（电力系统及其自动化专业论文）配电系统可靠性评估与网络重构的研究.pdf

a bs t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e mg r e a t l yi n f l u e n c e sr e l i a b i l i t yo ft h ec u s t o m e r s ， b e c a u s eo ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e md i r e c t l yc o n n e c t i n gt ot h ec u s t o m e r s d i s t r i b u t i o n s y s t e mr e c o n f i g u r a t i o nm i g h tf i n d a l lo p t i m a lo p e r a t i o np a t t e r no fr e d u c i n gt h e n e t w o r kl o s s ，i m p r o v i n gp o w e r q u a l i t ya n ds u p p l yr e l i a b i l i t yb yc h a n g i n gt h es t a t u so f t h et i eo rs e c t i o n a l i z i n gs w i t c h e s ，u n d e rt h ec o n s t r a i n so fr a d i a l i z e do p e r a t i o n ，t h e b a l a n c eb e t w e e np o w e rs u p p l ya n dc o n s u m p t i o n ，c a p a c i t ya n dv o l t a g el i m i t ，a n de t c 。 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s t r i b u t i o n s y s t e mi st h a ti to w n sl a r g eq u a n t i t i e so f c o m p o n e n t s ，d e v i c e s ，a n dt h ev e r yc o m p l e xn e t w o r k t h e r e f o r e ，h o wt oe v a l u a t et h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t ya n df i n da no p t i m a ls o l u t i o nf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m r e c o n f i g u r a t i o nr a p i d l ya n da c c u r a t e l ya r et w oi m p o r t a n ti s s u e sf o rl o n gt i m e a i m e d a tt h ea b o v e p r o b l e m s ，t h ec o n t e n t sa n da c h i e v e m e n to f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1i nt h i st h e s i s ，an e w r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s e do nn e t w o r ks i m p l i f i c a t i o n f o rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h es w i t c hf a u l ti sp r e s e n t e d t h e m e t h o dd i v i d e st h eo n e l i n ed i a g r a mo ft h es y s t e mi n t oz o n e sw i t ht h ea u t o ( o r n o n a u t o ) s w i w ht ob et h eb o u n d a r yf i r s t l y ；t h e nt w os i m p l i f i e de q u i v a l e n tn e t w o r k s a r er e s p e c t i v e l yf o r m e db yt w ot y p e so fz o n e - e l e m e n t s ( t y p ea o rt y p em ) ，w h i c ha r e d e f i n e da c c o r d i n gt ot h et y p eo ft h es w i t c h e si nt h ez o n e s ；av a l i dp r o p o s i t i o ni s s u g g e s t e da n dp r o v e df o rt h es i m p l i f i c a t i o no ft h ee q u i v a l e n tn e t w o r k s t h es w i s hi s l o o k e da so n eo fc o m p o n e n t so ft h er e l e v a n tz o n e e l e m e n tt oa v o i dt h ec o n s i d e r a t i o n o ft h ee f f e c to fs w i t c hf a i l u r e i n d e p e n d e n t l y s i n c et h ez o n e 1 0 a da n dt h e z o n e e l e m e n t a r et r e a t e d 邪t h eb a s i ce v a l u a t i o ns u b j e c ta n d a n a l y s i su n i tr e s p e c t i v e l y , a n dac l a s s i f i c a t i o ne v a l u a t i o ns t r a t e g ya d o p t e df o rt h er e l i a b i l i t yi n d e x e sc a l c u l a t i o n ， t h em e t h o dp r o p o s e dh a st h ea d v a n t a g e so f r e d u c i n gt h en u m b e ro ft h eu n i t st ob e r a n s a c k e d ，a v o i d i n gr e p e a t e de v a l u a t i o no ft h es a m et y p eo fl o a dp o i n t s ；t h u sl a r g e i m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rm e t h o d si s a c h i e v e d t e s ti e s u l to ft h es a m p l e sd e m o n s t r a t e st h ee f f e c t i v e n e s sa n dv a l i d n e s so f t h em e t h o d 2a d a p t i v ei m m u n ea l g o r i t h m ( a 认) b a s e do ni m m u n ea l g o r i t h m ( t a ) i sp r o p o s e d t oa p p l yt ot h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e c o n f i g u r a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e 。b ya u t o m a t i c a l l y a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r s ：s e l e c t i n gr a t ea c l o n i n gr a d i u s ，a n dm u t a t i o nr a d i u srw i t h t h eh e l po ft h em e a s u r eo fd i s t a n c eb e t w e e nt h ea n t i b o d i e s ，a n ds i m u l t a n e o u s l y s e a r c h i n gi nb o t hl a r g e ra n ds m a l l e rr e g i o n s ，a i aa c h i e v e st h eb a l a n c eb e t w e e nt h e f a s tc o n v e r g e n c ea n dd i v e r s i t yo fp o p u l a t i o n ，w h i c he s c a p e sf r o mt h el o c a lo p t i m u m b a s e do nt h eh e u r i s t i cr u l e ，ad e c i m a l i z a t i o nc o d i n gm e t h o di sd e s i g n e d ，w h i c h r e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e mt oac e r t a i ne x t e n t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t a i ao w n so b v i o u s l ya d v a n t a g ec o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ，s u c ha sg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) a n di m m u n ea l g o r i t h m ( i a ) 3an e wm e t h o dc a l l e da i n o c o p ( a d a p t i v ei m m u n ea l g o r i t h mf o rn u m e r i c a l o p t i m i z a t i o no fc o n s t r a i n e dp r o b l e m ) w h i c hc o m b i n e sa i a w i t ht h ef e a s i b l es o lu t i o n s e a r c h i n ga n dc o e v o l u t i o n a r y s t r a t e g yo fg e n o c o p i i ( g e n e t i ca l g o r i t h m f o r n u m e r i c a lo p t i m i z a t i o no fc o n s t r a i n e dp r o b l e m s ) t or e p a i rt h ei n f e a s i b l es o l u t i o nf o r t h ed 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 sf u r t h e ri n t r o d u c e d t h ea i n o c o pm a k e s u s eo ft h ea d v a n t a g eo fb i 1 e v e lo p t i m i z a t i o no fa i at oa c c e l e r a t et h ec a l c u l a t i o n a n d a tt h es a m et i m e ，t h ec o e v o l u t i o n a r ym e t h o do fg e n o c o p l l li su s e dt oc o r r e c tt h e i n f e a s i b l es o l u t i o n st ob et h ef e a s i b l es o l u t i o n ；t h e r e f o r e t h es e a r c hs p a c eo fa i ai s e x p a n d e d ，t h ed i v e r s i t yo ft h ep o p u l a t i o n i s m a i n t a i n e d ，a n dt h ee f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o no ft h ec a l c u l a t i o nf o rt h ea i ai sf u r t h e ri m p r o v e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o da i n o c o p k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ， r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n ， n e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n ，a d a p t i v ei m m u n ea l g o r i t h m ，g e n o c o p i i i 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，也不包含为获得叁鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王地泵签字日期：z p - g 年矿月口多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨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 向国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：土札望，象 导师签名： o 开， 签字日期：2 。p 乡年、矿i 月彳日、 签字日期： 锯 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 配电系统可靠性分析和配网重构研究的概述 配电系统是从输电网接受电能，再将电能分配到各个用户的最终环节，包括 不同电压等级的配电站、配电变压器、配电线路以及把不同用户连接起来的其它 电气设施。在我国，配电系统主要是指1 l o k v 3 8 0 v 系统，通常称1 l o k v 3 5 k v 系统为高压配电系统，1 0 k v 6 k v 系统为中压配电系统，3 8 0 v 系统为低压配电 系统。当然，这几个部分也不能只按电压来严格区分，而必须考虑系统设施的功 能。 配电系统一般采用闭环设计开环运行，即在两端或多端供电系统中，正常运 行时将联络开关开断以形成若干个简单的辐射形网络向用户供电。配电系统是由 许多元件所组成的。例如，架空裸线、架空电缆、地下电缆、断路器、熔断器、 手动刀闸、变压器等，其中多数元件为可修复元件。根据现有设计标准，配电系 统多数为冗余系统，即单一元件的故障可采用手动或自动的切换方式使用户不至 于长期断电。 随着我国工业和国民经济的快速发展，人们对电力的需求日益增长，同时对 供电可靠性、安全性和供电质量也提出了更高的要求。在电力的生产和供应中配 电网是电力系统的最后一个环节，也是直接面向用户供电的一个十分重要的环 节，其可靠性和电能质量是电力系统的关键。因此快速评估和有效改善配电系统 可靠性是配电系统建设和维护工作中的重中之重。同时，正常运行时，保证系统 运行在可靠性高，损耗小的最优状态；故障状态，切除故障运行设备后，尽快地 恢复用户的供电，尽可能减少停电面积，以减少因停电造成的社会影响和经济损 失都是电力经营者必须考虑的主要问题。配网重构正是解决这些问题的有效方 法。另外，配电网的重构也是配电自动化管理系统中的重要内容之一。 1 1 1 配电系统可靠性分析概述 配电系统可靠性指标为由供电点到用户，包括配电变电所、高低压配电线路 及用户接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量度【lj 。配电系统可靠性分析是指计算、分析负荷点和系统 的可靠性指标以及为提高这些指标所必须采取的措施【2 1 。 第一章绪论 配电系统与用户直接相连，其可靠性直接影响着用户可靠性。据不完全统计， 用户的停电事件中有8 0 - - 9 5 是由配电系统的故障引起的【3 1 。因此，就整个电 力系统而言，配电系统对用户供电可靠性的影响最大。随着电力系统市场化改革 进一步深入，配电系统的故障给用户造成的经济损失以及给社会带来的损失必将 成为左右电价的重要因素。 进行配电系统可靠性分析首先对配电系统建立可靠性模型，整理元件的可靠 性参数；然后对系统规定一定可靠性判据，按照这些判据对系统的所有状态进行 检验分析，并把所检验出的属于系统故障的状态归于一集合中；再然后在此基础 上求出各个负荷点的可靠性指标；最后根据负荷点的可靠性指标求得整个系统可 靠性指标。 有效评估配电系统可靠性，找到提高系统可靠性的措施是保证电力系统供电 质量、提高电力工业现代化水平的重要举措，对改善和提高电力工业生产技术和 管理水平，提高经济效益和社会效益以及进行城市电力网络建设和改造都有着重 要的指导作用。通过配电系统可靠性评估，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，为城市配网改造 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，从而利用有限的资金最大限度地提高系统运行可靠性。 1 1 2 配网重构概述 配电网含有大量的断路器和隔离开关，调度员在正常、检修或事故运行方式 下，根据实际需要进行断路器或隔离开关的操作，来调整配电网络结构，称为重 构网络1 4 j 。配电网重构就是根据配电网闭环设计、开环运行的特点，通过对配电 网线路开关状态的改变来变换网络结构，在满足辐射状运行、电力供需平衡、容 量和电压等各种约束的前提下，实现减小网络的运行损耗，提高电能质量和供电 可靠性等目标。 按侧重面的不同，配网重构可以分为网络优化重构( 也简称为网络重构) 和故 障后重构( 也称为故障恢复) 。在配电线路上，通常沿馈线设有一定数量的常闭的 分段开关，馈线之间则装有常开的联络开关。在正常运行状态下，为了增加网络 的可靠性，减少网损，需要定期通过开合这些开关来重新构造配电网络的运行 方式，使负荷在各馈线之间相互转移而得到合理分配：发生故障时，为了尽可能 快速地恢复用户的电力供给，也需要进行相应的网络变化，即故障隔离、网络重 构、系统恢复。本文所研究的是正常配电网重构( 以下简称配电网络重构) ，但 从数学角度考虑，对故障后的重构问题也具有启发意义。 配电网络重构的意义主要在于：降低配电网线损，提高系统经济性；均衡负 第一章绪论 荷，消除过载，提高供电电压质量；提高供电可靠性等。网络重构是配电系统运 行和控制的重要手段，也是配电管理系统( d m s ) 的重要内容。 配电网的经济运行仅仅采用离线计算的手段，诸如潮流计算、网损计算和无 功优化配置等还是很不够的。如果能找到一种使用方便灵活、满足实际要求、适 合配电网网架结构的通用配电网络重构模型和相应的简便可行、精度足够、判断 准确的配电网络重构算法来优化配电系统结构，将有利于提高配电系统的供电质 量和经济性，改善配电服务质量和提高配电工作效率，为配电管理系统的可靠、 准确运行奠定坚实的基础。 1 2 相关课题的研究现状和发展 1 2 1 配电系统可靠性评估研究现状和发展 国内外专家f 1 2 0 世纪6 0 年代开始研究配电系统的可靠性分析，最初使用的配 电系统可靠性评估方法是以几乎没有经过修正的串联系统和并联系统的经典法 为基础的。1 9 6 4 - 1 9 6 5 年，可靠性评估方法取得了极大的发展，当时发表了一系 列文章【5 山】，在计算停运率和停运持续时间近似方程的基础上提出了新的方法， 它成为了后来更新的方法的基础和起点。自从取得这些初步进展以来，配电系统 可靠性评估方法不断地得到发展和提高，在这一领域中所发表的论文数量也急剧 增多。在近4 0 多年的时间里，基于解析法和蒙特卡罗法这两种基本分析方法，结 合配电系统的特点，提出了许多新算法，在可靠性分析的模型、评估方法等方面 进行了改进。 可靠性评估方法主要可以分为以下三大类： 1 解析法( a n a l y t i c a lm e t h o d ) 解析法是采用理想化的数学模型来描述元件或系统的寿命过程，再通过数学 计算进行求解，得到所要求的可靠性指标。当系统非常复杂的时候，采用精确的 解析方法进行计算将大大增加计算所需数据和时间。因此，产生了一些近似的解 析法，通过求解近似方程，快速计算可靠性指标。 在配电系统可靠性评估中，解析法是最常用的方法，其中又主要包括以下几 类： ， 、 ( 1 ) 故障模式影响分析法( f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s i s ，f m e a ) 1 7 j 通过 对系统中各元件状态的搜索，列出全部可能的系统状态，然后根据所给定的可靠 性判据对系统的所有状态进行检验分析，建立故障模式后果表，找出系统的故障 模式集合，确定对系统的影响，求得系统的可靠性指标。当系统结构复杂时，逐 第一章绪论 一建立故障模式后果表将十分复杂。此方法将在本文第二章中详细介绍。 ( 2 ) 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，f t a ) ，通过对可能造成故障的因 素进行分析，构成故障树，从而确定故障原因的各种可能组合及其发生的概率。 故障树分析法提供了一种系统的方法来阐明元件与系统故障间的因果关系，能迅 速发现最重要的故障和网络中的薄弱环节。故障树法及其扩展方法最小路法 ( m i n i m a lp a t hm e t h o d ) 1 8 最d , 害- u 集法( m i n i m a lc u tm e t h o d ) 【9 j 在配电系统可靠性 评估中应用很广。当网络结构比较复杂时，无论是建立故障树，还是求取最小路 或最小割集，其计算都是相当复杂的。 ( 3 ) 网络等值法( n e t w o r ke q u i v a l e n t ) 【10 。】，文 1 0 通过网络的基本变化求 取可靠性指标，适用于复杂配电网可靠性分析，此方法从最低一级的子馈线出发， 将子馈线等效成相应的线路和负荷，逐级向上等值，直到线路中不含子馈线为止， 然后求取系统的可靠性指标。它存在以下不足：需要对系统进行多次连续等效； 只能得到等效负荷点和系统的可靠性指标，计算过程比较复杂。文 1 1 采用区 域网络模型，以区域故障模式影响分析法代替传统的设备故障模式后果分析法进 行中压配电系统可靠性评估，简化了网络模型。 ( 4 ) 故障扩散法( f a u l ts p r e a d i n g ) 。故障扩散法【陀】是在故障后果分析法的基 础上，通过判断故障的影响范围来进行可靠性评估的。它的总体思想是：当元件 发生故障时，程序立即前向搜索断路器和前后向搜索隔离开关，以此来确定断路 器和隔离开关的影响范围，并形成各分块子系统，然后通过判断是否与电源或切 换开关相连，判断节点类型，再分别计算各类节点中的负荷点的可靠性指标。文 1 3 对此算法作出进一步的扩展，提出了一种基于最短路算法结合“块 故障扩 散的配电网可靠性的评估方法，计算中以“块”为计算单元以代替常规方法中以 “元件为计算单元。 ( 4 ) 状态空间法( m a r k o vp r o c e s s ) 【1 4 】，通过列举系统可能的状态空间，确定 状态间的转移模式和转移概率，将状态进行故障后果分类，根据马尔科夫方程计 算状态概率和频率，最后得到可靠性指标。状态空间法适用于处理多状态元件和 不独立的故障，例如考虑保护系统的分级动作，但列举系统所有状态非常繁琐， 在配电系统可靠性评估中还不多见。 解析法的主要优点是可以采用较严格的数学模型和一些有效的算法( 包括 近似法) 对系统的可靠性进行比较周密的分析，准确度较高。计算相对比较简单， 计算速度较快。 解析法的不足之处在于它是利用元件可靠性参数的期望值来计算负荷点或 系统可靠性指标的期望值。这些指标的期望值虽然对配电系统的可靠性评估有着 很重要的作用，但它们只是指标的长期平均值，不能提供指标的变化信息。 4 第一章绪论 2 模拟法( s i m u l a t i o nm e t h o d ) 模拟法是在计算机上模拟元件的寿命过程，对此模拟过程进行若干时间的观 察，估计所要求的可靠性指标。因此模拟法是把寿命过程当作系统的真实实验来 处理的。 模拟法适用于以下计算： 1 ) 需要模拟非指数型分布的可靠性参数； 2 ) 需要某些输出指标的分布函数或统计数据； 3 ) 故障、修复、计划检修间存在着比较复杂的关系； 4 ) 对于大系统，解析法有时显得十分复杂，不能很容易的建立数学模型， 有时即使建立了数学模型，也难以获得数值解。这时，模拟法则成为一种有效的 工具。 模拟法最突出的特点是将指标表示为概率分布函数，既可以用图形化的方法 表示指标的变化情况，又能提供指标的某些重要信息。这些信息的出现概率可能 很小，但它可能对系统造成极其严重的影响。这些影响在期望值指标中难以休现， 但在电力系统的实际运行中是不容忽视的，它对用户可靠性的成本效益分析 ( c o s t w o r t ha n a l y s i s ) 具有重大的意义，尤其是对那些进行精密加工的工业用户 或具有非线性损耗函数的商业用户，采用模拟法能更精确的预测用户停电损失和 估计解析法计算得到的期望值误差【l5 1 。 模拟法虽然能够提供比解析法更多的信息，但为了满足模拟精度的要求所需 模拟运行时间不能太短，当系统元件众多，系统故障周期很长时，模拟时间可能 会很长。 3 组合法( c o m b i n a t i o nm e t h o d ) 组合法的求解思路是先采用解析法简化网络结构，确定系统的最小路集或最 小割集，然后采用模拟法进行仿真计算，得到可靠性指标的分布。 由于解析法方法较简单，计算速度较快，所以可以利用解析法来计算概率分 布的可靠性指标【1 6 】。其思想是将负荷分布或其他可靠性参数分布划分为若干个等 级时段，每时段的面积就代表该时段下参数期望值发生的概率，计算每时段下的 可靠性指标，并与该时段下参数的发生概率相乘，这些乘积的总和即为预测的可 靠性指标。但是当概率分布的参数较多时，这种方法的计算量很大，在求解并联 系统和网状系统的可靠性指标时也受到一定限制。此时，可以采用组合法进行网 状配电系统的可靠性分析i 】。 1 2 2 配网重构研究现状和发展 在配电系统中，虽然联络开关在正常运行时断开以维持系统的放射形树状运 第一章绪论 行状态，但它的存在使系统呈“网状”的结构。而反过来由网状结构确定树状运 行方式则是不唯一的，可形成多种组合，任一组合均构成一种运行方式。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，这样就存在着经济运行 的问题，即在构成“树状 运行方式的组合中，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。 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，属于n p 难问题。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”问题，并且解空间的 过于庞大，使得在直接数学求解时计算量很大，因而要占用大量的机时，并且无 法保证收敛的可靠性，所以需要针对配电系统重构问题的特殊性给出对应行之有 效的算法。 最优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 提出来的【l 引，之后不 断有研究成果发表，也提出了多种方法。解决配电网重构的算法主要分为传统优 化方法和现代优化方法。目前见诸于文献的求解方法主要有：支路交换法【l9 1 ，最 优流法【2 0 1 ，随机类算法，如：模拟退火法【2 1 1 、遗传算法【2 2 1 、免疫算法1 2 3 】以及其 他搜索算法等【2 4 1 。它们各自有优缺点：传统优化方法，简单明确，具有实用化潜 力，如何达到全局最优解，仍是一个值得探讨的问题。人工智能法虽然从理论上 能避免这一缺点，但计算时间过长，且存在易收敛到局部最优，以及收敛速度偏 慢等问题，面临实用化的考验。 1 支路交换法( b e m ：b r a n c he x c h a n g em e t h o d ) 支路交换法是m s c i v a n l a r 等人【2 5 】首先提出的，该方法是首先计算配网的初 始潮流和网损，利用潮流计算的结果将负荷表示为恒定电流，每次只合上一个联 络开关，在配网中形成一个环网。支路交换法的核心思想是搜索每一联络开关闭 合回路上的分段开关并加以交换( 开关状态的互换，即合上联络开关，选择一个 分段开关并将其打开使配电网恢复为辐射网) ，若目标函数值随交换变得更优， 则交换成立，直到所有的联络开关不能再通过交换使目标函数更优为止。为了保 证开关交换操作使网损下降，文 2 5 】给出了一个估算支路交换前后网损变化尸 的公式( 式1 - 1 ) ： 凹= r e 【2 ( j ，) ( 屯一应。) 】+ l ， ( 1 1 ) ，e d，e d 其中，d 为被转移区域的节点集合；研、刀为合上联络开关两端的节点号；z 为节点f 的负荷电流：r 坳为合上联络开关后形成的环网的串联电阻之和；应。、立。 为节点m 和节点胛的电压。 第一章绪论 对此公式加以分析可知，要使网损下降，必须闭合两端电压差最大的开关， 而打开开关的原则是把负荷从电压降落大的一侧移动到电压降落小的一侧，据此 可以建立一组启发式的规则。 该算法有如下特点：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；可以利用公式估算开关操作带来的线损 变化。不足之处在于：每次只能考虑一对开关的操作；不能保证全局最优； 给出的配电网重构结果与配电网的初始结构有关。 2 最优流模式法( o f p ：o p t i m a lf l o wp a t t e r n ) 最优流模式算法是1 9 8 9 由d a r i s hs h i r m o h a m m a d i 等人提出的一种启发式方 法 2 6 】，它以功率损耗最小为目标函数，其实现网络重构的基本思想可用如下过程 表示：第一步，先不考虑配电网络必须为辐射型结构的约束条件，将所有开关合 上以形成多环网；第二步，除了系统的潮流方程，在不考虑其它约束条件的情况 下，求出使系统功率损耗最小的系统电流分布( 即所谓的最优流模式) ，将网络 中所有支路阻抗中的电抗部分去掉，这样求得的电流分布就是系统的最优流模 式；第三步，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。重复第二、第三步，直至由步骤一形成的环网中的 所有环路被解开，网络的拓扑为辐射型结构为止。 该方法把开关组合问题转化为优化潮流的计算问题。使复杂问题得到了简 化。其缺点是：在最优模式下打开电流最小的开关的指导思想缺乏理论根据； 初始时闭合所有联络开关使网络中同时存在多个环网，求解o f p 时各环网电流 相互影响；打开开关的顺序对结果也有较大影响；确定一个待开开关有可能 需要进行多次配电网潮流计算。 上述两种方法都属于启发式方法，缺乏数学意义上的全局最优性，因此如下 的随机类算法得到了人们的重视。 3 模拟退火法( s a ：s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 现代优化算法中，s a 最早被引入求解配电网络重构问题。s a 是从融熔金属 的物理退火过程与优化过程的相似性推导出来的。s a 是解决混合优化问题的有 效方法，该算法的要点是：设计合适的全局冷却过程，即确定起始冷却温度、冷 却率、每次交换开关的数目及每个温度下交换开关的总数等。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，继续冷却，直到符合结束 判据。结束判据是：在连续多个温度下，网损变化极小，认为系统已经达到冻结 状态，得到优化结构。 s a 算法一般可以得到全局最优或全局次优解，但该方法对参数和退火方案 第一章绪论 的依赖性大，计算量大，将其用于配电网络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，因此计算量大。 4 遗传算法( g a ：g e n e t i ca l g o r i t h m ) g a 是以自然基固选择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，它利用上代最适合的信息 去创造新的合成基因串，它有效利用过去的信息去搜寻新的搜索点，从而改进搜 索操作。 g a 结合了目标函数和遗传过程，在配电网重构中，编码的位用来表示开关 的状态，而适应度函数由系统的总线损构成适应度函数值是遗传算法指导搜索方 向的依据，首先要保证其值不为负，其次目标函数的优化方向应当对应于适应度 值增加的方向。网络重构的目标函数是网损最小，属于最小值优化问题，一般要 加以调整，转化为求最大值的问题。 g a 有以下特点：o g a 操作的是参数的编码而不是参数本身；g a 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 计算速度慢，选取不同的初始基因串会有不同的优化结果。 通常的遗传算法对不等式约束的处理方法也是阻碍其高效求解配电系统优 化问题的原因之一。通常的遗传算法只依靠优胜劣汰的原则进行寻优。它们通过 简单的罚函数法实现不等式约束( 即，当某个染色体或解不满足约束时，给予其 一个极低的适应度) ，而在寻找解的过程中并未考虑不等式约束，或者说寻优过 程具有很大的盲目性。配电系统重构问题的约束是强约束，而目前在这一领域应 用的遗传算法均采用前述的这种简单罚函数法，因此优化效率不高，尤其难以实 现精细寻优。 5 免疫算法( i a ：i m m u n ea l g o r i t h m ) 免疫算法将求解问题的目标函数和约束条件对应于入侵生物体的抗原，最优 问题的可行解对应于免疫系统产生的抗体，通过抗体和抗原的亲和度来描述可行 解与最优解的逼近程度，抗体( 解) 的亲和度越小，表明抗体( 解) 越优。 免疫算法继承了遗传算法“优胜劣汰的自然选择原理，但不是模拟自然界 生物的遗传过程，而是模拟自然界生物免疫系统的功能，新抗体的产生方法比遗 传算法中新个体的产生方法要灵活得多。但是，作为用于全局搜索的随机算法， 免疫算法也面临早熟收敛，计算速度慢，局部精确寻优和约束处理能力差等方面 的改进。 6 其他算法 第一章绪论 文 2 4 1 提出一种结合最短路算法和遗传算法的混合算法，为协调配网重构中 局部最优解和全局最优解的搜索提供了很好的思路。该方法的最大特点在于由以 往算法的通过组合支路( 或开关) 寻优转为通过组合负荷寻优，同时该算法把约 束尽力体现在寻找解的过程中，而不仅仅是对已找到的解进行事后评价，减少了 盲目搜索。文【2 7 】提出将模拟植物生长算法应用于配电网络重构。该算法将目标 函数与约束条件分开处理，采用兼具方向性和随机性的搜索机制，避免了已有仿 生类算法由于一些参数难以确定和( 或) 无引导性的搜索方向而陷入局部最优的 问题。 1 3 本文的工作 综上所述，对配电网的可靠性评估与重构课题进行研究无论是在理论上还是 在实际上都具有重要的意义。本文分别对配电系统可靠性评估和配网重构进行了 研究，在分析配电系统结构特点的基础上，主要做了如下几方面的工作。 1 对配电系统可靠性分析的理论基础及配网潮流计算模型及方法进行总结研究 对配电系统可靠性的理论基础，包括元件状态划分、配电系统可靠性指标以 及故障模式影响分析作了介绍。总结了配电网络潮流计算的模型以及常用配网潮 流计算方法，通过比较各种配网潮流计算方法的优劣给出本文在进行配网重构过 程中所用潮流方法的选择原则。 2 对配电系统可靠性分析的等效网路模型及相应算法进行了研究 本文以各类开关为边界，根据区域边界开关性质的不同( 手动或自动) ，定义 了两种区域元件( a 类、m 类) ，由这两种区域元件对评估网络进行化简而形成了 评估网络的等效网络：提出了对于等效网络进行化简的有效命题，并给出了相应 的证明；将开关故障的影响计入到区域元件中，同时考虑包括开关在内的所有设 备的故障影响。本文进一步提出t l o c ( t o t a ll o s so f c o n t i n u i t y ) 事件下计及开 关故障的配电系统可靠性指标的分区算法。该算法以区域负荷为基本评估对象， 以区域元件为分析单元，采用分级评估的策略，减少了遍历、分析单元的数目， 同时避免了同类负荷点的重复评估，从而使计算效率相对于已有方法有较大提 高。另外，本文通过对多种情况下系统可靠性指标的计算，分析了自动装置、隔 离开关、备用元件、分支线保护、备用电源等多种措施对系统可靠性指标影响。 3 对自适应免疫算法( a d a p t i v ei m m u n ea l g o r i t h m ，a i a ) 应用于配网重构进行 了研究 本文对自适应免疫算法进行了研究，并将其应用于电力系统配电网络重构。 与其它方法相比，a i a 采用双层搜索机制，通过定义扩展半径和突变半径，在较 9 第一章绪论 大和较小两个区域中进行多点并行搜索，并根据抗体的多样性，相应地调节选择 率口、克隆半径y 和突变半径r ，在快速收敛和保持群体多样性以避免陷入局 部最优解之间自动进行调节，使目标函数快速收敛。基于启发式规则，本文设计 了十进制编码策略，在一定程度上降低了问题的复杂性。 4 提出了基于g e n o c o p i i i 的可行解搜索方法及a i a 的配电网络重构新方法 结合g e n o c o p i i i 的可行解搜索方法，以及其协同进化过程( c o e v o l u t i o n ) ， 提出处理带约束问题的改进a i a 方法一a i n o c o p ( a d a p t i v ei m m u n ea l g o r i t h m f o rn u m e r i c a lo p t i m i z a t i o no fc o n s t r a i n e dp r o b l e m ) ，并将其应用于配网重构， 该方法利用a i a 的双层优化特点而加快计算效率，利用g e n o c o p i t i 的可行解 搜索方法对不可行解进行修复。 i 0 第二章配电系统可靠性分析及潮流计算的理论基础 第二章配电系统可靠性分析及潮流计算的理论基础 2 1 配电系统可靠性评估的基本原理 2 1 1 元件状态划分 元件根据使用情况，一般划分为两大类：可修复元件( r e p a i r a b l ec o m p n e n t ) 和不可修复元件( n o n r e p a i r a b l ec o m p o n e n t ) 。不可修复元件是指元件投入使用 后，一旦损坏，在技术上就无法修复，或者要修复也十分不经济；这类元件的特 点是只注意它从投入使用到首次故障为止的寿命过程。对电力系统来说，绝大部 分元件是可修复元件。本文所考虑的元件都为可修复元件。 2 1 1 1 可修复元件状态划分 可修复元件的状态是指可修复元件在特定时间内所处的特定状况。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指标的基 础。电力系统中对可修复元件的主要状态划分如图2 1 所示。 图2 1可修复元件的状态划分 这些状态定义如下： 1 正在使用( a c t i v e ) 指元件处于要进行统计、评价之列的状态。 2 停止使用( d e a c t i v e ) 第二章配电系统可靠性分析及潮流计算的理论基础 由于与设备无关的原因，元件在较长期间处于不使用的状态。例如由于管理 上的原因，元件故障后在较长一段时间内未进行修理，从停运开始直至开始修理 这段时间即处于停止使用状态。有的元件因运行不经济需要停运或报废，也列入 停止使用状态。 3 可用( a v a i l a b l e ) “ 指元件处于能够运行的状态，不考虑