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华北电力大学硕十学位论文 摘要 城市电网是保证城市运营和发展的最重要的基础市政设施，其应急能力是整个 城市的基本保证。应急电源是城市电网供电系统有效的应急措施之一，论文将供电 可靠性和经济性紧密结合在一起，在一定的供电可靠性和约束条件( 时间约束、容 量约束等) 下，对以总费用最小化为目标的应急电源优化配置模型进行了研究，建 立了基于遗传算法( g a ) 的应急电源优化配置算法，并采用地理信息系统( g i s ) 技术 实现了青岛应急电源的优化配置。本研究有助于提高城市电网的应急能力，有助于城 市电网应对自然和人为的灾害的应急措施的探索。 关键词：应急电源，可靠性，遗传算法，弗洛伊德算法，地理信息系统 a b s t r a c t u r b a ne l e c t r i cn e t w o r kw h i c hg u a r a n t e e st h ec i t y sf u n c t i o na n dd e v e l o p m e n ti st h e m o s t i m p o r t a n tm u n i c i p a li n f r a s t r u c t u r ea n di t sa b i l i t yt om e e tt h ee m e r g e n c yi sab a s i c a s s u r a n c eo ft h ew h o l ec i t y e m e r g e n c yp o w e rs u l ：) p l yi so n eo ft h ee f f e c t i v ee m e r g e n c y m e a s u r e sf o rp o w e rd e l i v e r ys y s t e m t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r st h er e l i a b i l i t y a n de c o n o m i c sa n ds t u d i e st h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fe m e r g e n c yp o w e rs u p p l i e sb a s e d o nc e r t a i nr e l i a b i l i t ya n ds o m ec o n s t r a i n t ss u c ha st i m ea n dc a p a c i t yc o n s t r a i n t ，w i t h m i n i m u mt o t a lc o s ta so b j e c t i v ef u n c t i o n t h i sp a p e rb u i l d so p t i m i z a t i o na r i t h m e t i co f e m e r g e n c yp o w e rs u p p l i e sb a s e do ng e n e t i ca r i t h m e t i ca n db yu s i n gg i sg i v e sr e a l o p t i m i z a t i o n s c h e m eo fe m e r g e n c yp o w e rs u p p l i e si n q i n g d a o t h es t u d yh e l p st o i m p r o v er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dt os t u d ye m e r g e n c ym e a s u r e si nf a c eo fn a t u r a l a n dm a n m a d ed i s a s t e r sf o rp o w e r s y s t e m z h o ul i m e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f m as u x i a k e yw o r d s ：e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，r e l i a b i l i t y ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，f l o y d a l g o r i t h m ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 华北电力大学硕十学位论文 摘要 城市电网是保证城市运营和发展的最重要的基础市政设施，其应急能力是整个 城市的基本保证。应急电源是城市电网供电系统有效的应急措施之一，论文将供电 可靠性和经济性紧密结合在一起，在一定的供电可靠性和约束条件( 时间约束、容 量约束等) 下，对以总费用最小化为目标的应急电源优化配置模型进行了研究，建 立了基于遗传算法( g a ) 的应急电源优化配置算法，并采用地理信息系统( g i s ) 技术 实现了青岛应急电源的优化配置。本研究有助于提高城市电网的应急能力，有助于城 市电网应对自然和人为的灾害的应急措施的探索。 关键词：应急电源，可靠性，遗传算法，弗洛伊德算法，地理信息系统 a b s t r a c t u r b a ne l e c t r i cn e t w o r kw h i c hg u a r a n t e e st h ec i t y sf u n c t i o na n dd e v e l o p m e n ti st h e m o s t - i m p o r t a n tm u n i c i p a li n f r a s t r u c t u r ea n di t sa b i l i t yt om e e tt h ee m e r g e n c yi sab a s i c a s s u r a n c eo ft h ew h o l ec i t y e m e r g e n c yp o w e rs u p p l yi so n co ft h ee f f e c t i v ee m e r g e n c y m e a s u r e sf o rp o w e r d e l i v e r ys y s t e m t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r st h er e l i a b i l i t y a n de c o n o r n i c sa n ds t u d i e st h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fe m e r g e n c yp o w e r s u p p l i e sb a s e d o nc e r t a i nr e l i a b i l i t ya n ds o m ec o n s t r a i n t ss u c ha st i m ea n dc a p a c i t yc o n s t r a i n t ，w i t h m i n i m u mt o t a lc o s ta so b j e c t i v ef u n c t i o n t h i sp a p e rb u i l d so p t i m i z a t i o na r i t h m e t i co f e m e r g e n c yp o w e rs u p p l i e sb a s e do ng e n e t i ca r i t h m e t i ca n db yu s i n gg i sg i v e sr e a l o p t i m i z a t i o n s c h e m eo fe m e r g e n c yp o w e rs u p p l i e si n q i n g d a o t h es t u d yh e l p st o i m p r o v er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dt os t u d ye m e r g e n c ym e a s u r e si nf a c eo fn a t u r a l a n dm a n m a d ed i s a s t e r sf o rp o w e rs y s t e m z h o ul i m e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f m as u x i a k e yw o r d s ：e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，r e l i a b i l i t y ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，f l o y d a l g o r i t h m ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 声明 y8 6 7 9 4 8 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 的供电应急系统研究，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l 虱堑堑日期：垄! ! ：墨： 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土发表、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： ! 虱盈堑 日期：z 口口6 孑 导师签名：驻 日期：垒查：i ：f 华北电力人学硕+ 学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 基于g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的供电应急系统研究是国家电网公 司的重点项目城市电网应急处理系统的研究的子课题，主要研究内容为基于g i s 的城市电网重要用户的应急电源优化配置。这罩的应急电源主要是指移动发电车。 近年来，全世界范围内的电网发生了许多大面积停电故障。2 0 0 3 年8 月1 4 日， 美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电，震惊全世界。随后，英国、 澳大利亚、马来西亚、芬兰、丹麦、瑞典和意大利等国又相继发生了较大面积停电 事故。 这些大停电事故给社会和经济带来了巨大的损失。以美、加大停电为例，停电 波及了美国的八个州和加拿大的两个省，受影响居民达5 0 0 0 万，损失负荷量 6 1 8 0 0 m w ，每天经济损失约3 0 0 亿美元【1 1 。 我国历史上也曾发生过几次电网大停电事故。对这种大面积停电事故，很难依 靠电力系统本身的倒供措施恢复供电，所以停电时间一般较长。这样，整个社会就 陷入了瘫痪状态，一些小负荷重要用户( 例如医院，政府机构等) 的停电还可能造 成重大的政治影响或经济损失，有的可能危及人的生命。 同时，随着社会的信息化和现代化发展，用户对供电的可靠性要求越来越高 大型建筑，如机场、车站、会展中心、体育馆、政府机构办公楼及高层建筑等，一 旦供电系统突然发生故障而中断供电，也会破坏社会正常的生活秩序，造成重大的 政治影响或经济损失。 总之，建设一个可靠和具有应变能力的城市电网方有可能经受内、外部破坏因 素的考验，但是电力设备数量巨大，更新和配置需要巨额投资，如果考虑城市电网 的防灾能力，更需要巨额投资。但是即使供电企业对电网投资非常大，其供电可靠 性也不可能达到1 0 0 ，也就是说，在某种程度上必然存在供电危机。一旦发生供 电危机，将会造成巨大的社会和经济损失。 为满足重要用户的用电可靠性要求，减少重要用户的停电损失，提高网络的供 电可靠性和应急能力，必须考虑电网规划改造的投资与应急电源配置投资之间的平 衡问题。因此，供电企业必须考虑配置应急电源，某些重要用户在供电可靠性和供 电企业的应急电源均不能满足要求时还应考虑配置自备电源。高层民用建筑设计 防火规范和民用建筑电气设计规范就严格规定：“一级负荷应有两个电源供 电，当一个电源发生故障目，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中，除上 华北电力人学硕十学何论文 述两个特别重要的电源外，还必须增设应急电源 2 , 3 1 。 由于目前应急电源( 移动发电车) 的造价也比较昂贵，我国分区供电所配置应 急电源的数量较少。因此，在这种情况下，综合考虑新增应急电源的投资费用，重 要用户的停电损失费用和应急电源的运行和维护费用，提出一个使总费用最小的新 增应急电源优化配置方案是一项亟待解决的问题，并具有重要的现实意义。 2 0 0 5 年1 月2 6 同，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，听取国家突 发公共事件应急预案编制工作汇报，审议并原则通过了国家突发公共事件总体应 急预案【“。它是全国应急预案体系的总纲，规定了国务院应对重大突发公共事件 的工作原则、组织体系和运行机制，对于指导地方各级政府和各部门有效处置突发 公共事件，保障公众生命财产安全，减少灾害损失，具有重要作用。城市供电系统 应急是突发公共事件应急的重要组成部分，应急电源是供电系统有效的应急措施之 一，因此在这个大背景下研究基于g i s 的应急电源的优化配置具有非常重要的现实 意义。 城市电网的应急处理机制和应急处理系统的建立，对于城市社会生活的正常进 行，具有重要的保障作用。应急电源的有效配置，为供电系统架起了最后一道防线， 从而有效地减少用户的停电损失，维持社会正常的生活秩序。本研究有助于提高城 市电网的应急能力，为配置应急电源提供一个最优方案，从而提高供电可靠性，保 证电力系统在自然和人为的灾害面前有预防和应急措旌，将停电后的损失减少到最 低程度。 1 2 国内外研究现状 1 21 国外供电应急系统研究现状 世界上一些发达国家都比较重视城市供电应急系统并且丌展了些研究工作， 但他们的研究旨在提高城市电网的可靠性，并提出一个合理的、能够把自然灾害( 海 啸、地震等) 造成的损失减到最小的城市电网改造方案 5 t 。如r 本国家科技署于1 9 9 9 年设立了都市灾害危险与评估的研究项目，与环太平洋国家a p e c ( a s i a p a c i f i c e c o n o m i cc o o p e r a t i o n ) 的科研机构进行了全方位的合作，主要针对减轻地震和海啸 灾害技术。 同本电力中央研究所对城市电网的地震危险性进行了研究，目标是可靠性和经 济性，提出一种能够将地震损失减到晟小的城市电网改造方案。美国e p r i ( e l e c t r i c p o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 也有进行类似的研究。国外一些多地震国家，已开始重视 地震危险性评估的研究。同本1 9 8 0 年公布的新标准规定对1 7 0 k v 以下的电网的抗 震等级与1 7 0 k v 以上电网相同，但是，按这个新标准全部更换城市电网的电力设备 华北电力人学硕士学位论文 在经济和人力上都行不通。近几年的地震中，那些尚未更换的、采用旧标准的设备 受到了严重破坏。 因此，只考虑改造电网有时在经济和人力上都行不通，只考虑大的自然灾害也 是不够的，因为人为事故或设备故障比大自然灾害的发生频率更高，造成的停电损 失也不小。因此，从可靠性和经济性角度出发，必须考虑电网规划改造的投资与应 急电源配置投资之间的平衡问题，也就是考虑配置应急电源( 如移动发电车、分散 电源等) 问题。 目前国外发达国家使用移动发电车较频繁，但对其优化配置的理论研究较少， 因此，在我国较大规模配置移动发电车之前进行这方面的理论研究就非常必要了。 1 2 2 我国供电应急系统研究现状 中国电力科学研究院作为e q t a p ( t h ed e v e l o p m e n to f e a r t h q u a k ea n dt s u n a m i d i s a s t e rm i t i g a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h e i ri n t e g r a t i o nf o rt h ea s i a p a c i f i cr e g i o n ) 项 目中城市电力系统防灾减灾的合作研究成员，为发展中国家的城市电力系统的防灾 减灾的研究提出了自己的建议和研究成果。他们认为，在城市电网规划建设扩展的 同时考虑防灾减灾的因素可以提高可靠性，从而更有效地利用投资。 我国大部分分区供电所基本上没有应急电源，也没有应急电源优化配置方面的 理论研究，但g i s 已经广泛地应用于电力系统，包括输变电g i s 系统、配电g i s 系 统、客户服务中心g i s 系统、移动抢修g i s 系统。它们对供电应急g i s 系统的研究 提供了可借鉴的经验。武汉大学遥感信息工程学院的王建鹏和马吉葶在基于g i s 的城市应急系统研究中介绍了当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域，然 后对g i s 软件业界的现状进行详细分析。中国地震局工程力学研究所的温瑞智在 g i s 的防震减灾信息系统一例中介绍了g i s 在防震减灾领域的一个应用实例， 讨论了舫震减灾信息的管理及在震害预测、震后应急反应中的应用，探讨了g i s 在 防震减灾领域进一步应用的发展方向。 本研究还参考了国家有关法律、法规和政策，以及电力行业有关规程、标准， 如国家突发公共事件总体应急预案、国家处置电网大面积停电事件应急预案、 国家电网公司重特大生产安全事故预防与应急处理暂行规定( 国家电网生 2 0 0 3 3 8 9 号) 、国家电网公司大面积停电应急预案( 试行) 、城区电力系统突发 事件应急预案编制导则。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 应急电源和分散电源简介 1 3 1 应急电源简介 应急电源是消防应急照明、消防设施、消防控制中心或其它一级负荷、特别重 要负荷供电的应急电源装置。一般情况是作为消防或生产在紧急情况下使用的电 源，在电网突然发生中断仍然能保持正常供电。例如在高层建筑、商场、医院、地 下防空工程等地方人多、出口少、自然光源有限，一旦出现火灾或电网受到破坏的 时候，光源消失一片漆黑，同时人多出口少，带来的后果将不堪设想。同时消防队 伍会因为缺少电源供应而无法施展救助工作，更加重了灾害的程度。如果拥有应急 电源，将会极大地减少损失，因此应急电源对现代社会的安全发挥越来越重要的作 用。 常用的应急电源可有下列几种： ( 1 ) 独立于正常电源的发电机组，如移动发电车。其作用是给某些没有第二路 供电的场合或用户提供一个临时的应急的第二路供电；对某些天灾，人祸造成的 突发性断电事故提供一个紧急的应急供电措施；对电网改造与检修中某些用户不 能停电的设备提供一种应急供电服务：对电网范围之外的场合提供临时供电服 务。 ( 2 ) 供电网络中有效地独立于f 常电源的专门供电线路，即电网供电时采用两路 独立的电源，若主供电线路停电，则由备用线路供电，采用这种方式虽然简单、可 靠，但供电线路复杂。当发生大面积停电事故时，两路电源均可能发生停电事故。 供电线路的容量一般为几 1 w 到几十m w 。 ( s ) u p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) ，可使负载“万无一失”，但u p s 造价昂贵， 特别是在线式u p s 。事实上，u p s 广泛应用于信息类负荷，不适合应急、事故照明 等场合。小型u p s 的容量一般为几百w 到几k v a ，少量大型u p s 的容量虽高可达 5 0 0 k v a 。 ( 4 ) 分散电源( 见1 3 2 节分散电源简介) 。 我们这罩研究的应急电源主要是移动发电车。移动发电车有很强的机动性和环 境适应性，可对灾难性事故即时响应。用作区域性支援时，能有效避免或降低事故 所造成的影响。同时，移动发电车能以8 0 t 0 0 公里的时速赶赴事故现场，及时保 证电力供给，因而适合应急使用。移动发电车的容量一般为1 0 2 5 0 0 k v a ，持续运 行时间l 2 5 小时，有的可高达4 8 小时。移动发电车相当于变电站，可供一定范围 内的部分用户。 由于移动发电车的电压和容量限制，因此移动发电车只能出救中、低压用户， 对高压用户可以采取分散电源或网络操作的办法。 华北电力大学硕十学位论文 1 32 分散电源简介 分散电源指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组( 容量一般小 于8 m w ) ，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两 个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池，小型燃气轮机，或燃气轮机与燃料电 池的混合装置。由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。技术的笈展，公共 环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分散发电成为新世纪重要的能 源选择hj 。 通过分散发电和集中供电系统的配合应用有以下优点f 9 】： ( 1 ) 分散发电系统中各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模 停电事故，所以安全可靠性比较高； ( 2 ) 分散发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电， 已成为集中供电方式不可缺少的重要补充； ( 3 ) 可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区， 发展中的中、小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力； ( 4 ) 分散发电的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避免附加 的输配电成本，同时土建和安装成本低； ( 5 ) 可咀满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的( 处于热备用状态的) 移 动分散发电车； ( 6 ) 调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自 盂f 】。 1 4 地理信息系统( g i s ) 技术的应用 地理信息系统是以计算机图形图像处理、数摒库技术、测绘遥感技术及现代数 学研究方法为基础，集空间r 地理) 数据和应用数据于一体的综合空间信息系统【1 ”。 它是实现信息图形化的有力工具。无论企业管理还是居民生活，都离不丌空间信息， g i s 的应用已渗透到社会活动的每一个细节。建立高效，覆盖全社会的公用空间网 络系统；提供全面、准确、翔实的空间数据服务，已成为社会发展的迫切需要。 网络模型中的最短路径问题是许多领域中选择最优问题的基础，在交通网络分 析系统中占有重要的地位，。但传统的最短路径算法在实现最短路径时，仅提供了最 短路径的路径信息，不能有效地将路径信息和路径图形连接在一起，以至缺少了信 息的直观性。地理信息系统解决了信息直观性方面的缺陷，它将信息和图形有机地 结合在一起，为信息的传送提供了更加有效的途径i l ”。论文采用g i s 实现了分区供 电所到重要用户的晟短路径分析。 华北电力大学硕士学位论文 不论是分区供电所、重要用户，还是分散电源，它们都分仰在地理空间上，既 有空间数掘又有非空间数据，因此不采用图形化的方式很难直观地表示它们之间的 位置关系，g i s 就很好地解决了这个问题。因为g i s 图既是存储信息的载体，又是 表达信息的形式。 在计算机上，存储信息和表达信息的功能被割离开来，2 前者以数据方式存储起 来，后者用图形、图象、文字的方式来显示。在地理信息系统中，通常用“层”的 概念来分别存储不同专题的空间信息。每一层存放一种专题或一类信息，并有一组 对应的数据文件。各个图层可以单独操作也可以同时对几个图层一起操作。 本系统的开发环境为d e l p h i 7 0 + m a p x ，m a p x 是m a p l n f o 公司提供的一个用来 开发地理信息系统的a c t i v e x 控件，用户可以方便地将m a p x 集成到新的或己有的 应用中。同时m a p x 提供了一个流线化的对象模型，大量的方法和事件，高效的属 性页和默认值，以及其他向导，来帮助简化应用开发。园其灵活的开发方式、强大 的地图操作功能，m a p x 已成为目前国内主流的g i s 开发工具之 。 1 5 论文的主要内容和工作流程 基于g i s 的供电应急系统研究，充分考虑现有分散电源的分御情况，从各分区 供电所应急电源的容量配置现状和重要用户的应急电源需求情况出发，建立了在当 前设防条件下使总费用( 包括新增应急电源的投资费用，用户的停电损失和应急电 源的运行和维护费用) 最小的应急一电源的优化配罨模型，即按照目前已生产的移动 发电车的容量级别，确定每个分区供电所应配置的移动发电车的台数和容量。从图 1 1 可以看出，系统的可靠性越高，应急电源的投资费用也就越高，用户的停电损 失岜就越小，因此总能找到个最优点，使两者的费用之和最小。 成本 ( 元) 图1 - 1 成本与可靠性分析 然后，基于应急电源优化配置结果，分两种情况建立了停电事故中出救重要用 6 华北电力大学硕+ 学位论文 户的模型，并采用遗传算法求解。最后以青岛为案例，采用d e l p h i 和a c c e s s 数据 库，并嵌入m a p x 控件，在g i s 图上动态模拟青岛应急电源的优化配置方案。 总之，论文的具体工作内容如下： ( 1 ) 分析分区供电所和重要用户的基本现状； ( 2 ) 提出采用分散电源和应急电源提供应急的思路； ( 3 ) 建立使总费用最小的应急电源优化配置模型； ( 4 ) 建立停电事故中出救重要用户的两种模型； ( 5 ) 采用遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 求解应急电源优化配置模型和出救 重要用户的模型； ( 6 ) 采用g i s 实现基于弗洛伊德算法的最短路径分析； ( 7 ) 给出青岛应急电源优化配置的实际方案。 论文研究工作的主要流程如图1 2 所示： i 一面弧一扩万一 士 建立庸急电源优化配置模型 提出求解配置模型的算法 一 建立出救重要用广的模型 提出求解出救模型的算法 实际算例分析 + 基于g i s 的软件实现 图1 - 2 论文的 _ 作流程图 华北电力火学硕七学位论文 第二章研究中使用的算法及工具 2 1 最短路径算法 2 1 1 弗洛伊德算法的主要思想 弗洛伊德( f l o y d ) 算法能够求得每一对顶点之间的最短路径，其基本思想是：假 设从顶点v i 到v j 的最短路径。若从v i 到v j 有弧，则从v i 到v j 存在条长度为 c o s t i , j 的路径，该路径不一定是最短路径，尚需进行n 次试探。 v 2v 图2 1 示例图 如图2 - 1 所示，首先考虑路径( v j ，v 1 ，v j ) 是否存在( 即判别弧( v j ，v 1 ) 和弧( v l ，v j ) 是否存在) 。如果存在，则比较( v i ，v j ) 和( v i ，v 1 ，v j ) 的路径长度，较短者为从v i 到v j 的中点顶点的序号不大于1 的最短路径。假如在路径上再增加一个顶点v 2 ，也就是 说，若( v j ，v 2 ) 和( v 2 ，v j ) 分别是当前找到的中间顶点的序号不大于l 的最短路 径，那么( v i ，v 2 ，v j ) 就有可能是从v i 到v j 的中间顶点的序号不大于2 的最短 路径。将它和已经得到的从v i 到v j 的中间顶点的序号不大于1 的最短路径相比较， 从中选出中间顶点的序号不大于2 的最短路径之后，再增加一个顶点v 3 ，继续进行 试探。依次类推，在经过n 次比较之后，最后求得的必是从v i 到的最短路径。 按此方法，可同时求得各对顶点问的最短路径。 总之，以上基本思想可以简单地概括为以下几点： ( 1 ) 假设用相邻矩阵c o s t 表示圈，f l o y d 算法递推地产生一个矩阵序列c o s tf o 、， c o s t ( 1 ) ，4 c o s t ( k ) ，c o s t ( n ) ； ( 2 ) c o s t ( k ) 阻j 挎于从顶点v i 到顶点中间顶点序号不大于k 的最短路径长度； ( 3 ) 假设已求得矩阵c o s t ( k - 1 ) ，那么从顶点v i 到顶点v j 中问顶点的序号不大于 k 的最短路径有两种情况： a 中间不经过顶点v k ，那么就有 c o s t ( k ) 【i ，j 】- c o s t ( k 一1 ) 【j ，j 】 b ，中间经过项点v k ，那么 c o s t ( k ) mj c o s t ( k - 1 ) f i ，j ， 华北电力大学硕十学位论文 且c o s t ( k ) 【i ，j = c o s t ( k - 1 ) i ，k + c o s t ( k - 1 ) 【k ，j 由此可见，算法共需3 层循坏，总的时间复杂度是o ( n 3 ) 。 2 1 2 弗洛伊德算法与其他算法的差别 弗洛伊德算法与迪杰斯特拉算法以及矩阵算法的差别如表2 一l 所示。 表2 - i 三种算法的差别 4 注：若要求出各对顶点间的最短路径，迪杰斯特拉算法的时间复杂度也是o ( n 3 ) 2 2 遗传算法 2 2 1 遗传算法原理 遗传算法( o a ) 是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的种自适 应全局优化概率搜索算法，由美国j h o l l a n d 教授提出 1 6 】。与其它一些优化算法相比， 它主要有下述几个特点： ( 1 ) 遗传算法以决簧变量的编码作为运算对象。传统的优化算法往往直接利用 决策变量的实际值来进行优化计算，但遗传算法不是直接以决策变量的值，而是以 决策变量的某种形式的编码为运算对象。 ( 2 ) 遗传算法直接以目标函数值作为搜索信息。传统的优化算法不仅需要利用 目标函数值，而且往往需要目标函数的导数值等其它一些辅助信息才能确定搜索方 向。而遗传算法仅使用由目标函数值变换来的适应度函数值，就可确定进步的搜 索方向和搜索范围，无需目标函数的导数值等其它一些辅助信息。 ( 3 ) 遗传算法同时使用多个搜索点的搜索信息。传统的优化算法往往是从解空 f 日j 中的一个初始点开始最优解的迭代搜索过程，但单个搜索点所提供的搜索信息毕 竟不多，所以搜索效率不高，有时甚至使搜索过程陷于局部最优解而停滞不前。而 遗传算法则是从由很多个体所组成的一个初始群体开始最优解的搜索过程，而不是 从一个单一的个体开始搜索。 ( 4 ) 遗传算法使用概率搜索技术。很多传统的优化算法往往使用的是确定性的 搜索方法，这种确定性往往也有可能使得搜索永远达不到最优点，因而也限制了算 法的应用范围。而遗传算法属于一种自适应概率搜索技术，其选择、交叉、变异等 9 华北电力大学硕七学缱论文 运算都是以一种概率的方式来进行的，从而增加了其搜索过程的灵活性。 遗传算法因其简单通用，鲁棒性强，适于并行处理，在计算机科学、优化调度、 运输问题、组合优化等领域都已有应用。由于该算法采用随机选择，对搜索空i l 白j 无 特殊要求，无需求导，具有运算简单、收敛速度快等优点，尤其适用于处理传统搜 索方法难于解决的复杂和非线性的问题， 2 2 2 遗传算法的基本操作 g a 实际上是一种群体型操作，该操作以群体中的所有个体为对象，其中每个 个体对应研究问题的一个解。遗传算法从任一初始群体出发，通过选择 ( s e l e c t i o n ) 、交叉( c r o s s o v e r ) 和变异( m u r a t i o n ) 等遗传操作，使群体一代一代 地进化到搜索空间中越来越好的区域1 1 7 j 。 选择是指从种群中选择优良的个体并淘汰劣质个体的操作。选择操作的目的是 从当前群体中选出优照的个体，使它们直接复制到下一代或通过交叉产生新的个体 再遗传到下一代。判断个体优良与否的标准就是个体的适配度值。选择操作的原则 就是达尔文的优胜劣汰、适者生存的原则，个体适配度越高，其被选择的机会越多。 交叉或基因重组是结合来自父代交配种群中的信息产生新的个体。重组的目的 是为了能够在下一代产生新的个体，就像人类社会的婚姻过程，通过重组交叉操作， 遗传算法的搜索能力得以飞跃地提高。基因重组和交叉是遗传算法获得新优良个体 的重要手段。 重组之后是子代的变异，子个体变量以很小的概率或步长产生转变，变量转变 的概率或步长与维数( 即变量的个数) 成反比，与种群的大小无关。变异本身是一 种局部随机搜索，与选择重组算子结合在一起，保证了遗传算法的有效性，使遗 传算法具有局部的随机搜索能力；同时使得遗传算法保持种群的多样性，以防止出 现非成熟收敛。 选择，交叉和变异是遗传算法的三个主要算子，他们构成了遗传算法的主要操 作，使遗传算法具有了其它传统方法所没有的特性。选择算子和交叉算子决定了遗 传算法的搜索能力，变异算子则保证了算法能够搜索到问题空间的每一个点，从而 使其具有搜索全局最优的能力。遗传算法中包含了如下五个基本要素：( 1 ) 参数编码， ( 2 ) 初始群体的设置，( 3 ) 适应度函数的设计，( 4 ) 遗传操作设计，( 5 ) 控制参数设定，这 个五个要素构成可遗传算法的核心内容扯“。 2 2 3 遗传算法的一般流程 遗传算法的一般流程如图2 2 所示： 华北电力人警硕士学位论文 图2 2 遗传算法的流程图 第一步，随机产生初始种群，个体数目一定，每个个体表示为染色体的基因编 码： 第二步，计算个体的适应度，并判断是否符合优化准则，若符合，输出最佳个 体及其代表的最优解，并结束计算；否则转向第三步； 第三步，依据适应度选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度 低的个体可能被淘汰； 第四步，按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的个体； 第五步，按照一定的变异概率和变异方法，生成新的个体： 第六步，由交叉和变异产生新一代的种群，返回到第二步。 遗传算法中的优化准则，一般依据问题的不同有不同的确定方式。例如，可以 采用以下的准则之作为判断条件m ： ( 1 ) 种群中个体的最大适应度超过预先设定值； ( 2 ) 种群中个体的平均适应度超过预先设定值； ( 3 ) 世代数超过预先设定值。 2 3 基于m a p x 的地理信息系统开发方法 2 3 1g i s 的建模原理 地理信息系统( g i s ) 是一种对与地理空间分布相关的信息进行采集、存储、管 理、分析和再现的决策支持系统，具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其它 信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位黄及与其 有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。总的来说，地理信息系统具有以下 华北电力大学硕士学侮论文 三个方面的特征： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性： ( 2 ) 由计算机系统支持进行空问地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专 门的地理分析方法，作用于空问数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； ( 3 ) 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能快 速、精确、综合地对复杂地地理系统进行空间定位和过程动态分析。 地理信息系统中最重要部分就是空间数据。空间数据能够有效地表达空间位置 信息和属性数据，而g i s 空间数据库是对空间数据合理存放的一个集合，在此基础 上开发的空间数据库管理系统能有效地提供空间查询和分析，为供电应急系统提供 有力的辅助手段，可以使供电应急更具实际意义。 2 3 2m a p x 的基本特点 i 图层化 m a p x 是按图层组织地图的，也就是说，将一幅计算机地图加工成多个层叠加 的透明匿层，每个图层包含了整个地图的一个不同方面，见图2 - 3 。为了便于对圈 层进行编辑和管理，可以通过控制图层集合( l a y e r s ) 对象来协调处理各图层的关系。 ， # ，。 乏巡 图2 3 地图图层化 地图中的所有图层组成图层集合。要在m a p x 中进行增加、删除或改变图层等搡作， 必须通过图层集合。每个地图对象都包含一个图层集合，图层集合又是由图层对象( l a y e r 、 组成的，因此通过图层集合可以访问地图中各个图层。m a p x 是通过图层集合来控制地 图的。 2 数据绑定 每个地图都有一个数据集( d a t a s e t s ) 。通过数据集合可以将用户的属性数据与 地图空间数据连接起来。数据绑定是将外部数据引入m a p x 的过程。外部数据可以 是多种类型的数据库。数据绑定后可以在地图上以图元浏览数据或基于这些数据创 建专题渲染地图。 1 2 华北电力大学硕十学位论- 文 3 特征集合与特征查找 在m a p x 中，地图由图层组成，图层又是由地图特征组成。通常每个图层中只 包含种类型的特征。例如，图层1 包含的是点特征；图层2 包含的是线特征；图 层3 包含的是区域特征。在m a p x 中，一个图层中的所有特征构成了一个特征集合 f f e a t u r e s ) 。其中每个图元就是一个特征对象( ( f e a t u r e ) ，图层对象( l a y e r ) 的许多方法 返回该图层的特征集合。可以通过图层的查找属性( f i n d ) 搜索定位地理特征如线、 符号或区域特征。为了能够使用该方法，必须使查找图层的m a p i n f o 表中存在一个 索引字段。 4 m a p x ，的模型结构 m a p x 组件的基本组成单元是单个对象( o b j e c t ) 和集合( c o l l e c t i o n ) 。其中集合包 括对象，是多个对象的组合。每种对缘和集合负责处理地图某一方面功能。在m a p x 的模型结构中，m a p 对象存在于最顶端，每个m a p x 的对象、属性和方法都衍生 于m a p 对象。每个在m a p 对象之下的属性和方法都会对生成整个m a p 对象有所影 向。主要是由d a t a s e t s ，l a y e r s ，a n n o t a t i o n s 对象定义每一个m a p 对象。其中l a y e r s 主要用于操作地图的图层，d a t a s e t s 用于访问空间数据表，a n n o t a t i o n s 用于在地图 上增加文本和符号。 2 3 3 开发方法 1 用m a p x 进行二次开发的优势 在进行g t s 软件的二次开发时，由于g i s 支撑软件( 例如m a p i n f o ) 功能强大 而全，故其程序庞大，而开发出的应用程序又须在该环境运行，每次运行都启动一 个庞大的g i s 支撑软件，而其功能都不是需要的，对系统资源的浪费不占而喻；其 次由于开发g i s 支撑软件的公司一般熟悉g i s ，而二次开发工具非其所长，故附带 开发工具一般开发效率不高，功能也不强，难以开发出界面友好而又功能强大的应 用程序。所以开发人员希望可以在他们熟悉的坏境中工作，最终用户可以通过他们 熟悉的应用程序来访问地图数据1 2 “。 2 开发方法 m a p x 是m a p i n f o 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的a c t i v e x 控件产 品。由于m a p x 是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准组件，能支持大多数标准的可 视化开发环境，如v i s u a l b a s i c 、v i s u a l c + + 、d e l p h i 等。所以可以运用以上专业开发 工具，将地图功能引入其中，开发出能独立运行的g i s 应用软件，而后台对地图数 据的处理依然采用m a p i n f o 等g i s 支撑软件。它们之间的结合方式采用对象连接与 嵌入o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 式或组件式对象模型c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) 方式，图2 4 清楚的说明了这一方法。这样的地理信息系统应用软件 也称为组件式地理信息系统( c o m g i s ) ，它是面向对象技术和组件式软件在g i s 开 13 华北电力大学硕士学位论文 发中的应用。c o m g i s 的基本思想是把g i s 的各主要功能模块划分成几个组件，每 个组件完成不同的功能。各个g i s 组件之间，阻及g i s 组件与其它非g 1 s 组件之间 可方便的通过可视化软件开发工具集成起来，实现最终的g i s 应用。 竺竺竺竺兰! 竺塑竺竺 臣壅碉 匪茎 匪茎 图2 4 g i s 组件开发方法 m a p x 组件具有强大的地图分析功能，可以实现m a p i n f o 中的绝大部分地图编 辑和空间分析功能，因此m a p x 是二次开发g i s 软件的理想控件。 1 4 华北电力大学硕十学位论文 第三章分散电源在供电应急中的作用 3 1 应急电源在供电应急中的应用现状 应急电源e p s ( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ) 已被广泛应用于建筑电气领域和特 殊应急供电场合。随着社会发展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力。突然的 断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响，尤其是对于生产、生活中特别 重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的经济损