（电力系统及其自动化专业论文）配电网设备检修关系确定方法的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 配电网设备的检修关系作为检修计划优化模型中的重要的约束条件，直接影响 到优化模型的准确性，并且在日常的检修计划的制定中，设备的检修关系也影响到 检修停电负荷的多少。本文从配电网实际情况出发以检修停电总负荷最小为目标函 数建立了检修关系的确定模型，采用了双层树结构对配电网网络结构进行简化，利 用静态全局拓扑和动态局部拓扑相结合的方法对网络进行拓扑，提出了一种基于树 搜索法的先全局后局部的启发式搜索策略来确定设备的检修关系。算例的结果证明 了本文所提出的模型的正确性和启发式搜索策略的高效性。 关键词：配电网，检修关系，网络拓扑，启发式算法 a b s t r a c t t h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c er e l a t i o n si n t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka sa ni m p o r t a n t c o n s t r a i n ti nm a i n t e n a n c es c h e d u l i n go p t i m i z a t i o nm o d e lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h ea c c u r a c y o ft h eo p t i m i z a t i o nm o d e l a n di nt h ed a i l ym a i n t e n a n c es c h e d u l i n g , t h em a i n t e n a n c e r e l a t i o n sa l s oi m p a c tt h ea m o u n to ft h em a i n t e n a n c eo u t a g el o a d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c o n d i t i o n s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t h ed e t e r m i n a t i o nm o d e lf o rt h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c e r e l a t i o n s ，w i mt h eo b j e c tf u n c t i o nb a s e do nm i n i m u mm a i n t e n a n c eo u t a g el o a d ，a d o p t s t w o - l a y e r - t r e es t m c t u r et os i m p l i f yt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t r u c t u r e ，u s e st h em e t h o d c o m b i n i n gs t a t i cg l o b a lt o p o l o g ya n dd y n a m i cl o c a lt o p o l o g yt og e tan e t w o r kt o p o l o g y , a n d p r o p o s e sag l o b a l f i r s ta n dl o c a l - a f t e rh e u r i s t i cs e a r c hs t r a t e g yb a s e do nt r e es e a r c ha l g o r i t h m t od e t e r m i n et h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c er e l a t i o n s t h ec a s er e s u l tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so f t h em o d e la n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h es e a r c hs t r a t e g y 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 ，m a i n t e n a n c er e l a t i o n ，n e t w o r kt o p o l o g y ，h e u r i s t i c a l g o r i t h m y a od o n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g a u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i - z i 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 论文选题的意义和目的l 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 配电网设备检修模型的研究2 1 2 2 配电网设备检修优化算法的研究4 1 3 本文所做主要工作7 第二章配电网网络拓扑建模一8 2 1 配电网的特点：j 8 2 1 1 配电网的网络结构：8 2 1 2 网络结构的特点9 2 2 配电网网络拓扑9 2 2 1 概j 丕9 2 2 2 网络拓扑算法1 0 2 3 配电网设备的分类1 l 2 3 1 按照设备间连接关系分类1 l 2 3 2 按照设备的用途分类1 2 2 3 3 根据配电网结构特点分类1 2 2 4 配电网网络拓扑模型1 3 2 4 1 配电网的分层结构1 3 2 4 2 配电网数据存储结构1 5 2 5 本章小结1 7 第三章配电网网络拓扑的生成1 8 3 1 树搜索算法1 8 3 1 1 深度优先搜索算法1 8 3 1 2 广度优先搜索算法2 0 3 2 静态全局拓扑生成2 l 3 2 1 配电网下层树的生成2 1 3 2 2 配电网上层树的生成2 2 3 2 3 配电子网的生成2 3 3 3 动态局部拓扑生成2 3 i 华北电力大学硕十学位论文 3 4 本章小结2 4 第四章基于启发式搜索的检修关系确定方法2 5 4 1 设备检修关系问题描述2 5 4 1 1 设备检修关系的确定要求2 5 4 1 2 设备检修关系的分类2 5 4 1 3 相关指标的介绍2 6 4 2 检修关系确定方法的模型2 7 4 2 1 目标函数2 7 4 2 2 约束条件2 8 4 3 设备检修关系的确定方法2 8 4 3 1 检修关系确定准则2 8 4 3 2 确定设备类型2 9 4 3 3 对设备进行全局分析3 0 4 3 4 对设备进行局部分析3 0 4 4 本章小结3 3 第五章算例分析3 4 5 1 基本数据3 4 5 1 1 系统接线图3 4 5 1 2 节点信息3 4 5 1 3 求解过程3 6 5 2 计算结果3 7 5 3 结果分析3 9 第六章结论与展望4 0 致 谢4 2 参考文献4 3 在学期间发表论文和参加科研情况4 7 因此 的安 思 ，覆 意义 配电网设备的计划检修是配电网运行中一项日常的且影响电网运行安全和经 济效益的工作，得当的设备检修安排不仅关系到电网公司和用户的利益，而且对电 力系统乃至整个社会的安全性和经济性有着很大的影响，具体表现在以下几个方 面： ( 1 ) 得当的设备检修安排保证设备健康运行，阻断事故形成链 计划检修安排能够发现常规试验及外观检查无法发现的设备内部问题，在问题 未扩大化并危及系统安全运行前及时的消除从而破坏了事故的发展链，延长了设备 平均故障间隔期，减少了因设备缺陷造成的临时检修停电和故障停电。 ( 2 ) 得当的设备检修安排能够确保电力系统安全运行 按照电力系统安全稳定导则中“n 一1 情况下系统必须保持稳定”的要求， 对于设备的定期检修必须事前制订好周密的检修计划，并严格按计划执行，根据电 网安全约束条件进行过程控制、偏差管理，防止发生在非计划检修时因安全措施的 不周密而造成对电网稳定的破坏。 ( 3 ) 得当的设备检修安排能够解决检修与运行之间的矛盾问题 供电设备的停电检修与提高供电可靠性既相互矛盾又相互联系。供电企业在电 力生产过程中只有处理好这两者之间的关系，才能保证电网安全、可靠运行，保证 供电企业的经济效益和社会效益。组织制定得当的检修安排并有效实施是解决两者 关系的重要手段。 ( 4 ) 得当的设备检修安排有利于提高电力可靠性管理水平。 通过设备的计划检修安排，可以加强协调大型工程施工、线路检修等与变电站 检修的同步进行，缩短检修时问，并且可以提高设备运行质量，降低强迫停运率与 华北电力人学硕十学位论文 非计划停运率，提高设备的平均连续可用小时与可用系数，提高供电可靠性。 目前关于设备计划检修的研究主要集中在检修计划的模型优化及算法上，而对 于模型中都引用的设备检修关系( 即互斥检修和同时检修) 这一约束条件缺乏具体 研究，多数模型都采取假设的方法进行优化，使得优化结果不够精确，影响到整个 模型的计算结果；其次，在日常的检修计划的制定中，由于不知道设备之间的检修 关系，常常出现不必要的停电负荷以及重复的停电负荷；最后，目前确定设备检修 关系的普通方法为任选网络中的两个设备进行确定，其计算量为c ：次，n 为网络中 设备的个数，由于配电网中设备很多，n 的值很大，普通方法的计算量也会非常庞 大，所以非常有必要对配电网设备检修关系的确定方法进行研究。 因此，本文的工作目的就是要建立一种基于网络拓扑分析方法，以尽量避免停 电负荷产生以及保证配电网不产生安全越限为目标的快速高效的启发式搜索策略， 来确定配电网中设备之间的检修关系。 1 2 国内外研究动态 国内外对于配电网设备检修关系的研究比较少，主要还是集中在对于配电网设 备检修计划模型和算法上的研究。 1 2 1 配电网设备检修模型的研究 目前对于配电网检修计划模型的研究主要集中在目标函数和约束条件上，根据 目标函数出发点不同，优化目标可概括为可靠性目标，经济性目标和管理性目标以 及以上三种目标的结合。 文献 1 】以可靠性为出发点，将系统平均停电频率最小( s a i f i ) 和系统平均停 电时间最少( s a i d i ) 两个可靠性指标作为目标函数，建立了关于配电网检修计划 的模型，且考虑了更多的约束条件。在此模型中，最大限度的考虑了配电网检修对 于用电用户的影响，从而也减少了监管机构对于用户停电的处罚。 文献 2 】以检修停电电量最小为目标函数，采用网络拓扑方法实现了配电网内在 的各种约束，并采用改进遗传算法对优化问题进行求解。网络拓扑方法的引入改进 了遗传算法，可有效地保证算法的收敛能力并提高其优化能力，这种方法可以快速 有效地得到最优检修计划并降低检修停电损失。 文献【3 4 】建立了在保证配电网安全运行的前提下，使得配电网检修计划最大限 度提高电网供电可靠性并降低电网因设备检修而造成的售电损失和转移负荷造成 的网损。通过遗传算法和改进的待恢复树切割算法进行了两步优化，得到了优化结 果。其优化的实质是通过上下级设备检修时间的配合，减少重复停电和不必要的停 2 华， 匕电力人学硕+ 学位论文 电以减少停电次数；通过选择合适的负荷转移路径并将引起停电的设备安排在负荷 低谷时段检修，可减少因检修所造成的停电负荷量，从而最终提高电网供电可靠性。 该文章考虑到了不同时段负荷水平不同，在不同时段检修所带来的售电损失有很大 差异，最终通过优化设备的检修时间以降低售电损失；通过优化负荷转移路径来降 低因设备检修转移负荷而造成的网损。 文献【5 提出了故障处理和设备检修时配电网可恢复供电能力的概念，通过网络 拓扑搜索统计了最大停电功率和最大停电用户数两个指标，不同与供电不足风险增 加量最小的目标的是，该目标更好的给出了系统可靠性优化的对比和评价。 以上文献都是以可靠性指标为目标函数，从用户利益的角度去安排配电网检修 计划，但是对于我国电力系统的现状，电网公司在考虑用户供电可靠性的同时，也 要考虑自己的检修费用问题。 文献 6 】以减少停电损失和检修费用为目标函数建立了模型，在模型中考虑到同 时检修、顺序检修和不可变更的检修约束使各个设备的检修不是完全独立的，根据 约束的性质找到部分不需要参与优化计算的检修设备，形成检修有效变量集，从而 缩小模型的规模，提高计算的速度。 文献 7 】从配电网设备检修计划编制的实际情况出发，建立了考虑多种约束条件 的负荷转移路径和设备检修时间联合优化模型。该模型以设备检修时间优化为主问 题，以负荷转移路径优化为子问题。通过主问题和子问题的反复优化迭代，最终获 得供电企业售电损失最小的检修计划以及停电负荷、开关操作次数和系统网损最小 的负荷转移方案。 文献 8 】建立了以经济性为目标函数的检修优化模型，提出了停电损失包含显性 损失和隐性损失两部分。显性损失为停电造成的缺供电量的经济性量化；隐性损失 为停电造成的可靠性指标的降低和系统风险增大的经济性量化，利用风险变化和可 靠性指标变化来表示隐性损失。 以上文献都是从经济的角度出发，将检修时产生的停电负荷、网损及负荷转移 都转化为电网公司所要承担的检修费用，以此为目标函数所得到的检修计划可以最 大限度的减少电网公司的损失。但是对于成熟的电力系统来说，用户的利益才是最 重要的，所以在制定配电网检修计划的时候不仅要考虑到电网公司自身的利益，也 要充分的考虑到用电用户的利益。 检修专工在制定春检或秋检等中长期检修计划时，对于各检修工区上报的检修 时问应尽量满足和遵守，以便于人员和检修所需资源的良好调动和时间的安排。文 献【9 】将这一管理性目标引入了目标函数。指出当实际安排的检修只期比其所期望的 检修同期推迟时将带来一定的经济损失，并认为这部分经济损失也应是制定线路检 修计划所要考虑的控制目标之一。除了要考虑以上控制目标外，在安排具体工作时 还需要考虑均衡化问题，防止某一时问段工作任务过重或者过轻。其目标函数主要 3 华北电力人学硕十学位论文 侧重于人力成本这一管理性目标。对于可靠性和负荷权重等因素欠缺一定的考虑。 文献 1 0 】 1 1 】分别针对的是德国和同本的电网情况，从管理性目标出发，其目标 函数特别强调人力资本的付出，由于这两个国家的网架结构都比较强大，检修工作 基本上不会影响到负荷停电，所以忽略了停电损失的问题。但目前我国的网架结构 还比较薄弱而且人力资源比较丰富，所以此类模型不太适合我国目前的状况。 配电网设备检修优化问题求解的目标函数一般都不唯一，随着国内外对配网运 行优化问题的深入研究，以及对相关领域( 如故障恢复，网络重构) 研究的不断成 熟，考虑到实际调度操作的要求，也可以在模型之中加入一些目标函数作为约束条 件，同时，所得到的解还要满足系统的安全运行约束条件。因此，配电网设备检修 优化问题的求解是一个多目标非线性组合优化问题。 综合起来，优化的目标包括： ( 1 ) 尽可能达到最小的失电负荷量，以降低因检修停电产生的售电损失。 ( 2 ) 尽可能缩短检修持续的总时间，保证电力系统的可靠性。 ( 3 ) 尽可能缩短人员的总工作量，并满足检修工区上报的期望检修时间，以 节约人力成本。 ( 4 ) 尽可能减少开关操作次数，避免用户的重复停电，尽量选择较好的负荷 转移路径，降低系统网损。 约束条件包括： ( 1 ) 网络拓扑约束：保证配电网呈辐射状运行。 ( 2 ) 系统潮流约束：保证负荷转移过程中始终满足系统潮流约束。 ( 3 ) 节点电压约束：保证节点电压不越限。 ( 4 ) 设备容量约束：保证故障设备的检修不引起配电网中其他设备过负荷。 随着对配电网检修计划相关问题研究的不断深入，关于目标函数的研究方向也 越来越多元化，且考虑的因素也在不断丰富，出现了考虑负荷变化和设备过载能力 的多目标配电网供电恢复f 1 2 。1 3 】、基于变结构耗散网络的特殊配电网供电恢复【1 4 】等方 面的研究。 1 2 2 配电网设备检修优化算法的研究 配电网设备检修计划优化问题的研究是一大规模、多目标、非线性、混合整数 型和组合优化问题，属于n p 难问题。针对该问题，国内外科技工作者进行了大量 的工作，力图缩小搜索空间，以便在允许的时间内获得最优解。目前使用的算法主 要有： ( 1 ) 启发式搜索算法【1 3 】 ( 2 ) 专家系统法( e s ) 1 9 砣o 】 4 华北电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 遗传算法( g a ) 【2 1 - 2 3 】 ( 4 ) 模糊评价【2 4 砣5 】 ( 5 ) 混合算法【2 6 之9 】 ( 6 ) 其他方法【3 0 3 1 1 启发式搜索算法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 行路径上一些线路参数的灵敏度，根据一定的规则，逐步迭代直到得到满足要求的 方案为止。这种算法的关键是如何确定最优的搜索方向以及启发式的搜索规则。启 发式搜索算法的优点是：所用的启发式规则是通用的，可用于各种结构的网络； 使用启发式规则可有效地缩小解空间；已有很多启发式规则，可以很容易地通 过算法来实现。缺点是：解的质量完全依赖于系统的初始状态，算法表现不稳定； 如果启发式规则设计的不够理想，将导致可行解的数量非常巨大，计算效率较低。 常用的启发式搜索方法可分为基于线路性能指标( 如线路过负荷) 的启发式方法 及基于系统性能指标( 如系统年缺电量) 的启发式方法两种。此外，还有模拟规划人 员的经验进行规划决策的专家系统方法。专家系统方法可以看做是启发式算法的发 展。 专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域中的专 家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家 解决的复杂问题。专家系统方法能自动生成故障恢复时的开关操作列表，使用范围 广，能满足实时要求，可用于大规模网络和负荷转移的优化，而网络变化后只需要 修改相应的知识库【9 l 。但知识库的建立与集成耗时多，花费大，而且实际情况中存 在许多复杂系统，专家经验不可能覆盖所有情况。 遗传算法是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法，将离散的开关状态或线 路状态用一系列二进制串表示，适用于计算机处理。此外遗传算法采用多点同时搜 索，找到全局最优解的可能性较大，并可用于不同网络。由于它具有较强的鲁棒性 和较好的寻优能力，因此广泛适用于搜索树问题和寻优问题。其缺点是实时性不够。 模糊集理论现已广泛应用于配电网供电恢复算法的评价环节，为了选出最优方 案，某些约束条件可适当放宽，常将评估规则模糊化。通常考虑开关操作次数的隶 属度函数、备用馈线负载程度的隶属度函数、负荷转供的隶属度函数、事故准备裕 度的隶属度函数等。模糊推理的一般过程为：按上述隶属度函数计算各自的隶属度， 利用各自的评估规则对方案进行模糊评估，对各项评估结果加权求和以选取最优方 案。 配电网检修计划的优化是一个考虑约束情况下的分阶段、多目标的组合优化问 题。现有的文献往往都是使用一种算法对其进行处理，这样，往往不能克服各种算 法本身的缺点。如果根据检修各阶段的不同特点采用不同合适的算法，尽量避免各 种算法的缺点，发挥它们的优点将会得到更好的优化结果。目前已出现了多种算法 s 华北电力人学硕+ 学位论文 相结合的趋势，如遗传算法与专家系统相结合，遗传算法与模糊推理相结合，启发 式搜索与遗传算法相结合等。 文献 1 2 】将专家系统和遗传算法结合起来，首先通过专家系统( e s ) 来确定一 部分开关操作，其作用在于：当所有电源点无法满足全部失电负荷的供电恢复要求 时最大限度恢复供电，减少甩负荷量；接着采用遗传算法分解停电区域，为每一个 失电子区域寻找相应的供电电源点。该文献所提出的算法在专家系统和遗传算法的 计算过程中都考虑了可靠性的要求。 文献 13 1 首先分别考虑了5 个目标函数的模糊性( f s t ) ，建立了多目标模糊规 划模型，对每一个目标函数首先确定其最大最小值，确立隶属函数，然后根据决策 者对各目标函数的期望( 0 1 之间) 以及隶属度的值确立联合目标函数，将原来的 多目标模糊规划问题转化为普通单目标规划问题，即可以确定遗传算法中的适应度 函数，然后用遗传算法求解。每次求解之后再次采用模糊技术对解进行校验，校验 的时候分别对5 个模糊隶属度函数进行计算而非联合目标函数，当所有指标均达到 决策者满意程度的时候，退出计算，得出最终解。 将启发式搜索与遗传算法结合起来能够发挥启发式搜索的优点，快速搜索得出 多条转移路径，建立转移方案集，减短染色体长度，在一定程度上克服了遗传算法 计算时间长的缺点；通过遗传算法寻优，又可以跳出单纯利用启发式搜索算法的局 部性，文献【1 4 】视问题的复杂性将其分为两部分进行讨论：针对单区域供电恢复情 况，提出了采用启发式搜索和邻域搜索法求解恢复策略的解决方案；针对关联区域 供电恢复情况，提出了采用面向问题的遗传算法与邻域搜索法相结合的求解恢复策 略，利用遗传算法选择供电路径，用邻域搜索法确定需要断开的分段开关，这样可 使遗传算法染色体的长度大为缩短，减少了遗传算法的搜索空间，加快了搜索速度。 文献【1 5 】在初始种群编码上采用的是断电负荷串而非自然排列开关，该文献所提出 算法分3 个步骤：使用着色算法将配电网络划分为故障区域、正常供电区域和非 故障断电区域，生成计算网络；首先随机排列计算网络中的负荷，形成多条断电 负荷串，然后使用最短路径法为每条断电负荷串中的负荷寻找最优的转移路径，同 时使用核心模式算法( c s a ) 生成核心模式染色体，最后使用全局优化算法遗 传算法在可能的核心模式染色体中搜寻最优；如果无法为所有断电负荷恢复供 电，则调用邻域扩展算法扩大计算网络并重新进行计算，或者利用s t o p 基因实施甩 负荷策略。 除此之外，还有一些其他算法。如节点一阶负荷矩法【3 0 1 ，该方法在实时网络结 线分析的基础上，求出各子系统所有可能的恢复供电路径；在故障元件被隔离后，以 “孤立岛 需要转移的负荷到各联络节点的一阶负荷矩的大小，确定最佳检修顺序 方案。该方法将复杂逻辑判断问题简化为对“孤立岛”求最佳检修顺序优化的问题， 是一种适用于实时控制的负荷转移辅助决策计算方法。近期还有将p e t r i 网应用于故 6 华北电力大学硕十学位论文 障恢复的新方法f 3 ，该算法主要由断开连接过程和恢复供电过程两个部分组成，其 优点是可实现并行计算。在p e t r i 网的初始状态中往往存在多个令牌，且某些迁移点 有可能被同时激活，所以令牌可以同时在不同的路径下传送，类似于并行推理过程， 可同时得到数个求解路径。p e t r i 网适用于求解多故障、网络备用容量不足条件下的 恢复供电。该算法的缺点是与网络的结构关系紧密，网络结构一旦发生变化，其算 法必须做相应修改。因此，p e t r i 网算法的适应性仍有待改进。 1 3 本文所做主要工作 ( 1 ) 目前对配电网设备检修优化问题的研究主要集中在检修计划的经济性优 化，检修时间优化，负荷转移路径的优化等方面，却少有对配电网设备检修关系确 定方法的研究。本文借鉴了故障恢复和配电网重构问题的研究成果，结合配电网检 修问题的特点，建立了配电网设备检修关系确定方法的模型。 ( 2 ) 针对配电网闭环设计、开环运行的特点和模型计算的需要，采用了双层 树结构对配电网网络结构进行简化，减少了数据的搜索量，并利用负荷开关邻接表 对配电网数据进行存储，节约了数据的存储空间。 ( 3 ) 在双层树结构及负荷开关邻接表数据存储形式的基础上，利用静态全局 拓扑和动态局部拓扑相结合的方法对网络进行拓扑，由此大大缩小了搜索的范围， 使拓扑生成速度有了极大的提高。 ( 4 ) 通过分析检修关系问题的特点，得到了配电网设备检修关系的确定准则， 并建立了以检修停电总负荷最小为目标函数的检修关系确定模型；根据配电网网架 结构的实际情况，提出了一种基于树搜索法的先全局后局部的启发式搜索策略，此 策略减少了问题的计算次数并避免了智能算法在计算中产生大量不可行解的情况。 ( 5 ) 通过算例分析验证了所提出的模型和确定方法的正确性和有效性。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 配电网的特点 第二章配电网网络拓扑建模 2 1 1 配电网的网络结构 在网络结构上，配电网最大的特点是各种节点众多且分布范围广泛，通常采用 辐射状、环状和树状结构。其中，辐射状结构采用的是单电源供电方式，其结构简 单、可靠性低；环状结构采用的是有备用电源的供电方式，正常情况下运行在开环 方式，联络开关一般为断开状态；树状结构的特点是具有可以分段的干线，其原则 是：一般主干线分为2 到3 段，负荷密度大的地区l 千米分一段。所有配电网的网 络结构如图2 1 所示。 一_ 一 一l 一 一l 一 一一 ( a ) 辐射状 p f| l l _ 一_ 一 ( c ) 环状 ( b ) 树状 图2 - i 配电网网络结构 配电网的一般特点是：( 1 ) 配电网网络深入用户区域，负荷密度分布不均衡，馈线 承担负荷的大小随机性高；( 2 ) 用户对供电质量和可靠性以及自身性质的要求不尽相同； ( 3 ) 闭坏设计，开环运行【3 2 1 。 8 华北电力人学硕十学位论文 2 1 2 网络结构的特点 根据配电网网络结构的划分，不同的配电网网络结构还具有不同的特点【3 3 1 。 1 、辐射状 这种接线方式分为完全辐射状接线和经中介点的辐射状接线。完全辐射状接线 比较适合负荷集中于电源附近的情况，其特点是接线简单，只要采取适当的措施( 比 如变压器采用低负荷率，和t 形接线模式相结合等) ，可靠性便可达到要求。当变 电站的仓位允许时，由于电源和负荷之间采用直线连接，也相对的节省了投资。但 同时，由于负荷直接接在变电站出口，可能会造成其出口仓位的紧张，也会相应增 加投资。经中介点的辐射状接线，这种接线是完全辐射状接线模式的变形，适用于 负荷分块集中的情况。如果网络中使用的线路载流量较大，比如一条线路带2 台或 2 台以上变压器时，采用经中介点的辐射状接线，则可以在不增加电源点至中介变 电站问线路回数的情况下，由距离终端变电站较近的中介站供电，以缩小线路长度， 同时又减少了电源站的出线仓位，提高了经济性。但是和完全辐射状相比，该接线 方式增加了中介站的投资。具体哪种方案更节省投资要视具体网络情况而定。 2 、环状 环状结构采用有备用电源的供电方式，正常情况下以开环方式运行，联络开关 一般断开。这种接线方式适合负荷点沿电源的某一个或几个方向分布情况，通过几 条干线向沿途负荷供电。虽然是环状，但配电网运行的特点是一条馈线由一个电源 点供电，开环运行。 3 、树状 这种接线方式适合于城乡架空线，非重要用户和郊区。干线可以分段，其原则 是：一般主干线分为2 到3 段，负荷密度大的地区l 千米分一段，以缩小事故和检 修停电范围。 2 2 配电网网络拓扑 2 2 1 概述 配电网网络拓扑分析是根据配电网电气元件的连接关系，把整个配电网网络看 成线与点结合的拓扑图，然后根据电源节点、开关节点以及负荷节点等进行整个网 络的拓扑连线分析，它是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供 电恢复、网络重构等其它分析的基础。 电力系统在j 下常运行的情况下，状态估计、潮流分析等许多高级分析算法都是 9 华北电力人学硕士学位论文 以导纳阵为基础。由于节点导纳阵会随着网络拓扑变化，若不能迅速而准确地随着 开关所处状态的实时变化而修改网络拓扑，必然会导致错误的分析与判断。特别是 在电力系统紧急和恢复状态下，更需要将配电网络拓扑的实际变化情况及时反应 1 3 6 1 0 现在比较成熟的拓扑分析大多是用于输电网的，而配电网与输电网还是有很多 不同的。在输电网中，一个电压等级一般包含一两个母线，而且开关一般只存在与 变电站内。而在配电网中会包含上百条馈线段和数百条母线，以及大量的供方设备 和需方设备，设备条目繁多，数量大，变动也很频繁，由此较大的影响了配电网的 拓扑形成和搜索速度。为了可以使配电网拓扑生成速度有所提高，本文采用将静态 全局拓扑和动态局部拓扑相结合的方法进行拓扑。 静态全局网络拓扑比较费时，尤其是对全局数据的排序，但一般只要在新的网 络刚形成或网络中有许多开关状态发生变化时进行拓扑。仅仅对节点数据进行排序 工作，与开关状态无关。这部分一般单独静态运行，其结果存储起来，供以后网络 拓扑使用。 而一般运行中，网络只有少数开关状态或少数设备开断，此时使用动态局部拓 扑分析变化的状态对拓扑结果的影响，对原有拓扑模型进行局部的修改形成新的拓 扑结果。由此大大缩小了搜索的范围，使拓扑生成速度有了极大的提高【3 4 1 。 2 2 2 网络拓扑算法 配电网的网络结构庞大且复杂，网络结构由于故障或负荷转移操作中开关的开 合，经常发生变化。作为配电网网络分析的基础，网络拓扑计算需要进一步提高， 因此迫切需要一个好的网络拓扑算法。 好的网络拓扑算法应该有效且直观，它不仅能满足配电网自动化中的不同高级 功能的要求，还应能实现配电网络连通性的快速跟踪和识别，适应事件变化。同时 还应节省存储空间和其他高级计算功能的时间。 目前国内外在这方面现有的研究有关联表矩阵表示法、网基矩阵表示法、节点 消去法、树搜索表示法、离散处理法等。 ( 1 ) 关联表矩阵表示法【3 。7 】该方法的实质是根据关联表矩阵，设备编号来分 析设备的连接关系，得到网络的拓扑。其中建立了两个表矩阵，n 行1 3 列的节点描 述矩阵和m 行1 6 列的支路描述矩阵。这两个矩阵即包含了每一个节点和每一条支 路所相关联的节点或支路号，以及各自的属性。由于配电网络结构复杂，基于关联 表的搜索分析方法会很复杂费时，难以实现网络拓扑的快速跟踪。 ( 2 ) 网基矩阵表示法【3 8 】：该方法是基于图论的表示方法。其基本思想是：配电 l o 华北电力大学硕士学位论文 网网络是一个变结构的网络，网络由节点和弧构成。称变结构网络的各种允许结构 形态为网形，称所有网形中出现的弧的并集对应的基础图为变结构网络的网基。网 基用网基结构矩阵来描述，对于一个n 节点的网络，网基结构矩阵为n 行n 列的 方阵，该矩阵表示了节点问的连接关系。网形则采用弧结构矩阵来描述。将网基矩 阵经基形变换得到描述网形的弧结构矩阵。该方法从配电网络的变结构特点出发， 能有效的表示配电网络拓扑，但是它是基于矩阵的表示方法，而配电网络的矩阵稀 疏程度很高，占用了较大的存储空间。 ( 3 ) 节点消去法【3 9 】：该方法即通过消去中间节点，降低邻接矩阵的阶数，减 少计算量和计算冗余度，提高计算速度。这种算法的基本思想是忽略掉中间节点， 只分析对拓扑结构具有重要影响作用的节点之间的连通状态。节点消去法适用于任 何接线方式，尤其对复杂的接线分析非常有效。大大减少了计算冗余度和计算量， 提高了计算速度。但会影响到状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、 网络重构等其它分析。 ( 4 ) 树搜索法【4 0 】：在树搜索中，将母线看作图的顶点，将支路看作是图的边。 通常对配电网来说，开关变位造成网络结构发生重大变化的情况是很少发生的。在 大多数情况下，开关变位的影响是局部的，基于此当开关状态发生变化时，只搜索 断开开关所在的厂站电压等级的拓扑分析方法，可提高网络拓扑分析效率。有两种 树搜索的方法：广度优先搜索法b f s 和深度优先搜索法d f s 。 ( 5 ) 离散处理法【4 1 】：电力系统既含连续动态，也含离散动态。开关状态变化 引起电力系统网络结构变化，是一种典型的离散事件动态过程。把整个电网拓扑分 析问题分解为若干基本分析单元，采用基本分析单元的有色p e t r i 网模型，当开关状 态发生变化时，只需重新计算受变化的开关状态影响的母线，可提高拓扑分析的效 率。 通过对上述算法的比较、分析，可以看出各有特点，然而孤立地使用其中任意 一种都无法达到直观、有效、快速等配电网拓扑的综合要求。因此要充分借鉴前人 的研究成果，根据实际情况来实现配电网络的拓扑分析【3 4 1 。 2 3 配电网设备的分类 2 3 1 按照设备间连接关系分类 按配电网网络中各种设备在网络中与其他设备之目j 的连接关系，将电气设备分 为三类：单端设备、双端设备和三端设备。 ( 1 ) 单端设备是通过一个端点和其他电气设备相连接的电气设备，如：负荷等。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 双端设备是通过两个端点和其他电气设备相连接的电气设备，如：线路、 开关、电抗器等。双端设备所占比例最大。 ( 3 ) 三端设备是通过三个端点和其他电气设备相连接的电气设备，如：三绕组 变压器。三端设备比较复杂，在网络分析中一般转换成双端设备来处理。比如三绕 组变压器一般转化成三个通过中性点连接在一起的支路来进行等效处理【3 4 1 。 2 3 2 按照设备的用途分类 按照设备的用途可以将配电网中的设备分为以下几类： ( 1 ) 线路( 包含线路、线路避雷器、线路电压互感器、阻波器等) ； ( 2 ) 间隔( 包含分段开关、联络开关、电流互感器等) ； ( 3 ) 变压器( 包含变压器本体、变压器避雷器等与其相关联的设备) ； ( 4 ) 母线( 包括母线、母线电压互感器、母线避雷器等) 【3 5 1 。 在配电网中，线路的分支较多，各线路间由联络开关、分段开关及变压器相连 接，因此通过联络开关和分段开关的配合，可以实现在故障或检修的情况下切换电 力传输方向，转移全部或部分的负荷。同时，由于停电检修中，与停电开关相联的 设备需要同时的进行检修，因此将线路，变压器及母线等设备都合并到开关中，本 文主要研究的也是配电网中各开关之间的检修关系。 2 3 3 根据配电网结构特点分类 根据前文介绍配电网网络主要有辐射状网、树状网、环状网等接线方式。在供 电可靠性要求不高的农村使用无备用的辐射状网或树状网。而在大中型城市的配电 网，大部分从2 2 0 k v 及以上电网取得电源，可靠性要求很高，一般采用有备用的环 状网，从而实现“闭环设计，开环运行 的特点【3 4 1 。此处的环是指在配电网的无向 图模型上，仅仅考虑电源点下游的部分( 即不考虑通过母线以及其进线开关和分段 开关构成的相互连接关系) ，有可能形成闭环的路。它有两种形式：一种是从配电 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，这种环为第 一类环；第二种是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，这种坏为第二类环f 4 2 1 。 根据配电网以上特点将配电网中的设备分为环内设备和环外设备。 ( 1 ) 环内设备指的是处于环网内部的设备。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 环外设备指的是需经其他设备才能接入环网的设备。 2 4 配电网网络拓扑模型 从图论的角度来看，配电网络连接关系分析实质是形成配电网的全部树。将节 点看作图的顶点，将线路看作是图的边。因此用树结构来表示配电网络的拓扑结构， 用树节点类来动态反映节点问连接是直观而且自然的。但是如果将整个配电网络表 示成一棵树或一系列以电源为根节点的树的集合，当网络结构发生变化时，如何能 快速辨识变化部分，并及时对正运行的网络拓扑进行重组是一个值得探讨的问题。 2 4 1 配电网的分层结构 整个配电网络的起点是各个变电站对象，在每个变电站中包括了电源( 变电站 1 0 k v 的母线) 和馈线( 变电站1 0 k v 侧出线) 。馈线从变电站中出发，形成以出线开关 为根节点的树状结构。馈线再被分段开关分为多个以开关为边界点的馈线段。馈线 段又可以看成是以来自电源方向的分段开关为根节点的子树结构，其节点是该馈线 段的各个设备。馈线段内部是不可控的，只能控制边界开关。由此馈线的树状结构 正是由开关和馈线段组成。而联络开关又将不同变电站( 或同一变电站不同母线) 出发、同一电压等级的馈线连接在一起形成配电子网。 图2 2 所示的是由降压变压器相连的母线、母联开关、出线断路器、分段开关、 联络开关组成的典型配电网接线图，具有闭环结构开环运行的特点，在分段开关或 者联络开关之间的馈线上还带着大量的负荷变压器，这些负荷变压器带着的负荷将 馈线分成了许多馈线段。 ，一一c l i 弋( ) ? li l 一 _ 一竹一一1 人厂一i c 3s is 2ts!s30 毋c 5 c 7 ，一y 一、 i c 8 6 t s 3 l ( 。) ，) 丫 一 一，、，：i s 1 0 ( ) j _ l _ 一一一o 上一l 一一7 i c 4 s 6s 7t s 2s 8s 9c 6 分段开关，闭合 。联络开关，断开 一一断路器，闭合 1 断路器，断开 图2 2 典型的配电网接线图 根据配电网的结构特点，可以将馈线出线断路器、分段开关、联络开关、负荷 1 3 华北电力人学硕十学位论文 作为节点，将配电网看成是由若干个以馈线的出线断路器为根节点的树，馈线上相 邻的分段开关和负荷变压器或者联络开关与负荷变压器之间的馈线段组成树枝，这 就是按照配电网的结构特点抽象出来的最原始的树结构。以图2 2 中的c 5 为出线 断路器的馈线为例，可抽象出如图2 3 所示的原始树结构图，其中在各分段开关之 间假设了一些负荷点( 1 1 1 8 ) 。 图2 - 3 配电网原始树结构 在馈线上只有出线断路器、分段开关和联络开关是可控元件，只有通过改变它 们的开合状态才能改变配电网的结构，而各开关之间的馈线段、负荷节点的连接关 系却是固定的，无法改变。在故障恢复中，可将馈线段看成一个整体而不考虑其内 部元件组成和连接关系；当需要进行详细的分析计算时，再考虑内部情况。这样可 以提高故障恢复的推理速度和效率。本文采用文献 3 2 】中采用的双层树结构的模型 表示配电网的拓扑结构，上层表示配电网的出线断路器、分段开关、联络开关以及 馈线段之间的逻辑连接关系；下层表示负荷节点之间以及负荷节点与临近的开关节 点之间的连接关系，利用上层负荷节点来等效下层树中的实际负荷节点，根据上述 思想，可以将图2 4 所示的配电网拓扑关系用图2 4 中的( a ) 和( b ) 所示的双层树结构 模型来表示。 1 4 ( b ) 配电网下层树结构 图2 4 配电网双层树结构模型 配电网的双层树结构模型具有以下特点： ( 1 ) 这种结构清楚地体现了配电网上各可控元件之间的连接关系，有利于在 配电网进行负荷转移时，通过上层结构直接快速地搜索停电区域的供电路径。 ( 2 ) 它既可以清楚地描述各可控元件之间的连接关系，也可以通过和下层树 结构表示的结合，直观地表示出整条馈线的结构，从而在开关变位后，容易实现配 电网的快速拓扑分析。 ( 3 ) 用此方法表示的配电网结构可以作为恢复程序的统一的数据表示，无论 是停电区域供电路径的搜索，还是对配电网进行潮流计算等都不需要对配电网做其 它的分析，只需要在此结构上处理即可【3 4 】。 2 4 2 配电网数据存储结构 网络拓扑前，需要将配电网网络中的设备及设备的关联关系存储在一定的数据 结构中，进行等效的数据映像。设计出合理的数据结构存储电力网络，可以提高数 据检索效率，加快拓扑速度。由于电力网络通常比较复杂，一般可采用以下几种方 1 5 华北电力大学硕士学位论文 法进行网络存储：数组表示法；邻接表；十字链表；邻接多重表等，这些 方法各有特点。其中，数组表示法实现简单，但检索关联数据的能力较差；邻接表 在数据检索效率上性能较高；十字链表与邻接多重表检索能力强，但实现方式较复 杂。 根据前文对配电网网络结构模型特点的介绍，参照节点支路邻接表，可以将上 层负荷节点看作网络的节点，而将开关设备节点看作是网络的支路，建立负荷开关 邻接表，用其存储配电网网络结构模型的连接信息。邻接表是一种链式存储结构。 在邻接表中，对网络中每一个负荷节点建立一个单链表，第i 个单链表中存储的开 关设备表示的是与负荷节点l i 相连接的所有开关设备，既为开关链表。将负荷开关 链表的表头储存到负荷顺序表中。这样，通过负荷顺序表便可以直接定位到网络中 任意一个负荷节点