（电力系统及其自动化专业论文）基于多目标的配电网规划研究.pdf

a b s t r a c t a st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dc o n s u m e rf a c i l i t i e s ，t h el e v e lo f d i s t r i b u t i o np l a n n i n gd i r e c t l ya f f e c t st h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo f d i s t r i b u t i o ns y s t e m a tp r e s e n t , t h er e q u e s to fc o n s u m e r sa n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fu t i l i t i e sh a v eb e e nb o t hi m p r o v e d s ot h e p l a n n i n go fd i s t r i b u t i o nh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s h o wt ob a l a n c et h es a t i s f a c t i o n s o fb o t he c o n o m ya n dr e l i a b i l i t yi sad i f f i c u l tp r o b l e mi nr e s e a r c ho fd i s t r i b u t i o np l a n n i n g m o r e o v e r ，t h eo p t i m i z a t i o no f t i el i n e si so f t e nd o n ea f t e rt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n ga tb e f o r e ，s o i ti sh a r dt og e ta p e r f e c tp l a n n i n g t h a ti st os a y ，t h ei n t e g r a t e dp l a n n i n go fd i s t r i b u t i o ni su r g e n t n e e d e dt os u p p l yt h eu t i l i t yc o n v e n i e n ts u p p o r tf o rd e c i s i o nm a k i n ga n dw i l lb r i n gc o n s i d e r a b l e e c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lv a l u e t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt w o s t a g ed i s t r i b u t i o n p l a n n i n ga n di n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o np l a n n i n go nt h eb a s i so fm u l t i o b j e c t i v ea n dm a i n l yi n c l u d e s s e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w i n g ： f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mm l i a b i l i t yi n d e xi m p o s e db y t i el i n e s ac a l c u l a t i n gm o d e li sp u tf o r w a r dt oc a l c u l a t et h ei n t e g r a t e dr e l i a b i l i t yi n d e x e so fl o a d n o d e si nt h ed i s t r i b u t i o nw i t ht i el i n e s t h e n ，t h e s er e l i a b i l i t yi n d e x e sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h e o u t a g ec o s tc o n s i d e r i n gd i f f e r e n tt y p e so fl o a d s ae c o n o m i ce v a l u a t i o nm o d e lf o rt h ed i s t r i b u t i o n r e l i a b i l i t yi ss e tu p t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o da r ed e m o n s t r a t e d b yt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s t h e n , am u l t i o b j e c t i v et w o s t a g ed i s t r i b u t i o np l a n n i n gm o d e lb a s e do nf u z z ys a t i s f a c t i o ni sp u t f o r w a r d t h ew h o l ed i s t r i b u t i o np l a n n i n gi sd i v i d e di n t ot w os t a g e sw h i c ha r et h en e t w o r k p l a n n i n ga n dt i e - l i n eo p t i m i z a t i o n i nt h e s et w os t a g e s ，t h ep l a n n i n gm o d e l sw i t ht h r e ed i f f e r e n t o b j e c t i v ef u n c t i o n sa r ef o r m a t t e d t h e s et h r e eo b j e c t i v ef u n c t i o n sa r eo p t i m i z a t i o no fe c o n o m i c c o s t , r e l i a b i l i t yc o s ta n db o t h a n tc o l o n ya l g o r i t h mi sa p p l i e dt or e s o l v et h ep r o b l e m t h ec a s e a n a l y s i ss h o w st h a tm u l t i - o b j e c t i v ep l a n n i n gc o n s i d e r st h em u t u a lc o o r d i n a t i o nb e t w e e ne c o n o m y a n dr e l i a b i l i t y , b a l a n c e st h es a t i s f a c t i o nb e t w e e nt h et w oa n dg e t st h eb e s tp l a n f i n a l l y ，am u l t i o b j e c t i v ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o np l a n n i n gm o d e li sp u tf o r w a r d ，i nw h i c h n e t w o r ks t r u c t u r ea n dt i e - l i n ep l a c e m e n ta r ed e c i d e da tt h es a m et i m e t h ep a p e ra l s oc h o o s e sa n t c o l o n ya l g o r i t h mt or e s o l v et h i sp r o b l e m f u r t h e r l y ，am u l t i - o b j e c t i v ei n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o n p l a n n i n gm o d e li nw h i c ht h em o d eo ft i el i n e si sd e t e r m i n e db yt h er e l i a b i l i t yi sp u tf o r w a r d t h e c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fc a l c u l a t i o ne x a m p l es h o wt h a tt h em u l t i - o b j e c t i v ep l a n n i n gc a ng e t b e t t e re f f e c t a l lt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n so fi n t e g r a t e dd i s t r i b u t i o np l a n n i n gc a nb ei m p r o v e dt h a n i nt w o s t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g t h em o d eo f t i el i n e sd e t e r m i n e db yt h er e l i a b i l i t yi s m o r er e a s o n a b l et h a nt h em o d e o f s i n g l et i el i n e k e yw o r d s ：m u l t i 。o b j e c t i v e ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t w o - s t a g ep l a n n i n g , i n t e g r a t e dp l a n n i n g , f u z z y s a t i s f a c t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 缉 丛 罄习年妒月j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括干u 登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：上耸丛上砷年p月 日 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 第1 章绪论 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输送到负荷中心，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。这种在电力网络中主要起分配电能作用的网络就称为配屯网络。 配电网直接与供电用户相联系，按电压等级来分，可以分为高压配电网( 3 5 1 l o k v ) 、 中压配电网( 6 l o k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分，可以分为城市配 电网、农村配电网和j 二厂配电网等。 1 1 课题研究背景 根据电压等级的高低，电力系统可分为发电系统、输电系统和配电系统三个子系统。相 应的。电力系统规划也可以分为电源规划、输电系统规划、配电系统规划三个主要部分。而 配电网网络规划问题是指在满足对用户供电和网络运行约束的前提下，寻求一组最优的决策 变量( 变电站位置和容量、馈线的路径和尺寸等) ，使投资、运行、检修、网损和可靠性损 失费_ h j 之和最小。 配电系统通常包括配电变电站、一次配电线路( 馈电线路) 、配电变压器、二二次配电线路、 继电保护设施等，是连接发、输电系统与用户的重要环节。配电网直接供电给用户，拥有较 多数量的电力设备，占整个供电系统投资的5 0 及运行成本的2 0 1 2 1 。有1 3 的屯能损失是 在配电系统中发生的，8 0 的用户停电是由于配电系统的原因引起的o l 。对配电网规划问题 进行研究，大幅度地提高供电质量和可靠性，对提高电力公司的经济效益与竞争力、降低电 网电能损耗、节约能源具有重大的现实意义。 目前，世界各国的电力工业正逐步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。在我国，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对配电网的供电能力、 供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，现有的城乡电网已经不能适应经济发展的要求。 基于历史的原因，过去我国对发电和输电环节投入较大，而对配电系统的建设则相对滞后， 致使城市屯网设备陈旧，网架结构薄弱，网络供电能力不足，供电质量差，供电可靠性低， 运行和维护费用高1 4j 。在竞争激烈的电力市场环境下，电力公司面临许多新的挑战，其中一 个重要问题就是如何在提高供电质量和可靠性的同时，尽可能地降低运行、维护和建设费用， 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 取得可靠性和经济性的统一。因此，如何进行配电网规划以及在规划中协调好可靠性和经济 性已经成为迫切需要解决的问题。 1 2 国内外研究现状 配电网规划的研究。根据不同的简化手段，形成了不同的规划方法。配电网网络结构和 开关配置优化规划是配电网规划的两个重要方面，现以规划模型和规划方法为线索，对配电 网规划两个方面研究的国内外现状进行分析，最后特别对计及可靠性的配电网规划的研究现 状作详细的阐述。 1 2 1 配电网网架规划的研究现状 配电网网架优化规划是配电网规划的主要方面，其主要任务是在供电变电站的布点及其 供电范围、负荷分布及其大小已经确定的情况下，决策配电网络的拓扑结构，使所求的目标 达到最优。 配电网网架规划问题具有下列特点吼 1 )离散性：线路都按整数回路架设，所以规划决策的取值必须是离散的、或整数的。 2 )动态性：网架规划不仅要满足规划年限内经济、技术等性能指标要求，而且要考虑 到网络的发展以及今后网络性能指标的实现问题。 3 )非线性：线路功率、缺电损失、网损等费用与线路电气参数之间的关系是非线性的。 4 )多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑社会、政治和环 境因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 5 )不确定性：负荷预计、设备有效度等均存在显著的不确定性。 因此，从数学上讲，网架规划是一个动态多目标不确定性非线性整数规划问题。下面从 模型和优化算法两个方面来概述其研究现状。 1 2 1 1 模型 根据对规划期间模型处理的不同，规划方法可分为：单阶段规划、多阶段规划和不确定 规划模型。 1 单阶段规划模型 单阶段规划模型是一种假定负荷在规划水平年内不变的静态模型，它无需考虑配电设备 2 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 在规划期内投入的具体时间。具体采用的模型分为以下几种： l 】最小运输费用模型 在做网络规划时，要把供电范围内所有的负荷分配给各变电所，同时要求变电所对每块 负荷实现最经济而又不使变压器发生过负荷。可采用最小运输费用模型【4 1 进行计算，因为电 能在电网中的传送和货物在交通网络中的运输情况类似。最小运输费用模型以电源变电所供 给负荷点的电能为货物，以从电源变电所到负荷的可能最小距离为运输距离，考察运输费用。 a ) 目标函数 式中，g ：电源变电所数 j ：负荷数； m i n f = 兰兰毛弓 ，- l j = i s ：从电源变电所j 到负荷 ，的可能最小距离； 0 ：从电源变电所j 供给负荷_ ，的负荷量。 b ) 约束条件 弓= 0 i = 1 ，2 ，6( 1 2 ) 兰弓：鼻：1 ，2 ， ( 1 3 ) j 工l 式中，0 ：负荷，的负荷量： 只：电源变电所f 的输出负荷。 用最小运输费用模型确定的是一个电网投资和运行费用均可行的初始网架，但还不是最 合理的网架结构。需要进一步对其接线方式作调整，以便在初始网架基础上形成一个安全与 经济统一的电网接线方案。 最小运输费用模型是过于简化的线性化模型，至多只能形成主干网络的参考解，远远 不能满足优化的要求。 2 )基于图论的网络模型 对应于图论中的概念，将配电网络用有向图表示，图的弧就是连接两节点之间的线路， 图的节点就是接受或发送功率的负荷、发电厂或变电站，然后根据图的结构建立方程。该模 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 型以各弧段上输送单位功率( 或电流) 需要的费用为弧的权，以实际输送功率为变量，考察综 合费用。 a ) 目标函数 m i n f = q 以 ( 1 4 ) 式中，g ：常数，表示j i 弧段上输送单位功率( 或电流) 需要的费用，包括建造线路的投资 费和运行费； 4 ：待建线路数： 五：k 弧段上的输送功率。 b ) 约束条件 噩五= 弓，歹g k e 啊k f x i n y 0 x k u k k a 式中，g ：网络节点的集合； p ：，节点负荷值； 肌：指向j 节点方向的弧段： o n j ：离开j 节点方向的弧段 u ：j i 弧段的允许传输功率上限。 基于图论的网络模型与晟小运输费用模型很接近，同样不能满足优化的要求。 3 1基于线路选择的非线性模型1 6 l f f l l 8 i ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 基于线路选择的非线性模型是在给出的可选线路集合中，选出某些线路，构成相应的网 络，使得非线性的目标函数最小。 a ) 目标函数 m i n f ：互( c i ，+ g ，乇。只) ( 1 7 ) i = 1 式中，f ：目标函数，年综合费用； z ：二值变量，当支路i 被选中时取1 ，否则取0 ； c 1 ，：支路i 的年综合费用，包括投资和维护费j = l j 等，由于配电网的建设和使用周期 较长，冈此般需要进行一些折算； 4 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 c 2 l ：电价： 瓦。：最大运行小时数： p ：支路j 的有功损耗： m ：可选支路数。 b 1 约束条件 节点的功率平衡约束； 支路的电压平衡约束； 支路的最大电流约束： 支路的最大电压降约束； 运行网络的辐射状约束。 线路选择模型是应用最广泛的模型。模型事先确定可选的线路，大大减小了解空间的规 模。如果可选线路选择得比较恰当，往往可以取得较优的结果。 但是，该模型过分限制解空间的规模，在没有系统、可靠、有效的方法确定可选线路的 情况下，只是依靠专家的经验和技巧，将会使得该模型缺乏取得更优解的条件。模型的目标 函数没有包含配电网可靠性的相关信息，仅用于形成辐射网。由于该模型保留了原始问题中 存在的非线性，从而对优化的算法提出了很高的要求，它要求优化算法能够解决大规模、非 线性、高复杂度的问题。 2 多阶段规划 多阶段规划是一种考虑负荷在规划水平年内变化的动态模型。多阶段模型需要同时决定 在规划期内每一个设备的投入时间，以保证规划结果在整个规划期间内最优，同时多阶段模 型不是单阶段模型的简单叠加，仅仅将单阶段模型中的变量和参数替换为带时间下标的时间 变量和参数是不够的。 s u n 等人【9 】将配电变电站和配电线的优化规划问题表示成固定费用运输网络问题，并且 采用一种支路定界算法求解。模型中包括提高了精度的固定和变化费用分量，整个规划被分 成两个阶段：1 ) 考虑研究期间可能新建的全部网络元件( 馈线、变电站等) ，利用单阶段模 型获得满足整个研究期末需求的解；2 ) 从第一阶段选择的设备中选择网络元件，应用单阶段 模型从前一年扩展得到中间年的网络，如此反复，直到水平年，因为规划过程是基于这种连 续的优化过程，所以得到的解不能保证最优。 文献 1 0 以配电网在规划期内年平均综合费用为目标函数，多阶段处理方法采用一种准 5 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 多阶段策略，提出了一种逐步线性化迭代求解法。王天华等人【“1 在前人的基础上，动态地 考虑不同时间段的负荷变动情况，将演化算法应用于多阶段配电网规划问题的求解，取得了 良好的效果。但是这些模型都在一定程度上消去了配网优化问题本身固有的非线性。 3 不确定规划模型 以上都是传统的配电网规划优化方法，是通过选择其中一个预想环境( 被认为实现概率 最大的一个) ，采用该环境r 己“确定”的规划参数，求得满足该环境约束的、相对经济指 标最优的确定性方案。这一类规划方法缺乏必要的适应性，其数学上的最优方案往往由于未 来的不确定性因素而使该“最优方案”失去其晟优的意义。 事实上，配电网规划确实涉及大量的不确定性，例如未来负荷增长大小和位置的不确 定性、配电网扩展费用的不确定性等【s j 0 因此，在进行配电网规划时必须考虑这些不确定性 因素对规划结果的影响。文献 1 2 1 中提出一种考虑不确定性因素影响的电网规划方法，其主 要思想是以模糊集合论描述和处理规划中的不确定模糊性因素的基础上，建立了以模糊供电 总成本最小为优化目标的电网规划模型。 1 2 1 2 算法 由于配电网优化是一个高度复杂的非线性、不确定问题，因此常规的数学规划方法很难 有效地解决问题。经过众多学者的研究，提出了多种解决配电网优化问题的算法，主要有三 类：数学优化方法、传统启发式方法以及随机规划方法。 1 数学优化方法 数学优化方法将配电网规划的要求归纳为运筹学中的数学规划模型，然后通过一定的优 化算法求解，从而获得满足约束条件的最优规划方案。它具有严格的理论基础，可以得到不 依赖于初始结构的全局最优解。但配电网规划变量众多、约束条件复杂，现有的优化理论对 于求解这样人规模的规划问题存在很人困难。因此数学优化方法应用于实际配电网时，随着 系统复杂程度的增加往往会导致严重的“组合爆炸”。 2 传统启发式方法 传统的启发式方法通常是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，逐步迭代直到有满足要求的方案为f e 。这种方法在配电网规划中的应用主要是 结合“支路交换”( b r a n c h e x c h a n g e ) 技术进行的。所谓支路交换是指：对辐射状配电网，通 过添加一条支路来形成一个环，然后断开另一条支路以恢复其辐射状网络结构。重复该过程， 6 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 直到任意支路交换均不能使目标函数减小为止。1 9 9 0 年，a o k i 等提出求解单阶段规划问题 近似最优解的支路交换法【1 6 1 。在该文中，将约束条件简化为一系列线性方程，其求解过程 通过单纯形表和主导点操作来完成，以决定使目标函数最优的最灵敏的支路交换。文献【1 7 】 对支路交换法作了改进，将其分为两个阶段：区内支路交换和区问支路交换。 支路交换法的特点是每次迭代只从一个解移动到另一个解，本质上是一种启发式算法， 只能找至局部最优解，而且最终解随初始解的不同波动较人。但是其方法直观、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。 3 随机规划方法 随机规划方法包括遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 、进化规划e p ( e v o l u t i o n a r y p r o g r a m m i n g ) ，t a b u 搜索t s ( t a b us e a r c h ) 、蚁群最优法a c o ( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ) 等。它 是一种通用的优化算法，其重要的特点是能实现并行计算。由于这些方法在求解组合最优问 题时表现出的卓越性能，在过去的二十年中，受到了前所未有的关注。然而，这些方法也有 其不足之处，体现在处理具体问题的约束条件时，虽然采用惩罚函数的方法加到目标函数中 去，但是在如何选择合适的惩罚函数方面往往缺少有效的手段。另外一个不容忽视的缺点是， 当配电网节点比较多时，不可避免的会出现“维数灾”问题。 文献 2 3 】将遗传算法和地理信息系统麻用于配电网优化规划，目标函数中考虑了停电损 失。文献f 2 5 】将遗传算法应用于配电网网架规划中，借鉴支路交换的思想对遗传算法中的交 叉算子和变异算子进行改进，保证经过交叉及变异后的网架仍为辐射型。文献 2 6 将遗传算 法应用于大规模配电网络规划。 进化规划的特点是不需要对变量进行编码和解码，因此更适合处理连续优化问题。文献 2 8 1 将进化规划应用于输电网网架规划中，优化模型采用的是连续优化模型。文献【2 9 】将进 化规划应用于配电网扩展规划中，优化模型中考虑了不确定性。 到目前为止，t a b u 搜索在许多领域已经取得了令人瞩目的成果。近年来，t a b u 搜索开 始被成功应用于求解配电网规划问题 3 1 - 3 4 1 。 相对来说，蚁群最优算法的应用较晚。它来自于对蚁群行为的研究，最初由d o r i g o 等 提出”1 ，是一种求解组合最优问题的新型的通用启发式方法。蚁群算法本质上是一个多代 理算法，它通过单个代理之间的低级交互形成整个蚁群的复杂行为。这种方法的主要特征是 正反馈、分布式计算以及富于建设性的贪婪启发式搜索的运用。正反馈有助于快速发现较好 的解。分布式计算避免了迭代过程中早熟现象的出现。而贪婪的启发式搜索的运用则使搜索 过程中较早发现可接受解成为可能。 7 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 蚁群算法已经被成功地应用于许多组合最优问题，近年来也应用于配电网网架结构规 划。文献 3 8 1 将蚁群算法用于配电网网架优化规划问题的研究，建立了网架规划的数学模型。 该模型目标函数中加入了过负荷惩罚费用。文献 3 9 】详细探讨了蚁群最优在配电网络扩展规 划中的应用。同时考虑配电网络扩展的固定费用和与电能损失相关的可变费用的配电网络规 划的非线性混合整数规划模型。 由于各种算法都有其优缺点，所以近年来出现了很多将两种算法或者多种算法相结合 的优化算法，各取所长，得到了很好的效果 4 0 - 4 2 1 。 1 22 配电网开关位置优化规划的研究现状 配电网中的开关设备对于供电可靠性影响很大，特别是实现了馈线自动化后的配电网。 合理地确定配电网中开关的数目和装设位置，能以较少的投资来减少停电时间，缩小停电范 围，提高供电可靠性。传统的城市配电网为了保证重要用户的供电可靠性，往往采用双回线 甚至三回线供电。由于增加了变电站的出线数，通常需要建开闭所。这种变电站开闭所 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，使得城市 电缆和架空线路更加拥挤。而在配电网中合理装设一定数目的开关设备后，可以通过故障定 位、隔离和恢复供电功能米保证供电可靠性，并降低配电网的维护和检修费用。配电网中的 开关设备主要有断路器、隔离开关、切换开关及熔断器等，由于熔断器价格相对低廉，且从 系统供电可靠性考虑，一般都不对其进行优化，而直接装设于负荷支路。 目前对开关优化的研究主要在求解方法上，有枚举法、随机规划方法、动态规划法。 1 枚举法 文献 4 3 通过穷举开关状态和二分法两种方法来求解开关优化i - 1 题，但由于开关状态数 太大，只适用于系统规模很小的情况。 2 随机规划方法 文献【4 4 采用模拟退火算法来求解开关优化问题，但只考虑了隔离开关。文献 4 5 采用 了遗传算法，考虑了隔离开关和切换开关的优化配置。文献 4 6 1 4 7 1 提出了配电网开关优化 配置的改进遗传算法，对遗传算法作了多方面的改进，结果表明该算法在收敛速度和全局收 敛性上均优于普通遗传算法。文献【4 9 】给出了开关优化的数学模型及基于免疫算法的求解方 法。文章基丁等年值法建立开关优化配置模型，分析了开关投资和运行维修费用、停电损失 的计算方法，最终确定开关的最优配置数量和位置。 8 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 3 动态规划法 文献 5 0 提出开关优化模型求解的动态规划算法。求解中巧妙地选择开关配置位置及其 类型作为动态规划的状态，配置开关设备台数为阶段数，实现动态规划计算。 以上文献均考虑了联络开关和分段开关的综合优化，在实际应用时，有时只需进行联络 线的优化规划。文献t 5 1 提出了一种中压配电网联络线优化的算法，在满足变电站以及变压 器水平n l 准m 前提r ，求得使空载联络线固定投资最小的联络方案。文献 5 2 】结合图论中 的邻接矩阵建立配电网规划的联络线模型，进而确定联络线方案。文献【5 3 提出一种全局优 化同局部优化相结合的双层优化方法。 1 2 3 考虑可靠性的配电网规划 由于配电网络的多辐射、弱环网结构特点，使得网络运行的可靠性对元件故障比较敏感， 因此提高配电系统可靠性，改善供电质量有着十分重要的意义。但是，当供电可靠性达到一 定水平后，为进一步改善供电可靠性而增加的费用将急剧增加，甚至超过可靠性提高所带来 的经济效豁，所以，综合考虑各相关因素，寻求总体费用最小，是配电网网架规划闯题研究 的关键。 目前综合考虑可靠性和经济性的配电网规划的文献并不多见。国外的文献有西班牙的学 者i g n a c i oj r a m i r e z - r o s a d o 陆续出版的三篇文献，建立了配电网规划的多目标模型。文献 5 5 中提出了一种应用进化算法的多目标方法，在最小化配电网扩展规划成本的同时获得最 好的可靠性。该论文采用了非线性混合整数模型来获得待建线路的最优型号和变电站的最优 地点，并在各种复杂程度的配电网中进行测试，表现其对实际大型配电网的适用性。文献 【5 6 5 7 提出了配电网优化规划的多e t 标模糊模型，并采用一种新的多目标t a b u 搜索算法来 解决。该模型同时以模糊经济成本、模糊可靠性和系统的鲁棒性为目标，另外还考虑了备用 线的位置和线型来提高可靠性，该算法己用于实际系统，证实了其有效性。 国内在这方面的文献也不多见，重庆人学的左飞在其硕士学位论文【5 8 】中考虑可靠性价 值，应用禁忌搜索算法来解决配电网网架规划问题和开关优化问题。通过两个阶段的优化， 综合考虑了网络结构和线路开关对可靠性的影响，使最终规划方案更充分体现可靠性和经济 性的优化统一。 虽然综合考虑经济性和可靠性的配电网规划的文献并不多见。但是相关的多l ；t 标电网规 划已成为近年来研究的热点问题。i ；i 前，综合考虑经济性和可靠性的多目标电网规划方法大 9 河海大学硕士论文 基于多且标的配电网规划研究 致可分为五类： 1 ) 传统的逐步扩展法和逐步倒推法，该类方法以满足经济性要求为目标，可靠性分析 只是作为一种后校验计算。虽然是电网规划部门常用的方法，但无法获得经济性和可靠性综 合最优的方案。 2 ) 以可靠性为目标的规划方法。文献【6 3 】介绍了北美电力系统所使用的基于经济水平 的可靠性规划；文献 6 4 以优化可靠性指标为1 = t 标，规划输电设备的投入方案。这类方法能 够体现可靠性指标的改善与资金投入之间的关系，但是其实用性较差，一般只能用于网架的 局部扩展设计，不适用于大规模电网的规划设计。 3 ) 将可靠性指标作为约束条件加入优化问题得到满足一定可靠性要求的规划方案“】。 常用的可靠性约束是n - 1 规则，在更为严格的条件f ，可采用n - 2 甚至n _ k 规则。但该 方法不能灵活地处理规划方案的经济性和可靠性之间的关系，无法获得综合效益最佳的优化 方案。 4 ) 在目标函数中综合考虑经济性和可靠性要求，将可靠性指标转化成经济形式加入到 目标函数，求得综合成本最低的网架方案。文献 6 6 】中配电网规划的目标函数，考虑了可靠 性指标中的缺电损失费用；文献【6 7 】建立以线路投资、缺电损失和环境因素( 走廊占地面积) 作为优化目标的多目标规划模型，得到三个目标的折衷方案。文献 6 8 1 在引入模糊满意度概 念的基础上，结合遗传模拟退火算法，提出了一种用于综合协调电网规划中经济性和可靠性 矛盾的新的电网规划方法。 5 ) 多目标电网规划的分层最优化方法【”1 ，在约束条件下对各个目标函数按照不同的优 先层次先后进行最优化，可以大限度地降低计算量，避免多目标函数处理上的困难，在满足 一定经济性约束的基础上追求可靠性最优，最终获得符合实际操作的综合最优解，是一种对 多目标电网规划行之有效的新方法。 1 3 有待进一步研究的问题 1 1如何协调解决经济性和可靠性的矛盾己成为配电网规划研究的难点和热点之一。传 统的处理方法一般是把可靠性分析作为一种后校验进行计算，或者是利用经济性目 标和可靠性目标之间的权重关系，化为单目标问题处理，不能达到经济性和可靠性 的综合协调。 2 )在完成配电网主网网架的规划后，为提高配电网的可靠性进行其开关的优化规划。 河海大学硕士论文基于多目标的配电网规划研究 这样配电网络规划和开关位置优化规划先后分开进行，可以简化问题，具有应用上 的方便性，但所得结果不一定最优。因为开关的费用和对可靠性的影响在配电系统 中占较丈部分，但这些在配电网两架规划过程中雉以得到体现。 3 )由于配电网络结构比较特殊，可咀针对这一点，采用特殊的存储结构以提高计算效 率。 4 1配电网规划方法中，传统的最优化方法容易造成“维数灾”问题；启发式算法不易 寻求晟优解；模拟进化法等现代优化方法不易选取控制参数，如何寻求一种有效的 配电网优化规划方法，需要作更深入的研究。 5 )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：1 ) 各级电网 的网络结构不同，进而导致优化算法不同：2 ) 各电压等级综合规划导致问题规模激 增。如何对两级及其以上电压等级的网络进行综合规划，也是研究的方向之。 1 4 本文的主要工作 鉴于以上提出的配电网有待进一步研究的问题，本论文取其中的几点进行深入研究，主 要内容如下： 1 )分析联络线对配电网可靠性的影响，主要是研究计及联络线的可靠性指标计算方 法，利用该可靠性指标计算出不同负荷类型情况下配电网的系统缺电损失。 2 )在数学模型上，为综合协调供电系统可靠性和经济性的矛盾，引入模糊满意度概 念，建立了一种新的多目标配电网两阶段规划模型，包括网架规划和联络线优化 规划，并应用蚁群算法对其进行求解。 3 )为了将开关的费用和其对可靠性的影响体现在配屯网的优化规划过程中，将多目 标规划模型应用到配电网网架和开关综合规划，即规划中同时确定网架结构和联 络线的分布，在算法上选择应用蚁群算法来进行优化。并且与配电网两阶段规划 进行比较分析。 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 第2 章计及联络线的配电网可靠性分析 由于配电网规划的优化目标中既有经济性要求，也有可靠性要求。而常用的反映可靠性 要求的指标是配电网的缺电损失，影响缺电损失的因素有很多，包括网络结构、故障时间、 负荷类型等等，其中对于网络结构而言，配电网中的联络线对于配电网可靠性、缺电损失的 影响很大。本章将介绍与配电网可靠性相关的基本理论 7 5 - 7 7 】、联络线对于配电网可靠性指标 的影响和缺电损失的计算过程，最后通过算例证明该方法的可行性。 2 1 配电网可靠性指标基本理论 崩“ i0 3 仁= 二卜 = = 卜_ 1 二二 一 潮b 图2 - 1 并联和串联系统h 意图 元件故障率：元件故障率指该元件发生故障，不能持续工作下去的可能性，与上图中开 关打开的状态概率相对应。一般以年故障持续时间占总时间比例来衡量，用f 表示： f = 彘 ( 2 ) 如图2 - 2 中线路4 1 2 的故障率可以表达为e i _ 2 ，负荷节点, 4 1 的故障率可以表达为 只j 。 加法原理：计算并联元件故障率对系统可靠性的影响用加法原理。 图2 - 1 的a 中，假设元件1 、2 和3 的故障概率分别为e ，e ，e ，则该系统的可靠性为： 月= 1 一e e 巧 ( 2 - 2 ) 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 乘法原理：计算串联元件故障率对系统可靠性的影响用乘法原理。 图2 - 1 的b 中，系统的可靠性为： r = ( 1 一f 0 x ( 1 一e ) ( 1 一巧) ( 2 3 ) 节点供电可靠性：节点供电可靠性指该节点能持续获得电力供应的概率，用r 表示 根据乘法原理，由于它依赖变压器和供电线路等发、输、配电设备的可靠性，冈此可以表示 为电能到达该节点过程中所经过的发电、输电、配电、供电等设备故障率的函数，表达式为 置= 兀( 1 - 5 ) ( 2 4 ) 式中：j = 1 ，2 ，行表示电能从电源点到达节点f 途中经过的所有电气设备。c 表示这 些电气设备的故障率。例如图2 - 2 中，单独考虑电气岛4 时节点a 5 的可靠性可以表示为 r 。，= ( 1 一e 。) ( 1 一e 。：) ( 1 一e ：一；) ( 2 - 5 ) 同理，节点彳3 的可靠性可以表示为： r 。，= ( 1 一e 。) ( 1 一b 。) ( 1 一只：一，) 【2 6 ) 系统的供电可靠性：系统的供电可靠性指该系统保证内部所有节点持续获得电力供应的 能力，用黾d 表示。本文定义为网络内所有节点供电可靠性的加权平均值，如下式所示 ( 2 - 7 ) 式中，屯是系统平均可靠性指标， 是根据各负荷的负荷特性来确定的权重系数，暑 是系统中节点的可靠性指标，s ，是指该节点的负荷容量，行是系统中节点的个数。 2 2 联络线对配电网可靠性的影响分析 2 ，2 ，1 单联络线的影响 1 3 河海大学硕士论文基于多目标的配屯网规划研究 图2 - 2 单联络线配电网系统 如图2 - 2 所示的两个辐射状供准网络之闯通过一条联络线( a 5 一丑6 ) 互联，联络线的 加入增强了两个系统的供电可靠性。假设根据乘法原理分别计算出了网络4 ，网络b 在没 有联络线的情况下各个节点的可靠性心；和置m ，为了区别，用心，和r 。来表示加入联络线 后网络内各个节点的综合可靠性。我们将成用加法原理和莱法原理来计算每个节点的综合可 靠性。眺计算髟j 为例，节点_ 5 不但可以连接本岛内的电源点，而且在紧急情况下还可以 通过联络线联络到b 岛内的电源点，此时，系统中的节点根据联络线的位置可分为联络线 接入点、上游节点和下游节点三类，其可靠性的计算情况如下： 1 ) 联络线接入点 以节点么5 为倒，可以脊两路电源供电，应用加法原理和乘法原理可以得到： 心，= l 一( 1 一6 ) ( 1 一吼s ) ( 2 - 8 ) 式中，。、b ，都表示节点在没有联络线情况下的可靠性； 2 1 上游节点 以节点a 2 拳l 丑2 为铡，均有秘路电源供电，可靠性可以表达为： 1 4 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 瓦：= 1 一( 1 一如。心：一，) ( 1 一心：) ( 2 - 9 ) 式中，r 口6 、心2 都表示节点在没有联络线情况下的可靠性，吼2 5 指线路a 2 5 的可靠性 瓦：= 1 - ( 1 - 羁，。如：。) x ( 1 一：) ( 2 - l o ) 式中，凡5 、r 口：都表示节点在没有联络线情况f 的可靠性，r 。5 6 、r b 2 - 5 指线路b 5 6 、 b 2 5 的可靠性； 3 ) 下游节点 以节点a 6 为例，其可靠性可以定义为： b 。= 蜀，x 凡，。 ( 2 - 1 1 ) 式中，瓦5 指该节点在有联络线情况下的可靠性，e 5 6 指线路4 5 6 的可靠性。 2 2 2 多联络线的影响 图2 - 3 多联络线配电网系统 实际中的配电网一般都会有多条联络线，如图2 3 所示的三个辐射状供电网络在 河海大学硕士论文 基于多目标的配电网规划研究 ( a s - c 6 ) 、( c 5 - b 6 ) 之间分别有一条联络线互联，联络线的加入增强了整个系统的供电可 靠性。假设无联络线时网络内各个节点可靠性如心，、如、屹已知，而用瓦，、瓦、黾 表示加入联络线后网络内各个节点的综合可靠性。以节点c 8 为例来说明其可靠性的计算过 程，该节点不但可以连接本岛内的电源点，而且在紧急情况下还可以通过联络线联络到a 岛 或者曰岛内的电源点，其可靠性指标的计算过程如下： 1 ) 查找与c 8 直接相连的支路c 6 8 、c 8 9 、c 8 1 0 、c 8 一1 1 ： 2 ) 由于c 9 、c 1 0 、c 1 l 是叶子节点，则c 8 是由c 6 、c 6 8 串联，其故障率的计算 公式为： 最s = 最。( 1 一。) ( 2 - 1 2 ) 3 ) 而式( 2 1 2 ) 中尼6 的计算原理同乓8 ，由于联络线似5 一c 6 ) 的存在，可看作由c 5 和c 5 6 串联后与a 5 并联而成，计算公式如下： 尼。= 1 一( 1 一最，) ，。】( 1 一r ，)( 2 - 1 3 ) 4 )同理，上式中的尼5 需要进一步的递归计算，由于联络线( c 5 一