（电力系统及其自动化专业论文）含分布式电源的配电网络重构研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n go fe n e r g yc o m p e t i t i o n ，c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dh a v ep a i d m o r ea t t e n t i o nt ot h eg l o b a l e n e r g yr i s k d e v e l o p i n g r e n e w a b l er e s o u r c ea n d d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r ( d g ) h a sb e e nr e g a r d e da st h em o s tp o s s i b l es o l u t i o nt ot h e g l o b a le n e r g yr i s k d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sm a i n l yc o n n e c tt op o w e rs y s t e m st h r o u g h t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k a n d ，a r c h i t e c t u r ea n do p e r a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t hd g sa r es i g n i f i c a n td i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yo nv a r i o u so p e r a t i n gt e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd g s i nt h i s t h e s i s ，n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd g s i st e n t a t i v e l ys t u d i e d m a i nw o r ko ft h i st h e s i si sa sf o l l o w i n g ： 1 a no p t i m a lm o d e lf o rn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t h d g si sp r e s e n t e d t h e r ea r et w oo p t i m a lo b j e c t si nt h em o d e l o n ei st om a x i m i z et h e c u s t o m e rs u p p l i e db yd g s ( i e i s l a n ds y s t e m ) t h eo t h e ri st om i n i m i z et h et o t a l s y s t e ml o s s 2 b a s e do nt w o p a r tm e t h o d ，a ne f f e c t i v ea l g o r i t h mt os o l v et h en e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o np r o b l e mi sp r e s e n t e d t h ew h o l eo p t i m a lp r o b l e mi sf i r s t l yd i v i d e d i n t oac a p a c i t ys u b p r o b l e ma n dar e c o n f i g u r a t i o ns u b p r o b l e m t h ef o r m e rs u b p r o b l e md e t e r m i n e st h eo p t i m a lc a p a c i t yo ft h ed g i s l a n d sa n dt h el a t t e ro n ep r o v i d e s t h eo p t i m a lr e c o n f i g u r a t i o nt or e d u c et h es y s t e mp o w e rl o s s t h es e n s i t i v i t yo fp o w e r l o s sa n ds w i t c h e sg o t t e ni nt h er e c o n f i g u r a t i o ns u b p r o b l e mi sp a s s e dt ot h ec a p a c i t y s u b p r o b l e m s i n c et h ec a p a c i t ys u b p r o b l e m i sas i m p l ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o n p r o b l e m ，d e p t hf i r s ts e a r c ha p p r o a c hi su s e dt os o l v ei t a n d ，t h er e c o n f i g u r a t i o n s u b p r o b l e mi sat y p i c a lm i n i m u mo p t i m a lp r o b l e mw i t hc o n s t r a i n t s i nt h i st h e s i s ，w e u s eaq u i c kb r a n c h e x c h a n g ea l g o r i t h mw i t hs o m eh e u r i s t i cr u l e st os o l v et h i s s u b p r o b l e ms oa st or e d u c et h ep a r a m e t e rs e a r c h i n gs p a c ea n dg e th i g hc a l c u l a t i n g e f f i c i e n c y 3 i e e e3 3 一b u ss y s t e ma n dp g & e6 9 一b u ss y s t e ma r ee m p l o y e dt ov a l i d a t et h e e f f e c t i v e n e s so ft h e p r e s e n t e dm e t h o d i m p a c to ft h e d gc a p a c i t yo nt h e r e c o n f i g u r a t i o ni sa l s od i s c u s s e d ， w o r ko ft h i sp a p e ri sh e l p f u lt ot h eo p t i m a lo p e r a t i o na n de x p a n s i o np l a n sf o r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sw i t hd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r si nt h ef u t u r e 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 ，n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ， t w o p a r tm e t h o d 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，也不包含为获得苤盗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。 学位论文作者虢刘鳓 签字日期：加占年。舌月。7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗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： 签字日期：) 分年 客i 期 1 。易月p7 日 导师签名： 签字日期：) 噼p 幻。日 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 经过百余年的发展，电力系统己成为人类社会赖以生存和发展的基石，世界 上9 0 的电力负荷都由集中式的大电网进行供应，这种发输配一体化的供电方 式，为世界经济繁荣和人民生活水平的提高做出过巨大贡献。然而，2 0 0 3 年的 美加8 1 4 大停电，使人们不得不重新审视当前电力系统存在的一些问题：一方 面，电网的迅速扩张给电力系统的安全稳定运行带来前所未有的威胁，远距离输 电与大电网互联使得系统难以快速跟踪负荷的变化。当系统出现局部故障时，容 易通过电网把事故扩散到其他区域，形成连锁反应，造成整个系统的瘫痪，如美 加8 1 4 大停电事故，最早只是出现在俄亥俄州北部克利夫兰地区一条3 4 5k v 超 高压输电线路上一起普通故障，最终却酿成波及数千万用户、损失数百亿美元的 大停电事故；另一方面，从国家安全战略来看，庞大的电网和过于集中的发电厂 极易成为敌对方和恐怖分子打击和破坏的对象。一旦发生战争，电力系统将成为 首先攻击的目标，后果不堪设想，亦不符合各国的防御战略；再者，常规的集中 供电方式能量形式单一，不易实现能量的综合梯级利用，不可再生资源浪费严重， 能源利用率低。基于以上考虑，将大电网与分布式电源( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n 简 称d g ) 技术相结合，被世界许多能源、电力专家认为是实现节省投资、降低能耗、 提高系统安全性和灵活性的最可能的途径，是2 1 世纪电力工业的发展方向。如 今，世界各国都在推动新一代能源系统的建设，其中的一个重要的方向就是建立 大电网和分布式供电相结合的过渡型、“分散式”电力系统，从而改善供电效率， 达到提高供电可靠性，降低能耗，保护环境等目的。 分布式供电形式的逐渐推广，促进了分布式发电技术和装置的研发，新的分 布式电源不断出现，例如微型燃气轮机发电技术，高温燃料电池、燃气轮机混合 发电技术等，且这些技术的性能不断改善，成本不断降低，其在电力系统中所占 的比重正在逐步增加。d g 与常规电力系统并网运行的趋势越来越明显，d g 主 要通过配电网接入电力系统，d g 并阿后将会对配电网的运行、控制、保护等各 方面产生重大影响。 此外，随着我国经济的发展和电力市场的建立与完善，人们在对电力需求日 益增长的同时，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 的生产和供应过程中，配电网是电力系统的最后一个环节，也是直接面向用户供 第一章绪论 电的一个重要环节。在当前经济迅猛发展、供电日趋紧张的情况下，通过对配电 网络进行优化，以提高其运行的安全性、经济性和可靠性，具有明显的经济效益 和社会效益。实现配网自动化是安全、可靠供电的保证，我国配电网自动化的发 展是电力市场和经济建设的必然结果，同时也是电力系统现代化的必然趋势。自 1 9 9 9 年以来，我国投入了大量的资金用于配电网的改造和自动化的建设，而配 电网重构( r e c o n f i g u r a t i o n ) 是配电系统自动化的重要内容：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，可根据实际需要进行 断路器或隔离开关的操作，实现调整配网结构、优化系统运行的目的，这一过程 称为网络重构1 2 j 。传统的配电系统网络重构的目的，是在保证配电网放射状运行 前提下，通过分段开关和联络开关的优化，达到降低网络损耗、改善供电质量、 快速隔离故障、减少停电损失等目的 3 - 1 0 1 ，但都没有考虑分布式电源并网运行的 情况，因此研究含d g 的配电网安全运行和优化技术，具有重要的现实意义。 1 2d g 的研究与发展 1 2 1 d g 技术 分布式电源( d g ) 1 1 - 2 1 】指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机 组( 一般低于3 0 m w ) ，以满足特定用户的需要，同时也满足现存配电网的各种运 行要求。这些小的机组包括燃料电池、小型燃气轮机、燃气轮机与燃料电池的混 合装置等，由于靠近用户，可有效提高用户的供电可靠性和电能质量。技术的发 展，公共环境政策和电力市场扩大等因素的共同作用，使得d g 成为新世纪重要 的能源选择。d g 系统和集中式供电系统的配合应用具有如下优点： ( 1 ) d g 系统中各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模的、 大范围的停电事故，所以系统的安全可靠性比较高； ( 2 ) d g 可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生，大电网被迫停 运时，可继续对关键负荷实施供电，因此是一种集中供电方式不可缺少的补充； ( 3 ) 适合向农村、牧区、山区、发展中的中、小城市或商业区的居民供电， 在这些方面具有集中式供电无法比拟的优点； ( 4 ) d g 的输配电损耗很低，甚至没有，此外，由于靠近用户侧，无需建配电 站，可降低或避免附加的输配电成本；同时土建和安装成本也较低； ( 5 ) 可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的( 处于热备用状态的) 移动分散式发电车； ( 6 ) 调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速。 2 第一章绪论 1 2 2 d g 分类 根据所使用一次能源的不同，d g 可分为基于化石能源的d g 技术、基于可 再生能源的d g 技术以及混合能源的d g 技术【2 2 彩】。 ( 1 ) 基于化石能源的d g 技术主要为以下三类：基于往复式发动机的d g 技术：用于d g 的往复式发动机一般为四冲程的点火式或压燃式，以汽油或柴油 为燃料，是目前应用最广的d g 方式。但是此种方式会造成对附近环境的影响( 如 产生噪声、释放废气等) 。微型燃气轮机d g 技术：微型燃气轮机是指功率为 数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。基于微 型燃气轮机发电与现有的其它发电技术相比，效率较低，满负荷运行的效率往往 只有3 0 ，而在半负荷时，其效率更是只有1o 15 ，所以目前多采用家庭热 电联供的办法利用设备废弃的热能，以提高其能源利用率。目前国外已进入示范 阶段，其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。基于燃料电池 的d g 技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化 学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，不污染环境，其电能是通过电化学过程 获得的。如氢燃料电池技术，其工作原理是在其阳极上通过富氢燃料，阴极上面 通过空气，并由电解液分离这两种物质。在获得电能的过程中，副产品仅为热、 水和二氧化碳。氢燃料可由各种碳氢源，在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧 化反应生成。因此它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为2 1 世纪的d g 技术。 ( 2 ) 基于可再生能源的d g 技术，主要涉及以下几种技术：太阳能光伏 发电技术：太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换 为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可 靠、维护简单等优点。但是此种分布发电技术的成本非常高，所以现阶段太阳能 发电技术还需要进行技术改进以降低发电成本。风电技术：是将风能转化为 电能的发电技术，可分为独立与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组， 容量为1 0 0 w 1 0 k w ，后者的容量通常超过1 5 0 k w 。近年来，风电技术进步很快， 单机容量在2 m w 以下的技术已很成熟。 ( 3 ) 混合能源d g 技术通常是指将两种或多种d g 技术及蓄能装置组合起来， 形成复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被提出，其中一个重 要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系 统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。 与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境 污染、改善系统的热经济性。 第一章绪论 1 2 3 d g 技术在国内外的发展状况与前景 在美国，容量为l k w 到1 0 m w 分布式电源和储能单元正在成为未来分布式 供能系统的主力。由于d g 本身具有高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故 可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽 轮机( 1 0 , - - 2 5 0 k w ) 可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。在 美国国内到2 0 2 0 年，估计要增加1 7 l o l 2 k w h 的电能，几乎是近2 0 年增量的 2 倍。为满足市场需求和新的能源需求以及老电厂的退役，1 0 年之后，美国d g 市场装机容量估计每年将达5 1 0 9 - 6 x1 0 9w ，为解决这一巨大缺口，美国能源部 提出了以下几个涉及d g 技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃 料电池和涡轮的混合装置等。可以预料，在不久以后，d g 技术将在美国得到相 当的发展。 在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀，这 种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经 济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强 大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的建设周期，能源供应严重制约这些 地区的经济发展。而d g 技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国 西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量1 亿k w h 的风电规模，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染的绿色能源可以减轻当 地的环境污染。在可再生能源d g 系统中，除风力发电外，还有太阳能光伏电池、 中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的很好办法。在我国城镇，d g 技术作为 集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方 向。而在d g 技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技 术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说， 都存在供电和供暖制冷的需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三 联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。 如果说电力市场化是电力行业运营体制的重大变革，那么d g 技术的引入就 是电力行业重大上的技术改革，两者共同作用将使未来世界电力行业呈现全新的 面貌。随着电力体制改革的发展，d g 也可为一些用户提供一种“自立”的选择， 使其更能适应易变的电力市场。此外，由于d g 设备安装周期短，不需要现存的 基础设施，而且与大型的中央电站及发电设施相比总投资较少，因此在电力竞争 性市场建立后d g 的作用将会日益明显和重要，从而可与现有电力系统结合形成 一个高效、灵活的新型电力系统，以提高整个社会的能源利用率，提高整个供电 系统的稳定性、可靠性和电能质量。 4 第一章绪论 1 3 配电网重构的研究与发展 配电网重构是近年来电力系统领域一个引人注目的研究方向。通过网络重构 可实现负荷转移以达到均衡负荷、消除过载、降低网损、提高供电电压质量和系 统运行经济性等目的。 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”运行状态， 但它的存在使得系统具有“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，负荷是在不断变化的，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。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，并且无法保证算法收 敛性。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 年提出来的【2 引， 之后不断有研究成果发表，提出了多种方法，其中，对以网损最小为目标函数的 配电网络重构研究最多，产生了许多相应的算法，这些算法主要可以分为两大类： 基于传统优化技术的方法和基于人工智能技术的方法。 1 3 1 基于传统优化技术的方法 基于传统优化技术的方法是相对于人工智能方法这些现代优化技术而言的， 它主要包括了启发式方法、最优流模式算法、网损估计算法、线性或非线性规划 法。其实从本质上来说，最优流模式算法和网损估计算法都应该属于启发式方法， 但是由于它们都各自形成了一系列的算法，因此把它们单独归为一种方法。 1 启发式方法 m e r l i n 首次提出配电网重构的概念，并做了如下几个假设f 2 6 1 ：负荷以恒定的 纯有功分量电流源表示，电压角度被忽略，不考虑网络的约束条件，以d c 潮流 计算网络流。他采用启发式规则及分支定界策略来确定具有最小网损的网络结 构。其缺点是没有考虑网络约束，并且采用了大量的直流潮流计算，较费时。t i m t a y l o r 采用了启发式最佳优先搜索策略，尽可能地消除违反约束条件的开关状态 组合，以缩小要搜索的状态空间【2 刀。状态空间搜索算法中植入的启发式规则越有 第一章绪论 效，要搜索的解空间越小，搜索越快，但也越有可能漏失最优解；反之，解空间 越大，搜索速度越慢，往往不能适应大规模配电网的要求。文【2 8 】用启发式方法 决定配电网的最小电阻损失结构，该文主要对电压修正法的潮流计算进行了改 进，采用有效的潮流计算技术并且引入对网络元件进行高效检查的算法，以提高 计算速度，仍属于启发式方法范畴。此类方法的缺点是易收敛于局部最优解。 2 最优流模式法 最优流模式法【2 卵( o p t i m a lf l o wp a t t e r n ) 是1 9 8 9 年由d a r i s h s h r i m o h a m m a d i 等人首次提出的一种启发式方法，它是以功率损耗最小为目标函数的。这种方法 首先计算初始辐射网潮流，为建立最优流模式，闭合所有开关，形成有几个环的 少网孔配电系统，再计算潮流，求得网环上各等值注入电流，这时求解最优流， 然后以电流最小的支路解开一个环，直至变成辐射网。其实现网络重构的基本思 想可用如下过程表示： 第1 步，先不考虑配电网络必须为辐射状结构的约束条件，将所有开关合上 以形成多环网； 第2 步，除了系统的潮流方程，在不考虑其他约束条件的情况下，求出使系 统功率损耗最小的系统的电流分布。这个电流分布就是所谓的“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3 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， 打开一个开关以解开一个环路。重复步骤2 和步骤3 ，直至由步骤1 形成的环网 中的所有环路被解开，网络的拓扑变为辐射状结构为止。 然而，在最优流模式下打开电流最小的开关的指导思想缺乏理论根据，环网 中的各个环流相互影响，解开其中一个环路将影响其它支路的电流，并且打开开 关的先后顺序对结果也有较大的影响。因此，又出现了许多改进算法。s k g o s w a m i 【3 0 】对文 2 9 】做了改进，即每次只闭合一个联络开关，这时网络中仅有一 个环存在，然后计算最优流，在电流最小处将环打开，形成新的辐射网。如此重 复进行直至网损不能减少为止。邓佑满提出改进的最优流模式算法f 3 1 1 ，采纳了文 3 0 提出的一次只闭合一个联络开关的思想，在计算最优流后，不选择流过电流 最小的开关，而是在算出最优流后，估算打开环路各分段开关后对应的网损变化， 选择网损最小，同时又满足过载约束的支路打开。但网损估算的误差将会影响开 关操作的准确性。 3 网损估计法 此类算法是直接计算各种开关状态下的潮流，然后通过改变开关状态，观察 6 第一章绪论 由其产生的网损变化量，从而选出使网损下降的开关状态，其实质是开关状态改 变对网损灵敏度的计算【3 。s c i v a n l a r 推导出一组负荷从一条馈线转移到另一条 馈线时网损变化的公式，指出只有当负荷从电势低的点转移到电势高的点，而且 这两点间的电势差足够大时才有可能引起网损下降【3 2 1 ，利用该算法降低了计算 量。m a k a s h e m 3 3 】在s c i v a n l a r 的基础上推导出一条简单的网损降估计公式 ( 1 1 ) ，并引入了标准网损降这一指标以提高支路搜索的效率。 尸= 2 r e ( i i ) x ( 【，。一u 。) 。】+ r 铆( ) 2 拒dj e d 式中a p 为开关操作后有功网损变化值，u 。、u 。表示联络开关两端节点m 和n 的电压，d 为发生负荷转移的节点集合，厶为发生负荷转移的第i 个节点电 流，r 胁为合上联络开关后形成环网的总电阻。 文献 3 4 1 给出的快速估计法是基于支路交换的算法，采用配电网潮流计算由 开关操作引起的估计网损，推导出以单环网内支路电流为变量的网损降估计公式 和平衡算法。由于它进行一次重构只需要计算一次辐射状潮流，而不需要计算环 网潮流特别是多环网潮流，而且在计算中忽略了重构前后节点电压的变化，因此 具有算式表达简捷、计算量少、计算速度快等优点，十分适用于工程实际。 这类算法的不足之处在于：在推导过程中将负荷处理成恒定电流，用重构前 的潮流分布进行网损估计，由于重构可能引起较大的负荷转移及电压变化，因此， 网损估计有一定的误差，但估计的相对值己能说明重构的效果。总的说来，此类 算法优化精度不高。 4 线性或非线性规划法 分支界面法是将重构问题表达成一个非线性或线性规划问题，然后用己相对 成熟的规划优化方法进行求解。m e r l i n 和b a c k t 2 q 首先提出将此方法用于配电网 络重构，基本原理是首先将所有开关闭合，然后根据与原网络相似的线性电阻网 络模型来决定要打开的开关，不断重复，直至形成辐射网络。这个方法的优点是 最终的网络结构不依赖网络开关的初始状态，并且问题的计算过程是趋于最优解 的。其主要缺点是用直流潮流算法来计算网络潮流，负荷为纯有功，用不能反映 网络结构变化的电流源来表示，忽略了网络约束。文献f 3 5 贝, u 在此基础上做了进 一步的改进，假设负荷是随电压变化的连续电流负荷，把每一个闭合开关看成一 个电流源，用交流负荷潮流算法来计算网络潮流，选出最优解。 单纯形法是求解线性规划问题的一种常用方法，受其启发，文献 3 6 提出了 一种解决最优配电网络重构的单回路优化法( s i n g l el o o po p t i m i z a t i o nm e t h o d ， 第一章绪论 s l o m ) 。s l o m 法将最优网络结构表示成一个整数优化问题，其目标函数为网 络有功损耗，是电流的二次函数。求解时先寻找一个初始辐射结构为基本可行解， 在此基础上，在打开的联络开关集合中搜索一个使其闭合，在闭合的分段开关集 合中搜索一个使其打开，形成新的网络结构，并使网损有所减少，不断重复此过 程，直至网损不再减少为止，对应的结构就是最优网络结构。应用s l o m 法解 决配电网络重构问题，无需将目标函数近似成线性规划问题，并且其计算简单， 效率高，其不足之处在于要确定初始可行解，同时对于大网络，花费时间较长。 1 3 2 基于人工智能的方法 人工智能方法( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) 就是模拟人类在实际工作中获得的 经验进行操作所采用的方法，它是在1 9 5 6 年由美国的m c c a r t h y 和m i n s k y 等人 提出的 3 7 1 ，经过多年的努力，已经有了很大的发展。应用在网络重构中的包括人 工神经元网络法、模拟退火法、遗传算法、进化规划法以及这些智能方法的综合 应用。 1 人工神经网络法 它适用于映射复杂的非线性函数关系，文献 3 7 】用a n n 法进行网络重构以实 现有功网损最小。该方法首先根据每个区域不同负荷的变化情况，用人工神经网 络估计输入- 初始网络结构和负荷水平，然后决定系统的输出最优结构， 即为一个包含输入输出关系的样本。图1 1 是一个用于配电网重构的神经网络模 型，其输入为负荷模式，输出为开关状态。 拜荧的状态 备节点的负蔼数据 图1 1用于配电网重构的a n n 模型 ， 、 。 这种方法与传统方法不同之处在于不需要进行潮流计算，对神经网络的训练 数据只需对应于不同初始结构和网络结构即可，因此，一旦a n n 权值给定，只 要给定输入，马上可以得到输出。由于神经网络具有非线性映射较强的并行计算 能力和抗干扰能力，有潜力实现在线实时控制。a n n 法的不足之处在于其最优 第一章绪论 解与训练组的数据有很大关系，而配电网络的结构与负荷变化非常频繁，a n n 权值常需要重新更换，从而限制了其实用性，而且训练过程中有时会出现“麻痹” 现象，此外，究竟应选用多大的a n n 节点规模尚无理论指导。 2 模拟退火法 模拟退火法( s a ) 是1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为了模拟熔融态固体热平衡的 形成而提出的一种简单算法，即m e t r o p o l i s 抽样算法【3 引。1 9 8 3 年，k i r k p a t r i c k 等人首先将这一算法应用于求解组合优化问题，提出了模拟退火算法法即采用随 机搜索迭代过程来寻求最优解【3 9 】。文献 3 8 ，3 9 将这一算法用于实现最优配电网络 重构。由于一个规模较大的配电系统会产生大量的待选结构，要对每一个网络状 态进行网损计算，势必增加计算时间。事实上每一个新的网络结构都是在前一个 网络结构的基础上通过对某一条或几条馈线做随机扰动而产生的，在假设电源电 压恒定时，只需对扰动过的馈线进行有功网损增量的计算，即可得到整个系统的 有功网损变化量，然后根据m e t r o p o l i s 接受准则判断是否接受为当前状态，若被 接受，则修改当前网络结构；否则，放弃此待选结构。s a 法对目标函数无特殊 要求，得到的是全局最优解，此解与初始可行解基本无关，s a 法同时还能有效 地克服“维数灾问题，但是，s a 法收敛的关键在于退火方案的选取，若选择 不当，则需要大量的随机迭代，计算量大，得到的解与最优解相差甚远。 3 遗传算法 遗传算法( g a ) 是模拟进化方法中重要的一种方法，由美国m i c h i g a n 大学的 h o l l a n d 教授于6 0 年代首先提出【4 0 1 ，基本思想是适者生存。经过几十年的努力， g a 法己成功地应用于搜索、优化及机器学习等多个领域，它也是电力系统应用 最多的一个方法。它的表达式为公式( 1 2 ) ： f ：乎一一j 【0 ， c m 。 其他 ， ( 1 2 ) 文献【4 0 】首先将g a 算法用于最优配电网络重构，将网络的开关状态编码成 二进制字符串，类似于生物中的基因链，每一个字符串对应一个适应度函数，考 虑网络损耗及约束条件罚因子，将问题转化为一个混合的【o 1 】规则问题，通过字 符串进行“复制”、杂交，和“变异”、等操作，经过许多“代”的进化以后，从 中选出适应度最大的字符串，即为最优网络结构。模拟进化方法与传统的优化方 法比较，它采用二进制码参加运算，而不是变量本身。优化计算采用概率搜索规 则，从一组点开始搜索而不是一个点，对目标函数的要求不高，因而容易达到全 局最优。但是，模拟进化方法的算法性能易受控制参数( 如杂交率、变异率等) 9 第一章绪论 的影响，随机迭代次数多，尤其是当搜索点接近最优点时，搜索时间可能是前面 的数倍。 4 进化规划法 y h s o n g 认为g a 法交叉过程中随机产生的个体容易违反实际系统辐射状 的特性【4 1 1 ，虽然可以采用一定的技术来限制，但毕竟增加了计算时间，进化规划 法( e p 法) 与遗传算法同属模拟进化法，但在方法上是不同的，进化规划法没有 交叉进程，只强调变异。该文尝试着用模糊技术控制变异速度，取得了很好效果。 对3 馈线1 6 节点进行测试，进化规划法只用4 7 秒，但没有叙及该方法用到中 型和大型配电网的情况。 1 3 3 其它算法 尽管大量的重构算法是以网损最小为目标函数，但也有从别的角度来考虑网 络重构问题的。文献 4 2 】从提高配电系统可靠性出发，研究满足运行约束条件下 的配电网重构问题，并首次利用遗传算法进行供电可靠性网络重构。文献 4 3 】提 出了一种考虑安全约束的配电网网络重构。文献 4 4 】采用了一种启发式方法求解 以电能损耗最小为目标函数的网络重构。文献 4 5 】则在改进的最优流模式算法的 基础上，对负荷曲线采用估算和修正处理，提出了一种具有实用价值的以电能损 耗最小为目标函数的网络重构算法。文献 4 6 】引入了开关组的概念，提出了一种 用于负荷平衡网络重构的同步开关法。这些算法都大大丰富了网络重构算法的研 究。 1 4 本文的工作 尽管传统的配电系统重构问题是在近些年才引起人们的注意，但在此期间经 过许多学者、电力工作者的辛勤努力和不懈探索，己经取得了令人瞩目的进展， 并提出了多种求解方案和数学模型。但正如前文所述，集中式供电网与分布式电 源相结合才是2 1 世纪电力工业的发展方向，所以研究含分布式电源的配电系统 网络重构具有重要的现实意义。本文在这一方向上开展了初步的研究，主要工作 如下： 第二章归纳、整理了以往文献关于分布式电源对配电系统影响的研究工作， 包括分布式电源对网损、节点电压、电能质量、可靠性、系统保护等的影响，重 点关注了分布式电源最佳接入位置的选择、接入容量限制、分布式电源孤岛运行 技术等内容。在此基础上，给出了本文研究采用的含d g 配电网络模型。 第三章为本文重点，提出了含分布式电源配电网的网络重构模型和求解的两 l o 第一章绪论 段式算法。整个优化问题被分解为容量和重构两个子问题：容量子问题用于解决 d g 给定时，孤岛系统最优供电负荷容量的确定；重构子问题采用改进的开关支 路交换算法，用于在孤岛确定后对整个系统网损进行优化。重构子问题的开关一 网损相关因子反馈到容量子问题，实现整个网络重构方案的优化。 第四章将文本所给模型和算法在i e e e3 3 节点和p g & e6 9 节点系统进行了 验证，并对配电系统给定后，d g 接入容量的大小对重构结果的影响进行了较深 入的讨论。 第五章为全文总结，由于时间有限，本文工作尚有很多待改进之处，一并在 本章给出。 第二章含d g 的配网重构问题的理论基础和模型 第二章含d g 的配网重构问题的理论基础和模型 2 1d g 对配网系统的影响 将分布式电源( d g ) 系统集成到现有的配电系统中，是今后d g 技术的发展趋 势，但将大量的d g 接入配电网会对配电系统的结构和运行产生很大的影响。主 要表现在以下几个方面： 1 d g 对网损的影响 在配电网中的负荷近旁接入分布式电源后，整个配电网的负荷分布将发生变 化，主要有3 种情况：( 1 ) 所有负荷节点处的负荷量均大于该节点处d g 输出量 时，d g 的引入使配电网所有线路的损耗减小；( 2 ) 至少有一个负荷节点处的负 荷量大于该节点处d g 的输出量，且系统的总负荷量大于所有d g 的输出总量时， d g 的引入可能导致配电网某些线路的损耗增加，但配电网的总体线路损耗将减 小；( 3 ) 至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点处d g 的输出量，且系统的 总负荷量小于所有d g 的输出总量时，如果所有d g 的发电量小于2 倍的负荷总 量，那么d g 的影响与情况( 2 ) 相同，否则将使配电网的线路损耗增加。由此可见， d g 可能增大也可能减小系统损耗，这取决与d g 的安装位置、与负荷量的相对 大小以及网络的拓扑结构等因素。 同时，如果配电网总含有风力发电或光伏发电系统，由于它们的输出受天气 的影响很大，具有随机变化的特性，以上3 种负荷分布情况可能会在配电网中交 替出现，还会使系统的潮流具有随机性，从而导致传统的潮流算法不再适用。 2 d g 对节点电压的影响 传统配电网一般呈辐射状，稳态运行情况下，沿馈线潮流方向，电压逐渐降 低。接入d g 后，在稳态情况下( 视负荷恒定不变) ，由于馈线上的传输功率减小 以及d g 输出无功的支持，使得沿馈线的各负荷节点处的电压被抬高，而抬高的 量与接入d g 的位置及总容量有关。 在配电网中，有功、无功负荷随时间变化会引起系统节点电压波动。越接近 线路末端，节点电压的波动越大，如果负荷集中在线路末端，电压的波动会更大。 d g 接入配电网后，会影响系统节点电压的波动，使其增大或减小，主要通过两 种方式：( 1 ) d g 与当地的负荷协调运行，即当该负荷增加或减小时，d g 的输出 量随之增加或减小，只是d g 将抑制系统电压的波动；( 2 ) d g 不与当地的负荷协 1 2 第二章含d g 的配网重构问题的理论基础和模型 调运行，如利用自然资源发电的d g ，由于其输出受自然资源的可利用性影响很 大，一般很难控制，所以这类d g 很难与当地的负荷协调运行，此时d g 将增大 系统电压的波动性。 3 d g 对电能质量的影响 d g 接入配电网后，会引入各种扰动，从而对系统的电能质量产生影响，主 要表现在两个方面：( 1 ) 大型d g 系统启动：d g 的输出突然或较大变化，以及 d g 和反馈环节的电压控制设备相互影响时，可能直接或间接地引起电压波动； ( 2 ) 由于d g 本身就是一个谐波源，并且当d g 经基于电力电子技术的逆变器接 入配电网时，逆变环节也可能引入谐波。此外，d g 的接入还会带来诸如电压脉 冲、浪涌、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题。 4 d g 对可靠性的影响 如果d g 仅作为备用电源可以提高系统供电的可靠性，但如果d g 与电网并 联运行，就可能降低系统的可靠性。例如：对于含有大量d g 的配电系统，如果 d g 间相互协调不好，会降低系统的可靠性；另外，在系统中出现扰动时，由于 d g 的高度不确定性，也可能降低系统的可靠性。于是目前在实际工程中，系统 _ 旦出现扰动，通常会切除所有的d g ，使系统恢复到原来的结构，但这并不是 最佳方案。 5 d g 对系统保护的影响 由于辐射状配电网的潮流是从电源到用户单向流动的，此外考虑到配电网 8 0 的故障是瞬时的，所以传统配电网的保护设计通常是在变电站处安装反向过 流继电器，主馈线上装设自动重合闸装置，支路上装设熔断器。根据“仅断开故 障支路，对瞬时故障进行重合闸 原则，使自动重合闸装置在各侧支路上的熔断 器相互协调，而每个熔断器又分别与其直接相连的上一级或下一级支路上的熔断 器相互协调以实现配电网线路的保护，此种保护不具有方向性。 引入d g 后，配电网成为一个多电源系统，这要求其保护设备应具有方向性， 但熔断器和传统的自动重合闸装置并不具备方向性，而用诸如继电器那样的方向 性敏感元件替换配电网中所有的熔断器和自动重合闸装置在经济上又是不可行 的。所以普遍的做法是：在任何故障情况下，跳开全部的d g 单元，使系统恢复 到d g 接入前的拓扑结构，这样就可以延用传统的保护方案。但随着今后d g 大， 量接入配电系统，这种方法显然是不理想的。 第二章含d g 的配网重构问题的理论基础和模型 2 2d g 接入位置和孤岛运行 2 2 1d g 接入位置的确定 d g 位置和容量的确定是设计一个分布式系统不可缺少的前提条件，可根据 客户终端所需的容量和所处环境的地理位置，综合考虑各种指标确定所要采用的 d g 接入方式。d g 发电容量不仅要满足负荷正常运行时所需的能量，并对突发 事件要有一定的承受能力。d g 的位置不仅要考虑周边的能源、交通运输、地理 环境等因素，还要考虑其布置的合理性，使线路损耗尽可能小，从而改善系统的 经济性、可靠性和灵活性。对于配电网中的重要负荷，为了保证它们在电网发生 故障时仍能保持正常供电，可以根据孤岛划分策略来规划配电网中的d g 以保证 电网供电的可靠性。 孤岛是引入d g 技术以后配电网中出现的一种新运行方式，它是由d g 独立 向一部分配电系统供电的运行状态。当配电网发生故障以后，在保证电力系统安 全的前提下，尽可能维持d g 正常供电，而将配电网转化为若干孤岛自治运行， 可以减小停电面积，提高供电可靠性，对电网公司、d g 发电商和用户都是有利 的。配电网故障后的孤岛方案是根据故障点的位置以及故障前配电网的实际运行 情况得到的，孤岛内负荷容量与发电容量要相互匹配，使孤岛既能充分发挥d g 的供电能力，又不会造成d g 过负荷。 对于含有d g 的配电网故障恢复，目标函数仍然以失电负荷恢复量最大为目 标，约束条件除