（电力系统及其自动化专业论文）考虑可靠性的配电网网架规划研究.pdf

i i i abstract with the high speed development of the economy and the increase of people s living standard，electric power demand increases quickly and in the process many problems of distribution network are exposed. distribution networks urgently need to construct and rebuild. therefore it is necessary to carry out research on distribution network optimal planning. how to connect the network properly under the circumstance of specific power loads and transformer substations is an important topic. the specialties of the network system are introduced in this paper. mathematics models of distribution network structure optimal planning considering the reliability worth is presented, the objective of which is to minimize the sum of investment cost, operation cost and outage cost. the m athematics models can efficiently incorporate the economy and reliability of distribution network optimal planning, and collaborate the benefit of power supply company and customer, and it is fit for distribution network optimal planning in the electricity market environment. the minimal path method is used to evaluate distribution network reliability to obtain reliability cost indices. genetic algorithm(ga) is introduced to the distribution network optimal planning. then, the theory of ga is discussed. in view of the characteristics of distribution network planning problem, the traditional ga is modified: using real decoding and sequence value of real relative size is used as gene value to avoiding possible whole deviation; distribution network is subjected to radiation structure, and in order to deal with this constraint, the theory of minimum spanning tree is introduced, and the spanning tree of the alternative network is taken as the initial solution.; with ranking selection ,which is not related to absolute value of individual fitness value, but relative size of fitness value, the change of scale is avoided in process of population evolution; the smallest maintenance generation of the best individual is adopted as rule convergence, which this rule is more reasonable and quickly than the traditional ga rule convergence. at last，the dissertation designs planning program including three modules (module for power flow algorithm based on forward/backward sweep; module for network reliability evaluation based on minimal path; module for optimal planning based on genetic algorithm)using matlab6.5 development platform. the proposed algorithm has been validated on test system. key words: distribution network planning network structure optimization i v genetic algorithm reliability i 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 1 引 言 随着经济的高速发展，用电负荷需求量大而且集中，对供电质量、可靠性的要求 大幅提高，普遍出现配电网不能充分满足各方面要求的现象，充分暴露出由于过去没 有得到足够的重视、致使配电网的建设严重落后于经济和社会发展的问题。 电网规划正是电力工程前期工作的重要组成部分，科学的配电网规划，可以降低 系统的网络损耗，提高系统的供电可靠性，极大提高电网的运行效益。2003 年国家 电网公司制定了国家电网公司电网规划设计内容深度规定（试行） ，以规范电网规 划设计工作，界定电网规划设计工作范围和重点，有针对性地开展工作，借鉴以往开 展电网规划设计的经验，建立电网规划设计滚动机制。在许多科研学者努力下，配电 网络规划研究己经取得了一系列的成果，但由于配电系统本身的复杂性、发展的不平 衡，不同地区配电系统在网络结构、运行方式、设备水平、用户需求等方面具有不同 的特点，对配电网络规划的要求、内容和目标也各不相同。有的方法对大规模的配网 规划计算时间太长，有的方法得到的结果并不适用于实际电网规划，有的方法不可以 用于涉及电网改造的配电网络规划， 有些方法没有考虑配网供电可靠性的要求。 因此， 还需针对配电系统开展大量的研究工作，深入研究配电网络规划的各个研究领域。 本文将对配电网网架规划进行研究，规划模型同时考虑经济性和可靠性，综合考 虑投资、运行费用和停电损失费用最小方法来进行方案决策，采用改进的遗传算法寻 找最优的网架结构。 2 1 绪论 1.1 配电网规划的背景及意义 配电网的任务是把从电源或输电网获得的电能直接分配给不同电压等级的用户， 整个电力系统对用户的供电能力和质量都必须通过配电网来体现， 导致配电网对用户 供电质量和供电可靠性的影响也最为直接。随着社会和经济迅速发展，我国电力需求 量越来越大，电网规模也在不断扩大。对电能质量、供电可靠性要求越来越高，而我 国配电网建设却不能适应城市经济社会发展的需要，其原因是经济增长迅速，而电网 发展缓慢，表现在设备陈旧、供电容量不足、电网结构不合理、可靠性差、电能质量 低等方面1。充分暴露出由于过去没有得到足够的重视、致使配电网的建设严重落后 于经济和社会发展的问题。 因此，做好电力工程建设的前期工作，调整其建设进度，优化其设计方案，其意 义尤为重大。电力系统规划正是电力工程前期工作的重要组成部分，它是关于单项本 体工程设计的总体规划，是具体建设项目实施的方针和原则，是一项具有战略意义的 工作。电力系统规划工作应在国家产业和能源政策指导下、在国民经济综合平衡的基 础上进行，首先应该进行长期电力规划，经审议后在此基础上从电力系统整体出发进 一步研究并提出电力系统具体的发展方案及电源和电网建设的主要技术原则。 电力工 业的发展速度及其经济合理性不仅关系到电力工业本身能源利用和投资使用的经济 和社会效益，同时也将对国民经济其他行业的发展产生巨大的影响。正确、合理的电 力系统规划实施后可以最大限度地节约国家基建投资， 促进国民经济其他行业的健康 发展，提高其他行业的经济和社会效益。科学的配电网规划，可以降低系统的网络损 耗，提高系统的供电可靠性，极大提高电网的运行效益。国外专家认为规划的效益是 总投资额的 5%左右，经济效益十分巨大，配网规划是电力企业战略发展规划的重要 组成部分。 2003 年国家电网公司制定了国家电网公司电网规划设计内容深度规定（试 行） ，以规范电网规划设计工作，界定电网规划设计工作范围和重点，有针对性地开 展工作，借鉴以往开展电网规划设计的经验，建立电网规划设计滚动机制。并对 93 版的城市电力网规划设计导则进行修改、补充和完善，以适应城网发展的需要。 2005 年国家电网公司开始对南京和青岛两个城市开展城市电网规划国际咨询工作， 以充分借鉴国外先进的城市电网规划理念、思路和方法，消化吸收国际先进经验，建 立城市电网良性发展机制，提高电网规划水平；并推广了青岛、南京城市电网规划国 际咨询成果，将咨询成果和规划经验推广到各地市供电公司。 1.2 国内外研究现状 配电网规划是指在分析和研究未来负荷增长情况以及城市配电网现状的基础上， 3 设计一套系统扩建和改造的计划。在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情况下， 对可能的各种接线形式、不同的线路数，以运行经济性等为指标，选择最优或次优方 案作为规划改造方案，使电力公司及其有关部门获得最大利益的过程。在以往的电网 规划工作中，往往是按照导则及一定的编写模式，根据规划人员的经验进行规划，虽 然各种因素能够得到平衡和综合考虑，但规划人员的经验、精力、主观性和所掌握的 资料的有限性使规划的科学性和准确性受到影响， 结果是规划对实际生产建设所起的 指导意义不大，权威性不足。这使得我国的配电网电网处于不断的“ 改造” 状态，造成 了资金的巨大浪费，不能很好地满足广大用户的要求。造成这种现象的主要原因是缺 乏对现有电网科学评估，对电网存在的问题往往停留在定性的描述上，无法定量给出 严重程度与具体位置。传统的可行性研究主要针对单个或者几个相关电网建设项目， 缺乏从电网整体角度的分析论证，难以得到全局的优化方案。 因此需通过科学的手段开展配电网规划工作，为提高配电网规划、建设及改造的 科学决策水平，合理利用资金，有必要利用基于概率理论的方法对配电系统进行可靠 性评估，即通过计算用户停电损失，采用综合考虑投资、运行费用和停电损失年费用 最小的方法来进行方案决策。实践表明2- 5，这一技术不但可获得显著的社会效益， 而且也取得了重大的经济效益。 电网规划是一个相当复杂的问题，它需要确定的决策不仅量大，而且这些决策在 时间及空间上是相互影响的。目前，限于各方面条件，尚无法将其统一在一个模型中 考虑。只能将其分解成相对简单的子问题，再通过子问题间的迭代进行协调。电网规 划可以按照时间长短分类，也可以按照问题不同划分。 按照时间划分，电网规划可分为：远景规划（16- 30年） ；中长期规划（6- 15年） ； 短期规划（1- 5年） 。 远景规划通过对未来各种发展情形的简单分析， 给出根据环境参数进行技术选择 的一般原则，并做出最后的初步选择（比如，选择电压等级、输电方式等） 。远景规 划一般相对于一个较长水平年（如16- 30年） 。 短期规划用于制定网络扩展决策，确定详细的网络方案。它一般针对一个较短的 水平年（如5年） ； 中长期规划介于两者之间，它用于估计实际电网的长期发展或演变（比如6- 15 年） 。在这3个部分中，它起着重要的作用，一方面，远景规划所作出的技术选择可通 过长期网络实际状况进行修正。另一方面，它又可以指导短期规划，确保短期决策同 中长期电网发展相一致。反过来，中长期规划中所引入的一些假设可通过更精确的分 析或短期规划得到验证。 配电网规划的基本要求有： 4 1）要有稳定可靠的供电能力：配电网的电压范围很宽，覆盖面很广，它直接联 系着广大用户。配电网要有充足的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其 对经济发展迅速的城市和地区，电网对供电能力要予以特别重视。一般来说本地电源 是有限的，要求电网有很强的接受外电的能力，因此要从电网结构上采取必要措施， 当网内电源或主要变电站发生事故时，能迅速从区外获得补充电源。 2）要有较大的灵活性和适应性：在电网规划设计中，配电网的灵活性和适应性 观念尤为重要，因为经济发展既是一个系统工程又是一个动态工程，包含着许多相互 制约的不确定因素，远期发展目标不可能全部预见且在蓝图上全部确定下来，因此要 求配电网网架结构具有足够的弹性 (包括有足够的设备容量)，在各种可能出现的运 行方式下的应变能力。在制定各阶段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性，即发 展过程中过渡方式。 3）经济性：在配电网建设中始终要十分重视经济性这一点，但是评判经济性的 准则不尽相同，因而结论也不同。不能仅把电网建设的初始投资作为唯一考核指标， 要以电网发展建设的总体效益来衡量。 4）网架结构分层分片： 随着电力的高速发展，电网的不足之处暴露出来了。这 些都是事故的隐患。因此在配电网规划时必须认真地加以解决。首先应从网络结构上 采取措施，而不是从电器设备选择上考虑。把一个几百万至上千万千瓦的配电网分隔 成既独立又相互联系的几个片。片与片之间有恰当的交换容量，保证必要时能相互支 持。 5）简化接线、增大容量：长期以来，认为简单接线只适用于某些非重要用户。 然而当今电网的发展趋势要求配电网(包括城市电网)采用简单的接线形式。长期运行 经验也表明复杂接线并不能提高可靠性，在一定程度上反而会降低可靠性；另外，电 力技术的发展使得电器设备更加可靠、功能更强，这为简化接线，为变电站小型化、 标准化创造了条件。 配电网本身拥有大量线路和负荷，其分布范围广，考虑的因素多，且配电网网架 规划具有如下特点6： 1）非线性：线路的投资费用、可靠性等指标以及规划过程中的潮流算法都是非 线性的。 2）整数性：电力线路的建设与投运是0- 1性质的，即要么没有，要么有，不存在 一个过渡状态。正是由于这种不连续性，给分析和处理带来了很大的难度 3）不确定性：配电网的规划很大程度上依赖于负荷预测值，而负荷预测值的准 确性有待将来的验证。投资费用也因为物价变化存在不确定性，同时在社会和经济发 展过程中还存在其他各种不确定因素。 5 4）多目标性：配电网网架规划既要求投资费用少，同时需满足可靠性高、网损 小等要求，这样就存在一个如何综合衡量多个目标的优劣的问题。 5)多阶段性：配电网的规划工作既要满足系统的当前需要，同时也要考虑到当地 经济的发展和负荷的增长。进行配电网改造时，应避免短期行为和盲目性，从长远角 度综合考虑电网布局， 即要求在现阶段的规划中应计及各待架线路对以后各阶段的影 响。因此，从数学上讲，网架规划是一个动态多目标不确定性非线性整数规划问题。 要想解决这个复杂的问题，不进行一些技术上的假设和简化是不可能的。根据简化手 段的不同，国内外学者提出了多种规划方法，经典的数学优化方法：线性规划、整数 规划、非线性规划及动态规划法等7- 8；以及在此基础上发展起来的局部搜索法，支 路交换算法8- 12、禁忌搜索13- 15、模拟退火算法16，遗传算法17- 20等，但各方法均有 优缺点。下面给出的这几种已有方法的简单评价： 局部搜索方法：通过选取问题的某一可行解，构造某个邻域，然后在该邻域内按 某种方式进行搜索，以找到另一较好的可行解这样的方式进行迭代。局部搜索法是一 类基本启发式搜索算法，局部搜索算法往往有陷入局部最优的缺点。 支路交换算法： 对辐射结构配电网重复进行支路交换，直到目标函数值最好为 止，用这种方法只能达到局部最优解，未能较好的满足问题的全局最优的要求。 禁忌搜索：通过标记已得到的局部最优解，并在进一步的迭代中避开这些局部最 优解。为了避免局部搜索算法在搜索时重复前面的工作，在局部搜索算法中采用禁忌 技术，来避免局部搜索陷入局部最优的缺点，禁忌搜索算法是一种全局寻优的算法。 在具体设计禁忌算法时，需要针对实际问题，对一些参数和规则进行恰当设计。如禁 忌表的长度、评价函数的构成及中止规则等等。 模拟退火算法：退火方法模拟物理退火这一过程，将最小化的目标函数的值类似 于热力学系统中的能量。 温度高时， 有可能接受一个具有较高能量的新点。 温度低时， 算法只在局部点处产生新点，它接受较高能量的新点的可能性很小。模拟退火算法克 服了局部搜索法局部最优的缺点。但它也同样面临解的表示和邻域结构设计问题，这 要针对具体问题特点进行设计，好的设计方法能使算法只在可行解域内进行搜索，否 则，会扩大搜索空间，增加搜索时间。 遗传算法：一种模拟自然界进化过程来搜索最优解的算法。遗传算法主要借用生 物进化中“适者生存，优胜劣汰”的规律。遗传算法不依赖优化问题本身，在寻优过 程中，只与搜索空间中检查过的点有关，并逐渐拓宽搜索空间以找到最优点。而且不 管求解问题的本身如何，都是通过执行同样的、极其简单的选择、杂交和变异三种遗 传操作来完成它的搜索。基本上不利用搜索空间的知识或其它辅助信息，而仅用适应 度函数值来评估个体，并在此基础上进行遗传操作。遗传算法主要缺点是其编码不规 6 范，特别是不能把问题的约束条件表示出来，且易陷入局部收敛。像其他智能算法一 样，遗传算法具有其自身的优缺点，在算法设计时需充分利用问题的特点，针对问题 特点对其进行相应的改进，因此本文在求解网架规划问题事，对传统遗传算法进行了 改进。 1.3 本文主要所做工作 本文在对配电网网架规划问题进行研究时， 综合考虑电网建设投资运行费用和电 网供电可靠性，针对网架优化模型的特点，采用遗传算法求取规划结果。主要做了如 下工作： 1）介绍了可靠性计算的评估方法，采用最小路法计算配电系统可靠性指标。 2）介绍了配电网网架规划的基本准则，研究了配电网网架规划模型，一种是常 规的配电网网架规划模型， 即以线路投资费用及折旧维修费用和网络年运行费用的经 济指标为优化目标，以配电网的辐射性、线路传输容量、电压降等为约束条件。另一 种是在常规模型的基础上， 考虑了可靠性指标的影响。 并介绍遗传算法的形成与发展、 基本原理、基本理论以及基本流程。 3）结合常规配电网网架规划问题的特点，提出一种改进的配电网网架规划遗传 算法。为满足配电网辐射性约束，采用最小生成树算法进行解码。 4）将所提出的改进算法应用于求解两种配电网网架规划模型，通过算例验证了 该算法的有效性。 7 2 基于最小路的配电网可靠性计算 配电系统可靠性(distribution system reliability)是指供电点到用户，包括变电所、 高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足用户 电力及电能量需求能力的度量。可靠性是与供电质量有关的一项基本指标，可靠性分 析不仅要比较可靠性的相对水平， 而且还要评价提供某种特定可靠性水平所需要的费 用。采用成本/效益研究，可以决定是否采用某种具体的结构来解决特定的问题，可 靠性分析也可以用于制定可靠性的方针和政策。 配电系统可靠性研究具有如下几个特点21： 1）配电系统处于电力系统的末端，直接与用户设备相连接，配电系统可靠性指 标实际上是整个电力系统可靠性的综合反映。因此，研究配电系统可靠性时，不仅要 考虑配电系统及其设备自身的结构、特性及状况，而且必须考虑发电、输变电等上级 系统及设备以及用户设备的结构、特性及状况可能带来的影响。配电系统可靠性指标 的统计、分析、评价、预剩评估，以及为了改善和提高配电系统可靠性的对策和措施， 都必须立足于整个电力系统，全面和全方位地加以考虑。 2）配电系统是电力系统向用户供应电能和分配电能的最终环节，因此配电系统 可靠性研究必须以改善和提高配电系统对用户供电的能力和质量为目的。 3）配电系统设备分散、点多面广，外界环境和气候条件的影响极大。同一类型 设备的特性和状态，可能因安装和使用的位置和地区，负荷的性质和大小不同而有所 不同。因此，配电系统可靠性的研究必须从系统观点出发，全面地、全过程地加以研 究。 4）配电系统的结构，设备的型号、规格、容量和数量的大小是随用户及负荷的 增长相变化而不断改变的，而且常因检修方式的不同而更换和改变。其系统和设备的 特性数据及指标必须通过较长时间的统计才能反映其统计的规律性。 5）配电设备是构成配电系统的基础，配电系统的可靠性取决于配电设备的特性 及其组合的方式。 但是配电系统的结构型式和运行方式是多种多样的， 有放射式结构、 双回路或多回路结构、双电源结构、环形及网状结构以及多分段多联络的结构等。因 此，设备故障或缺陷有的可能直接对用户产生影响，有的则可能不会产生影响。为了 全面地反映和掌握设备和系统的特性，必须对配电设备的特性数据进行连续地统计。 2.1 可靠性评估方法 目前工程上普遍应用的电网可靠性评估方法有模拟法和解析法两大类。 2.1.1 解析法 解析法描述了存在于实际系统中的因果关系，采用较严格的数学模型和算法，在 给定的假设条件下，一般可求得准确的结果。在解析法中，故障状态的选择是通过故 8 障枚举法来实现的，即通过故障枚举法首先选择一个停运状态，对此停运状态进行评 价，采用相应的优化补救措施:然后进行再判断，并根据其可能引起的后果进行适当 的切负荷;最后计算该状态对可靠性指标的影响。枚举所有的故障状态，就能得到所 求的可靠性指标。 当元件故障比较少但有重大影响时，且元件数目不太多时，解析法可以充分发挥 其物理概念清楚、模型准确的优点，计算准确，结果理想。但随着元件数的增多，计 算量呈指数增长，当系统规模大到一定程度时，系统数学方程式会变得十分复杂，因 而需要进一步地简化或近似，许多的近似技术因此就发展起来以简化计算过程，得到 近似结果。解析法原理简单，而且便于有针对性地进行不同元件性能对电网可靠性的 影响分析，已广泛应用于配电系统可靠性评估,下面简要介绍以下几种： 1）故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis,缩写 fmea)22 故障模式后果分析法使用较为广泛，且己经实践证明比较切合实际，能够反映配 电系统结构和运行特性的，以元件组合关系为基础。所谓故障模式后果分析法，就是 利用元件可靠性数据，在计算系统故障指标之前先选定某些合适的故障判据(即可靠 性准则)，然后根据判据将系统状态分为完好和故障两大类的一种检验方法。具体做 法是建立故障模式后果表，查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合分析。它 是分析配电系统可靠性的基本方法，不仅适用于简单的放射状网络，而且可以扩展用 于无论有无负荷转移设备的复杂网络的全面分析及计算所有故障过程和恢复过程。 2）最小路法(minimal path methods ) 最小路法的基本思想是：对每一负荷点求取其最小路，根据网络实际情况将非最 小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响折算到相应的最小路节点上， 仅对其最小路 上元件与节点进行计算即可得到负荷点相应的可靠性指标。可以结合系统的实际配 置，并能指出系统的最薄弱环节，计算效率与 fmea 法相比有了较大的提高，但是 对于由主馈线和分支线组成的相对复杂的系统， 其最小路的求解和简化分析工作非常 复杂。 3）最小割集法(minimal cut- sets methods)23 基于最小割集的故障模式分析方法，对复杂配电网可靠性进行评估，将各元件对 负荷点可靠性指标的影响分为直接割集和间接割集来考虑， 将元件的故障模式对系统 的后果影响限制在最小割集范围内，提高了评估效率；虽然最小割集相对于最小路， 在其计算量上有所减少，但是对于复杂的大型配电系统来说，求取最小割集仍是非常 费时的。 4）网络等值法24- 26 实际的配电网往往由主馈线和副馈线构成，对这种结构比较复杂的配电网，可以 9 利用可靠性等值的方法将其等值为简单的辐射形配电网，从而简化计算， 按系统的馈线数对其进行分层处理，每一条馈线及该馈线所连接的各种元件(包 括隔离开关、分段断路器、熔断器、分支线等)均属同一层，每一层都可以等值为一 条相应的等效分支线。等效过程包括向上和向下等效过程两个步骤：向上等效即将分 支馈线对上级馈线的影响用一个串在上级馈线中的等效节点元件来代表； 向下等效即 将上级馈线对下级馈线的影响用一个串在下级馈线首端的等效节点元件来代表。 2.1.2 模拟法(蒙特卡洛法) 2729 基于计算机随机实验的蒙特卡洛仿真法在欧洲应用较多，它具有以下优点: 1）蒙特卡洛法比解析法更能准确地对复杂系统进行建模； 2）其采样次数与系统的规模无关，所以进行复杂系统的可靠性评估时具有很大 的优越性； 3）该算法不仅能够计算可靠性指标的期望值，还能计算它们的概率分布； 4）可以发现一些难以预料的事故，并可反映负荷的随机变化特性。 采用蒙特卡洛法对电力系统进行可靠性评估时，根据是否考虑系统状态的时序 性，将其分为序贯仿真、非序贯仿真和准序贯仿真。该仿真法计算结构简单，能够计 及相关事件的影响，并且计算复杂性受系统规模的影响很小，适合于求解比较复杂的 系统，但其计算精度与计算时间紧密联系，为了获得较高的计算精度必然需要耗费大 量计算时间。 因此， 许多学者在蒙特卡洛仿真法的基础上提出了改进算法， 如文献30 提出了通过控制变量法来减小样本方差的改进方法， 并且综合考虑了影响抽样结果准 确性和计算速度的诸多因素， 从而提高计算速度;文献31采用重点抽样方法来减少抽 样方差，从而在保证计算精度的同时，显著减少抽样次数和计算时间，提高了蒙特卡 洛方法的实用性。 2.2 配电网可靠性分析指标 配电系统可靠性的评价标准是多方面的。用户的供电质量往往是受到停运频率、 停运持续时间以及其它因素的影响。因此，至少可以从两个方面来分析配电系统的可 靠性。对用户而言任何一个用户均希望对它能充分保证供电，不受到停电的影响。因 此，用户感兴趣的可靠性指标是供电服务的质量；对供电部门而言感兴趣的指标则是 对系统所有用户的平均服务质量或最差供电指标。 2.2.1 配电系统负荷点侧可靠性指标 反映各负荷点的可靠性指标有三个： 1）年故障停运率(次/年)：指负荷点在一年中因电网元件的故障而造成停电的 次数。负荷点指标的大小说明了该负荷点供电的可靠性程度：即负荷点的年停电次数 越多，供电越不可靠。 1 0 2）平均停运持续时间（小时/次） ： 指从停电开始到恢复供电这段时间的平均 值。在一定程度上说明了在停电事故发生后恢复供电的类型，在有备用电源、备用元 件可供切换的情况下，其停电后恢复时间较短，值也较小。 3）年平均停运时间（小时/年） ：指负荷点一年内停电的时间总数。它反映了 该负荷点供电的可靠性。值越大则系统对负荷点的供电越不可靠。 目前,我国的配电系统多为环形设计开环运行,即主要为辐射形系统. 因此,可以按 以下公式计算 si = （2.1） （2.2） （2.3） 式中： s 为系统的平均停运率 （次/年） ； s 为系统的平均年停运时间 （小时/年） ； s 为系统的平均停运持续时间（小时/次） ； i 为元件i的故障率（次/年） ； i 为元件i 的平均故障修复时间（小时/次） ； 2.2.2 配电网系统侧可靠性指标 系统可靠性指标对整个系统的可靠性进行总体评估， 反映了系统停运的严重程度 和重要性。 1）系统平均停电频率 saifi（system average interruption frequency index） （次/ 用户年） saifi 是指每个由系统供电的用户在单位时间内的平均停电次数： （2.4） 式中： i 为负荷点 i的故障率， i n 为负荷点 i的用户数。 2）用户平均停电持续时间 caidi（customer average interruption duration index) （小时/停电用户年） caidi 是指单位时间内每个受停电影响的用户在每次停电中所持续的时间。 它反 映了该系统内停电用户的电源、设备的备用情况： （2.5） 式中： i 为负荷点的故障率， i u 为负荷 i的年平均停运时间， i n 为负荷点 i的用 户数。 3）系统平均停电持续时间指标 saidi （system average interruption duration index) （小时/用户年） i s i i n aifi n = 用户停电总次数 用户总数 i u i ii n caidi n = 用户断电持续时间总和 用户断电总次数 ii s s si = sii = 1 1 saidi是指系统中运行的用户在一年时间内经受的平均停电持续时间， 可以用一 年时间内用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由配电网供给的用户总数求得。 （2.6） 式中： i u 为负荷点 i的年平均停运时间， i n 为负荷点 i的用户数。 4）平均供电可靠率asai asai是一年中用户的用电小时数与用户要求的总供电小时数之比： （2.7） 式中： i u 为负荷点 i的年平均停运时间， i n 为负荷点 i的用户数。 5）平均供电不可靠率asui 1asuiasai= （2.8） 2.2.3 系统可靠性经济指标 配电系统进行可靠性效益分析时一般采用以下三个指标进行有关的经济性的评 价： 1）期望缺供量 eens（kwh/a） 期望缺供量(eens)是计算负荷停电损失的一个重要指标，它是在研究的一段时 间内，由于供电不足引起负荷停电而造成的电量损失，即指系统或负荷点在评估年中 因停电而造成的电量损失。计算公式为: ( ) ai eensl i u= （2.9） 式中：( ) a l i 为负荷点 i处的平均负荷， i u 为负荷点 i的年平均停电时间。 2）年停电损失费用期望值 ecost ecost是指系统或负荷点在评估年内因停电而造成的费用损失。计算公式为: （2.10） 3） 停运能量评估率 iear 停运能量评估率是停电费用与停电电量之间的比值， 用于比较不同负荷点或系统 的可靠性效益。 /iearecost eens= （2- 11） 2.3 最小路可靠性评估方法 最小路的可靠性评估方法的基本思想是：先求出每个负荷点到电源电的最小路， 这样整个系统的元件便可分为最小路上元件和非最小路上元件2类。将非最小路上的 i u i i n saidi n = 用户断电持续时间总和 用户总数 i 8760u 8760 ii i nn asai n = （）用户用电小时数 用户需电小时数 ( ) a ecostl ic= 1 2 元件故障对负荷点的影响，根据网络的实际情况，折算到相应的最小路上，从而对于 每个负荷点， 仅对其最小路上的元件与节点进行计算即可得到负荷点相应的可靠性指 标。 2.3.1最小路的数学定义 最小路数学上定义： 连接任意两个节点间的所有有向弧或无向弧的整体称为这两 节点间的一条路，如果一条路中移去任意一条弧后就不再构成路，则称这条路为最小 路，由最小路组合的集合称为最小路集。如图2.1所示，根据以上定义，在输入点1和 输出点2之间的最小路有: x1,x5,x2,x7,x1,x3,x6,x2,x4,x6,x2,x4,x3,x5 x1,x3,x4,x7。 图2.1 最小路定义图 2.3.2求取最小路 对于系统的最小路的判别方法有32： （1）联络矩阵法； （2）布尔行列式； （3）搜 索法。前两种方法都不适合程序化，最后一种搜索法适于计算机判别网络最小路。文 献33采用广度优先搜索法由网络的输入节点开始依次向输出节点搜索，找出全部最 小路。不难理解，由于所研究的配电系统是辐射状网络，所以正常运行时每个负荷点 到电源点的最小路只有一条。且除根节点外，其他节点均有且仅有一个父节点，所以 本文从各子节点开始向上搜索，访问当前点的邻接顶点，然后再从已访问的邻接顶点 继续搜索，直到电源点。这样实现起来更为简单。如图2.2所示，各负荷点lp1、lp2、 lp3及lp4到电源的最小路的最小路分别为： （a- 1）,（b- 2- 1）,（c- 3- 2- 1）,（d- 4- 3- 2- 1） 。 图2.2 简单的辐射形配电系统 1 3 初始数据结构为：首节点号，末节点号，故障率，故障修复时间，线路是否有 断路器（熔断器） ，线路是否有分段开关。 其中有断路器（熔断器）用1代表，无断路器用0代表；线路无分段开关则为0， 有则为开关操作时间。 2.3.3算法基本原理34- 36 以上述简单辐射形系统(如图2.2)为例来说明评估的具体方法。首先,求取每个负 荷点到电源点的最小路。 a. 对于最小路上的元件,处理原则如下： 1）如果系统无备用电源，那么最小路上的每个元件发生故障或检修, 均会引起 负荷点的停运，参与计算的为元件停运率和停运时间。如图2.2中,负荷点lp1最小路 上的线路1和a故障都会引起负荷点2的停运； 2）如果系统有备用电源且主馈线上装有分段装置 (隔离开关或分段断路器 )， 那么分段装置前的元件发生故障引起的后段负荷点停运时间仅为maxs，t 其中s 为分段装置的操作时间，t为备用电源的倒闸操作时间，并且前段元件的检修不会引 起后段负荷点的停运。图2.2中，主馈线1或2故障，负荷点lp3停运时间仅为maxs， t，若分段装置qf2后的主馈线3故障，负荷点lp3的停运时间则是主馈线3的修复时 间。 b. 对于非最小路上的元件，采用以下原则计算: 若主馈线上装有隔离开关或分段断路器，则先求每个非最小路元件到电源的最 短通路，并且找到通路上从元件出发的第一个开关或分段断路器，再判断开关或分段 断路器是否位于负荷节点的最小路上： 原则1： 如果通路上第一分段装置或熔断器不在负荷点的最小路上，则非最小路 元件发生故障所引起的负荷点停运时间为分段断路器的操作时间， 并且检修不会引起 前段负荷点的停运。以图2.2为例，如主馈线3 、4上元件故障，由于其到电源通路上 的第一个开关或断路器qf2不在负荷点lp2的最小路上， 则它们引起负荷lp2的停运时 间仅为分段装置的操作时间s（熔断器或断路器时间为0） ，并且检修时负荷2不停运。 原则2：如果通路上第一个开关或分段断路器在负荷点的最小路上，则开关不起 作用，元件发生故障所引起的负荷点停运时间为元件停电时间。如图2.2中,馈线a发生 故障，由于其到电源的通路上的第一个开关或断路器为qf1，并且在负荷点2的最小 路上，则qf1不起作用，馈线a故障或检修引起负荷lp2停运，停运时间就为馈线a的 停运时间。 具体流程如下： 1 4 图 2.3 最小路法可靠性计算流程 2.3.4 可靠性计算算例 采用上述可靠性评估流程对ieee rbts母线6进行了验算， 该系统有23个负荷点、 23个配电变压器、4个断路器及1个分段开关，其接线图如图2.4所示： 数据读入 对负荷点 i（i=1 开始遍历） 判断是否到达电源 搜索其的父节点，记录最小路上支路 按最小路上元件处理原则计入负荷点 i的可靠性指标 原父节点作为新的子节点 搜索负荷点 i的所有非最小路上的元件到电源点的最小路 判断是否有分段装置 按非最小路上元件处理原则 2计入负荷点i的可靠性指标 按非最小路上元件处理原则 1 计入负荷点 i的可靠性指标 否 是 是 否 所有负荷点遍历完 是 否 计算系统可靠性指标 1 5 图2.4 ieee rbts母线6馈线f1 表 2.1 系统的可靠性指标 可靠性指标 结果 系统平均停电频率 saifi（次/户? 年） 1.9778 系统平均停电持续时间 saidi（h/户? 年） 11.0747 用户平均停电时间 caidi（h/户? 年） 5.5994 平均供电可用率 asai 0.9987 系统年缺电量 eens（mwh/年） 57.7904 这种方法原理简单清晰，计算便捷迅速，可以得到系统中各个负荷点的可靠性指 标以及系统的各种可靠性指标。配电系统中设备众多，接线方式复杂多样，运行条件 也各不相同。直接对各种配电系统进行可靠性计算，必然导致计算量过大，计算效率 很低。而且，当配电网十分复杂时，甚至无法得出满意的计算结果。因此，有必要对 实际运行条件进行一些合理的抽象和简化，重点研究某些典型的结构和运行方式，设 置可靠性计算的运算条件， 以满足工程实际应用的需要。 在不影响计算精度的条件下， 作如下假设： 1）由于配电网通常采用环形设计、开环运行的方式，因此，在可靠性计算的过 程中，以辐射状配电网作为典型运行方式进行研究和分析； 2）在配电系统可靠性计算的过程中，所有元件都是可以维修的；组成系统的各 元件均运行在有效寿命期内，其故障率和修复率均为常数，且服从指数分布； 3）研究对象为配电系统，为方便计算，假设发电、输电系统是可靠的，且总能 满足负荷的要求，负荷点的负荷也是恒定的； 1 6 4）当系统中元件处于停运的状态时，与之相连的其它元件不再发生新的故障； 5）系统中各元件发生故障是相互独立的，即仅考虑系统中元件的一阶故障。 1 7 3 配电网网架规划及遗传算法原理 配电网规划中网架规划是在变电站定容选址完成后， 根据系统未来的电源及负荷 水平，确定一个可行的“连线”方案，满足各种约束条件，并且使投资及运行等费用 最少。 3.1 网架结构优化的基本准则 网架结构优化的基本准则如下： 1）具有高经济性。高经济性是进行电网建设的最根本要求，以电网发展建设的 总体效益来衡量。 2）提高配电网整体供电能力。配电网直接联系广大用户，覆盖面很广，供电面 积大，因此应具有充足的供电能力，以满足用户需求不断增长的要求，尤其是经济发 展迅速的城市和地区，对电网供电能力要予以特别重视。 3）提高电能质量和供电可靠性，保证电网安全运行。这是适应电力市场发展的 要求，保证在灵活机制下的高竞争力。 4）要有较大的灵活性和适应性。在电网规划设计中，要求配电网网架结构具有 足够的弹性，包括有足够的设备容量，在各种可能出现的运行方式下的应变能力。在 制订各阶段网架方案时要考虑前后阶段之间的相关性、即发展过程中的过渡方案。 3.2 常规配电网网架规划模型 以网络年费用最小为优化目标，其中包括线路投资费用及折旧维修费用、运行中 的年电能损耗费用。以配电网的辐射性、电压约束、导线电流约束等为约束条件。配 电网网架规划数学模型为: （3.1） 约束条件为： 辐射型约束; 电压约束; 导线电流约束。 式中: f为年费用， lll c=+， l 是线路投资回收率， l 是设备折旧维修率； i z 表示是否新建设备，新建时 i z 取1，否则取0； i t 是支路i的总投资； p c是电价（元 /kwh）;p是整个系统总的网络损耗； max 是相应的年最大损耗时间。 3.3 计及可靠性的配电网网架规划 在确定规划方案时，一般以供电总成本最低为目标，传统意义上的配电网供电总 成本仅仅指的是供电部门的配电网投资成本和运行成本。然而由于供电可靠性不高, 导致发生电力事故,造成配电网供电不足的损失有时非常巨大，因此在进行配电网规 划时必须考虑将来配电网供电的可靠性。随着电力市场研究的开展和深入，配电网供 电总成本不仅包括配电网扩展建设的投资成本、运行成本，还应包括由于配电网供电 可靠性问题导致电力供给不足或中断， 从而造成用户缺电损失， 即需求侧的缺电成本。 缺点成本是供电可靠性水平高低的直接体现，显然，高可靠性与低投资成本是一对矛 max min liip fc t zcp=+ 1 8 盾。如何做出公