（电力系统及其自动化专业论文）配电网线路故障后停电负荷恢复方案的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网线路故障后停电负荷恢复方案 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：- 二妻牲日 期：龇2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期? ：驰ln ，；1z ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为了尽量减少配电网线路故障后给停电负荷带来的损失，应尽快得出最优供电 恢复方案，本文对配电网线路故障负荷恢复及相关问题做了研究。针对配电网结构 复杂节点众多的特点，对其做了简化处理并给出了双层树结构模型，并用框架表示 法描述了配电网结构知识，运用智能搜索技术实现了网络的结线分析。提出了将带 精英策略的非支配排序遗传算法( n s g a i i ) 运用到故障恢复中，克服了传统遗传算 法只能设置一个目标函数或把多目标整合为单目标的缺点，从而可以充分考虑配电 网运行状况和供电恢复的需求设定多个目标函数，得到更为合理的供电恢复方案， 最后用c 语言和m a t l a b 实现了该算法，通过算例分析表明该方法可行。 关键词：配电网，供电恢复，拓扑分析，非支配遗传算法 a b s t r a c t i no r d e rt om i n i m i z et h el o s so ft h e1 0 a d ，w h i c hc a u s e db yaf a u l to fp o w e r d i s t r i b u t i o nl i n e ，t h ep o w e rs u p p l yr e c o v e r yp r o g r a ms h o u l db eo b t a i n e da ss o o na s p o s s i b l e t h i sp a p e r r e s e a r c ho ns e r v i c er e s t o r a t i o na n dr e l a t e di s s u e sa f t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kl i n ef a i l u r e p r e s e n tam o d e lo ft w o l a y e r - t r e es t r u c t u r et od e s c r i b et h et o p o l o g y o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h es t r u c t u r ek n o w l e d g eo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sd e s c r i b e d b yf r a m er e p r e s e n t a t i o n a n dt h eu s eo fi n t e l l i g e n ts e a r c ht e c h n o l o g yt oa c h i e v et h e n e t w o r kt o p o l o g ya n a l y s i s 。an e wm e t h o do fs e r v i c er e s t o r a t i o nb a s e do nn o n d o m i n a t e d s o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( n s g a i i ) i sp r o p o s e d ，i to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft h e t r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h mw h i c hc o u l ds e to n l yo n eo b j e c t i v ef u n c t i o no ri n t e g r a t e m u l t i - o b j e c t i v ef u n c t i o ni n t oo n e s oi tc a nt a k ef u l la c c o u n to fo p e r a t i o n a ls t a t u sa n dt h e n e e d so fp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mf o rr e s t o r ef u n c t i o nt os e tm u l t i p l eo b j e c t i v ef u n c t i o n a n dm o r er e a s o n a b l er e c o v e r yp r o g r a mc a nb eo b t a i n e d f i n a l l yt h ea l g o r i t h mi s i m p l e m e n t e db yc a n dm a t l a b ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ev e r yp o s i t i v e y u a nj i a n g a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h uy o n g l i 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 ，s e r v i c er e s t o r a t i o n ，t o p o l o g ya n a l y s i s ， n o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( n s g a ) l ， j ，、 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题的研究意义和背景l 1 2 国内外研究现状。2 1 3 本文的主要工作5 第二章配电网的拓扑分析与计算6 2 1 配电网的特点6 2 2 配电网的层次模型7 2 3 配电网的拓扑结构表示9 2 3 1 常见的电网结构表示方法9 2 3 2 配电网拓扑结构数据库9 2 4 配电网的结线分析1 l 2 4 1 变电站的结线分析1 2 2 4 2 馈线网络的结线分析。1 2 2 5 配电网潮流计算_ _ 1 5 2 3 1 前推回代的基本原理1 5 2 5 2 潮流计算的改进。1 7 2 6 本章小结1 8 第三章非支配遗传算法n s g a 及其改进1 9 3 1 遗传算法的基本原理和特点1 9 3 1 1 遗传算法的基本原理。1 9 3 1 2 遗传算法的基本概念和基本操作1 9 3 2 带精英策略非支配遗传算法n s g a i i 2 3 3 2 1 多目标优化问题p a r e t o 最优解的概念2 4 3 2 1 1 多目标优化问题的数学描述。2 4 3 2 1 2p a r e t o 支配关系和最优解的定义2 4 3 2 2 非支配遗传算法n s g a 2 5 3 2 3 带精英策略的非支配遗传算法n s g a - i i 2 5 3 2 3 1 快速非支配排序遗传算法2 6 3 2 3 2 拥挤度比较算子2 7 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3n s g a i i 算法分析与应用。2 8 3 4 本章小结2 9 第四章基于n s g a - i i 的供电恢复算法3 0 4 1 故障后供电恢复问题的描述。3 0 4 1 1 供电恢复处理的一般步骤。3 0 4 1 2 供电恢复的要求31 4 2 基于n s g a i i 算法供电恢复方法3l 4 2 1 数学模型：3 2 4 2 2 染色体编码和初始种群的产生3 3 4 2 3 快速非支配排序3 4 4 2 a 拥挤度的确定和比较3 5 4 2 5 遗传操作和约束处理3 6 4 2 6 保留精英策略3 7 4 2 7 算法整体流程3 7 4 3 本章小结3 9 第五章配电网算例分析4 0 5 1 3 3 节点配电系统一4 0 5 2 某城市配电系统算例4 l 5 2 1 算例描述。4 l 5 2 2 结果分析4 2 5 3 本章小结4 3 第六章结论和展望4 4 参考文献4 5 致谢。4 8 附录j 4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 华北电力大学硕士论文 第一章绪论 配电是电力系统发电、输电和配电中直接面向电力用户的最后一个环节，通常 把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为配电 网。它由配电设备( 包括馈线、变压器、各种开关等) 构成，主要功能是从输电网接 受电能，并逐级分配电能。配电网主要指l l o k v 及以下电网。在配电网中，通常 l i o k v ，3 5 k v 称为高压，1 0 k v 称为中压，0 4 k v 称为低压。 1 1 选题的研究意义和背景 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈来愈 大，促使电力事业迅速发展，电力系统的规模不断扩大、昏动化水平不断提高，广 大用电部门对电能依赖程度和质量要求也越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也 不能忍受。事实和统计数字都表明，配电网故障导致供电中断不仅使电力部门蒙受 损失，损害电力企业形象，对社会各行各业造成的经济损失更是巨大的，不仅造成 工厂停产、产品报废、人民生活不便，甚至会引起社会秩序混乱、社会动荡和影响 国防安全等一系列严重后果。为了减少供电中断对用户造成的危害，避免全网恶性 事故的发生，国内外不少学者一直致力于提高供电可靠性和故障恢复系统的研究。 配电网络的基本结构形式是树状的，但是为了提高可靠性，通常设置一些起联 络作用的开关支路，使它形成环状结构。随着配电网规模不断增大，线路越来越长， 节点越来越多，结构越来越复杂，因而发生故障的几率也相应越大，配电网络的故 障是难以完全避免的，一般故障可以分为两类：瞬时性故障和永久性故障。据有关 资料统计在架空线路故障中，瞬时性故障占6 1 ，永久性故障占3 9 ；对于永久性故 障可能导致配网的全部或局部停电。当配电网发生永久性故障时，在对故障区域进 行隔离的基础上，应尽快地恢复用户的供电，尽可能减少停电面积，这样可以大大 减少由于停电所造成的对社会的影响和经济上的损失，采取相应措施后同时也应该 尽可能减少故障后供电的损耗。 配电网故障诊断、故障隔离和供电恢复系统f d i s r ( f a u l td i a g n o s ei n s u l a t i o n s u p p l yr e s t o r a t i o n ) 是d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g es y s t e m ) 的一项重要应用功能i l 】。 用数学语言描述，f d i s r 是一个多目标、多时段、多组合、多约束的非线性最优化 问题，最终得到的解是一系列开关动作组合。f d i s r 系统的主要作用是根据s c a d a 收集的开关跳闸信息和故障指示信息，应用智能软件对配电网馈线中发生的故障进 行实时分析和判断，并提出正确有效的供电恢复对策，帮助调度员准确确定故障位 置，隔离故障区域，尽量恢复非故障区域的供电，将故障损失降到最低。供电恢复 华北电力大学硕士论文 的主要目的是在保证配电网络满足各种约束条件的前提下，通过网络重构将尽可能 多的断电负荷转移到正常供电区域，同时实现重构后的网络损耗最小和重构操作的 费用最小。f d i s r 的主要特点是能够在综合考虑开关操作次数、馈线裕度、负荷恢 复量、网络约束、用户优先级等因素下，提出优选的供电恢复方案。 配电网故障恢复大概经历了三种恢复模式： ( 1 ) 早期的故障恢复模式；自动化水平比较低，故障恢复主要靠装设在配电线 路上的指示器，故障发生后，工作人员依靠指示器找到故障位置，利用柱上开关设 备手动隔离故障区域，人工恢复非故障区供电。这种早期模式处理时间比较长。 ( 2 ) 配电自动化的故障恢复模式( d a 模式) ；这种模式主要靠配置在配电网中 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的 时间配合，实现故障的自动诊断、隔离和恢复。这种模式的特点是依赖配电网的早 期规划、配电网的结构及配电设备的自动化程度，但是一般只是用于简单接线网络， 而且不能考虑实际负荷水平和网络运行约束。 ( 3 ) 配电管理系统的恢复模式( d m s 模式) ；这种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、隔离和恢复。配电主站可以根据s c a d a 系统 实时数据库，对电网进行实时分析判断，并且确定隔离故障和恢复供电的操作步骤。 这种模式的特点是适用于任意结构的配电网络，可以考虑实际负荷水平和网络约 束，但是与设备的可靠性和软件的功能有密切的关系。 近些年来，电力工作者在配电网故障恢复中做了大量工作，提出了很多实用、 有效的算法，虽然他们采用了不同的方法，借鉴了不同的理论，但是在收敛性、优 化效果运算速度还存在一些问题。所以寻找一种更实用更理想的方法解决多目标多 约束供电恢复问题，仍然是值得深入研究的领域。 1 2 国内外研究现状 多年来，国内外不少学者对配电网故障诊断、故障隔离和供电恢复系统做了许 多研究，c a s t r o 等人最早提出了一种基于搜索树的算法，实现了可由调度员定义的 开关操作表。随后s a r m a 等人于九十年代初提出网络简化法，并在此基础上提出一 种树支搜索法，并由此掀起一个配网f d i s r 的研究热潮。目前故障恢复作为d m s 系统 的一个重要功能，其新的算法不断被人们提出，配电网故障恢复方法大致可以分为 两种：传统优化的方法及人工智能的方法。 一、传统优化算法 文献【3 ，4 】采用了混合整数优化法对故障进行了恢复；文献【5 】以总的停电损失 最小为目标函数采用分支定界法来求解恢复供电的问题；文献【6 】将分支定界法和专 2 华北电力大学硕士论文 家系统相结合来求解供电恢复问题减少了计算时间。 该类方法的优点就是能够将恢复供电问题精确地表示成目标函数和约束条件 的形式，缺点是对于供电恢复问题是一个复杂的多目标多约束非线性问题，各目标 之间可能相互矛盾，实际运行中也常常有经验性的知识在里面，所以很难描述成目 标函数，而且采用传统优化方法求解也非常耗时。 二、人工智能方法 ( 1 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m 简称g a ) 源于达尔文的进化理论它把自然界中自 然遗传和自然选择的机制引入到数学理论中，提出了一种全新的寻优方法。遗传算 法是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法，具有较强的鲁棒性和较好的寻优能 力，它将离散的开关状态或线路状态用一系列二进制串表示，争适用于计算机处理。 此外遗传算法采用多点同时搜索，找到全局最优解的可能性较大。其优点是可以适 用于不同的网络，缺点是实时性不够。 文献【7 】采用并行遗传算法进行供电恢复问题求解，最终得到能够恢复对大多数 用户的供电；文献【8 】采用遗传算法来解决大规模失电区域和多故障等复杂情况下的 故障恢复，以求获得全局最优解；文献 9 】将故障恢复分成由一条支持馈线供电、两 条支持馈线供电、三条支持馈线供电、转移负荷四种情况，对后三种情况分别进行 编码，用遗传算法求得结果。 遗传算法从多初始点开始，沿多条线路搜索，可能得到全局最优解，而且鲁棒 性好，对目标函数要求较少，既不要求可微，又不要求连续，可方便地处理像故障 恢复这种离散非线性优化问题。但是遗传算法的计算速度过慢，必须有效地结合问 题的特点，才能更好地发挥其优越性。 ( 2 ) 模糊算法 模糊算法主要思想是先用常规的方法得到多个可行解，然后对这些可行解按照 一定的目标进行模糊化处理，得出一个模糊评价值，选取评价值最大的恢复方案作 为供电恢复方案。 文献 1 0 】对开关操作数和电流进行了模糊化处理，在负荷高峰期允许支路和分 支部分过载；总结了六种可能的供电方案，按照一定的规则产生一定数量的候选方 案，将开关操作数、馈线的备用容量、转移负荷数、紧急备用容量进行模糊化处理， 选择评价值最大的方案作为最优的方案；文献 1 1 采用启发式算法得出一定的供电 恢复方案，然后对开关操作数、负荷转移量和紧急备用容量进行模糊化处理，得出 最优方案。 模糊算法的优点是能够解除其它算法的死约束，如绝对不允许过载等，还能够 3 华北电力大学硕士论文 针对多个目标选取相对最优的方案。其缺点在于各指标的模糊化处理和各目标的配 合中的各参数选取非常困难，很难根据实际的需要选取出。 ( 3 ) 启发式算法 启发式算法是建立在对配电网的特性具有一定的了解基础上的，此方法在配电 网的故障恢复中得到了广泛的应用。文献 1 2 1 中采用基于评估函数和启发式规则的 搜索策略进行问题的求解，通过运用启发式规则指导搜索，减少了求解空间；有些 文献中以恢复最多的重要用户的供电、恢复最多的负荷的供电以及开关操作数最少 作为目标，最大化恢复失电负荷以及开关操作次数少为目标，选择了一些指标，利 用这些指标指导故障恢复的过程。 启发式算法一般带有启发信息，这使得供电恢复问题的搜索空间大大减少，能 够迅速得出恢复方案。但是由于它是建立在启发式规则的基础止的，所以一般都只 能求得次优解，而无法求得全局最优解。而且对于复杂网络在多故障情况下的恢复， 启发式规则将会比较难总结，启发式搜索的搜索树也会变得过于庞大，更难找到最 优解。 ( 4 ) 专家系统 专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域中的专 家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家 解决的复杂问题。 专家系统使用范围广，能满足实时的要求，擅长解决电力系统中难以建立数学 模型而又依赖专家经验知识的问题，可用于大规模网络和多故障条件下的故障恢 复。过去大多采用专家系统方法如文献 1 3 1 4 。文献 1 5 对高压配电网事故恢复 决策专家系统的总体结构和程序流程进行了设计。但是，由于专家系统处理约束条 件比较困难，不能处理在知识获取过程中不曾遇到过的特殊情况，难以覆盖所有的 故障模式和运行方式；知识获取的工作量大，而且有些知识不易表达成规则形式； 不能保证得到最优方案等。 ( 5 ) p e t r i 网算法 p e t r i 网是由德国c a p e t r i 于1 9 6 2 年提出的一种系统建模工具，它由条件和事件 两类节点的有向线段组成的一种网状信息流模型，主要用于描述和研究信息处理系 统。文献 1 6 1 将p e t r i 网应用于故障恢复，他将配网的开关状态和供电区域的带电状 态用p e t r i 网的库表示，开关的拉闸操作和合闸操作用变迁表示，还分别构造了一个 目标库和目标变迁用来检验目标是否实现。 p e t r i 网优点是在初始状态中往往存在多个令牌，且某些迁移点有可能被同时激 活，所以令牌可能同时在不同的路径下传送。这类似于并行推理过程，可同时得到 4 华北电力大学硕士论文 数个求解路径。该方法适用于求解多故障，网络备用容量不足条件下的恢复供电。 它的缺点是与网络的结构关系紧密，旦网络结构发生变化算法必须重新修改。 1 3 本文的主要工作 本文首先阐述了配电网故障恢复的意义，并对常见的故障恢复算法做了总结归 纳，文中以配电网为研究对象，当配电网线路发生故障后，导致配电网局部停电时， 在对故障进行隔离的基础上，需要得出一条对非故障停电区域的供电恢复方案。本 文提出了将非支配排序遗传算法应用到故障恢复中。具体可以分为以下几个内容： ( 1 ) 针对配电网故障恢复的要求，将复杂配电网进行简化处理，选择合适的拓 扑表示方法完成电网的建模，并完成配电网的结线分析。 ( 2 ) 在已有配电网潮流计算方法的基础上，针对配电网辐射状的运行特点，采 用一种快速有效的配电网潮流计算方法。 ( 3 ) 建立配电网故障后供电恢复数学模型，提出了基于n s g a - i i 算法的配电网 故障供电恢复方法，充分利用n s g a i i 算法处理多目标问题的优势，问题的具体求 解过程中，在初始种群产生和最优解的确定上进行适当的处理，改善了算法的性能。 ( 4 ) 通过算例验证算法的可行性与正确性。 5 华北电力大学硕士论文 第二章配电网的拓扑分析与计算 配电网故障定位、隔离以及供电恢复方案的快速形成均以配电网络的拓扑分析 为基础，电网拓扑分析的主要功能是将电网的物理模型转化成数学模型。配电网的 结构知识表示是结线分析的基础，配电网故障恢复需要针对不同的恢复方案进行多 次的潮流计算，以判断采取各种不同方案对系统可能产生的影响，所以说潮流计算 也是供电恢复过程的重要环节。配电网的拓扑结构与输电网相比具有结构复杂，采 用何种拓扑表示方法，使之既能直观地表示出配电网的结构，又能适应配网结构多 变化的特点，是实现配电网故障分析处理所需解决的主要问题之一。因此，为了进 行有效推理必须首先建立适合推理要求的网络拓扑结构的模型。 2 1 配电网的特点 配电系统是电力系统发电、输电和配电三大系统之一。它是由架空线或电缆配 电线路、配电所或配电变压器、断路器、补偿电容、各种开关在内的配电网和继电 保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信和控制设备构成。 我国配电网的一般特点有：深入城市中心和居民密集点；传输功率和距离一般 不大；供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求各不相同；我国目前的配电网 相对薄弱，绝大多数为树状结构，且多为架空线，可靠性差，损耗高，电能质量差， 自动化程度低，尤其是在农村。城市的负荷比较集中，一般采用电缆环形供电提高 可靠性。在拓扑结构上，配电网与输电网的最大区别是其节点众多且分布广泛，通 常采用辐射状、环状和树状结构。其中，辐射状结构采用单电源供电，结构简单、 可靠性低；环状结构采用有备用电源的供电方式，正常情况下以开环方式运行，联 络开关一般断开；树状结构的特点是干线可以分段，其原则是：一般主干线分为2 至3 段，负荷密度大的地区l k m 分一段。 i 、辐射状 这种接线方式分为完全辐射状接线和经中介点的辐射状接线。完全辐射状接线 比较适合当负荷集中在电源附近的情况，其特点是接线简单，只要采取适当的措施 可靠性即可达到要求。 2 、环状 环状结构采用有备用电源的供电方式，正常情况下以开环方式运行，联络开关 一般断开。这种接线适合负荷点沿电源的某一个或几个方向分布情况，通过几条干 线向沿途负荷供电。虽然是环状，但配电网运行的特点是一条馈线由一个电源点供 电，开环运行。 6 华北电力大学硕士论文 3 、树状 这种接线方式适合于城乡架空线，非重要用户和郊区。干线可以分段，其原则 是：一般主干线分为2 至3 段，负荷密度大的地区l k m 分一段，以缩小事故和检修 停电范围。 2 2 配电网的层次模型 故障恢复的主要任务是恢复方案的快速形成和选择，而恢复方案的形成是以网 络连通分析和潮流计算为基础的。因此，为了提高计算推理效率，首先必须建立适 合推理要求的网络拓扑结构的模型。配电网经过简化处理后，可以形成如图2 1 所 示的由降压变压器相连的母线、母线联络开关、出线断路器、分段开关、联络开关 组成的网络拓扑图，具有闭环结构开环运行的特点，在分段开关或者联络开关之间 的馈线上还带着大量的负荷变压器，这些负荷节点将馈线分成了许多馈线段。 l c 3 s l 委商西十s 5 玉一 0 8 t s 3 l 垡暨望呼暨+ s l 。塾竖 分段开关，闭合 。联络开关，断开 - _ 断路器，闭合 _ _ 断路器，断开 图2 1 典型的配电网接线图 图2 2 配电网的原始树结构 根据配电网的结构特点，将馈线出线断路器、分段开关、联络开关、负荷作为 节点，可以把配电网看成是由若干个以馈线的出线断路器为根节点的树，馈线上相 邻的分段开关和负荷变压器或者联络开关与负荷变压器之间的馈线段组成树枝，这 7 华北电力大学硕士论文 就是按照配电网的特点抽象出来的原始的树结构。以图2 1 中的c 5 为出线断路器 的馈线为例，可抽象出如图2 - 2 所示的原始树结构图，其中在各分段开关之间假设 了一些负荷点( l i l 8 ) 。 馈线上只有馈线出线断路器、分段开关和联络开关是可控元件，只有通过改变 它们的状态才能改变配电网的结构，而各开关之间的馈线段、负荷节点的连接关系 却是无法改变。在供电恢复中，可将馈线段看成一个整体而不考虑其内部元件组成； 当需要进行详细的分析计算时，再考虑内部情况。这样处理可以提高故障恢复的推 理速度和效率。本文采用了双层树结构的模型表示配电网的拓扑结构，上层表示配 电网的出线断路器、分段开关、联络开关之间逻辑连接关系；下层表示负荷节点之 间以及负荷节点与邻近的开关节点之间的连接关系。根据上述思想，可以将图2 2 所示的配电网拓扑关系用图2 3 中的( a ) 和( b ) 所示的双层树结构模型来表示 s 3 t s l ( a ) 配电网的上层树结构 嘞配电网的下层树结构 图2 3 配电网的两层树结构模型 。开关节点 负荷节点 配电网的双层树结构模型具有以下特点： i ) 它清楚地体现了配电网上各可控元件之间的连接关系，有利于在配电网故 障后，通过上层结构直接快速地搜索停电区域的供电恢复路径。 2 ) 它既可以描述各可控元件之间的连接关系，也可以通过和下层树结构表示 的结合，直观地表示出整条馈线的结构，从而在开关变位后，从变位开关开始实现 配电网的快速结线分析，从而为提高了计算速度 3 ) 简化了配电网结构可以为恢复算法提供统一的数据，无论是供电恢复方案 的选择，还是对配电网进行潮流计算等都不需要对配电网做其它的分析计算，只需 要在此结构上处理即可。 8 一一一 华北电力大学硕士论文 2 3 配电网的拓扑结构表示 配电网的拓扑表示应该有效且直观，拓扑表示应能实现网络连通性的快速跟 踪，适应事件变化，并且能满足配电自动化中不同功能的需求，同时还应节省存储 空间。配电网的故障恢复离不开各种形式的网络搜索，网络拓扑的知识表示是基础， 虽然表示电力系统的模型已很多，但是主要都是针对高压配电网和输电网的接线特 点设计的，中压配电网与高压配电网及输电网有着不尽相同的结构。高压配电网或 者输电网都是由发电厂、变电站、线路、变压器通过开关、刀闸连接而成，但是中 压配电网主要是与变电站低压侧相连的断路器、馈线段、柱上开关( 包括分段开关和 联络开关) 、以及负荷变压器组成。因而对配电网的知识表示不能完全照抄高压配电 网及输电网的表示方法，应该根据配电网自身的特点以及恢复系统的需要来设计配 电网拓扑结构的知识表示。 蟛_ 2 3 1 常见的电网结构表示方法 目前电力系统中拓扑结构的表示方法主要有元件开关，元件节点关联表法； 网基矩阵表示法；面向对象表示方法等。近年来，国内专家系统在电力系统中的应 用方面作了大量的研究工作，并开发成功了许多系统。在这些系统中，采用的知识 表示方法主要有产生式规则、框架表示法和面向对象方法【1 7 】。 元件开关，元件节点关联表法，需离线准备开关元件关联，表变电站开关 起点表，支路元件关联表变电站结线分析的任务是根据开关元件关联表中的开关 状态确定各个变电站所属的元件被闭合开关联接成多少个节点，在分析过程中生成 元件开关关联表元件结点关联表。网络结线分析则是将变电站分析得到的结点划 分为子系统的过程。基于网基矩阵、基形变换、弧点变换和矩阵运算的方法，但该 方法运算复杂不直观需要较大的存储空间当网络结构发生变化时需要对整个网络 进行搜索。 人工智能的框架表示法是一种结构化良好的知识表示形式，适合于表示固定的 概念、事件和行为。框架是一种多层次的数据结构，框架下面可以设立子框架，各 框架之间的层次及复杂的相互关系形成一种框架系统，可以表示很复杂的知识内 容。因此，框架适合于表示复杂的电网结构知识。本文从分析配电网结构知识入手， 研究了基于框架的配电网结构知识的表示方法。 2 3 2 配电网拓扑结构数据库 配电网拓扑是一种层次性的复杂网络，节点多、元件多，各参数之间相互关联、 相互影响，层次性强，适合应用人工智能的框架表示技术；它允许用户利用基本数 据类型定义复杂的复合结构，从而为框架表示的实施提供了方便。通过定义相应的 9 华北电力大学硕士论文 具有复合结构的谓词【1 引，就可成功解决配电网拓扑结构的表示问题。在拓扑结构表 示具体实现上，充分考虑故障后供电恢复的要求，从而为故障恢复程序提供良好的 数据。 配电网不论多么复杂，都是由变电站、线路、配电设备( 馈线出线断路器、分 段开关、联络开关、变压器) 、和负荷组成。 为了表述方便，先介绍相关概念如下： 开关：各种开关设备的总称，如出线断路器，分段开关，隔离开关： 节点：配电网中各种电气设备，断路器、变压器、电抗器、线路和负荷的端点； 线路：连接在两个变电站之间，主要用来传输电能一般沿途不带负荷； 馈线：与线路不同，它从变电站母线出发，把电能输送到各个用户，在馈线上 还有大量分段开关和联络开关； 馈线段：馈线被分段开关、联络开关和负荷分成的小段称为馈线段； ( 1 ) 厂站的知识表示 配电网中一般包括若干个变电站，变电站母线的接线方式和运行状态，可以确 定变电站的馈线有多少个电源点以及备用容量 s u b ( s , b u s l i s t ) 卜厂站名称； b u s l i s t - - - - 厂站母线接线类型信息表 b u s l i s t f f i b u sib u s = b u s ( v ，t y p e ，n o d l i s t ) 】 n o m i s t = n o dln o d = n o d ( n o ，b r l i s t ) v 一电压等级； t r p c r 一母线接线类型； n o 曲s 卜一构成某一电压等级接线的各个母线及其正常所连断路器情况； n r 母线编号； b d i 沪该号母线正常所连的断路器表： ( 2 ) 馈线的知识表示 配电网由降压变压器相连的母线、母联开关、出线断路器、分段开关、联络开 关组成的复杂网络。在分段开关或者联络开关之间的馈线上还带着大量的负荷变压 器，这些负荷变压器带着的负荷将馈线分成了许多馈线段。 f e e d e r l i n e ( s ，f e e d e r n o ，b r n o l ，b r n 0 2 ，n o l ，n 0 2 ，i n ) 卜馈线所属变电站名； f e e d e f n r 馈线段所在出线断路器号； 1 0 b r n o l ，b n o l ，n 0 2 h l 线路额定电流。 ( 3 ) 开关设备的表示 配电网中存在着大量的开关设备，如出线断路器、分段开关、联络开关。开关 的状态，决定了配电网的运行状况，所以对开关的表示是结线分析和其他功能的基 础。 s w i t c h n o d e ( n o ，b r n ol ，b r n 0 2 ，t y p e ，n ol ，n o d e l i s o n r 该开关节点号； b r n o l ，b r n 0 2 开关两侧断路器号； 垦 聊r 开关类型，卜分段开关，l 一联络开关； n o l 该节点上游开关号； n o d e l i s 卜_ 该节点下游开关节点表： ( 4 ) 负荷节点的表示 变电站馈线沿途带大量负荷，达到分配电能的目的。每条馈线负荷的数量要受 到馈线容量的约束，配电网线路故障处理过程中，需要考虑馈线及负荷信息。 l o a d n o d e ( n o ，b r n ol ，b r n 0 2 ，t y p e ) n r 节点号； b r n o l ，b r n o 卜两侧节点号； 聊r 开关类型，l 一一类负荷，2 一二类负荷；3 一三类负荷； 2 4 配电网的结线分析 电网结线分析的主要功能是将电网的物理模型转化成数学模型。它是其它高级 应用软件的基础，无论是电力系统潮流还是电力系统的实时状态估计等都需要电网 的网络结线分析。确定故障恢复前电网的运行状况时离不开结线分析，对选择的各 种可能的供电恢复方案进行校验时，也离不开结线分析。 目前，通常采用的网络拓扑分析方法大致可以分为四类【1 8 珈】：基于网络图形的 拓扑分析方法、面向对象技术的拓扑分析方法、邻接矩阵法和直接搜索法。基于网 络图形的拓扑分析方法需要建立配电网络的设备模型和网络模型；面向对象技术的 拓扑分析方法需要对不同种类的配电网设各建立不同的模型，并定义其端口；邻接 矩阵法在应用于具体的接线图时，需要将图中的每个连接点都作为节点，每个图元 1 1 华北电力大学硕士论文 都作为支路来处理，矩阵中节点数目远大于实际网络的节点和支路数目，速度较慢： 直接搜索法不是一种系统的方法，对特定的网络结构依赖性大。显然，前两类方法 需要在进行网络拓扑分析之前，根据不同的配电网设备，对接线图中的图元进行分 类组合，建立适合拓扑分析的数学模型，从而缺乏灵活性和可扩展性。后两种方法 虽然能够在接线图的基础上直接进行拓扑分析，但也存在明显的不足。 1 配电网的结线分析主要是根据配电网的各元件的连接关系和各开关的状态确 定电网的实时运行情况，配电网的结线分析分成两步：变电站母线连接关系的分析； 变电站所连馈线网络的结线分析。 2 4 1 变电站的结线分析 通过变电站母线连接关系的分析，可以确定该变电站所连的馈线有多少个电源 点，以及各电源点的容量。变电站接线类型的数量是有限的，其运行方式也是有规 律的，有经验的人可以一一说出各种接线的可能运行方式。因此，利用这些规律和专 家经验建立相应的规则，就可以较容易地实现各厂站母线内部的节点分析。鉴于母 线的节点个数发生变化的操作或故障都要涉及到开关状态变化，故在程序初始化以 后只需对开关状态有变化的厂站母线再进行一次结线分析。 2 4 2 馈线网络的结线分析 通过变电站所连接的馈线的结线分析，可以确定各馈线的运行情况。由于配电 网正常时有闭环结构开环运行的特点，所有的馈线在正常运行时，都是里树状，各 不相关，所以对各馈线的结线分析采用宽度优先和深度优先结合的方法进行搜索。 通过分析可以形成如图2 - 4 所示的配电网结构图，其中馈线的拓扑结构用2 2 节的 双层树拓扑结构表示。 图2 4 配电网的结构图 一、深度优先搜索和宽度优先搜索 深度优先搜是优先扩展最后生成的节点，就是在搜索树的每一层始终先只扩展 1 2 华北电力大学硕士论文 最晚的一个子节点，不断地向纵深前进直到不能再前进( 到达叶子节点或受到深度 限制) 时，才从当前节点返回到上一级节点，沿另一方向又继续前进。这种方法的 搜索树是从树根开始一枝一枝逐渐形成的。深度优先搜索又称为纵向搜索。由于一 个有解的问题树可能含有无穷分枝，深度优先搜索如果误入无穷分枝( 即深度无 限) ，则不可能找到目标节点。所以，深度优先搜索策略是不完备的。另外，应用 此策略得到的解不一定是最佳解( 最短路径) 如图2 5 所示。 深度优先搜索算法特点： ( 1 ) 由于深度搜索过程中有保留已扩展节点，则不会重复构造不必要的子树系 统。 ( 2 ) 深度优先搜索并不是以最快的方式搜索到解，因为若目标节点在第i 层的 某处，必须等到该节点左边所有子树系统搜索完毕之后，才会访衄到该节点，因此， 搜索效率还取决于目标节点在解答树中的位置。 ( 3 ) 由于要存储所有已被扩展节点，所以需要的内存空间往往比较大。 ( 4 ) ，深度优先搜索所求得的是仅仅是目前第一条从起点至目标节点的树枝路 径，而不是所有通向目标节点的树枝节点的路径中最短的路径。 ( 5 ) 适用范围：适用于求解一条从初始节点至目标节点的可能路径的试题。若 要存储所有解答路径，可以再建立其它空间，用来存储每个已求得的解。若要求得 最优解，必须记下达到目前目标的路径和相应的路程值，并与前面已记录的值进行 比较，保留其中最优解，等全部搜索完成后，把保留的最优解输出。 宽度优先搜索是始终先扩展先前生成的节点，如果在搜索中把算法改为按结点 的层次进行搜索，本层的结点没有搜索处理完时，不能对下层结点进行处理，如图 2 6 所示。 1 户 2 _ 园 _ r ，萨 蓰。遮。公念 1 3 华北电力大学硕士论文 l 叶 暑。 国囝固园 图2 - 6 宽度优先搜索示意图 二、馈线网络的分层结线分析 在配电网分层结构的基础上，采用了深度优先和宽度优先相结合的搜索策略， 运用人工智能的深度优先搜索实现上层树的拓扑结构分析，即馈线主干线路的形 成；采用宽度优先搜索进行下层树结构的拓扑分析。因此，在线路发生故障时，可 以通过上层树结构分析直接的快速的确定网络当前拓扑结构当需要进一步分析计 算时，可以进行下层树结构分析。 上层树结构结线分析算法步骤： s t e p l ：将网络中变电站母线节点放入o p e n ，首节点为n o d e 初始化c l o s e ， i s l a n d s 为空； s t e p 2 ：将n o d e 相连出线开关号放入o p e n i ，初始化n o d e 初始化c l o s e l ， f e e d e r 】为空； s t e p 3 ：取出首节点n 0 1 ，判断开关是否闭合，闭合转向s t e p 3 ，否则取下一节 点； s t e p 3 ：搜索与n 0 1 关联且不在c l o s e d p 的开关节点，并放入o p e n i ，把n o i 及其关联节点置f e e d e r 和c l o s e l 中： s t e p 4 ：判断o p e n i 表是否为空，为空则f e e d e r 中即为该馈线拓扑结构，并 把f e e d e r 放入i s l a n d s ，否则转向s t e p 3 ； s t e p 5 ：判断o p e n e 表，为空则结束，i s l a n d s 是网络上层树结构，否则转向 s t e p 2 下层树结构结线分析算法步骤： s t e p l ：将待分析馈线f e e d e r 放入o