（电力电子与电力传动专业论文）广丰县配电网网络重构研究.pdf

a b s t r a c t w i mt 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 ym a dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i f e ，e l e c t r i cp o w e rr e q u i r e dm o r ea n dm o r e ，w h i c hm a k e se l e c t r i ci n d u s t r y g r o wf a s ta n de l e c t r i cn e t w o r ke x p a n dq u i c k l y b e c a u s et r a d i t i o n a lt e c h n i q u ea n d m a n a g e m e n tm e a n sc a l l l ta l r e a d ya d a p tt ot h en e ws i t u a t i o n ，t h en e wt e c h n i q u em u s t b e u s e d p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mr e c o n f i g u r a t i o ni so n eo ft h em a j o rw a y st or e d u c e n e t w o r kl o s s e sa n di m p r o v er e l i a b i l i t y i ta l s oi so n eo f t h ep r i m a r yf u n c t i o n so f d m s n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni sam u l t i - o b j e c t i v en o n l i n e a rc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o n p r o b l e m a so n ep a r to f t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f r e c o n f i g u r a t i o n i su n f o r t u n a t e l yv e r ys l o w b a s e do nt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so fp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si ng u a n g f e n g c o u n t y , an e wa l g o r i t h mw i t hw h i c ha l lk i n d so fo p e r a t i o nr e s t r i c t i o n sa r et a k e ni n t o a c c o u n ti sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r , s u c ha sa u t o m a t i o nl e v e lo ft h el o c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，t h em a x i m u mt i m eo fs w i t c ha n de c o n o m i ct a r g e tf u n c t i o n s t h ea l g o r i t h m i n c l u d e st h ei d e a so fi m p r o v e db r a n c hi n t e r c h a n g ea n ds t r u c t u r ev a r i a b l ed i s s i p a t e d n e t w o r k s o m ep r a c t i c a lo p e r a t i o nr e s t r i c t i o n sa r ec a l c u l a t e dt o o t h ep r o g r a mi sd e s i g n e du s i n gv b a tl a s t ，t h ee x a m p l e so ft y p i c a lm o d e l sa n d t r u ee x a m p l eo fg u a n g f e n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r ec a l c u l a t e dt o i l l u s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dw h i c hs h o w nt h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t y o ft h e p r o p o s e da p p r o a c h k e y w o r d s ：n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ，i m p r o v e db r a n c hi n t e r c h a n g e ，s t r u c t u r ev a r i a b l e d i s s i p a t e dn e t w o r k 独创性声明 爱7 9 0 0 8 9 本人声明所呈交的学位论文足奉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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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谢意。 学位论文储签名：同传 签字日期2 。心6 月心、r j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学 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。本人授权南昌大学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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇罔岛 导师签国伸1 厂 签字同期： 2 0 0 5 年6 月心同 签字同期： 2 0 0 歹年，月( ) 日 学位论文作者毕业后去向：衢州 工作单位：衢州学院 通讯地址：浙汀省衢州市衢州学院 电话：1 3 8 7 0 0 7 1 5 7 2 邮编：3 2 4 0 0 0 1 1 电网概速 第一章绪论 第一节配电自动化概述 配电网是由变电所、配电线路和配电变压器组成的一个网络结构，其作用是 将电力分配到各类用户。配电网的主要特征有：地域比较集中、电压等级比较低、 网络结构复杂等。 配电网按照电压可分为高压、中压和低压配电网，但是其功能一样都是分配 电能。本课题所涉及的配电网主要是指3 5 k v 以下电压等级的网络。配电网管理 的对象包括变电站、开关所、线路( 包括电缆) 、杆塔、变压器、丌关和刀闸等 设备，以及连接在变压器上的各类用户。 1 2 配电自动化的内容 配电自动化包括以s c a d g i s p a s 的一体化、以u n i x 和n t 跨平台技术 为特征的配电主站系统、综合s d h 数据通信网、光纤、载波及无线等混合通信 方式、覆盖面大和节点众多的通信系统，以及计量、监测、控制、保护和补偿等 多种功能的分散安装的大量终端设备。其目的是提高配电网的供电可靠性、改进 电能质量、提供优质服务、降低运行费用及减轻运行人员的劳动强度。 配电自动化系统可分为二三部分：主站系统、监控终端部分和通信信道。整个 系统图如图( 1 1 1 所示。 1 3 配电自动化的发展历史及现状 为了解决电力供应中的瓶颈问题，提高供电可靠性和供电质量，城网改造和配 电自动化工作正在电力行业逐步展丌。1 9 9 9 年，国家电力公司提出，配电自动化的 总目标是在1 0 年或更长一点的时间内，分区域和分步骤地使我国城市1 0 k v 配电 网的运行管理基本实现现代化的目标，安全经济运行和供电服务水平上一个新台 阶。 图1 1 在配电系统自动化设计导则中，对配电自动化给出了很确切的定义，即： “利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配 电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系 统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电和配 电管理的现代化”。 国内对配电自动化技术的研究开发情况如下：上海市东供电局已在l o k v 出 线上用我国自己研制的故障指示器、重合器和带自动操作机构的环网丌关，实现 了自动隔离故障和恢复供电；北京供电局已在部分l o k v 线路上安装柱上自动分 段器，与变电站站内重合闸相配合，构成故障自动隔离系统；重庆电业局已在配 网线路上安装了一千_ 二百余台负荷控制装置，实现了负荷监控；而山东、南京、 和深圳等地区的多家科研单位在配电网监控系统，通讯系统以及负荷控制方面作 出了深入研究，并已经丌始了试点工程。我国的l o k v 中压配电线得到了大面积 的改造，采用大截面的优质导线，大幅度降低了线损，改善了配电网架。随着配 电自动化的越来越受到重视，在配电方面的投资力度越来越大。 而对比国外的情况，早在5 0 年代初期就有不少国家利用重合器、分段器和 环网开关柜等设备在配电网中实现故障控制。目前的水平是已将配电网的检测计 量、故障探测定位、自动控制、规划和数据管理统计集为一体，出现了配电网自 动化方案。 特别是美国和f 本，配电自动化已经发展到较高阶段。国外的配电自动化系 统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负 荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统，其功能已多达1 4 0 余种。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。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。例如，r 本在8 0 年代送配 电损耗约为5 ，日本全国9 家电力公司的4 1 6 1 0 条配电线中已有3 5 9 8 3 条( 占 8 6 5 ) 实现了故障后的按时限自动顺序送电，其中2 7 8 8 条( 占6 7 ) 实现了 配电线开关( 柱上开关) 的远方监视；新加坡公用电力局( p u b ) 在2 0 世纪8 0 年 代中期投运并在2 0 实际9 0 年代加以发展和完善的大型配电网的s c a d a 系统， 其规模最初覆盖其2 2 k v 配电网的1 3 3 0 个配电站，目前已将网络管理功能扩展到 6 ，6 k v 配电网，进而覆盖约4 0 0 0 个配电站；芬兰“e s p o os a h k o ”电力配电公司 的配电自动化覆盖了该公司的8 5 0 0 0 个用户，其中有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 馈电线和1 4 0 0 个2 0 0 4 k v 的配电变电站。 目前国外此项研究研究技术已基本成熟，已有很多成型的产品。如德国西门 子公司、法国施奈德公司、美国c o o p e r 公司，、摩托罗拉公司、英国a b b 公 司，和日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产品。 第二节广丰县配电自动化系统简介 2 1 广丰县调配一体化系统 配调主站由多个交换机组成多层交换式快速以太局域网( l a n ) 。进行远程检 测电网运行情况中，可通过i n t e m e t 访问配网自动化的相关服务器。 该系统体系结构是全分布式的冗余双网体系结构擞据采集部分采用独立的 数据采集网( i o i o o m b ) ，传统变电站自动化设备通过终端服务器接入数据采集 网。网络化变电站自动化设备( 网络r t u ) 与该数采网共网或通过路出器接入，线路 上f t u 信号通过终端服务器接入采集网，调度和配网共用统一的采集系统。系统 主网采用热备用的双网机制，将各个功能模块分配到系统的各个网络节点上，保 证了系统的可扩充性。 系统硬件采用高性能的p c 服务器和工作站，操作系统使用w i n d o w s2 0 0 0 。 为了适应电力调度系统的高可靠性要求，系统的主服务器、前置机和其他有特殊 要求的关键设备，均设计为双备冗余结构，在故障情况下可以自动切换。为进一步 确保数据通信的可靠性采用双网络结构。系统采用高速以太网技术，其网络传 输速率不小于1 0 0 m b 。双网络同时工作，可实现自动切换，单一网络故障不影响整 个系统的正常工作，并可以在双网正常工作时自动平衡网络负载。配置了两台 s c a d a 服务器、一台w e b 发布服务器、两台历史服务器( 使用原来的s c a d a 服务器，分别加上一块网卡和内存条达到5 1 2m ) 、 两台调配工作站( 使用原来的 调度员工作站、加一块网卡和内存条达到5 1 2 m ) 、 前置接收系统、网络设备、 打印机以及g p s 时钟等其他设备。 系统软件平台为w i n d o w s 操作系统，服务器为w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，工作站 为w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 。在系统与外网的连接处建立了一系列的安全规则， 限制外网节点只能连接到s c a d a 的w e b 服务器，或者通信服务器的节点，不 能连接到系统中的其他节点。同时，限定其只能连接必须的若干网络端口而不能 任意连接到其他网络端口。此系统实现了数据采集、数据处理、事项与事故处理、 人机会话、遥控操作、打印和报表处理等s c a d a 功能。实现了故障定位、故障 隔离、非故障段自动恢复供电和故障模拟等d a 功能。同时还具有网络拓扑、动 态着色和网络接口等功能。 2 1 配网主站结构 广丰县配网主竭与结构如图( 】一2 ) 所示。 4 圈1 - 2 配网主站结构图 2 31 0 i v 配电网简介 以太网 广丰县地处江西上饶，地处三清山麓，信江河畔。本文的主要研究对象为广 丰县1 0 k v 配电网自动化。 该网由广丰变至西山和西山至芦林变等1 0 k v 架空 线路组成环网结构，并接有老靡谭、大井头变和交警变等变电站，其主要电源为 广丰变和芦林变。 为了确保系统能实现实时控制，除了必须保证动作可靠性外，还必须保证其 实时响应性。下面以广丰县配电网采用的w p z d 1 3 2 型f t u 为例，来分析其响 应时间。其数据流及各个步骤所需要的时间如图( 1 - 3 ) 所示。由图可知，从二 次信号送至f t u ，到f t u 遥控继电器动作，总时间大约在1 s 左右，可以满足继 电保护及自动装置运行的选择性要求，所以开发这样的控制系统在技术上是可 行的。 第三节配电网网络重构研究的历史与现状 网络重构是配电网自动化中很重要的一环，通过改变开关的状态变更网络结 图1 3 数据流及各步骤所需时间 构和运行方式，降低网损、提高运行经济性和可靠性。配电网故障的发生通常是 由于支路过载、三相不平衡和电压过低，因此网络重构还要通过改变网络拓扑结 构来达到改善系统运行状态，减小事故发牛几率的目的。这也是自八十年代以来。 网络重构受到广泛的重视的原因。 配电网网络重构包括配电系统正常运行时的网络重构与故障情况下的网络 重构。配电系统正常运行时总有某些开关闭合，某些开关断丌，通过改变这些开 关的开闭状态，就可以使负荷电流在不同馈电线路中流动，并按照每条馈线的配 电变压器容量成比例分配负荷，从而达到降低网损和平衡负荷的目的。当配电系 统发生故障时，打开某些分段刀：关可以隔离故障线路，闭合某些联络开关可以把 故障线路上的部分或全部负荷转移到其他线路上去，从而起到快速隔离故障和 恢复供电的作用。 配电网重构是一个有约束的非线性整数型优化问题，采用常规方法耐算量很 大，收敛性也不能得到保障。最优配电网络重构技术最早是由m e r l i n 和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。 3 1 网络重构的目标函数 网络重构的目标函数的选择常有以下几方面的考虑： ( 1 ) 以提高系统运行的经济性为目的。一般是以系统的有功损耗最小为目 标函数，考虑到现实中配电系统各节点鲍负荷每时每刻都在发生变化，导致网络 以有功功率损耗最小为目标的最优结构也可能随时发生变化。现实系统一般选择 以一段时间能量损耗最小作为目标函数的配电网络重构方法： ( 2 ) 以平衡各馈线的负荷，消除过载为目的。一般是以正常运行时每条馈线 和每台变压器、支路上的负荷都不越限为目标函数，使负荷均匀分布，避免设备过 载，提高电网的安全性和供电质量： ( 3 ) 以故障情况下恢复供电和恢复供电可靠性为目的。一般包括以开关的 操作次数最小、恢复供电的负荷最大、重要用户优先供电、系统平均停电时问最 小、系统平均停电频率最小和有较大裕度以预备下一次故障等作为目标函数； ( 4 ) 以提高系统的稳定性和可靠性为目标，使系统可以带更多的负荷，减少甩 负荷的可能性。提高系统可靠性的途径一般有两条：提高组成系统各元件的可 靠性性能；增加系统的冗余度。但是这两种方法都需要增加投资，经济性不是很 好。进行配电网网络重构可以在不增加投资的情况下，提高系统的可靠性： ( 5 ) 某给定时间段上( 一闩、一周或一季度) 的系统能量损耗最小。一般为 简化起见，采用梯形曲线束近似代替配电网的实际连续的负荷曲线，而不考虑在 较小时间段内负荷的波动情况。这一重构目标是从节省能源的角度考虑的，它保 证了在某给定时间段上的系统能量损耗最小。 随着研究的进一步深入，有时不是以单一的函数作为重构的目标函数，而是将 配电网络重构视为多目标优化问题，即将最小化系统有功功率损耗、最小化系统 能量损耗、平衡系统负荷、提高系统可靠性和稳定性等其中两个或两个以，卜的目 标组合作为网络重构的目标。 3 2 网络熏构的基本方法及其特点 最优配电网络重构技术的发展经历了从先前的传统优化手段到最优流模启 发式再至近全局寻优技术，到近期的人工智能技术的过程。 3 2 1 传统的数学4 l 4 e , 法 传统的数学优化法包括分枝界面法和单回路优化法等。分枝界面法是将重构问题 表达成一个非线性或线性规划问题，然后用已相对成熟的规划方法求解。这种方 法的基本原理是将所有开关闭合，然后根据与原网络相似的线性电阻网络模型确 定要打丌的开关，不断重复，直至形成辐射网络。单【纠路优化法将最优网络结构表 示成一个整数优化问题，其目标函数足网络的有功网损最小，它是电流的二次函 数。求解时首先寻找一个初始结构为基本可行解，在此基础上，在打开的联络开关 中集中搜索一个使其c j l 合，在闭合的分段开关中集中搜索一个使其断开，形成新的 网络结构，并使其网损有所减少。不断重复这个过程，直至网损不能减少为止，对 应的结构就是最优网络结构。 传统的数学优化法，算法比较成熟，可以得到不依赖于配电网初始结构的全局 最优解，但其计算时间长，不能处理复杂的大规模的电力系统拓扑结构。 3 2 2 最优流模式算法 最优流模式算法是由d s h i r m o h a m m a d i 等人 丁1 9 8 9 年提出的一种启发式方 法，它以功率损耗最小为目标函数。在最优流模式下打丌电流最小的丌关的指导 思想是：认为打开电流最小的丌关对系统潮流分布的影响是最小的，从而认为打 开在最优流模式卜- 电流最小的丌关后系统功率损耗的增量也将最小。然而，这一 做法缺乏理论依据，坏网中的各个环流互相影响，解丌其中一个环路将影响其他 支路的电流。再者，打丌丌关的先后顺序对结果也有较大的影响。除此之外，最 优流模式算法还缺乏一种有效的方法，以避免在重构过程中出现孤立节点。同时， 最优流模式算法假设所有的支路上都有可操作的丌关，这显然不符合实际情况。 这种算法中计算一次丌关由合至开需要计算两次环网潮流，计算量大，而且求解潮 流时各环网电流互相影响。但是配电网重构的结果与初始网络状态无关，比较容 易收敛于最优解。 3 2 3 支路交换法 该算法由s c i v a n l a r 等人首先提出，这类方法大都将负荷处理成恒定电流，用 重构前的潮流分布进行网损估计。由于重构可能引起较大的负荷转移和电压变化， 网损估计有一定的误差。支路交换算法以固定节点注入电流，以优化理论为依据， 将开关操作的组合问题变为开关的启发式单开问题，而且只需要估算支路交换引 起的网损变化，无需重新计算潮流，计算量小。缺点是每次只能考虑一对开关的操 作给出的配电网重构结果与配电网的初始结构有关不能保证全局最优。 3 2 4 近全局寻优技术 近年来，近全局寻优技术( 如模拟退火、遗传算法和t a b u 搜索) 作为许多工程 问题的一种可能的解决方法已经引起了广泛关注。 ( 1 ) 模拟退火算法( s a ) 1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为模拟熔融态固体热平衡的形成丽提出m e t r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，这种算法被用于求解组合优化问题，从而产生了模拟退火算 法。它采用随即搜索迭代过程寻求最优解。模拟退火法的优点是对目标函数无特 殊要求，得到的是全局最优解，此解与初始可行解基本无关，它同时还能有效的克 服“维数灾”。缺点是收敛的关键在于退火方案的选择，若选取不当，则需要大量的 随即迭代，计算量大，得到的解与最优解相差甚远。 ( 2 ) t a b u 搜索算法( t s l t s 的基本思想是利用种灵活的“记忆”技术对已经进行的优化过程进行 记录和选择，指导下一步的搜索方向。供电町靠性指标是根据在预想事故发生的 情况下，重构后的网络结构能否向用户恢复供电来衡量的。所采用的改进的t s 方 法可以在搜索过程中自动调整有关参数，无需由使用人员凭经验给定。 ( 3 ) 遗传算法( c a l 遗传算法是基于自然选择和生物遗传的一种寻优方法。它将网络的刀闸状念 编码成二进制字符串，类似于生物中的基因链，每个字符中对应于一个适应度函数， 考虑网络损耗及约束条件罚冈子，将问题转化为一个混和的o ，l 规则问题，通过字 符串进行“复制”、“杂交”、“变异”等操作，经过许多代进化后，从中选择适应度 最大的字符串，即为最优网络结构。 遗传算法的优点是简单、鲁棒性强、有较好的全局寻优能力。它将离散的丌 关状念或是线路段状态用。系列二进制数表示，适于计算机处理。因为它一丌l 始 就从多起点同时搜索，所以找出全局最优解的町能性很大。遗传算法的适应度函 数仅与目标函数有关，与求解的问题无关，因此对配电网络结构无任何依赖性，可 以适用于不同的网络。 3 2 5 人工智能方法 ( 1 ) 专家系统( e s l 专家系统法是模拟一i ：作人员在实际工作中获得的经验进行操作所采用的方 法。它包括知识库、推理机( 或推理机制) 、综台数据库( 或工作存储器) 、解释接 口( 或人机界面) 、知识获取( 或预处理程序) 5 个方面。它的优点是使用范围较广， 能满足实时要求，可使用于大规模网络和多故障条件下的恢复。网络变化后只需要 修改相应的知识库。它的主要缺点是：知识获取f i 可难、处理复杂问题的时间长、 容错能力差、基础理论还不完善、约束条件的考虑较困难，且无法保证最后获得 的解一定是全局最优解。专家系统擅长解决电力系统中难以建立数学模型而又依 赖专家经验知识的问题。 ( 2 ) 人工神经元( a n n l 人工神经网络方法是模拟人脑的思维方法，适用于映射复杂的非线性函数关 系。人工神经网络方法首先根据每个区域不同负荷的变化情况，用人工神经网络 估计输入初始网络结构合负荷水平，然后决定系统的输出即最优结构，即包括一个 输入，输出关系的样本。它的优点在于4 ；需要进行潮流计算。对神经网络的训练数 据只需要对应不同初始结构和网络结构即可，因而，旦它的权值给定，只要给定 输入，立刻就可以得到输出。它的不足在于其最优解与训练组的数据关系很大，两 配电网的结构与负荷变化非常频繁，其权值常需要重新更换，而且在训练过程中有 时会出现“麻痹”现象，从而限制了其实用性。 ( 3 ) 模糊集理论( f s t ) 模糊集理论是控制专家z a d e h 在1 9 6 5 年提出的，提供了对研究对象多种属性 的选择方案，通过设计适合于研究对象的加权法束解决矛盾目标。模糊集理论用 隶属度来描述没有明确界限和概念的外延的模糊现象，适用不能用经典的布尔逻 辑描述的模型，并能很好的利用专家的经验。但是模糊集理论在线处理能力较差， 理论上不能得到最优解，必须依赖于其他技术的联合应用。 人工智能算法的计算量很大，目前尚未达到实用化阶段。 第四节研究的目的及意义 以最经济的方式向用户提供连续的高质量的电能是电力系统运行的基本要 求。所谓连续就意味着供电可靠性很高。虽然近两年广丰供电公司的供电可靠率 已经达到9 9 7 5 ，但是要进一步提高到供电企业9 9 9 0 的一流指标，还尚需付 出很大努力，一方面要充分挖掘现有电网潜力，另外一方面则应当大力加强配网 改造建设。开展配电网络重构研究，可以为提高广丰供电公司的供电可靠性提供 一个全新而有效的方法，具有重要的现实意义。 配电网络作为整个电力系统的一部分连接着主系统与各用户。配电设备及网 架的迅速扩展导致相当大比例的用户停电与配电系统有关。这说明改善供电可靠 性应将重点放在配电系统上。可以采用的各种提高供电可靠性的方案包括不同的 增强性措施、备用的配置、维修策略的改进以及不同的运行策略，配电网络重构 即属于一种运行策略。 网络重构是优化配电系统运行的重要手段，是配电系统自动化研究的重要 内容。辐射形网络和环形网络各有其优缺点，前者短路电流小、开关和继电保护 设备容易配合，但是供电可靠性低，后者刚好与之相反。为了综合两者的优点， 目前许多地区1 0 k v 配网采用的都是“闭环结构，丌环运行”的方式，广丰配网 也是如此。实现配电网络自动化，提供网络重构的条件，是提高配电网运行可靠性 和经济性的一条重要途径。总的来说，它主要有以卜两方面的意义： ( 1 ) 采用配电线两端供电，中间开断的方式，可以增加正常运行的容量，降低 压耗，减少能量。利用网络重构方式达到经济运行、合理规划的目的； ( 2 ) 当区段发生永久性故障，利用装在线路上的自动开关( 如重合器、分段 器) ，快速确定故障区间，减少故障范围及停电损失； ( 3 ) 用网络重构的方法提高配电系统可靠性，无需增加投资，只对系统丌关 设备的状念进行优化组合，就可以使系统可靠性在现有设备的条件下达到最优， 从而带来较大的经济效益和社会效益。 第五节需要解决的问题 配电网络重构兴起于八十年代后期，因其在降低网损和改善系统安全方面 的重要作用而受到了不少学者的注意。早期的网络重构主要是研究通过怎样的供 电路径给新用户供电可以使得整个费用最小，即讨论配电系统规划阶段的网络 重构问题。随着对网络重构的认识的逐步加深，人们又研究了在配电系统自动化 中加进网络重构功能是否可行，证明网络重构不仅在技术上、经济上是可行的 而且会极大的优化配电系统的运行。目前国内外学者所做的相关研究大都集中于 降低网损、平衡负荷以及恢复供电等方面，注重于多目标网络重构的还较少。总 的来看，配电网重构所涉及的问题有：负荷预测、潮流计算、搜索方法、目标函数 等。目前人们最关心的问题是搜索方法，但是其他几个方面也应得到重视和研究。 5 1 配电网重构的计算是建立在一定的负荷数据上的，因此负荷值对于配电 网重构的计算结果有较大影响，在进行配电网重构计算、比较收益和费用时，必须 努力提高负荷预测精度，考虑到负荷预测误差和负荷模型的影响。 5 _ 2 由于配电网具有与输电网不同的特点，如三相不平衡，及r x 的值较大，输 电网潮流计算方法( 如p q 分解法) 并不完全适合配电网，而且容易出现收敛性问题； 另外，配电网一般呈辐射状运行，冈此应当采用独特的潮流计算方法。同时，在配 电嘲重构中，通常要尝试多种嘲络结构，进行迭代潮流计算，因此应当努力提高潮 流计算速度。另方面，为了真正获得网络重构的各种好处，实时配电网络重构 势在必行。 5 3 配电网重构可以减少网损带来收益，但是同时也需要一定的费用，而且实 施时必须考虑配电网重构对于继电保护、电网安全性等的影响，受到一定的约束。 凶此配电网重构的目标函数并不是单一的网损，而是一个多目标决策问题，在这方 面，人工智能和模糊理论等都可以很好的发挥评估和决策作用。 5 4 目前实用的配电网重构主要按季节操作。由于负荷是随时变化的，研究实 时的配电网重构具有潜在的重要意义，其实用化则有待于配电管理系统的完善和 开关性能的改进。当前我国对于d m s 的研究还处- 丁主要讨论如何利用分段器、 联络开关实现故障识别、隔离和对非故障区恢复供电。其中恢复供电的策略可以 被配电网重构研究所借鉴。 第六节本文所做的工作 如上所述，网络重构的目标不只个，算法也多种多样。本文基于变结构耗 散网络理论，以负荷平衡作为网络重构的目标函数，综合考虑经济目标函数，运 用改进的支路交换法实现多目标实时重构，主要做了以下工作： 6 1 本文针对广丰县配电网的结构特点，针对如何使网络负荷平衡作为配电 网重构的目标，综合考虑到经济目标函数，建立了基于变结构耗散网络理论的广 丰县配网重构的数学模型： 6 2 在所建立的数学模型的基础上，采用基于改进的支路交换法的理论进行 网络重构，不仅全局搜索能力强，而且收敛速度得到保证，实时性强。 6 - 3 编写了v b 语言程序，分别对算例系统和实际系统进行了计算，验证了 算法的可行性和有效性。 对于求解这样一个多目标优化问题，要准确的考虑到方方面面是不可能的，也 是不现实的。本文是在总结前人经验的基础上，从另外一个角度和侧面对这一研 究课题作了有益的尝试。计算结果表明，本算法简单、有效、速度快。 第二章配电网网络重构的数学模型 第一节前言 配电网络是指由单条线路或者多条有联接关系的线路组成的系统，配电网的 基本结构形式是树状形的。为了提高可靠性，通常设置一些起联络作用的支路， 使它形成环状结构。但是为了避免产生电磁环路，简化继电保护，网络一般在丌 环状态下运行。配电网络在线路上装设有大量开关，安装在联络支路的开关称为 联络开关。在正常运行时，丌关在分闸状态。联络丌关是实现环网结构，丌环运 行的关键。安装在运行支路上的开关称为分段开关，在e 常运行时，开关在合闸 状态。设置分段开关的目的是为了减少线路故障或作业时的停电范围。分段丌关 和联络丌关的组合设置，使配电网络有非常灵活的运行方式。通过倒闸操作，实 现线路和负荷的转供电，既可以最大限度减少停电，提高供电可靠性，又可以根 据负荷变化情况，改变网络结构，实行经济运行。 网络重构作为配电自动化系统中的高级应用功能，日益受到大家的重视，其根 本原因就在于，它并不需要大量的硬件投资，就可在萨常运行时降低网损和优化结 构，在故障时减少停电时问，提高了系统的安全性和经济性。 第二节配电网网络重构的数学模型 总的来看，配电网重构所涉及的问题有：负荷预测、潮流计算、搜索方法、目 标函数等。数学模型如下： 目标函数；m i n g ( k ，m ，p ，l ) 约束条件：h ( k ，m ，工) = 0 t ( k ，m ，l 1 0 肘c 万 世亡i 其中，m ，p ，l 分别为系统中各种约束条件。 2 1 约束条件 2 1 1 系统潮流方程 网络重构必须满足潮流方程，多数文献充分利用了配电网为辐射网结构来 求解潮流方程 2 1 2 可靠性指标约束 t ( k ，m ，上) 乙 t ( k ，m ，三) 表示配电网设置丌关后的可靠性指标值，乙为给定的可靠性指 标值。配电系统的可靠性指标主要有：系统平均停电频率指标s a i f i 、系统平均 停电持续时问指标s a i d i 、停电能量损失e n s ( e n e r g yn o ts u p p l i e d ) 、停电功率损 失p n s ( p o w e rn o ts u p p l i e d ) 等。 2 1 3 节点电压约束 r 。n 一。缸 式中，k 。，l 一为节点i 电压的下限值、计算值、上限值。 2 1 4 位置约束 k c i m c 面 对于一个具体的配电网络，设置开关往往受到诸如地理位置、地形、特殊用户、 供电区域、电源点分布、配变容量等许多因素的限制。 2 1 5 支路过负荷约束 s 。蔓s 式中，s ，s 为支路i 流过的功率及其最大容许值。 2 1 6 供电约束 配电系统必须满足负荷需求，不能在网络中出现孤立节点而使该负荷上的 节点的负荷失去电源。 2 1 7 网络拓扑约束 配电网一般为闭环设计、开环运行，这就要求重构后的网络拓扑必须是辐射 结构。 2 1 8 开关操作次数约束 2 1 9 与继电保护的协调约束 2 2 配电网网络重构的目标函数 配电网重构的优化目标函数有很多种： 2 2 1 以提高系统的稳定性和可靠性为目标，使系统可以带更多的负荷，减少甩负 荷的可能性。典型的目标函数是： n 。 m i n 艺工工“。 l z l 式中，n 。为系统负荷点数目之和； l a y ，为负荷点i 的年平均负荷，三“，为负荷点i 的年停运时间； r 是网络中所有间隔开关的状态。 2 2 2 以降低网损为目标函数： m i n = 毛乜2 q , j 2 矿。2 其中，勘是支路扩的电阻； 乃是支路i j 末端的有功功率； 鳊是支路 ，末端的无功功率； 是支路i j 末端的电压。 2 2 3 以使负荷均匀分布，避免设备过载，提高电网的安全性和供电质量为目的。典 型的目标函数为： l b ：旦 , s = 寺喜嘉 。 甩：i6 一 其中，l b ，l b 。分别是支路和系统的负荷平衡指数； s 。，s 严分别是流过支路的功率和支路的容量； n 。是系统总支路数。 2 2 4 某给定时间段上( 一e t 、一周或一季度) 的系统能量损耗最小。典型的目标函 数为： m i nh ，? r 。+ x ，+ c o s z s 其中，c o s t s 。是丌关的运行费用。 2 2 5 以故障恢复时间最短，停电范围最小为目标函数。典型的目标函数为 m i nr ( z ，z ) = 1 q ( 1 m l = l 其中，y ，z 为开关和联络丌关的状态 a ，为权重系数。 2 2 6 以最小化系统有功功率损耗为目标。典型的目标函数为 “n ， r， a 厶 + 1j z m 盯 。一 + 、jy 1 1 引言 第三章改进支路交换法网络重构模型 第一节支路交换法的基本概念和方程 在基于支路交换法的配电网网络重构中，已有的方法不外乎两种：其一，以联 络开关为核心，采用流过配电网源点的相对负荷来反映该馈线负荷均衡的情况来 进行网络重构。即为了确保在配电网负荷变化时主变和馈线的负荷平衡，需要更 改馈线开关的状态，以便将一些负荷从过负荷的主变或馈线端转移到载荷相对轻 的主变或馈线端。通过这种方块町减轻主变和馈线的过负荷状态，使之保持负荷 平衡；其二，以降低线损为日标柬实现网络优化。这种方法大多是运用于馈线分 段不均匀，有的极长，有的极短，阻抗变换剧烈的情况下。此时。以负荷均衡为目标的 网络优化已不能保证线损最小。 目前已经有许多文献研究了通过网络重构来实现故障恢复，或者降低运行损 耗，保证负荷平衡。在这些用来保证负荷平衡的网络重构方法中，有些是基于将变 压器的负荷平衡和馈线的负荷平衡分丌考虑的。然而，主变和馈线的负荷是相互 影响的，因为，任何一个主变的负荷都是由与之相联的馈线负荷所决定的。因此， 为了保证网络重构中的策略的有效性，本文采取了将主变和馈线同时考虑的方法 来达到主变和馈线的负荷平衡。还有一些算法仅仅只考虑优化单一目标，要么是 降低网损，要么是保证负荷平衡，要么是注重效益，或者着重于提高故障恢复中的 安全性，而没有考虑到网络重构是一个多日标决策问题。而这也正是本文试图解 决的问题之一。 本文提出的基于启发式搜索策略寻找可能的网络重构方案，并经数值计算确 定可行的或最优的方法，能够在综合考虑主变及馈线负荷平衡，馈线裕度，网络约 束，系统损耗等因素下，提出优选的网络重构方案。 1 2 基本思路 将负荷当成恒定电流，这种简化能够满足配电网重构的要求，约定负荷均集 中在节点上。图( 3 一1 ) 所示节点f 的负荷表示为，节点i 和节点，之间的支路 表示为支路6 。，用表示向节点f 供电的电源点到节点j 的电压降，称之为该节点 的源点压降。配网中的开关呵以用支路号表示。 馈线1馈线2馈线3 图( 3 - 1 ) i e e e l 6 节点多电源配电系统 支路交换方法的基本思路为：首先合仨节点所和r 间的一个网络开关，在配 网中形成一个环网；选择环网中一分段开关将其打开，使配网恢复为辐射网，从 而使负荷转移，达到负荷均衡和降低线损的目的。将合上一个联络开关，并选择 一个分段丌关打开的过程称为一次拓扑调整，一系列的拓扑调整构成了配网的重 构方案。完成一次拓扑调整后，引起的有功线损变化量p 可表示为 2 p = r e 2 ( e 。一e 。) ，。 + 尺忡f j ( 3 - 1 ) s e l ) l t e d 其中，d 为被转移区域的节点集合； 卅和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： ，为节点i 的负荷电流； 1 9 r ，。为合上联络开关后形成的环网的电阻之和； e 。和e 分别为节点朋和节点珂的电压； r 。 ，+ ，l1 分别表示复数的实部、共扼和模。 在式( 3 1 ) 中第二项恒为正，只有第一项为负时才有可能降低线损，因 此，在进行配电网重构时只需考虑联络开关两端节点的节点压降相差较大且将负 荷由节点压降较高的一端转移到节点压降较低的一端的拓扑调整。 1 。3 1 状态 状态表示每个阶段肝始所处的自然状态或客观条件。它描述了研究问题过程 的状况，又称不可控因素。描述过程状态的变量称为状态变量，它可用一个数，一 组数或一向量来描述。 状态必须具备下面的性质：如果某阶段状态给定后，则在这阶段以后过程的发 展不受这阶段以前各段状态的影响，换句话说，过程的过去历史只能通过以前的状 念来影响它未来的发展，当前的状态是已往历史的一个总结，这个性质称为无后效 性( 即马尔科夫性) 。 如果状态仅仅描述过程的具体性质，则并不是任何实际过程都能满足无后效 性的要求，所以，在构造决策过程的模型时，不能仅由描述过程的具体特征这点着 眼去规定状态变量，而要充分注意是否满足无后效性的要求。如果状态的某种规 定方式可能导致不满足无后效性，应适当的改变状态的规定方法，达到能使它满足 无后效性的要求。例如，研究物体( 把它看作一个质点) 受外力作用后其空间运动 的轨迹问题。从描述轨迹这点着眼，可以只选坐标位置( 以，k ，z 。) 作为过程的状 态，弹这样不能满足无后效性，因为即使知道了外力的大小和方向，仍无法确定物 体受力后的运动方向和轨迹。只有把位置( 也，k ，z 。) 和速度( 丘，丘，乏) 都 作为过程的状态变量，才能确定物体运动下步的方向和轨迹，实现无后效性的要 求。 1 3 2 决囊 任意个阶段的一个状态确定之后，从该状态向下一个阶段状态的演变往往 可以做出种种选择。每一种选择确定下一阶段的一个状态，这种选择称为决策。 描述决策的变量称为决策变量，用符号“。b ) 表示第k 阶段状态处于时的决策 变量。实际问题中决策变量的取值往往限制在某一范围之中，此范围称为允许决 策集合。用d k ( x 。) 表示第k 段状态处于x k 时的允许决策集合，显然有 蚝b ) b b ) ( 3 - 2 ) 1 3 3 策略 由过程的第一阶段开始到终点为止的过程称为问越的全过程。由每个阶段的 决策变量“。b ) ( 肛l ，2 ，以) 构成的决策变量序论称为策略，用符号e 一。表示，即 只。b7 ) = 函l g l l “：b 2 l ，“。g ”) ( 3 3 ) 由第k 段开始到终点的过程称为原过程的后部子过程，其决策变量序列 0 。x l ，“。g ”) 称为k 子过程子策略，记为只。即 最一。g 。) = 扛。g l + 。x “1 l ，b ”) ( 3 4 ) 全体可供选择的策略构成的集合称为允许策略集合，用p 表示。从允许策略 中找出效果最优的策略，称为最优策略。 1 3 4 启发式算法 所谓启发式算法就是通过一套启发式规则，迅速排除那些明显不合理的或 者是不是优化解的开关组合，选出数量少的、最有可能是优化解的开关组合，再 从中选择出一个相对最优解。启发式算法不能保证得到全局最优解，但是便于程 序实现，计算速度快。 我国的配电网的结构基本上是辐射式。这种模式不仅简单，且需要的馈线长 度最短。另外。在一个有着大量的元件的配电网中，只有辐射式才能保证保护装置 能达到最简单及最优配合。因此，在网络重构的启发式搜索策略中，为了保证配电 网拓扑的辐射结构，使用的方法是，当合上辐射网中的一个开关将之变换成环网后 再在此环网中选择一个己闭合的开关并将之打开。如图( 3 2 ) 示。先将开关a 闭 合，使得系统形成环路，再选择a 。( k = - i ，2 i ，i + 1 ) 闭合，保持系统的辐射结构。图中 箭头方向表示负荷流动的方向。 最具代表性的启发式算法是最优流模式算法o f p ( o p t i m a lf l o wp a t t e r n ) 和 支路交换法。 馈鼗1 歼芙a 豳3 - 2 启发式搜索策略图 馈线2 最优流模式算法首先将辐射形配电网络