（电力系统及其自动化专业论文）基于gis和微分进化算法的变电站选址及定容.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 和微分进化算法的 变电站选址及定容，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，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 获得华北电力大学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了谢 意。 学位论文作者签名：蛙至至日期：2 0 0 7 年4 月2 7 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：篚卫壬一 导师签名： 日 期：2 0 0 7 年4 月2 7 日日期：2 0 0 7 年4 月2 7 日 华北电力犬学硕十学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电能及其质量的需求 也在持续增长。目前，在我国部分地区不仅电力供应和需求在总量上的不平衡对社 会和国民经济的迅速发展产生了制约作用，而且现有的输配电系统得不合理结构同 样给生产发展和人民生活水平的提高带来了消极的影响，甚至是较为重大的损失。 在这种情况下，如何提高我国电力系统的规划水平就成为一个十分迫切的问题。 配电网是一个区域电力系统的重要组成部分，具有用电负荷密度大、电能质量 和供电可靠性要求高等特点。但是目前我国的配电网络远远没有满足用户对供电可 靠性和用电质量的要求，总体发展水平比较落后。普遍存在设备陈旧老化、负荷过 重、变压器线路过载、故障率高以及可靠性差等问题。 配电网的发展水平不仅与其自身能源耗损和经济投资有着密切联系，对国民经 济的其它产业部门和人民生活同样有着巨大的影响。其合理规划和优化运行可以提 高配电网的供电能力和可靠性，可以降低配电网的网损，另一方面也可以节约国家 基础设施建设投资，使有限的投资发挥最大的经济和社会效益。这样看来，配电网 优化规划不仅具有巨大的经济效益，也有巨大的社会效益。因此，对配电网规划问 题进行研究，并提高配电网规划水平和质量具有重大的现实意义。 配电网规划一般包括以下几方面内容： ( 1 ) 确定各个规划阶段的规划总体目标及其所采用的主要技术原则和方法， 包括负荷预测和网架和线方法。 ( 2 ) 分析电网布局与负荷分布的状况，明确以下几方面问题：1 ) 供电能力是 否能满足现有负荷的需要及其可能适应未来负荷增长的程度；2 ) 供电可靠性；3 ) 正常运行时各枢纽点的电压水平以及主干线路的电压损失；4 ) 各级电压电网的电 能损失。 ( 3 ) 负荷预测，确定未来每个规划阶段的总负荷大小、大用电负荷点及其空 间分布状况。 ( 4 ) 进行有功、无功电力平衡，得出规划区水平年所缺变电容量，从而提出 需新增供电电源点以及其容量大小。 ( 5 ) 根据水平年所缺变电容量估算需新增变电站个数，并根据负荷预测结果， 运用规划软件得出新建变电站的站址和容量及其供电范围。 ( 6 ) 根据已定的变电站站址和供电范围进行网架布线，包括新建线路的铺设 l 华北电力人学硕士学位论文 和已有线路的改造。 ( 7 ) 进行无功、通信、配电自动化和继电保护专项规划。 ( 8 ) 估算各规划期所需投资，主要设备的类型和数量。 ( 9 ) 进行规划网络的评估，主要从以下方面进行1 ) 供电可靠性；2 ) 正常运 行时各枢纽点的电压水平及主干线路的电压损失；3 ) 各级电压电网的电能损失。 ( 1 0 ) 编制规划说明书并绘出各个水平年的变电站位置和网络结构图。 变电站是电网中变换电压、汇集和分配电能的设施，主要包括不同电压等级的 配电装置、电力变压器、控制设备、保护和自动设备、通信设施和补偿装置等。在 电力系统中，变电站主要担负着电压变换这一重要任务，其作用可以概括为以下四 个方面： ( 1 ) 提高输电电压，减少电能措施。电能在输送的过程中，由于电流的热效 应，就要产生电能损失，且电能转化为热能的损失与电流的平方成正比。因此，当 输送功率一定时提高输电电压就可减小电流，电网就会相应减少电能损失( 电能的 损耗与电流的平方成正比) 。 ( 2 ) 降低电压，分配电能。电能经过升压输送到用电地区后，用户很难使用 高电压的电气设备，因此，需要降压变电站把电压降低再分配到用户供用户使用。 ( 3 ) 集中电能、控制电力流向。一个电网多数由多个电源点提供电能，这些 电能的集中必须通过枢纽变电站来实现。在用电地区，根据负荷情况，再由降压变 电站来控制电力的流向。 ( 4 ) 调整电压，提高电压质量，满足用户的要求。通过变电站的变压器调压 装置和无功补偿设备，即可使用户得到稳定的电压，也可以提高线路的输电功率。 高压配电变电站的选址与定容是城网规划的重要组成部分，也是其极其重要的 环节，在电网规划中起承上启下得作用。它是在负荷预测的基础上进行的，其结果 直接影响着未来中低压电网的网络构架、运行经济性以及无功电源的配置等问题， 并对未来电网运行的经济性和可靠性有很大的影响，而且变电站对于整个电网的供 电安全和供电质量也起着重要的作用。 因此如何较好地确定新建高压配电变电站的站址及容量，对于切实提高配电网 的供电能力水平，增强中压配电网络运行操作的灵活性和可靠性，有着十分积极的 意义。 1 2 变电站规划研究现状 1 2 1 影响变电站规划的因素 变电站规划是电力系统规划最重要的内容之一，尤其是在考虑变电站规划项目 华北电力人学硕士学位论文 的整体成本时更是如此【1 2 1 ，新建变电站的位置主要受以下因素的影响： 1 、按饱和负荷一次性选定站址位置和容量 对规划区进行饱和年负荷预测，在饱和负荷的基础上一次性选定变电站的站址 和容量，并以此为目标，根据负荷现状以及未来负荷增长情况制定近期年和中期年 变电站建设计划，从而避免因为变电站和线路的盲目建设而造成资金和资源的浪 费。与此同时，由于负荷预测存在不确定性，因此高压配电变电站选址和容量的选 择应能满足负荷的不确定性变化需求，也就是说要求规划方案应能够适应不同的负 荷增长水平。 2 、靠近规划区域的负荷中心以减少线路投资和电能损耗 合理的高压变电站站址分布，尤其当站址位嚣处于负荷中心时，将有效减少输 电线路的投资和电能的损耗，同时也利于缩短中压配电网的供电半径，以利于降 低送配线路建设的费用。 3 、考虑地理信息因素对站址的影响 变电站的位置不应该在道路、建筑物、河流、湖泊等不可建站区域，对于新 开发城区，也不应该落在市政规划了的道路、建筑物、湖泊等已规划征用区域。所 以这就要求配网规划部门和市政规划部门保持密切联系，以明确城市新、老区的可 建站区域。 4 、持与城市规划同步适应以及配合 变电站站址选择需按照城市的统一布局，合理布点，并需要取得城市规划部门 的批准。站址选择必须符合国家风景名胜、文物保护有关法规，尽量避免在风景名 胜、文物保护区内选址。若文物保护单位周围划出一定的建设控制地带以供电力部 门建设变电站时，站址区的建筑物外形、色调、高度以及重量必须和文物保护单位 的建筑协调一致，并且其设计方案必须征得文物保护单位的同意，并报城市规划局 批准。 变电站主体工程应与城市景观相协调，以满足城市总体规划以及街景的美观 要求，同时，应尽可能的节约用地，尽量选择城市开发的边角地带，以保证其它用 地的完整性，以便于城市的旧城改造。 5 、尽可能远离公用通信设施 当电网发生接地故障时，变电站电位升高，对邻近通信设施，如通讯电台、飞 机场、领航台、导航台、军事设旋等发生危险影响，因此变电站站址应尽量远离通 信设施。 6 、变电容载比 变电容载比是电网内同一电压等级的主变压器总容量与对应的供电总负荷之比，是 宏观控制变电总容量及反映城市电网供电能力的重要技术经济指标，也是规划设计安排 变电站布点和主变容量的重要依据之一。 3 华北电力人学硕士学位论文 7 、防洪、防震等有关规定。 1 2 2 变电站规划研究现状 变电站规划是指以城市变电站现状和未来负荷增长情况为基础，设计系统的变 电站新建和改造计划，在尽可能满足未来用户容量和供电可靠性的情况下，以运行 经济性为指标，在满足容载比要求的前提下，选择最优或次优变电站组合方案作为 规划改造方案，使得电力公司及其相关部门获得最大利益的过程。 在传统的变电站规划工作中，变电站的位置需要通过大量的数据统计计算确定 出目标年的负荷量，同时考虑原有变电站的布局，经过大量的人工分析比较最终确 定新建变电站站址，这种规划方法对规划人员的实践经验要求很高，工作量大、工 期长，而且人为因素影响大，不系统、科学。因此，将优化理论引入到变电站规划 中，并通过计算机辅助工具进行站址规划计算就变得非常必要。 变电站规划方法有很多，按照规划的规模分为单站址模型和多站址模型1 3 】；按照 是否需要预先给定待选站址将这些方法分为有待选站址和无待选站址方法【4 1 。根据 规划期间处理的不同，规划方法可以分为单阶段规划和多阶段规划，单阶段规划是 找寻从规划开始年到目标年的最佳变电站组合方案。多阶段规划是将规划开始年到 目标年划分为若干阶段，把上阶段的优化结果作为下一阶段规划的输入，最终得出 逐阶段规划方案。 文献【，1 提出了运用分支界定运输模型来解决变电站选址问题，但是由于分支 界定法的计算时间是呈行式指数的，所以，该模型不能用来解决大规模的工程实际 问题。w i l l i s 和n a t o o s 在文献【6 】中提出了一种基于图像处理技术的变电站选址计算 模型，但是该模型只适应于新建地区的变电站规划，并且不能对变电站的容量进行 计算选择。文献【7 】提出了能全面解决变电站位置、大小、供电范围以及建站时间等 问题的模型。能够解决实际工作中规模较大的问题，但是由于其候选站址必须事先 给定，所以在解决变电站规划问题中仍然同样存在局限性。文献【s 】提出运用启发式 方法和人工智能专家系统法进行变电站规划计算，但是由于其没有考虑地理信息的 影响，往往会因为变电站站址位于道路、湖泊、建筑物等区域内，而使整个方案搁 浅。 文献【9 j 提出了一种变电站规划的大规模自动寻优方法，该方法在空间负荷预测 的基础上，通过大范围的寻优计算，最终得出新建变电站的位冕、容量及供电范围， 该方法在处理网络结构复杂、变电站数量较多情况下的变电站规划问题时，无需事 先给定变电站候选站址，就能得到较好的方案，并因此而得到了广泛应用。 在变电站规划问题的研究中，己发展了多种算法，包括模拟退火法1 1 0 , 1 1 , 1 2 、禁 忌搜索算法【1 3 , 1 4 1 、遗传算法1 5 1 以及粒子群算法【16 1 。模拟退火法的初始温度高，则搜 4 华北电力大学硕士学位论文 索到全局最优解的可能性大，但要因此花费大量的时间，反之，可能丢失最优解， 并且其“充分”慢的速度退火，在实际应用中不可能得到【1 7 】。禁忌搜索算法【1 8 】的局部 搜索能力较强，但其全局搜索能力不及s a 和g a 1 8 】，同时其列表的大小不一确定， 太大和太小的列表都会影响到t a b u 的全局搜索能力【l n 。遗传算法【i5 】具有其他随机 优化方法难以比拟的求解复杂组合优化问题的强大能力【l ”，但是遗传算法通常收敛 速度较慢，局部寻优能力差，因此计算时间较长，解的质量不高【b 】。 粒子群算法【1 9 1 通过记忆与反馈机制实现了高效的寻优搜索，对解决大规模数学 优化问题具有很快的计算速度及较好的全局寻优能力，对解决电网规划这类大规 模、带有大量约束条件的和离散变量的非线性整数规划问题比较有效【2 0 1 。 截止到目前，在对变电站规划问题的研究中，一般都较少考虑地理信息对变电 站规划结果的影响，这就使得规划出来的站址可能落在道路、建筑物、河流、湖泊 等不可建站区域内，如果通过人工方式对规划结果的某一或多个站址进行局部调 整，而调整后的方案很可能将不再是最优的，同时如果单纯考虑通过的地价来反映 地理信息约束的话，因为对不可建站地块的地价定的太高，从而会较难得到理想的 规划结果。因此，提出一种能够全面考虑规划区域地理信息因素影响的变电站规划 方法变得十分必要。 1 3 本文主要工作 本论文首先对微分进化算法进行研究和分析，然后构建地理信息系统，最后本 文采用动态参数调整策略，分别运用微分进化和粒子群两种种群算法分别对已有和 新开发两个规划区域进行变电站的规划工作，并进行了比较分析，从而得出微分进 化算法在解决变电站选址问题中的优越性。 主要内容如下： ( 1 ) 微分进化算法的研究 根据所查阅的国内外文献显示，微分进化算法有较其它种群算法更优越的全局 搜索能力，本文介绍了微分进化算法，对其基本概念、原理及其应用进行了既明， 详细阐述了微分进化算法的参数优化方法。 ( 2 ) 设计变电站规划g i s 系统 根据变电站规划对地理信息和配电网信息的要求，设计比较适宜配电网规划的 g i s 系统，包括对图形的数据化转换及其数据的存储和调用方式。 ( 3 ) 基于g i s 和微分进化算法的变电站规划 讨论了变电站选址的数学模型，并得出应用于微分进化算法的目标函数，应用 g i s 模块判断变电站的站址与可建站区域的关系，确定出越出边界的处理方法。同 时在进化计算的过程中，引入了微分进化算法和粒子群算法参数的动态调整策略。 华北电力人学硕七学位论文 最后应用m a t l a b 对两种算法分别编制变电站规划主程序。 ( 4 ) x x 新建区和x x 建成区配电变电站的选址和定容 根据两区目标年分布负荷预测值和已有的高压变电站站址和容量等相关信息， 编制的变电站规划主程序，做出两区的变电站站址和容量规划方案，并对结果进行 了比较分析。 6 华北电力人学硕士学位论文 第二章微分进化算法及其在电力系统中的应用 2 1 微分进化算法的原理 微分进化算法d e ( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ) 由s t o r e 和p d c e 等学者于1 9 9 5 年首 先提出。它是一种基于种群优化的新智能优化方法，它已被证明在求解过程中具有 高效性、收敛性、鲁棒性等优点 2 1 , 2 2 】。微分进化是一个较新的优化算法，同所有的 进化算法一样，微分进化算法也是对候选解的种群进行操作，而不是对一个单一解。 d e 利用实数值参数向量作为每一代的种群，它的自参考种群繁殖方案与其他优化 算法不同。d e 的新参数向量是通过把种群中两个成员之间的加权差向量加到第三 个成员上来产生的，这称为“变异”；然后将变异向量的参数与另外的预先决定的目 标向量的参数按照一定的规则混合起来产生所谓的试验向量，通常称为“交叉”；如 果试验向量的代价函数比目标函数的代价函数低，试验向量就在下一代中代替目标 函数，这一操作称为“选择”。种群中所有成员都要被作为目标向量进行一次。这样 利用随机偏差扰动产生新个体的方式可以获得一个具有非常好收敛性质的自适应 程序。 微分进化算法是一种随机的并行直接搜索算法，它从某一随机产生的初始种群 开始，按照一定的操作规则，如变异、交叉、选择等不断地迭代计算并根据每一个 个体的适应值，保留优良个体，淘汰劣质个体，引导搜索过程向最优解逼近，与传 统的优化方法相比，微分进化算法具有以下特点1 2 3 】： ( 1 ) 算法不是从单个点，而是从一个种群开始搜索。 ( 2 ) 算法直接对变量本身进行操作，不存在对目标函数有存在导数和连续性的 要求。 ( 3 ) 算法具有内在的隐并行性和较好的全局寻优能力。 ( 4 ) 算法采用概率转移准则，不需要确定性的规则。 这些特点使得微分进化算法在众多领域中得到越来越多的关注，目前，微分进 化算法已被用来解决一些实际问题，例如机器人路径规划、头部电阻抗成像、智能 人工腿控制器等问题，并在许多领域都成功的获得了应用。 2 2 微分进化算法的组成 构成算法的主要因素有：个体适应度评价、微分进化操作以及参数设置等等。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 适应度函数 在算法中，微分进化操作主要通过适应度函数的导向来实现的。它是用来评估 一个个体相对于整个群体的优劣的相对值的大小。 2 2 2 微分进化操作 微分进化算法通常使用下述三种操作： 变异操作：通常按照一定的加权因子，改变个体中某些分量的值； 交叉操作：按照一定概率对当前点和试验点对应的分量作交叉，交换部分分量， 从而形成两个新的个体。 选择操作：按照某种策略从父代中挑选个体进入子代。 1 、建立初始化种群 在进行微分进化操作之前，必须先形成用于算法搜索的初始种群空间。 初始种群空间采用同一的概率分布来随机选择，第g 代群体s ( g ) = x i ( g ) ，x 2 ( g ) ， x 。( 曲 。其中撑为群体规模：个体工，r d ( i = i ，厅) 表示优化问题的一个可能解，d 是优 化问题的解空间维数。 为了建立优化搜索的初始点，种群必须被初始化。通常，寻找初始种群的方法 是从给定边界约束内的值中随机选择。同时它应该覆盖整个参数空间。 2 、变异 对于第g 代的每一个参数向量而o = l 卅) 通过下式计算得到其对应的第g 代变 异向量： y i ，g + l = 工 ，。+ f b ，。一x q 培) ( k 1 ) 式中n ，r 2 ，r 3 ，e i ，2 一】是随机选取的整数，并且满足n 您，3 f 。系数fe 【o ，2 】 是一个实常数因数，它控制着偏差变量( x r 2 ，r x r 3 ，。) 的放大作用。 通常d e 算法的变异向量还可以通过以下三种方式产生 2 4 j ： y ；= x 胁+ f b 丘一x 。) y ，= j 胁+ ，b 。+ x r 2 一屯一z 。) 乃= 蕾+ f k + x r 2 一h 一 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) x b e s ，为第g 代的最佳个体矢量，式( 2 1 卜- ( 2 4 ) 分别命名为d e 佑甜1 、d e r a 胛d t 1 ， d e r a n d t 2 ，d 肋部比，代表d e 算法的不同实现形式，r a n d 和b e s t 分别表示d e 华北电力大学硕士学位论文 算法中变异操作的随机选取和第g 代中的最佳个体；l 和2 分别表示采用1 对或者 2 对个体的差。 3 、交叉 为了保持群体的多样性，引入交叉操作。通过式( 2 - 5 ) 由目标向量而和变异向 量圪矿，的分量组合出来一个候选向量z i = z l i , 勿，z d f ) 其中 乃= 世m 引 如c r p y 产砖 c 其中f _ 1 ，以，产1 ，n i e 卜一是一个随机选择的序列，用它来确保z i 至少从 y i 获得一个参数；r a n d o ) 【o ，l 】是一个均匀分布的随机数，交叉因数c re 【o ，l 】是d e 算法的一个参数，它控制了选择变异个体分量值代替当前点分量值的概率。 4 、选择 为了决定候选向量z 是否会成为下一代种群的成员，d e 将当前种群的目标向量 柳与候选向量句的目标函数值进行比较。如果z i 具有更优的函数值，则盈取代种群 中的x t ，否则保留x 。这样下一代的所有个体都将比当前种群中所对应的个体更优 或是一样优良。 2 2 3 参数设置 对于种群的数量n ，根据经验可选择在5 d 和1 0 d 之间 2 5 1 ，但弗必须大于4 ， 以确保能有足够的变异向量。种群数量聆、比例因数f 和交叉因数c r 在整个进化 过程中是保持不变的。一般f 和c r 影响搜索过程的收敛速度和鲁棒性，万和，取 值较大可以得到较好的搜索但算法的收敛速度会较慢，取值较小会使算法陷入局部 最优。通常，可以通过采取不同的值做一些试验和调试，根据试验结果来选定合适 的f ，c r 和n 值。 最大进化代数( i t e r m a x ) 是表示d e 算法运行结束条件的一个参数，它表示d e 算 法运行到指定的进化代数之后就停止运行，并将当前种群中的最佳个体作为所求问 题的最优解输出。一般取值范围为1 0 0 - - 2 0 0 。另外，除了最大进化代数外，还可以 通过其他准则来作为判定算法运行结束的条件，比如可以通过当目标函数值小于一 定阀值( v t r ) 时算法运行结束，v t r 一般取1 0 - 6 。 本文运用了参数动态调整策略，具体做法为：在算法的运算 ； 期f 和c r 取较 大的数值，以利于产生和维持多样的个体，从整体上保证最终求解值的全局最优性。 随着迭代此次数的不断增加，逐步减小，和c r 的取值，加快算法的收敛速度，以 9 华北电力人学硕士学位论文 利于算法进行更进一步精细的搜索，从而找出全局最优解。 2 3 微分进化操作参数的影响 本节将分析微分进化算法中各个参数对算法性能的影响，以便为后面的应用参 数选取提供依据。同其他启发式搜索算法一样，微分进化算法也是一种随机性的搜 索技术，因此我们不能根据一次运行的结果来判断参数的好坏。在下面的试验过程 中，对于每一种问题都将运行2 0 次，然后通过求解其平均值进而分析比较种群的 最好解。 为了分析算法，本文采用函数r a s t r i g i n 函数和s c h a f f e r 函数对算法进行测评。 s c h a 低r ：m ) = 万s i n 丽2 届而+ ：x 耳2 2 - 丽0 5 一。5 ，悱l o o r a s t r i g i n ：厂( x ) = ( # - 1 0 堆c o s ( 2 m q ) + 1 0 ) ，m 5 1 2 2 3 1 种群规模 种群规模是微分进化算法的一个重要参数。随着种群规模的增大，得到更好解 的可能性也随之增加，通常种群的大小随问题的不同而不同，在大多数情况下它与 问题的规模有关，问题的规模越大，种群规模也须相应增大。 3 d仰卯6 d 7 d印9 di o d 种群规模 图2 - 1s c h a f f e r 函数种群规模对求解时间的影响 1 0 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 3 2 l 旺 仓匣营 华北电力大学硕- = 学位论文 2 5 2 0 墓1 5 警1 0 5 o 2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d 9 d 1 0 d 种群规模 图2 - 2r a s t d g i n 函数种群规模对求解时间的影响 为了说明种群规模对计算时问的影响，对s c h a f f e r 和r a s t r i g i n 函数进行测试， 种群规模从2 d 逐步递增到1 0 d ，其中d 为函数解空间的维数，图2 1 和2 2 分别 显示了s c h a f f e r 和r a s t r i g i n 函数在种群规模为解空间不同倍数时，微分进化算法的 计算时间情况，对于每种情况运行2 0 次。 从仿真结果可以明显看出，求解时间明显随种群规模的增加而增加。计算时间 与种群规模基本上呈线性关系，种群规模越小，算法越容易陷入局部最优，但是求 解时间较快，反之，种群规模越大，越容易找到全局最优解，但是其求解时间呈线 性增加，使得系统资源耗费大大增加，因此，合理的选取种群规模，对于算法的 全局搜索能力和搜索效率的提高具有重要意义。 2 3 2 交叉概率 对交叉概率来说，过小会使得算法的种群在交叉操作后产生较少的新个体，这样就 减弱了算法的开拓新空问的能力；而过大的交叉概率，则会使得种群不能较好地保持稳 定，从而降低算法的稳定性。 本文首先对交叉概率的取值从o 1 改变到0 9 ，纵坐标表示的是结果的相对值， 如图2 - 3 显示了交叉概率的变化概率对种群的影响。从图中可以看出交叉概率取o 5 至0 7 比较好。 华北电力大学硕十学位论文 2 3 3 变异概率 图2 - 3 交叉概率与种群解的关系 对一个群体来说，较大的f 能产生多样的个体，但是当扰动大于两个成员间的距离 时，变异操作产生的差向量会比较大，算法在搜索过程中容易越过最优全局最优点，这 就要求算法的控制参数f 就相对要小一些；随着种群的不断进化，各个个体逐渐靠近最 优个体，算法中的变异操作产生的差向量会逐渐变小，在一定程度上减弱了算法搜索空 间的多样性，因此要求此时的控制参数f 相对大一些，使得变异操作后的向量能够开拓 新的搜索空间，从而提高算法的全局寻优能力 变异概率的变化对解的质量的影响如图2 - 4 所示，从图中可以看出，变异概率 越大，解的质量越高。在较低的变异概率下，种群的多样性相对较小，种群会较快 的趋于同一，从而使算法丧失了对空间的进一步搜寻。但是较高的变异概率会大大 增加算法的计算时间。本文变异概率取为一个较低的水平。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 l0 5 1 0 9 5 0 9 0 8 5 0 8 0 7 5 0 7 0 6 5 0 6 0 5 5 、0白q、6母 o -o o o o 、 图2 - 4 变异概率与种群解的关系 2 3 4 参数的动态调整对算法的影响 所谓参数动态调整策略，就是从算法的初期开始，随着算法迭代次数的不断增 加，不断改变算法的控制参数取值，以使算法向着全局最优解逐步靠近。对于d e 算法则是变异因数和交叉因子的动态调整，即在算法的初期取较大的f 和c r 值， 以保证搜索能在广阔的空间内进行，随着种群进化的不断延续，不断减小上述两参 数的取值，直至在算法的后期，变异因数和交叉因子的值都在一个较小的范围，从 而加快算法的收敛速度。 采用$ c h a f f e r 和r a s t r i g i n 函数对基本d e 和采用动态调整策略的d e 搜索过程及结果 进行测评比较。结果见表2 1 。r a s t r i g i n 函数进化曲线如图2 5 所示。 表2 - 1 测试结果表 函数最收敛最大代数计算结果搜索成功率( ) 收敛到指定 测试函数精度时代数 小值精度 d e 动态d ed e动态d e d e动态d e s c h a f f e rl0 0 0 0 10 9 9 1 4 8 619 51 0 06 5 r a s t r i g i f l 01 0 01 3 9 1 1 7 0 6 7 3 28 5 4 7 3 1 0 02 8 6 华北电力大学硕十学位论文 图2 - 5r a s t r i g i n 函数测试 对于标准d e ：变异概率f 取0 3 ，交叉概率c r 取0 6 ，目标函数最终值为1 3 9 1 1 7 。 对于采用动态调整的d e ：在算法前期f 取1 3 ，c r 取0 5 ，随着迭代的不断进行， 逐步减小上述参数值，最终f 取0 1 5 ，c r 取0 1 ，目标函数最终值为o 6 7 3 2 。 通过上表可以看出，在以上经典函数测试中，动态d e 算法表现出来的性能， 无论是收敛速度、收敛精度还是全局收敛能力均较基本d e 算法好，并且由图2 5 可知，由于采用了微分进化参数的动态调整策略，算法的收敛速度更快，同时所得 的目标函数最优解更小，由1 3 9 1 1 7 减为o 6 7 3 2 ，较大的改善了d e 算法的全局寻 优能力。 2 4d e 算法在电力系统中的应用 在国外，微分进化算法的在电力系统的研究比较成熟，并且出现了很多对于微 分进化算法的改进措施，但是该算法在国内电力系统中的应用研究起步较晚，目前， 微分进化算法在国内主要应用在机器人路径规划、头部电阻抗成像、智能人工腿控 制器等领域。但是近几年，由于它在全局搜索方面的良好性能，使得该算法越来越 受到国内电力科学研究者的广泛关注，下面就d e 算法在电力系统中的应用的研究 现状作一些介绍，主要包括电力系统规划、运行和控制等领域的研究成果。 2 4 1 负荷预测 负荷预测是城市电网规划中的基础工作，其预测水平的高低直接影响着电网规 划质量的优劣。它是以现状水平年为基础，通过分析规划地区的负荷特性及其负荷 1 4 华北电力大学硕士学位论文 增长规律，并结合当地经济的现状及其发展水平，采取合适的预测方法来预测未来 水平年的负荷。 城市负荷预测包括电量负荷预测和负荷分布预测。前者决定了未来城市对电力 的需求量和未来城市电网的供电容量，对城市供电电源点的确定和发电规划具有重 要的指导意义；后者是对负荷分布的地理位置、时间和数量进行的预测，它是高压 变电站选址定容的基础，其准确性决定了城市电网规划方案的可操作性和适应性。 文献【2 6 l 提出一种基于人工神经网络模型的微分进化算法( g r n n - - m d e ， g e n e r a l i z e dr e g r e s s i o n n e u r a ln e t w o r kd e ) ，该法运用优生进化策略，通过采用重新分 配操作保持了种群的多样性，并使用最优化设计操作改善了算法的搜索空间和速 度。计算结果显示，g r n n - - m d e 算法在计算时间、进化代数以及最终目标函数值 等方面比原始的d e 算法都取得了较好的运算效果。 2 4 2 经济负荷分配 经济负荷分配是电力系统最重要的优化问题之一，经济负荷分配( e c o n o m i c l a o d i n gd i s p a t c h ，e l d ) 问题是指当给定某运行时段机组的开停机计划后，在满足 各种约束的条件下在运行机组问分配负荷，使电力系统的总运行费用最小或发电公 司的利润最大。数学上负荷经济分配问题是一个高维、非线性、多约束的混合整数 规划问题，因此计算复杂且很难找出理论上的最优解。 文献【”】提出一种基于扩张的拉格朗同方法的自适应d e ( s a d e a l m ) ，该方 法采用拉格朗日法( a l m ) 来处理约束问题，克服了传统罚函数法所带来的“病条 件”问题，提高了算法的收敛速度。该方法通过由惩罚因子和拉格朗r 因子组成的内 循环和外循环计算，使算法在寻优性能上大大提高。算例分析结果显示，该法能取 得更小的投资费用，并且计算时间更让人接受。文献【2 8 】提出一种非平滑的投资模型 ( n o n s m o o t hc o s tf u n c t i o n s ) ，该模型避免了传统负荷问题中可能出现的失真现象， 该模型用d e b e s t 2 b i n 实现形式分别对阀点负荷、禁止操作地带和燃料选择效果三 种目标函数进行了分析计算，收到了良好的效果。文献1 2 9 1 考虑新环保政策和规范中 要求电力设施和厂商考虑发电厂对环境的影响，提出了经济环境分配问题，该问题 是一个考虑发电设备辐射的投资最小化问题，算例结果显示了d e 算法解决此类问 题的高效性。 2 4 3 网络重构 配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点，而网络重构的主要目的是通过 改变线路开关的状况来变换网络结构。当运行条件发生时，运行人员根据实际情况 进行网络重构操作，以平衡各馈线的负荷、消除过载、降低网损，从而提高网络的 华北电力大学硕十学位论文 供电能力。由于配电网络含有大量的常闭和常开开关，所以决定各个开关状态的网 络重构问题是一个复杂的大规模非线性整数组合优化问题。 文献【3 0 】在混合d e ( h d e ) 的基础上提出采用变放大因子的混合d e ( v s h d e ) ， 该方法采用1 5 准则来调整放大因子f 的值，提高了算法的收敛速度，同时克服了 固定及随意取f 值的缺点，通过对一三馈线网络和台湾一实际配电网的优化计算表 明，v s h d e 适合于大规模的实际配电网络重构问题。文献1 3 1 】提出一种改进混合整 数的h d e ，该法在种群操作过程中增加一个交叉取整操作，再通过加速和迁移操作 后，m i h d e 需要更小的种群规模，这对于解决大规模网络问题非常有用。 2 4 4 无功优化 最优潮流问题是一个具有复杂约束的非线性优化问题，众多学者对其进行了大 量的研究，但至今仍未圆满解决这个问题。无功优化是最优潮流计算中的一项重要 内容，实现无功优化与控制，可以改善电压分布、减少网损。随着电力系统的日益 复杂和电力市场制度的实施，安全稳定运行计算越来越受到电力部门的关注。d e 算 法的出现，为最优潮流和无功优化计算提供了一条新的途径。 文献p 2 】针对微分进化算法中小种群模式下存在的不成熟收敛问题，基于协作进 化架构提出了一种新的多种群分解与协作微分进化方法，并应用于电力系统无功优 化领域，系统采用三层的p c 集群并行计算方式实现，结果表明该方法较原始的微 分进化算法有较大优势。文献( ”l 认为微分进化算法的特性更适合于大规范电力系统 计算，考虑到大规模系统计算事的效率问题，采用网格计算方式来构建计算环境， 针对网格环境下可能存在的故障不确定性，提出了故障容忍微分进化算法并应用于 较大规模电力系统无功优化。 2 4 5 优化设计 为抑制电力系统因负阻尼而产生低频振荡问题，提高电力系统动态稳定性的重 要措施之一是应用电力系统稳定器( p s s ) 。p s s 的设计涉及许多参数值的选择问题， 而参数值的选择对p s s 的总体性能有很大影响，传统设计方法往往不能保证获得最 优参数值。文献【n l 采用双轴模型来描述发电机，目标函数由以下构成：( 1 ) 特征值 实部；( 2 ) 特征值的衰减率；( 3 ) 由( 1 ) 和( 2 ) 考虑权重系数。h d e 的迁移和加 速因子即保证了种群的多样性又加快了算法收敛，得到了能抑制系统振荡的较好的 p s s 参数，并且加快了电动机的衰减，收到了良好的效果。 2 4 6 工程实际 断路器向着高电压、大容量不断发展的趋势使得传统的以试验的方法设计依据 1 6 华北电力大学硕+ 学位论文 的设计方法变得越来越昂贵且更加难以实现，随着计算机技术的迅猛发展，使数值 模拟在高性能、大容量高压断路器设计中起着越来越重要的作用。断路器在电力系 统发生断路故障时开断成功与否取决于电弧过零后介质恢复强度和暂态电压恢复 强度的竞争。文献 3 5 1 针对s f 6 g c b ( g a sc i r c u i tb r e a k e r ) 的尺寸参数对介质恢复强 度的影响，对d e 提出了以下改进措施：( 1 ) 采用变变异因子f ( 2 ) 选择操作的比 较策略，个体不再和父代相比，而是目标值欧几里得( e u c l i d e a n ) 距离最近的个体， ( 3 ) 建立辅助种群，用辅助种群中最好的个体来代替主种群中最差的个体。通过 以上改进，较好的提高了算法性能，通过对s f 6 的计算分析，得到了较优的尺寸参 数。 在直流直流转换器的选择和电感的设计受到许多参数影响，包括直流电阻、饱 和电流和感抗。文献 3 6 1 设计了一个缓冲电路，通过测得缓冲器的电压电流，并通过 d e 求得其目标函数值，可以描述出计算容量和缓冲容量的关系，从而来确定缓冲 容量。算例结果表明，设计电路增加了电能输送，减少了电能损失，其中晶体管的 能量损失减少了3 0 。 2 5 小结 本章主要介绍了一种新的进化算法一微分进化算法，阐述了它的基本工作原理 和基本操作过程，总结了它的基本特点，分析了算法参数对搜索过程的影响，并提 出了它的一种改进的形式一动态参数调整策略的微分进化算法，并通过两个经典函 数的测评验证了参数的动态调整策略的有效性。最后总结了微分进化算法在国内外 电力系统中的应用。 华北电力大学硕十学位论文 3 1 概述 第三章配电网规划g i s 系统 随着计算机技术的发展，逐步形成了一套能全面考虑地理因素的系统一地理信 息系统。地理信息系统( g i s ) 是集计算机科学、地理学、测绘学、环境科学、经 济学、城市学、空间科学、信息和管理科学于一体的一门跨学科的新兴边缘学科， 它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据 进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，适时提供空间和动态的地理信息，为 决策服务的一类信息系统【37 1 ，随着g i s 系统的不断发展和完善，g i s 已被广泛应用 于数字制图、土地利用调查、环境、城市规划和建设、交通、电力以及水利等众多 领域当中。 3 1 1 地理信息系统的发展历程 g i s 的发展受计算机技术的发展影响，从其诞生到发展中的每一次变革都与计 算机紧密相关。 在2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代末期，主要是基于地图进行处理，将地图数字化 后供计算机存储和处理，形成了图层、图集、图库和拓扑关系等基本概念；通过文 件系统进行空间数据和属性数据的管理，且系统完全封闭，后来，人人计算机开始 成为主流机型，且硬件处理能力强大，数据库技术十分成熟，网络技术开始出现并 迅速普及，分布式计算机及环境构造技术逐步成熟，系统的体系结构开始由主机型 向客户服务器( c s ) 型发展，面向对象的软件技术开发成熟。这一时期的g i s 开 始采用数据库管理系统来管理属性数据，提高了数据处理能力，但空间数据仍由文 件系统管理；系统开始由单机单用户转向多机多用户，实现了空间数据和属性数据 的共享。 进入2 0 世纪9 0 年代，信息技术发展十分迅速，其中最引人关注的面向对象技 术和广域网，特别是i n t e r n e t 技术的发展与普及。遥感( r s ) 、全球定位技术( g p s ) 的发展提高了人类获取空间信息的能力。这一阶段的g i s 开始逐步使用组件化的模 式来进行系统的构建，极大地提高了支持二次开发的能力；实现了空闻数据和属性 数据的一体化存储和一体化查询：开始了由c s 结构向b s 结构的转变；g i s 向与 r s 、g p s 集成化方向发展；g i s 也由最初的仅限于数字制图、土地利用调查部门逐 渐扩大到环境、城市规划和建设、交通、电力、水利等众多与地理空间信息相关的 领域，得到越来越广泛的应用 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2g i s 系统的构成 一个完整的g i s 主要由4 部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、空 间数据和系统管理操作人员。其中的核心部分是计算机系统，包括软件系统和硬件 系统2 部分，硬件系统即具有中央处理器、数据存储器和输入输出设备的通用计算 机。软件系统由包括数据处理、管理、地图模拟和空间分析等部分的核心软件和面 向一些如网络分析、数字地形分析等特殊应用问题的应用软件组成。它们是系统建 立的硬件基础和实现人机交互空间信息的工具。 空问数据是地理信息系统中表示空间信息的地理数据，是系统建立的重要基础， 没有数据，建立g i s 就无从谈起，空间数据包括几何数据和属性数据。几何数据由 点、线、面组成，表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及拓扑几何关 系；而管理人员和用户则决宁系统的工作方式和信息表达方式。 3 1 3g i s 系统的功能 g i s 系统的功能遍及数据采集、分析和应用决策的全过程，能够解决位置、条 件、趋势、模式以及模拟五类大问题。其基本功能和高级功能如下： ( 1 ) 基本功能 1 ) 数据采集、检验与编辑； 2 ) 格式化、转换、概化 3 ) 数据的存储与组织 4 ) 查询、检索、统计、计算功能 5 ) 分析功能 6 ) 显示 ( 2 ) 高级功能 1 ) 空间检索 2 ) 空间拓扑叠加分析 3 ) 空间模拟分析 3 2g i s 系统在变电站规划中的应用 3 2 1 地理信息系统的优越性 对于地理信息系统的研究应用，归纳起来有两种情况。一是利用g i s 系统来处 理用户的数据，二是在g i s 的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户的专用 的地理信息系统软件。与传统的方法相比，应用地理信息系统完成各项任务显示了 1 9 华北电力大学硕七学位论文 许多的优越性【3 引，可概括如下： ( 1 ) 允许存储多种性质的数据，包括图形的、影像的、调查统计等。 ( 2 ) 允许使用数学、逻辑方法，借助于计算机指令编写各种程序，易于实现各 种分析处理，系统具有判断能力和辅助决策能力。 ( 3 ) 提供了多种造型能力，例如覆盖分析、网络分析、地形分析，可以用来进 行土地评价、土壤侵蚀估计、土地合理利用规划等模式研究，以及用来编制各种专 题图、综合图等。 ( 4 ) 数据库可以得到及时更新，确保现时性。用户在使用时具有安全感，保证 不读漏数据，处理结果令人信服。 ( 5 ) 易于改变比例尺和地图投影，易于进行坐标变换，平移或旋转、地图接边、 制表和绘图等工作。 ( 6 ) 减少了数据处理和图形化成本。在短时间内，可以反复检查结果，开展多 种方案的比较，从而可以较少错误，确保质量。 目前，地理信息系统已经被广泛应用于电力系统中的各个领域，如配电管理系 统、变电站的变电程序化操作、电力系统自动化、用电营销管理系统、电缆故障精 测以及电力业扩报装等。 随着城市规划的逐步完善，为电力规划提供了有力的基础数据支持，电力规划 人员也逐步尝试将g i s 运用到电网规划中来。g i s 平台对配电网络规划的影响为： 首先，g i s 能够极大地方便规划数据的管理，提高规划人员的劳动生产率。同 时，规划过程也更直观、更具有交互性。 其次，g i s 可以方便地辅助规划人员确定备选的变电站站址和架空线走廊或电 缆通道，这不仅可以缩小优化规划程序的搜索范围，而且使得规划的结果更加符合 实际。 第三，g i s 平台的引入可以使配电网规划与城市规划同步。 3 2 2 对地理信息的数据图形处理 在规划区域内，首先明确道路、湖泊、建筑物等不可建站区域，然后结合规划 地区市政建设规划确定出可以用以建设变电站的区域，并以规则图形( 多边形和圆 形) 的形式将他们表示出来，图3 1 和3 - 2 分别为将可建站区域用多边形和圆形来 表示的情况。 华北电力大学硕十学位论文 图3 - 1 可建站区域为多边形图3 - 2 可建站区域为圆形 对上述的可建站区域图形进行编码处理，对于规则多边形则记录其边数以及各 个顶点坐标，对于圆形则记录其圆心坐标和半径。当对规划区内所有的可建站区域 编码处理后，可以采用数据库管理系统对其进行数据管理，从而形成完善的变电站 规划g i s 。 3 2 3 数据编码 ( 1 ) 变电站编码 表中序号为新建和已有变电站的编号，横、纵坐标是在