（电力系统及其自动化专业论文）馈线自动化中开关优化问题的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 配电网中开关设备的优化配置是馈线自动化规划改造的重要内容之一。本文以 成本一效益分析理论为基础，在充分考虑可靠性和经济性的情况下，应用微分进化 算法来求解配电网的开关优化问题： ( 1 ) 文中提出了一种基于解析法的配电网可靠性计算方法，将可靠性指标e n s 表示成0 - i 开关变量的多项式，以便将馈线自动化规划模型表示成开关的最优配置 问题。 ( 2 ) 给出了开关优化的数学模型及基于微分进化算法的求解方法。通过模型 计算，确定开关的最优配置数量和位置，得到系统的可靠性、投资费用和停电损失 等。计算实例表明：微分进化算法具有较好的全局收敛性和较快的收敛速度。 关键词：配电网，馈线自动化，可靠性，微分进化算法，开关优化配置 a b s t r a c t o p t i m a ls e l e c t i o na n dl o c a t i o no fs w i t c h i n gd e v i c e si si m p o r t a n ti nd i s t r i b u t i o np o w e r s y s t e mp l a n n i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ec o s t - b e n e f i ta n a l y s i s ，t h i sp a p e rt a k e si n t o a c c o u n tt h er e l i a b i l i t yw o r t hi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k p l a n n i n ga n d u s e sd i f f e r e n t i a le v o l u t i o n a l g o r i t h m s ( d e ) t os o l v et h eo 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 tp r o b l e mf o rt h ef i r s tt i m e ( 1 ) i nt h i sp a p e r , a l la n a l y t i cr e l i a b i l i t ya l g o r i t h m ，i nw h i c ht h er e l i a b i l i t yi n d i c e ss u c h 舔e n sa r ee x p r e s s e da sp o l y n o m i a l so f0 - 1s w i t c hv a r i a b l e s ，i sp r o p o s e df i r s t l y t h e n ，t h e f e e d e ra u t o m a t i o np l a n n i n gi sf o r m u l a t e da sa no p t i m a ls w i t c hp l a c e m e n tp r o b l e m an e w b i n a r yp r o g r a m m i n gi se m p l o y e dt os o l v et h i sp r o b l e m ( 2 ) am o d e lb a s e do nd ef o ro p t i m a ls w i t c h i n g d e v i c e s ( o s d ) i ne d n si sp r o p o s e d t h e o p t i m a ln u m b e ra n dp o s i t i o no fs w i t c h i n gd e v i c e s ，r e l i a b i l i t y , i n v e s t m e n ta n do u t a g el o s s o fe d n sc a nb ed e t e r m i n e db yt h ep r o p o s e da l g o r i t h m d ei sp r o v e dt ob eg o o dc o n v e r g e n c e a n dq u i c k c o n v e r g e n ts p e e db yt h en u m e r i c a lr e s u l t s l it o n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：e d n s ，f e e d e ra u t o m a t i o n ，r e l i a b i l i t y ，d e ，p l a c e m e n to fo p t i m a l s w i t c h i n gd e v i c e s p 士= s明刚 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文馈线自动化中开关优化问题的研 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：迫l 日 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：刁碰一 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，世界各国的电力工业正由原来的国家垄断经营向放宽管制、自由竞争的 电力市场机制转变。在竞争激烈的电力市场环境下，电力公司同其它处于市场经济 中的实体一样，唯有提高自身产品质量，才有可能在竞争中保持优势。 电能是一种特殊的商品。我国加入v t o 后为与国际标准接轨，电力部规定将考 核供电企业的三大指标( 电压、频率、波形系数) 改为五大指标，新增了供电可靠 性和用户满意率两大指标n 1 。在五大指标中，电压指标和可靠性指标，是最能让各 类用户感受到电能质量好坏的指标，而可靠性指标的优劣还直接对电力企业的收入 产生影响。 为提高网络可靠性水平，可在配电线路上增装适当数量的开关设备，把配电系 统分割为若干“区段 ，然后在所分割的“区段上安装与相邻馈电线路相连接的 联络开关和联络线路，以便尽可能地缩小包含故障发生点在内的持续停电范围( 故 障区段) ，并尽可能地将故障区段以外的“完好区段通过相邻的馈电线路或电源 进行供电，以求得系统可靠性的提高。但是，可靠性的提高是以增加投资及运行费 用为代价的，单纯提高供电可靠性显然是不经济的，也是不切实际的。如何节约成 本，利用有限的资金获得尽可能高的供电可靠性，是供电部门所关注的一个重要问 题。 1 2 馈线自动化规划研究的概况 馈线自动化的概念与技术早在上世纪八十年代初就已提出。欧美等发达国家开 展配电自动化的早期目标是缩短馈线停电时间 2 - 4 即实现馈线自动化。馈线自动化 技术的发展经历了从无通信通道到有通信通道，从适应于简单辐射型网架结构到复 杂多电源的网架结构，从慢速的故障处理到快速故障处理的过程。 日本从八十年代初开始建设以重合器、分段器为馈线自动化基本元件的纯电压 模式的馈线自动化，使城区故障影响范围和供电恢复时间大大缩短，提高了城区供 电可靠性。随着技术的发展，又推出并应用了基于通信的电流模式的馈线自动化终 端，使故障处理时间进一步缩短，并利用网络优化重构功能，大大降低了线损，提 高了供电企业的经济效益。日本九州电力每户平均年停电时间从6 m i n 下降到lm i n ， 华北电力大学硕士学位论文 是依靠配电自动化实现的怕3 。目前，日本基于重合器分段器的电压模式与基于通信 的电流模式馈线自动化并存。 韩国在八十年代末，也开始采用基于重合器、分段器的馈线自动化，不过，很 快就发展为基于通信的电流模式的馈线自动化。目前，韩国的各城区几乎1 0 0 地实 现了馈线自动化。 香港的中华电力公司，采用a b b 的技术与设备，在中华电力公司管理的区域内 全部实现了基于通信的电流模式的馈线自动化，大大缩小了故障影响范围，缩短了 故障处理时间，提高了供电可靠性。 在我国，九十年代中期，开始试探性地采用了一些基于重合器、分段器的馈线 自动化，直到九十年代末期，开始大量引进日本的重合器、分段器技术，在城乡电 网改造的末期，基于重合器、分段器的馈线自动化模式得到了较多的应用。 九十年代末期以来，随着竞争机制在电力市场的引入，电力公司迫切需要提高 供电质量和可靠性。目前，馈线自动化倍受关注，其重要原因就在于，它能以较少 的投资来减少停电时间，提高供电可靠性瓯引。传统的城市配电网为了保证重要用 户的供电可靠性，往往采用双回路甚至三回线路供电。由于增加了变电站的出线数， 通常需要建开闭站。这种变电站一开闭站一用户的供电方式不仅设备利用率低，线路 投资大，而且增加了变电站的出线困难，使得城市电缆和架空线路更加拥挤忉。在 环状供电网中，采用馈线自动化技术只需要沿馈线装设柱上开关、分段器、重合器 等设备，就可以通过故障定位、隔离和恢复供电功能来保证供电可靠性，并降低配 电网的维护和检修费用 6 - 7 但同时也增加了设备投资和运行维护费用。大规模配电 网负荷节点数多、分支多、线段数多，不可能在各条线段都安装分段开关。因此应 综合考虑开关投资和用户停电损失两个因素，应用现代优化方法确定配电网分段开 关的数量和位置。开关定位是馈线自动化规划中最重要的决策变量，一旦开关的位 置确定，就可初步确定配电自动化的通信方式和控制策略及其他设备的配置。 1 3 配电网可靠性评估研究的概况 配电网可靠性研究起步于二十世纪六十年代。在过去的几十年里，与发电和输 电系统相比，配电系统可靠性的模拟和评估问题远远没有受到重视，这主要是由于 发电厂非常集中，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，而配 电网比较便宜，且故障影响也是非常局部的。 但是，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最大，用户停电故障中近8 0 是由配电网的故障引 起的；再者，单个配电网投资虽小，但众多的配电网投资累计是一个十分可观的数 华北电力大学硕士学位论文 字，这就意味着配电网可靠性的工程应用将可带来巨大的经济效益；最后，由于整 个电力系统在电磁上是互相联系的，在网络结构上又是相互连通的，因此配网故障 很可能会影响整个系统，造成大面积停电。以上种种原因促进了可靠性研究在这一 领域的迅速发展。自从1 9 6 5 年一系列这一领域的学术论文问世以来，到目前为止， 无论是在数据统计方面，还是在评估的模型和算法方面都形成了较为成熟的方法。 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。把停电损 失列入规划方案的比较项目，将可靠性与经济性统一协调，使可靠性技术的应用发 展到了一个新的层次。国内配电系统可靠性的工业应用研究起步较晚，八十年代才 开始这方面的工作。 这一领域的研究进展主要存在以下几方面的困难： ( 1 ) 计算方面的困难 中压配电系统元件众多、结构复杂、负荷密集，是一类相当复杂的大型系统， 涉及大规模网络问题，而大规模网络可靠性评估一般属于n p ( n o n d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l ) 难题，属于组合数学的研究范畴。采用一些简单的方法虽会大大减少 计算时间，但同时会牺牲精度。计算时间和计算精度的矛盾还有待进一步解决。 ( 2 ) 模型形成上的困难 中压配电系统有其独特结构，它为网状结构，而呈辐射方式运行。网络中存在 大量的联络开关、分段开关、断路器等，此外还有许多因素，诸如：1 ) 元件失效 和修复过程；2 ) 负荷特性；3 ) 气候条件的影响：4 ) 切换操作过程；5 ) 计划检修 等，要把这些因素全部考虑到系统中进行模拟显然是不现实的，即使能进行这样的 模拟，也势必非常复杂而难于求解。 ( 3 ) 数据统计方面的困难 配电系统可靠性评估在工程上的应用需要大量各种不同类型的数据，例如各种 元件的永久性故障、瞬时性故障、活动性故障、不同气候条件下的故障等随机数据， 以及一些必要的确定性判据。没有可信的统计数据就不能正确做出规划和运行方案 决策，甚至会出现相反的结论。 随着电力工业由传统垄断管理向竞争的电力市场机制的转变，配电网规划将变 得更趋向于商业化，同时利润将成为所有投资和运行决策的重点。在利润决策中要 把可靠性指标包括进去，以使投资与适当的可靠性等级间达到平衡。为了提高配网 规划、建设及改造的科学决策水平，合理利用资金，有必要利用基于概率方法的配 电系统可靠性评估技术，即通过计算配电网随机故障造成的用户停电损失，用综合 考虑投资、运行费用和停电损失的年最小费用的方法来进行方案的决策。国外的实 践表明，使用这一技术不但可获得显著的社会效益，而且可以取得重大的经济效益 埔1 。长期以来，美国、英国、加拿大、日本、法国、西欧及独联体各国都投入大量 资金对配电系统可靠性进行了专门的研究，且相关研究成果已经用于生产实践。 一3 一 华北电力大学硕士学位论文 目前工程上普遍应用的电网评估的方法有模拟法和解析法两大类。解析法是根 据元件的概率参数，对预想的停电事件进行逐个评估和计算，通过数值方法得到系 统的可靠性指标。解析法原理简单、模型准确，已广泛应用于辐射状配电系统的可 靠性评估，而且便于有针对性地进行不同元件性能对电网可靠性的影响分析。模拟 法通过模拟元件寿命的实际情况，根据元件寿命的概率分布对系统的状态进行若干 时间的抽样，并对每个抽样状态进行分析和计算，最终得到可靠性指标。模拟法能 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需 要耗费大量的计算时间，另外模拟法也不便于进行有针对性的分析。本文采用解析 法来进行方案的可靠性评估计算。 1 4 配电网开关优化配置研究的概况 开关优化隶属于配电网可切换元件最优配置问题，其建模常以成本一效益分析 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、连续一离散 混合的组合优化问题，且目标函数不易用决策变量解析表达，计算复杂性较大一1 。 求解最优切换问题的方法有很多类归2 ，其中馈线的简单分段法n k l 2 3 、直接计算 法n0 培1 、启发式方法n 卜埔1 等缺乏普遍适用性，难以较好地解决实际问题心副，具有普 适性的方法主要有2 类： ( 1 ) b e l l m a n 方法。 其核心思想是：最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 1 7 提出一些经验规则，在一定程度上减少了元件配置的组 合数，从而可减小搜索时间；然而，这些经验规则缺乏理论依据，可能导致算法陷 入局部最优，从而丢失最优解。文 1 8 根据开关优化的特点设计了动态规划算法， 并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。 ( 2 ) 随机优化方法。 文 9 利用模拟退火方法对配电网的开关设备进行了优化配置，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。文中对没有配置任何开关的初始网络以及 任一支路前后皆配置隔离开关两种情况进行对比，前者没有投资但可靠性较低，因 而停电损失费用高；后者则有很高的可靠性，停电损失较低，但有高昂的投资及其 运行维护费用。因此，作者认为这两种方案之间必有一种能有效协调可靠性与经济 性的开关配置方案。 华北电力大学硕+ 学位论文 文 1 9 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，该遗传算法提高了计算速度，但在计算精度方面值得商榷。 文 2 0 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、运行维修费用和停电损失的计算方 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 置数目和位置，并得到系统的可靠性、投资费用和停电损失等。 文 2 1 利用t a b u 搜索对开关优化配置问题进行了求解，该文综合考虑了配电 网的分段开关和联络开关，提出了基于禁忌搜索的配电网开关优化算法。算法以单 线搜索和多线搜索相结合的策略，克服了传统禁忌搜索由于初始解选择不当容易造 成寻优效率低下的不足。移动操作则以单步、交换及多步移动相结合的方式，同时 兼顾了搜索的局部扰动和全局扰动。 1 5 本文研究的主要内容 本文主要研究工作如下： ( 1 ) 配电自动化系统的主要目的之一在于尽量减少停电面积和缩短停电时间。 本文介绍了两类常用的配电自动化模式，并对馈线自动化相关开关设备进行了较为 详尽的介绍。 ( 2 ) 给出了配电网各种可靠性评价指标，基本公式和一种基于解析法的配电 网可靠性计算方法。其将可靠性指标停电电量损失( e n s ) 表示成0 - 1 开关变量的 多项式，能够考虑故障的隔离和恢复对可靠性的影响。利用该方法对简单算例进行 分析，得出了较为理想的结果，验证了该方法的正确性。 ( 3 ) 首次应用微分进化算法来解决配电网的开关优化问题。配电网各种开关 的配置对其供电可靠性影响很大，供电的可靠性和经济性是一对矛盾体，如何解决 两者之问的平衡，是一个需要解决的问题。配电网开关优化的主要任务是在可靠性 成本一效益分析的基础上，寻求开关的最优数量和最佳装设位置。本文给出开关优 化的数学模型及基于微分进化算法的模型求解方法，分析了开关投资、运行维修费 用和停电损失的计算方法。通过对该模型计算，确定开关的最优配置数量和位置， 并得到系统的可靠性、投资费用和停电损失等指标。 华北电力人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章配电自动化与配电开关配合 配电系统是电力系统中直接面向电力用户以分配电能为目的的系统。通常把 l l o k v ，3 5 k v 级称为高压配电网，l o k v 级称为中压配电网，0 4 k v 级称为低压配电 网。 配电自动化是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系 统，其内容包括配电网数据采集和控制( s c a d a ) 、配电地理信息系统( g i s ) 和需 方管理( d s m ) 。 配电自动化系统的主要目的之一在于尽量减少停电面积和缩短停电时间。在正 常运行情况下，通过监视配网运行工况，优化配网运行方式；当配网发生故障或异 常运行时，迅速查处故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区 域用户的供电，缩短停电时间，减少停电面积。配电自动化可以根据配网电压合理 控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行目的；可以合理控制用电 负荷，从而提高设备利用率，有助于使配电网的潜力得以最大限度地利用，使得电 力公司和用户均能从中受益。配电自动化还可以实现自动抄表计费，保证抄表计费 的及时和准确，提高了企业的经济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电 信息服务等。因此，配电自动化有着重要的意义，是电力系统现代化的必然趋势。 2 2 配电自动化的模式 配电自动化系统一般有两类模式。 一类是采用配电自动化开关设备相互配合的无通讯的配电自动化系统，主要设 备是重合器和分段器，有两种方式： ( 1 ) 重合器配合配电开关( 或称带时限电压型柱上分段开关) 的电压控制机 制； ( 2 ) 重合器配合自动分段器( 或称过流脉冲计数型分段器) 的电流控制机制。 该模式故障发生时能够准确地判断故障区段，自动隔离故障区段，恢复健全区 域供电。这种模式的缺点是t l 动化程度不高，功能单一，仅在线路发生故障时发挥 作用，无法通过远程遥控完成正常地倒闸操作，不能实时监控线路的负荷，而且切 断故障时间长、开关设备动作频繁、事故波及范围大，属于较低层次的配电自动化， 一6 一 华北电力大学硕士学位论文 但优点是配电自动化系统结构简单，建设费用低，不需要建设通信网络和通信信道， 不存在电源提取问题，不依赖于监控后台，而是依靠配电设备之间的配合来实现， 所以适用于配电系统自动化发展的初级阶段和城市郊区及农村配电网。 另一类为基于馈线终端设备( f t u ) 和通信网络的配电自动化系统。 该模式可以在系统故障时隔离故障区域，正常时监控配网运行，优化运行方式， 实现安全经济运行；恢复健全区域供电时，可以采取安全和最佳措施j 可以和g i s ， m i s 等联网，实现配网信息化。 所需主要设备为f t u 、通信网络、区域工作站、配电自动化计算机系统。f t u 分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷电流、电压功率和开关当前位置状态等， 并将这些信息由通讯网络发向远方的配电系统自动化控制中心，各f t u 还可以接受 配电系统自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各 f t u 追忆故障前及记录故障后的重要信息，如最大故障电流和故障前的负荷电流、 最大故障功率及功率方向等，并将上述信息传至配电系统自动化控制中心，经计算 机系统分析后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、 恢复健全区段供电。这是一种高性能的配电线自动化系统实现模式，是今后馈线自 动化发展的方向。这种方式的优点是可实现故障一次定位，减少配电设备的动作次 数，故障处理时间较短。其不足之处在于所有的功能均依赖于通信手段，对瞬时性 故障仍没有较好的处理手段。由于其结构复杂，建设费用高，存在电源提取等问题， 普遍实现较为困难，因此适用于城网、负荷密度大的地区、重要工业园区、供电途 径多的网格状配电网以及其它对供电可靠性要求高的区域心3 h 2 钉。 2 3 配网开关设备 配网开关设备包括断路器、隔离开关、负荷开关、重合器、分段器、熔断器以 及新型成套组合电器等。保护用开关设备的作用是为了隔离故障，限制故障范围， 保证非故障部分正常供电，从而提高配网的供电可靠性；在正常运行情况下，进行 倒负荷操作以调整网络结构，平衡负荷、消除过载，提高供电电压质量，另一方面 可以降低网损，提高网络运行的经济性。因此，开关设备的特点和开断能力也是配 网自动化必须了解的内容，下面就对各开关做简要介绍。 2 3 1 断路器 高压断路器是用来接通或切断处于各种状态下( 包括事故状态) 的线路或负载 的高压电器。高压断路器按灭弧介质的不同，可以分为液体介质断路器、气体介质 断路器、真空断路器和磁吹断路器。液体介质断路器中有多油断路器和少油断路器， 一7 一 华北电力大学硕十学位论文 气体介质断路器有压缩空气断路器和s f 6 断路器。 现代配电网中真空断路器和s f 6 断路器居多。真空开关的最大特点就是触头和 灭弧系统极其简单，而且还具有体积小、重量轻、使用寿命长、适于频繁操作、灭 弧室不用检修等优点。7 0 年代末，我国已经开始生产和使用1 2 k v 真空断路器，开 断容量不超过1 7 3 k a 。8 0 年代初，随着真空触头材料和形状上的改进，采用的纵 磁场灭弧使7 2 1 2 k v 级产品容量已达4 0 5 0 k a ，额定电流3 1 5 0 a ，机械寿命2 万次。 我国真空断路器的产品型号已达5 0 余种。s f 6 断路器的设计精巧、可靠，使用方便， 绝缘性能好，结构紧凑，节省空间，操作功小，噪音小，s f 6 气体密封条件好，能 够保持装置内部干燥，不受外界潮气影响，而且它具有良好的灭弧特性，使得燃弧 时间短，电流开断能力大，触头的烧损腐蚀小等优点，所以可以适用于户内、居民 区、煤矿或其他有爆炸危险场所曙引。 断路器是配网目前最普遍使用的开关设备，其自带的保护功能是典型的配电网 初级自动化。目前，国内在配网设备选型时，经常把断路器作为一款在未实施配网 自动化系统时，线路保护用的电气开关，随着配网自动化的实施，其保护功能由配 网自动化系统来实现，断路器退而成为一款能够与配电自动化系统进行配合的负荷 开关来使用。但作为以后与配电自动化系统配合的柱上开关，断路器机构特性及预 留的各种自动化接口是选型中特别要注意的。 2 3 2 自动重合器 交流高压自动重合器( h v a u t o m a t i cc i r c u i tr e c l o s e rf o ra c s y s t e m ) ，简称重 合器，是一款典型的以配网自动化就地保护为主的智能化开关设备，能够检测故障 电流，并能在给定时间内遮断故障电流以进行给定次数的重合。它自具控制及保护 功能，能够按照预定的开断和重合顺序在交流线路中自动进行开断和重合操作，并 在其后自动复位和闭锁，其本身具备故障电流( 包括过电流及接地电流) 检测和操 作顺序控制及执行功能，无需附加继电保护装置和提供操作电源。 重合器按相数分有单相、三相；按控制方式分有液压( 机械) 、电子；按灭弧 介质分有油、六氟化硫、真空；按安装方式的不同有柱上、地面、地下之分。 重合器和断路器相比，有以下不同的地方： ( 1 ) 作用不同。对重合器强调的是识别故障所在地，而断路器强调短路故障 的切除。前者强调开断、重合操作顺序、复位和闭锁；而后者仅强调开断和关合。 ( 2 ) 结构不同。重合器的结构由灭弧室、操动机构、控制系统和高压合闸线 圈等四部分组成；而断路器仅由灭弧室和操动机构两部分组成。 ( 3 ) 控制方式不同。重合器是自具控制设备，检测、控制、操动自成体系， 无需附加装置；而断路器与其控制系统在设计上往往是分别考虑的，其操作电源需 一8 华北电力大学硕十学位论文 另外提供。 ( 4 ) 开断特性不同。重合器的开断具有反时限特性和双时性。所谓双时性， 即重合器的时间一电流特性有快、慢之分。而断路器所配继电保护装置虽有定时限 与反时限之分，但无双时性。 ( 5 ) 操作顺序不同。不同重合器的闭锁操作次数、分闸快慢、重合间隔等一 般都不同；依使用地点和前后配合的开关设备的不同而有不同的操作情况；而断路 器的循环操作顺序常由标准统一规定，如分- 0 5 s - 合分- 1 8 0 s - 合分。 ( 6 ) 开断能力的意义不同。同样额定开断电流的重合器和断路器，是用不同 的试验条件和试验程序来考核的，前者比后者苛刻。 ( 7 ) 使用地点不同。重合器既可安装于变电所内，也可安装在荒郊野外的柱 上；而断路器因受操作电源和继电保护装置的限制，只能安装在变电所内 2 6 o 2 3 3 分段器 线路自动分段器( a u t o m a t i cl i n es e c t i o n a l i z e r s ) 简称分段器，是一种与电源侧 前级开关设备相配合，在无电压或无电流的情况下自动分闸的开关设备。它串连于 重合器或断路器的负荷侧，当发生永久性故障时，它在预定的“记忆”次数或分合 操作后闭锁于分闸状态而隔离故障线路区段，由重合器或断路器恢复对电网其他部 分的供电，使故障停电范围限制到最小。当瞬时性故障或故障已被其他设备切除而 未达分段器预期的记忆次数或分合操作时，分段器将保持在合闸状态，保证线路的 正常供电。 分段器是一种有自具功能的开关设备，但是没有短路开断能力，也没有时间一 电流特性，只根据“记忆的过电流脉动次数或“感觉 到的“电压一时间 状态 动作。 分段器较之熔断器优越之处在于排除故障不需要换熔断件，因而恢复供电迅 速；能关合短路，故能方便地识别故障在何处；无时间一电流特性，故无前后级保 护和t - i 特性曲线选择不当之忧，尤其是能方便地用在t - i 特性曲线非常接近的两 个开关设备之间，以解决线路分支处不易配合的问题。 分段器按其识别故障原理的不同，可分为“过流脉冲计数型 和“电压一时间 ( u - t ) 型两大类，后者又称“重合式分段器”。分段器也有单相、三相；液压控 制、电子控制之分。 自动配电开关就是一种常见的i j - t 型分段器。自动配电开关又称自动重合分段 器，具有自动重合和故障计数功能，主要是用于线路上作为联络、环网、分段用， 对城市电网比较适用，它主要与变电站内具有重合功能的断路器配合，断路器重合 次数为二次( 重合器重合次数可为三次) 。自动配电开关由以下几个部分组成： 一9 一 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 自动配电开关本体，它具有合分负荷电流和关合短路电流的能力，但不 具备短路电流开断能力，实际为负荷开关； ( 2 ) 电源变压器，接在配电开关电源侧，以提供开关的合闸能源和线路带电 状态信号； ( 3 ) 控制器，是自动配电开关的核心，根据电源变压器提供的电压信号执行 合闸、闭锁、故障判断任务。在一条线路上可以串联、并联任意组自动开关，各自 动配电开关之间的合闸时间应严格区别开，作为故障判别依据。它的合分闸操作是 随变电站主保护开关的状态而定，当主保护开关合闸，配电开关的电源端接受到有 电压信号，则按预先整定时问配电开关合闸，当电源( 保护开关) 因故障或正常停 电，则自动配电开关全部分闸口7 1 。 2 3 4 熔断器 熔断器也是一种电路开关设备，俗称保险，是人为设置于电路中的一个最薄弱 导电环节。它相当于一种过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，与 重合器及分段器配合使用可使其功能得以增加，而且熔断器在结构特性上不断完善 及价格上的优势，使它越来越受到人们的重视和欢迎。 熔断器与其它开关设备的不同之处在于断口的建立不是靠拉开的触头，而是靠 熔断件( 又称熔丝) 在自身焦耳热( 1 2 r t ) 的作用下烧断气化而产生。 熔断器的熔断件分为线状和带状两类。前者多用于额定电流小的熔断器中，后 者多用于额定电流大的熔断器中。限流式熔断器多采用几个熔断件并联。 熔断器开断电路的过程大致分为三个阶段：弧前阶段：过电流开始到熔断件 熔化；燃弧初期阶段：熔断件熔化到产成电弧；燃弧阶段：持续燃弧到电弧熄 灭。 熔断器按灭弧室结构和灭弧性能的不同可分为三类：喷逐式，限流式和全范围 熔断器( 又称万能式熔断器) 。但无论哪一类熔断器( 不包括所带负荷开关) ，基本 都由熔管、接触导电部件、支持绝缘及安装板( 座) 等几部分组成心引。 2 3 5 负荷开关 负荷开关主要用于配电系统中关合、承载、开断正常条件下( 也可能包括规定 的过载系数) 的电流，并能通过规定的异常( 如短路) 电流，也就是说负荷开关可 以合、分正常的负荷电流以及关合短路电流，因此负荷开关受到使用条件的限制， 不能作为电路中的保护开关，及负荷开关必须与具有开断短路电流能力的开关设备 相配合，通常是负荷开关与高压熔断器相配合，正常的操作( 合、分负荷电流) 由 一1 0 华北电力大学硕士学位论文 负荷开关来完成( 无论是手动操作还是电动操作) ，故障电流由熔断器来完成开断。 负荷开关按结构可分为油、真空、六氟化硫、压气型，操作方式分为手动、电 动合分。其中，油、真空、六氟化硫负荷开关由于灭弧介质的要求，具有灭弧室固 定的容器，其结构型式类同于断路器，但没有开断短路电流的能力，保护的可靠性 要求及种类不及断路器。 由于负荷开关的特点，它一般不作为直接的保护开关，主要用于较为频繁的操 作场所，也正是负荷开关的这一特点符合配网自动化应用的要求，目前在配网自动 化系统的设备选型中大量采用了负荷开关装置位7 1 。 2 4 配网开关设备的配置 配电网开关设备的配置包括开关设备类型、数量、位置的确定，而其优化配置 与定位就是从开关设备的备选位置集合中选择一组最优方案，使停电收益最大，或 开关设备的投入使停电损失的减少最大。开关设备的配置方案不同，可靠性提高的 程度及投资的经济性也不同，因此，配电网中开关设备的优化配置与定位是配网规 划与改造的重要内容之一。 配电系统中开关设备的选用与系统的规模、结构有关，也与配电自动化的层次 密切相关。先要视具体的线路及负荷情况和各开关设备本身的特点来定性布设各类 开关设备，不从经济上作过细的计算，只着眼于装置的选择与配合满足基本准则的 要求。农村电网或城郊电网的一个特点是负荷分布广，线路长，短路及负荷电流都 较低，而负荷电流相对于故障电流又比较高；另一个特点是单相分支较多。对这种 线路，由于线路的末端普遍采用熔断器，且不止一级，瞬时故障的几率也大，重合 器的双时特性( 快、慢及反时限特性) 可得到充分利用，因而适宜于用重合器与熔 断器的配合。在干线和重要的分支线上宜用重合器与分段器配合使用。城市电网的 特点是高负荷密度和大负荷电流，线路导线截面积大，短路电流大，重合器与熔断 器的配合就显得不甚恰当。主干线适宜于用断路器( 或重合器) 与重合式分段器的 配合，并与自动负荷转换供电方式相结合，而分支线出口处可采用重合器、分段器 或熔断器，以提高供电的可靠性。重合器多用于线路首端主干线，对于那些线路长、 用户多的分支线也可选用重合器。分段器的最小数量的确定与各供电线路的保护范 围和用户经济能力有关。 除此之外，还用“成本一收益 是否合算的工程经济观点作一些分析比较。线 路上某开关设备的最优位置是线路上预期能量损耗有效减小量最高的地方，最优位 置可以通过估算开关设备运行于不同位置的收益来决定。要进行这种估算，就必须 知道某些基础的数据，如线路长度、故障率、故障检修后的修复时间、负荷情况等 华北电力大学硕七学位论文 等，故障率与开关设备有效性能密切相关。这些都必须建立在各供电单位长期积累 的统计数字或科学的统计计算的基础上。 目前的开关设备的配置与定位多是以规程和导则为依据，结合传统的经验，根 据具体的实际情况，导出每一种类型开关的设备定位和投资的简单经验法则，得出 使用各种开关设备配置与定位的有效性评估方法。这种方法虽然有一定的定量计 算，但很难得到通用的计算方法，经验法则也随着实际线路和开关的不同而变化， 而且多靠专家经验，计算工作量大，人为因素较多，无法对开关的配置与定位做到 优化，对配网的可靠性和经济性都会带来较差的影响。因此，对配网开关设备的配 置与定位进行优化，是配网自动化发展的一个必然要求。 本文提出了一种馈线自动化开关配置的模型，并利用微分进化算法，在考虑设 备成本和收益的基础上，提出了开关设备配置与定位的优化算法。 1 2 ， 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章配电网可靠性评估 对配电系统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，且便于系统之问的比较。于是，人 们发展了配电系统可靠性充裕度指标，即在规定的运行环境下按容许质量标准充分 满足电力用户持续供电的能力汹1 。充裕度指标既能反映系统故障的频率和持续时 间，又能反映系统的缺电量，而这种缺电量正是系统规划方案中投资与停电损失综 合决策的重要量值。充裕度表征了系统的静态可靠性，即稳态条件下电力系统充分 满足用户电力和电量需求的能力。可靠性充裕度指标的计算可表示成如下几个步 骤： ( 1 ) 确定供电负荷和用电过程对供电可靠性的要求，从而确定合适的停电定 义： ( 2 ) 进行元件故障模式和影响分析，判别造成电网停电事件的每一元件故障 及其组合故障； ( 3 ) 计算每一停电事件发生的频率，平均持续时间以及相应的事件发生概率； ( 4 ) 组合所有停电事件的计算结果，产生要求的系统和负荷点可靠性指标。 3 2 配电网交流潮流算法 配电网潮流算法是配电网网络分析的基础，与输电网相比，配电网的网络结构 有着明显的差异。配电网的结构呈辐射状，在正常运行时是开环的。配电网的另一 个特点是配电线路的总长度较输电线路长且分支线较多，配电线路的线径比输电线 路细导致其r x 的比值较大，线路的充电电容可以忽略。由于配电线路的r x 比值 较大，无法满足p q 解耦条件g i m 8 7 6 0 系统缺供电量指标e n s ( e n e r g yn o ts u p p l i e d ) e n s = yp 口，配 ( k w h 年) ( 3 1 1 ) - 一 f e 詹 p 。i 是负荷点i 的平均负荷( k w ) 。 系统平均缺供电量指标a e n s ( a v e r a g ee n e r g yn o ts u p p l i e d ) 用户数之比表示。 彳e n s = 氟e n s ( k w h 年) 一1 6 一 以总缺电量与总 ( 3 - 1 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 用户平均缺电量指标a c c i ( a v e r a g ec u s t o m e rc u r t a i l m e n ti n d e x ) 以总缺电量 与停电用户总数之比表示。 a c c i ：善粤( k w h 停电用户年) ( 3 1 3 ) 己朋 i e 矗 上面所描述的用户有关的指标和负荷有关的指标通常也被统称为“系统行为指 标。由于下面三个重要原因，系统行为的评估成为一种非常有价值的方法：( 1 ) 确定系统行为的年度变化，从而有助于确定薄弱环节以及所需要的增强性措施。( 2 ) 确定当前的指标，并把它们作为令人满意的参考值用于将来可靠性的评估中。( 3 ) 能够做出事先的预测，以便同实际的运行经验进行比较啪1 。 3 3 2 可靠性计算的基本公式 ( 1 ) 串联系统 所谓串联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，若其中一个元件故障， 系统就算故障。换句话说，必须所有元件同时完好，系统才算完好。 对于串联系统，根据马尔柯夫过程理论，可以推导出实用于工程计算的公式： 五= 丑 ( 3 一1 4 ) 咯= 銎：宰净 以 如 虬= 钯= 以咯 ( 3 1 6 ) i - l 式中，元元件i 的故障率，次年； ，：元件i 的故障修复时间( 或称故障停电时间) ，h 次； ( 2 ) 并联系统 所谓并联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，必须所有元件同时故 障，系统才算故障。换句话说，只要其中一个元件工作，系统就算处在工作状态。 两元件并联的计算公式 以= a 五( + 眨) ( 3 1 7 ) 2 ? 一 + 艺 一1 7 一 ( 3 - 1 8 ) 华北电力大学硕十学位论文 三元件并联的计算公式 玑= 以= a 五 五= 五五( ，i 吃+ r 2 r 3 + r 3 r 1 ) 2 石而r l r 2 r 3 q = 五= a 五毛吒吃吩 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 以上各式中，五- 、2 ：、a ，分别为元件1 、2 、3 的故障率，次年； ，i 、吒、吒分别为元件l 、2 、3 的故障修复时间( 或故障停 电时问) ，h 次；