（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的配电网网络优化.pdf

g i s b a s e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o n m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：d a i x i a o x i a n ga d v i s o r ：t e n g h u a n w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a nc o n s t r u c t i o n t h el o a d so fu r b a nd i s t r i b u t i o n n e t w o r kh a v ei n c r e a s e da n dt h es c a l eo fi ti sa l s oe x p a n d i n gg r a d u a l l y m o r ea n d m o r el a r g e s c a l et a l lb u i l d i n g sh a v ea p p e a r e di nr e c e n ty e a s ，t h ep o w e r u p ss t y l e a i m e da tt a l l b u i l d i n gl o a d si s i nf e v e ro fs e a r c ha l lt h ew a y ，b u tt h es t y l et h a t s u p p l i e db y lo k vb r a n c h e s d i r e c t l y c a ns o l v et h e m a l p r a c t i c e s r e s u l ti nl o w - v o l t a g ep o w e r - u p p o w e ro ft h e s eb u i l d i n g si s a l s os u p p l i e db yl0 k vb r a n c h e s d i r e c t l y m a n yc i t i e s h a v er e b u i l td i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，b u tt h er e f o r mc a n n o t c h a n g et h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo f t h ew h o l eu r b a nc o m p l e t e l yb e c a u s eo fc o s ta n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h e r e f o r e ，h o wt oo p t i m i z ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hc o n t a i n s 10 k vp o w e rl i n e si nl a r g e s c a l et a l lb u i l d i n g ss oa st om a k ei tr u ni ne c o n o m i ca n d r a t i o n a lc o n d i t i o n sa n da l s op r o t e c tt h eu r b a nl o a da sp o s s i b l e ，h a sb e c o m eo n eo f t h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e m s e o n c e m e d b yp o w e re n t e r p r i s e s t h i sp a p e rf i r s tb r i n g sf o r w a r dt h en e t w o r kt o p o l o g ym o d e ls u i t a b l et ou r b a n d i s t r i b u t i o n ，a n d3 dn e t w o r kt o p o l o g yi sp r e s e n t e db o l d l ye s p e c i a l l ya g a i n s tl a r g e s c a l et a l l b u i l d i n g s b a s e d o nt h i s t o p o l o g y ，t h ew o r ko fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o n c a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：n e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n i nn o r m a l o p e r a t i o nc o n d i t i o na n df a i l u r er e c o v e r ya f t e rn e t w o r kf a i l u r e b o t ho ft h i st w o m e t h o d sa r eb u i l to nt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n ds t i c ko u t e c o n o m i cb e n e f i t sp r e m i s e do n r e l i a b i l i t y s a f e t yt h r o u g hs w i t c ha c t i o n a st ot h e i m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n & f a i l u r er e c o v e r y ，t h ep a p e ra d o p t s i m p r o v e di g a ( i m m u n e g e n e t i c a l g o r i t h m ) a n d h e u r i s t i c a l g o r i t h m t h e i m p r o v e d i g ae n s u r e st h e a s t r i n g e n c y o fa n dw o r ko u tt h eb e s tn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o np l a nb y m e a n so fe v o l u t i o n a r y o p e r a t i o n o f c r o s s i n g a n d d i f f e r e n t i a t i o n w h e nu s i n gi m p r o v e dh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，c l o s et h es w i t c h e so f l a nt of o r mc i r c u l a r i t yc o n f i g u r a t i o na n dt h e ns e e kf o ro p e nc y c l es w i t c h e su n d e r c o n d i t i o n so fg u a r a n t e e i n gt h es a f e t yf l o w ，b r i n ga b o u ts e v e r a lf a i l u r er e c o v e r y p l a n sa n d a tl a s td e t e r m i n et h eb e s t r e c o v e r yp l a ni nt e m l s o f e v a l u a t i o ni n d e x f i n a l l y ，w h e na r c v i e wi sc h o s e na st h eg i ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， 3 dm o d e li su s e dt od e s c r i b et h ea c t u a ld i s t r i b u t i o no ff e e d e rl i n e si nt a l lb u i l d i n g s i nc o n s i d e r a t i o no ft h ei n c r e a s eo ft a l lb u i l d i n g si nm o d e mc i t i e s ，w h i c hp r o v i d e s t h ef a v o r a b l e s u p p l e m e n t a r y f o rt h et r a d i t i o n a l2 dd i s t r i b u t i o n g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o nm a p k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；t o p o l o g y ；n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ；f a i l u r e r e c o v e r y ；g i s 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 1 绪论 电力系统由发电、输电、变电、配电和用电五部分组成。发电厂，特别 是大型发电厂往往远离负荷中心，一般要通过高压或超高压输电网络输送到负 荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的 用户。这种在电力网络中主要起分配电能作用的网络称为配电网络【1 1 。随着我 国经济飞速发展，用电量需求越来越大，而负荷中心却越来越多地集中在配电 网中。按供电的功能来分类，配电网络可以分为城市配电网、农村配电网和工 厂配电网。随着我国大中型城市发展迅速，城市配电网在配电网中的地位越来 越突出，因此本文所指配电网为城市配电网，它的电压等级一般为l o k v 。 配电网络是电力生产和供应的最后环节，配电自动化是整个电力系统自 动化的重要组成部分，其主要任务是保证配电网络安全经济运行。早期配电网 多为单电源点辐射型网络，这种网络结构在安全性、可靠性和经济性等方面都 有很大的缺陷。为了综合辐射型和环形网络结构的优点，一般情况下，配电网 络是闭环设计面开环运行，它是通过在配电线路上配置一些开关实现的i ”。 1 1 课题研究的目的和意义 以最经济的方式向用户连续提供高质量的电能是对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。使用配电网优化能提高配电系 统可靠性，无需新增投资，只对系统开关设备的状态进行优化组合，就可使系 统可靠性在现有设备条件下达到最优，从而带来较大的经济效益和社会效益。 因此，配电网优化具有：降低损耗、提高电压质量、缩短停电时间、缩小停电 面积等意义。 1 1 1 城市配电网存在的问题 ( 1 ) 缺乏完整、及时的配电网基础数据 配电网中设备数量多，网络覆盖面广，基础数据的信息置非常大现行以 计算机为基础的配电系统只对部分配电信息进行了管理，仍有许多信息处于手 工管理状态。随着我国城市建设的飞速发展和电力用户的急剧增加，使得配电 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 网不断的扩大，这些变动信息的收集和更新直接影响着配电网的生产和管理。 ( 2 ) 缺乏共享的配电网数据 在供电企业中，对配电网的管理要涉及到很多部门，特别是调度中心、配 电部门、用电部门、营业部门。这些部门看似独立，实际是相互紧密联系，它 们所需的基础配电数据是相同的，因此需要相互共享。但现行各部门中的信息 管理系统大多是孤立的系统，没有形成网络共享数据，其功能非常简单，甚至 有许多重复数据。这样一来就造成了数据来源的不统一，准确性降低，信息处 理和传递速度慢，存储和查询不便，费时费力，工作效率低。 ( 3 ) 缺乏配电网的地理信息数据 近年来，配电网日趋复杂。在城市配电网中，经常出现一条街由好几条线 路供电的情况，这样线路结构虽然大大提高了供电的可靠性，却使一次电力接 线图变得越来越混淆，不利于工作人员使用。在许多配电网系统中，由于缺乏 地理信息无法对特定区域、特定数据进行分析。其分析结果也不能直观地表现 在地理图上。 ( 4 ) 缺乏计算机辅助决策功能 由于数据缺乏完整性，许多配电网决策往往需要运行人员的经验来决定， 不能有效地利用已有的配电网数据，因此配电网系统综合处理能力差。 1 1 2 基于g i s 的配电网优化系统 基于地理信息系统( g e o g r a p h i cl n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 的配电网优化 系统能够直观地描述配电网运行时的情况，在出现故障时以醒目的颜色范围标 识出停电区域，并自动计算最小停电范围、优化故障后网络。 该系统具有以下特点： ( 1 ) 简洁的配电设备管理 以g i s 为基础可以实现配电设备的图文化，以方便快捷的方式对配电网 及其设备进行管理，从变电站到线路、变压器、开关等文字、图形、图像信息 以及与之相关的地理信息都可以在g i s 平台上直接维护。 ( 2 ) 完善快捷的查询功能 利用g i s 平台，可以轻松实现图形一文字和文字一图形的双向查询。在 配电地理信息图上，既可以任意点取某图形( 配电设备、用户和地理目标) 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 进行即时查询，也可以划定一个区域来查询该区域中所有的目标( 配电目标和 地理目标) 。运行人员能根据实际的情况操作配电信息图，实现无级放大、无 级缩小、任意漫游、鹰跟等功能。 ( 3 ) 形象生动的实时显示 将s c a d a 采集的数据实时地显示在配电地理信息图上，使运行人员对配 电网结构和运行状态能了然于胸。系统通过对这些数据的加工和计算，在地理 信息图上以不同的颜色表示用户负荷的大小。 ( 4 ) 快速直观的配电网优化决策 以s c a d a 采集的数据为基础，在正常运行和故障恢复两种状态下分别实 施配电网优化决策，在地理信息图上能直观地比较优化前后的配电网运行结构 图。 1 1 3 配电网拓扑的研究意义 配电网拓扑是配电网管理系统高级应用软件的一部分。配电网拓扑就是将 配电网由物理模型转化为数学模型的过程，它是其他配电网高级应用软件的基 础，该算法的运算速度对整个高级应用软件的速度都有很大的影响。 作为大型高层建筑的供电方式在我国尚未形成统一的方案，一般高层建筑 内大多采用低压4 0 0 v 供电。由于现代大型高层建筑内用电负荷大，线路距离 长，用电时问多集中在白天，传统的低压供电方式往往造成电压质量不高、容 易大面积停电等情况。国外多采用配电馈线直接进入高层建筑的方式，这在 定程度上解决了低压供电的弊端，我国的部分高层建筑已经采用这种方案。因 此，对这类大型高层建筑内馈线的拓扑结构进行三维拓扑结构分析具有明显的 实际应用意义。 1 2 配电网网络优化研究概况 近年来，国家对配电网越来越重视，保障其稳定性、安全性和经济性成为 配电网管理人员的首要任务。与输电网相比，配电网事故具有突发性和不可预 测性，因此配电网络分析和优化已经成为研究热点之一，主要研究内容包括： 配电网潮流计算、不良数据辩识和状态估计、网络重构等。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) l ，2 1 配电网潮流计算 潮流计算是电力系统分析的基础，配电网潮流计算的研究一直得到学者们 的重视。许多科研人员已经将快速分解算法用于配电网潮流计算中，研究表明 由于在快速分解算法迭代公式推导过程中无需线路电阻与电抗之比小于l 的条 件，因此在线路电阻大于电抗时该方法仍能收敛；采用支路法，将支路功率和 节点电压作为状态变量，使潮流方程中只有代数运算，从而避免了通常潮流计 算中的三角函数运算，使得配电网潮流方程具有一种简化的形式：对于辐射状 配电网，前推回代法配电网潮流计算具有与牛顿法相似的收敛速度；考虑配电 网分支特点，将“三带宽法”运用于配电网潮计算中，取得了良好的效果，不 足的是用于复杂配电网需要将其划分为若干子潮流问题；配电系统需要测量的 点多而实际测量点严重不足，有学者提出了区间潮流算法，使潮流计算结果在 一定的范围内更符合实际情况，但是潮流计算时间长，其计算时间般为前推 回代法的8 倍：一种配电网潮流计算的功率分布系数法，对实测配变支路按准 确度加权的实测功率进行分配，而对非量测变压器支路则按功率分布系数进行 功率分配计算。 1 2 2 不良数据辩识和状态估计 配电网不良数据辩识和状态估计的主要方法有母线型算法和支路型算法。 把量测变换成复电流或复电压量测，实现了雅可比阵的常数化，但方程之间有 耦合，p 和0 之间也有耦合，计算量大。一种基于改进牛顿法的极坐标形式的 三相配电网状态估计算法利用了辐射配电网的特点，能够适用于线路电阻与电 抗之比变化较大时的情况，且计及了三相不平衡，适用于由功率的实时量测和 伪量测建立起的基本可观的系统。基于支路功率的配电网状态估计方法克服了 基于支路电流的配电状态估计算法的不足，提高了配电系统状态估计的计算效 率。 1 2 3 无功优化 配电网无功优化也称为配电网最优无功调度，它可表述为在满足配电网潮 流约束和电压约束的前提下，调节可调变压器分接头和可投切电容器，以达到 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 改善配电网中各节点的电压水平和减少配电网网损的目的。由于配电网各种网 络参数或控制变量有着自身的特点，如网络结构呈树状、支路r x 较大、一 般为单电源供电等，所以配电网的无功优化有其独特的方法。 配电网无功优化是一个多变量、多约束混合非线性规划问题。其操作变 量既有连续变量，又有离散变量，且目标函数不可微，这使得优化过程十分复 杂。主要有线性和非线性规划法： ( 1 ) 线性规划法 通过对配电网无功优化的控制变量的合理选取，用逐次线性化方法求 解，导出相应的灵敏度无功优化模型，采用线性规划法求解，节省了计算内 存。提出三级控制思想处理电网无功优化问题，继承了线性规划法的特点， 能快速准确地给出控制对策，通过约束简化形成较小规模的线性化模型，并采 用l u 分解法，使计算精度有所提高；用逐步逼近的线性规划方法，在满足 各种变量的约束条件下，求得最小网损，其中在形成线性规划模型中采用p q 解耦的摄动法求敏感系数矩阵，使计算量较小。线性规划法的优点是计算迅 速，收敛可靠，便于处理各种约束，能满足实时调度对计算速度的要求，但优 化精度较差。 ( 2 ) 非线性规划法 如不考虑决策变量的离散特性，配电网的无功优化问题是典型的非线性规 划问题，引入非线性规划可提高模型的精度。在处理电容器变量使目标函数 最优的过程中，用非线性规划法优化电容器的投切次数。采用非线性规划法 进行辐射型配电网电压控制，通过调整变压器分接头次数限制，来优化全网的 电压。通过并联电容器的投切和配电变压器分接头的调压作用来达到配电系 统的电压和无功控制，使配电系统的能量损耗最小。尽管非线性规划法在无功 优化模型上具有较高的精确性，但常会遇到搜索方向不对、迭代不收敛、逼近 速度漫、计算量很大等问题。 12 4 配电网网络重构 配电网作为电力生产和供应的最后环节直接与用户相联，其运行的重要性 和经济性不言而喻。它的运行状态可以分为正常运行、故障前、故障和故障恢 复四个状态。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后 棚川人学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 的恢复重构。配电网络正常运行时通过改变联络开关和分段开关的分，合状态 来改变网络拓扑结构，从而改变网络中的功率分布，以达到降低网损、平衡负 荷和提高供电电压质量的目的；故障后的配电网恢复重构主要是为了快速恢复 非故障区域供电，一般称为故障恢复。配电网网络重构可以有效提高供电可靠 性、降低网损、均衡负荷和改善供电电压质量，是现代配电网自动化的重要功 能之一。 1 3 本文所做工作 首先，本文采用等效负荷模型( e l m ) 描述了配电网拓扑结构。对于城 市中大型高层建筑，供电采用低压线路已不能保证电压质量和负荷容量，因此 将1 0 k v 线路直接引入供电。针对这种情况，本文还辅以三维网络模型进行分 析。接着，在e l m 的基础上，总结了各种配电网网络优化理论，然后按配电 网正常运行和故障后的两种状态，分别论述了基于免疫遗传算法的网络重构和 基于启发式算法的恢复重构，尤其对启发式恢复重构进行了详细的研究，并作 了实际的计算。最后，基于g i s 设计了配电网网络优化功能模块软件。为实 现城市配电网三维网络模型的有关分析研究，使用了先进的g i s 平台和技 术，以便有效地建立各种相关参数的数据库以及可视化的研究分析技术，大大 提高了正常和故障情况下网络优化的工作效益。其体内容如下： 第一，分析和总结了网络优化的概况和研究意义； 第二，在理论上分别对配电网网络拓扑结构模型、网络重构的目标函数及 约束条件，和基于g i s 应用作了相应的工作； 第三，分析研究了配电网在正常运行和故障后两种状态下的网络重构和故 障恢复算法，并提出了软件的系统分析； 第四，以一个典型的馈线线路图( 包括高层建筑内馈线) 说明故障恢复的 具体步骤，并验证了本文的结论。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 配电网优化理论 2 1 概述 我国近年来城市发展迅速，特别是大中型城市规模成倍增长，随之而来的 是城市建筑增多，用电负荷加大。虽然许多城市已经进行了配电网改造，但由 于成本和经济效益的原因配电网改造并不能完全改善整个城市的配电网络结 构。因此，如何使新、旧配电网联合起来进行优化，使其在一个经济、合理的 条件下运行，成为电力企业最关心的问题之一。城市配电网络优化就是对 1 0 k v 电网进行优化，使其在一个经济、合理的条件下运行。l o k v 电网与高压 电网相比，网络结构复杂，开关、刀闸以及配电设备多，简单的无功补偿并不 能保证其安全性、可靠性和经济性。因此需对1 0 k v 电网进行结构上的优化。 配电网络的优化主要是进行网络重构，即根据实际情况和约束条件来改变配电 网中开关的闭合，使其既符合闭环设计、开环运行的特点，又能满足配电网的 安全性、可靠性和经济性。 配电自动化技术的发展使操作人员遥控配电网开关、实时进行网络重构成 为可能。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 的方法之一是降损优化方法，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 m a l f l o wp a t t e m ，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 ，s e m ) 和人工 智能算法等几类。 2 2 配电网网络模型 配电网中的设备多，需要采集的数据多，但实际只有少数重要的变压器或 节点能得到数据采集，尽管可采用依靠负荷预测手段补充虚采集点，但会带来 非常大的误差。由于缺乏采集数据，采用传统方法分析配电网比较困难3 1 。因 到川大学硕上学位论文( 2 0 0 4 ) 此，为了克服因数据不完整带来的网络描述困难，需要为配电网络建立模型。 近年来，采用各种方法对复杂配电网络进行简化建模和分析研究非常活 跃，其中包括有配电网的变结构耗散网络模型f 4 】( s v d n ) 、保证馈线两端电 压降落相等的等效电压降落模型1 5 】( v d m ) 、保证线损相等的等效线损模型 ( l l m ) 、将v d m 模型和l l m 模型组合在一起形成的混合等效模型【6 】 ( h m ) 、将负荷沿馈线按均匀分布处理的负荷均匀分布模型 7 1 ( u d l m ) 。 根据现有配电网数据采集点少于实际所需采集点的情况，综合分析上述各 种配电网简化建模方法，并对它们进行比较，本文最后采用了将段馈线上的 所有负荷用一个等效负荷替代的等效负荷模型( e l m ) 。 2 2 1 等效负荷模型 图2 1 ( b ) 为采用等效负荷代替图2 1 ( a ) 中馈线上的所有负荷时的等效电 路。通常可以在分段开关上同杆安装f t u ，这样能够得到详细而准确的测量 数据。因此，建立基于等效负荷的简化模型，实际上就是根据a 、b 处f t u 上报的电压和视在功率求解等效负荷及其位置的过程。 u a 么l ku 日么u 却 譬簪f 下午t 叮； 警咎二 造i k 寸 “l 配电网a m f m g i s 在离线方面的应用1 2 ” 设备管理系统 繁囊祟委器用集黟 保护设n , g 备糙磷服熊芋 8 c 系a 统d a 弋熊剖负蘩驴 系统信息。蒹巯一 图2 6d m s 中典型功能所涉及的数据 以地理图为背景所绘制的接线图可以分层显示变电站、线路、变压器、断 路器、电杆路灯、用户等的地理位置；可以统计查询各设备的位置信息和属性 信息，并以各种图表和报表的形式输出。 用电管理系统 用电管理系统可使用a m ，f m g i s ，按街道门牌编号为序，对大中小用户 进行业扩报装、查表收费、负荷管理等业务营运工作：还可以根据变压器、线 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 路的实际负荷以及用户的地理位置和负荷可控情况，制定各种负荷控制方案， 实现对负荷调峰、错峰和填谷等负荷侧管理的任务。 规划设计系统 实现配电系统的合理划分供电区域、调整馈电线路负荷以及增设配电变电 站、开关站、联络线和馈电线路，直至配网改造、发展规划等。可根据地理图 上所提供的设备管理和用电管理信息及数据，与小区域负荷预报相结合，共同 构成配电网设计和计算的基础。 配电网g i s 在在线方面的应用 在s c a d a 系统中的应用 把a m f m g i s 提供的设备信息和空间信息与s c a d a 系统提供的实时运 行状态信息有机结合起来，可以有效地改进电力分配、紧急情况下的调度以及 闩常维护与抢修服务。 在投诉电话热线中的应用 a m f m g i s 系统提供的地图信息、设备运行状态信息极为重要，是故障 电话处理系统能够充分发挥作用的基础。 在事故负荷转移中的应用1 2 ” 当g 1 8 用于事故负荷转移( c o n t i n g e n c yl o a dt r a n s f e r ) 时，通过网络拓 扑和存储在数掘库中的设备数据来计算三相潮流，得到的潮流解作为线路开关 的属性存储在数据库中供负荷转移分析用。当系统发生事故时，断开故障段开 关，隔离故障区域后，执行负荷转移程序以求出负荷转移方案，通过开关操作 将发生故障馈线的部分负荷转移到其他线路上，迅速恢复对非故障段的供电。 同时，根据开关操作信息，由连通性可以很容易的对网络拓扑进行更新，实现 故障后的恢复重构，并在g i s 平台上显示出来。 与用户抄表与自动计费系统接口l l 6 】 远方抄表与自动计费系统向g i s 传送用户地址、用户名称、用电负荷等 信息，g t s 可以显示抄表区域和区域的负荷情况，使数据更加直观。 2 4 2 3 基于g i s 的配电网三维模型 配电系统中，城市配电网所占比例很大，也比较重要。这几年城市发展速 度日益加快，高楼建筑越来越多地出现在大城市中，如果仍将这些高楼视为某 条馈线上的一个用户，那么不但该馈线的负荷将会大大增加，使其不能达到负 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 荷平衡，而且也不能保证用户用电的可靠性。为此，参照小区负荷供电方式， 将一幢大型高层建筑视为一个中等规模的小区，采取多线路供电方式，甚至可 以在高楼中出现开关站。 = 一 毋 ( 3 9 - f 1 、毋 t 2 磷& 疑& 疑& & 疑疑疑& & r r 心& 疑& & 疑礴疑嗡鼹媳媳贷& & 畿疑& r 疑疑& r 魏蛏躐 图2 7 大型高层建筑中的馈线图 当出现这种情况时，采用常规g i s 软件描述该类型配电网地理信息图就 显得有些力不从心，因为通常g i s 所绘制的图形都是以二维形式( 即平面 图) 出现，无法表现平面上一点的内部结构。而利用a r c v i e w 的3 d 组件既可 以用常规的二维平面方式描述线路地理信息图，又可以清晰地模拟出高楼内馈 线的线路模型，甚至可以描述用户端低压线路的分布。图2 7 为大型高层建筑 中配电网线路三维简单示意图。 高层建筑中馈线线路分布比较简单，但相应的高楼模型需要有效的表面建 模技术。针对复杂特征目标的三维表示，可以采用基于不规则三角形网 ( t i n ) 和方格网的表面描述方法。采用t i n 结构，可以灵活、逼真、快速的 建立具有任意边界形状的目标模型，这对于空间查询和分析结果的三维表示极 为重要，而a r c v i e w 的3 d 组件所使用的数据模型正是以t i n 结构为基础。 凹川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 碎部等级( l o d ) 方法是一种解决大数据量三维地形显示和管理的优化 方法，它将复杂目标以不同的质量等级进行预处理和存储，绘制算法根据屏幕 上目标的大小来决定用哪个图形来显示。远离视点的目标显示得小且不会有质 量的可见损耗，可用极快的速度以低级的l o d 方式显示出来。运用l o d 方 法，可以在两个方面对系统的数据进行显示优化：一是为地形建立具有不同细 致等级的数字高层模型( d e m ) 层次体系，用层一块一行列的层次结构组成 d e m 数据的空间索引，它允许对数据快速地存取而不管其数据量的大小，且 具有无缝性，从而保证在同一时刻构成地表模型的t i n 数目为一个恒定值， 最大限度的提高用户的交互效率；二是对场景中代表配电网设备的三维模型进 行分层管理：首先，利用馈线线路的松耦合性，在查询或维护某条线路时，可 对属于其它线路的设备模型进行消隐操作( 跨越模型除外) ；其次，可根据设 备地理位置离屏幕视点的距离大小用不同复杂度的模型原形来表示设备实例， 即让各个设备实例保留几个不同细致程度的模型原形的索引，当该设备实例距 离屏幕较远时，用简单的模型显示，当距离屏幕较近时，用比较复杂的模型进 行显示，这样能够减少许多三维场景中渲染、变换和效应的工作，提高界面的 刷新速度。 a r c v i e w 的3 d 组件提供一个叫a r c s c e n e 的视图，该视图为可以构造场 景，可以对地理信息系统数据进行导航操作。可以把栅格和矢量数据贴在表面 上，从矢量数据源提取要素创建线、面和立体块；还可以使用3 d 分析工具创 建和分析表面。a r c s c e n e 可以通过坡度、坡向、节点高程和相似边显示 t i n ，通过t i n 符号选项还有许多其它的方法。使用a r c s c e n e ，可以调整符 号，放大和缩小，增加新图层，打开和关闭图层，在动画旋转模式下拥有所有 高级功能。 四门l 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 3 配电网优化算法和g is 软件分析 在第2 部分优化理论的基础上，本章论述在不同运行状态下实现配电网优 化的两种方法基于免疫遗传算法( i g a ) 的网络重构和基于启发式算法的 恢复重构。最后以a r c v i e w 作为g i s 软件开发平台，编程实现上述功能。 3 1 配电网络优化算法分析 31 1 正常运行时网络重构 网络重构实质上是一个有约束的多目标组合优化问题。由于其目标函数 是一个非线性、不可微的多峰函数，且对于一个复杂的配电网络，由于开关数 多，其解空间非常庞大，因而，用传统的非线性优化方法难于求得最优解。 3 1 1 1 遗传算法解决配电网重构问题的分析 现有网络重构算法大多以线损最小为目标函数，而将其他目标函数( 诸 如保证节点电压和支路功率不越限等) 作为约束条件处理，然后对每一次变化 的网络结构进行潮流计算。这种连续的配电网络潮流计算必然要耗费大量的计 算时间，求解问题面临着计算量大、速度慢、收敛困难、“组合爆炸”等实际 困难。 遗传算法由于其良好的并行搜索机制和处理离散型优化问题的能力而在 配电网重构的研究中受到广泛的注意。其基本思想是：将二进制编码中的基因 位对应配电网络中的相应开关( 0 表示开关断开，1 表示开关闭合) ，并按照 一定顺序连成一串，由此得到一条染色体，它对应一个确定结构的配电网络。 按照这种编码方式选取初始种群，利用各种改进的交叉、变异算子，结合各种 不可行解修复措施，以实现遗传操作。然而，遗传算法本身也存在着一些固有 的缺陷，如容易陷入过早收敛和局部搜索能力差等。针对这些问题，近年来许 多文献提出了一种新型的改进遗传算法，称之为免疫遗传算法。在众多文献的 基础上，将抗体更新机制引入遗传算法，并通过这种新型的改进遗传算法来研 究配电网重构中的若干问题。 利用免疫遗传算法( i m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m ，i g a ) 来研究配电网重构 四州大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 问题是以遗传算法( g a ) 为基础，引入生物免疫机制中的抗病毒机理，通过 测定遗传操作中种群的多样性和染色体之间的亲和度等指标来改进遗传操作中 的种群进化方式，从丽在一定程度上克服了基本遗传算法的许多不足之处。此 外，针对配电网重构的自身特性，结合近年来的研究成果，对交叉率只和变 异率匕的选择等进行了改进。实验结果表明，i g a 具有很强的自适应能力， 能够在迭代中避免早熟收敛的同时，保证种群进化的速度，明显地提高了算法 的求解效率。 3 1 1 2 目标函数和约束条件 以降低网损为目标函数的配电网络重构是在安全可靠、无孤岛和闭环的 前提下，通过改变网络中开关的状态，达到有功网损只最小的过程。 目标函数为： m i n ( p ，、 ( 3 - 1 ) 只= ，啦1 2 ( 3 2 ) ，= l 式中b 为支路数； r 为支路i 的电阻； ，为流过支路f 的电流； k 为开关i 的状态( 0 为打开，1 为闭合) 不等式约束条件： i 。k _ 。 s 。s 。 s s ，。 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式中 k 。分别为节点电压的下限和上限值； s ，s ；分别为各线路流过功率的计算值和最大容许值； s ，s 。分别是变压器流出的功率的计算值和最大容许值。若一个变 压器处有若干条馈线，则e 为这些馈线根节点处的功率之和。不等式约束可 以通过越界罚函数加入到目标函数中。 3 1 1 3 染色体的选择 首先将个体适应度按比例转化为适应度概率p ，即基本遗传算法中的选 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 择概率( 只) 。然后，按照备选抗体的浓度值对选择概率进行修正。选择方 法仍然使用比较通用的轮盘赔法。只按如下公式进行调整： 尸：p ，+ 坐尘型( 3 6 ) 。 。 c 。一c 。 式中 c 。为种群中最大的浓度值： c 。为每代群体的平均浓度值； c ，为要选择的抗体的浓度值； ，为一设定值。 显然，上式表明：个体适应度越大，则选择概率越大，个体浓度越大， 则选择概率越小，这样既可保留适应度高的个体，又可确保抗体多样性，改善 未成熟收敛的缺陷。 3 1 1 4 交叉和变异的改良操作 ( 1 ) 对不可行解的改良操作 由于对开关进行编码，经过交叉和变异后的个体中，可能产生不可行 解，即交叉和变异后的抗体所对应的配电网络结构出现环网和孤岛。按照传统 遗传算法，该染色体将予以剔除。然而，对于某一个进化代在交叉和变异的过 程中，如果有过多包含坏值的染色体需要剔除，则将使得该进化代内的染色体 所剩无几，最终造成迭代的过早收敛。因此采用一种有效的方式来避免此情况 的发生：对每代种群的个体进行逐一检查，如果发现坏值，则将该抗体中的对 应予串提出，在可行解的范围内随机选择一串编码，使该染色体仍然为一可行 解，从而保证了各进化代的染色体均为可行解。具体方法可参见文献 2 9 】。 ( 2 ) 对交叉率、变异率的模糊调节 遗传算法参数中的交叉概率最和变异概率的选择是影响遗传算法行为 和性能的关键所在，直接影响算法的收敛性。昂和气设定得越高，产生新个 体的速度就越快，然而对遗传模式破坏的可能性也就越大，算法有可能陷入穷 举：只，和如果设定得小。则搜索过程缓慢，容易陷入局部收敛。基本遗传 算法中，往往是结合具体问题的特点，采用反复实验来确定乓和。这种固 定最和民的确定方法。无法对近亲性较强和近亲性较i ；的种群进行区别对 待。某些文献提出了改进方法，诸如自适应遗传算法( a g a ) 和模糊遗传算 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 法口引( m g a ) 。结合免疫遗传算法的特性可采用二维模糊控制器来对只和 进行动态处理，这种方法基本目的是当种群各个体趋于一致或者趋于局部 收敛时，促使鼻和增加，反之，则减小品和气。输入量 为当代群体要 交叉个体中较大的个体适应度值，输入量2 为当代群体多样度。根据反复的实 验来确定模糊控制规则，控制规则是一系列的模糊语句，如：“i f 要交叉的两 个个体中较大的个体适应度值为p s ( 较大) ，a n d 此时种群多样度为p b ( 很 大) ，t h e n 交叉率p c 为n b ( 很小) ”。采用模糊控制动态调节交叉率和变 异率的方法可以在保持群体多样性的同时，保证遗传算法的收敛性。 3 1 1 5 改进的免疫遗传算法 图3 1 改进i g a 流程图 免疫系统对于外来侵犯的抗原可产生相应的大量抗体来抵御，抗体和抗 原结合后会通过一系列的反应而破坏抗原。免疫系统具有维持免疫平衡的机 制，通过对抗体的抑制和促进作用，能自我调节产生适当数置的必要抗体。同 时，产生抗体的部分细胞会作为记忆细胞而被保存下来。对于今后侵入的同类 抗原，相应的记忆细胞会迅速激发而产生大量的抗体。免疫遗传算法( i g a ) 的基本思想便是将实际求解问题的目标函数和相应问题的解分别看作是免疫系 统中的抗原和抗体，而将免疫系统的自我调节机制和记忆机制引入遗传操作中 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 的相应步骤，通过充分利用生物免疫系统在抵御外侵抗原时所展现出的优良特 性而迅速地寻找到问题的最优解或近似最优解。结合配电网络重构问题的固有 特性免疫遗传算法基本程序框图如图3 1 所示。 3 1 2 故障后的恢复重构 配电网运行时经常会出现各种问题。当发生故障，隔离了故障区域后，故 障区的下游区域由于故障隔离处于失电状态：当系统检修期间，有些区域按计 划停止供电，此时其下游区域的正常供电又应该如何保证。所有这些问题都必 须通过网络重构和恢复重构来解决。恢复重构的目的是为尽可能多的用户恢复 供电。本节主要研究的是配电网重构中的供电恢复问题。而所谓供电恢复即指 对因故障隔离而导致失电的正常用户恢复供电。 3 1 2 1 故障处理的一般过程与模式 ( 1 ) 故障处理的一般过程 随着配电网改造力度的加大，新建的配电网线路大多采用电缆，但是在 配电网系统中，架空线系统仍然占大多数。而在架空配电系统故障中，瞬时性 故障约占三分之二，永久性故障约占三分之一。对于瞬时性故障，只要能够短 时断电，使电弧通道有足够消除游离的时间，就能排除故障。而对于永久性故 障则要经过：故障定位和隔离；供电恢复；修复故障元件，恢复网络初 始结构等三个阶段的处理。 如图3 2 所示，当a 处发生永久性故障，继电保护装置将原来闭合的开关 s l 打开，进行故障隔离。这时s 1 下游正常供电区域( 虚线框内部分) 会因 s 1 打开而失电，供电恢复即是要恢复这部区域的供电。 为了便于描述故障处理过程，首先阐述以下几个概念： 非故障失电区域：因非故障原因而失电的正常区域( 如下图虚线框内) 第一层供电馈线：通过常开开关与非故障失电区域直接相连的馈线段( 如 上图中f 2 和f 4 馈线段) 第二层供电馈线：通过常开开关和第一层馈线直接相连的馈线段( 如下图 中f 3 馈线段) 第三层供电馈线、第四层供电馈线按以上定义以此类推。 一婴型查兰堡圭兰竺兰塞! ! ! 竺! 电 源 点 1 电 源 占 j - 1 if 4l f 3 oo 电源点4电源点3 e l i 开关打开。开关闭台 图3 2 简单配电网网络 图3 - 2 中非故障失电区域恢复供电理论上可能的恢复方案有如下几种： 方案一：合上开关s 5 ： 方案二：合上开关s 6 ； 方案三：合上开关s 5 、s 6 ，打开开关s 2 ； 方案四：合上开关s 5 、s 6 ，打开开关s 3 ； 方案五；合上开关s 5 、s 7 ，打开开关s 4 ； 方案六：合上开关s 5 、s 6 、s 7 ，打开开关s 4 、s 2 ； 方案七：合上开关s 5 ，s 6 、s 7 ，打开开关s 4 、s 3 。 如果考虑到实际系统中的各种约束条件，实际可行的方案数还会减少。 ( 2 ) 故障处理的一般模式 早期的故障处理模式 在自动化水平较低的早期，故障处理主要依靠装设在配电线路上的故障指 空型查兰堡主兰焦堡兰! ! ! 坚! 示器，故障发生后，工作人员依靠故障指示器找到故障位置，利用柱上开关设 备手动隔离故障区域，人工恢复非故障失电区的供电。这种早期模式自动化水 平较低，故障处理时闻较长。 配电自动化的故障处理模式( d a 模式) 这种模式主要依靠装设在配电网中的分段器、重合器及柱上开关