（电力系统及其自动化专业论文）以遗传算法为基础的配电网网架结构优化.pdf

摘要 对配电网的网架结构进行科学有效的规划可以节约投资、 减少停电、 降低网损、 提高供电质量，是当前电力部门的一项重要任务。本文采用基于 自 然选择和自然基 因机制的遗传算法，利用简单的编码技术和繁殖机制来模拟复杂的网架结构优化过 程。求解网架结构优化问题时，遗传算法通过循环执行相同的、极其简单的选择、 杂交和变异三种遗传操作，并在适应度函数值的引导下在搜索空间中进行自适应概 率性全局搜索，直至获得全局最优解。本文最后重申了配电网网架结构规划的重要 性和迫切性，并通过分析对比遗传算法与传统优化方法的优缺点，阐述了遗传算法 在电力系统的广泛应用前景。 关键字:配电网，网架结构优化，遗传算法，适应度函数 abs tract a s c i e n t i fi c a n d e f f i c i e n t o p t i m i z a t i o n p r o j e c t f o r d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s t r u c t u r e c a n s a v e i n v e s t m e n t , r e d u c e p o w e r - c u t t i n g a n d t h e l i n e l o s s e s , a s w e l l a s i m p r o v e t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c p o w e r , w h i c h i s c u r r e n t l y o n e o f t h e p o w e r s y s t e m. t h e g e n e t i c a l g o r i t h m b a s e d o n i m p o r t a n t t a s k o f t h e d e p a r t m e n t s o f n a t u r a l s e l e c t i o n a n d n a t u r a l g e n e m e c h a n i s m i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . i t s i m u l a t e s t h e n e t w o r k s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n b y s i m p l e e n c o d i n g t e c h n i q u e a n d p r o p a g a t i n g m e c h a n i s m. wh i l e r e s o l v i n g t h e n e t w o r k s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n , t h e g e n e t i c a l g o r i t h m e x e c u t e s t h r e e s a me a n d s i m p l e g e n e t i c o p e r a t o r s : s e l e c t i o n , c r o s s i n g a n d m u t a t i n g . i t m a k e s a s e l f - a d a p t a b l e a n d p r o b a b i l i t y o v e r a l l s e a r c h i n g u n d e r t h e l e a d i n g o f f i t n e s s v a l u e i n t h e w h o l e s e a r c h i n g s c a l e u n t i l a c q u i r i n g t h e b e s t r e s u l t . i n t h e e n d , t h e p a p e r r e a f f i r m t h e i m p o r t a n c e a n d i m m i n e n c e o f n e t w o r k s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , a n d d i s c u s s t h e w i d e f o r e g r o u n d o f g e n e t i c a l g o r i t h m a p p l y i n g i n e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m o n t h e b a s i s o f c o m p a r i s o n o f t h e a d v a n t a g e a n d s h o r t c o m i n g o f i t a n d t r a d i t i o n a l a l g o r i t h m. j i a n g x i n ( b e ij i n g e l e c t r i c a l p o w e r d e s i g n i n s t i t u t e ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g j i a n 少u a k e y w o r d s : d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , n e t w o r k s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n , g e n e t i c a l g o r i t h m, f i t n e s s f u n c t i o n 华北电力大学硕士毕业论文 第一章 引言 1 .1 概述 在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能，一 般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的 网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的电 压等级较低网络就是配电网。配电网直接降高压电源变为工农业生产、城市居民和 商业用电，覆盖面广，直接关系到社会发展和百姓生活。 电力是经济发展的先行，一个安全、可靠、经济的供电系统是保障国民经济高 速发展的先决条件，而供给用户满意的电能必然要求有一个容量充足的高度可靠的 配电网。而我国配电网建设却不能适应城市经济社会发展的需要，其原因是城市经 济增长迅速，而城市电网发展缓慢，表现在设备陈旧、供电容量不足、电网结构不 合理、可靠性差、电能质量低等方面。因此，近些年国家投入巨资实施城乡配电网 的改造工程以提高配电系统的供电能力和安全经济运行，配电网建设已经成为了当 今电力建设的重头戏。 与输电网相比， 配电网络的电压等级较低、 供电范围小， 但因直接和用户相连， 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。 过去由于“ 重发、 轻供、不管用” ，致使配电网建设比较落后。更由于配电网规划的不尽合理或根本 没有规划，导致大部分地区现有网体结构混乱，供电质量不高。这些年全国工业和 第三产业的高速发展，使配电网受到严峻考验，因此必须通过制定规划来改变我国 配电网落后的现状，用规划来经济有效地指导配电网建设和改造。 1 . 2 我国配电网的现状和存在的问题 1 . 2 . 1 我国配电网的现状 改革开放以来，社会和经济发展迅速，对电力需求越来越大，为我国电力工业 的发展带来了广阔的发展空间，电网规模不断扩大。但是，随着经济的高速发展， 用电负荷需求量大而且集中，对供电质量、可靠性的要求大幅提高，普遍出现配电 网不能充分满足各方面要求的现象，充分暴露出由于过去没有得到足够的重视、致 使配电网的建设严重落后于经济和社会发展的问题。近年来，全国几乎所有大中等 城市夏季负荷高峰年年增长，严重过负荷，使得最薄弱且改造难度最大的配电网面 临前所未有的严重压力。目前我国配电网普遍存在容量不足、网架结构不合理、设 备陈旧、带 “ 病”运行、电能质量不够理想、损耗大等问题，制约着国民经济的持 续稳定增长，影响社会发展和百姓生活。不难看出，配电网建设的严重滞后已经成 为制约用电市场进一步扩大的瓶颈，影响到国民经济的发展。因此加快配电网建设 与改造己是当前电力工业的迫切任务。 华北电力大学硕士毕业论文 1 . 2 . 2 我国配电网存在的问题 配电网位于电力系统的末端，直接和用户相连，整个电力系统对用户的供电能 力和供电质量最终都必须通过它来实现和保障，这就表明了配电网在电力系统中的 重要地位。随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，用户对配电网的 经济性和可靠性提出了新的要求，这一切都要求在进行配电网规划和建设时必须把 提高配电网的经济效益及供电可靠性放在十分重要的地位。我国大部分城市，多年 以前规划建设的配电网早已不符合现在日 新月异的发展形势，满足不了用户对电能 质量的要求，对配电网进行重新规划、建设和改造己经成为迫切需要。近几年来国 内多数城市的配电网已有很大的发展，新的高压变电所增加，老的变电所升压、增 容，电网中引入超高压输电线，高压电网结构趋向合理，安全性有一定提高。但是 在普遍进行的配电网改造中都会面临以下几方面的问题: 1 )配电网供电能力不足，不能适应电力市场流通和消费的需要 据统计， 全国发电量总数的8 0 %是经城市电网分配给用户， 这充分说明了城网 在国民经济和社会发展中的作用和地位。 随着我国的经济发展， 第三产业迅速发展， 人民生活水平不断提高，城市用电负荷迅猛增加，而配电网的发展跟不上负荷增长 速度。配电网建设虽然有了一定的发展，但依旧存在容量不足的问题。多数城市配 电网的主干线导线截面偏小，每年用电高峰期，各地配电网主设备过载严重，不得 不采取高峰限负荷或者拉闸限电措施。城市负荷密度高、短路容量高，但城区变电 所较少，变电容载比偏低。 2 )电网线损居高不下，经济性差 配电网的线损过高是一个存在己久但急需解决的问题。资料表明，我国线损率 比同期欧美等国家的线损率高出2 -3 个百分点。 权威数据显示， 我国各城市 1 1 0 k v 及以下配电网线损电量约占总线损量的6 0 %， 因此降低配电网的线损是进行配电网 规划建设的主要任务之一。 3 )电压质量不高 电压和频率是影响供电质量的主要因素。频率由发电厂控制，配电网应保证电 压合格。我国配电网电压质量偏低，综合电压合格率不足 9 3 %，少数地区 i o k v母 线电压合格率停留在8 6 %-9 0 %。 主要原因是负荷增长过快， 无功补偿不足或缺乏 无功调节手段，供电线路过长而导线截面小等。如果无功电源配置和调节手段不适 应负荷发展，电网电 压水平不能满足电能质量要求，将引起设备损坏或效率下降， 有些电网还出现电压崩溃造成停电事故。 4 )电网结构薄弱，供电可靠性不高 如何保证供电可靠性，是供电部门的基本职能。如今负荷的构成比 例较之过去 已经发生了很大变化，例如居民用电、商业用电有明显增加，使有些线路和变压器 负荷加大，容易出现超负荷而造成局部停电;而系统自身存在的缺陷也会导致局部 - 6- 华北电力大学硕士毕业论文 故障扩大成大面积长时间的停电事故。 我国配电网设备陈旧、 老化， 使得故障频发， 供电质量差。我国大多数地区 l o k v供电可靠性仍在 9 9 . 8 %以下，而目前国际上发 达国家供电可靠性在 9 9 . 9 9 以 上，相比 之下有着很大的差距。因此应考虑从网络 结构、配电技术设备水平及运行维护等方面采取措施以满足用户对供电可靠性的基 本要求。 配电网存在的这些问题，一方面主要是因为对配电网建设的地位和作用认识不 够:另一方面是由于长期以来我国电力供应紧张，缺电严重，导致电源与电网建设 投资比例失调， 在配电网方面更为严重， 从而导致配电网建设严重滞后于电源建设。 为此，我们应对配电网建设进行长远、统一的规划。 1 . 3 配电网网架规划的特点 配电网的规划可根据规划内容分为长期规划、网络规划和施工设计三部分。长 期规划用于确定未来的主要投资项目 和主网架的结构:网络规划用于处理近期的各 种投资项目;施工设计是用来考虑各个网络元件的结构设计以及考虑能否获得各种 设备和材料。本文主要讨论长期规划中网架结构的优化，即确定配电线路主干线的 供电半径、走向位置及导线截面积等。对配电网的网架结构进行规划设计必须做到 安全与经济的统一，因此是一个非常复杂的优化问题，其主要特点如下: 1 )非线性。电力系统是一个非线性系统。从电网规划方面来看，线路的投资 费用、可靠性等指标以及规划过程中的潮流算法都是非线性的。 2 )整数性。电力线路的建设与投运是0 -1 性质的，即要么没有一要么有，不 存在一个过渡状态。正是由于这种不连续性，给分析和处理带来了很大的难度，规 划时需采用整数规划。 3 )不确定性。配电网的规划很大程度上依赖于负荷预测值，而负荷预测值的 准确性有待将来的验证。投资费用也因为物价变化存在不确定性，同时在社会和经 济发展过程中还存在其他各种不确定因素，采用常规的数学规划进行电网规划时无 法考虑这些不确定因素。 4 )多目 标性。配电网网架规划既要求投资费用少，同时需满足可靠性高、占 地面积少、环境污染小等要求，这样就存在一个如何综合衡量多个目 标的优劣的问 题。可以引入模糊数学中的隶属函数来评价整体目 标的满意与否。但是隶属函数的 确定很灵活，需要引入专家的知识和经验。 5 )多阶段性。配电网的规划工作既要满足系统的当前需要，同时也要考虑到 当地经济的发展和负荷的增长。进行配电网改造时，应避免短期行为和盲目 性，从 长远角度综合考虑电网布局，即要求在现阶段的规划中应计及各待架线路对以后各 阶段的影响。 通过配电网网架规划来指导配电网建设，可以加强配电网的改造，使配电网结 7- 华北电力大学硕士毕业论文 故障扩大成大面积长时间的停电事故。 我国配电网设备陈旧、 老化， 使得故障频发， 供电质量差。我国大多数地区 l o k v供电可靠性仍在 9 9 . 8 %以下，而目前国际上发 达国家供电可靠性在 9 9 . 9 9 以 上，相比 之下有着很大的差距。因此应考虑从网络 结构、配电技术设备水平及运行维护等方面采取措施以满足用户对供电可靠性的基 本要求。 配电网存在的这些问题，一方面主要是因为对配电网建设的地位和作用认识不 够:另一方面是由于长期以来我国电力供应紧张，缺电严重，导致电源与电网建设 投资比例失调， 在配电网方面更为严重， 从而导致配电网建设严重滞后于电源建设。 为此，我们应对配电网建设进行长远、统一的规划。 1 . 3 配电网网架规划的特点 配电网的规划可根据规划内容分为长期规划、网络规划和施工设计三部分。长 期规划用于确定未来的主要投资项目 和主网架的结构:网络规划用于处理近期的各 种投资项目;施工设计是用来考虑各个网络元件的结构设计以及考虑能否获得各种 设备和材料。本文主要讨论长期规划中网架结构的优化，即确定配电线路主干线的 供电半径、走向位置及导线截面积等。对配电网的网架结构进行规划设计必须做到 安全与经济的统一，因此是一个非常复杂的优化问题，其主要特点如下: 1 )非线性。电力系统是一个非线性系统。从电网规划方面来看，线路的投资 费用、可靠性等指标以及规划过程中的潮流算法都是非线性的。 2 )整数性。电力线路的建设与投运是0 -1 性质的，即要么没有一要么有，不 存在一个过渡状态。正是由于这种不连续性，给分析和处理带来了很大的难度，规 划时需采用整数规划。 3 )不确定性。配电网的规划很大程度上依赖于负荷预测值，而负荷预测值的 准确性有待将来的验证。投资费用也因为物价变化存在不确定性，同时在社会和经 济发展过程中还存在其他各种不确定因素，采用常规的数学规划进行电网规划时无 法考虑这些不确定因素。 4 )多目 标性。配电网网架规划既要求投资费用少，同时需满足可靠性高、占 地面积少、环境污染小等要求，这样就存在一个如何综合衡量多个目 标的优劣的问 题。可以引入模糊数学中的隶属函数来评价整体目 标的满意与否。但是隶属函数的 确定很灵活，需要引入专家的知识和经验。 5 )多阶段性。配电网的规划工作既要满足系统的当前需要，同时也要考虑到 当地经济的发展和负荷的增长。进行配电网改造时，应避免短期行为和盲目 性，从 长远角度综合考虑电网布局，即要求在现阶段的规划中应计及各待架线路对以后各 阶段的影响。 通过配电网网架规划来指导配电网建设，可以加强配电网的改造，使配电网结 7- 华北电力大学硕士毕业论文 构合理、安全可靠、经济灵活，从而减少停电损失，降低线损，提供供电质量。 1 . 4 本文所做的工作 综上所述，配电网的网架规划工作十分重要，但是到目前为止，仍缺乏理想的 规划方法，在实际中仍在采用很陈旧的方法进行规划。本文则尝试采用遗传算法来 解决这类规划问题。 配电网结构的节点数多，又与用户直接相连，所面临的问题庞大而复杂，本文 从改善配电网的网架结构入手，详细研究了现有的城市配电网的网体结构，并分析 了它的不合理性和不经济性。在对网架结构进行规划之前，综合考虑了配电网的各 种不确定因素，并从改善电压质量、降低线损、提高可靠性等各方面进行了分析， 最后建立了以综合投资最低为规划目标的数学模型，并采用输电网规划中己经成功 运用的 “ 遗传算法”进行配电网规划。遗传算法是最近几年来解决规划问题时经常 用到的方法，并以其优良的计算性能和显著的应用效果而特别引人注目。 网架结构优化问题主要有两个特点:非线性和整数性，因此很难用传统的优化 方法来求解。而遗传算法可以很好的解决这一类的问题。本人在运用遗传算法对网 架结构进行分析时，着重在对配电网约束条件的处理上。首先对配电网的拓扑结构 进行分层分析，使计算机能够识别其连通性和辐射性;然后进行潮流计算，得到网 络数据:最后就可以分析判断该网络的电压约束、线损约束、发热约束等各种约束 条件。其中可靠性约束是通过对其进行经济评估并纳入最终的规划目标中。于是将 一个多目标问题转化为单目标规划。 本文对遗传算法在配电网的网架结构优化中的应用进行了深入的探讨，得到了 一组全局或近似全局最优解，拓展了遗传算法及人工智能方法在配电网中的应用前 景，虽然在本文中遗传算法用于网架结构优化与传统的经典方法相比还存在一定的 差距，它仅能用于离线计算。但是随着计算机技术的发展及其内在的并行计算特性 的开发将弥补这个不足，特别是对于大规模和超大规模问题的求解，更能显示其优 越性。 华北电力大学硕士毕业论文 构合理、安全可靠、经济灵活，从而减少停电损失，降低线损，提供供电质量。 1 . 4 本文所做的工作 综上所述，配电网的网架规划工作十分重要，但是到目前为止，仍缺乏理想的 规划方法，在实际中仍在采用很陈旧的方法进行规划。本文则尝试采用遗传算法来 解决这类规划问题。 配电网结构的节点数多，又与用户直接相连，所面临的问题庞大而复杂，本文 从改善配电网的网架结构入手，详细研究了现有的城市配电网的网体结构，并分析 了它的不合理性和不经济性。在对网架结构进行规划之前，综合考虑了配电网的各 种不确定因素，并从改善电压质量、降低线损、提高可靠性等各方面进行了分析， 最后建立了以综合投资最低为规划目标的数学模型，并采用输电网规划中己经成功 运用的 “ 遗传算法”进行配电网规划。遗传算法是最近几年来解决规划问题时经常 用到的方法，并以其优良的计算性能和显著的应用效果而特别引人注目。 网架结构优化问题主要有两个特点:非线性和整数性，因此很难用传统的优化 方法来求解。而遗传算法可以很好的解决这一类的问题。本人在运用遗传算法对网 架结构进行分析时，着重在对配电网约束条件的处理上。首先对配电网的拓扑结构 进行分层分析，使计算机能够识别其连通性和辐射性;然后进行潮流计算，得到网 络数据:最后就可以分析判断该网络的电压约束、线损约束、发热约束等各种约束 条件。其中可靠性约束是通过对其进行经济评估并纳入最终的规划目标中。于是将 一个多目标问题转化为单目标规划。 本文对遗传算法在配电网的网架结构优化中的应用进行了深入的探讨，得到了 一组全局或近似全局最优解，拓展了遗传算法及人工智能方法在配电网中的应用前 景，虽然在本文中遗传算法用于网架结构优化与传统的经典方法相比还存在一定的 差距，它仅能用于离线计算。但是随着计算机技术的发展及其内在的并行计算特性 的开发将弥补这个不足，特别是对于大规模和超大规模问题的求解，更能显示其优 越性。 华北电力大学硕士毕业论文 第二章 配电网的网架结构优化 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。它由架空线或电缆配电线路、配电所或柱上降压变压器直接接入用户所 构成。 而l o k v配电网由高压变电所的l o k v配电装置、 开闭所、 配电所和架空或电 缆线路等部分组成，其功能是将电力安全、可靠、经济、合理的分配到用户。 2 . 1 优化问题的提出 1 9 9 8 年9 月，国家电力公司提出了加快城市电力网建设改造的意见，目 标是: 提高城市电网整体供电能力;提高电能质量，降低线损，是城市电网电压合格率达 到9 8 %， 线损率低于 1 0 %; 提高城市电网安全运行水平， 将供电可靠性提高到9 9 . 9 %. . , 9 9 .9 9 %。 而配电网的网架结构是否合理将直接影响城市的配电能力， 因此， 提 前拟定配电网的网架规划，为配电网的网架建设提供指导性依据，不仅具有可观的 经济效益，还有着巨大的社会效益。本章对 l o k v配电网的网架结构进行了细致的 分析研究，为后面进行的网架规划提供了坚实的理论基础。 2 . 1 . 1 l o k v配电网的特点 我国普遍采用 i o k v向各用户供电，这是我国电网多年发展的结果。i o k v配电 网主要是供给一个地区的用电，因此相对于区域电力网来说，电压等级和供电范围 都要小一些。它在结构上最大的特点是作为电力网的末端直接与用户相连，敏锐的 反映着用户在安全、 优质、 经济等方面的要求。 因此它具有其他电力网没有的特点， 主要体现为以下三点: 1 )和居民密集点; 2 )的功率和距离一般都不大; 3 )容量、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万别，各不相同。 2 . 1 . 2 网架结构优化问题的提出 在电力市场的影响下，配电网的建设、改造和运行管理，都要适应电力市场的 变化，因此我国投入巨额资金进行城乡电网改造。在这种形势下，选择一种符合我 国电力行业的实际情况、既有较好经济性又有较高可靠性的配电方式是摆在我们面 前的一项迫切任务。 配电网按高压变电所的布局划分成若干相对独立的分区配电网，各分区网有明 确的供电范围，习惯做法是不交叉供电。因此，配电网应有一定的冗余度，当负荷 转移时不致使配电网中的元件过负荷;同时，配电网还要有较强的适应性，对于开 发区和发展较快的城市而言，这一点尤为重要。为避免浪费投资，新建的主干线、 华北电力大学硕士毕业论文 第二章 配电网的网架结构优化 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。它由架空线或电缆配电线路、配电所或柱上降压变压器直接接入用户所 构成。 而l o k v配电网由高压变电所的l o k v配电装置、 开闭所、 配电所和架空或电 缆线路等部分组成，其功能是将电力安全、可靠、经济、合理的分配到用户。 2 . 1 优化问题的提出 1 9 9 8 年9 月，国家电力公司提出了加快城市电力网建设改造的意见，目 标是: 提高城市电网整体供电能力;提高电能质量，降低线损，是城市电网电压合格率达 到9 8 %， 线损率低于 1 0 %; 提高城市电网安全运行水平， 将供电可靠性提高到9 9 . 9 %. . , 9 9 .9 9 %。 而配电网的网架结构是否合理将直接影响城市的配电能力， 因此， 提 前拟定配电网的网架规划，为配电网的网架建设提供指导性依据，不仅具有可观的 经济效益，还有着巨大的社会效益。本章对 l o k v配电网的网架结构进行了细致的 分析研究，为后面进行的网架规划提供了坚实的理论基础。 2 . 1 . 1 l o k v配电网的特点 我国普遍采用 i o k v向各用户供电，这是我国电网多年发展的结果。i o k v配电 网主要是供给一个地区的用电，因此相对于区域电力网来说，电压等级和供电范围 都要小一些。它在结构上最大的特点是作为电力网的末端直接与用户相连，敏锐的 反映着用户在安全、 优质、 经济等方面的要求。 因此它具有其他电力网没有的特点， 主要体现为以下三点: 1 )和居民密集点; 2 )的功率和距离一般都不大; 3 )容量、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万别，各不相同。 2 . 1 . 2 网架结构优化问题的提出 在电力市场的影响下，配电网的建设、改造和运行管理，都要适应电力市场的 变化，因此我国投入巨额资金进行城乡电网改造。在这种形势下，选择一种符合我 国电力行业的实际情况、既有较好经济性又有较高可靠性的配电方式是摆在我们面 前的一项迫切任务。 配电网按高压变电所的布局划分成若干相对独立的分区配电网，各分区网有明 确的供电范围，习惯做法是不交叉供电。因此，配电网应有一定的冗余度，当负荷 转移时不致使配电网中的元件过负荷;同时，配电网还要有较强的适应性，对于开 发区和发展较快的城市而言，这一点尤为重要。为避免浪费投资，新建的主干线、 华北电力大学硕士毕业论文 开闭所和配电所的新建均应按发展规划的规划一次建成，在相当长时间内不需要更 换，不再扩建。因此，在建设或改造配电网前，对其进行规划就显得极其重要和迫 切。 在城市电网中，对于负荷密集区，大多建有配电所 ( 开闭所或开关站) ，再从 配电所直接向用户供电。对配电网进行规划时，通常都是把配电所的布局和网络接 线分开来进行。一般是根据预测的负荷分布进行优化计算，确定供电区内最佳的配 电所数及其规模，然后在此基础上进行网络规划计算，确定在给定目标条件下的最 佳网络结构，即配电所之间及其与变电所之间如何 “ 连线”的问题，也就是本文所 要讨论的网架结构优化问题。 一般城市配电网是由架空线和电缆线混合组成的。过去我国城市中大多以架空 电网为主，由于城市中架空线路的安装日益困难，且随着近年来负荷的急剧增长和 城市规划的需要，电缆也得到了广泛的应用。但是架空线路具有建设费用低、建设 周期短、负荷接入方便、易于故障检修等优点，因此首先考虑架空线或绝缘架空线 路供电还是最实用的供电方法。本文中讨论的网架结构优化问题是根据某地区近十 年来的负荷增长情况， 确定 i o k v配电网架空线的主要接线模式，即基本网体结构。 l o k v网络作为我国城市配电网， 其地位十分重要， 而其电网接线模式的选择更是一 个重要问题，不仅牵涉到电网建设的经济性和可靠性，对整个电力工业发展和用户 的发展均有重要意义。 l o k v配电网的常用接线模式有: 完全放射状、 中介点放射状、 树状、普通环式、手拉手环式。其结构模型如下图所示: ( d )赞通环式 (.)手拉手环式 图2 . 1 l o k v配电网常用接线模式 华北电力大学硕士毕业论文 考虑到配网实现自动化的简便，在正常的运行方式下，普通环式接线和手拉手 环式接线均以开环方式运行。在不同接线模式下构建的网架，从经济性、可靠性、 网损率和网络节点的电压水平各方面比较都有所不同。而进行网架规划时采用何种 接线方式主要依赖于本地的实际情况及规划的具体要求。 通过规划可以节约大量投资、降低网损、减少停电范围和时间及提高电能质量 等，是配电网规划至关重要的一个环节。但是由于配电网十分复杂且具有诸多不确 定性，采用传统的优化方法不能获得满意的优化结果，而且随着电力市场的深入发 展和电力行业的机制改革，竞争越演越烈，传统方法已经远远不能满足现代电力系 统的要求，以计算机为工具，采用新技术、新方法对配电网进行优化规划己经在电 力界达成共识，本文采用的遗传算法就是其中应用较为广泛的一种。 2 . 1 . 3 网架结构优化的基本准则 因为本文中只考虑 l o k v配电网的网架结构优化，因此在讨论之前，假定变电 所的寻址及容量确定等问题均已确定。进行网架结构规划时，应满足电力系统经济 性、可靠性与灵活性等各方面的基本要求: 1 )具有高经济性。高经济性是进行电网建设的最根本要求，但在评估经济性 时，不能仅把电网建设的初期投资作为唯一的考核指标，要以电网发展建设的总体 效益来衡量，这点目前己达成共识。本文中还把用户的停电损失也计算在内，即把 可靠性作为优化计算的目标之一。 2 )提高配电网整体供电能力。配电网直接联系广大用户，覆盖面很广，供电 面积大，因此应具有充足的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其是经 济发展迅速的城市和地区，对电网供电能力要予以特别重视。 3 )提高电能质量和供电可靠性，保证电网安全运行。这是适应电力市场发展 的要求，保证在灵活机制下的高竟争力。 4 )要有较大的灵活性和适应性。在电网规划设计中，要求配电网网架结构具 有足够的弹性， 包括有足够的设备容量， 在各种可能出现的运行方式下的应变能力。 在制订各阶段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性、即发展过程中的过渡方 案。 2 . 2 优化的目 标函数 在确定变电所和开闭所的选址和容量大小后，就应该确定网架的连接方案。在 满足用户用电、保证电能的前提下，存在各种不同的架线方案，例如:不同的线路 数、不同的导线截面及是否采用双回线等。网架结构规划的目 标就是将各种方案进 行综合评议并选出最佳方案。通常选用综合费用最小作为评估标准，因此网架结构 规划的目 标是在满足各种约束条件的前提下，综合费用最小，这是一个最小化优化 华北电力大学硕士毕业论文 考虑到配网实现自动化的简便，在正常的运行方式下，普通环式接线和手拉手 环式接线均以开环方式运行。在不同接线模式下构建的网架，从经济性、可靠性、 网损率和网络节点的电压水平各方面比较都有所不同。而进行网架规划时采用何种 接线方式主要依赖于本地的实际情况及规划的具体要求。 通过规划可以节约大量投资、降低网损、减少停电范围和时间及提高电能质量 等，是配电网规划至关重要的一个环节。但是由于配电网十分复杂且具有诸多不确 定性，采用传统的优化方法不能获得满意的优化结果，而且随着电力市场的深入发 展和电力行业的机制改革，竞争越演越烈，传统方法已经远远不能满足现代电力系 统的要求，以计算机为工具，采用新技术、新方法对配电网进行优化规划己经在电 力界达成共识，本文采用的遗传算法就是其中应用较为广泛的一种。 2 . 1 . 3 网架结构优化的基本准则 因为本文中只考虑 l o k v配电网的网架结构优化，因此在讨论之前，假定变电 所的寻址及容量确定等问题均已确定。进行网架结构规划时，应满足电力系统经济 性、可靠性与灵活性等各方面的基本要求: 1 )具有高经济性。高经济性是进行电网建设的最根本要求，但在评估经济性 时，不能仅把电网建设的初期投资作为唯一的考核指标，要以电网发展建设的总体 效益来衡量，这点目前己达成共识。本文中还把用户的停电损失也计算在内，即把 可靠性作为优化计算的目标之一。 2 )提高配电网整体供电能力。配电网直接联系广大用户，覆盖面很广，供电 面积大，因此应具有充足的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其是经 济发展迅速的城市和地区，对电网供电能力要予以特别重视。 3 )提高电能质量和供电可靠性，保证电网安全运行。这是适应电力市场发展 的要求，保证在灵活机制下的高竟争力。 4 )要有较大的灵活性和适应性。在电网规划设计中，要求配电网网架结构具 有足够的弹性， 包括有足够的设备容量， 在各种可能出现的运行方式下的应变能力。 在制订各阶段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性、即发展过程中的过渡方 案。 2 . 2 优化的目 标函数 在确定变电所和开闭所的选址和容量大小后，就应该确定网架的连接方案。在 满足用户用电、保证电能的前提下，存在各种不同的架线方案，例如:不同的线路 数、不同的导线截面及是否采用双回线等。网架结构规划的目 标就是将各种方案进 行综合评议并选出最佳方案。通常选用综合费用最小作为评估标准，因此网架结构 规划的目 标是在满足各种约束条件的前提下，综合费用最小，这是一个最小化优化 华北电力大学硕士毕业论文 考虑到配网实现自动化的简便，在正常的运行方式下，普通环式接线和手拉手 环式接线均以开环方式运行。在不同接线模式下构建的网架，从经济性、可靠性、 网损率和网络节点的电压水平各方面比较都有所不同。而进行网架规划时采用何种 接线方式主要依赖于本地的实际情况及规划的具体要求。 通过规划可以节约大量投资、降低网损、减少停电范围和时间及提高电能质量 等，是配电网规划至关重要的一个环节。但是由于配电网十分复杂且具有诸多不确 定性，采用传统的优化方法不能获得满意的优化结果，而且随着电力市场的深入发 展和电力行业的机制改革，竞争越演越烈，传统方法已经远远不能满足现代电力系 统的要求，以计算机为工具，采用新技术、新方法对配电网进行优化规划己经在电 力界达成共识，本文采用的遗传算法就是其中应用较为广泛的一种。 2 . 1 . 3 网架结构优化的基本准则 因为本文中只考虑 l o k v配电网的网架结构优化，因此在讨论之前，假定变电 所的寻址及容量确定等问题均已确定。进行网架结构规划时，应满足电力系统经济 性、可靠性与灵活性等各方面的基本要求: 1 )具有高经济性。高经济性是进行电网建设的最根本要求，但在评估经济性 时，不能仅把电网建设的初期投资作为唯一的考核指标，要以电网发展建设的总体 效益来衡量，这点目前己达成共识。本文中还把用户的停电损失也计算在内，即把 可靠性作为优化计算的目标之一。 2 )提高配电网整体供电能力。配电网直接联系广大用户，覆盖面很广，供电 面积大，因此应具有充足的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其是经 济发展迅速的城市和地区，对电网供电能力要予以特别重视。 3 )提高电能质量和供电可靠性，保证电网安全运行。这是适应电力市场发展 的要求，保证在灵活机制下的高竟争力。 4 )要有较大的灵活性和适应性。在电网规划设计中，要求配电网网架结构具 有足够的弹性， 包括有足够的设备容量， 在各种可能出现的运行方式下的应变能力。 在制订各阶段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性、即发展过程中的过渡方 案。 2 . 2 优化的目 标函数 在确定变电所和开闭所的选址和容量大小后，就应该确定网架的连接方案。在 满足用户用电、保证电能的前提下，存在各种不同的架线方案，例如:不同的线路 数、不同的导线截面及是否采用双回线等。网架结构规划的目 标就是将各种方案进 行综合评议并选出最佳方案。通常选用综合费用最小作为评估标准，因此网架结构 规划的目 标是在满足各种约束条件的前提下，综合费用最小，这是一个最小化优化 华北电力大学硕士毕业论文 问题。综合费用包括投资费用 i n v e s t 和运行费用，运行费用又包括各条线路的电能 损失费用 l o s s 和折旧维护费用m a i n t a n c e o因此网架结构规划的目 标函数如式2 -1 所示: mi n f = i n v e s t + l o s s + ma i n t a n c e ( 2 一l ) 因为网架优化只考虑网络架线的建设，所以不用考虑扩容的问题，只需要在规划前 进行负荷预测时，考虑到该地区负荷的增长速度，使规划结果能满足未来十来年的 负荷增长需求就可以了。不用考虑扩容问题，就不用考虑新建变电所或开闭所，因 此网架结构优化的建设周期较短，不必考虑资金的时间因素。进行配网的网架结构 规划时，还应考虑可靠性的约束，在本文中，将可靠性约束条件通过模式转换使之 成为目标函数的一项，具体措施是:对配电网的可靠性进行经济评估，把以用户停 电损失评估的可靠性分析纳入总的规划模型中。这样不仅适应了当前提高可靠性的 趋势，还简化了配网建设的规划模型。由此可见，因为考虑了可靠性因素，目 标函 数中就包括了停电损失，如下式所示: mi n f = t +r +e ( 2 一2 ) f :网络建设的综合费用 t :网络建设的投资费用 r :总的运行费用 e :表示可靠性的用户停电损失 总的线路建设投资费用t是指项目前期工程到工程建成投产后的建设及购置设 备所付出的全部资金。本文只讨论网架优化，故只计算线路投资。设线路j 的长度 为li ， 单 位长度综合 投资为a j ， 则其投资毛为 毛= a j 1j ( 2 一3 ) 线路的总投资为: a , l i ( 2 一4 ) 阶艺，-i 一一 乃 抽艺 昌 t 式中n i 为线路的总条数。 运行费用r指配电网在运行中所发生的费用 损耗费5 等，如下所示: r= s + m+ z 第j 条线路的 折旧 维护费 用的 计算式如下: 晒十 z j = h j t j = h i h a , 式中h j 为维修费、折旧费等占 投资的比 例。 第.l 条线路的电能损耗费的计算式如下: 一1 2. 包括维修费m、折旧费z ,电能 ( 2 一5 ) ( 2 一 6 ) 华北电力大学硕士毕业论文 s , =岛z 乃t- ( 2 一7 ) ，.乃 如 . = r , i i ， 石= u a 梦 i .匀二 c o t 乃 aw= p ; ( 2 一8 ) c 。 为电 能 损耗电 价， : 为 最大负 荷损 耗小时， p i io 3 ， 为 第j 条线路上的 有功 损耗， ri 为 导 线 单 位 长 度电 阻， 马为 线 路 上 流 过的 有 功 功 率， u n 为 线 路的 额 定电 压， 黔 2 为负荷功率因素的平方。 e代表了由于可靠性不高造成停电给用户带来的经济损失， 包括直接经济损失 与间接经济损失，具体计算方法见2 . 3 . 4 节。 : 一 全 二 一 2 l +l ,p , y , ( 2 一9 ) 其中n p 为系统中负荷点的总数目 ; l i 为负荷点i 的平均负荷值; p ij 为第j 条 线路发展故障时引 起负荷点i 停电的 故障率; y ij 为根据负荷点i 的 用户负荷类型及 平均停电持续时间7 i j ，代入用户停电损失函数c计算得到的用户停电损失函数值。 目 标函数确定以后，就可以对优化问题进行建模，将该优化问题转化为遗传 算法能够直接求解的数学模型，这个问题将在第四章介绍。 2 . 3 优化的约束条件 配电网的网架结构优化的目标是:在满足一定的技术条件下，使综合费用为最 小。这里的技术条件就是规划问题的约束条件，主要为网络拓扑结构的约束 压质量的约束、对电能质量的约束及可靠性的约束等，下面将分别详细介绍 、对电 2 . 3 . 1 网络结构 网架结构规划的目的是解决各变电所、开闭所之间的连线问题，因此首先需要 解决的就是网络的连通性与辐射性约束问题，就是要避免通常我们所说的 “ 孤岛” 与 “ 环岛”的情形。 在规划前，我们先将所有的变电所及开闭所都看成是节点，就是各条待架线路 的首末节点。当某个节点不与其他任何节点相连时，它就既不能获得电能也不能向 用户供电，这种情形我们称之为 “ 孤岛”现象。规划的前提条件就是要保证所有负 荷点都连入网络， 所以， 很显然” 孤岛“ 现象不能满足网络的连通性约束。 对于“ 孤 华北电力大学硕士毕业论文 s , =岛z 乃t- ( 2 一7 ) ，.乃 如 . = r , i i ， 石= u a 梦 i .匀二 c o t 乃 aw= p ; ( 2 一8 ) c 。 为电 能 损耗电 价， : 为 最大负 荷损 耗小时， p i io 3 ， 为 第j 条线路上的 有功 损耗， ri 为 导 线 单 位 长 度电 阻， 马为 线 路 上 流 过的 有 功 功 率， u n 为 线 路的 额 定电 压， 黔 2 为负荷功率因素的平方。 e代表了由于可靠性不高造成停电给用户带来的经济损失， 包括直接经济损失 与间接经济损失，具体计算方法见2 . 3 . 4 节。 : 一 全 二 一 2 l +l ,p , y , ( 2 一9 ) 其中n p 为系统中负荷点的总数目 ; l i 为负荷点i 的平均负荷值; p ij 为第j 条 线路发展故障时引 起负荷点i 停电的 故障率; y ij 为根据负荷点i 的 用户负荷类型及 平均停电持续时间7 i j ，代入用户停电损失函数c计算得到的用户停电损失函数值。 目 标函数确定以后，就可以对优化问题进行建模，将该优化问题转化为遗传 算法能够直接求解的数学模型，这个问题将在第四章介绍。 2 . 3 优化的约束条件 配电网的网架结构优化的目标是:在满足一定的技术条件下，使综合费用为最 小。这里的技术条件就是规划问题的约束条件，主要为网络拓扑结构的约束 压质量的约束、对电能质量的约束及可靠性的约束等，下面将分别详细介绍 、对电 2 . 3 . 1 网络结构 网架结构规划的目的是解决各变电所、开闭所之间的连线问题，因此首先需要 解决的就是网络的连通性与辐射性约束问题，就是要避免通常我们所说的 “ 孤岛” 与 “ 环岛”的情形。 在规划前，我们先将所有的变电所及开闭所都看成是节点，就是各条待架线路 的首末节点。当某个节点不与其他任何节点相连时，它就既不能获得电能也不能向 用户供电，这种情形我们称之为 “ 孤岛”现象。规划的前提条件就是要保证所有负 荷点都连入网络， 所以， 很显然” 孤岛“ 现象不能满足网络的连通性约束。 对于“ 孤 华北电力大学硕士毕业论文 s , =岛z 乃t- ( 2 一7 ) ，.乃 如 . = r ,