（电力系统及其自动化专业论文）基于耗散网络的配电网网络故障恢复.pdf

摘要 t i t i e ：f a u l tr e s t o r a t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s eo n d i s s i p a t e dn e t w o r k m a j o r ：a u t o m a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m n a m e ：p e iw a n g s u p e r v i s o r ：p 阳i f l i x i a oy a o s e n i o re n g i n e e r j u nx i n g s i g n a t u r e ： a sar e s u l to f t h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e m s ，s y s t e mh a sg r e a ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d a n dt r e m e n d o u st h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nm a r k e t a b l ev a l u e 1 1 嵋f a u l ts e c t i o ns y s t e m , l o c a t i o n a n dt h er e c o n f i g u r a t i o na t ek e yf u n c t i o n so f t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns ot h e ya l eb e o o l n eo f t h er e s e a r c hd i r e c t i o nf o ral o to f p e o p l ei nt h ew o r l d w h a t e v e ra l g o r i t h m sa s s u m e d , t h ef a u l ts e c t i o nl o c a t i o na n dr e c m n s l r u c t i o n 啪n o t i n d e p e n d e n to ft h et o p o l o g ym o d e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n dag o o dt o p o l o g ym o d e lw i l l h e l pt or e a l i z et h e s ef u n c t i o n s t oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t y , i ts h o u l db ei nt i m et oe n s u r et h ef a u l t s e c t i o nw h e nt h e r ei saf a u l t 研) p 洲o nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft r a d i t i o n a lm o d e l sa n d f e a t u r e sf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm o d e i _ 刚n m ：n i r cv a r i a b l e d i s s i p a t e dn e t w o r k w r ep u tf o r w a r dd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o naf a u l tn e t w o r k ss e c t i o nl o c a t i o n f a s ta l g o r i t h mf i - o mt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ef a u l ts e c t i o nl o c a t i o n ，w h i c hf i r s tm a k e su s eo f s o m ev e r t e x e st o 飘矾t h ez o n eo ft h ef a u l tt h e nm a k e su s eo ft h ev e r t e x e so ft h i sz o n et o l o c a t et h ef a u l ts e c t i o ne x a c t l y 1 1 1 i sa l g o r i t h mh a ss i m p l i f i e dt h ec o m p u t a t i o ng r e a t l ya n d i m p r o v e dt h er e a l - t i m ec h a g a c t 盯o ff a u l t s e c t i o nl o c a t i o l la l g o r i t h m , w h i c he n s u l $ h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c a l i t yo f f a u l ts e c t i o nl o c a t i o na l g o r i t h m r 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 k s ，w h i c hi s ak e yf u l 删o no fd i s l r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m , i sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e et oe n h a n c er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n d f l e x i b i l i t yo fp o w e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n a n a l y z et h es e r v i c er e s t o r a t i o ni nd e t a i l 、i t l lr e s p c d t od i f f e r e n tc o n d i t i o n so f 翻玎“r e s t o r a t i o n , d e s i g nd i f f e r e n to b j e c t i v e sa n dl 】s ed i f f e r e n t r e s t o r a t i o nm e t h o d s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ；d i s s i p a t e dn e t o l k ：伽ts l ，e t i o i ll o c a t i o n ；f a u l t r e s t o r a t i o n ；d i s l x i b u t i o nn e t w o r k sr e c o n f i g u r a 矗o n 主要符号表 i 本文采用的主要符号表 册配电网支路数 第f 条支路的支路电阻 毋，q 支路f 的有功功率和无功功率 巧支路f 末端的节点电压 s 支路i 的负荷 s 严支路的额定容量。 髓i 朋系统的负荷平衡指针 册系统的支路数 厶川负荷点珀q 年平均负荷 地响荷点i 的年停运时阃 陋，联络开关处的电压平衡指数 d r 网基结构邻接表 膨源点分布矩阵 口耦合点分布矩阵 r 节点状态矩阵 c 弧结构矩阵 c r 弧结构邻接表 g 一故障信息矩阵 圪顶点向量 圪区域辨识向量 p 7 区域状态向量 肋区域顶点矩阵 屹啡区域辨识矩阵 形硕点负荷向量 p 赐顶点负荷矩阵 肛c 连通系的负荷比率 皿e 连通系的负荷均衡率 l t 负荷邻接表 厶r 归一化负荷邻接表 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：芝诲。芦y 月艿日 学位论文使用授权声明 本人歪! 空在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 i 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 撇：埠名：罗刖胁 l 绪论 i 绪论 1 i 研究目的与背景 随着国民经济的持续发展，电力需求增长迅速。目前存在的主要问题是，城市电网 建设滞后，电网容量不足，结构不合理，难以满足迅猛增长的生活用电的需要，居民生活 用电受到限制，用电连续性和可靠性得不到保证。加强配电网络的建设和改造，是解决电 网瓶颈问题和开拓电力市场，促进用电消费，拉动国民经济增长的一项重要措施与此同 时，随着社会主义市场经济的不断完善和发展，电力市场化已经为时不远电力市场出现 后，竞争必将随之而来，提供优质、廉价的电能成了供电部门提高服务水平和竞争力的重 要因素。 由于人民生活水平的提高和国民经济的发展特别是第三产业的兴起，电力负荷的结 构也发生了变化，中小用户包括居民用电比例逐年上升，经过公共配电网传输的负荷也相 应增加，增大了配电系统的网络损耗。因为配电系统电压等级低，本身损耗较大，配电系 统网络损耗越来越成为电力工作者不可忽视的问题。据统计，我国2 0 0 0 年的全国电力系 统线损率高达7 8 ，而配电网中的损耗约占电网总损耗的6 5 。因此，降低这一损耗成 了供电部门降低成本，提高经济效益的一项重要任务，具有十分重要的意义。与此同时， 城市配电网络也有了很大的发展，线路越来越长，节点越来越多，结构越来越复杂，因而 发生故障的几率也相应增大。当配电网发生故障时，在切除了故障运行设备后，应尽快地 恢复用户的供电，尽可能减少停电面积，这样可以大大减少由于停电所造成的对社会的影 响和经济上的损失，同时也应尽可能减少故障后供电的损耗配电网络重构就是解决上述 两个问题的有效而根本的手段。 为了达到某种目的而进行的基于配电网网络结构的调整称之为配电网网络重构。按 侧重面的不同。可以分为网络优化重构( 也简称为网络重构) 和故障后重构( 也称为故 障恢复) 。网络重构是配电系统运行和控制的重要手段，也是配电管理系统( d m s ) 的重 要内容。目前，配电网络多采用环状结构、开环运行在配电线路上，通常沿馈线设有 一定数量的常闭的分段开关，馈线之间则装有常开的联络开关在正常运行状态下为 了增加网络的可靠性，减少网损，需要定期通过开产台这些开关来重新构造配电网络的运 行结构，使负荷在各馈线之间相互转移而得到合理分配：在产生故障时，为了尽可能地 恢复用户的电力供给，同时减少配电损耗，也需要进行相应的网络变化。近二十年来， 电力工作者已经在配电网络重构方面( 包括网络优化重构和故障恢复) 作了大量的工作， 提出了很多实用、有效的算法，尽管他们采用了不同的方法，借鉴了不同的理论，但在 收敛性、寻优效果及运算速度上配电网络重构仍存在一个寻找更为实用更为优化的综合 解决方法的问题因此，无论是现在还是将来，作为配电管理系统重要组成部分的配电 西安理工大学工程硕士学位论文 网重构都是值得深入研究的领域 1 2 配电网重构的研究现状 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。通过网络重构来实现 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 的结果。 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 存在使得系统成。网状”的结构。而反过来由“网状”结构确定。树状”运行方式则不 是唯一的，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，开关操作的捧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，并且无法保证收敛的可靠性。 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 年提出来的之后不断有研 究成果发表，也提出了多种方法。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：传统的优化技术和人工 智能方法 1 2 1 传统的优化技术 传统的优化技术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，因此把它们单独列出来介绍 ( 1 ) 启发式方法 m e r l i n l 2 1 首次提出配电网重构的概念，做了如下几个假设：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 u n t a y l o r 采用了启发式最佳优先搜索策 l 绪论 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。状态空间搜索 算法中植入的启发式规则越有效，要搜索的解空间越小，搜索越快，但也越有一可能漏失 最优解；反之，解空间越大，搜索速度越慢，则不能适应大规模配电网的要求。文用启发 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， 采用有效的潮流解算技术并且引入对网络元件进行高效检查的算法。此类方法的缺点是易 收敛于局部最优解。 ( 2 ) 最优流模式法( 0 f p ) 最优流模式算法是由d s h i r m o h a m m a d i 仂等人于1 9 8 9 年提出的一种启发式方法，它以 功率损耗最小为目标函数，算法步骤的基本思想为：将所有联络开关合上形成多环网； 只保留支路的电阻在满足k v l 和k c l 条件下求得的电流分布就是系统的最优流模式； 打开在最优流模式下电流最小的开关，打开一个开关解开一个环路。重复步骤和，直 到网络恢复为辐射状为止该方法把开关组合问题转化为优化潮流的计算问题，使复杂问 题得到了简化其缺点是初始时闭合所有联络开关使网络中同时存在多个环网，求解o f ? 时各环网电流相互影响，打开开关的顺序对结果也有较大影响；确定一个待开开关有可能 需要进行多次配电网潮流计算。为此，s i c g o s w a m i s 等人提出每次只合一个联络开关， 确定一个待开开关的方法，消除了环网电流的相互影响，但计算量仍较大。文献1 9 】在文 献【8 】的基础上提出一种改进的最优流模式算法，在求最优流时，只将环网支路中的阻抗 简化为电阻，而辐射状分支仍保持用阻抗描述，从而更加符合实际情况，并且通过网损变 化的估算来确定要打开的开关而文献【l o 】推导出一次开关操作中功率损耗增量的表达 式，然后选择功率损耗增量最小的开关操作 ( 3 ) 网损估算法 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，观察由其产生 的两损变化量，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两损灵敏度的 计算。s c i v a n a r 【1 1 】推导出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。利用该算法降低了计算量。m 丸k a s h e m 在s c i v a n l a r 的基础上推导出 一条简单的阿损降估计公式，并引入了标准网损降这一指标以提高支路搜索的效率文献 介绍的快速估计法是基于支路交换的算法，采用配电网潮流解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，但估计的相对值已能说明重构的效果。总的说来，此类算法优化 精度不高。 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 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 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，并且闯题的解算过程是趋于最优解答的。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 则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，用一交流负荷潮流算法来计算网络潮流，选出最优解。其不足之处 在于计算时间较长 1 2 2 人工智能算法 人工智能算法( a r t i f i c i a lh 他m g c u ) 就是模拟工作人员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 b 经过多年的努力， 己经有了很大的发展。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 ) 神经网络法 它适用于映射复杂的非线性函数关系，文献 1 2 用a 法进行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网络结 构和负荷水平，然后决定系统的输出结构，即为一个包含输入输出关系的样本这种 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 r c 法的不足之处在于其最优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， 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，究竟应选用多大的a n n 节点规模目前尚无理论指导 ( 2 ) 模拟退火法( s a ) 模拟退火法是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 c l r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，k i r k p a 啊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，即采用随机搜索迭代过程来寻求最优解。文献 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 1 绪论 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( g a ) 遗传算法( g a ) 是模拟进化方法中最主要的一种方法，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，基本思想是适者生存。经过几十年的努力，“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。文献首先将 g 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4 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，不是变量本身。优化计算采用 概率搜索规则。从一组的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) 的影 响，随机迭代次数多，尤其是当搜索点接近最优点时，搜索时问可能是前面的数倍 ( 4 ) 蚁群算法( 从) 近年来兴起的蚊群算法源于蚂蚁算法，是意大利学者m d o r i g o 于1 9 9 1 年，在他的博 士论文中首次系统地提出了一种基于蚂蚁种群的新型优化算法一蚁群算法( a n tc o l o n y o p t i m i z a t i o n ，a c o ) ，并用该方法解决了一系列组合优化问题。现实生活中单个蚂蚁的能 力和智力非常简单，但它们通过相互协调、分工、合作完成不论工蚁还是蚁后都不可能有 足够的能力来指挥完成筑巢、觅食、迁徙、清扫蚁穴等复杂行为。比如在蚂蚁觅食过程中 能够通过相互协作找到食物源和巢穴间的最短路径( 现实中我们总可以观察到大量蚂蚁在 巢穴和食物源之间形成近乎直线的路径，而不是曲线或者圆等其他形状) 。像蚂蚁这样的 群居昆虫，虽然没有视觉，却能找到由蚁巢到食物源的最短路径，不仅如此，蚂蚁还能够 适应环境的变化，如：在蚊群运动路线上突然出现障碍物时，一开始各个蚂蚁分布是均匀 的，不管路径是否区分长短，蚂蚁总是先按同等概率选择各条路径。但经过一段时间后蚂 蚁能够很快的重新找到最优路径。蚂蚁在运动过程中，能够在它所经过的路径上留下该种 物质，而目蚂蚁在运动过程中能够摩知这种物质的存在及强度，并以此指导自己的运动方 向，蚂蚁倾向于朝着该物质强度高的方向移动，如路径上出现障碍物时相等时间内较短的 路径的信息量就遗留得比较多，选择较短路径的蚂蚁也随着增多 西安理工大学工程硕士学位论文 1 3 配电网络重构的数学模型 网络重构主要是为了保证对负荷的正常供电，既要保证安全性又要考虑经济性。从系 统的安全性考虑，主要是在发生故障时，要尽可能地恢复更多的负荷供电。从系统的经济 性考虑，主要是降低系统的有功损耗( 即网损) 综上所述，网络重构的数学模型可归纳 为： l 、以线损最小为目标函数的数学模型 配电网的线损包括线路上导线的损耗以及变压器的铜耗及铁损等，一般通过配电网重 构只可影响前者，所以线损最小的目标函数可以表示为 m n p 。_ 缸学 ( 1 1 ) 式中n b 配电网支路数 ，：第f 条支路的支路电阻 毋，q 支路f 的有功功率和无功功率 m 支路f 末端的节点电压 t 支路i 上开关的状态变量，0 代表打开，1 代表闭合 配电网网损j 乙可以通过潮流计算得到 2 以平衡负荷为目标函数的数学模型： b e r a n 和w u 1 3 1 提出的负荷均衡化的目标函数为： 砌冀矧2 ( 1 2 ) 式中墨为支路i 的负荷，s 严为支路的额定容量 m a k a s h e m 提出的以负荷平衡为目标的数学模型为： m n l b , ，, 。击善考 n _ ) 式中饵。为系统的负荷平衡指针，册为系统的支路数，s 为支路f 的负荷，s 为 支路i 的额定容量。 3 以提高系统可靠性为目标函数的数学模型： 配电系统可靠性指针包括用户平均断电频率( s a i f i ) ，系统平均断电持续时间 ( s a i d d ，平均用电有效度( a s a i ) ，系统总的电量不足期望值( e n s ) 等，其中e n s 是系统因停电而造成用户总的电量损失，所以用e n s 为目标函数，即： m t n e n s - 胁慨( 胄) ( 1 4 ) l 绪论 式中，b 为负荷点数目之和，幻v i 为负荷点i 的年平均负荷，她为负荷点珀q 年停运 时问，r 是网络中所有隔离开关的状态，墨- l 表示第f 个开关合上，墨- o 表示第f 个开 关断开 4 以提高电压质量为目标函数的数学模型： 提高电压质量是配电网重构的一个主要目标，毕鹏翔1 1 4 】等提出将电压平衡指数作为 目标函数，碣，表示节点f 和节点，之间的联络开关。定义环路中联络开关碣。，处的电压 平衡指数髓，为： p b l j j m a x 【】 ( 1 5 ) m 旺【q ，u 】表示取其大者，m i n 【u ，】表示取其小者，由此得到提高电压质量 的目标函数为： m i n 7 吼。 名” a 为联络开关碣j 两端的节点 1 4 约束条件 以上模型的约束条件： ( 1 ) 配电网的潮流方程：网络重构必须满足潮流方程。 ( 2 ) 支路电流及节点电压约束 s t s l i k - k k ， 式中 墨，墨，各支路翊t 过的功率计算值及其最大容许值； k 面和k 一节点f 的电压上限和下限值。 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 - 8 ) ( 3 ) 供电约束：配电网必须满足负荷的要求，而且不能有孤立节点 ( 4 ) 网络拓扑约束：配电网一般为闭环设计，开环运行，这就要求重构后的配电网必 须为辐射状。 ( 5 ) 开关操作次数限制：为延长开关使用寿命，尽量减少网络重构过程中开关重复操 作的次数。 ( 6 ) 与继电保护及可靠性指标的协调：网络重构后，网络仍呈辐射状结构，不会使继 电保护变得复杂，但要保证网络重构不影响继电保护的可靠动作。 配电网重构所涉及的问题有：负荷预测，潮流计算，搜索技术，目标函数等，现今讨 论的热点主要在搜索技术( 算法) 上 西安理工大学工程硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 本文首先阐述了配电网络重构的目的，网络重构无论在理论上还是实际应用上都有 重要的意义。尽管配电网络的重构问题是近二十年才引起人们的注意，但在此期间国内外 许多学者为此付出了辛勤努力和不懈探索，己经取得了令人瞩目的进展，并提出了各种求 解方案和数学模型，本文是在借鉴前人经验的基础上，对此作一些分析以提出自己的见解。 主要工作如下： ( 1 ) 根据配电网的拓扑结构，讨论了网络结构的表示方法：网基结构矩阵和弧结构矩阵 表示方法，以此为基础研究了配电网的变结构耗散模型。 ( 2 ) 通过构造有效的数据结构并根据弧结构邻接表来解决环网和孤岛的问题。 ( 3 ) 在分析配电网特点的基础上，介绍了几种常用的配电同的潮流，结合故障恢复的需 要，采用了前推回代算法，编程实现了该算法 ( 4 ) 讨论了故障恢复重构的基本概念和一般过程，研究并构造了故障恢复的数学模型， 考虑了网损最小、开关操作次数最少及恢复供电范围最大为多目标函数。 ( 5 ) 对算例进行了试算，并对仿真结果进行了具体分析，得出了用于配网重构的耗散周 形的结论 2 配电网简化模型 2 配电网简化模型 配电自动化系统严重缺乏量铡数据，大多数配电变压器没有进行量测。但是一般都在 馈线分段开关和联络开关处安放馈线终端单元( f r u ) 实现远方测控本文使用一种简化的 配电网模型化方法网：仅将线路上的分段开关和联络开关看作是节点，而将配电线路看作 是一种耗散元件。此外，随着柱上开关位置的改变，配电网的结构也会发生根本的变化， 因此实际上配电网又是一种变结构网络。将配电网的耗散网络模型和变结构网络模型综合 起来称作配电网变结构耗散网络模型。 2 1 基本定义 源点：只有一条馈线与之相连，其开关状态为闭合状态，源点上的负荷大小即为该源点 提供的电能大小，它包括馈线负载和线路上的电能损耗。 末梢点：只有一条馈线与之相连，其开关状态为分闸状态，末梢点的负荷为0 耦合点：( t 接点) 在配电网中经常存在三条馈线交于一点情况，这一点不是开关，所 以其不装备f r u ，因此这一状态既不可测也不可控，称其为耦合点。耦合点的负 荷无法测量，即与耦合点相连的三条线段，其负荷是无法区分的若确实要计算， 可以按平分的方式计算。本文将其作为一个整体进行辨识和计算 区域：与耦合点相联的三条馈线组成的区间称为区域，区域必然只有一条馈线是流入电 能，两条为流出电能。即区域只能由一个源点供电因此区域内的负荷便可由输 入电能减去输出电能而计算出来。 2 2 耗散网络的定义与性质 设网络中各条弧口所对应的参数为，( 口) ，有向图d 中以顶点v 为起点和以顶点v 为终 点的弧的集合分别为口p ) 和，p ) 。对于非源点和汇点的顶点，如果满足 磊，( 口) 磊，( 口) 2 1 则为耗散网络( d i s s i l 嘣e dn e t ) 。称耗散网络中与各弧对应的参数，( 口) 为弧的负荷，定义 耗散网络中与各弧对应的参数，) 之和为耗散网络的重负荷，记为工。 定义耗散网络各项点的负荷为，( v ) 。如果一组弧的起点为，终点分别为m ，v ， v i ，则称为叶，屹的父顶点，称v j ，匕，屹为v - 的子顶点称具有公 共起点的弧为同父弧 一个耗散网络应具有如下性质：父顶点的负荷等于其所有子顶点的负荷之和加上其所 有同父弧的负荷之和即： 西安理工大学工程j 项士学位论文 n ) - 。酬) + 、副v - ，吒) 2 3 配电网的数据结构 2 3 1 配电网无向图的描述 ( 2 2 ) l 啊基结构够接裹d t 将配电网的馈线当作无向图，对于点配电网络，可以定义行5 列的网基结构邻 接表d t d r - d m d n s d t 中的第一列元素“描述各节点类型，其取值可以为o ，l ，2 或3 ，分别表示该节点 是普通点、r 节点、源点或末梢点。网基结构邻接表d t 中的第二列元素4 ，描述各节点是 否过负荷，如果节点峙过负荷，则面：= 1 ，如果节点h 不过负荷，则4 ：= o 网基结构邻接 表d t 中的第三列元素至第五列元素描述和各节点邻接的节点的序号，如果节点m 和节点 屹，相邻接，则4 ，- 七，毛- 埘，九- 玎；在网基结构邻接表d t 中的空闲位置 的元素填一l ，在填写过程中，若节点一有一个相邻节点，则填入九，若有两个相邻节点， 则分别填入4 ，和叱，若有三个相邻节点。则分别填入如，叱和丸因此非t 接点的第 5 列元素均为一l 。 网基结构邻接表d t 描述配电网的潜在连接方式，它决定于配电线路的架设，这种由 具有潜在连接方式的配电网构成的图被称作“网基。( b a s e ) b 源点分布矩阵m 建立l 行列的源点分布矩阵膨，即m “吗鸭码t a x i ，若节点h 为电源 点，则一= 1 ，否则啊= o ； c 耦合点分布矩阵b 建立l 行列的耦合点分布矩阵口，即口- 喃屯岛6 】，若节点一为耦合点， 则b , - - i ，否则岛= o ； d 节点状态矩阵r 建立l 行列的节点状态矩阵丁，即r - ，l 2b 】，若节点q 处于合闸状态， 丸一 丸一 毛九如 2 配电网简化模型 则= l ，否则= o 一般地，耦合点均认为合闸状态 2 3 2 配电网的有向图描述 弧结构矩阵c 将配电网的馈线当作有向边( 也可成为。弧”) ，其方向是线路上的潮流方向，并采用 行列的矩阵c 加以描述，矩阵c 称作弧结构矩阵，其中为配电网中节点的个数， 即： c - 6 jc bq ，q 吒- c mc 若节点，和节点，之间存在一条由f 指向- ，的边，则勺- i ，- 0 ，弧结构矩阵c 的 其余元素为0 。显然，对于开环配电网络，入度为l 的汇点为网路的末梢点，入度大于l 的节点为网络的联络开关，联络开关一般处于。分”状态 b 曩结构邻接裹c t 定义行5 列的弧结构邻接表c i r 为： c r - q l 龟龟 c 2 i c n lc n lc m 3 q 气 c n i c n s 弧结构邻接表c 7 中的第一列元素c j ，描述各节点所处的状态，如果节点m 处于合状 态，则= l ；如果节点e 处于分状态，则c n = o 。第二列和第三列元素c ：和q ，分别表示以 节点h 为终点的弧的起点的序号，如果存在弧( v ，y ) 和“，m ) ，则铴- _ ，- 七弧结 构邻接表c 2 中的第四列和第五列元素c j 和q ，分别表示以节点h 为起点的弧的终点的 序号，如果存在弧“以) 和( v ，) ，则一t n ，一一。在弧结构邻接表c r 中的空闲 位置的元素填一1 弧结构邻接表c t 描述了配电网当前的运行方式，称这样的图为“网形” ( s h a p e ) 例如，对于图2 i 所示的配电网，其c ，d r ，凹，肘，口，r 分别为： 西安理工大学工程硕士学位论文 1 2 d r - l 23 1 3456 7 8 9 l l o i l i i i ， c - 图2 - 1 一个典型的配电同 f i g u r e 2 - 1 at y p i c a ld i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m c r - o o l o o o o o o o o o o o o o o 0 o 0 o o 0 o o o o o o o o o o o o o o l o o o o o o o o o o o l o o o o o o 0 0 o 0 o o o o o o o o 0 o o o o o o o o l o 0 o o o o 0 o o o o o o o o o o o o l o o o o o o o o o 0 o i o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o l 0 o 0 0 0 o o 0 o 0 0 o o o 0 o 0 o o o o o 0 d o o 0 o o o o o o o o o o o 4 一一4 4 4 4 4 4 0 4 3 n 4 4 5 6 9 4 9 m n 4 4 以d n 以。一一m o o j 4 4 2 5 6 7 4 n 8 儿坦4 3 1 l l o l l l l o l l l l o o j o 4 o 一4 o 4 以一0 4 3 b 5 6 7 o 9 m 屹一4 224 5 6 n 8 9 m n 3 l i l o o o o l o o o o o 2 o o 0 o o 2 0 o o o 2 l 2 配电网简傲蒯 - 1 ，0 , 0 , 0 , 0 , 0 , l 0 ，0 ，0 , 0 ，1 ，0 】b - o , o , o , o , o , o , o , o ，0 , 0 , 0 ，0 , 1 】 r - 1 11o , 1 1 1 l o , l ，l , l , l 】 2 3 3 网络模型的参数提取 ( 1 ) 网基结构邻接表d t 、源点分布矩阵肘和r 节点分布矩阵口是根据配电网的线路建设 结构构成事先定义在数据库中，可以根据配网的发展而修改、删除和补充。 ( 2 ) 节点状态矩阵7 中的元素取值，来源于各开关处安装的数据采集装置的上报信息。比 如配电网的电源点的位置由安放在主变电站的r t u 上报，配电线路的柱上开关的位置 由安放在柱1 开关下的刖上报 2 4 网络接线分析 2 4 1 基形变换 配电网络接线分析一般是根据实时状态和输入的拓扑信息得到电网计算的网络矩 阵。对于一个给定的节点配电网络，实际上其网基结构邻接表d t ，源点分布矩阵m 和 耦合点分布矩阵曰是确定的，而其节点状态矩阵r 是变化的。每一种r 邻接表形式对应 一种网形，也即对应一个弧结构邻接表c t 。因此可以认为弧结构邻接表c t 是网基结构 邻接表d t 。源点分布矩阵m 和耦合点分布矩阵口在节点状态矩阵丁作用下的交换，称为 基形变换，用r - i1 表示，即 c t t d t ，肘，b ，t 1 ( 2 3 ) 基形变换可以采用如下步骤： 第一步：根据源点分布矩阵肘将某个连通系中的源点的序号填入起点队列( 塔中； 第二步：从起点队列9 s 首取一个节点作为当前起点，并判断该节点是否处于合状态， 若是则进行下一步，否则进行第四步； 第三步：查阅网基结构邻接表d t ，搜寻是否存在以当前起点为端点的边，若存在这 样的边，则考察弧结构邻接表c t ，看该边的方向是否已经明确，若尚未明确，则在网形 中一定存在从当前起点发出的弧，将这些弧填入弧结构邻接表中，将它们的终点当中处于 合状态的节点填入起点队列中： 第四步：起点队列是否空? 若是则退出，否则回到第二步 西安理工大学工程硕士学位论文 2 4 2 基环变换 - 配电同中的环 所谓“环”是指在配电网网基( 网架结构，是一种无向图) 上有可能形成闭环的路。 它有两种形式： ( 1 ) 配电网的一个电源点出发，每个节点只经过一次，到达另一个电源点的环，称这种环 为第一类环； ( 2 ) 从配电网的某个节点出发，每个节点只经过一次，又回到这个节点的环，为第二类环。 如图2 - 2 所示，第一类环有5 个，第二类环有一个 第一个：l 4 _ 6 十1 6 一1 5 _ l 卜- 3 第二个：1 4 _ - 5 一l l 弘- 8 2 第三个：2 - - 8 1 0 - - 1 4 - - 1 3 - - 3 第四个：l 4 - 卜1 1 卜g - l 卜1 4 - l 卜3 第五个：2 - 8 一l o 1 4 _ 1 3 1 卜1 6 - _ 7 - _ 子十l 第二类环一个：4 - 5 一l l 9 _ 8 一l o 一1 4 一1 3 一l s 1 6 _ - 7 6 - _ 4 123 圈2 - 21 6 节点配电系统结构示意图 f i g u r e 2 - 2 ad i s t r i b u t i o np o w e rs y s l e mw i t h1 6n o d e s 。基本环”是指环路上有且只有一个开关的状态为断开的环路一般情况下，一个配电 网的基本环路个数等于该配电网络开关的个数。 b 基环变换一环的分解 一个配电网的网架结构( 网基) 确定以后，它的环路也就确定了，因此可以根据网基 邻接表得到所有的环路，这个过程称为基环变换 步骤如下： ( 1 ) 根据d t 表中第一列将所有的源点的序号压入堆栈船中； ( 2 ) 判断堆栈傩是否为空? 若是则结束基环变换；否则从堆栈四s 中弹出一个节点并将其 2 配电网简化模型 当作节点u 。 ( 3 ) 在d r 表中搜寻与节点咋相邻的节点，删除相邻节点中与三s 栈顶相同的节点，将节点 唯压入环路堆栈工s 中，查阅d t 第一列，若节点唯是丁节点，则将其中一个相邻节点 压入堆栈b s 中，将另一个相邻节点当作k ：若节点唯不是r 节点，则将其相邻节点当 作吒。 ( 4 ) 查阅d t 第一列，若是末梢点则转到第五步，否则判断：1 ) 仂第一列，若是源 点，将其压入环路堆栈三s 中，则环路堆栈岱中的节点构成一个第一类环，将其转存至 环路存储区，从堆栈工s 中弹出一个节点；2 ) 若节点与已经压入环路堆栈工s 中的某个 节点相同，将其压入环路堆栈三s 中，则环路堆栈, 8 中相同节点问的节点构成一个第二 类环，将其转存至环路存储区，从堆栈岱中弹出一个节点；3 ) 不是1 ) 和2 ) 两种情况， 则将当作v i ，回到第三步。 ( 5 ) 堆栈工s 中弹出一个节点，若既不是r 节点也不是源点则回到第五步：若是r 节 点则将其压回堆栈船中并回到第二步；若k 是源点则直接回到第二步 采取基环变换后，在环路存储区中得到的环路存在重复的环路，为此，按如下方法定义 环路的特征值，用c v 表示： c v d - 删丁 l o o o h ( 节点编号+ 1 ) 其中册是取整运算。这样得到了所有的环路。 2 4 3 网络