（检测技术与自动化装置专业论文）配网故障定位和重构的启发式及遗传算法.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 配电自动化是电力系统发展的必然趋势，具有很强的工程应用背景和巨大的 市场潜力。配电网的故障定位和网络重构是配电自动化的关键功能，也是目前国 内外研究的热点。 无论采用何种算法，配电网的故障定位及网络重构功能的实现均离不开配电 网的拓扑结构，一个好的拓扑描述模型将有助于这些功能的实现。本文在分析传 统电网络模型的基础上，充分挖掘配电网拓扑结构的特点，并结合图的概念，将 配电网的开关看成顶点，将馈线看成边( 或弧) ，从而将配电网抽象为图。 为了提高供电的可靠性，当配电网出现故障时，必须快速确定故障区段。由 于t 接点的存在，使得配电网的故障定位比较麻烦。本文特别分析了包含t 接点 配电网的故障定位算法。由于t 接点既不可测也不可控，其所形成的区域与其他 非区域部分的故障判据不同，本文提出了将配电网的拓扑模型分解为只含区域部 分和不含区域部分的描述模式，有效地解决了t 接点对故障定位算法的影响。该 算法简洁、清晰、有效。 但随着配电网规模的扩大，配电网的顶点数量急剧增加，配电网故障定位功 能实现的实时性日益突出，本文提出首先根据配电网的结构特点和f n j 上报的信 息生成一个包含了节点邻接方式及各节点的故障信息n x 4 价的故障电流判断矩阵 d ，然后把故障电流判断矩阵d 分解成若干个4 x 4 价单元方阵。利用搜索思想对 每个单元矩阵进行搜索故障区域。针对各种配电网的故障快速定位非常适用。 配电网一般具有闭环设计，开环运行的特点，这使得配电网可以重构。配电 网网络重构的目标多种多样。在启发式搜索和前推回代的配电网潮流计算方法的 基础上以系统网损最小为目标函数来优化配网结构是本文的中心。首先生成一个 1 x n 阶描述配电网开关通断的矩阵，然后以网损不能再减少为目的对所有的联络 开关进行搜索，而寻找全局最优解。 随着配电网源点数量的增加，配电网负荷最优均衡算法的复杂度大为提高， 加剧了网络重构算法的实时性矛盾。配电网网络重构的解是一组开关的组合，即 配电网的负荷最优均衡的结果其实就是将一个配电网分割成几个子网络，各子网 络之间通过分段开关连接，因此可以将配电网的负荷最优均衡问题作为网络优化 的一个内容。基于此，本文提出了一种基于改进的遗传算法的在配电网重构中的 应用，在算法中使用可操作开关支路的整数编号的排列顺序来表示染色体，并通过 译码器的设计来映射染色体所对应的辐射状网络结构，避免了产生不可行解的情况， 大大提高了算法的运算效率。同时在算法中引入了局部寻优算子，改善了算法的局 重庆大学硕士学位论文中文摘要 部寻优性能。 关键词：配电自动化，故障定位，网络重构，启发式搜索，网络损耗，遗传算法 h 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m s ，t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n 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 da n dt r e m e n d o u sm a r k e t a b l ev a l u e t h ef a u l t s e c t i o nl o c a t i o na n dt h er e c o n f i g u r a t i o na r 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 n s y s t e m ，s ot h e ya r eb e c o m 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 h o w e v e r , t h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo fa l g o r i t h m so ff a u l ts e c t i o nl o c a t i o na n d r c c o n f i g u r a t i o na r er e l a t e dt ot h et o p o l o g ym o d e lf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s o nt h eb a s e o 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 df 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 r p r e s e n t sam o d e l 一r e g a r d i n gt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka sag r a p h i c o w n i n gt ot h em u t u a lc o u p l i n g so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，i ti sh a r dt or e a l i z et h e f u n c t i o no ff a u l ts e c t i o nd i a g n o s i s a na l g o r i t h mo ff a u l ts e c t i o nl o c a t i o nb a s e do n t o p o l o g yi d e n t i f i c a t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si sp r e s e n t e d ，b yd e c o m p o s i n gt h e t o p o l o g i cm a t r i xw h i c hd e s c r i b i n gt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t ot w op a r t sw h i c ho n e p a r to n l yc o n t a i n st h ec o m p l e xc o u p l i n gf a c t o ra n dt h eo t h e ri g n o r e st h ec o m p l e x c o u p l i n gf a c t o nu s i n gt h i sm e t h o d ，t h ef a u l tz o n e si nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nb e i d e n t i f i e da n di s o l a t e de f f i c i e n t l y , a n dt h ev e r t e x e so ft h ez o n e sc a na l s ob ei d e n t i f i e d a u t o m a t i c a l l y a l o n gw i t he n l a r g e m e n to fs c o p eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h ea l g o r i t h mo ff a u l t s e c t i o nl o c a t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sb e c o m e sa no p t i m i z a t i o np r o b l e mi nr e a l - t i m e o p e r a t i o ne n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h e s er e q u e s t ，f i r s t , t h i st e x ta c c o r d i n gt os t r u c t u r e o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n di n f o r m a t i o no f 刖c r e a t ef a u l te l e c t r i cc u r r e n tj u d g m e n t n x 4m a t r i xdt h a ti n c l u d e dt h en o d ea b u t m e n tm e t h o da n de a c hn o d eo ft h ef a u l t i n f o r m a t i o n , t h a nb r e a kd o w nt h ef a u l te l e c t r i cc u r r e n tj u d g m e n tn x 4m a t r i xdt os o m e 4 x 4p h a l a n xu n i t s s e a r c h i n ge a c hm a t r i xu n i tg a i nt h ef a u l td i s t r i c t i nt h es e a r c h e d t h o u g h t 1 1 l ea i g o r i t h ma p p l yv e r ym u c ht ov a r i o u sf a u l tt h a ta i mt od i s t r i b u t i o n n e t w o r k s 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 sak e yf u n c t i o no fd i s t 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 oc u h a n c e r e l i a b i l i t yo f p 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 o b j e c t so fr e c o n f i g a r a t i o nf o rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k sa r em u l t i f a r i o u s c e n t e ro f t h i sa r t i c l ei sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o nt h a t i tt a k el e a s ts y s t e mn e t w o r ki o s sa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nb a s e do nh e u r i s t i cs e a r c ha n d f o r w a r d b a c k w a r ds w e e pm e t h o dp o w e rf l o wa l g o r i t h m f i r s t ，a c c o r d i n gt os t r u c t u r eo f n i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n di n f o r m a t i o no fs w i t c hc r e a t ea l llx nm a t r i x ，t h a ns e a r c ha l lo f t i es w i t c hi nt h el i g h to fn e t w o r kl o s sc a n n o ta g a i nr e d u c e i ts e e ko v e r a l la n do p t i m a l s o l u t i o n a l o n gw i t he n a r g e m e n to fs c a l eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n di n c r e m e n to f n u m b e r so fr e g i o n sa n dc o m p l e xc o u p l i n gn o d e s ，t h ea l g o r i t h m sb e c o m ed i f f i c u l tt o s a t i s f yr e a l t i m er e q u i r e m e n to fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yf o rt h er e s t o r a t i o no f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s i nf a c t ，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 si sj u s ta sp a r t i t i o nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k si n t os o m es u b - n e t w o r k sb ys w i t c h e sw h o s ep o s i t i o ni s o p e n t h e r e f o r e 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 sc a nb ec o m p r e h e n d e d 勰p a r t i t i o n i n go f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s o nt h eb a s i so fa b o v ec o m p r e h e n s i o n , t h i sp a p e r p r o v i d e san e w a l g o r i t h m 一g e n e t i ca l g o r i t h m t h i sp a p e rp r o p o s e sa l li m p r o v e ds o l u t i o nf o r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nb a s e do nar e f i n e dg e n e t i ca l g o r i t h m i nt h e a j g o r i t h m ，t h e t h ei n t e g e rp e r m u t a t i o n e n c o d i n gi sa d o p t e dw i t he a c hi n t e g e r r e p r e s e n t i n go n ec o n t r o l l a b l es w i t c h ad e c o d e r i sd e s i g n e dt od e c i d et h ef i n a ln e t w o r k c o n f i g u r a t i o nc o r r e s p o n d i n ge v e r yc h r o m o s o m e al o c a ls e a r c ho p e r a t o ri sc o m b i n e d w i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h mw h i c h i m p r o v e st h el o c a lo p t i m a lc a p a b i l i t yo f t h ea l g o r i t h m k e y w 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 , f a u l ts e c t i o l ld i a g n o s i s , r e e o n f i g u r a t i o n , h e u r i s t i cs e a r c h ，n e t w o r kl o s s ，g e n e t i ca l g o r i t h m i v 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：声砰绸 签字日期： 2 口口7 年占月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：声群垌 签字日期：工。产二月占e l 导师签名：希撩村 签字日期：2 。d 7 年占月占e t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求愈 来愈大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大；同时，用户对电能质量的要求 也越来越高。“电力法”和承诺制的公布和贯彻执行，更要求电力供应部门提供安全、 经济、可靠和高质量的电力。这就需要配电网的自动化程度非常高。配电自动化 不仅能够减少停电面积和缩短停电时间，使配电网的潜力得到最大限度的利用， 而且能够在完成许多重复性工作的情况下节约大量人力资源，为供电企业带来巨 大的效益。因此实现或实施配电自动化的目的是采用现代电子、通信和计算机等 技术和装备对配电网和用户在正常运行和事故情况下实行监测、保护、控制和管 理，提高供电质量和经济性，改善服务和提高工作效率。 配电网自动化研究工作的成果扩展了故障定位和网络重构的研究思路，为故 障定位和网络重构的实时实现提供了一种手段，为配电自动化的关键功能提供了 实时性的实现算法。 1 1 配电自动化概述 通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络称 为配电网( d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s ) 。即配电是电力系统发电、输电和配电中直接面 向电力用户的功能。 配电系统是由配电设备，包括馈线、降压变压器、断路器、各种开关在内构 成的配电网和继电保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信等控制设备构成， 并按一定规则运行，以高质量的电能持续地满足电力用户的需求。即配电系统是 由配电网及配电网的控制两部分组成，因此要提高电能质量必须从两方面入手。 一是改善电力系统的装备，使配电网的网络结构合理并逐步完善，它是配电系统 运行的物资基础，这一方面的改善对提高供电可靠性和电压质量是至关重要的； 另一方面是改进配电网的保护、监测和控制，它是发挥配电网作用的手段，是使 配电网高质量运行的保证，其重要性和作用正逐渐增大。配电自动化就是采用现 代电子、通信和计算机等技术与装备对配电网及用户在正常运行和事故情况下实 行监测、保护、控制和管理，提高供电质量和经济性，改善服务和提高工作效率。 1 1 1 配电自动化的内容和意义 配电自动化系统包括四个方面的内容：一是馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ， 简称f a ) ，即配电线路自动化；二是用户自动化( c o n s u m e r a u t o m a t i o n ，简称c a ) 即需方管理；三是变电站自动化( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，简称s a ) ( 配电部分) ：四 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 是配电管理自动化( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ta u t o m a t i o n ，简称d m a ) ，其中包含 网络分析。 馈线自动化：通过安装在线路开关上的馈线终端单元f t u 监测各线路的运行 状态，并可实现远方遥控；在配电网中，若发生永久性故障，通过开关设备的顺 序动作可实现故障区段隔离。 用户自动化：主要有负荷管理( 负荷控制) 、用电管理、需方发电管理。即借 助于地理信息系统( g i s ) 对大量的用户信息，如用户名称、地址、帐号、电话、 用电量、负荷、供电优先级、停电记录等进行处理，便于迅速判定故障的影响范 围。 变电站自动化：可实现对各种电器设备运行参数的监测；开关就地或远方控 制；与继电保护通信；与智能电子装置联结，并实行控制；与上级控制中心或其 他控制系统通信；简单的数据处理。 配电管理自动化：用现代计算机、通信等技术和设备对配电网的运行进行管 理。它具有以下几个基本功能：地理信息系统( g i s ) 、自动绘图( a m ) 、网络分 析、网络重构、停电管理。 综上所述，配电自动化是通过安装在馈线开关上的f r u 对各馈线的运行情况 进行监测，并通过通信系统在远方对其进行管理和控制，以确保配电网运行的可 靠性、安全性及供电质量。即配电自动化系统能在正常运行时，监视配电网运行 功况，并通过网络分析、网络重构，优化配电网的运行方式；当配电网发生故障 或异常运行时，通过故障定位，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区 段，并通过网络重构及时恢复非故障区域用户的供电，缩短用户的停电时间，减 少停电面积；同时，配电自动化还具有以下功能；根据配电网电压合理控制无功 负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行目的；合理控制用电负荷，从而 提高设备利用率；自动抄表计费，确保抄表计费的及时和准确，提高了企业的经 济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等。 配电自动化不仅能够减少停电面积和缩短停电时间，使配电网的潜力得到最 大限度的利用，而且能够在完成许多重复性工作的情况下节约大量人力资源，为 供电企业带来巨大的效益。因此实现或实施配电自动化的目的是采用现代电子、 通信和计算机等技术和装备对配电网和用户在正常运行和事故情况下实行监测、 保护、控制和管理，提高供电质量和经济性，改善服务和提高工作效率。它是电 力系统发展的必然趋势，也是市场竞争的必然结果。 1 1 2 国外配电自动化的发展和现状 在一些工业发达国家中，配电自动化受到了广泛的重视，国外的配电自动化 系统功能己多达1 4 0 余种。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国外著名电力系统设备的制造厂家都涉及配电自动化领域，如德国西门子公 司、法国施耐德公司、美国c o o p e r 公司、摩托罗拉公司、英国a b b 公司、日 本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。国外不仅配电自动化的 产品多，而且配电自动化的实施也比较好。 日本是配电自动化发展得比较快的国家。到1 9 8 6 年，全国九个电力公司的 4 1 6 1 0 条配电线路已有3 5 9 8 3 ( 8 6 5 ) 实现了配电线开关的远方监控。芬兰 e s p o o s a h k o ”电力公司的配电自动化覆盖了该公司的8 5 0 0 0 个用户、8 座1 1 0 2 0 k v 的一 次变电站、1 1 0 0 k m 的2 0 k v 馈线和1 4 0 0 个2 0 o 4 k v 的配电变电站。 国外的配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立，号称“多岛自动化” 的配电系统，向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展的过程。目前已 经具有相当的规模，并且在提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，降 低劳动强度，充分利用现有设备的能力，缩短停电时间和减少停电面积等方面， 均带来了可观的经济效益和社会效益。 目前，国外正致力于研究以下内容：通过负荷分配的优化来减少网损；对变 压器负荷进行管理，以最大限度地利用变压器容量并降低系统的有功损耗；按即 时电价对用户负荷进行管理等。 1 1 3 国内配电自动化的现状和面临的问题 由于我国原来认识上的误差，认为配电网比输电网简单，因此，以往我国发 电和配电投资的比例为1 ：0 1 2 ，大大落后于先进国家的1 ：0 6 0 7 的投资比例，这也 造成了我国输电网在近十年，其自动化程度已有很大的提高。地区电网自动化调 度系统已基本普及，县级电网自动化调度系统、无人( 少人) 值班变电站、变电 站综合自动化系统的建设和改造也很快；然而目前我国的配电网网络结构很薄弱， 绝大多数为树状结构，而且送电距离太长，损耗严重，这就造成了配电网控制系 统的作用难以发挥，难以通过网络重构优化网络运行；也难以实现故障定位、隔 离故障与及时恢复供电，这种配电网拓扑结构的不合理制约了配电自动化的发展， 导致我国配电自动化的程度却仍然很低。 配电自动化虽然对f 1 u 的要求较高，但由于巨大的市场潜力，已经吸引了国 内的许多知名电力自动化设备厂家如南京电力自动化研究院、烟台东方电子股份 有限公司、许昌继电器股份有限公司、北京哈德威四方股份有限公司等，他们正 在大力研制适合中国国情的配电自动化设备f t u ；同时也在不断地改进和完善配 电自动化的应用软件功能。 虽然输电网的自动化水平已较高，但配电网的落后，严重影响了供电电能的 质量，国家也已逐渐认识到了配电网的重要性，下一步的目标就是提高配电网的 自动化水平。 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 近几年，国家已逐渐加大了对配电网的投资，出现了一些配电自动化示范工 程。上海市东供电局在蒲东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，实现了遥控、 遥信、遥测的目的；北京供电局以引进日本东芝技术生产的具有自动化功能的柱 上开关，投入运行，达到了国外配电自动化第一阶段的水平。另外，石家庄供电 局、大连供电局、南京供电局等也都进行了一定规模的尝试。但这些工程都是在 局部的一个小区进行的，并没有进行大范围的改造试点。因此国内要真正普及配 电自动化还要很长一段时间，不仅要逐步改造和建设配电网，合理增加变电站， 完善配电网络，同时也要更换陈旧的开关设备，提高开关设备、f 1 u 、控制终端等 设备的性能和质量，并不断加强配电自动化软件的开发，完善配电自动化的功能， 提高配电自动化水平。 综上所述，国内配电自动化是在输电网自动化程度已经相当高的前提下，配 电网已严重制约了用户需求的情况下提出的，它将面临着时间紧迫、成功经验不 多的局面。因此配电自动化在我国的发展任重而道远，不仅要改造许多配电网的 结构和安装功能完善的刖，而且要极大地提高和完善配电自动化软件的应用功 能。因此，配电自动化在我国将面临着巨大的挑战。 在配电自动化应用软件中，配电网的故障定位、隔离和网络重构是其关键功 能之一。本文就配电网的故障定位、网络重构算法进行分析、研究。 1 2 配电网的故障定位和隔离 定义1 - 1 配电网的故障定位：配电网在发生单一故障时，迅速判断并确定故 障发生区段的功能称为配电网的故障定位。 国家电力公司明确提出了供电可靠性要达到9 9 9 6 的目标。要提高供电可靠 性，首先必须有合理的配电网，即每一个电力用户至少有两个源点给其供电，一 旦一个源点或传输线出现故障，此时通过控制可以由另一个源点给其供电，从而 减少停电时间，提高供电可靠性；其次就必须在配电网发生故障时，迅速确定故 障区段，并将故障区段隔离、恢复非故障区的供电，从而减少停电面积。因此实 施配电自动化的故障定位功能将可以减少停电时间、缩小停电面积，提高供电的 可靠性。 实现故障定位和隔离是配电自动化的关键技术之一，也是目前国内外的研究 热点。在配电网中，由于存在开关的误动和拒动，因此不能直接根据开关的动作 来判断故障区段。实现配电网的故障定位主要有两种方式：一是基于重合器、分 段器的故障定位；一是基于兀u 的故障定位。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 1 基于重合器、分段器的故障定位 a b c d e ， 表示重合器，表示分段器，表示联络开关 图1 1 配电网 f i g u r e1 1e x a m p l 龆o f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s 利用重合器和分段器的动作特性，通过设置重合器和分段器的动作次数、时 间来实现故障定位的方法称为基于重合器和分段器的故障定位。 重合器( r l o s 砷是一种自具控制及保护功能的开关设备，它能按预定的开断 和重合顺序自动进行开断和重合操作，并在其后自动复位或闭锁。 分段器( s e c t i o n a l i z e r ) 是一种与电源侧前级开关配合，在失压或无电流的情 况下自动分闸的开关设备。当发生永久性故障时，分段器在预定次数的分合操作 后闭锁于分闸状态，从而达到隔离故障线路区段的目的。若分段器未完成预定次 数的分合操作，故障就被其他设备切除了，则其保持在合闸状态，并经一段延时 后恢复到预先的整定状态，为下一次故障作好准备。 基于重合器和分段器的馈线自动化，如图1 1 所示，通过设置重合器和分段器 的动作次数、时间，结合重合器和分段器的特性，可以确定故障区段并隔离，恢 复非故障区域供电；这种方式进行故障定位的过程如下： 当线路故障时，分段开关并不立即分断，而是要依靠重合器的保护跳闸，导 致馈线失压后，各分段开关才能分断。因此这种方式的故障定位模式存在以下缺 陷：切断故障的时间较长；由于必须分断重合器，因此实际扩大了事故范围；在 进行恢复供电时无法实现全局最优网络重构。 1 2 2 基于f r u 的故障定位 口表示开关，这些开关处安装f i u ；n 页点编号，为耦合点； 其它数据顶点负荷 图1 2 配电网 f i g u r e1 2e x a m p l e so f d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s 重庆大学硕士学位论文1 绪论 f t u 安装在柱上开关处，如图1 ，2 所示。各f t u 分别采集相应柱上开关的运 行情况，并将采集的信息通过通讯网发送到远方的配电自动化控制中心。各f t u 还可接受配电自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生 时，各f t u 记录下故障前及故障时的重要信息，上传到控制中心，经计算机系统 分析后确定故障区段和最优恢复供电方案，最终以遥控方式隔离故障区段，恢复 健全区段供电。 利用f t u 上传的参数，经过运算实现故障定位的方法称为基于f t u 的故障定 位。由于辐射状网、树状网和处于开环运行的环网，判断故障区段只需根据馈线 沿线各开关是否流过故障电流就可以了。假设馈线上出现故障，显然故障区段位 于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流 的开关之间的区段。因此利用f t u 上传的各开关运行状态通过计算即可确定故障 区段。 在配电自动化应用软件中利用f t u 上传的各开关的状态确定故障定位的方法 较多。文献晗5 - 2 们给出了配电网故障区域定位的矩阵算法，基本思路是形成网络描 述矩阵和故障信息矩阵，然后通过矩阵相乘或异或运算结果进行故障区间定位。 文献旺刀根据电流的连续性特点给出配电网故障区域定位的矩阵算法，不需要繁琐 的矩阵相乘及规格化处理。文献眨胡提出了基于配电网的变结构耗散网络模型的故 障判断及隔离方法。文献旺粥根据各条弧的负荷和额定负荷矩阵，计算出归一化矩 阵，采取过热弧搜寻算法进行故障定位。文献n 给出配电网的简化处理并进行建 模构成n x 5 价网基矩阵 综上所述，基于f t u 的故障定位方法是故障定位的发展趋势。配电网故障定 位的算法虽然很多，但这些算法要么计算时间长；要么通用性差；要么计算量大， 实用性差。因此如何充分利用配电网的拓扑结构特点和其故障特点，为配电自动 化提供一种快速、实时、简单的故障定位算法仍是研究故障定位所面临的问题。 1 3 配电网的网络重构 12 3 456f 8 口表示开关，这些开关处安装兀u ； 图1 3 配电网 f i g u r e1 3e x a m p l e so f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 定义1 2 配电网网络重构( d i s t r i b u t i o nn e 晰o r k sr e c o n f i g u r a t i o n ) ：就是通过 改变配电网开关状态的组合，来优化配电网的运行，即网络重构的解为一组开关 状态。 配电网一般具有闭环设计，开环运行的特点，如图1 3 所示。为了提高供电可 靠性及运行的灵活性，配电网沿线上设有分段开关，在馈线入口处设有联络开关。 配电网的这一特点，使得其网络结构可以重构，即通过改变线路开关的状态来变 换运行网络结构。虽然整个配电网的结构没变，但其运行的网络结构却是可变的。 任何一个配电网，理论上均存在一个最优运行结构，在这个最优结构下运行，其 优化目标优于其它方案。显然，配电网的网络重构并不需要大量的硬件投资。随 着配电系统中的硬件设旋逐步完善，网络重构作为配电自动化中的高级应用分析 功能，日益受到人们的重视。 配电网运行优化的目标主要包括安全性和经济性两方面。安全性目标主要包 括：发生故障时，要尽可能地恢复更多的负荷供电；开关操作次数尽量减少；消 除或尽量减轻过载。而经济性目标则包括：改善负荷平衡度；减少用户端电压下 降；降低网损三方面，这三方面改善任何一方面，都会使另两方面得到改善。降 低配电网线损一直是电力企业努力的方向，西方主要工业国家的线损率大致在 5 - - 8 ，我国为9 左右，与发达国家相比尚有差距。其中3 5 k v - l l o k v 配电网 线损是地区线损的重要组成部分，因此降低配电网线损是降损工作的关键。 早在1 9 7 5 年，m e r l i n 和b a c k 就指出配电网络重构是降低线损的有效途径， 通过网络重构还可以均衡负荷、消除过载、提高供电电压质量。网络重构的模式 主要有三种： 1 3 1 就地手动的网络重构模式 在自动化水平较低的早期，主要是利用柱上开关设备手动进行网络重构。这 种早期模式自动化水平低，处理时间长。特别是在线路发生故障后，根据故障指 示仪的指示，通过就地手动操作开关，实现非故障区段的恢复供电。 1 3 2 馈线自动化的网络重构模式 馈线自动化的网络重构模式主要依靠装设在配电网中的重合器、分段器及柱 上开关等具有一定智能的硬件设备进行网络重构。这种方式依赖于配电网结构及 配电设备的自动化程度，无法实现大范围的网络重构，同时无法考虑实际负荷水 平和网络运行约束。 1 3 3 配电管理系统的网络重构模式 配电管理系统的网络重构模式，是通过配电自动化应用软件实现的，即接收 f t u 上传参数，通过网络重构算法求到一组开关状态，再通过f t u 操作对应开关， 从而实现网络重构。这种模式的网络重构是配电自动化的发展趋势，也是国内外 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 研究热点。配电网络重构的目标多种多样，在规划中，其作用是寻找一种满足负 荷增长需求的网络结构，使投资费用最小；在实时控制中，其作用为减少网损， 平衡负荷分配，消除设备过负荷，改善电压分布，提高供电可靠性，故障时进行 恢复重构等；也有将多个目标同时作为网络重构目标来实现。因此配电网网络重 构是一个多目标混合优化问题。处理多目标优化问题的方法之一是降维优化方法， 即选择一个主要的目标函数，把其他的目标作为约束处理。为了提高计算速度， 保证得出最优或次最优配电网结构，人们尝试了许多不同的方法来解决配电网重 构的问题。配电网网络重构的算法较多，主要有： 启发式方法( h e u r i s t i c a l g o r i t h m ) ，主要包括： 1 ) 支路交换法 支路交换法( b e m b r a n c he x c h a n g em e t h o d ) 也称开关交换算法，是指利用开关 的开合在两条馈线之间交换负荷。支路交换算法在解决方案时，每次仅考虑一对开 关的开合，在得到重构结果后，可在操作时一次同时打开或合上多个开关。 2 ) 最优流算法 最优流算法( o p t i m a lf l o wp a t t e r n , o f p ) 是1 9 8 9 年d a r i s hs h i r m o h a m m a d i 等人 首次提出的一种启发式方法，最优流模式的网络实际上就是求解一种网络潮流方式， 该方式可以在弱环网中导致最小的网络损耗，假定各个节点的负荷等值注入电流是 已知的。 最优流算法以功率损耗最小为目标函数，其实现网络重构的基本思想为：首先 不考虑配电网络必须为辐射型结构的约束条件，将所有开关合上以形成多环网。然 后除了系统的潮流方程，在不考虑其它约束条件的情况下，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( o p t i m a lf l o w p a a e r n ) ”。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。最后，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，重复后2 个步骤，直到由步骤l 形成的环网中的 所有环路被解开，网络的拓扑为辐射型结构为止。 3 ) 支路交换法( 直接求解) 支路交换法主要是采用最优流理论，求得该环路的最优流模式，然后直接打 开流过最优流最小的支路。依据是打开该支路使得该环网部分的潮流最接近最优 流的运行模式。在算法的实现上，该文献采用了二叉树的方法。如果在计算前网络 的模型不是二叉树，则需要先化为二叉树然后再计算。 人工智能类算法( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a l g o r i t h m ) ，主要包括： 1 ) 专家系统法 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 法即模拟工作人员在实际工作中靠经验进行操作 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 所采用的方法。 2 ) 人工神经网络法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 法适用于映射复杂的非线性函 数关系。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， 究竟应选用多大的a n n 节点规模尚无理论指导。 随机优化方法( r a n d o mo p t i m i z e a l g o r i t h m ) ，主要包括： 1 ) 模拟退火法 模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，s a ) 法即m e t r o p o l i s 抽样算法，1 9 8 3 年被 k i r k p a t r i c k 等人首先用于求解组合优化问题。模拟退火算法就是用随机搜索迭代过 程来寻求最优解。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，势必增加计算量，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。 2 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 是6 0 年代由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授首先提出的，它起源于达尔文的进化理论，具有很多优点，突出的特点是它只 搜索部分解空间就可期望得到全局最优解【) 。j 。遗传算法应用于配电网重构的思路 是：设满足某一个或多个指标的最优网构作为遗传算法的目标数，配以电压约束， 线路容量约束，电源容量限制，以及不出现环网和孤岛等约束条件。目标函数和约 束条件就组成了评价遗传产生的个体的优劣以及计算其适配值的依据。针对原始 数据的编码，一般以开关的开合状态为依据，每一串代表一种网构。遗传操作对 码串的处理主要包括：产生初始种群，计算适配值、遗传、交叉、变异等。经过多 次迭代，得到的结果码串就是所期望的全局最优解( 最优网构) 。然后译码，将此码串 翻译成网络拓扑图的形式。 综上所述，通过网络重构可以优化配电网的运行状态，因此配电网的网络重 构对配电网的运行有极大的价值，在不增加硬件投资的情况下，可以使供电企业 和电力用户得到巨大的经济效益，因此网络重构在实际应用中具有巨大的潜力。 9 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 但配电网