（电力系统及其自动化专业论文）面向供电质量提高的城市电网专项规划研究.pdf

了套有载调压优化研究方法。该方法利用灵敏度理论求解无功薄弱点，并将其 与变电站所处位置等因素相结合，确定有载调压优化分析的典型变电站，进而利 用上述改进粒子群优化算法，对各2 2 0 k v 和1l o ( 3 5 ) k v 典型变电站的主变压器进 行有载调压和无载调压的技术经济比较，通过对典型站的综合分析形成可用于各 电压等级变电站有载调压优化配置的若干实用结论。 ( 4 ) 针对配电网供电可靠性影响因素众多、难以进行分析和规划的问题， 制定了可靠性规划思路，并定义了供电可靠性影响因素体系作为现状薄弱点分析 的依据；为保证规划方案的科学性和合理性，提出了结合项目间复杂关系、以可 能的最大投资额度为约束、所能达到的可靠率为目标的项目组合优选算法。算例 分析表明，该方法能在我国目前现状薄弱点较多、建设改造资金有限的客观条件 下得到良好的规划方案，从而为供电可靠性的提升提供实际支持。 关键词：配电网规划供电质量无功优化规划粒子群优化有载调压配置优 化可靠性规划 a b s t r a c t b e c a u s ed i s t r i b u t i o ns y s t e m si n t e r c o n n e c tb e t w e e ne l e c t r i cc u s t o m e r sa n db u l k p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sa n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，i ti sc r i t i c a lf o rb o t hs e c u r i t ya n d s t a b i l i t y o fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n dt h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y h o w e v e r , d e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o ns y s t e m sw a sn o th i g h l yv a l u e di nt h ep a s t ，a n di t s i n v e s t m e n ta m o u n ta n dm a n a g e m e n tq u a l i t yw e r em u c hp o o r e rt h a nt h o s eo f g e n e r a t i o ns y s t e m sa n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h e s ec a u s e dan u m b e ro fw e a k n e s s l i n k si nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c hh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h eq u a l i t yo fp o w e r s u p p l y b a s e do nt h ef o r e c a s t i n go fa m e r i c a ne l e c t r i c a lp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ， t h e r ew i l lb em o r et h a n6 0 c o n s u m e r sw h o s er e q u i r e m e n to fp o w e rs u p p l y r e l i a b i l i t yi sh i 曲e rt h a n9 9 9 9 9 9 a n dt h ec o n s u n l e r sw i t hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to f 9 9 9 9 9 9 9 9 9 w i l la l s or e a c h10 t h e r e f o r ei ti sc o n c l u d e dt h a th i g hq u a l i t yo f p o w e rs u p p l yw o u l db ep r e r e q u i s i t eo b j e c t i v eo fp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t i nr e c e n t y e a r s ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gm e t h o d sh a db e e nw i d e l ya p p l i e di nc h i n aa n d t h er e l a t e dt h e o r i e sa r em a t u r e b u ti no r d e rt os a t i s f yp o w e rs u p p l yr e q u i r e m e n to fa l l k i n d so fc o n s u n l e r s ，n o to n l yt h et r a n d i t i o n a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mp l a n n i n gs h o u l db e d e v e l o p p e dw h o s ep u r p o s ei st oo p t i m i z en e t w o r ks t r u c t u r e ，b u ta l s os o m es p e c i a l p l a n n i n gs u c ha sr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o np l a n n i n ga n dr e l i a b i l i t y o r i e m e d p l a n n i n gs h o u l da l s ob ew o r k e d t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ed e m a n do fo u re l e c t r i c a l p o w e ri n d u s t r y , t h ed i s s e r a t i o nm a i n l yf o c u s e so nr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n , r e a c t i v ep o w e rd e v i c e sp l a n n i n gd i s t r i b u t i o n , t r a n s f o r m e ro p t i m i z a t i o no fo n - l o a d t a pc h a n g i n g ( o l t c ) a n dr e l i a b i l i t y - o r i e n t e dp l a n n i n g p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n , g e n e t i ca l g o r i t h m , f u z z yc - m e a n sc l u s t e r i n ga n ds e n s i t i v i t ym a t r i x ，a r ea p p l i e da n d t h e i re f f e c t i v i t ya n dp r a c t i c a l i t ya r ev a l i d a t e du s i n gc a s es t u d i e s ( 1 ) a tp r e s e n t ，p e n a l t yf u n c t i o ni sc o m m o n l ya p p l i e dt oi n e q u a t i o nc o n s t r a i n t si n r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n , w h i c hi sk n o w na ss o f t - c o n s t r a i n tm e t h o d b u tt h e m e t h o dc a n n o ta b s o l u t e l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fv o l t a g ea n dp o w e rf a c t o r t h e r e f o r e ，i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a “n i n ep a l a c e s s t r a t e g yi sd e v e l o p e da n di ti sa b l et o a d j u s tt h ev o l t a g ea n dp o w e rf a c t o rt h a te x c e e dl i m i t s i na d d i t i o n , t h ed i s c r e t i z a t i o n a n dc h a o ss t r a t e g i e sa r ea p p l i e dt op a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n t h ei m p r o v e dp a r t i c l e s w a r mm e t h o dw i l la d a p td i s c r e t e n e s so ft h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ra d j u s t m e n t a n da v o i dr u n n i n gi n t ol o c a lo p t i m i z a t i o n c a s es t u d i e so ft h es t a n d a r di e e es a m p l e s y s t e ma n dar e a ls y s t e mh a db e e np e r f o r m e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi m p r o v e st h es e a r c h i n gs p e e da n dt h eq u a l i t yo fo p t i m a ls o l u t i o ni n c o m p a r i s o nw i t he x i s t i n ga l g o r i g h m s ( 2 ) t h ec o n f i g u r a t i o n so ft h ee x i s t i n gd e v i c e sf o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni n u r b e nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa r en o tr e a s o n a b l ya n de f f i e c t i v e l yd e p l o y e d t h e r e f o r e ，a c o m p l e t es o l u t i o ni sp r o p o s e df o rr e a c t i v ep o w e rp l a n n i n gi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s d u et ot h el a r g es c a l eo fd i s t r u b t i o nn e t w o r k s ，i ti sn o tf e a s i b l et op l a nr e a c t i v ep o w e r f o re a c ho ft h es u b s t a t i o na n dt h ef e e d e r a tf i r s t ，t h el a r g es c a l eo fn e t w o r ki sd i v i d e d i n t om a n ys u ba r e a sb a s e do nt h ef a c t o r s ，s u c ha sl o a dc h a r a c t e r i s t i cu s i n gf u z z y c m e a n sc l u s t e r i n g t h e n , b a s e do nt h eo p t i m a lf e e d e rl o c a t i o n sf o rr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nu s i n gs e n s i t i v i t ym a t r i x ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e a c t i v ep o w e r p l a n n i n gi sb u i l tb ya s s o c i a t i n gt h em o d e l so fm i n i l t l u l np o w e rl o s sa n dm i n i l n u l n i n t e g r a t i v ec o s t a tt h ee n d , t h ec o n f i g u r a t i o no fd i f f e r e n tk i n d so fc o m p e n s a t i o n d e v i c e sa r eo p t i m i z e du s i n gt h ei m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m , a n d t h er e s u l t sa r ep o p u l a r i z e dt ot h ew h o l en e t w o r k c a s es t u d ys h o w st h a tt h es o l u t i o n o fo p t i m i z e dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm e e t st h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n to f d i s t r i b u t i o ns y s t e sa n de f f e c t i v e l yl i m i t st h ei n v e s t m e n t ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ep l a n n i n gm e t h o do fr e a c t i v ep o w e rd e v i c e si nd i s t r i b u t i o n s y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no fa ne x i s t i n gd i s t r i b u t i o ns y s t e m , i nt h ed i s s e r t a t i o n , a m e t h o df o ro p t i m i z a t i o no ft r a n s f o r m e ro l t ci sp r e s e n t e d t h em e t h o df i r s t l ya p p l i e s s e n s i t i v i t yt h e o r yt od e t e c tt h el o c a t i o n sw i t hr e a c t i v ep o w e rw e a k n e s s ，a n dc o n s i d e r s t h es u b s t a t i o np o s i t i o n st oi d e n t i f yag r o u po fs u b s t a t i o n sw h o s et a pp o s i t i o nw i l lb e o p t i m i z e d a n dt h e n ，i m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su t i l i z e dt o c o m p a r eo n - l o a da n du n d e r - l o a dt a pc h a n g i n gf o rt h em a j o rt r a n s f o r m e r si nt h e s e l e c t e d2 2 0k va n d110 ( 3 5 ) k vs u b s t a t i o n si nt e r m so ft h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a s p e c t s f i n a l l y , c o n c l u s i o no fo p t i m i z a t i o no ft r a n s f o r m e ro l t cw i l lb em a d e ( 4 ) ap l a n n i n gm e t h o di s e s t a b l i s h e db a s e do nt h e r e q u i r e m e n t o f r e l i a b i l i t y o r i e n t e dp l a n n i n g d u et o i t sd i v e r s i t ya n dd i f f i c u l t yo fa n a l y s i s ，t h e i n f l u e n c i n gf a c t o rs y s t e mf o rp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t yi sd e f i n e da st h ec r i t e r i o nf o r i d e n t i f y i n gt h ew e a k n e s so fe x i s t i n gn e t w o r k i no r d e rt og u a r a n t e et h ef e a s i b i l i t ya n d r e a s o n a b l e n e s so fp l a n n i n gs o l u t i o n , am e t h o df o ro p t i m i z i n gt h ec o m b i n a t i o no f a v a i l a b l ep r o j e c t si sp r e s e n t e d i tc o n s i d e r st h ec o m p l e x i t ya m o n gd i f f e r e n tp r o j e c t s ， r e s p e c t st ot h el i m i t so fp r o j e c ti n v e s t m e n ta n dr e a c h e st h er e l i a b i l i t yi n d e x c a s e s t u d ys h o w st h a tt h em e t h o di sc a p a b l et op r o v i d er e a s o n a b l ep l a n n i n gs o l u t i o nf o rt h e w e a ki n f r a s t r u c t u r eo fe x i s t i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si nc h i n aa n di m p r o v e s 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 yb a s e do nl i m i t e di n v e s t m e n t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e mp l a n n i n g ，q u a l i t yo fp o w e rs u p p l y , r e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o np l a n n i n g ，t r a n s f o r m e ro p t i m i z a t i o no fo n - l o a dt a pc h a n g i n g ( o l t c ) ，r e l i a b i l i t y - o r i e n t e dp l a n n i n g ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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：一一旁q 矽， 签字日期：) 呻乒年二月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗蕉鲎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：彦0 湛 导师签名： yl j ，一 签字日期：埘年月占日 签字日期：z d 8 3 年f 2 月占日 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国城市电网现状问题 城市电网是指在城市范围内为其提供和分配电能的电力网络的总称，简称城 网。城网是电力系统的重要组成部分，又是电力系统的负荷中心，具有用电量大、 负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。城市电网还是城市现代化建设 的重要基础设施之一，其建设、改造及运行的经济性和安全性既影响整个电力部 门的经济效益和广大电力用户的供电质量，又影响到城市整体功能的正常发挥。 根据电压等级及其在供电过程中所起到作用的不同，城网通常可分为输电网 ( 2 2 0 k v 及以上) 、高压配电网( 1 l o k v 和3 5 k v ) 、中压配电网( 2 0 k v 和l o k v ) 和低压配电网( 3 8 0 2 2 0 v ) 等，同时包括为它们提供电源的变电设施和发电设施。 由此可知，城市配电网是城网的主体。 电网是电力系统中传输电能的重要环节，是有效利用电能的重要保障。配电 网是电力系统到用户的最后一环，它与用户的关系最为紧密，对用户供电可靠性 和供电质量的影响也最为直接。在一些主要发达国家中，电网投资在电力总投资 中的比重一般都高于5 0 ，而且配电网投资不低于输电网投资。而在我国，由于 长期以来所形成的“重发、轻供、不管用 的局面，配电网建设一直处于投资不 足的状态。2 0 世纪9 0 年代末之前我国发电、输电、配电的投资比例大约是1 ： 0 2 1 ：0 1 2 。因此，导致了我国发电、输电、配电发展不够协调，电厂有电送不 出，用户需要又得不到，并且电网的损耗高、电压低、供电不可靠、抵御意外事 故和灾害的能力弱【l 】，因此，电网尤其是配电网薄弱的结构已经成为电力系统供 用电的瓶颈。 具体说来，我国城市配电网的供电水平主要存在如下几个方面的问题： ( 1 ) 高压变电站布点不够或不合理，导致下一个电压等级的线路过长，从 而对线路损耗和末端电压质量有着直接的影响； ( 2 ) 高压变电站所配置的无功设备普遍存在投入率不高、分组不合理的情 况，致使线路的无功传输较大或出现倒送，影响了网络的经济运行和用户的电压 水平； ( 3 ) 配电网络的环网程度不高，高压配电网络中存在单线单变的情况，中 天津大学博士学位论文 第一章绪论 压配电网中线路出口电缆、主干线路、联络线路间输送容量匹配率较低，存在输 电瓶颈问题，不利于负荷转带的有效实现； ( 4 ) 中压配电线路与其所带配电变压器存在容量不匹配的情况，同时由于 分段设置的合理性较低，致使线路的单段配电容量偏高，不能对故障进行有效隔 离，容易造成大范围停电； ( 5 ) 配电设备绝缘化、全封闭化率较低，仍存在大量油路设备和高损耗设 备，免( 少) 维设备比例较小，故障比较频繁； ( 6 ) 对配网自动化、不停电作业等先进技术的应用较少，对检修施工停电 安排、转供电操作等缺乏科学合理的解决方式； ( 7 ) 主要依靠规划人员的个人知识和经验来定量分析规划方案，缺乏科学 的规划方法，难以适应城市建设和负荷快速发展的需要。 1 1 2 城市电网规划概述 城市电网规划是电力系统规划和城市规划的重要组成部分，同时也是电力企 业自身长远发展规划的重要基础之一。电网规划的目标就是能使电网的发展适 应、满足并适度超前于城市经济发展要求，发挥其对电网建设、运行和供电保障 的先导和决定作用。科学地进行电网规划和电网管理是改革形势发展的必然需 要，是实现电力增长方式从粗放型向集约型转变的重要环节。城市配电网规划的 意义在于： ( 1 ) 通过对城市配电网的优化规划，可以降低系统的网络损耗，改进未来 电网的运行效益； ( 2 ) 科学合理地确定变电站的容量、位置及供电范围，有利于系统的运行 管理，减少系统跨区域交叉供电，有助于提高系统管理和运行效率； ( 3 ) 城市配电网络结构的优化规划，可以大大提高系统的供电可靠性； ( 4 ) 城市配电系统的优化规划，是提高系统投资效益的最有效途径； ( 5 ) 城市配电网络结构的合理性，直接影响配电自动化设施的投资效益； ( 6 ) 合理的配电系统规划，是配电自动化实施的基础； ( 7 ) 城市电网的规划和发展影响电源布局，引导电源建设，促进资源的优 化配置，并为发电领域引入竞争机制提供基础条件。 按规划时间的不同，城市电网规划分为近期( 1 5 年) 、中期( 5 1 5 年) 和 长期规划。长期规划属于战略规划，它主要决策城市电网发展的重大问题和发展 方向( 如建立新的电压等级、确定新的城市电网电源点、论证规划末期的城市需 电量以及城市可能发生的改造和扩展方向) ，为中期和近期规划制定目标。中期 和近期规划属于战役规划，主要为长期规划的任务和目标如何实施确定时间表。 天津大学博士学位论文第一章绪论 长期规划要求中期和近期的城市电网建设和改造是长期电网发展目标的一部分， 保证近期和长期投入的设备在规划期间不会发生拆除的现象。 城网规划是一个复杂、庞大的系统工程【2 1 ，一般包括以下几个方面内容： ( 1 ) 通过城市历史电量、负荷和负荷特性的发展分析，结合区域发展定位 和城市规划结果，形成远景、中期和近期等各目标年的电量、负荷总量和负荷分 布情况； ( 2 ) 完成高、中、低压电网的分析，论证现状的分区供电结构与供电的薄 弱环节； ( 3 ) 确定各个新建变电站的地理位置、容量以及所有变电站的供电范围， 并根据负荷发展情况安排新建变电站的投运时间等； ( 4 ) 通过城市电网结构的整体优化设计，确定所需建设供电线路的规格标 准、电压等级、路径走向、长度和投运时间等； ( 5 ) 完成目标年及中间年各级各类新建无功补偿设备的配置位置、容量和 分组情况； ( 6 ) 通过对城市供电可靠性指标的合理计划，制定城市电网相关技术标准， 并完成现状电网技术改造和大修的计划安排。 从城市电网规划的特点来看，规划工作有一定的难度，在实际规划工作中体 现在以下几个方面【3 】： ( 1 ) 城市发展、负荷增长、电网建设方案等受到诸多因素的制约，导致大 量数据并不确定； ( 2 ) 负荷、现状配电网等相关数据量非常庞大； ( 3 ) 受到电网的发展历史、所处区域、以及规划运行人员的偏好等难以量 化因素的影响，规划方案的优劣评价标准并不统一； ( 4 ) 规划工作的实际操作涉及电力企业很多部门，需要在领导的充分重视 下通过部门间的密切合作才能完成； ( 5 ) 规划实体的规模庞大，很多在小规模优化问题中表现优异的数学方法 在这里并不适用，使得所能采用的规划方法相对较少。 1 1 3 研究目的和主要内容 满足用户不同用电质量的需求，尤其是高质量的需求，是城市电网规划、设 计、运行和维护的重要目标之一。一般来说，供电质量4 】包含技术含义和非技术 含义两部分：技术含义是指电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量， 包括供电企业对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格( 合理性、透明性等) 。 因此，本文研究的主要目的是，基于传统城市配电网络规划，在有限资金投入的 天津大学博士学位论文 第一章绪论 条件下，对城市配电网的无功、可靠性等进行专项规划，以便从技术角度提高系 统和用户供电质量。 ( 1 ) 无功设备专项规划 所谓无功设备专项规划，即在变电站和网络规划的基础上，研究各级各类无 功补偿设备的配置地点、单组容量和组数，从而尽量减少网络的有功损耗和电压 损失。它与无功优化的不同之处在于：无功优化主要解决的问题是，如何对已有 无功设备进行投切来满足某种负荷状态下系统的优化运行要求；而无功规划主要 解决的问题是，如何配置无功设备来支持各种负荷状态下系统的优化运行。对于 满足各种负荷要求的无功规划来说，只满足某种负荷要求的无功优化问题的解决 是求解的基础。本文针对目前亟待解决的如下三个问题进行重点研究： 1 ) 提出能够满足实际工程需要的无功优化算法； 2 ) 建立适应大规模配电网的无功规划模型，并通过算例分析抽象出典型情 况下的无功设备配置结论； 3 ) 研究有载调压变压器的优化配置模型，并形成典型情况下的有载调压配 置结论。 ( 2 ) 可靠性专项规划 所谓可靠性专项规划，即在所规划网络能够满足负荷需求的基础上，从可靠 性角度提出网络结构、设备配置和技术管理等方面的改进之处和计划安排。针对 可靠性规划中的重要方面，本文将规划网可靠性计算思路的制定、可靠性规划模 型的建立、有限投资额度下项目优选方法的实现等作为主要研究内容。 1 2 国内外研究情况 1 2 1 电力系统无功优化 随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。 降低网损、提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门 面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。电力系统无功功率优化和 无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系 统无功电源的合理调节和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高 电力系统运行的稳定性，而且可以降低有功和无功网损，使电力系统能够安全经 济运行。 电力系统无功优化在数学上属多变量、多约束的混合非线性优化问题【5 一， 其求解速度和精度随着系统规模的扩大而大幅降低。另外，由于其控制变量同时 天津大学博士学位论文第一章绪论 包括连续型和离散型，也在一定程度上增加了问题的复杂性。 自该问题在上世纪六十年代被提出以来，国内外众多专家学者均展开了大量 的研究工作，并提出了很多计算方法。这些计算方法大致分为运筹学方法和人工 智能方法两类p j 。 运筹学方法是从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前解，最终收 敛于最优解。这类优化方法主要有线性规划法、非线性规划法、二次规划方法、 混合整数规划法及动态规划法等。其中，线性规划法 1 0 - 1 4 的数学模型简单直观、 物理概念清晰、计算速度快，同时由于线性规划方法本身的完善性，使它的计算 规模受到较少的限制。但由于它把系统实际优化模型做了线性近似处理，并对离 散变量做了连续化处理，使得计算结果往往与电力系统实际情况有所差异。非线 性规划法【1 5 1 8 】的数学模型比较精确地反映了电力系统的实际，计算精度较高，但 其方法本身需要大量的求导、求逆运算，占用计算机内存多，使得解题规模受到 限制，对不等式约束处理上也有困难，因此限制了实际系统的应用。二次规划 1 9 - 2 1 】 中的二次型目标函数可以较好地适应无功优化目标函数的非线性特征，收敛性及 计算速度比较理想，因而在无功优化中得到了应用，但是在求临界可行问题时可 能会导致不收敛的情况。混合整数规划1 2 2 - 2 4 懈决了整数规划中不能精确处理离散 变量的问题，其数学模型也比较准确地体现了无功优化实际，但是这种分步优化 的方法削弱了它的总体最优性，同时在问题的求解过程中常常发生振荡发散，而 且它的计算过程十分复杂，计算量大，计算时间属于非多项式类型。动态规划【2 铊7 】 对目标函数和约束条件没有严格限制，所得的最优解也常常是全局最优解，但它 随状态变量个数增加出现的“维数灾 问题和难以构成一个实际问题的动态数学 规划模型，这些都限制了它的广泛应用。 人工智能方法包括人工神经网络法、专家系统、禁忌搜索算法、模拟退火算 法、遗传算法、粒子群优化算法等。其中，人工神经网络法【2 8 】的神经元之间的计 算具有相对独立性，便于并行处理，具有执行速度较快的优点，但不足之处是如 果缺乏十分有效的学习算法，在训练过程中很易陷入局部最优。专家系统【2 9 】主要 是针对变电站电压无功控制的特点，总结变电站操作人员的运行经验，并提出一 些推理规则，推理机能够在系统运行过程中根据这些推理规则生成合适的控制方 案来及时、准确地实现对有载调压变压器和电容器组的控制。禁忌搜索算法【3 0 】 采用单点搜索，收敛速度和最终解的好坏与初始解有着很大关系，全局搜索能力 差，随着控制变量数目增多，计算时间变长，寻优速度慢。模拟退火算法 3 1 , 3 2 能有效地解决带约束的组合优化问题，能以概率1 收敛到全局最优解，但在实际 应用中，算法的收敛性和收敛速度依赖于退火方案的选择，并且参数很难确定。 遗传算法 3 3 - 3 6 具有算法简单，对目标函数不要求可导、可微，且能方便地处理离 天津大学博士学位论文第一章绪论 散控制变量和能获得全局最优解等优点，但算法的寻优速度很难达到实际工程的 要求。粒子群优化算法【3 7 枷】在多维空间、动态目标寻优等方面具有收敛快、效率 高、鲁棒性强的特点，但由于粒子易于趋向同一化，寻优精度相对较低。 因此，提出一种能够满足电力系统实际工程计算要求的无功优化算法，不仅 对系统运行中的无功电压调节颇有益处，而且能够作为无功规划中设备优化的实 际支撑。 1 2 2 配电网无功规划 合理运用电压无功的调节手段使电力部门及用户总体设备的运行指标达到 最佳状态，固然是保证电能质量和提高电网电压合格率的重要方面，而电力系统 无功设备的合理配置更是电力系统运行安全性和经济性的基本前提。其中，配电 系统充足合理的无功补偿，不仅可以有效提高用户电压质量、降低网络损耗、保 证系统的经济运行，还能为输电系统无功潮流的合理分布奠定坚实的基础。显然， 无功设备配置的规划是无功设备投切和调节的基础。随着配电网规划已被广泛重 视，配电网无功规划的重要性也正在逐步体现。 相对于有功规划【4 l 书】( 即网架规划) 来说，作为电网规划的另一个重要组成 部分，无功规划领域目前尚未受到足够的重视。各电力企业的规划人员在进行输、 配电网新建变电站无功补偿容量的配置时，单纯依据相关电网规划设计导则的有 关规定按变电站容量的百分比来设定，而这种补偿往往带来无功设备投入率 较低，投资效益不高等问题m j ，并且目前也没有分组配置的依据。同时，在理论 研究中尽管已有众多学者针对电压无功综合控制的运行问题提出了很多无功优 化算法【4 5 一，但针对无功设备配置规划的研究【4 7 j 却少之又少。 因此，如何科学合理地确定配电网无功设备的最佳补偿地点及相应容量，避 免无功电源建设的盲目性，并着力于有载调压等相关问题，是目前所亟待解决的。 1 2 3 供电可靠性规划 供电可靠性是指供电系统对用户持续供电的能力，是一个供电企业技术装备 水平和管理水平的综合体现j 。随着经济的迅速发展和人民生活水平的不断提 高，人们对供电可靠性的要求也越来越高，因此，提高供电可靠性既是用户期望， 同时也是供电企业所追求的目标【4 9 1 。统计数据【5 0 】表明，大约8 0 以上的停电事 故是由配电系统引起的。在这种条件下，合理规划和优化配电系统将成为解决可 靠性问题的重中之重。 配电系统可靠性规划计算的关键之处在于：如何结合规划项目的实施效果 计算规划网的供电可靠性；如何在充分协调各规划项目之间的关系的基础上对 天津大学博士学位论文第一章绪论 其进行优选，从而达到高质量与低成本间的平衡。文献 5 1 】提出了以馈线为单位， 将网络划分为自动和手动隔离区的分区思想，并基于此采用区域故障模式影响分 析法进行可靠性评估；文献 5 2 根据复杂配网特点将网络分块并等效为简单支 路，而后利用最小割集法搜索故障、进行重构和潮流计算；文献 5 3 1 考虑中压配 网常以树状运行的特点利用稀疏技术存储邻接矩阵，并利用故障扩散搜索方法确 定开关元件的动作，以块为单位代替单元件进行解析分析。但以上方法只能针对 确定电网进行分析，无法解决规划电网的网络结构和元件停电情况均未知的问 题。文献 5 4 应用成本效益分析法。，以投资、运维和停电损失的综合效益最小为 目标来评价开关配置方案的优劣；文献 5 5 提出了一种将电网的可靠性指标转化 为经济性指标、并将其作为目标函数一部分的电网规划新方法；文献 5 6 在综合 考虑可靠性成本和缺电成本的基础上，提出了可靠性成本效益回归模型；文献 5 7 】 提出了因提高电网可靠性而发生的成本以及产生效益的概念公式，并引入成本效 益比来制定评价电网改造方案的可行性。但这些文献均只是针对方案而进行的优 选，而未计及项目间所存在的复杂关系，并且可靠性的效益绝非只在于减少停电 损失，高可靠性的电价收益和吸引用户所带来的效益无法量化，故将可靠性与经 济性等同考虑的实用性不大。 因此，如何结合可靠性规划的特点，对供电可靠性的现状进行分析，并且设 计一套能够在有限投资额度下，对若干可靠性薄弱点进行提升并满足最终指标要 求的可靠性规划算法，是本文所面临的问题。 1 3 本文工作及章节安排 1 3 1 本文工作 本文工作主要包含如下四个方面： ( 1 ) 基于粒子群优化算法和电力系统无功优化的深入分析，将离散化策略 加入到粒子初始化及飞行中，并在整体寻优过程中引入混沌变量，在这些常规改 进的基础上提出对越限的节点电压和功率因数进行“九宫”调节的特色改进方案， 避免了软约束不能完全满足电压和功率因数要求的问题，从而形成一种新的改进 粒子群优化算法来解决实际电力系统无功优化问题，并通过标准节点系统和实际 电网算例进行了验证。 ( 2 ) 在对配电网无功规划的范围和补偿的方式进行详细讨论的基础上，结 合配电网无功规划难点，阐述了“整体部分整体”的配电网无功规划思路，其 中主要是利用模糊c 均值聚类进行典型变电站划分：然后，通过灵敏度分析确 天津大学博士学位论文第一章绪论 定线路最佳补偿点；最后，采用上述改进粒子群优化算法，以最小负荷方式确定 单组容量，以最大负荷方式确定设备组数，并根据实际情况修正并汇总全网无功 补偿配置结果。通过东部某发达地区配电网无功规划实例，验证了本文所设计思 路及其计算方法在配电网无功规划问题处理上的正确性和实用性。 ( 3 ) 结合某区域电网的实际情况，根据灵敏度分析求解无功薄弱点，以便 确定有载调压分析的典型变电站，在此基础上，利用上述改进粒子群优化算法， 对各电压等级典型变电站的主变压器进行有载调压和无载调压的技术经济比较， 从而得到有载调压变压器的配置结论。 ( 4 ) 通过对供电可靠性各种影响因素的分析，归纳形成供电可靠性影响因 素体系作为供电可靠性规划的依据，并依此制定可靠性规划的思路和计算方法； 然后针对现状缺陷提出相应的可靠性提升项目，并确定项目间的关系并设计编码 方式和调整算子；最后以可能的最大投资为约束、所能达到的可靠性为目标，采 用遗传算法优选出最佳的项目组合。算例分析表明，该方法能在我国目前现状薄 弱点较多、建设改造资金有限的客观条件下得到良好的规划方案，从而为提高供 电可靠性提供实际支持。 1 3 2 章节安排 第一章主要通过城市电网现状问题和城网规划情况的介绍，引出本文所研究 的方向，进而结合国内外的研究情况，详细阐述本文所做的工作；第二章对本文 所应用的一系列基本理论进行介绍，包括粒子群算法、遗传算法、模糊均值聚类 和灵敏度理论等；第三章基于对基本粒子群算法在解决无功优化问题中所存在缺 陷进行的充分讨论，提出了一种基于硬约束调节的改进粒子群优化算法；第四章 基于配电网无功规划问题的研究，提出配电网无功规划问题的数学模型和算法， 并通过算例分析得到可推广的无功配置结论；第五章通过对供电可靠性的影响因 素对详细分析，提出可靠性规划的思路和方法，并利用遗传算法加以实现；第六 章对本文所研究问题进行总结和展望。 天津大学博士学位论文第二章理论基础 第二章理论基础 本文主要应用粒子群算法、遗传算法、模糊聚类和灵敏度等理论，来解决电 力系统无功优化、配电系统无功规划、有载调压配置和配电网可靠性规