb a s e da l g o r i t h mt oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo f c o m p l e xm e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k si sp r o p o s e d t os i m p l i f yt h e n e t w o r km o d e l t h ea u t h o rd i v i d e st h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t os e c t i o n sd u e t ot h ef e a t u r e so fc o m p l e xd i s t r i b u t i o ns y s t e m s t h ec o m p o n e n t sc o n s t i t u t i n g as e c t i o ne x i s ta saw h o l ea n dt h e i rf a i l u r ec a u s es a m er e s u l t s t h e nt h e s e s e c t i o n sa r er e p l a c e db ys o m ee q u i v a l e n ts i m p l eb r a n c h e st of o r mt h e s i m p l i f i e dn e t w o r km o d e l w i t ht h es i m p l i f i e dn e t w o r km o d e l t h ef a u l t m o d ec a nb ea n a l y z e de f f i c i e n t l ya n dt h er e s u l ti si n f o r m a t i v e 4 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ec o o r d i n m i o no fr e l i a b i l i t ya n de c o n o m i c s ， a l la l g o r i t h mf o ro p t i m a ls w i t c h i n gd e v i c ep l a c e m e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s b a s e do nf a m i l y e u g e n i c s i s p r e s e n t e d f a m i l ye u g e n i c sa l g o r i t h m ， c o m b i n i n gw i t ho r t h o g o n a ld e s i g nt e c h n i q u e ，i st h en e wp r o g r e s so fg e n e t i c a l g o r i t h m i nc o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h i sa l g o r i t h mi s m o r ee f f i c i e n t l y w i t ht h eh e l po fo r t h o g o n a lt e c h n i q u e ，i ti sm o r el i k e l yt o a b s t r a c t f i n dt h eb e s ts o l u t i o n a tt h es a m et i m e ，t h em o d e lo fp r o d u c i n go r i g i n a l s e e d sa n dg e n e t i co p e r a t i o n sa r ei m p r o v e db yt h er e s e a r c hp r o g r e s sm a d ei n t h i s 丘e l da n dl o t so f e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ；r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ；s i m p l i f i e dn e t w o r km o d e l ； o p t i m a ls w i t c h i n gd e v i c ep l a c e m e n t ；f a m i l ye u g e n i c sa l g o r i t h m ； o r t h o g o n a ld e s i g n t e c h n i q u e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 虱封垡 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年3 月3 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：! 虱塑生2 0 0 7 年3 月3 0 日 河海大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力系统是由电源、电力网、电力用户共同组成，其根本任务是为各类用户 尽可能经济地提供可靠的电能，随时满足各类用户的要求，也就是满足负荷的要 求。由于社会生活和工作习俗的原因，现代社会更加希望电力能按需要连续供给。 现代社会的发展越来越依赖于电力，可以说，可靠的电力供应对国民经济和人民 的日常生活都有着非常重要的意义。 但是由于电力系统十分庞大，在系统的各个部分都会有随机故障，电力部门 不可能将这些故障发生的可能性全部消除，也很难预测何时何地将会发生故障， 因此毫不中断地连续供电实际上是不可能的。我们所能做的是采取各种措施，努 力降低系统发生放障豹频率，减小停电时闯，从褥提高系统供电可靠缝。 配电系统作为电力系统中直接与用户连接的一环，对供电可靠性的影响最 大，据统诗8 0 以上的用户停电故障是由配电系统放障引起的h 胡，有的资料甚 至认为这个比例已经达到9 0 f ”。因此要改善供电可靠性，就必定要涉及到配电 系统可靠性评估和可靠性优化的问题。 1 2 基本概念和研究内容 1 2 1 可靠性与可靠性工程 可靠性是一个早已存在于人们生产和生活之中的基本 曛念。它是一个衡量系 统和产品质量及功能的重要指标。所谓可靠性，是指一个元件、设备或系统在预 定的时间内、规定的条件下完成规定的功能的能力。量度可靠性特性的指标则称 为可靠度，它是表示元件、设备或系统成功的概率。不论哪一种系统、哪一种行 业，都存在可靠性问题，只是表征的方式不同。 长期以来， 按于科学技术和生产发展水平以及其德各种条件的限制，人们对 可靠性的认识基本上是停留在定性的水平上，缺乏严格的定量标准和系统的科学 第1 章绪论 的分析方法。但是，随着科学技术的发展，产品和系统结构越来越复杂，对可靠 性的要求越来越高，可靠性的作用也越来越大，随着一些现代化的大型工程系统， 如导弹、航天、核电等工程控制系统的发展，影响可靠性的因素变得十分复杂， 一旦发生故障，就会造成巨大的经济损失和难以估计的社会影响。而要避免这些 严重的后果，完成对产品和系统从设计、制造、安装到运行等一系列生产过程的 可靠性分析，并使各个环节协调一致达到最佳的经济效果，仅仅依靠可靠性定性 的概念，己远远不能满足现代生产技术发展的需要。为了研究和解决这些问题， 可靠性工程就逐步发展，形成为一门独立的学科，并应用于各个技术领域。 可靠性工程是一个涉及多学科的复杂的系统工程，也是系统工程进行技术经 济评价的一个重要内容，它贯穿在产品和系统的整个开发过程之中。从时间顺序 来看，包括了研究、设计、制造、试验、运输、储存、建设安装、使用及维修等 各个阶段；从产品和系统的形成来看，包括了原材料、元件、零部件、组件、设 备及系统等各个环节；从工作内容来看，可靠性工程的主要工作内容包括理论、 设备、标准、技术、教育和管理等各个方面，其中技术又包括了设计、制造工艺、 使用与维护、试验评估与失效分析等；从工作性质来看，通常又分为可靠性工程 技术与可靠性管理两个方面。 可靠性工程技术，就是为了使产品和系统达到可靠性要求而进行的有关设 计、制造、建设安装、试验、维修及保养等一系列工程技术工作。 所谓可靠性管理，就是从系统的观点出发，对产品或系统全寿命周期中的各 项可靠性工程技术活动进行规划、组织、协调、控制与监督，以求实现既定的可 靠性目标，并保持全寿命周期费用最省。它是一切可靠性活动的领导和核心。 可靠性工程具有三大特点，即实用性、科学性和时间性。实用性是指可靠性 工程从诞生之日就开始和工程实践紧密联系和结合，具有强大的生命力；科学性 是指可靠性工程有一套独特的科学的理论和方法；时间性是指可靠性存在于产品 或系统整个开发过程之中，不论设计、研究、制造、应用等各个阶段都起作用， 其中任何一个阶段对可靠性问题考虑不周，都将对其整个的各个阶段及过程产生 影响。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 电力系统可靠性 随着电力工业的发展，可靠性工程理论开始逐步进入电力工业，电力系统可 靠性也应运丽生，著逐步发展成为一门虚用科学，成为电力工业取得重要大经济 重大经济效益的种重要手段。目前已渗透到电力系统规划、设计、制造、建设 安装、运行和管理等各方嚣，并得到了广泛的应用。 所谓电力系统可靠性，就是可靠性工程的一般原理和方法与电力系统工程问 题相结合的应用科学。电力系统可靠性也包括电力系统可靠性二 程技术和电力工 业可靠性管理两个方面。所谓电力系统可靠性工程技术，就是为了使电力系统及 其设备达到预定的可靠性要求所进行的设计、制造、建设安装、运行、试验、维 护和保养等一系列工程技术活动。所谓电力工业可靠性管理，就是从电力系统整 体出发，按照一定的可靠性目标，对电力系统全寿命周期中的各项工程技术活动 进行规划、组织、协调、控制和监督，并保持其费用最省的现代化电力工业管理 方法。 电力系统可靠性的实质就是用最科学、最经济的方式，充分发挥发、供电设 备的潜力，保证恕全部用户不断供给质量合格的电力，从丽实现全面的质量管理 和全面的安全管理。因此，一切为提高电力系统设备健康水平和安全经济水平的 活动都属与电力工业可靠性工作的范畴，都是为了提高电力工业可靠性水平所从 事的服务活动。 电力系统按电力生产过程及结构特性，一般分为发电、输变电和配电系统等 主要环节；而就其形成过程又可分为规划、设计、靠l 造、建设安装、运行、试验 及维修等几个方面。因此电力系统可靠性的主要任务是，从电力系统的各个主要 环节出发，结合其形成和发展的各个方诼去研究电力系统的故障现象，制定定量 评价指标或准则，在协调可靠性与经济性的基础上，对电力系统可靠性进行控制 监督和综合评价，并提出改进和提高可靠性水平的具体措施，组织或协调有关部 门加以实现。 电力系统可靠性的主要工作内容和工作方法，是按电力系统各组成部分，把 电力系统可靠性划分为发电系统可靠性、输变电系统可靠性和配电系统可靠性， 然后根据各个环节不同的特点和要求，以及构成各个环节的元件和系统的结构特 性、运行特性和管理方式，研究和建立适当的可靠性指标及其获取和计算的方法； 第1 章绪论 寻求提高元件和系统可靠性水平的途径；研究可靠性与经济性的协调配合；对元 件和系统进行可靠性的控制、监督和综合评价。 1 2 3 配电系统可靠性 配电系统处于电力系统末端，将大输电网的电力“分配”到各个用户，起到 一个零售商的作用。配电系统中的配电变电站从输电网获得电力，并将电压逐步 降低，然后通过其复杂的网络将电力送给用户。配电系统可靠性是电力系统可靠 性的一个重要组成部分。 在电力系统领域中，配电系统可靠性研究的对象主要是配电系统及其设备在 规划、设计中所考虑的各种条件和要求，制造和安装后所具有的结构和固有的特 性，运行过程中所表现的特性及状态。 作为电力系统中向用户供应电能和分配电能的最终环节，配电系统可靠性研 究必须以改善和提高配电系统对用户供电的能力和质量为目的。 配电系统设备分散、点多面广，受外界环境和气候条件的影响极大。同一类 型设备的特性和状态，可能因安装和使用的位置和地区，负荷的性质和大小不同 而有所不同。因此，配电系统可靠性的研究必须从系统观点出发，全面地、全过 程地加以研究。配电系统的结构，设备的型号、规格、容量和数量的大小是随用 户及负荷的增长和变化而不断改变的，而且因检修方式的不同而更换和改变。其 系统和设备的特性数据及指标必须通过较长时间的统计才能反映其统计的规律 性。 配电设备是构成配电系统的基础，配电系统的可靠性取决于配电设备的特性 及其组合的方式。但是配电系统的结构形式和运行方式是多种多样的，有放射式 结构、双回路结构或多回路结构、双电源结构、环形及网状结构以及多分割多联 络的结构等。因此，设备故障或缺陷有的可能直接对用户产生影响，有的则可能 不会产生影响。为了全面地反映和掌握设备和系统的特性，必须对配电设备的特 性数据进行连续地统计。 配电系统可靠性研究的方法，一般分为配电系统的供电可靠性和系统可靠性 两个方面来加以讨论。供电可靠性是指用户方面能以多大可靠度得到所供电力的 问题；系统可靠性是指电力部门方面为了保证满足用户的供电可靠性，配电系统 河海大学硕士学位论文 状况斑怎样最佳的闫题。 配电系统可靠性研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 配电系统可靠性指标的研究。一组科学合理的指标可以很好的反映配 电系统的可靠程度，提供更多的有用信息。 ( 2 )配电系统的可靠性数据统计。包括元件可靠性的原始数据和系统实际 运行可靠性的统诗，为可靠性研究提供参数并作为可靠牲工作的检 验。 ( 3 ) 配电系统可靠性评估。在理论层面上对配电系统的可靠性进行定量分 析，为改善配电阴可靠性提供理论指导。 ( 4 ) 配电系统可靠性优化，使可靠性与经济性相协调。即电力系统可靠性 经济学在配电系统中的应用，体现电力部门的实际需求。其中，开关 的优化配置是国内外研究的热点。 1 3 配电系统可靠性研究豹意义 我国配电系统可靠性研究始于2 0 世纪8 0 年代，起步较晚。在过去的几十年 里，与发电系统相比，配电系统可靠研究远远没有受到重视。这主要是由于发电 厂非常集中，而且发电容量不足可能给社会及其环境带来广泛的严重后果，比如 我国前几年出现的电荒现象对整个社会生产和生活都产生了熏大影响。因此，着 重强调了确保供电的充足度和尽力满足电力系统发电部分的要求。 历史上出现的大停电事故，尤其是0 3 年8 月1 4 目的美加大停电等大停电事 故造成了很大的影响，国际上的震动很大。美国在对8 1 4 大停电事故的调查报 告中多次提到可靠性这个词，甚至比稳定性这个词更多。因此输电系统可靠性也 受到十分的重视，很多国家将其提升到国家安全的高度。 配电系统相对比较便宜，而且停电的影响也是非常局部的。因此，对于不同 设计方案和增强措施的充足发的定量评估做得不够。另一方强，大多数电力公司 的用户故障统计的分析却表明配电系统各自对于用户的无效度具有最大的影响。 近十多年来，随着经济技术的发展，配电系统可靠性己越来越为人们所注意，主 要有以下几个琢嚣： ( 1 )配电系统处于电力系统末端，直接与用户相连，是包括发电、输变电 第1 章绪论 和配电在内的整个电力系统与用户联系，向用户供应电能和分配电能的重要环 节，具有特殊的运行方式，由于电力生产具有发、供、用同时性的特点，一旦配 电系统或设备发生故障或进行检修、试验，往往就会同时造成系统对用户供电的 中断，直到配电系统及其设备的故障被排除或修复，恢复到原来的完好状态，才 能继续对用户供电，整个电力系统对用户的供电能力和质量必须通过配电系统来 体现，配电系统的可靠性指标实际上是整个电力系统结构及运行特性的集中反 映。 ( 2 ) 配电系统大多采用放射式的网状结构，对单故障比较敏感。据不完全 的统计，用户停电故障中8 0 以上是由配电系统的故障引起的，它对用户供电可 靠性的影响也最大。 ( 3 )随着科学技术的发展，以电子学为中心的技术飞速发展，以计算机为 代表的高度信息化设备的广泛普及，经济社会日益成熟，社会功能高度深化，文 化生活不断提高，用户对配电系统可靠性的要求也越来越高，即使仅从加强配电 系统可靠性所花费的资金及其对经济和社会所产生的效益来看，配电系统在整个 电力系统可靠性工程中也具有极为重要的地位。 ( 4 ) 配电系统的可靠性必须与经济性相协调，要达到效益最大化。为了达 到一定的用户可靠性指标水平，工程技术人员可采取各种方案，这包括：不同的 增强性措施、备用的配置、维修策略的改进以及不同的运行策略等。如不采用定 量的可靠性分析，则不能比较它们所花费的每单位投资所产生的效果，也无法优 化配置资源，达到效益最大化。 因此，对配电系统可靠性的研究和应用是保证供电质量、实现电力工业现代 化的重要手段，对促进和改善电力工业生产技术和管理，提高经济效益和社会效 益，进行城市网络建设和改造有着重要作用。配电系统可靠性问题也越来越为人 们所关注。 1 4 配电系统可靠性评估研究现状 2 0 世纪7 0 年代，随着统计工作的不断完善和数据资料的不断积累，人们发 现配电系统的故障对用户供电可靠性的影响很大。长期以来，美国、英国、加拿 大、日本以及法国等国都投入大量资金对配电系统可靠性进行专门的研究，相关 河海大学硕士学位论文 研究成果已经用于生产实践。在发达国家，可靠性评估已成为配电系统规划决策 中的一项常规性工作。 常见的可靠性评估方法有两种，仿真法和解析法。 仿真法 6 - s 用计算机产生的随机数对系统元件的失效事件随机抽样构成系统 失效事件集，并通过统计的方法建立系统可靠性指标计算公式，根据元件寿命的 概率分布对系统状态进行若干时间抽样，并对每个抽样状态进行分析和计算，最 终得到可靠性指标。仿真法能够计及相关事件的影响，并且计算复杂性受系统规 模的影响很小，适合于求解比较复杂的系统，但其计算精度与计算时间紧密联系， 为了获得较高的计算精度必然要耗费大量的计算时间。 解析法采用故障枚举、故障搜索的方式进行状态选择，根据各元件的可靠性 参数和系统网络拓扑用解析的方法建立可靠性计算指标，统计计算可靠性指标。 相对而言，解析法效率较高，在配电系统可靠性评估中应用广泛。 传统的配电网可靠性评估算法是故障模式后果分析法( f m e a ) f 9 , 1 0 。根据 可靠性参数和网络结构，故障事件及其后果列成f m e a 表格的形式，然后综合 形成可靠性指标。在一个复杂的有多条子馈线的配网中，有大量各种各样的元件 和不同的基本操作，很难直接从上千个基本故障事件的组合中进行可靠性评估。 为解决这个问题，提出了许多不同的方法： ( 1 ) 网络等值类方法 文 1 l ，1 2 方法可以简化配电系统复杂的网络。其原则就是将一个复杂的网 络结构用个简单的等值元件代替，这样一个复杂配电网络就被简化为一个简单 的辐射形主馈线系统，然后应用f m e a 法对这个等值后的主馈线系统进行可靠 性评估。但是该方法需要多次向上等效后网络才能简化，同时，向下等效过程也 可能很复杂。所以又有学者提出了单向等值算法【1 3 】，作为一种改进，在该算法中， 所有的元件、负荷点只需遍历一次，从而避免了冗余计算。 ( 2 ) 区域划分类方法 基于故障扩散方法的可靠性评估算法 14 】可用来对有多子馈线的复杂配电系 统进行可靠性评估。该算法利用前向搜索算法确定断路器动作影响范围，用故障 扩散方法确定故障隔离的范围，从而确定节点的故障类型。根据节点的故障类型， 便可形成相应的节点、馈线以及系统的可靠性指标。文 1 8 提出一种类似的方法。 第1 章绪论 在故障扩散方法的基础上，文e 1 5 ，1 7 3 又提出分块算法，利用故障扩散的原理确 定开关元件的动作，以块为单位代替单元件进行解析分析，可大量节省故障枚举 时间及重复的开关搜索时间，可靠性评估的效率有很大提高。基于馈线分区模型 的算法【1 9 1 根据自动开关装置和手动开关装置的位置，提出了以馈线为单位，将网 络划分为自动隔离区和手动隔离区的馈线分区思想，便于处理带子馈线的复杂配 电系统的可靠性评估问题，可以考虑开关故障、自动装置不可靠动作、备用电源、 计划检修等多种情况。 ( 3 ) 故障搜索类方法 文 2 0 - 2 2 3 算法能适应网络拓扑结构的变化，也能通过遍历的方法确定各种 故障的影响范围，同时还能考虑网络约束的问题。该算法比较适合于有多子馈线 和开关的复杂配电系统的可靠性评估。基于最小路、最小割集的算法例可搜索到 系统的故障模式组合，可为配电系统的规划运行提供大量的有用信息，同时也帮 助工程技术人员找到配电系统中的薄弱环节，以便采取加强措施。但是当系统复 杂的时候，该算法所耗费的时间也比较多。也有学者提出了结合最小路集和网络 等值的方法 a 4 1 。文 2 5 以构造负荷点供电“最小路馈线段行向量”的方法，求得 带子馈线、备用电源的复杂配电网络的可靠性指标。 ( 4 ) 贝叶斯网络方法 文 2 7 2 9 提出了基于贝叶斯网络方法进行配电系统可靠性评估，以元件的 最小状态割集建立贝叶斯网络以实现可靠性分析。该方法不仅能进行可靠性指标 的评估，而且还能方便地得到系统各元件状态和最小状态割集对整个系统可靠性 的影响。 ( 5 ) 近似类算法 文 3 0 借鉴广泛应用于日本配电系统的以裕度概念为基础的可靠性评估算 法，针对国内实际配电网的结构特征引入必要的假设和近似，推导出一套适合于 评估大规模配电网可靠性的显式算法公式。 配电系统可靠性评估的另外一个重要方面是其原始参数不确定性的处理 3 2 , 3 3 1 。由于各种统计资料的限制或是完全缺乏统计资料，元件可靠性参数具有很 大的不确定性，在此基础上计算出来的任何可靠性指标都具有不确定性。常规的 可靠性评估方法将可靠性原始参数取为平均值，从而得出的可靠性指标也为平均 河海大学撷士学位论文 值，指标的不确定性不能 ! 晕割反映，有可髓与将来的实际情况存在较大偏差。为 处理上述不确定性影响，可以使用区间数p 4 7 1 、模糊数1 3 9 1 和末确知有理数h 0 1 来 描述原始参数和可靠性指标。当然，上述方法都只是尝试性的探讨，还不够系统 和完善，有待于避一步的研究。 1 5 配电系统开关优化配置的研究现状 开关优化配爨问题属于可靠性优化问题，涉及到可靠性成本和可靠性效益之 闰的平衡，优化的目的是使综合年费鹾最低，效益最大佬。一般来说，配网中的 开关越多，可靠性就越高，但是单纯为提高可靠性而增加投资是不合理的。文 4 1 4 5 基于配电网可靠性成本与效益的概念，给出了以可靠性成本与可靠性效 益相结合作为寻求配电网最优投资策略的强标函数，这个目标函数对开关优化配 置具有很重要的指导意义。 现在开关优化配置已是阑内外研究的热点问题，其建模常以成本效藏分析为 基础，将设备投资和减少停电损失获得的效益综合形成目标函数、以配电网运行 特点和供电质量等为约束条件，建立模型。该模型属非线性、不可微、连续和离 散混合的组合优化问题。同时，目标函数不易用决策变量解析表达，其计算复杂 性大，属组合优化难题1 。 求解开关优化配置豹方法有很多1 4 6 4 8 l 。文f 4 9 ，5 畦疆出豹启发式方法将大量的 经验转化成逻辑规则，并根据规则进行设备配置，但是，逻辑规则的升华、规则 对不同网络的适应性都受到严峻的挑战。直接计算法f 4 7 】通过比较可切换操作元件 的不斌配置和切换方式对可靠性的影响，来确定可能豹开关优化配置候选方案， 但是由于配电网的规模通常比较大，待求变量的维数非常高，所以直接用数学规 划方法进行求解几乎是不现实的。文 5 1 t 对开关优化配置给出了一个充分非必要 的定理，有定的指导意义。这些方法都是有益的尝试，但是离很好地解决问题 还有一定距离。 目前比较有效的方法是动态规翔法( b e l l m a i r m t y 法) 4 8 , 5 2 1 n 随机优化方法 【5 3 5 8 l 口 动态规划方法以开关数强规划决策的阶段数，以开关安装位置穗开关类型的 组合为各个阶段中的状态，逐步推进，最后得到最优的结果。其核心思想是，最 9 第1 章绪论 优策略的子策略也应该最优；该算法优点是精确度高，难点在于面临组合爆炸。 文 5 2 提出一些具有普适性的降维准则，在解决组合爆炸问题上取得了一定效 果。 随机优化方法主要有有模拟退火算法、遗传类算法等。 文献 5 3 利用模拟退火方法对配电网络的开关设备进彳亍了优化配置。提出了 数学模型，该模型以设备投资、运行维护以及停电损失的社会价值等费用总和最 小为目标函数，受约束于电压、电流以及功率等。 文 5 4 提出一种馈线自动化规划模型，采用遗传算法求解以优化开关配置使 得在满足重要用户可靠性的前提下，可靠性总费用最小。文中针对遗传算法中大 量方案重复计算这一事实，作了一些改进：对每一种方案进行编号，记录已计算 方案的适应度，再遇到同一种方案时不再重复计算；此外文中认为，断路器必须 而且只能装设在变电站的出线上，不存在优化问题，仅对隔离开关和联络开关进 行优化配置。基于上述观点，该算法提高了计算速度，但其计算结果是否为最优 有待商榷。 文 5 5 基于免疫算法对开关设备进行了最优配置，给出了开关优化的数学模 型及基于免疫算法的求解方法。分析了开关投资和运行维修费用、停电损失的计 算方法，基于等年值法建立开关优化配置模型。通过对该模型计算，确定开关的 最优配置数日和位置，并得到系统的可靠性、投资费用和停电损失等。 文 5 6 ，5 7 采用改进形式的遗传算法对开关进行优化配置，在收敛速度和解 的全局性上有很大改善，文 5 8 在遗传算法的各个环节上结合开关优化配置的具 体实际做了改进，方法上有很多值得借鉴的地方。 1 6 试验设计方法的发展 试验设计方法是数理统计学的一个分支。一般的数理统计方法主要是对已经 获得的数据资料进行分析，对所关心的问题作出尽可能精确的判断。试验设计则 是研究如何合理而有效地获得数据资料的方法，它的主要内容是如何合理地安排 试验、取得数据，然后进行综合的科学分析，从而达到尽快获得最优方案的目的。 在生产、科研和管理中，经常需要进行各种试验，合理地安排试验，就能以 较少的试验次数、较短的试验时间、较低的费用，得到较满意的试验结果；反之， 1 0 河海大学硕士学位论文 试验安排得不好，就会导致时间、人力、物力、财力的浪费，甚至导致试验失败。 因此乖j 用试验设计方法进行事先设计是很重要的。 试验设计方法始于2 0 世纪2 0 年代，至今已有8 0 多年的历史，整个发展过 程可分为三个阶段： ：( 1 ) 早期的方差分析法 这种方法是在2 0 世纪2 0 年代由英国学者提出的，开始主要应用予农业、生 物学、遗传学方面，成果丰硕。后来这种方法逐步推广到工业生产领域中，在采 矿、冶金、建筑、纺织、机械、医药等行业都有应用。 ( 2 ) 传统的正交试验设计法 第二次世界大战后，日本面临着恢复国民经济的问题。他们把前面所说的试 验设计方法俸为质量管理技术之一从英嚣、美国引避。一批研究人员在日本电讯 研究所研究电话通讯的系统质量时应用此方法，并发现了它的不足，他们加以改 进，创造了正交试验设计法，即用正交表安排试验的方法。这种方法在日本迅速 推广，据统计，推广这种方法的前1 0 年，试验项强超过1 0 0 万项，其中三分之 一效果十分显著，获得极大的经济效益。在日本，正交表设计技术成为企业界人 士、工程技术人员、研究人员昶管理人员的必餐技术，成为工程师们共同语言的 一部分。 ( 3 ) 稳健设计 稳健性就是鲁棒性。一般来讲，产品性能于许多误差箧素有关，要想通过消 除这些误差因素来提高产品性能往往是不现实的，因此人们寄希望于尽可能降低 误差因素的影响，使产品性能对误差因素的变化是不敏感的。日本研究人员把信 噪比设计和正交表设计、方差分析相结合，用信噪比作为特征数来衡量质量，用 正交表来安排试验，选择最佳的参数组合，从而确立了稳健设计的基本原理，开 辟了更为重要、更为广泛的应用领域。 实践证明，正交设计法是试验设计方法的一个重要内容，它带来巨大的经济 效益。l | 本战后工业生产迅速发展的重要原因之一就是在各工业领域里普遍推广 和应用试验设计方法，日本把试验设计方法誉为他们的国宝。 第1 章绪论 1 7 本文的主要工作 如前所述，配电系统是电力系统中面向用户的最后一个环节，它对用户供电 可靠性具有最大的影响。配电系统的可靠性运行对国民经济的健康发展、社会秩 序的稳定、人们生活的正常进行有着重要的影响。由此，配电系统可靠性研究能 为配电系统设计、改造、运行和维护提供准确、详细的参考，提高供电可靠性具 有重要的意义。 首先，本文综述了配电系统可靠性评估以及可靠性经济学的基础理论，并介 绍了可用于可靠性评估的各项指标。 其次，本文在提出一种基于简化网络模型的中压配电网可靠性评估算法。该 算法根据复杂配网特点将网络分块，块具有整体性，块内元件故障后果一致。然 后将块等效为简单的支路，形成简化网络模型。在简化网络模型上，可以高效地 进行故障模式分析，可靠性评估效率提高，评估结果信息丰富。 最后，本文还基于可靠性成本与经济性相协调的原则，对当前国内外研究的 热点问题配网开关优化配置，进行了研究，并结合了内含家庭内竞争机制和 正交试验设计方法的家族优生学算法，提出了一种开关优化配置的新算法。该算 法的数学模型保证了所采用的开关配置方案可使配电系统具有一定的可靠性，并 在这个基础上寻找效益最好的开关配置方案。 河海大学硕士学位论文 第2 章配电系统可靠性基础理论 2 1 引言 电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地将电能供给各种规模的电力用 户。配电系统处于电力系统末端，把电源系统或输变电系统与翊户设施连接起来， 向用户分配电能和供给电能的重要环节，包括配电变电所，配电线路及接户线在 内的整个配电网络及其设备。 研究配电系统可靠性时，一般把研究对象划分为系统和元件两个层次，元件 是构成系统的最基本单位，在系统中它不可再分割。系统是由元件组成的，是元 件组成的整体。一个实际的酝电系统由数以千计的元件组成，如变压器、断路器、 架空线、地下电缆、熔断器和分段开关等。这些元件的不同缎合，可以构成不同 的、各具特点的系统。因此配电系统可靠性分析豹基础是元佟模型。丽元件模型 是通过对配电系统可靠性进行历史数据的统计计算、分析得到的。、 在元件模型的基础上，结合相应的理论方法计算可靠性指标，来评价系统的 可靠慷，以及存在的问题，并通过对过去的诗算预测未来，对各种运行情况进行 比较，从而在规划阶段采用可靠性高、经济性好的设计方案，在运行阶段选择可 靠性较高的运行方式。 同时对配电网可靠性作定量评估首先要规定问题的定量指标，这些定量指标 要能反映系统的运行、控制特性，并易为人们接受，且便于系统间的比较。这些 定量指标就是所谓的可靠性指标。组手萼学合理的可靠性指标，可以很好地反映 系统的可靠性程度，提供丰富的信息，在配电系统可靠性研究中有十分重要的指 导意义。 2 2 元件可靠性模型及其基本概念乜1 从可靠性观点来看，元件可以分为可修复元件和不可修复元件两大类。如果 元件使用一段时间后发生故障，经过修理就能再次恢复到原来的工作状态，这种 元件称为可修复元件；如果元件工作一段时间后发生了故障，不能修理或虽能修 复，但很不经济，这种元件为不可修复元件。实际的配电系统是一个可修复系统， 第2 章配电系统可靠性基础理论 组成它的元件一般也是可修复的。因此，本文研究的对象是可修复元件，考虑在 元件可修复情况下的配电系统可靠性。 2 2 1 可修复元件的主要可靠性指标 一个可修复元件的状态是指该元件在特定时间里所处的特定状况。正确划分 状态是分析可修复元件可靠性指标的基础，也是收集统计元件可靠性性能指标的 基础。对于一个正在使用的元件来说，主要有可用状态和不可用状态，不可用状 态中计划停运状态是事先安排的，不可用状态中的强迫停运状态是随机的。因此， 除了计划停运以外，一个可修复的电力元件处于可用状态或不可用状态是随机 的。 状态 i 故障状态“1 ” 工作状态“0 ” 图2 1 可修复元件的状态变化 可用状态，又称工作状态，即元件处于可以执行它的规定功能的状态工作状 态持续的时间为连续工作时间。不可用状态又称为停运状态，即元件由于故障， 处于不能执行它的规定功能的状态，停运状态持续的时间为连续停运时间。这样， 一个可修复的电力元件的寿命过程，可用图2 - 1 表示。整个过程处于不断交替的 工作状态和停运状态，记乃f 为连续工作时间，t t r 为连续停运时间，这是一个 无尽头的循环。 ： 可修复元件的主要可靠性指标如下： ( 1 ) 可靠度r ( t 1 是指元件在起始时刻正常的工作条件下在时间区间【o ，t 】内不发生故障的概 搴。 ( 2 ) 可用率a ( t 1 河海大学硕士学位论文 可用率是指元件在起始时刻正常工作的条件下，时n t i e 常工作的概率。可 可靠度与可靠率的不同在于，可靠度的定义中要求元件在时间区间【0 ，力连续地处 于正常状态，丽可用率则无此要求，一般丽言，可靠率4 大予等予可靠度霞( 0 。 a ( t ) r ( t ) ( 2 1 ) ( 3 ) 不可靠度f o ) 不可靠度是指可修复元件，在起始时刻完好的条件下，在时间区间 0 ，t 】发生 首次故障的概率。由其定义知： 月( f ) + f ( t ) = l ( 2 2 ) ( 4 ) 不可弼率9 ) 不可用率是指可修复元件在起始时刻处于正常状态的条件下， 障状态豹概率。由其定义知； 4 0 ) + q o ) = 1 时刻t 处于故 ( 5 ) 故障密度f ( t 1 故障密度指元件在【f ，r + a t 】期间发生第一次故障的概率，由其定义知。 ，：掣 a t ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 6 ) 故障率矗( f ) 故障率是元件从起始时刻直至时刻t 完好豹条件下，在时刻t 以后单位时间 里发生故障的概率。 ( 7 ) 无故障工作时闯豫f 从修复到首次故障时间称无故障工作时间，刃1 f 是一个连续型的随机变量。 ( 8 ) 平均无故障工作对闻m t b f 平均无故障工作时间是指无故障工作时间的数学期望值。 m b t f = v ( t ) d t ( 2 5 ) ( 9 ) 修复概率a ( t ) 第2 章配电系统可靠性基础理论 修复概率是指元件在起始时刻故障的条件，在时间区间 0 ，阳修复的概率。 ( i o ) 修复密度g ( t ) 修复密度g ( t ) 是修复概率g ( f ) 的一阶微分。 g ( f ) = 百d g ( t ) ( 2 6 ) ( 1 i ) 修复率m ( t ) 修复率是元件在起始时刻直至时刻f 故障的条件下，在时刻r 以后每单位时 间里修复的概率。 ( 1 2 ) 修复时间t t r 修复时间是元件从故障起到完成首次修复所需的时间，它是一个连续型随机 变量。 ( 1 3 ) 平均修复时问m t t r 平均修复时间是修复时间的期望值。 m t t r = i t g ( t ) d t ( 2 7 ) 2 2 2 故障率修复率为常数时可靠性指标间的关系 故障率 磨合期有用期磨损期时间 图2 - 2 元件故障率变化曲线 上述这些元件可靠性指标都是时间的函数，说明元件的可靠性指标是随时间 变化的。元件的典型故障率曲线如图2 2 所示，一个元件的寿命大致可分为三个 1 6 河海大学硕士学位论文 时别：厝台期、有用期和厝损期。 磨合期是指一个新安装的设备可能制造时有缺陷、运输时损坏、安装时损坏 或安装不正确，在各个环节中都有可能出现问题，这段时期故障率比较高。而当 有用期结束时，之前不变的故障率将开始增大，而元件也将很快报废，因此这段 时期被称为磨损期。在磨损期，元件的故障率成指数级增长直到它报废，此时元 件应当被替换。元件在其有用期，它的故障率基本不变，是一个常数。 当故障率和修复率为常数，h ( t ) = a ，m ( f ) = ，那么 f ( t 、= 1 一e 一“ ( 2 - 8 ) r ( t 1 = e 一“ ( 2 - 9 ) f ( t 、= 2 e 一“ ( 2 - 1 0 ) m t b f = f t 2 e 一“舡1 且 ( 2 1 1 ) g ( t 、= 1 一e 一一 ( 2 1 2 ) g ( t 、= p e 一“ ( 2 1 3 ) m t t r = f 似一4 廊2 五1 ( 2 - 1 4 ) 时刻t 的可用率4 ( r ) 可表达为： 椰) = 老+ 土2 , + i t e哪圳(2-15) 时刻f 的不可用率q ( f ) 可表达为： q ( r ) = 上2 + i t ( 1 一e 哪) ( 2 - 1 6 ) 当t 趋于无穷大，爿( 0 、q ( r ) 均存在极限 l i m 邵) 刊( 妒彘 ( 2 _ 1 7 ) p p l i m q ( ”= 鼬) _ 老 _ 1 8 ) p 第2 章配电系统可靠性基础理论 4 ( 呦为平稳状态可用率，q ( 。) 为平稳状态的不可用率。 l 鼬) 2 寿2 壶2 面m 蕊t b f ( 2 1 9 ) _ a“ 1 蜘，。乇2 盘2 丽m t t r 协z 。， 五“ 从式中可看出，平稳状态下元件的可用率表示为平均可用时间与平均周期时 间之比。元件的不可用率表示为平均不可用时间与周期时间之比。 对元件的几个基本参数进行分析。已知故障率旯( 次年) ，为表达方便，令 m 乃f = 聊( 小时) ，m r l t r = ，( 小时) ，则m = 8 7 6 0 3 , ，易知， 1 的节点m ，认为其代表一个虚拟的开关元件，将它作为 分块的一个端点； 第3 章基于简化网络模型的中压配电网可靠性评估 ( 3 ) 母线和馈线上的开关、分支线熔断器不并入任何个块 由于分块时以开关为界，故障发生时相应的开关动作，同一个块内元件故障 造成的后果相同，而同一个分块内元件受外部故障的影响也相同，因此分块不会 带来精度上的近似。同时，各分块具有整体性。运行方式的变化不会打破块的结 构。 下面用一个例子来说明分块的方法。图