（电气工程专业论文）配电网建设改造优化方法的研究.pdf

摘要 城市是各地区政治、经济、文化的中心，城市的发展离不开对电力的需求， 建设和改造好城市电网，对于加快城市国民经济发展和提高人民生活水平将起到 重要作用。随着城市的发展，市区负荷迅速增长，对用电可靠性的要求越来越高， 同时电力系统的转轨和电力营销战略的确立，使面向用户的配电网日益显出其在 电网调度中的重要地位。而配电网多年积累下来的问题，成为制约城市供电发展 的瓶颈。鉴于此种状况，国家电力公司决定积极进行城网建设和改造。 配电网建设改造规划是一个涉及数据面广、量大的庞大工程，需要收集大量 电网历史数据及有关城网发展的历史数据，需要对现状电网深入的了解，同时对 城市未来的发展有比较全面的了解，目前仍采用人工计算的方式完成配电网规 划，这样不但费时费力而且很难把握数据处理的准确性，完全依赖人工的经验规 划未来的电力网络，已不能满足现代城网规划的要求。鉴于此，本文提出一种配 电网建设改造规划的新思路，通过研究开发出“基于g i s 的配电网建设改造优 化系统”，在专家干预和软件辅助下，得出高水平的配电网建设改造规划成果。 本文以鄞州建设改造优化系统科技项目为基础，项目名称为基于g i s 的配 电网建设改造优化系统研究开发，所研究的规划方法属于国内最新研究领域。 具体研究内容如下： ( 1 ) 基于g i s 的配电网建设改造优化系统研究开发。采用基于地理信息 系统( g i s ) 的信息集成，实现一个利用g i s 图形管理平台、设备管理平台实现 配电网建设改造优化系统，为配电网规划与工程设计提供科学决策支持。 ( 2 ) 配电网自动建模和人工建模的研究。研究与电网一体化平台的无缝 对接技术，提取配电网规划信息的同时自动构建配电网模型，为建设改造规划 提供数据支持。 ( 3 ) 配电网分析和评估关键技术研究开发。建立配电网多目标评估指标 体系，对现状电网和规划电网进行评价。开发电网评估功能，查找电网薄弱环 节，作为电网改造和优化的依据。 ( 4 ) 空间负荷预测体系研究开发。根据市政规划，建立负荷的空间分布 l l i 体系，在分析现状负荷的基础上，采用空间负荷预测方法，预测规划分区、功 能分区和街区的负荷增长情况和空间分布。 ( 5 ) 配电网改造优化关键技术研究。对电网评估的薄弱环节进行分类， 确定改造和优化的原则，对配电网改造提供辅助支持，并自动统计改造项目和 工程量作为技改项目的依据。 关键词：配电网规划改造数据接口 电网建模电网评估空间负荷预 测网络优化 i v a b s t r a c t c i t yi st h ec e n t e ro fp o l i t i c a l ，e c o n o m ya n dc u l t u r ei ne a c ha r e a t h ed e v e l o p m e n t o fc i t yd e p e n d so ni t se l e c t r i cp o w e r p o w e rn e t w o r k si nd o w n t o w ns h o u l db e c o n s u m m a t et oa c c e l e r a t en a t i o n a le c o n o m ya n di m p r o v et h ep e o p l e sl i v e l i h o o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t t h el o a do fd o w n t o w ni n c r e a s er a p i d l y , w h i c hr e q u i r e s m o r er e l i a b l ei np o w e ri n d u s t r y i nt h em e a n w h i l e w i t ht h es h u n to fp o w e rs y s t e m a n de s t a b l i s h m e n to fp o w e rm a r k e t i n gs t r a t e g y , t h eu s e ro i l e n t e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ne l e c t r i cn e t w o r km a n a g e m e n t t h ep r o b l e m s w h i c hh a v er e m a i n e du n s o l v e df o rm a n yy e a r si nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a r eb o t t l e n e c k r e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l y a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，n a t i o n a l 鲥d c o r p o r a t i o na p p l yi t s e l ft oa m e l i o r a t eu r b a nn e t w o r k p l a n n i n gf o ru p g r a d i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sah u g ep r o j e c ti n v o l v e dm a s sd a t a ， w h i c hn e e dt oc o l l e c tal o to fh i s t o i l c a ld a t eo fp o w e rn e t w o r k t or o u n d l yf i n do u t s i t u a t i o no fn e t w o r ka n dd e v e l o p m e n to ft h ec i t yi nf u t u r e u pt on o w , d i s t r i b u t i o n n e t w o r kp l a ni ss e tu pb ym a n u a lw o r k ，w h i c hc a nn o to n l yi n s u r ev e r a c i t yo fd a t a p r o c e s s i n g b u ta l s oi sal o n gh a u l i ti s n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fm o d e mc i t y n e t w o r kp l a n n i n gt o t a l l yb yp e o p l e se x p e r i e n c e t h e r e f o r , an e wc o n c e p to f p l a n n i n gf o ru p g r a d i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e t h ea r t i c l ei sb a s e du p o np r o je c ta b o u tr e b u i l d i n ga n du p g r a d i n gs y s t e mi n y i n z h o u t h i sp r o j e c ti sn a m e dr & da b o u td i s t r i b u t i o nn e t w o r ku p g r a d i n gs y s t e m b a s e do ng i s ) ) t h er e s e a r c hb e l o n g st on e wf i e l di nn a t i o nw i t hd e t a i l s a sf o l l o w ： ( 1 )r & da b o u td i s t i l b u t i o nn e t w o r ku p g r a d i n gs y s t e mb a s e do ng i s t o c a r r y o u t t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k u p g r a d i n gs y s t e mb yg r a p h i c s m a n a g e m e n tp l a t f o r i l la n dd e v i c em a n a g e m e n tp l a t f o mw i t l lg i s ，t o p r o v i d eas c i e n t i f i cd e c i s i o n - s u p p o r tf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g a n de n g i n e e r i n gd e s i g n ( 2 )r & da b o u td i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n a l y s i sa n de v a l u a t i o nk e y t e c h n i q u e t os e tu pm u l t i o b j e c t i v ed i s t i l b u t i o nn e t w o r ke v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m t oj u d g eo fs t a t u sq u op o w e rg r i d sa n dp l a n n i n g 鲥d t od e v e l o p a s s e s s m e n to fg r i df u n c t i o n sa n df i n do u tw e a kl i n k si ng d d ，t om a k e f o ro p t i m i z a t i o no fn e t w o r k ( 3 )r & da b o u ts p a t i a ll o a df o r e c a s t i n gs y s t e m b a s e do nm u n i c i p a l p l a n n i n g ，t os e tu pt h es p a t i a ll o a dd i s t r i b u t i o no fs y s t e m i na n a l y z i n g t h es t a t u so ft h el o a do nt h ef o u n d a t i o n t om a k eap r e d i c t i o na b o u t1 0 a d g r o w t ha n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp l a n n i n gz o n i n ga n df u n c t i o n a l z o n i n g ( 4 )r & da b o u tk e y t e c h n i q u ew i t hd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e b u i l d i n ga n d u p g r a d i n g t oc l a s s i f yt h ew e a kl i n k sa b o u td i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n o r d e rt os e tu pg u i d e l i n e sa b o u tr e b u i l d i n ga n du p g r a d i n g t op r o v i d e a u x i l i a r ys u p p o r to nt h er e b u i l do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a l s ot om a k ea a u t o s t a t i s t i co nr e b u i l d i n gp r o j e c t sa n dq u a n t i t i e sf o rt e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o np r o j e c t s k e yw o r d 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 g r e b u i l d i n gd a t a i n t e r f a c e g i r d m o d e l i n g g i r da p p r a i s a l s p m i a ll o a df o r e c a s t i n g n e t w o r ko p t i m i z m i o n 2 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是国民经济的重要部门之一，它的发展水平不仅对国民经济的其它 部门会产生巨大影响，而且还涉及大量一次能源消耗、巨额资金投入及其可持续 发展的战略问题，因此，合理地进行电力系统规划不仅可以获得巨大的社会效益， 而且可以获得巨大的经济效益；相反，电力系统规划的失误常常会给国民经济带 来不可弥补的损失。因此，电力系统规划近年来在国内外日益受到广泛重视，成 为工业界与学术界研究的热点n 3 。 根据电压等级的高低，电力系统可以分为发电系统、输电系统、子输电系统 和配电系统等四个子系统。同样，电力系统规划也可以分为四个主要部分：电源 规划、输电系统规划、子输电系统规划和配电系统规划。 配电系统是电力系统到用户的最后一环，它与用户的联系最紧密，对用户的 供电可靠性和供电质量的影响也最直接。据文献 2 报导，输电系统的投资费用 占整个电力系统的1 9 ，损失占整个电力系统损失的1 2 ；子输电系统的投资 费用占整个电力系统的1 2 ，损失占整个电力系统损失的2 1 ；而配电系统的 投资费用占整个电力系统的6 9 ，损失占整个电力系统损失的6 7 。由此可以 看出，电力系统中大约有2 3 的投资费用和损失归属于配电系统。此外，文献 2 中还提到，电力系统中大概有9 6 的故障发生在子输电系统或配电系统，代表 了对用户的3 4 的停电电量。国民经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高， 客观上也使人们对电能供应的可靠性和电能质量提出了更高的要求。因此，随着 电力市场中竞争机制的不断引入，如何保证配电系统安全、可靠、经济地运行不 仅直接关系到电力公司本身的经济利益，而且对于树立公司良好的企业形象，提 高公司在电力市场中的竞争能力有着重要的意义。 但是，在我国长期以来配电系统的建设并没有得到应有的重视，电力系统规 划的研究工作也主要集中在电源规划和输电系统规划方面，而忽视了配电系统规 划的研究。据文献 3 报导，目前我国发电、输电、配电的投资比例大约为：1 ： o 2 1 ：0 1 2 ，而美国是1 ：0 4 3 ：0 7 ，英国是1 ：0 4 5 ：0 7 8 ，日本是1 ：0 4 7 ：0 6 8 。 这种“重发，轻供，不管用”的思想造成了配电系统建设明显滞后于城市建设和 发输电系统的建设，配电系统缺乏合理的规划和建设，发展状况相对落后。具体 表现在n 3 ： 令网架薄弱，电网结构不合理，不少城市发生严重的“卡脖子现象，有 电送不出； 令线路过负荷情况严重，网络损耗高； 令设备陈旧，遮断容量小，事故率高； 令供电质量差，可靠性低； 夺技术落后，配电自动化程度低。 为了彻底改变这种状况，必须从长远的、整体的眼光出发，在科学合理的规 划政策和规划方法的指导下对当前我国的城市电网和农村电网进行彻底的重新 规划改造，使其适应国民经济发展和人民生活水平日益提高的需要。从这个意义 上来说，系统的、科学的配电系统规划优化方法的研究和应用迫在眉睫。 1 2 配电网规划的研究现状 1 2 1 负荷预测研究现状 负荷预测是配电网规划面临的第一个任务，负荷预测的准确程度直接关系到 规划方案的质量。按预测时期的长短，负荷预测一般可分为长期，中期，短期和 超短期四种。配电网规划的负荷预测主要属于中长期负荷预测。目前对中长期负 荷预测的研究方法主要有： ( 1 ) 趋势外推法。 趋势外推法只需要负荷本身的历史数据，通过寻找负荷历史数据中的负荷 变化规律和特性，并将其变化模式外推到未来进行预测。该方法需要的数据量 小，但由于没有对负荷预测中的随机成分进行统计处理，因此准确度不高。 ( 2 ) 相关分析法。 相关分析法是将负荷同各种社会和经济因素等联合起来考虑，通过寻找电 力负荷与影响其变化的相关因素之间的关系或数学模型，来达到预测的目的。 其优点是可以清楚地看到可量测因素和负荷增长趋势的关系，但搜集这些相关 因素的资料有时比负荷预测本身更困难。 ( 3 ) 时间序列分析法。 时间序列分析法是将负荷数据当做一个随时间变化的序列进行处理，通过 寻找负荷历史数据序列中的变化模式，并将该模式外推到未来进行预测。当时 间过长时会产生较大误差。 ( 4 ) 回归分析法。 回归分析法是假定负荷同一个或多个独立变量存在因果关系，通过寻找因 果关系的数学模型，据此预测出将来负荷值。回归分析模型参数估计技术比较 成熟，预测过程相对简单。但一般为避免数据处理过于复杂，常将变量间的关 系假定为线性。 文献 4 将偏最小二乘回归模型应用于年用电量预测，克服了自变量之间多 重相关性的问题，使得计算结果更为可靠。文献 5 】在回归分析中采用了非线性 参数估计计算，从而得到更精确的预测模型。文献 6 】采用了模糊线性回归法进 行负荷预测，将影响负荷预测的不确定因素数据使用模糊数学进行处理。文献 4 】采用遗传规划法自动找出与负荷变化相关的因素，生成函数表达式来体现负 荷的变化规律，建立负荷预报模型。 ( 5 ) 灰色模型。 灰色模型将随机变化量看作在一定范围内变化的灰色量，通过生成变换和 关联分析，建立预测模型。负荷预测中通常采用g ( 1 1 ) 模型。 文献 8 9 】比较了几种灰色模型在电力需求预测的应用，确定适合于不同产 业电力需求预测的不同灰色模型。文献 1 0 】提出了灰色预测模型g m ( 1 1 ) 的参数 修正法，进一步提高负荷预测的精度。文献 1 1 】将灰色模型与自适应滤波模型进 行组合以提高预测精度。 ( 6 ) 人工智能技术。 随着人工智能技术的不断发展和日益完善，人们又提出了模式识别法，组 合预测法，模糊预测法，专家系统法，神经网络法等方法。这些方法发展都不 很成熟，但具有很大的应用潜力。 文献 1 2 】提出了一种组合式的模糊短期负荷预测方法。通过对历史数据的离 线动态学习，训练出有关参数，经过模糊推理获得提前一步的负荷预测。文献 1 3 1 4 将神经网络法运用于负荷预测。文献 1 5 贝j j 在负荷预测中运用了免疫神 经网络，提高了神经网络的白适应能力。 ( 7 ) 空间负荷预测 空间负荷预测不仅在时间上预测未来负荷的增量，而且还预测负荷增长的 空间信息。8 0 年代初，美国的w i l l s 等人提出了空间负荷预测的概念【1 6 1 。之后 运用于空间负荷预测的方法主要有多变量法，趋势法和用地仿真法【1 7 】。前两种 方法模型简单，精度不高，己基本上不再采用，现在广泛应用的是用地仿真法。 用地仿真法是通过建立用地仿真模型来模拟小区发展情况，将负荷预测的结果 分配到每个小区，具有较高精度，能够满足中长期配电网规划的要求。 文献 1 8 】 1 9 】在w i l l s 的基础上，通过建立模糊规则库，使用模糊推理处理 分析待规划区域的空间属性信息，以预测该区域各用地类型的发展程度。文献 【2 0 采用非均匀区域法进行空间负荷预测，对不同密度的地区划分不同的区域， 有效减少数据量和存储空间的信息。文献又将运输模型用于用地预测，以确定 各用地类型的未来使用面积。文献 2 1 】引入遗传算法来调整模糊集参数，以此训 练模糊系统规则以建立模糊规则库。文献 2 2 弓l x 人工神经网络，在原始数据不 充分的条件下，对负荷进行分类和简化，从而得到与环境因素相适应的负荷。 负荷预测的各种方法根据其自身的特点被应用于不同的场合。趋势外推法、 相关分析法以及时间序列分析法由于其精度不高，只用在一些对精度要求不高 的定性分析上。回归分析法、灰色模型考虑了随机因素，预测精度较高，但要 建立这些模型较为困难，目前还在进一步研究，这些方法大都应用于要求考虑 的随机量较少的场合。人工智能技术目前越来越多地被应用于负荷预测中，这 些方法的预测精度相对较高，但由于发展还不够成熟，还在进一步探索。现在 负荷预测的应用往往将多种方法同时进行预测，综合分析得出一个结果。空间 负荷预测更多地应用于电网规划，因为电网规划必须知道负荷的空间信息，目 前该方法已广泛应用于电力系统规划。 1 2 2 配电网网络规划研究现状 负荷预测完成之后，便可进行配电网络规划。变电站选址和馈线布线是配 电网络规划的主要研究内容。配电网规划要考虑城市建设的布局，土地价格等 多种因素，显然这是一个系统优化的问题。它具有离散性，动态性，非线性， 多目标性，不确定性等特点。从数学上来说，配电网规划是一个动态多目标不 确定非线性的整数规划问题。根据不同的简化手段，形成了不同的规划方法。 根据对规划期间处理的不同，规划方法可分为： ( 1 ) 单阶段扩展规划 单阶段扩展规划是根据规划期开始的数据寻找规划末尾( 即水平年) 的最佳 网络结构方案。 ( 2 ) 多阶段扩展规划 多阶段规划中，前一阶段的规划结果对后一阶段有明显影响，因此，每一 扩展方案既要考虑本阶段的要求，又要考虑整个规划期的要求。多阶段规划可 采用动态规划方法也可采用静态规划方法来实现。考虑整个规划期最优扩展方 案的方法称为动态规划方法。把多阶段中每一阶段都作为单阶段规划来优化， 把上阶段的优化结果作为下一阶段规划的输入，这种处理叫静态规划，但静态 规划不能给出整个规划期的最优解。动态规划处理要比静态规划复杂的多。 根据数学方法分类，可分为： ( 1 ) 最优化方法 最优化方法是将电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通过一定的 算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。这种方法由于考虑了电网 的决策变量与运行变量等之间的相互关系，并将实际规划问题采用优化方法求 解，因而在理论上更严格些并保证了方案的最优性。但由于电网规划属于大规 模的组合数学问题，计算时间长，占用计算机内存大，对于实际大规模系统求 解困难很大。因此实际应用时不得不作大量的简化。 ( 2 ) 启发式方法 启发式方法不同于优化方法，它是以直观分析为依据的算法，通常基于系 统某一性能指标对可行路径上线路参数的灵敏度，根据一定的原则，逐步迭代 得到满足要求的方案为止。这种方法直观，灵活，计算时间短，便于人工参与 决策且能给出符合工程实际的较优解。缺点是单网络规模大时，指标对于每一 组方案差别不大，难以优化选择。 文献 2 3 】使用支路交换法进行配电网规划，文献 2 4 将支路交换应用于多阶 段规划，文献【2 5 改进了支路交换法，通过计算支路交换后的目标函数的差值缩 小支路交换的范围，减少计算时间。文献 2 6 1 贝j j 将配电网规划和图论结合，利用 寻找最小生成树和最小路径树的方法来寻找最优的网络结构。 ( 3 ) 专家系统法 专家系统法模拟规划人员的经验进行决策，也可以看做是启发式方法的发 展。专家系统先建立产生规则库，再由推理机去除不可行解，最后由决策部分 选出最优解。专家系统总结了大量专家的实践经验，可以合理简化规划模型， 提高算法效率。 ( 4 ) 模拟进化策略 随着数学的发展以及配电网规划这一问题本身的特性，人们开始将模拟进 化策略运用于配电网规划。文献 2 7 【2 8 】 2 9 】分别将遗传算法，模拟退火算法， 最优蚁群算法应用于配电网络的规划。虽然这些算法在实际应用时都还存在参 数不易选取的缺点，但这并不影响模拟进化策略在配电网络规划中的应用。 ( 5 ) 电网综合规划 长期以来，两级以上电网的综合规划并不为人所重视，其主要原因有：各 级电网的网络结构不同，进而导致优化算法不同；各电压等级综合规划导致 问题规模激增。 文献 3 0 3 l 】对电网综合规划的模型和算法进行了研究，提出了输配电系统 综合规划的全局优化算法。全局优化算法中当系统为不同电压等级的开环系统 时，只需仿照标么值计算的原理将各电压等级的电气量折算到某一选定的电压 等级上，就可以采用最短路遗传算法进行网络的全局优化。当系统为开环与非 开环混合系统时，先形成树状网络，然后利用文献 3 0 的最短路径遗传算法进行 专门的联络线优化，以构成环网。 1 2 3 与配电网规划相关技术的研究现状 计算机技术的应用 城市配电网规划工作是一项复杂的系统工程，它不仅需要大量有关城市配 电网发展的历史数据，还需对现状网进行深入的分析，同时，也要对城市的未 来发展情况有比较全面的了解。完全依靠规划工作者的经验规划未来的城市配 电网，已经远远不能满足现代电力系统的要求。以计算机作为工具，采用新技 术、新方法对城市配电网进行优化规划已在电力系统界达成了共识。 城市配电网规划的科学性和规范性要求规划人员不但要掌握本部门历史和 现状的负荷及负荷分布情况，而且还要收集大量的有关城市过去，现在和将来 发展的各个领域的用户数据( 如占地、负荷、人口、交通情况等等) ，对这些数据 的有效分析和整理以及规划派生数据的管理，仅仅依靠传统的规划方法将会造 成大量的时间和人力资源的浪费，而且传统的主要依靠专家经验的城市配电网 规划方法已经不能满足城市现代化建设的要求因此，结合国情系统深入地研究 满足实际要求的城市配电网规划理论，开发研制高效、方便、实用的具有智能 决策功能的城市配电网规划计算机辅助决策系统，既是我国城市电网建设当前 的迫切需要，也是今后长期发展的必要的科学手段。 国内许多电力部门做了大量尝试性的工作，其中包括一些国外城市电网规 划软件的引进，这些工作为提高我国城市配电网规划工作的水平发挥了重要的 作用，为计算机技术在城市配电网规划工作中的应用积累了宝贵的经验。由天 津大学开发的“城市电网规划计算机辅助决策系统【3 2 , 3 3 , 3 4 ，结合了这些专家的经 验，该系统有完善的数据库、模型库和图形库，具有使用方便、结果直观和图 形信息、齐全等优点，体现了理论与专家经验的结合，科学性与实用性的统一。 地理信息系统的应用 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是计算机科学、地理 学、测量学、地图学等多门学科综合的技术，其核心是计算机科学，基本技术 是数据库、地图可视化及空间分析，是处理地理数据的输入、输出、管理、查 询、分析和辅助决策的计算机系统。同时，g i s 也是一种特定而又十分重要的 空间信息系统，它不仅研究如何采集、存储、管理和描述整个或部分地球表面 与空间和地理分布有关的信息，更注重研究计算机技术与空间地理分布数据的 结合，通过一系列空间操作和分析方法，为地球科学、环境科学和工程设计， 乃至对企业经管提供规划、管理和决策所需的信息。随着计算机软、硬件技术 的发展与普及，g i s 进入了全面发展和应用的阶段。近年来，由于其强大的地 图对象信息、处理能力，g i s 被广泛应用于环境、地质、矿山、电力等与地理 有关的信息系统开发。其中，在城市配电网规划的研究领域诸如配电网智能决 策支持系统的开发3 5 1 、空间负荷预测f 1 7 】、配电网调度可视化【3 6 】和电缆故障精测 【3 7 】等，g i s 也己得到了广泛的应用。 由北京电研天地公司开发的基于g i s 的配电网规划及辅助决策系统【3 8 】。该 系统能够根据不同数据完备状况进行建模，具有较强的适应性、快速性、可操 作性。分别实现了规划功能体系、改造功能体系。系统具有使用方便、结果直 观、界面友好的特点，并涵盖了电网规划及电网改造的全部工作。该系统在浙 江省的多个城市配网规划中得到成功应用，对电网规划人员起到了较强的辅助 决策作用，大大提高了电网规划的工作效率。 c 网络拓扑的研究现状 以地理信息系统图形平台进行配电网规划，需要进行网络拓扑。网络拓扑， 是根据配电网设备节点连接关系，实时开关和闸刀的状态，迅速地进行逻辑判 断，形成各相连电气元件的子系统和系统电气接线图。 传统的网络拓扑分析，主要采用堆栈技术和深度优先的搜索算法【3 9 1 ，该算 法从某一点出发，沿支路搜索到某条路径的末端，再回溯到该搜索路径的节点， 继续搜索新的分支路径，直到所有支路和节点被搜索。该方法由于通用性高， 目前应用较多【3 9 】【4 0 】【4 l 】，其缺点在于重复搜索支路。尤其对于呈辐射状的配电网 而言，分支数和分支深度都较大，该方法搜索速度和效率较低。 文献【4 2 利用因果映射进行网络结构识别。该方法将网络接线方式归纳出几 种基本联结模式，利用因果知识判断进行拓扑。计算方法简单，识别速度较快。 但该方法需要预先知道网络可能的连线方式，适应范围较小。文献 4 3 】提出了一 种基于关联矩阵的网络拓扑辨识。这种方法根据节点一支路关联矩阵描述其拓扑 结构，利用矩阵运算进行拓扑分析。文献 4 4 利用节点融合进行网络拓扑。该方 法直接进行闭合刀闸和开关节点的融合，没有考虑到多端点设备如三相变压器对 拓扑过程的影响。同时，在复杂的网络接线方式下进行节点融合效率较低，一定 程度上限制了这种方法的应用。 1 0 1 3 国内外配电网规划软件系统应用概况 1 3 1 配电网优化、规划与信息化 配电网优化和配电网规划总是相伴相生。规划中涉及大量的优化技术，优化 在很大程度上为规划服务。 在电力系统迅速发展的背景下，配电网络优化规划对于提高供电质量、经济 性和安全性显得越来越重要。为了提高配电网络优化规划工作科学性、规范性和 效率，配电网络规划的信息化成为该领域的发展方向。国外电力工业发展先进国 家已经广泛应用了配电网络规划智能软件产品，并取得了突出的效果，如葡萄牙 电力公司( e d p ) 于1 9 9 8 年开始应用配电网规划软件优化。 国内配电网络规划信息化起步较晚，但在前期配电管理信息化过程中形成了 自身特色。配电网络规划主要包括负荷预测、变电站规划、配电网架设计、配网 无功补偿和开关优化配置等多种优化计算。同时，由于配网系统规划需要大量配 电网参数数据和其它相关数据的支持，与配网自动化、能量管理、负荷监控、用 电营业管理、配电网地理信息系统等其它子系统之间必然存在紧密的数据交换关 系。因此，配电网络规划信息化的发展方向是集成化和智能化。 配电设计集成化是指系统能够实现异构多数据源的数据无缝集成，实现覆盖 配电设计工程规划设计、优化计算等子系统的横向功能集成，能够实现与配电自 动化( s c a d a ) 、能量管理系统( e m s ) 、负荷监控等子系统的纵向功能集成，从而 实现配电设计规划中的数据资源一体化和各功能一体化。 配电设计智能化是指系统能够采用最新配电设计优化规划算法，采用先进的 统计和人工智能技术，全面完整地对配电设计状态数据和其它相关数据进行智能 分析计算，为配电网络规划提供科学、可靠和正确的决策支持，提高配电网络规 划工作效率，以及科学性和规范性。 由于国内外配电网络计算机辅助设计正向集成化、一体化方向发展，每一个 子系统不再是一个孤立的系统，而应当考虑子系统之间的联系。在地理信息系统 基础上开发本项目正符合这一趋势也有利于系统内的数据共用和软件功能的共 用。 相比较而言，国外的同类产品成熟度高，已经广泛地在电力系统中得到应用 和推广。这一点是与国外，特别是由欧美电力工业发展程度所决定的。尽管如此， 国外的软件主要针对北美市场，缺乏中文支持及其相应惯例，缺乏国产设备工程 数据库，且难于提供用户长期持久的技术服务，加上价格昂贵，在中国市场很难 立足。 国内同类产品开发起步较晚，用户相对较少，图形化程度不够；使用不方便， 主要采用离线方式进行数据输入，没有考虑再利用其它系统数据资源，形成重复 数据采集，加大了用户工作量；配电系统规划模型和算法不能满足现有工程实际 规划要求，算法输出结果的决策支持效果不明显。 1 3 2 通用信息模型与数据交换 随着电力系统信息化的发展，s c a d a 、e m s 、a m f m 、负荷监控、远程抄表等 各种自动化系统和信息系统在电力企业中得到了广泛的应用。在这一发展过程 中，由于信息化产生了新的问题： 各种系统来自不同厂商，甚至同一类系统的各子系统也来自不同厂商。而厂 商各自对电力系统的理解不同造成了系统之间存在突出的系统平台、系统开发工 具、数据格式和数据模型不一致的情况。其中，尤其是数据格式和模型不一致的 情况，严重阻碍了电力系统在更高层次上进行数据共享和数据再利用的努力。 因此，解决异构环境下不同数据源数据集成，以及统一不同系统对电力系统 公共数据模型的理解，就成为了目前电力系统进行深度信息化的必经之路。事实 上，化工、石油、制造和保险等行业基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 格 式的c i m ( c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ) 模型标准已经在各自行业中得到了广泛 成熟的应用。 目前，电力系统正在对通用数据模型c i m 标准进行制定和深入研究当中。美 国电力科学研究院于1 9 9 8 年提出建立统一的电力企业通用信息模型c i m 的设想， 并在2 0 0 3 年首次由i e c 国际组织纳入国际标准。已经通过的国际标准有i e c 1 6 9 7 0 和i e c 6 1 9 6 8 。i e c6 1 9 7 0 系列标准是国际电工委员会( i e c ) 第5 7 分会( 电 力系统控制与相关通信) 第1 3 工作组制定的一套国际标准，即：能量管理系统 应用程序接口( e m s - a p i ) 标准。该标准的定义使电力系统各种应用以及e m s 能 够不依赖信息的内部表示存取公共数据和交换信息。i e c6 1 9 6 8 主要对配电网通 用数据模型c i m 进行定义。两标准都采用o m gu m l2 0 统一过程对象建模语言对 所涉及的数据实体及其相互关系，以及总体数据体系结构进行了细致的描述。 国内对电力系统通用数据模型的研究自2 0 0 1 年以后开始展开，目前主要有 电科院、清华大学、南自院、重庆大学、东方电子等企业和科研机构对此进行深 入研究。2 0 0 4 年4 月，国家科技部通过了“基于国际标准c c a p i 的e m s 系统接 口平台科研项目的验收。该项目主要针对i e c l 6 9 7 0 展开了能量管理系统接口 的研究，标志着我国针对电力系统c i m 的研究开始进入快速发展时期。可以预言， 电力c i m 模型将成为今后阶段电力系统信息化系统建设中的通用标准。 目前，针对配电网通用数据模型c i m 的的标准i e c6 1 9 6 8 还刚刚处在拟定阶 段。正式颁布的i e c6 1 9 6 8 标准只包含了整体系统规范和部分组件规范的定义， 完善的模型定义正在研究当中。 根据上述标准，电力系统c i m 模型可以采用关系数据库或者x m l 进行实现。 结合上述标准，在异构环境下对多数据源进行数据集成的手段主要有数据适配器 方式和数据总线方式。具体在本研究中采取何种方式将在第3 章中进行专门论 证。 另外，x m l 已经广泛用于化工、金融等行业数据交换标准的制定，具有结构 和语法规范，层次简单，处理效率高的优点，能够支持与多种数据库的数据格式 转换，支持i n t e r n e t i n t r a n e t 模式应用的数据交换要求，便于开发和进行分析 处理，是将来电力大系统各子系统之间数据交换标准和接口的发展方向。 1 3 3 优化规划模型与算法 目前，国内外许多科研单位都在从事优化规划模型与算法的研究和开发，并 取得了不少研究和应用成果。但是，目前国内大部份科研单位对配电网优化规划 均采用传统优化算法，普遍存在着网络简化问题，如对环网线路网络优化时，几 乎都是先设计辐射型网络，再规划联络开关以形成城市闭环网络，很显然，这种 从辐射型结构再转换到闭环结构的优化难度是相当大的，存在一定网络分析误 差。配电网优化规划的计算，国内采用的演化算法或遗传算法优化计算，适用于 规模较小的配电网络，对较大配电网络的优化计算存在较大的分析误差，与实用 化的要求仍有一定差距。 1 4 本论文的主要工作 在我国，目前的城乡配电网规划工作已经得到了电网公司、各省市电力公司 高度重视，同时各级政府也对配电网的规划与建设表示了极高的重视程度，为此， 积极推动了配电网规划水平的发展。目前在国内和国际上，按照配电网规划设计 方法可以划分为四个阶段： ( 1 ) 手工规划编制阶段：完全依赖规划设计人员的知识、经验等，对方案 的分析仅限于定性分析，不仅工作量大，而且容易出现问题。该方法一般能提供 较简单的规划文本与方案图纸。 ( 2 ) 手工规划与计算机相结合阶段：主要依赖规划设计人员的知识、经验 等，除了定性分析之外，通常能提供规划方案的潮流及短路定量计算分析，该方 法工作量较大，也可能出现问题，规划文本的内容较以前有较大的提高。 ( 3 ) 规划软件与专家干预相结合阶段：主要依赖规划软件的功能，以及规 划设计人员的规划经验，这种方法通常可以提供较丰富的定量分析比较手段，能 紧密结合城市规划，在目标网架规划、站点位置、线路走廊预留等远景规划内容 上具有较高的技术水平与使用价值。规划报告的内容也较丰富，规划文本的质量 较以前有较大的提高。 ( 4 ) 基于g i s 的配电网规划与辅助设计阶段：规划以及辅助设计软件已经 成为规划设计人员日常工作的重要工具，与电力企业现有的信息系统结合密切， 能及时反映电网的建设及改造情况，通过不断的滚动规划设计与评估，形成信息 的及时反馈，达到规划工作的良性循环。这种方法重点解决了近期电网规划与电 网建设改造计划的问题，能显著提高计划的科学性，充分发挥近期电网建设资金 的效率。所得成果符合当地实际电网情况，规划结论可行性较高，规划报告的内 容更具有针对性。同时由于具有完善的数据接口，人工工作量大大减少，使滚动 规划可以及时进行。 目前，国内大部分的规划编制方法都处在第二或第三个阶段，大多采用手工 规划编制与部分校验工具相结合。本文以鄞州配电网建设改造优化系统科技项目 为基础，项目名称为基于g i s 的配电网建设改造优化系统研究开发，所研究 的规划方法属于国内最新研究领域。具体研究内容如下： ( 1 ) 基于g i s 的配电网建设改造优化系统研究开发。采用基于地理信息 1 4 系统( g i s ) 的信息集成，实现一个利用g i s 图形管理平台、设备管理平台实现 配电网建设改造优化系统，为配电网规划与工程设计提供科学决策支持。 ( 2 ) 配电网自动建模和人工建模的研究。研究与电网一体化平台的无缝 对接技术，提取配电网规划信息的同时自动构建配电网模型，为建设改造规划 提供数据支持。 ( 3 ) 配电网分析和评估关键技术研究开发。建立配电网多目标评估指标 体系，对现状电网和规划电网进行评价。开发电网评估功能，查找电网薄弱环 节，作为电网改造和优化的依据。 ( 4 ) 空间负荷预测体系研究开发。根据市政规划，建立负荷的空间分布 体系，在分析现状负荷的基础上，采用空间负荷预测方法，预测规划分区、功 能分区和街区的负荷增长情况和空间分布。 ( 5 ) 配电网改造优化关键技术研究。对电网评估的薄弱环节进行分类， 确定改造和优化的原则，对配电网改造提供辅助支持，并自动统计改造项目和 工程量作为技改项目的依据。 第二章基于g i s 的配电网建设改造优化 系统研究开发 2 1 引言 配电网规划是一个涉及数据面广、量大的庞大的工程，需要收集大量电网历 史数据及有关城网发展的历史数据，需要对现状电网深入的了解，同时对城市为 来的发展有比较全面的了解，目前仍采用人工计算的方式完成配电网规划，这样 不但费时费力而且很难把握数据处理的准确性，完全依赖人工的经验规划未来的 电力网络，已不能满足现代城网建设改造规划的要求，鉴于此，开发“基于g i s 的配电网建设改造优化系统 十分必要。 “基于g i s 的配电网建设改造优化系统”采用科学的规划策略和优化模型， 在合理的负荷及负荷分布预测基础上，对城市中压配电网网架结构、变电站供电 范围进行全面优化规划，并完成相关定量定性分析，在专家干预下给出高水平的 规划成果。系统在主要功能实现体系上分为电网规划和电网改造两个方面，电网 规划完成中压配网目标网架的规划，电网改造实现由现状电网向目标网架平滑过 渡的近期电网改造工作。该系统具有适用方便、结果直观、图形信息全的优点， 并涵盖的整个配网规划的工作。通过电网规划及电网改造工作，可提高电力企业 投资效益，降低电网的网络损耗，提高供电可靠性，全面提高电网的运行管理水 平。 2 2 系统目标和要求 2 2 1 总体建设目标 以先进的优化理论和规划方法为指导，以地理信息系统( g i s ) 为技术平台， 实现生产管理系统、营销系统、调度系统数据库共享与交换，开发具有技术先进、 自动化程度高、实用灵活等特性的配电网规划与辅助设计系统。 1 ) 提高配电网运行的安全性和经济性：建立一个功能完善、使用灵活的城市中 压配电网建设改造规划系统，在保证城市配电网安全性的前提下，最大限度 地实现电网运行和规划的经济性； 2 ) 提高配电网建设和改造的科学性：通过对现状