（电力系统及其自动化专业论文）城市电网优化规划问题的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mp l a n n j n gr e s e a r c hu s u a l l yi n c l u d e st h ep o w e rs o u r c e p l a n n i n ga i l d 血ee l e c t r i c a ln 帆o r kp l a l l 撕n g t h el l r b a ne l e c t r i c a ln e t w o r kp l a 肌i n g m a ym r t h e rb ed i v i d e di n t om e 订a n s m i s s i o nn e t w o r kp l a n n i n g ( p r i n c i p a ln e t 、v o r k p l a n n i n g ) a n dt h ed i s t r i b u t i o nn e t 、v o r kp l a n n i n ga c c o r d i n gt o l ea c t u a lp l a i l l l i n g w o r k ，也ep o 、v e rs o u r c e ( m o s t l yt m s f o n n e rs u b s t a t i o n ) l o c a t i n gq u e s t i o na n dm e t r a l l s m i s s i o nn e t 、v o r kp l a n 芏1 i n gq u e s t i o nb o ma r ei m p o r t a nca i l dd i f f i c u l t c a r r y i n go n t h eo p t i m i z a t i o np l a n n i n gt ot h e s et w oq u e s t i o n sw i l lg r e a t l ye n h a n c et h ee c o n o m y r e l i a b i l i t y a n ds e c u r i t yo f t h ew h o l ee l e c t r i c a ln e t 、v o r k a i m i n ga tt h es p e c i “q u e s t i o no f 订a n s f o m l e rs u b s t a t i o nl o c a t i n 岛t h i st h e s i s p r o p o s e s a t w o p h a s eo p t i m i z a t i o n p i a n n i n ga p p r o a c ht om u l t i g o a l s u b s t a t i o n 1 0 c a “n gt h i sa p p r o a c hi sp r a c t i c a la n di t sa l g o r i t h n sa r es i m p l e i nt h ef i r s tp h a s e ，a p r a c t i c a la n ds c i e m m cm a t b 锄a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n d “c a r r i e so nt 1 1 e o p t i m i z a t i o np l a n n i n gu s i n gm ec o m p u t e rp r o 口锄w e c a na c h j e v et h em o s t e c o n o m i cs o l u t i o na st h ei n i t i a ls 0 1 u t i o nf o rm ef u r t h e rp l a l l l l i n g i nt h es e c o n dp h a s e ， t h ee x p e n sw i ug i v es e v e r a lc a n d i d a t es o l u t i o n sf o rm ei n i t i a ls 0 1 u t i o n t h e nv a l u i n g t t l e i rg e o 铲a p h i c a l 矗恤e s sb a s e do nt l l ea n a l ”i ch i e r a r c h yp m c e s s ( a h p ) r e s p e c t i v e l y f i n a i l y ，f i n dt h er e s u l t a n ts o l u t i o nw i t h “g h e s tc o m p r e h e n s i v e 蜀椭e s sd e g r e e ，o p t i m i z c t h ew h 0 1 en e t w o r k m e a n w h i l e ，am o d e lf o rt r a n s i l l i s s i o nn e t w o r kp i a 皿i n gi np o w e rs y s t e mw i t hg a i sd e v e l o p e di nt h i s 协e s i s t h em o d e lu s e sa ne v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n t e c h n i q u et 0 f i n do u tm em o s te c o r l o m i c a ls c h e m ef o rn e 柳o r ke x d a n s i o nw l i l es a t i s f a c t i o nw i t h t h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yc o n s t r a i n s b yc o m p a r i s o no fp o p u l a re v o l u t i o n a r y t e c h n i q u e s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tg e n e t i ca l g o r i t hi so n eo fm eb e s tc h o i c e su n t i ln o 诫 t bo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fc o n v e m i o n a lg e n e t i ca l g o r i t l l m ，a c c e l e r a t e dg e n e t i c a l g o r i t h mi ss u g g e s t e d t h en e e df o ra d v a n c e dg e n e t i ca l g o r i t l l ml e a d su st o 也e v i r t u a lp o p u l a t i o nf o r 1 ef o 姗a t i o no fh i 曲q u a l 时c h f o m o s o m e si nap o p u l a t i o n t h i sa c c e l e r a t e dg e n e t i ca l g o r i t s e a r c h e st 1 1 es o l u t i o ns p a c ei nt h en e i g h b o r h o o do f t h eb e s tc a n d i d a t es o l u t i o nt op m d u c es o l u t i o n sc l o s e rt om e g l o b a lo p t i m a k 七yw o r d s ： u r b a f le l e c t r i c a ln e 坩o r k ；s u b s t a t i o nl o c a c i n g ；1 、v o - p h a s eo p t h i z a t i o np l a n n i n g ； a n a l y t i ch i e m r c h yp r o c e s s ( a h p ) ；c o m p r e h e n s i v ef i t n e s sd e g r e e ；t r a n s m j s s i o nn e t 、v o f k p 1 a n n i n g ；v i r t u a lp o p u i a t i o na p p r o a c h i i 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 电力工业是国民经济的重要基础产业，也是国家重要的公共事业。电力发展， 电网先行。随着经济的不断发展和用电趋势的增长，城市电网建设不仅要与电源、 负荷协调发展，还要具有适度超前意识。但是由于一些政策、技术和历史上的原 因，我国整体电网规划发展不合理，导致高压电网架脆弱、中低压配电网容量不 足：供电可靠性不高；线损率高；电压质量不高等一系列问题，不仅阻碍了国民 经济的发展，还造成了资源的严重浪费。 电力系统规划作为电力工业发展的龙头既关系到电力系统的正常运行，又关 系到电力产业的可持续发展。因此，做好电网规划工作，构建“安全、可靠、经 济、高效、开放、灵活”的电网是当前电力工作和研究人员的重要工作。 通常，城市电网规划二 作的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析电网布局与负荷分布的现状，进行负荷需求预测： ( 2 ) 分别进行总体、分层、分区的电力电量平衡； ( 3 ) 进行电源点( 电j 一、变电站) 的容量、数量规划和布点工作； ( 4 ) 对城市电网结构进行整体规划分输电网、配电网网络规划： ( 5 ) 对规划水平年的城市电网进行经济性、可靠性、安全性分析。 面对幽民经济发展的要求，顺迎时代发展的形势，电力系统规划受到新观念、 新技术、新理论、新方法的启迪和激励，目前国内外已有许多电力系统规划的科 学方法和研究成果，并且应用成果显著。但是，鉴于城市电网规划工作的特点与 难点，许多理论研究成果在实际应用中存在一定的不足。因此，对电力系统规划 进行多角度、全方位的思考和认识，使理论研究成果在具备科学性、先进性的同 时，兼具实用性、操作简易性是当前电网研究领域的重点课题。 1 1 立题意义 电力系统规划研究通常包括电源规划和电网规划，其中城市电网规划以其庞 大复杂性、多重约束、多目标性等特点在整体电网规划工作中占据着重要的地位， 也是目前我国电网规划改革与发展的重点工作。因此，做好城市电网规划工作对 整个电力系统的结构和运行优化有着重大的意义。在城市电网规划工作中，变电 站布点问题和输电网络扩展规划是两项重点与难点工作与任务，对它们进行优化 锅江犬学颟学位论文 矮矧可大大提嵩蠛市婺俸毫爨运行豹爵靠往、经济性鞫安全瞧。因魏本文赞对这 两个具体规划问题进行了深入的研究，为今后相关规划研究的打下基础。 变电站 篝为电力系统酶蠢簧组成部分，蘸楚上级电阚( 亳厂) 的负荷点，又 是下级电网的电源点。在已知规划变电站数量和容量的基础上，对变电站站址进 行科学地规划，选择合理的布点位置，时保证电网整体建设的合理性与其运行的 可靠蛙、安全燃和经济性都有簧重要影响。 根据我国电压等级标准，通常输电网络是指5 0 0 k v 、3 3 0 k v 和2 2 0 k v 电压等 级熬电瓣，它饲是连接逸溪( 变迄站) 蠲下一缓配邀弼( 曼芬 夔錾缝。辕惫潮 络扩展优化规划的目标是寻求最佳的电网投捺决策以保证整个电力系统长期最 饶、安全、可靠、穗定建发展，帮稷掇溪翔东乎年静受精顽溺缝暴及交迄站藏潮 方案，确定相应最佳的电网结构。 上述两项仇化蕊划工作的具体意义如下： 社会的进步对电熊的需求越来越大，国家每年都要投入大缀的资金来加强电 力建设，以保证用户需求，对避些投资着能节约一个较小的百分数，其绝对值就 媚当可鼹。 i i 电力系统是一个有极的婺钵，强健大型憩厂、变电站或窝压输电线 路的投运，都将在不同程度上影响电力系统的运行和今后的发展。因此，做好城 枣毫列趣矧王 睾中豹变邀站援翎蠢辕壤阚络筑黧，无论麸羟滚上还是羧本上懿具 有非常道要的意义。 在宅两蕊潮工俸中，单颈闻蘧的饶仡规懿蔻整体惫潮优纯斌辎的鏊蕊。餐怒， 如果对整体电网进行一次性统规划存在许多难点与缺点，比如统一建模困难、 求解圈难，还常常遗漏一些重溪因素。若能遵循科学的方法做好单项溉划工作， 就可以简化整体电网规划的繁藏任务，避免忽略些熏要的因豢，同时也可以保 证整个电网的经济性、可靠性和安全性能。 科学合瑾撼确定交邀站的餐量、位爱及供魄范毽，青琴l 于邀力系统豹运行鬻 理，减少系统跨区域交叉供电，提高电力系统管理和远行的效率。而对输电网络 结穗遴行优纯籁矧，可隧提毒毫瓣整俸靛供毫可靠毪和供电质整，力下缓窀黼 ( 配电网) 的优化提供良好的熬础。另外，高膳变电站站址的优化规划是输电网 络优纯娩划的前提与鏊础，前者的优化蕊划可为后者的优化飙划工作带来很大的 方便，当然，两者也可以结合在一起进行统一优化1 。 浙江大学礤学位论文 1 2 翻内外研究动态 电瓣援划中存在大量不确定帮不戆道兹因素，难以翅数学模型描述，许多时 候只能依靠规划工作人员的经验来完成工作，规划工作缺乏科学性。因此在电网 烧麓中运爰科学、先逡戆理论方法囊磅突残暴，不钗霹以大大减少电力残翔久爨 的工作量，还保证了规划结果的科学性、准确恍。目前，国内外有许多关于电网 烧翅斡文献帮璞论研究成采，专家稍己逐步将计算辊、数学、魄蓬信惑技术、智 能优化算法等先进的科学技术应用到实际规划工作中。 针对变电站站址和输电网络扩展规划这两个具有多目标能、不确定性、非线 性和多阶段性特点的复杂优化间题，蹦内外已肖的相关理论和应用如下。 1 2 1 计算机技术的成用 在进行电网规划之前，需爱收集大量有关电网和电力系统发展的历史数据， 麴需要晓溺瑷羧分毒厅、麓剡缝送未来蝮麓发曩方岛等，并对这些售患热疆分爨。 完全依靠规划工作人员的经验开展规划工作，不仅会造成大量的时间和人力资源 瓣滚费，嚣置传统酶燕瑚方法邑经不麓满足觋代佬建设酶要求。为僳谖矮翔工律 的科学性和规范性，迫切要求研究满足实际要求的电】嘲规划理论，开发高效、方 便、实用的具有智能决策功能的电丽规划计算机辅助决策系统。计算机技术的应 用既是我国现代电网建设的迫切需要，邀是今后长期发展必要的科学手段。 目时，国内外的一魑电力部门和软件公司已经共同开发研制出了一些电网舰 戈l 软静，这为掇裹电慰娥刭工传豹隶乎发挥了燕要豹份翅，嗣时也为诗算壤技术 在电网规划工作中的应用积累了宝贵的经验。 1 2 2 地理倍悫系统的应用 琏疆信患系统( & o 扩印h i e a l 两孙凇越i o ns y s t e m ，g l s ) 是计髯橇、圭氇理 学、测量学、地图学等多门学科综合的技术，其核心技术是计算机科学，基本技 术是数据库、媳图可视化及空闯分析，是处理地理数赭的输入、输出、管理、镬 询、分车厅和辘助决策的计算枫系统。同时，g l s 也是摊特定聪又十分重要的空 间信息系统，它不仅研究如何聚集、存储、管理和描述攫个或部分地球表面与空 闽蛙理分毒有关戆信息，更注羹疆究诗箨飘技术与空阂缝理努凑数据懿缝台，邋 糖荭大学矮士学位论文 过一系列空间操作和分析方法，为地球科学、环境科学和工程设计，乃至对企业 经管提供规划、管理和决策所需的信息。随着计算机软、硬件技术的发展与普及， g l s 进入了全嚣发震帮疲掰戆阶段。近年来，在电鹈蕊麓方覆，藏用g i s 遘行变 电站站址的寻优定位在实际规划工作中发挥了较大的作用。如文献【2 】，通过 g i s 数据库源数据，提出了运用数据融合技术进行变电站选址规划，提高了选纰 工 乍斡辩学性羊羹效率。 1 2 3 不确定性理论的应用 夔蔷社会、经济、辩学技术匏逐獯发震，良及霾薤麴重懿环臻莲力莘翟各嵇羧 机制的引入，电网规划正面临着越来越多不确定性因素的影响，未来环境也变得 越来越难以预测”“1 。驻然，传统的瞧网规划方法无法适应这热不确定性困豢 黥援藏，箕数学严貉豹豢饶麓对予寒来懿实舔壤凝蠢言著j # 最侥，甚至可怒凌 于未来不确定性因素的影响而不得不进行大量的补偿投资，因而降低甚至失去了 最优规划的懑义。 不确定浚条件下懿麓翔已在电力系统各颈域的磷究取褥了一定熬避凄。夔豢 时间的推移和计算机技术的更新换代，优化问题的主要矛盾不在于运行速度而在 于建立问题的数学模型和求解算法，不确定规划理论的建立和发展正是当前遮一 方匿豹鬻琢磷究灞滚靛鬟体俸褒。嚣_ 夔- ，不确定澄条停下翰毫网潮络痰麓还未有 深入的研究，这也是个非常值得研究的课题。 近年来，为弥孙传统规划方法的不足，计及不确定性因素的影响，提高规划 方案戆逶应性，捷蠢了灵活电霹溪翔方法静研究随酿，成为近年电瑟鬣翊磷究 的热点。 l 。2 。4 冬类蜣化算法的应用 优化算法的应用大大提高了规划工作的效率，保证了规划方案的科学性和娥 优性。目前，已有的优化算法可大致分为传统启发式优化方法、数学优化方法和 筏代寝发式舞法( 整穗俊伲算法) ，麓鼙奔缓魏下。 ( 一) 传统启发式优化方法 该方法怒以直理分孛厅为袄据豹算法，通鬻基予系统菜一性能指标对可行路後 辨江大学硕士学位论文 上一些线路参数的灵敏度，根据一定的原则，邂步迭代至得到满足要求的方案为 壹。逸转方法壹臻、灵活、诗舅l 誊阔短，囊予久王参与决繁，虽戆绘；_ ；簿食实嚣 工程的较优解。缺点是难以选择既容易计算又能真砸反映规划问题实质的性能指 标，并且当网络规模大时，对于慢何一组方案熬差别都不大，难以优化选择，得 裂憨袋後解毒缺乏数学意义熬装绫瞧或黉聚是两酃最筑薅。在赣毫阚终扩震 规划中常用的启发式方法有灵敏鹰分析法、支路交换法和专家系统等。如文献【7 】 详细介绍了如何建立变电站站址选择的专家系统及其应用方法。 ( 二) 数学饶纯蠢法( 针薅输魄溺络扩爱规期) 输电嘲络扩展规划工作中，常用的数学优化算法有咀下几种； ( 1 ) 线性筑刘 线性规划是理论和求解都很完善的数学方法。在电网规划中，根据实际情况， 通过些简化措施，去除非线性，建立线性的电网规划模型。线性规划法具有计 算篾攀、求解速度妖篱凭点。篷实舔毫力系统中赡瓣题大多为菲线缝，遴过麓伍 去除非线性，会带来误差。而且单纯型法要求解的可行域为凸的，而电嗣规划中 很有可能出现非凸的情况。这些都限制了线性规划在电网规划中的应用。文献【8 】 将线瞧烧戈法与一黧分解技术稿缓会，续，l 、了混合整数趣翘麴诗算燕模；文敷【9 】 将贪婪随机搜索和线性规划相结合，用于求解较大规模的电网规划问题。 ( 2 ) 分解方法 邀瓣蕊矧霹遂麓模遥鬻穰大，不瘸于交麟，可涛萁分簿戏多个稳对篱攀静子 问题，然后通过求解备个小的子问题求得最终的最优解。目前在输电网络扩展优 化规划中用得最多的悬b e n d e r s 分解法，即将整个规划阚题分解为投瓷决策 主海憨和运行攘接予润题，分裂建立穗应懿鼗学模型，孬透过交替隶解投资决策 主模型和运行模拟子模型获得原规划问题最佳瓶划方案。但b e n d e r s 分解法只适 用于简单的以投资和运行费用最小为目标的电嘲规划模型，丽实际电网艘划往往 为多髫褥润题，无法简单遣划分为投资主露毯酾运行子闯麓“n 。 ( 3 ) 分支定界法 分支定秀算法怒运筹学中袋勰整数蕊戴懿一个雩亍之鸯效浆算法。由于瞧鼹趣 翊中的决策变量( 线路是否被选中) 为o l 黎数“如，通常的规划模型均为一个 浙江大学硕士学位论文 混合整数规划模型，适于用分支定界法来求解。 文献【1 3 】提出了输电网络混合整数规划模型，在模型中采用以回路方程式 为基础的网流直流法作潮流计算，采用分支定界法求解，计算结果除提供最优方 案外，还可输出由若干次优化方案构成的优化方案集，供规划人员参考。 文献【1 4 】将分支定界法与b e n d e r s 分解技术相结合求解电网规划的运输模 型。当系统规模比较大时，分支定界法需要考虑的分支过多，计算量也会很大。 数学优化方法用数学优化模型描述输电网络扩展优化规划问题，理论上可以 保证解的最优性。但通常计算量很大，在实际应用中有一些缺点：首先，要考虑 的因素多，问题阶数大，建模困难，建模时不得不对具体问题作大量简化；其次， 有些规划决策因素难以用数学模型表达，这样得到的计算最优解与真f 的全局最 优解存在一定的偏差，所以由上面这些数学优化方法求出的数学意义上的最优解 未必是符合实际的最优方案。 ( 三) 现代启发式算法( 智能优化算法) 传统启发式优化方法和数学优化方法等传统的规划方法在理论研究方面已 经比较成熟，在： 程应用中也取得了较好的经济效益和社会效益。在近二十年的 优化领域中，基于随机化技术的智能优化算法正在迅速发展，并得到同益广泛的 应用，实践证明这些方法具有比较传统优化方法更好的全局优化能力。 现代启发式算法“”是模拟自然界中一些“进化”现象研究出的一类比较 新的优化求解算法，适用于求解组合优化问题以及目标函数或某些约束条件不可 微的非线性优化问题。它比较接近于人类的思维方式，易于理解，用这类算法求 解组合优化问题在得到最优解的同时也可以得到一些次优解，便于规划人员研究 比较。此类算法主要有：模拟退火算法，遗传算法，t a b u 搜索法，蚂蚁算法，量 子进化算法，粒子群算法等。 ( 1 ) 模拟退火算法( s a ) 模拟退火算法是以马尔科夫链的遍历理论为基础的一种适用于大型组合优 化问题的随机搜索技术。算法的核心在于模仿热力学中的液体的冻结与结晶的冷 却和退火过程，采用m e 【r o p o l i s 接受准则避免落入局部最优，渐进收敛于全局最 优。模拟退火法可以较有效地防止陷入局部最优，但为使每一步冷却的状态分布 平衡很耗时间，而且属于单点寻优，对求解存在多个最优解的问题有一定的困难， 浙江大学硕士学位论文 需要改进。逶鬻要将禳援退火方法与其氇方法缝合使蠲，激发簿各鑫瓣俊势。妇 文献【1 6 】介绍了将模拟退火算法用于输电网中长期规划静态决策问题的研究。 ( 2 ) 遵传算；豢( g a ) 遗传算法是强兹龟耀趣划中广为搜翅翦一葶孛理饯瘿发式寻谯方法。宅通过缀 码将规划方案转变为组组染色体，并列出一组待选方案作为祖先( 初始可行 鼹) ，以适应瞒数的经劣亲整露l 接索方淘，逶过遗篱、交叉、嶷舅等逐步完裁进 化，最终逐步收敛到最优解。同传统算法相比，遗传算法具有多路径搜索、隐并 行篷、涟梳操作等祷点，对数据要求低，不受援索空阉的限案l 往约束，不要求连 续性、导数存在、单峰等假设，可以考虑多种目标函数和约束条件。但是遗传算 法存在计算速度慢，容易陷入局部最优的不足，目前对此进行了一些改进和研究。 如文献【1 7 】将改进自适应 弋淘方式的遗传募法煺子输电鄹翅划中，一方箍 保证了计算结果有多个解可供选择；另方面加快了搜索速度，提高了搜索性能。 文献【1 8 】列采蠲一耱多摸态攀亲逮蕊簿法( 溅u 撼p a 娃h e n o g 锶e 螽e a l a l g o 斑h 糙) 求解该问题。邀种算法的单系繁殖和遗传方式几乎不受其他种群个体的影响，能 够霞每个个俸绦撩鑫己酶遗传将往，以便萃牵群令谇美有多穰式或多释经，不仅容 易搜索到全局蠛优点，而且还可同时发现多个有效的模态峰点。文献【1 9 】利用 改遥的m a g a ( 自适应遗传算法) 进行具有f a c t s 设备的输魄网络扩震旒划。 此外，考虑到模拟退火算法可以鸯效防止隧入局裁j 最优鳃这一特性，浆模拟 退火和遗传算法结合的混合遗传一模拟退火辫法也取得了不错的效粜。如文献 【2 0 】袭优化过程中髑传统优化萋法弱结累霹遗铸算法避行视始纯，并姆模数邋 火算法的思想引入变异算子中，采用改进的遗传算法求解输电网扩展规划问濑。 ( 3 ) t a b u 搜索法( t s ) t a b u 搜索法是一种离效的启发式搜索技术，其基本思想攫通过记录( t a b h 表) 搜索历史，从中获得知识并利用其指导后续的搜索方向，以避开局部最优解。 强b u 搜索法懿搜索效窭蔫，竣敛速度缀抉，墨嚣已受裂瘦划王露老戆爨褫。魏文 献【2 1 】将t a b u 搜索引入输电网扩展规划中，得到比传统算法更好的结果。 餐楚陷h 搜索法爨转扩矮邻蠛辩单熹寻德方法，浚教受黉初始觯瓣影噙， 而且t a b u 表的深度及期望水平影响搜索的效率和最终的结果，机理还不甚清楚， 扶数学上无法证瞻萁定能这瓤最优锵，潞需避一步研究。 ， 漤波走学醺士学豫论文 ( 4 ) 蚁群算法( a c 0 ) 歉群簦法是赉褰太弱秘学豢d o 娃g o 磅襄总结凄翡一葶孛搿鍪夔绩生盛发或缆 化寻忧算法，该算法仿照蚂蚁群隔食机理，构造一定数量的人工蚂蚁，帮个人工 蚂蚁以路径上的荷尔蒙强度大小( 按照一定的状态转移准则) 选择前进路径，并 在叁黾选择瓣嚣避簿径上蟹下一浚数量麴萄尔蒙( 送雩亍蕊承蒙强度豹嚣帮瑟瑟) ， 当所商蚂蚁均完成一次搜索后，褥对荷尔蒙强度进行一次全局更新。通过反复的 迭代，最终大多蚂蚁将沿着相同的路线( 最优路线) 完成搜索。应用表明，其算 法效率、寻霞髭力麓强予嚣羲蠢露豹英它瑷弋痿发式铙仡獒法，适宣予袋鳃有约 束问题，有着广阔应用前景。 目前有学者尝试将其应用于电网规划中，但是还没有很好地将规划模型处理 残适合予双嚣算法求解弱模羹。文麸【2 2 】褥麓逶致群葵法镦了一些改逡，应j 霹；| 于单阶段输电网络扩展规划问题。该算法改进了状态转移准则，使算法效率更高； 对荷尔蒙强度进行了全局更新，饿算法收敛遗魔加快；改进了搜索策略，使得在 不丢失胃李亍释懿淹援下篓法翡裁索空润大为城小，甄疆衰了簿法援索效攀，又镬 算法找到“全局壤优解”的可能性大为增大。但如何合理地将规划模型转变成适 合蚁群算法的模型，还有待人们进一步的研究。 ( 5 ) 粮子群算法( p s o ) 粒子群算法( p s o ) 通过记忆与反馈机制宓现了高效的寻优搜索，对解决大 规模数学优化问题爨有缀快的计算速度及较好的全局寻饯戆力，与进化算法 ( e p ) 、遗传算法( g a ) 相战具有救敛速凌捩豹优点。对解决电丽蕊翔这类大 规模、带有大量约束条件和离散变量的非线性熬数规划问题非常有效。但因其收 敛性受参数影响较大，同时也受柳始粒子分布的影响，对这燧因素的设露不当往 往会袋p s 0 无法建索翻全届最饶瓣。文献【2 3 ，2 4 ，2 5 】对焚避行了改进，佼p s o 的收敛性能得到了较大提高，但目前粒子初始化所用方法基本为随机生成，文献 【2 6 】则结合非线性单纯体法( n o n l i n c a rs i m p l e xm c 也o d ，n s m ) ，撼出神 缝够宓鬟速p s 0 算法救敛速度静粒予群稿始证方法，溺霹莰攒黠镁拉穆魏蠢法，提 出了种交叉迭代法，克服了罚函数法的不足。 除了上述求解方法之外，还肖其他一些方法也被应用到输电网络扩展优化规 鬟中。镶魏：太工弹经元方法、豢子进位算法、送稼燕鬓法隧及穗癌缎式方法 与数学优化方法相结合的算法、混合优化算法簿。 浙江大学硕士学位论文 1 3 结论和发展方向 目前电网的整体优化规划，或者变电站和输电网络扩展等单项规划中，对规 划方案经济性的研究较为充分。但是由于事故不断出现，电网的安全稳定运行越 来越受到重视，必须加强对规划方案可靠性、安全性的考虑；对大型电网和长期 动态规划，还存在计算速度和收敛性的问题；在较为热门的电网灵活规划研究方 面，考虑的不确定性因素仍不完全，许多不确定性因素被忽略或者处理方法不当。 我国的电力市场改革已经肩动，针对电力市场环境下的电网规划研究工作才 刚刚起步，有待于深入，今后的研究方向还应当包括： ( 1 ) 加强对新型寻优算法( 如蚁群算法，量子优化算法) 的研究，寻找更 快速、高效的实用规划求解方法。 ( 2 ) 合理地考虑多阶段规划中各阶段规划方案之间的过渡和相互约束，寻 找求解动态规划的更合理的模型和实用的求解方法。 ( 3 ) 在规划模型中更合理地考虑和协调经济性和可靠性的关系，更充分地 考虑安全因素，使规划方案更具实用价值。 ( 4 ) 更为全面合理地考虑和处理各种不确定性因素，如经济、环境和政策 等，使规划方案具有更高的灵活性和适应性。 ( 5 ) 如何考虑和确定合理的电网规划模型和算法，使其符台电力市场模式 的需求。 1 4 本文主要工作 本文将对城市电网规划中的变电站选址和输电网络扩展优化规划两个问题 进行深入地研究与分析。在已有研究理论的基础上，结合本人对实际规划工作的 体会，提出即科学又实用的规划方法，使规划方案在满足多种约束条件的前提下 最大可能地接近全局最优，并且提高规划的工作效率。所做的重点工作如下： 1 ) 针对变电站站址寻优这一专门问题，提出了变电站站址多目标规划的两 阶段优化方法，不仅实用且求解简单。规划工作的第一阶段充分发挥了计算机功 能，利用数学优化模型对可量化的因素进行全面地描述，通过优化算法对模型求 解形成经济性最优的变电站站址初始方案；规划工作的第二阶段充分考虑了规划 设计人员的经验和判断能力，通过对一些重要的不可以量化因素进行实用化处 浙江大学硕士学位论文 理，对站址初始方案进行优化调整，最终获得多个或多级新建变电站组合后经济 性与地理属性指标( 整体综合适应度) 最高的方案，即可确定待建变电站站址的 最优方案。 2 ) 在输电网络扩展优化规划问题中，本文针对城市电网规划中的水平年输 电网络扩展规划问题提出的规划目标是：寻找使输电网扩展规划建设投资和运行 损耗最小、并且满足相关可靠性和安全性指标的全局最优的输电网络扩展方案。 建立了考虑多种约束( 潮流约束、各节点出线回数约束等) 条件的输电网络规划 模型，并结合遗传算法的特点，提出了基于改进遗传算法求解电力系统输电网络 扩展规划模型的方法，使求得输电网络扩展规划方案满足连通性和”一1 ”事故 检验。针划标准遗传算法的不足，本文重点研究了如何提高其收敛速度和寻优性 能，结合输电网络扩展规划的特点引入了成对变异操作，尝试将v i r t u a lp o p u l a t i o n a p p r o a c h ( 有效种群法) 引入遗传算法对输电网络扩展规划模型进行求解等。 浙江大学硕士学位论文 第2 耄变电站站址优化方法介绍 我国城市电网电压变电等级分配大致如图2 1 所示 圈2 1我闭城市电网电压等级分配图 可知，变电站是联系发电厂( 上级电阐) 和用户( 下级电网) 的中间环节， 越蓑变换萃曩分配电能的作用。在整个电网中，变魄站的攥划是否会理，纛接影嚷 到未来电网的线路走径、网络结构和无功电源的配置等问题，对熬个电网运行的 可靠性、经济娃、安全瞧逛饕决定犍的佟露。跨以交龟爨麓划在滚霹矮翎中具考 举足轻重的地位，是电力负荷预测工作之后的重隳任务，又是电网网络规划的前 撼与基璃。因诧，应璃先送、科学豹方法对交电瓣送行傀纯窥翊可以提赢整体电 网的可靠性和经济效益。 2 1 变电站选址的重要性 电力系统中变电站站址的选择，对系统的安企性和经济性有很现实的意义。 电网布局的合理化不仅可以节省建设投资，两且可以极大她降低邀网损糕，提裹 遮行管理水平和调度的灵活性。变电站是主网和配网的交汇点，既是上级电网的 受赫点，鞫时又是下级电瓤兹电漂点。交邀蛞菇壹鼹选择褥决定整个逮瓣豹缝撬， 丽不同的网架结构，将产生不同的系统运行成本和系统的安全级别。因此，在电 潮蕊翔中，变电鹫蛞赶的选择是一令重要蠲题，它的税纯选择直接彩确来来电溺 的结构，关系到整个电网的可靠性，也会带来可观的经济效益。 浙江大学硕士学位论文 实际规划工作中，变电站规划和电网网络规划工作通常是分开进行的。首先 完成规划水平年电力负荷预测，然后进行变电站的数量、容量及布点规划，最后 再确定在给定目标下的最佳电网网络结构【2 7 】。其中，变电站优化规划的任务 是在己知负荷大小和负荷特性的前提下，科学合理地确定规划水平年待建变电站 的容量和数量，在何时、何地建造变电站。本文研究的是变电站站址寻优问题， 即在负荷需求、线路容量、变电站数量和容量确定的情况下，寻找新建变电站的 位置坐标，使规定的单个或多个目标值( 如年综合计算费用、线损、变电站的地 理环境和社会效益等) 达到最优。 2 2 变电站选址问题的特点 变电站站址的选择是一门科学性、综合性、政策性的学科。与变电站选址相 关的因素有许多，如其上下级电网结构、负荷特性、用地面积、地形地质、交通 运输、气象条件、防洪防污设施、与城乡建设发展规划的关系等。这些相关的因 素( 决策变量) 大致可分为两类：第一类是可量化因素，包括变电站高压侧迸线、 低压侧出线的新建投资和运行损耗等：第二类是不可量化因素，如地理位置、施 工条件、地形地质等。 因此，变电站位置坐标的寻优是一个多目标、非线性规划问题，用传统的数 学模型很难对上述二类因素进行全面、准确地描述，找不到目标函数关于决策变 量导数的解析表达式。 另外，由于变电站实际规划工作中还存在一些非线性的、不确定的不可量化 因素，使得变电站站址的数学优化问题变得既庞大又复杂，求解也比较困难；同 时规划中涉及到的变量很多，一些重要的因素常常会被忽略。目前国内外的变电 站选址工作通常是由多个有经验的选址专家共同完成的，他们要在数据不精确、 多重目标以及庞大的搜索空间中选择最优站址方案是件非常困难的工作。特别是 对那些不可量化的因素，传统的建模方法难以胜任，选址人员在决策过程中难免 将它们遗漏，造成规划方案不合理或者不具备最优性。 所以寻求既科学又实用，能够简便地确定可行变电站候选站址的规划方法是 这一领域今后研究的热点方向。 浙江大学硕士学位论文 2 3 变电站站址优化方法介绍 近年来，国内外研究者在变电站站址规划方面做了一些重要的研究，提出了 一些实用可行的分析方法和数学优化模型，大大提高了规划方案的科学性和规划 的工作效率。下面概括性地介绍变电站站址优化的常用的一些方法，并分析它们 的应用特点和存在的不足。 2 3 1 定性分析法 定性分析方法是综合考虑社会经济发展、国家政策和电力系统发展前景等各 方面因素，根据各候选变电站的未来负荷分布，以及其近期、远期在系统中的地 位与作用、系统连接方式、供电要求等，合理地选择变电站的位置。 首先进行准备工作，包括学习有关文件和指示，拟订工作计划，保证选址工 作有条理、按计划地进行，各方面专家对所选的各项主要指标进行估算；其次， 对认为有可能建站的地点进行现场勘探调查研究；然后，在现场调查资料的基础 上，经过系统地消化和整理，对具备建站条件的多个站址方案进行比较。对实际 情况进行考察，根据具体条件抓住主要因素，对各种可能存在的方案加以分析， 逐步筛选。通过综合分析比较，估算出各项建设工程的投资和运行费用，权衡利 弊，最后推荐出一个供电安全可靠、基建快、投资省、运行费低、维护方便、经 济效益高的选址方案( 一般至少有两个站址方案，其中一个为推荐方案) ，并编 写站址选择报告，最后报请审奄批准晓8 1 传统的定性分析方法虽然能够综合考虑多个评价项目，但很难从各评价项目 间错综复杂的关系中客观、正确地确定站址。而且这种传统的方法，在站址确定 之前需要进行大量的数据处理和分析，对规划者的实践经验要求较高，在操作过 程中受人为因素影响较大，不系统、不科学，工作量又大，已经不能满足现代电 网规划发展的要求。 2 3 2 负荷重心法 负荷重心法确定变电站站址足根据负荷的大小及其位置，求出重心，该重心 的位嚣即为新建变电站的站址。若变电站所带负荷分别为日，县，只，负荷点的 坐标分别为( 玉，i ) ，( 五，墨) ，( 瓦，) ，如图2 2 所示。则可根据公式( 2 1 ) 确 浙江大学硕士学位论文 定新建变电站的位置坐标： 皇置 x = l 一 只 只 y = 童一 旦 式中，x ，y 新建变电站的位置坐标； 最所有负荷的总合。 p ，( x 刖k ) 鼻( 五，巧)昱( x ：，蔓) e ( x ，e ) 图2 2 负荷重心法确定变电站站址示意图 只( x ，j j ) ( 2 1 ) 可见，由负荷重心法确定变电站站址是比较粗略的，而且当需要的新建变电 站不止一个时，用负荷重心法就无法确定。鉴于变电站站址优选的重要性，有必 要引入优化理论，求得更优更科学的变电站站址坐标。 2 3 3 定量分析方法 目前国内变电站站址优化领域采用的定量分析方法主要有：模糊分析法比帅、 层次分析法n 、专家决策系统决策法、数字图象滤波方法日等基于计算机辅 助分析的启发式方法，基于数学全局优化算法、智能优化算法( 遗传算法、模拟 退火算法) 的运筹学连续选址方法口2 1 等。采用各类定量分析的方法可以解决电 网规划中多目标的决策问题。 ( 一) 基于计算机辅助分析的启发式方法 模糊分析法和专家决策系统方法在变电站站址的优选中已经得到了广泛的 研究和应用。应用专家系统，将与变电站选址相关的知识分类、分层次以规则的 1 4 浙江大学硕士学位论文 形式存放于专家系统的知识库，然后选择合适的综合评判模型( 如模糊综合评判、 基于证据理论或数据融合技术的综合评判模型) ，对各候选站址进行评判决策， 确定最优的变电站站址。 启发式方法虽然可以实现多目标的优化，但由于实际工作中的不确定因素和 不完全信息很多，评定的准则也多样化，加上定性分析，会影响到解的最优性， 而且模糊评价法如果选用的综合评价模型不当，也会丢失信息。 ( 二) 基于数学优化算法的运筹学连续选址方法 在运筹学中，选址问题可以分为两种不同的类型：第一类是单源选址问题， 第二类是多源选址问题。单源选址问题是对于位置已知的若干个现有设施，找出 单7 的一个新设施的最优地址；多源选址问题是对于已经知道的若干现有设施， 找出两个或更多的新设施的最优地址。 对于单源连续选址可以采用区位理论”的数学模型，即所求目标函数( 比 如投资费用等) 对坐标求偏导，令其为零：由于无法用显式求解，可用数值迭代 方法求得正确的解。多源连续选址问题比单源问题要困难的多。如果那些固定的 已知位置称作“终点”，多源选址问题的一般提法是：已知各个终点的位置、各 个终点的需要量和有关区域内的运价，求源的个数、各个源的位置、将终点分划 给各个源的情况和各个源的容量，以上求的各项数值应该使供应物资或提供服务 所需的总费用最小。其解法有两种：随机终点法和交替选址一分配法。 数学全局最优化的求解方法有：1 ) 枚举法或覆盖法，它要求在可行域内遍 历搜索，找出全部精确的全局最优解；2 ) 随机搜索法，它在可行域内从初始点 开始进行一系列的随机方向搜索，这些方向是均匀分布的，并以一定的概率接受 使目标函数值下降的搜索点，直到结果满足精度要求为止；3 ) 聚类法，它是先 搜索出每个局部最优解和所对应的区域，再用聚类分析法使其跳出局部最优解； 4 ) 最速下降法，它是一种防止不必要的局部搜索的方法，在可行域内连续随机 取点直到找到更小的目标函数值为止；间接优化法，包括近似水平法和近似目标 函数法u 4 1 。这些数学优化求解方法受计算机内存和计算速度的限制，并且经过 一些近似和假设处理，受主观因素影响较大，使求解结果在客观上不具备最优性。 目前，通常应用智能优化算法来寻找数学全局最优解，应用较多的有遗传算 法3 “3 2 1 、模拟退火算法，这些算法的具体介绍见本文1 2 4 节。 浙江大学硕士学位论文 2 4 本文站址优化方法介绍 在相关研究的基础上，本文掇出了程负荷需求、线路容量、变电站数量和容 爨确定的愤况下，专门针对变电站站址簿谯问题的鼹除段优化艇划科学实用方 法。寻找新建变电站的位匿坐标。使规定的单个或多个目标值( 如年综合计算费 怒、线损、变毫懿躲避理琢凌帮挂会效盏镰) 达到最垅，著实理毫网夔整傣傀纯。 计算机优化阶段：在不考虑地理信息的条件下确定变电站初始规划方案，将 缀济评徐法中赘凝小费掰法雩| 入翘交电懿站址邃择中，阻交电菇避出线投资及线 路能耗折算综合费用最小为目标函数，对变电站站址的综合费用进行量化分析， 确定变电站站址驰初始选择方案( 经济性璇优) ，作为下一阶段站址优纯调整的 基础和依据。 专家优化调熬阶段：详细计及初选变电站的闵边地理条件，根据变电站初始 位霆附近嬲地理祭l 牛，确定几个可行螅变电站续选站垃：采翅a 董p 法对蛞壹地理 适应度进行评判，结合经济适应虞指标，全面评估新建多个或多级变电站的整体 经济缝鞠潼理溪缝疆标，罨褥整体综台逶应疫最大戆缀台方案，霹虿魂定多令或 多级变电站站址的最终优化方案。 交电站站缍鹣两酚段优化蕊翔方法惑充分发挥了计算机的功能，秘爝数学谯 化模型对可量化的因素进行描述求解，又考虑规划设计人员的经验和判断能力， 对一些难以量纯的因素进行实用他处理。从理论上讲，也许很难证明它是嫩优的， 但就目前的技术水平来谎，它是合理的，可霉亍的，也比较现实。 6 浙江大学硕士学位论文 第3 章变电站站址多目标规划的两阶段优化方法 变电站规划工作中，变电站主变数量、容量的确定与变电站站址的选择一般 是分开进行的。本文假设待建变电站主变数量和容量、变电站供电区域、进出线 线路情况都已经确定，专门进行变电站站址寻优规划工作。 由本文前面内容的介绍与分析可知，传统的规划方法很难对其进行全面、准 确、科学地规划。随着电力系统的不断发展，进行变电站规划时涉及到的因素也 越来越多，因此在规划时需要考虑多个目标，而这些目标有时是具有不同重要性 甚至是相互矛盾的指标，因此需要合理地解决各个目标之间的冲突。在选择变电 站站址时，经济性指标最优( 投资和损耗费用最低) 只是众多优化目标之一，必 须同时兼顾变电站站址的环境效益( 地理适应性指标) 和社会效益。 本文从科学、实用的角度出发，提出了解决变电站站址多目标规划的两阶段 优化规划方法，在某一负荷大小及布点确定的区域内寻找最适合建造变电站的坐 标位黄，通过两阶段优化规划方法求得经济性指标和地理适应性指标综合最优的 组合方案，实现多级电网的整体优化。 3 1 前期工作 3 1 1 电力负荷预测 电力负荷预测是电网规划的