（检测技术与自动化装置专业论文）配电网可靠性评估与网络重构的研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展，对提供重要能源之一的电力系统提出了更高的要求， 配电系统作为电力系统中的一个重要组成部分，起着连接电力生产和电力用户方 面的纽带作用。电力部门统计资料表明，约有9 0 以上的用户停电是由于配电系 统故障造成的；配电网能否可靠工作，对用户影响最大，因此对配电网进行不断 深入的研究无论是在理论上还是实际上都具有重要的意义。文章重点对配电网的 可靠性评估和网络重构的模型和算法进行了研究。 在配电网可靠性评估的研究中，提出了两种实用的配电网可靠性评估方法： 其一是利用网络分层和递归算法理论，使用高级语言进行程序设计，提出了种 基于v b 编程的配电网可靠性评估方法，该方法通过程序实现了网络拓扑结构的 分层等效和可靠性指标的递归计算，使整个计算过程得到了简化，并且界面窗口 的可视化，使得评估过程便捷、形象；其二是提出了一种基于区间算法的配电网 可靠性评估方法，该方法是一种利用区间理论计算配电系统可靠性的不确定性评 估方法；文章给出了区间运算的原理；讨论了配电系统中区间数据的来源途径， 并用区间数代替元件的可靠性参数，对辐射形配电网进行了可靠性评估。 在配电网网络重构的研究中，首先建立了一个新的配电系统网络重构模型， 该模型综合考虑了配电网运行过程中网损和可靠性指标两个因素；其次，采用一 种改进的遗传算法对所建立模型进行求解；改进的遗传算法是一种基于环路快速 分解的算法，该算法在染色体编码时只需要考虑环路上除电源点和t 接点以外的 节点，比传统遗传算法的染色体长度缩短，并在染色体内根据环路的不同划分为 不同的基因块，各种对染色体的操作只在各基因块内进行即可，提高了运算的速 度和效率。 通过几个实际算例和i e e e 标准算例用所提出的方法进行了验证，结果表明： 所提出的两种配电系统可靠性评估方法和配电网重构模型及算法是正确可行的。 关键词：配电网：可靠性评估；区间算法：网络重构；改进遗传算法 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，p o w e rs y s t e m ，w h i c h s u p p l i e s s o c i e t yw i t hi m p o r t a n te n e r g y ，i sr e q u i r e dt op r o v i d eb e t t e rs e r v i c e a s ap a r to fp o w e rs y s t e m , p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mp l a yac a c h e s p a r t b e t w e e np o w e rp r o d u c t i o na n dp o w e rc o n s u m p t i o n t h es t a t i s t i t ss h o wt h a t m o r et h a n8 0 l e t t i n go f fc u s t o m e ri sl e a d e db yd i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l t s of u r t h e rr e s e a r c ho nt h i sf i e l di s v e r yi m p o r t a n ti nn o to n l yt h e o r y b u ta l s op r a c t i c e t h i st h e s i sd o e ss o m e i m p o r t a n ts t u d yo nr e l i a b i l i t y a n dc o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h es t u d yo fp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mt e l i a b i l i t y ，t w om e t h o d sa r e g i v e n o n ei st h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b i li t ye v a l u a t i o nu s i n gv bw h i c h b a s e do nt h el a y e ro fn e t w o r ka n dr e c u r s i v ea r i t h m e t i c a c c o r d i n gt ot h e l a y e r ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m sw e r es t o r e d1 i k ed i r e c t o r yt r e es t r u c t u r e t h e n ，u s i n gr e c u r s i v ea r i t h m e t i cc a l c u l a t e dr e l i a b i l i t yi n d i c e sf o r d i r e c t o r yt r e e ，t h em e t h o d w a sr e a l i z e d b yv bp r o g r a m ；t h eo t h e ri sam e t h o d o fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nb yi n t e r v a l a r i t h m e t i c ，w h i c hi s t h eu s eo f i n t e r v a la r i t h m e t i ct oe v a l u a t er e l i a b i li t y ，a n dt h ec o m p u t a t i o nt h e o r y i sa l s o g i v e n d u r i n g t h e c a l c u l a t i o n ，i n t e r v a ln u m b e rr e p l a c e dt h e c o m p o n e n t sp a r a m e t e ra n di tt a k e si n t oc o n s i d e r a t i o nt h eu n c e r t a i n t y o fa l lo ft h ep a r a m e t e r s i nt h e s t u d y o f p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e mc o n f i g u r a t i o n an e w c o n f i g u r a t i o nm o d e li ss e tu pw h i c ht a k e si n t oa c c o u n ts i m u l t a n e o u s l yt h e l o s s e sm i n i m i z a t i o na n d s y s t e mr e l i a b i l i t y ，t h e ni m p r o v e dg e n e t i c a r i t h m e t i ci sd e s c r i b e dd e t a i la n do fa d v a n t a g ef o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m s e v e r a ls a m p l et e s t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r eo fg o o d d e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ；i n t e r v a l a r i t h m e t i c ：i m p r o v e dg e n e t i ca r i t h m e t i c i i 第一章绪论 第一章绪论弟一早三= 百v 匕 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 我国目前配电网的现状和问题 配电网的功能是把变电站或小型发电厂的电力输送给每一个用户，并在必要 的地方转换成适当的电压等级。配电网安全、可靠、高质的运行，直接关系到千 家万户的用电。在我国，很长一段时间内存在一种现象，就是“重发、轻供、不 管用”，对应的国家投资比例为1 ：o 3 ：o 1 ，而世界先进发达国家为1 ：o 3 ： 0 7 。导致长期以来配电网的建设未得到应有的重视，建设资金短缺，设备技术 性能落后，事故频繁发生，严重影响了人民生活和经济建设的发展，随着电力需 求的发展和电力市场的建立，配电网的薄弱环节显得越来越突出，形成电力需求 与电网设施不协调的局面“1 。 近年随着国民经济发展和人民生活水平的提高，国内多数配电网有了很大发 展，新的高压变电站增加，老的变电站升压、增容，电网中引入超高压输电线， 电网结构趋向合理，安全性有一定提高。与此同时，也存在一些问题：截至2 0 04 年2 月，全国有50 多个大中城市拉闸限电，南方部分城市这种情况更加严 重，其主要原意是这几年经济发展太快，电力需求增长速度高于经济增长速度； 其次是电源结构的不合理也造成了供电“卡脖子”现象；负荷的构成比例发生了 较大的变化，例如居民用电、商业用电明显增加，使有些线路和变压器负荷加大， 甚至因超负荷而引起局部停电；因系统存在的缺陷而出现由局部故障扩大成为大 面积长时间停电事故；由于无功电源配置和调节手段不适应负荷发展，电网电压 水平不能满足电能质量要求，造成电气设备损坏，有些电网还出现电压崩溃造成 停电事故：在配电网的运行中还存在可靠性较低和网损过高等问题。 i 1 2 研究的目的和意义 随着国民经济的持续发展，电力需求增长迅速。目前配电网存在的问题难以 满足迅猛增长的生活用电的需要，用电连续性和可靠性得不到保证，拉闸限电成 为每一个城市面临的实际问题。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 厂东工业大学工学硕士学位论义 时，随着社会主义市场经济的不断完善和发展，电力步入市场后，竞争随之而来， 提供优质、廉价的电能成为供电部门提高服务水平和竞争力的重要因素。 随着社会和经济的发展，一方面用户对供电可靠性也开始提出了较高的要 求，国家电力公司对此也有要求，今后供电企业应达到的供电可靠性指标，般 城市地区为9 9 9 6 ，使每户的年平均停电时间不大于3 5 小时；重要城市中心 区应达到9 9 9 9 ，使每户的年平均停电时问不大于0 8 7 6 小时，即5 3 分钟。而 国外经济发达国家的每户年平均停电时间均己达到不超过1 小时，甚至只有几或 几十分钟的水平，相比而言与国外仍有较大的差距“1 ；国家颁布的电力法的贯彻 后，电力作为一种商品进入市场，接受用户的监督和选择，甚至于对电力供应中 的停电影响追究电力经营者的责任。此外，高精密的技术和装备对电能质量要求， 配电网供电可靠性已是电力经营者必须考虑的主要问题。另一方面配电网络也有 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，以减少因停电造成地对社会的影响和经 济上的损失。配电网可靠性规划和网络重构是解决上述两个问题的有效而根本的 手段。 所谓配电网可靠性规划是指在规划设计或运行中为使配电系统达到所要求 的可靠度所必须满足的指标、条件或规定。评估配电网可靠性主要指标分为：基 本可靠性指标和系统的可靠性指标。基本指标为各负荷点及系统的平均停运率 ，平均停运持续时间y ，年平均停运时间u 。系统的可靠性指标反映系统停运 的严重程度和重要性，采用以下指标评估系统的可靠程度：平均停电频率s a i f i 、 平均停电持续时间s a i d i 、平均供电可用率a s a i 等。 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。网络重构是配电系统运行和控制的手段，也是配电管理系统( d n s ) 的重要 内容。目前，配电网多采用环状结构、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。在正常状态下， 为了增加网络的可靠性，减少网损，需要定期通过开合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，为了尽可能的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。 肇一童绪诊 近几十年来，电力工作者已经在可靠性规划及网络重构方面作了大量的工 作，提出了许多实用的可靠性评估方法及重构算法，尽管他们采用了不同的方法， 借鉴不同的理论，但都是从配电网某一指标达到最优为目标函数进行研究，在收 敛性、寻优效果及运算速度上仍存在一个寻找更为实用更为优化及更加系统的综 合解的问题。目前国内正进行大规模城乡电网改造，旨在提商供电质量，国家亦 提出了相应的可靠性标准。因此，配电系统可靠性的研究具有重要的现实意义。 因此，无论是现在还是将来，配电系统可靠性规划与重构问题都是值得深入研究 的课题。 1 2 配电网可靠性研究的现状 配电系统可靠性的研究始于上世纪6 0 年代，晚于发电和输电系统的研究，这 是由于当时没有意识到配电系统可靠性的重要性。随着统计工作的完善，人们发 现大约有9 0 以上的用户停电是由配电系统引起的”1 。同时，配电系统的投资也 十分巨大，这就意味着配电系统可靠性评估将会产生显著的经济效益。鉴于此， 世界各国特别是工业技术发展较快的先进国家都普遍的开展了配电系统可靠性 发面的研究，美国、英国、加拿大、日本、法国、西欧及俄罗斯都成立了专门的 研究机构，负责配电系统可靠性评估原始数据的收集和整理工作，并建立了完善 的配电系统可靠性评估的指标体系。在配电系统可靠性模型和算法上也取得了重 要的研究成果，并已将评估结果用于配电网规划等方面，大大提高了配电系统的 安全性、可靠性和供电质量。 国内对配电网可靠性的研究始于2 0 世纪8 0 年代初期，由于缺乏必要的统计数 据和行之有效的分析方法，发展较为缓慢。近年来，随着城市经济的迅速发展和 城网改造的开展，迫切需要对配电网进行科学、合理的规划。同时随着电力企业 管理工作的不断发展和深化，供电可靠性在生产管理工作中所占的位置也越来越 重要。 配电系统可靠性评估虽然起步较晚，但在模型和算法上仍取得了很大的进 展。目前，用于定量评估配电系统可靠性的方法有三类t 一类是解析法；一类是 模拟法：另一类是人工智能方法。 1 2 1 解析法 解析法。 朝的基本思想是根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间 三= 一奎三! ! 查兰三兰竺圭耋丝丝兰 的逻辑关系，建立系统的可靠性概率模型，通过递推和迭代等过程精确求解此模 型，从而计算用户和系统可靠性指标。主要有以下几种方法： 1 2 1 1 概率分布法( p d m p r o b a b il i t y d is t r i b u t i o nm e t h o d ) 这种方法利用可靠度来计算系统在各种容量状态的稳态概率指标，具有使用 灵活方便，计算速度快等优点，可用于小型配电系统的可靠性评估，但它没有较 强的系统性，建立元件故障和系统处于各种容量状态之间的概率关系十分繁琐， 且难以处理状态之间的随机转移和多重故障等因素的影响。上述缺点使其应用范 围受到了限制。 12 1 2 表格法 它是前苏联科学家塔里维尔季耶夫在1 9 7 0 年提出的。该方法简单直观，在理 论上不存在其他模型因元件状态不独立而带来的建模困难问题。但表格法仅适用 于手工计算，不利于计算机编程实现，难于对大型配电系统进行可靠性评估计算。 国内学者对其进行了有益的探索和分析，取得了一定的研究成果。 1 21 3 故障模式与后果分析法( f a ii u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s ism e t h o d 简称f e m a 法) 这种方法通过对系统中各元件的状态的搜索，列出全部可能的系统状态，然 后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析，找出系统的故障模 式集合，最后在此集合的基础上求得系统的可靠性指标。该方法原理简单、清晰， 模型准确，已广泛用于小型配电系统的可靠性评估中。但是，由于它的计算量随 着元件的增长成指数增加。故在系统结构复杂、元件数目及操作方式增多时，系 统的故障模式急剧增加，计算将变的冗长繁琐。直接采用f e v d 法对一个复杂的辐 射形配电系统进行可靠性评估是十分困难的。 1 2 1 4 最小路法( m i n i m a ip a t hm e t h o d s ) 对配电系统中的每一个负荷点，求取其最小路模型准确，将非最小路上的元 件故障对负荷点可靠性指标的影响，根据网络的实际情况，折算到相应的最小路 节点上，从而对于每个负荷点，仅对其最小路上的元件进行计算即可得到负荷点 相应的可靠性指标。该算法可以结合系统的实际配置，找出网络的薄弱环节，计 算效率较f e m a 法有了很大的提高，但是对于由主馈线和分支馈线组成的相对复杂 的系统，其最小路的求解和简化工作非常复杂。此外，它对我们不很关心的负荷 点的指标也做了大量的计算，耗费了不必要的时间“”。 4 第一章绪论 1 2 1 5 频率和平均持续时间法( f r e q u e n c ya n dd u r a t i o l 3 m e t h o d ，简称f d 法) 以概率论、数理统计、m a r k o v 过程为基础将系统用它的状态和其问可能发生 的转移来表示，通过求解随机转移概率矩阵来计算出系统的各种稳态可靠性指 标。该方法具有物理概念清楚、逻辑概念明确、计算精度高等优点，适用于网络 规模较小而网络结构较强的配电系统可靠性评估。但当系统规模庞大，元件众多， 结构复杂时，其状态数剧增，状态空间矩阵的列写复杂，易产生“维数灾难”问 题。 1 2 1 6 裕度法 这是日本目前广泛使用的一种配电系统可靠性评估方法。它首先对实际的配 电系统的网络结构模型进行分析，将系统划分为“多分割多联络”的标准结构， 求出馈线的裕度、联络率和运行率等参数，然后以馈线为单位，利用可靠性计算 公式，计算出系统和负荷点的可靠性指标。该方法可以考虑多种因素的影响，适 用于地区性和大规模系统的可靠性评估，但它存在通用性较差、计算复杂的缺点 7 1 2 1 7 其他的配电网可靠性评估方法 在上述基本的可靠性评估算法理论的基础上，广大学者通过研究，借鉴有关 理论，提出了一些较为实用的可靠性评估的改进算法，如等值算法、递归算法等。 他们都是根据配电系统配电系统开环运行的特点，通过将复杂的系统等效为简单 的辐射型配电系统，进而求其可靠性指标。但当系统规模大、结构比较复杂时， 这些方法的计算将会很繁琐。9 ”1 。 1 2 2 模拟法 模拟法是通过模拟元件寿命过程的实际情况，并对此模拟过程进行若干时间 观察，评估所求系统的可靠性指标。适合于复杂系统计算，在有些特定场合，该 方法甚至是唯一可行的求解方法，但这种方法耗时多而且精度不高。 1 2 2 1 蒙特卡罗模拟法( m o n t ec a r i om e t h o d ) 在已知配电系统各元件的可靠性原始数据的前提下。通过计算机模拟随机出 现的各种系统运行状态，从大量的模拟实验结果中统计出系统的可靠性指标。模 拟法所要求的随机模拟次数与系统的规模无关，收敛速度与问题的维数无关，算 法与程序结构都较为简单，可以求解出可靠性指标的概率分布，适用于复杂大系 统的可靠性评估。但模拟法计算量大，需要较长的模拟时间。在同样的样本容量 广东工业大学工学硕士学位论文 下，系统可靠性水平越高，则模拟估计量的精度越差。基于降低方差，提高收敛 速度的考虑，提出了分层抽样、重要抽样、对偶变量、控制变量及基于状态分析 的m o n t ec a r l o 模拟等方法，取得了相当的成效2 。 1 2 2 2 混合法 模拟法可随机模拟系统运行的实际方式，考虑的情况更加全面，且不需要做 过多的假设；而解析法概念清晰，逻辑关系明确。在两者的基础上建立了混合法。 混合法是m o n t ec a r l o 模拟法与解析法的有机结合。其基本思想是：用m o n t ec a r l o 模拟法随机模拟系统的状态转移过程，而用解析法确定系统在所模拟到的各种状 态中的平均持续时间，并以此代替持续时间的抽样值。混合法提高了模拟效率， 减少模拟统计量的方差，已成为近年来可靠性评估研究的热点。 1 2 3 人工智能算法( a r t i f i c i a iin t e i | i g e n c e a i ) 人工智能算法是通过仿效生物处理模式，获取智能信息处理功能，以便简化 处理一些复杂现象，快速有效的解决各种难题。它是在1 9 5 6 年由美国的m cc a r t h y 和m i n s k y 等人提出的，经过多年努力已经有了很大发展。目前包括人工神经网络 算法、模糊算法和遗传算法等多种算法。 1 2 3 1 人工神经网络算法( a n nm e t h o d ) 文献 1 4 提出了人工神经网络进行配电系统可靠性评估的新方法。研究中建 立了三层前馈人工神经网络，采用了误差反向传播( b p ) 算法。在利用历史数据 对神经网络进行训练后，即可用于计算配电系统的可靠性指标。该算法计算速度 快、精度高，可以考虑网络结构变化等多种实际运行条件的影响。但神经网络的 设计比较困难，隐含层中的节点数的选取问题仍需要作进一步的研究。 12 3 2 模糊可靠隆评估法( f u z z ym e t h o d ) 文献 1 5 在同时考虑随机性不确定事件和模糊性不确定事件对系统可靠性 影响的基础上，综合应用概率论和模糊集合论，提出了模糊可靠性评估方法。该 方法应用概率统计理论描述和处理设备与电网运行状态的变化及负荷状态变化 的随机性，应用模糊集合论描述设备故障率、修复率、设备状态概率、电网状态 概率及某负荷水平发生的概率和负荷水平预测等数值上的模糊不确定性，并利用 相应的模糊集合运算得出电网的模糊可靠性指标。该方法可以较好的计入可靠性 计算中的许多模糊性不确定因素的影响。但在隶属函数的选取、模型建立等方面 仍存在一些困难。 第一章绪论 1 3 配电网重构研究的现状 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 统可靠性的效果。其中降低配电网线损一直是电力企业努力的方向。 配电网络重构技术最早是由m e r l i n $ 口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。事实上配电网重构是一个多目标非线性混合优化问题，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。现有算法大多以网损最小为目标函数，在满足各种运行条件 下，以网损最小为目标函数的配电网重构仍是一个非线性混合优化问题。由于配 电网重构的非线性特性，每一次进行优化的迭代均需要进行一次配电网潮流计 算，连续的配电网潮流计算需要大量的计算时间。为了提高计算速度，保证得出 最优或次最优的配电网结构，人们尝试了用不同的方法来解决配电网重构的问 题。解决配电网重构的算法主要有：数学优化理论；最优流模式( o p t i o n a lf l o w p a t t e r n 缩写为o f p ) ，开关交换法( s w i t c he x c h a n g em e t h o d 缩写s e m ) 及人工智 能方法。 1 3 1 采用数学优化技术的配电网重构算法 m e r l i n 和b a c k 等人利用数学规划方法来处理配电网重构问题，用分支定界 法得出最佳配电网结构“。此后许多学者尝试将数学优化理论应用于配电网重构 中。j i y u a nf a n 等人提出一次只开合一对开关的单环网优化问题“，其数学模型 为具有二次目标函数，0 - i 状态变量的非线性整数规划问题，用单纯形法求解。 n d rs a r m a 等人提出一种基于0 - i 整数规划的配电网重构算法“，这种方法一次 可以考虑多个开关操作，并可以得到全局最优解。t pw a n g e r “”把网损最小的 网络重构问题转化成考虑二次费用的网络传输问题，二次功率损耗用分段线性函 数表示，将馈线电压降落和热容约束包含在其中。该方法不需要起始方案，在优 化过程中形成辐射状的网络结构。k o a k i 等人”忽略电压降落，将负荷当成恒 定电流，用非线性规划技术来求解配电网重构问题。文献 2 1 将进行网络规划的 最短路算法应用于配电网重构中，利用最短路径法为每个负荷寻找供电路径，方 便地形成了树状网络。由于该算法对寻优网络无特殊要求，因此可以容易地用于 复杂网络的重构寻优。 广东工业大学工学硕士学位论文 一般认为，利用数学优化理论可以得到不依赖于配电网初始结构的全局最优 解，但已经证明，数学优化技术属于“贪婪”搜索算法，计算时间非常长。 1 3 2 最优流模式算法 最优流模式“”( o f p ) 是1 9 8 9 年由d a r i s hs h r i m o h a m m a d i 等人首先提出的一种 启发式方法，它以功率损耗最小为目标函数。这种方法的计算思想为：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 p 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 kg o s w a m i n 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 2 4 在文献 2 3 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 2 5 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。 1 3 3 开关交换算法 该算法由s c i v a n l a r 等人。6 1 首先提出，首先计算初始潮流和网损，利用潮流 计算的结果将负荷用恒定电流表示，每次只合上一个联络开关形成一个环网：选 择环网中一个分段开关并打开，使配电网恢复为辐射网，从而实现负荷转移，达 到负荷均衡和降低线损的目的。为了保证开关交换操作从而降低网损，作者推导 了一个开关交换前后网损变化的估算公式。 i1 2 a p = r e 2 ( e m _ - 。) j i + 尺。i ，j ( 1 1 ) 拓di j e dl 其中d 为被转移区域的节点集合，m 和n 为合上的联络开关两端的节点：且m 为从电 源点开始电压降落较小的节点；j ；为节点i 的负荷电流；r 。为合上联络开关 后形成的环网的串联电阻之和；量，和童。分别为节点m 和节点n 的电压。 为了保证网损下降，必须闭合两端电压差最大的联络开关，并将负荷从电压 第一蕈绪沦 降落大的- n 转移到电压降落小的一侧，据此可以建立一组启发式的规则。 m e b a r a n 等人。7 1 在文献 2 6 的基础上进行了改进，利用网损变化的估算公 式为二次函数的特点，将二次函数求极值的方法用于寻找最佳开关操作，降低了 总的搜索次数。m a k a s h e m 等人。”将文献 2 7 的思想用于配电网负荷均衡，在 文献 2 9 中m a k a s h e m 等人从潮流方程出发得出开关交换引起网损变化的另外 一个公式。w h e i m i nl i n 等人“采取每次只考虑具有最大降损效果的开关操作策 略，降低了搜索空间。g p e p o n i s 等人o “对一个实际配电网进行了简化，然后用 开关交换算法和最优流模式算法进行配电网重构，结果表明开关交换算法结合启 发式规则具有更快的处理速度。 该算法有如下特点：可以快速确定降低配电网线损的配电网结构。通 过启发式规则减少需要考虑的开关组合。可以利用公式估算开关操作带来的线 损变化。不足之处在于：每次只能考虑一对开关的操作。不能保证全局最 优。给出的配电网重构结果与配电网的初始结构有关。 1 3 4 基于人工智能的网络重构算法 近年来，许多学者将人工智能的理论和方法应用于电力系统的研究和生产实 践中，其中用于配电网重构的方法主要有：人工神经网络法( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，缩写为a n n ) 、模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，缩写为s a ) 、遗传算法 g e n e t i ca l g o r i t h m ，缩写为g a ) 以及这些智能方法的综合应用。 13 。4 1 基于人工神经网络的配电网络重构 人工神经网络法的最大特点是可以通过样本的训练将输入与输出之间的非 线性关系存储在神经元的权值中。“，因此，可以用a n n 反映配电网负荷模式( 各节 点负荷的组合就称为负荷模式) 与配电网最优结构之间的非线性关系。h k i m 等人 为了克服获取大量训练样本的困难，将负荷分为不同的区域，针对每一负荷区域 得出训练样本，样本的输出则通过求解包含电压降落和馈线热容约束的二次规划 问题得到。m a k a s h e m 等人。”将负荷分为工业、商业和民用三类，同时将负荷 水平分也进行分类，结果大大减少了负荷模式的数量。由于同类负荷的变化规律 是相同的，由三类负荷的不同负荷水平构成了训练样本的输入，样本的输出由开 关交换方法确定。上述措施不仅降低了配电网重构的维数，也提高了运算速度。 由于不需要进行潮流计算，也不用对开关操作的降损效果进行估算，利用a n n 可以大大降低配电网重构的时间，从速度上看这是目前最快的配电网重构算法。 广东t 业大学工学硕士学位论文 然而a n n 算法得出的结果的精度依赖于提供的训练样本，对于一个有一定规模的 配电网，要得到所有可能的负荷模式及其对应的最优配电网结构是困难的，训练 样本也需要大量的时间。 1 342 基于模拟退火的配电网重构算法 模拟退火( g a ) 是解决混合优化问题的有效方法，该算法的要点是：设计合适 的全局冷却过程，即确定起始冷却温度、冷却率、每次交换开关的数目及每个 温度下交换开关的总数等。通过交换开关形成的网络结构，计算其潮流及网损， 若具有较小的网损，则保留，否则按一定的概率接受。继续交换开关，直到达到 最大开关交换数目。继续冷却，直到符合结束判据。结束判据是：在连续多个温 度下，网损变化极小，认为系统已经达到冻结状态，得到优化结构。 h s i a o d o n gc h i a n g 等人。”将配电网重构描述为不可微的、具有等式和不等式 约束的多目标函数优化问题，采用在不同的温度用不同的收敛指标来提高s a 算 法的速度。h s i a o d o n gc h i a n g 等人在文献 3 6 中给出y s a 算法在配电网重构中 的具体应用，当温度较高时用简化的潮流计算方法，在温度较低时用严格的潮流 计算公式的策略来提高计算速度。文献 3 7 提出了种改进的s a 算法，即以当前 最优解作为当前控制温度下的初始当前解；从而构造了一个单调递减的初始当前 解序列；这一改进使算法对参数的依赖减小，而且迸一步降低了计算量， h o n g c h a nc h a n g 等人在文献 3 8 中介绍了一种改进的s a 算法，首先通过多次配 电网重构确定出与系统结构和系统负荷模式相关的初始温度，然后通过改变邻近 开关状态的方法来构造新的配电网结构。d j i a n g 等人。”提出利用模拟退火算法 进行配电网重构和电容器投切的综合优化算法。不仅降低了线损也解决了配电网 重构过程中的电压越限问题。 s a 算法一般可以得到全局最优或全局次最优解。但该方法对参数和退火方案 的依赖性大。计算量大，将其用于配电网重构时需要进行多层次大量的开关交换， 需要进行多次潮流计算及网损估计，因此计算量更大。 1 3 4 3 基于遗传算法的配电网重构算法 遗传算法( g a ) 是以自然基因选择机理为基础的搜索方法，通过模拟基因串 的优者生存及随机交换信息的方法搜索优化方案，在每个新代里，它利用上代最 适合的信息去创造新的合成基因串，它有效利用过去的信息去搜寻新的搜索点， 从而改进搜索操作”“。 1 0 第一童绪诊 g a 结合了目标函数和遗传过程，在配电网重构中，编码的位用来表示开关的 状态，而适应度函数由系统的总线损构成，适应度函数值是遗传算法指导搜索方 向的依据，首先要保证其值不为负，其次目标函数的优化方向应当对应于适应度 值增加的方向。网络重构的目标函数是网损最小，属于最小值优化问题，一般需 加以调整“。 k n a r a 等人“”首先将配电网重构描述为混合整数规划问题，然后用一种简单 遗传算法进行配电网重构。该方法首先随机产生组初始种群，将其中不符合实 际运行约束要求的个体去掉，采用赌轮方法进行选择复制，并用由经验值确定的 交叉率p c 和变异率p f i l 对个体进行交叉和变异操作，由于采用固定的p c 和p m 影 响了遗传算法的性能。m s r i n i v a s 等人“”提出一种随进化进程自适应地改变p c 和p m 的算法，文献 4 1 提出一种模糊遗传算法，即通过模糊规则在线地改变p c 和 p m 的值。提供的算例表明，模糊遗传算法改进了简单遗传算法的性能，提高了收 敛速度，避免了未成熟收敛，文献 2 3 提出部分匹配逆转交叉( p a r t a l l y m a t c h e d r e v e r s i o nc r o s s o v e r ) 法，该方法使得完全相同的2 个父串进行交叉操作也能产 生新的基因组合，在后期种群中的个体单调时，算法仍能跳出局优解，开辟新的搜 索空间。 g a 有以下特点：操作的是参数的编码而不是参数本身。从一群点搜索， 而不是从一点开始搜索，在早代发现优化值的可能性很高，能够快速全局收敛。 使用概率变迁规则而不是确定性规则指导搜索，能处理病态，离散型的优化问 题。具有内在并行计算的特性。当然g a 面临许多问题，如计算速度慢，选取不 同的初始基因串会有不同的优化结果等。 1 3 5 其他的配电网重构算法 文献 4 4 认为传统的电网模型不能反映配电网的特性，提出了一种新的配电 网简化模型，在此模型基础上提出了以负荷均衡为目标函数的配电网重构算法。 该方法简化了配电网模型而又可以利用配电网自动化的量测数据，收敛速度快。 文献 4 5 在对网络中的各联络开关单独闭合后形成的环路之间的关系进行分类， 并确定目标函数的极小点与系统基本邻域结构的对应关系后提出一种新的大规 模三相不平衡配电系统的网络重构算法。r j s a r f i 等人“将分裂理论应用到大 1 1 广东= 业大学工学硕十学位论文 规模配电系统网络重构中，即把一个大规模的配电系统分成几个子系统，分别对 各子系统应用以前的网络重构方法计算，并考虑整个系统的协调，这样就克服了 直接对大规模系统进行网络重构时间长的问题。a b m o r t o n 等人 4 7 将图论用 于配电网重构中，利用寻找最小生成树的方法来确定配电网最优结构。文献 4 8 中作者定义链表来表示配电网中节点之间的关系，便于确定重构中开关操作的变 化，文献 4 9 提出配电网重构的递归虚拟流理论和算法。而j w o h w uy i 等人“” 提出完全基于启发式规则的配电网重构算法。 1 4 本文所完成的工作 由上面的叙述可以知道，对配电网的可靠性规划与重构课题进行研究无论 是在理论上还是在实际上都具有重要的意义。尽管在配电网的可靠性和网络重构 问题是在近几十年才引起人们注意，但在此期间经过许多学者、电力工作者的辛 勤努力和不懈探索，已经取得了令人瞩目的进展，并提出了许多求解算法和数学 模型。但全是单独的研究配电网的可靠性或者是以配电网平衡负荷、消除过载、 降低网损为目标来研究配电网重构问题，以优化配电系统的运行。到目前为止， 还很少见到以提高可靠性为目标函数的配电网重构的模型和算法的报道。因此， 本文在以下几个方面开展了工作： 1 在配电网可靠性规划方面，给出了两种实用配电网可靠性评估方法。一种是 将网络分层和递归算法相结合的配电系统的可靠性评估算法；该算法首先通过对 网络的分层处理，将其等效为树状目录结构，然后通过对树状目录结构的递归遍 历计算系统中各等效节点和负荷点的可靠性参数和系统的可靠性指标，并用v b 语言编程实现了这一算法：一种是运用网络简化的等值法和模糊数学中的区间算 法相结合，提出了一种基于区间算法的可靠性评估新方法。该方法首先利用网络 等值法思想将复杂配电网络进行简化，在简化过程中用运区间运算法则，通过一 次评估即可得到配电系统在最好和最坏情况下的可靠性指标。 2 建立了一个配电网络重构的新模型。本文建立了一个新的配电系统网络重构 模型，该模型综合考虑了运行过程中的网损和可靠性指标两个因素，并设置了可 以随实际研究重点调整而可变的权重系数，通过权重系数大小的调整可以实现不 同目的的网络重构，具有较强的适应性。 3 采用改进的遗传算法对所建立新模型进行了求解。改进的遗传算法是一种基 于环路快速分解的算法，该算法在染色体编码时只需要考虑环路上除电源点和t 第一章绪论 接点以外的节点，比传统遗传算法的染色体长度缩短，并在染色体内根据环路的 不同划分为不同的基因块，各种对染色体的操作只在各基因块内进行即可。这样 的处理使得可行解空间大大变小，提高了运算的速度和效率。 4 对几个i e e e 标准算例和实际算例进行验证，证明所提方法和模型的正确性。 第二章配电系统可靠性评估方法的研究 2 1 引言 配电系统可靠性评估的研究始于上世纪6 0 年代，其起步晚于发电和输电系 统的可靠性研究。随着人们对配电系统在供电可靠性中地位的认识和大量的配电 系统投资，配电系统可靠性的研究得到了迅速的发展。目前，在工业发达国家， 可靠性评估已成为配电系统规划决策中的项常规性工作。在国内，新的电业 生产事故调查规程中已将1 0 k v 用户供电可靠性作为供电企业的考核内容。因 此，提高供电可靠率已成为电力企业的迫切任务，而且对配电系统的可靠性的评 估方法也提出了新的要求。 对于配电系统可靠性评估工作大体可分为两个方面：方面是对现已运行 的配电系统及其主要元件进行可靠性数据统计、分析和评价，即度量系统过去的 性能：另一方面是为了设计、规划和建设新的系统，或者扩大、改造和发展现有 系统时对配电系统进行可靠性评估，即预测系统未来的性能。这两个方面的工作 研究方法和目的虽然不同，但却关系密切。前者是后者的基础和前提，后者又是 前者的深化和发展。本章在介绍配电系统可靠性评估的基础知识上，给出了两种 实用的配电系统可靠性评估方法，并用算例验证了各方法的可行性。 2 2 配电系统可靠性评估基础知识 2 2 1 元件的可靠性参数及其概念 配电系统主要是指i o k v l l o k v 电压等级系统。它是由许多特有的元件所组 成，如：架空线路、配电变压器、电缆、隔离开关、熔断器等元件。为了能够准 确的分析配电系统的可靠性，必须要了解这些元件的可靠性参数和它们的电气特 性。 根据元件的实用情况，可以将元件分为两大类：不可修复元件和可修复元件。 不可修复元件投入使用后，一旦损坏，在技术上就无法修复或者即便可以修复， 在经济上也不划算；可修复元件是指投入使用后，如果损坏，仍能够恢复到原有 的功能而得以再次投入实用，因此可修复元件的寿命流程由交替着的工作和修复 1 4 第二章配电系统可靠性评估方法的研究 周期组成。对于电力系统来说，绝大部分元件是可修复元件，因此本文主要考虑 可修复元件的可靠性问题。 表征可修复元件可靠性的参数一般有故障率、修复率、平均无故障运行时间、 平均修复时间和可用度等。 1 故障率五( t ) 故障率的定义是：元件在t 时刻以前正常工作，t 时刻后单位时间发生故障的 条件概率密度，可用公式表示为： g ( t ) - l i m 。1 - - - f p t t 胡 ( 2 - 1 ) 故障率a ( f ) 越小表示元件在时间间隔 t ，t + a t 内发生故障的概率就越小， 反之越大。元件的稳态故障率兄不难从元件的试验或运行记录中的数据加以统 计得出。 2 修复率( f ) 表明可修复元件故障后修复的难易程度及效果，叫做修复率，通常用a ( t ) 来 表示。它的定义是元件在t 时刻以前未被修复，而在t 时刻以后的单位时间被修复 的条件概率密度，用公式表示为： ( f ) = 牌古尸【f 旦+ a f l ，t ( 2 2 其中是元件的修复时间，显然它是一个随机变量。 3 平均无故障运行时间m t t f & c f = j r ( t ) d t ( 2 3