（电力系统及其自动化专业论文）配电网重构的启发式算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 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 nn e t w o r kh a v e i n c r e a s e da n dt h es c a l ei sa l s oe x p a n d i n gg r a d u a l l y a tt h es a m et i m e c o n s u m e r sr e q u i r e m e n t o fi m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y s u p p l ye c o n o m i ca n dr e l i a b i l i t yi si n c r e a s i n gg r a d u a l l y t og e t a l o n g l i mt h es o c i e t y sd e v e l o p m e n ta n dm a r k e td e m a n d t h ep o w e rs y s t e mm u s tb ek e p t o p e r a t i n gs a f e l ya n de c o n o m i c a l l y t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k c o n n e c t 加t 1 1c o n s u m e r d i r e c t l y t h e p o w e ri sd i s t r i b u t e dt oc o n s u m e rb yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s oi ti si m p o r t a n tf o rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kt ok e e ps a f ea n de c o n o m i co p e r a t i n g d i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o ni sa l le f f i c i e n tm e a s u r eo fe n h a n c i n gp o w e rn e t w o r k s o p e r a t i n ge f f i c i e n c y s u p p l yr e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t y i ti sag e n e r a lq u e s t i o nc o v e r e d 析m m a n ya s p e c t s w h i c hc a nb eu s e dt od i f f e r e n to p e r a t i n gt a s k s u c ha sl o s sr e d u c t i o n l o a d b a l a n c i n g r e a c t i o no p t i m i z a t i o n s e r v i c er e s t o r a t i o n a n ds oo n i ti sa l s oac o m p l e xn o l i n e a r c o m p o s i t eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo nt h e o r y b a s e do nt h es t u d yo f n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n sb a s i ct h e o r i e s t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o n sm a t h e m a t i c sm o d e li sd i s c u s s e di nt h i st h e s i sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ec u r r e n tp r o b l e m i ns t a t i cr e c o n f i g u r a t i o n t h er e c o n f i g u r a t i o n m o d e li nt h eg o a lf u n c t i o no fl o s sm i n i m i z a t i o ni se s t a b l i s h e d i nd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n t h e c o m p r e h e n s i v er e c o n f i g u r a t i o nm o d e lt h a tc o n s i d e rs w i t c h sh a n d l i n gc o s ta n dr e c o n f i g u r a t i o n e f f i c i e n c yi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h es t u d yo fn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n sm e t h o da tp r e s e n t t h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m i sr e s e a r c h e dd e e p l y t h et h e s i sd i s c u s s e dt h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m st h e o r e t i c a lb a s i s i m p r o v e d m e t h o d c a l c u l a t i o ns t e e p a n de a c ha l g o r i t h m sc h a r a c t e r i s t i c s t h e n t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s p o w e rm o m e n tm o d ei se s t a b l i s h e da n dt h ep o w e rm o m e n tm e t h o df o rr a d i a l d i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e c o n f i g u r a f i o ni sp r o p o s e d t h em e t h o d se f f e c t i v e n e s si sv e r i f i e d b yt y p i c a l d i s t r i b u t i o ns y s t e m sa l s o t h e d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ni sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra l s o t h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n p r o b l e mi ss o l v e df r o mt w or e s p e c t s o n ei st od e t e r m i n et h eo p t i m a lr e c o n f i g u r a t i o nt i m e so f a d a y a n o t h e ri st od e t e r m i n et h eo p t i m a lt i m ei n t e r v a lo fe v e r yr e c o n f i g u r a t i o nw h e nt h e r e c o n f i g u r a t i o nt i m e so fad a ya r eg i v e n ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od i v i d et i m ea l s o a tt h es a m et i m e t h ep o w e rm o m e n tm e t h o di su s e df o re a c ht i m ep e r i o d sr e c o n f i g u r a t i o n a n d t h es o l u t i o np r o c e d u r eb e c o m ev e r ys i m p l ea n df a s t b e c a m et h ec o n v e n t i o n a lp r o c e d u r e so f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 l o a df l o wc a l c u l a t i o na l er e d u c e d t h et y p i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m s t e s td e m o n s t r a t et h a ti tc a l l r e d u c en e t w o r kl o s se f f e c t i v e l y a n di ta l s oc a nb eu s e df o re s t a b l i s h i n gs w i t c hh a n d l et a b l ea n d s c h e d u l i n ga n a l y s i s 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 d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m n e t w o r kr e c o n f i g u m t i o n h e u r i s t i ca l g o r i t h m p o w e rm o m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本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 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 蔓磁 日期 纰缸f 指导老师签名 壹艿左 日期 7 t o d 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 提出了配电网重构的功率矩法 在支路交换算法的基础上 结合配电网的特点 通过理论分析 提出了配电网重构的功率矩法 首先建立了配电网的功率矩模型 然 后利用配电网的功率矩模型 分析得出了配电网的功率矩均衡意味着网络优化的结论 从而得出了配电网重构的功率矩法 仿真实验验证了所提算法的有效性 2 研究了配电网动态重构的算法 结合配电网运行的实际情况和已有的研究成果 本文指出动态重构的次数不宜过多 这样也使得重构算法本身就满足开关操作次数的 约束 从而简化了动态重构的过程 针对负荷曲线划分的问题 本文提出了曲线分段 的启发式规则 并建立了相应的指标来指导时段的合并 同时 本文采用功率矩法对 各时段进行重构 不需计算网络潮流 缩短了重构的时间 实际算例表明该算法运算 速度快 能够有效降低网损 可以用于开关操作表的制定和配电自动化的日运行调度 分析 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均己在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 萱隶次 b 期 釉 洲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第i 章绪论 随着我国国民经济的发展和电力市场的逐步建立 人们对电力的需求日益增长 同 时对供电的可靠性 安全性和供电质量提出了更高的要求 近年来 我国的电网建设取得 了长足的发展 电网已由原来的七大区域电网发展成为大区之间的联合电网 三峡水电站 等大型水电站的建成又必将形成全国统一的大规模 超高压 交直流混合的现代电力系统 因此 电力系统工作者正面临许多新的挑战 电力系统是目前世界上人为搭建的最复杂的系统 为了便于分析 通常把它分成三个 子系统 发电系统 输电系统和配电系统 在我国 很长一段时间内存在一种现象 就是 重发 轻供 不管用 对应的国家投资比例为l 0 3 o 1 而世界先进发达国家为 1 0 3 0 7 导致长期以来配电网的建设未得到应有的重视 这使得配电网的规划 设计 和运行管理相对落后 形成了电力需求与电网设施不协调的局面n 3 配电网是电力生产和供应的最后环节 其功能是把变电站或小型发电厂的电力输送给 每一个用户 并在必要的地方转换成适当的电压等级 配电网安全 可靠 高质的运行 直接关系到千家万户的用电 随着电力市场的逐步实施 电力公司必须向用户提供充足 经济 可靠 优质的电能 为了适应这一新形势的需要 对配电网的规划 设计 运行分 析等理论问题进行深入研究具有十分重要的意义 1 2 配电网的现状和存在的问题 由于不断的改造和扩展 现代化的城市配电网的网络结构趋于复杂 同时 由于城市 的迅速发展 用电负荷的需求日益增大 并且用户对电能质量 供电可靠性的要求越来越 高 使得目前的城市配电网普遍出现了不能充分满足各方面要求的现象乜3 最突出的问题 包括下面几个方面 1 配电网网损过大 供电可靠性低 由于配电网元件众多 网络规划不规范 使得配电网的网损在整个供电成本中 占有 很大比重且居高不下 再加上配电网设备陈旧及用电负荷的不断增大 加重了高 中压配 电网的供电负担 以至于出现供电质量差 相当多的供电设备因为过负荷而发生故障和供 电中断的现象 难以满足用户正常的生产 生活需求 相对于输电网而言 配电网有故障频率高 停电次数多 停电时间长等特点 这就要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 求在配电网发生故障时 供电部门能够在第一时间内 快速的 以最大的恢复容量为用户 恢复供电 尽最大可能降低企业和用户的停电损失 但是 传统的故障恢复主要还是靠人工凭借调度经验来进行 同时 由于配电网网络 结构复杂 设备老化 线路 变压器传输瓶颈等多种不利因素 使得故障恢复时 难以考 虑全面 决策效率低 恢复速度慢 不能保证为用户及时地恢复供电 供电质量达不到用 户的要求 2 负荷增长迅速 但配电网建设滞后 随着我国经济的持续高速发展 电力负荷快速增长 在负荷增长中 用电结构发生了 很大变化 居民用电和第三产业用电负荷增长迅速 这加重了配电网的负担 而配电网的 建设速度滞后于电力负荷的增长速度 从而进一步加重了配电网的负担 历史上 我国配 电网的建设远远落后于电源和输电网的建设 随着城网 农网建设与改造的进行 我国配 电网的建设水平有了很大提高 但与西方发达国家相比仍然还有很大差距 3 配电网运行管理水平落后 不仅配电网的规划 设计 建设落后于输电网 而且配电网的自动化水平 运行管理 也远远落后于输电网 近年来 随着城乡电网建设与改造的进行 通信手段和计算机技术 水平的发展 配电自动化的水平已经取得了长足的进展 但是目前的配电自动化基本上停 留在数据采集与监视控制 s c a d a 水平 虽然花费不少投资在户外柱上断路器处安装馈线 终端单元 f t u 并建设了从f t u 到配电自动化中心的通信网络 获得了大量反映配电网 运行状况的实时数据 但是 目前多数配电自动化s c a d a 系统仅仅将这些宝贵的数据以可 视化的形式显示出来 并没有对这些数据进行加工处理 更没有运用计算分析功能和人工 智能手段为电力生产服务 要解决配电网存在的上述问题 必须采用现代化的手段提高配电自动化水平 具体在 配电网中即实施配电网自动化 1 3 配电网自动化 配电网自动化是配电网的发展方向 配电网自动化 目前在国内外无论学术界还是 电力管理机构尚没有明确的 被普遍接受的定义 由中国电机工程学会城市供电专业委员 会在 配电系统自动化规划设计导则 提出的关于配电系统自动化的定义为 配电系统 自动化是利用现代电子技术 通信技术 计算机及网络技术 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 实现配电系统正常运行及事故情况下的监测 保护 控制 用电和配电管理的现代化 这 定义包含的内容相当广泛 它指出了配电系统自动化是 个信息集成系统 包括了和 配电网有关的所有管理和控制功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 1 配电系统自动化和配电管理系统 配电系统自动化 d s a 和配电管理系统 d m s 是两个既有联系又有区别的概念 d s a 是 功能意义上的概念 它除了包括实现配电自动化功能的计算机信息系统和控制系统外 还 包括一次设备 而d m s 是d s a 功能的实现 侧重于计算机信息系统和控制系统 它是配电 控制中心的一个计算机平台或作为开放式的支撑环境 是基于配电控制中心的关于配电系 统的全局的管理及自动化 一般 配电自动化系统 d a s 被作为一个狭义的配电系统自动 化功能实现 而d m s 是广义的配电系统自动化 是实现配电系统自动化的所有功能的总称 通常把执行配电系统的监视 控制和管理的综合自动化系统称为配电管理系统 其内 容包括配电自动化系统 d a s 以及配电网络分析和优化 n a 工作管理系统 w m s 和调度员 培训模拟系统 d t s 等高级应用功能 配电管理系统的详细功能如下图所示晦3 配电葡啉 进线监控 1 0 k v 开闭所 变电站自动化 馈线自动化 变压器黼无功补偿 网络分析和优化 工作管理系统 调度员培训模拟系统 图卜1配电管理系统的主要功能 1 3 2 配电自动化系统 配电自动化系统聃1 是配电管理系统中最主要的内容 它是一种可以使配电企业在远 方以实时方式监视 协调和操作配电设备的自动化系统 其内容包括配电网数据采集与监 控 s c a d a 地理信息系统 g x s 和需方管理 d s m 等几个部分 1 配电网数据采集与监控 人们通常把配电自动化系统中 从为配电网供电的主变电站的中压部分监视 到馈线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 自动化以及开闭所 配电变电所和配变的自动化 称为配电s c a d a 系统 进线监视一般完成对配电网进线变电所的开关位置 母线电压 线路电流 有功和无 功功率以及电度量的监视 馈线自动化 f a 是指在正常情况下 远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态 和馈线电流 电压情况 并实现线路开关的远方合闸和分闸操作 在故障时 获取故障操 作 并知道判别和隔离馈线故障以及恢复非故障区域的供电 开闭所和配电变电站自动化 s a 完成对配网中开闭所 小区变的开关位置 保护动 作信号 小电流接地选线情况 母线电压 线路电流 有功和无功功率以及电度量的远方 监视 开关远方控制 变压器远方有载调压等 配电变压器巡检和无功电压综合补偿是指对配网中箱式变压器 变台参数的远方监视 和补偿电容器的自动投切和远方投切等 从而达到提高供电质量和降低线损的目的 2 地理信息系统 配电自动化系统的另一重要组成部分是配电地理信息系统 g i s 的引入是配电自动化 的主要特点之一 因为配电网节点多 设备分散 其运行管理工作常常与地理位置有关 将g i s 与一些属性数据库结合 可以更加直观 方便地进行运行管理 配电地理信息系统 主要包括 设备管理 f c 用户信息系统 c i s 和停电管理系统 o m s 等 3 需求侧管理 需求侧管理是配电自动化系统的重要组成部分 d s m 实际上是电力的供需双方共同对 用电市场进行管理 以达到提高供电可靠性 减少能源消耗及供需双方的费用支出的目的 其内容包括负荷监控 管理和远方抄表 计费自动化两方面 1 3 3 配电管理系统高级应用功能 高级应用软件使得运行人员准确全面地掌握系统当前运行状态 使得各单项自动化有 机地结合起来 从全系统的高度来优化运行配电系统 从而挖掘出系统安全和经济方面存 在的巨大潜力 从图卜1 中可看出 正是由于高级应用软件的使用 配电管理系统才构成 一个有机的整体 配电系统高级应用软件以网络分析为核心 其基本部分有阳3 l 配电网络模型与接线分析 2 潮流计算 3 状态估计 4 负荷预测 5 网络重构 6 短路电流计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 7 电压 无功优化 1 配电网络模型与接线分析 配电系统的物理特性的数学描述称为数学模型 只有将配电系统化为数学模型才能用 计算机进行分析计算 因此 建立和维护好配电系统的数学模型是用好高级应用系统的前 提条件 配电网的数学模型包括 线路 变压器 电容器 负荷和发电机组等元件的模型 另外还有网络保护 熔断器 断路器和开关等逻辑元件 不反映在计算中 却反映在 控制功能上 即网络接线分析 网络接线分析将网络的物理模型 结点模型 转化为数学模 型 母线模型 网络接线分析一般分为母线分析和电气岛分析两个步骤来完成 母线分析 是将由闭合开关连接在一起的结点集合为一条母线 电气岛分析是通过线路和变压器将母 线连接为电气岛 2 潮流计算 潮流计算是配电网分析的重要内容 它根据给定网络结构及运行条件来确定整个网络 的电气状态并进行越界检查 它是对配电系统规划设计和运行方式的合理性 可靠性及经 济性进行定量分析的重要依据 配电网潮流计算是配电网电压 无功优化调度 操作模拟 和结线变化分析等的最根本的基础 因此配电网的潮流计算是配电自动化系统必不可少的 重要组成部分 3 状态估计 状态估计是在获知全网的网络结构条件下 结合从馈线f i u 和母线r t u 得到的实时功 率和电压信息 补充对不同类型用户观测统计出的负荷曲线和负荷预测数据以及抄表数 据 运用新型的数学和计算机手段 在线估计配电网用户实时负荷 由此可以获得全网当 前时刻各部分的运行状态和参数 为其它配电系统高级应用软件提供可靠的实时数据信 息 配电网状态估计是d m s 系统中应用软件的关键和核心部分 它的功能是为d m s 提供较 为准确的配电网的状态数据 因此 它的运行情况的好坏直接决定了整个应用软件乃至整 个配电管理系统是否能够正常地运行 高效 可靠的配电网状态估计对于整个配电系统的 安全 经济运行 保证配电管理系统正常发挥其功能具有重大的意义 4 负荷预测 负荷预测对电网安全与经济运行有重要意义 对配电系统来说更有其特殊意义 配 电网的量测量太少 不得不用母线负荷预测作为伪量测量才能确定配电网的状态和潮流 配电网负荷预测分为两类 地区负荷预测和母线负荷预测 5 配电网络重构 网络重构的目标是在满足潮流和网络结构约束的前提下 通过开关操作改变负荷的 供电路径 以便使网损最小 或解除支路过载和电压越限 或平衡馈线负荷 配电网络重 构包括配电系统正常运行时的网络重构和故障时的网络重构 配电网络正常运行时通过改 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 变联络开关和分段开关的运行状态来改变网络拓扑 从而改变网络中的功率流 以达到降 低网损 平衡负荷和提高供电电压的目的 故障时的配电网络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 6 短路电流计算 在规定短路故障条件下 计算各支路电流和各母线电压 用以校核开关遮断容量和 检查继电保护整定值是否合适 配电系统的负荷电流与短路电流有可比性 在计算中不能 被忽略 此外 计算中还必须考虑到负荷的电压特性 7 配电网络电压与无功优化 配电网最重要的质量指标是电压 最重要的经济指标是网损 而电压优化调度与无功 优化调度是一致的 网络上各点尽可能接近电压运行的上限运行 自然使得网损降到最低 电压和无功优化问题在无功设备能够满足电压标准的情况下是调度问题 而在无功设备不 足的情况下是规划问题 1 4 本文所做的工作 由上面的内容可以知道 实施配电系统自动化是解决配电网存在的问题的关键 然 而 如果一次实现配电管理系统的所有功能 不仅任务繁重而且经济效益较低 因此 电 力公司一般选择先实现进线变电站和开闭所的数据采集与监控 然后再扩展到对馈线上分 段开关的远方测控 逐步实现远方抄表和负荷控制等功能 最终全面实现配电管理系统功 能 从目前发展的情况来看 当前工作的重点集中在配电网络高级分析研究和开发 以期 较好的整合和实现配电管理系统平台 本文主要研究了配电网高级分析应用中的配电网络重构 对国内外文献中出现各种 算法的理论和应用进行了深入的研究 对配电网的网络重构进行研究无论是在理论还是实际上都具有重要的意义 尽管配 电网的重构问题是在近期才引起人们的注意 但在此期间经过许多学者 电力工作者的辛 勤努力和不懈探索 己经取得了令人瞩目的进展 并提出了各种数学模型和求解方案 本 文是在总结前人经验的基础上 对这一研究课题作了进一步的尝试性工作 本文的组织结构如下 第1 章介绍了研究背景 意义和内容 配电系统自动化 以及研究的技术路线 第2 章介绍了配电网重构的相关内容 出了几种典型的配电网重构的数学模型 介绍了配电网存在的问题及解决方法一实施 分析了配电网重构的内容 目的及意义 给 第3 章详细介绍了目前几种主要的配电网络重构算法 特别是速度较快的启发式方 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 t 法 主要是支路交换法 最优流模式法 对每种算法的基本原理 相关改进发展以及解决 的问题都进行了细致的阐述 并对各种算法的性能进行了比较和分析 第4 章主要研究了配电网的静态重构方法 在已有算法的基础上 结合配电网的特 点 建立了配电网的功率矩模型 通过进 步的理论分析得出了配电网的功率矩均衡与优 化的关系 提出了配电网重构的功率矩法 并在典型的配电网算例上验证了算法的有效性 第5 章主要研究了配电网的动态重构方法 首先介绍了现有的动态重构方法并分析 了各自的优缺点 然后从高级分析应用的需要出发 指出了实用的时段划分的原则 进而 提出了一种新的动态重构方法 最后选取典型的算例验证了算法的有效性 最后对全文进行了总结 并就本文可以进一步研究的问题进行了讨论 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章配电网络重构的数学模型 2 1 配电网络重构概述 2 1 1 配电网络重构的内容 配电网处于电力系统的末端 它把电源系统或输变电系统与用户设施连接起来 向用 户分配电能和供给电能 配电网一般具有环形结构 而通常以开环方式运行 配电网中包 含大量的分段开关及少量联络开关 网络中的联络开关在通常运行情况下打开 用于提供 可选的供电通道 分段开关在通常运行情况下闭合 用于隔离故障 因此在正常运行或故 障恢复条件下可根据不同的负荷情况 改变这些开关的开 合状态调整网络结构 配电网重构是指在满足线路电压 电流及电网辐射状运行等基本要求的前提下 通过 改变网络中开关状态来优化配电网运行结构 从而达到降低配电网有功损耗 改善节点电 压偏移 消除线路过载等目的 配电网重构不需要增加新的设备 却能够带来电网在经济 性 安全性等多方面的提升 因此随着配电网研究的不断深入和完善 重构已经成为改善 配电网品质的重要手段 随着我国经济持续快速的发展 全社会对电力的需求不断增长 配电网作为电力系统 重要的组成部分 是电力系统的主要负荷中心 是保证经济社会稳定发展的重要基础设施 之一 因此配电网重构的意义就更为突出 通过配电网重构可以降低系统的网络损耗 有 利于改善电网的效益 提高电网运行的安全性 有利于社会的和谐稳定 提高供电质量 有利于支持经济建设和社会发展 配电网络重构根据优化时间的不同可以分为静态重构和动态重构 前者根据某个时 刻 或某一时间段 的负荷状态确定最优重构方案 后者则根据整个时间区间内 例如一天 负荷的变化情况确定最优重构方案 简称动态重构 静态重构采用某个时间断面下的负荷 其重构的结果只能是该时间断面下的最优 寻 优的目标函数只能是该时间断面下的有功功率节约量 考虑的约束条件 包括开关动作次 数的约束 线路供电能力约束 节点电压约束等 也都是该时间断面下的静态约束 这在 很大程度上限制了配电网络重构的应用功能和范围 通常 静态重构只能应用于规划领域 对国外发达国家和地区来说 由于先进的设备制造技术 允许开关较频繁地动作 加上其负荷变化比较平缓 峰谷差比较小 针对各个时间段进行静态重构并不影响实用性 但在我国则有很大不同 设备制造技术和水平有限 负荷波动明显 峰谷之差较大 因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为了延长设备使用的寿命 在运行规程中对开关在一定时间内的操作次数都有明确的限 制 就目前国内的现状而言 在考虑开关操作次数约束的情况下 对某个时间段进行重构 的研究更具有实际的意义 实际配电系统的负荷是随时间不断变化的 导致网络的最优结构也可能随时发生变 化 比如一天中的负荷变化就非常明显并且有规律 如果仅根据当前时刻的负荷情况进行 网络运行方式调整 可能刚调整完不久该方式就会因为负荷的变化而需要再次调整 导致 一段时期内过于频繁地改变运行方式 频繁的开关操作将增加系统的操作费用 并对开关 的使用寿命 系统的稳定性和可靠性产生不利影响 所以这无论是经济上还是技术上都是 不切实际的 为了在负荷动态变化过程中更好的保证配电系统的安全 优质 经济运行 常常需要对配电网络的结构在一段时间内进行有限次的调整 即需要进行动态重构 2 1 2 配电网重构的意义 配电网络重构作为配电网自动化的重要组成部分对于提高配电系统安全性 经济性和 可靠性具有重要的意义n 3 1 降低配电网线损 提高系统经济性 降低配电网损一直是电力企业和电力科研工作者努力的方向之一 不断降低电力系统 的能耗和线损 提高电力系统的运行经济效益 是电力系统面临的一项长期课题 西方主 要工业国家的线损率大致在5 8 我国为9 左右 与发达国家相比尚有差距 3 5 1 l o k v 配网线损是地区线损的重要组成部分 1 9 9 5 年全国城网1 l o k v 以下配网线损占总线损的 6 0 可见降低配网线损是降损工作的关键问题之一 目前 可以通过多种途径来降低配 电网的线损 如配电网络重构 安装补偿电容器 提高配电网络的电压等级和更换导线的 截面等措施 对于一个给定网架结构的配电网络 在不需要额外投资的情况下 可以通过 配电自动化实时遥控配电网的联络开关和分段开关以及电容器的投切来改变配电网的运 行方式 从而达到降低配电网损的目的 2 均衡负荷 消除过载和提高供电电压质量 在配网中 每条馈线均有不同类型的负荷 如商业类 民用类和工业类 由于不同类 负荷的日负荷曲线是不同的 在变电所的变压器及每条馈线上峰值负荷出现的时间也是不 同的 导致实际当中配电网中的负荷分布是不均匀的 有时甚至是极不均衡 这严重降 低了配电线路和设备的利用率 同时也增加了系统的线损 通过配电网络重构 可以将负 荷从重负载或是过负载馈线 或变压器 转移到轻负载馈线 或变压器 上 这种转移不仅调 节了运行馈线的负荷水平 消除馈线过载 还能改善电压质量 同时也可以有效地减小整 个系统的网损 3 提高供电可靠性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 宣m l m m i ii i i i i i i i i i i i i i 宣 当配电系统发生故障 切除了配电网中的故障运行设备后 在满足 定约束的条件下 为了减少停电面积 尽可能地保证用户供电 需要对网络的运行方式进行调整 通过配电 网络重构 即对网络中大量的开关进行操作 将非故障区域的失电负荷部分或全部转移到 其它线路上去 实现非故障区域快速恢复供电 2 2 配电网络拓扑分析 拓扑分析是网络重构算法中不可缺少的一部分 在网络重构算法中 需要调用拓扑分 析来不断的变换网络的运行方式 以寻找满足目标函数的最优的网络结构 可以看出拓扑 分析是整个网络重构算法的基础 拓扑模型结构是否合理 拓扑分析效率的高低 影响着 网络重构算法的效率 网络拓扑结构不仅包含配电网的拓扑结构描述和状态变量描述 而 且必须将这两方面有机地结合起来 常用的拓扑分析方法包括矩阵法 树搜索法 2 2 1 矩阵法 文献 8 中提出了一种基于关联矩阵的电网拓扑辨识算法 该算法使用节点一支路关联 矩阵表示配电网络的基本拓扑结构 定义了矩阵的 与一或 乘法运算 利用连通性的传 递性质 实现对配电网络的拓扑辨识 在此基础上 利用节点一支路关联矩阵和节点一节 点连通矩阵的对称性 提出了加快计算的技术和实现方法 文献 9 中把配电网映射成节点一支路模型 形成节点一支路的邻接矩阵 并在此基 础上提出了配电网连通域的概念 在文献中重点阐述了连通域的分离算法和基于d f s 进行 拓扑分析的流程并在配电网动态拓扑着色中进行了运用 以实现各种复杂结构的电力网的 网络拓扑分析 该文献中提出矩阵结构的网络拓扑技术 具有很好的通用性和很强的可扩 展性 同时 建立网络拓扑矩阵与电网接线结构相互对应 具有运用灵活和修改方便的优 点 文献 1 0 中 作者从多种配电网拓扑节点编号的方案中 通过比较 并结合所研究配 电网的实际 寻找出一种对树状网较实用的遍历方案 并利用关联矩阵在计算机上实现了 潮流的迭代计算 虽然邻接矩阵算法比较清晰 但是也存在着明显的缺点 1 对于有 2 个顶点的网络来说 矩阵进行 甩一1 次自乘 需要进行玎2 2 1 次乘法 运算 计算量大 费时多 2 用邻接矩阵法进行厂站的拓扑分析时 存在大量的计算冗余 在变电站内部存 在大量的节点 但并不是说任意两个节点之间的连通关系都是必须的 文献 1 1 对矩阵法进行了改进 提出了消去的计算方法 通过消去中间节点 降低邻 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 接矩阵的阶数 减少了计算量和计算冗余度 提高计算速度 这种算法的基本思想是忽略 掉中间节点 只分析对拓扑结构具有重要影响作用的节点之间的连通状态 2 2 2 树搜索法 网络的拓扑分析普遍采用的是树搜索法 在树搜索中将母线节点看作图的顶点将支路 看作是图的边 有两种树搜索的方法 深度优先搜索法d f s 和广度优先搜索法b f s 实现 树搜索的数据结构主要有以下几种 1 堆栈的方法n 2 3 该方法从某个节点出发 用 个堆栈存放具有中间分支的节点 沿某条分支向前搜索 把由闭合开关连接在一起的节点划分为一条母线 再从另一未划分母线号的节点出发 采 用同样的搜索方法 直到所有节点都分配有母线号 节点的每一个中间分支与连接到该节 点的开关相对应 母线的搜索过程中除了初始节点外 每个节点的中间分支都包含一个已 经处理过的开关 沿这条分支的搜索是一种浪费 每条母线的搜索都包含一进栈过程和退 栈过程 这实际是重复浪费 2 设置访问标志位的方法n 刘 该方法在搜索过程中对全网络设备都设置一个访问标志 访问过的设置为1 未访问 过的设置为o 根据1 0 判断某个节点或者支路是否被访问过 从而将全部设备搜索到 如果面对一个大网络这种方法有很大的局限性 计算量大而且配电网络有自己的特点不需 要对每一个设备都设置一个标志位才可以判断出该设备是否被访问过 3 链表的方法n 钔 该方法从己知节点出发按照各节点之间是否存在相关的参数来建立网络拓扑结构 逐 次形成整个电网的网络拓扑结构 该方法在电网结构发生一定的变化时扩展的灵活性显得 不够 需要修正计算机程序中的许多内容 运行维护比较复杂 4 递归的方法n 5 1 该方法将树按照递归的结构定义 各种算法也是采取递归的结构 这样处理有一定的 好处 可是现实中研究的配电网不一定是严格按照递归的定义 同时 递归子递归多了需 要保存现场的数据就很多 这也是一个缺点 其它的方法还有动态识别网络拓扑的方法 队列的方法 离散处理法 搜索步骤法等 等 2 3 静态重构的数学模型 配电网重构属于电力系统中的n p 难问题 是一个多目标的优化问题 在将不同的优 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 iiiiiiiiiiiiiit tei t i i 宣i i i i 盲i i i 宣i i i 亩i i i i i i i i i 葺 化算法应用于重构问题时 必然要确定优化目标和建立相应的数学模型 配电网重构问题 可以有不同的优化目标 譬如可以以降低网络有功损耗为主要优化目标 或以提高配电网 的安全性和供电质量为优化目标 甚至可以将上述不同目标结合在一起进行多目标的重构 优化 因此 配电网的重构目标具有多样性 可以根据重构的实际情况选择用不同的优化 目标建立不同的数学模型 在本节中 将对不同的优化目标及其相应的优化目标函数进行 较为详尽的介绍 静态重构一般以降低配电网线损n 6 1 7 1 均衡负荷n 8 1 9 1 提高电压稳定性啪3 减小停电 损失乜妇为目标或综合上述多个指标为目标乜2 删 常见的重构目标主要有以下几个 2 3 1 以降低网络损耗为目标 早在1 9 7 5 年 m e r l i n 和b a c k 就指出配电网络重构是降低配电网线损的有效途径 通过网络重构还可以均衡负荷 消除过载 提高供电电压质量 由于配电系统电压等级低 本身损耗较大 配电系统网络损耗越来越成为电力工作 者不可忽视的问题 据统计 我国某些配电网的线损率高达9 居高不下 其中城市配 电网线损率高是很大的因素 因此 降低这一损耗成了供电部门降低成本 提高经济效益 的一项重要任务 具有十分重要的意义 以网损最小为目标的配电网重构模型可表示为 r a i n 芹 荡 i 哆i 2 1 b l 式中 n r b 分别为支路总数和支路电阻 只 q 分别为支路有功 支路无功 和支路末端节点电压 配电网重构必须满足以下约束 1 潮流约束 a x d 2 2 上式中 么为网络节支关联矩阵 z 为线路潮流矢量 d 为负荷矢量 2 容量约束 s 腿 2 3 上式中 为支路或元件中的电流 s b 一为支路或元件的最大允许电流 3 电压约束 配豳 嘲 2 4 上式中 v 曲 u 一分别为节点f 的电压上下限 4 网络拓扑和供电约束 配电网一般为闭环设计 开环运行 即要求配电网重构后呈辐射状且不能出现孤立节 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 点 即所谓 孤岛 2 3 2 以均衡负荷为目标 在配电网络运行时 网上的负荷可能极不均匀 有的馈线和开关的负荷接近甚至超过 其额定负荷 而另一些馈线和开关的负荷却很小 这种运行方式显然是不理想的 通过网 络优化重构应当将负荷过大的馈线和节点的负荷分配一部分到负荷较低的馈线和节点上 去 以达到负荷平衡的目的 负荷平衡对于配电网的意义很大 它意味着采用同样的设备 可以供出更多的电能 配电网络在建成后 可能会由于馈线所带负荷性质的不同而出现负 荷不平衡的情况 即使是在同一条馈线 在不同的时间段也会出现负荷的波动 以负荷均衡为目标的配电网重构模型可表示为 n 2 r 1 2 r a i n 厂 y 量 丝 2 5 葛s 一 上式中 忍 q 6 分别为节点的有功和无功 一为支路或元件的最大容量 重构过程中 还必须满足潮流约束 电压约束和网络拓扑约束 2 3 3 以提高电压稳定性为目标 以加强电网安全性为优化目标的配电网重构主要应用在重负荷或者电网运行安全性 问题较为突出的情况下 这类重构的目标函数主要通过一个电压评估指标来评估电网节点 电压 通过重构来提高电压评估指标 相应提高节点电压质量和电网安全性 电压评估指 标包括电压稳定性评估指标或者电压平衡指标等 本文主要介绍电压稳定性评估指标 电压稳定性评估指标可以通过潮流计算结果得来 其推导过程如下乜4 1 圪i 么反 i 巧i 么乞 i l p 3 七1 q i r 4 心 节点 处潮流为 图2 1 配电网模型图 上式中 厶是流过支路6 的电流 从式2 6 2 7 可以得到 p j 七j q j y j i 厶 尘当 r b j x b 2 6 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l 巧1 4 i 圪i 2 最 q f 巧1 2 乎 彰 孑 o 2 8 假设 吃 i 圪f 2 p r q 2 9 c n 乎 q 孑 露 2 一l o 式 2 8 转化为 l 1 4 钆i 巧1 2 c 0 2 1 1 求解上式 矿可行解的最大值为 吲 冬 争2 吲化 2 1 2 从式 2 1 2 可以得到矿存在可行解的条件为 冬 2 一巳 o 2 1 3 综合2 8 和2 1 3 可以得到电压稳定性评估的表达式为 v s j 刊巧1 4 4 乞 q j x l 巧1 2 4 g x b 9 2 1 4 通过网络潮流计算之后 可以通过式 2 1 4 得到电压稳定性指标 电压稳定性指标 小表示该节点电压低 说明该节点很有可能在突然的负荷冲击下超过最小允许的电压幅 值 因此以电压稳定性指标为优化目标的重构的数学模型为 m a x f v s j j l 2 3 n 2 1 5 其中 n 为配电网节点总数 重构过程中还必须满足潮流约束 支路容量约束和网络 拓扑约束 2 3 4 以降低停电损失为目标 配电系统可靠性的研究始于本世纪6 0 年代 晚于发电和输电系统的研究 这是由于 当时没有意识到配电系统可靠性的重要性 随着统计工作的完善 人们发现大约有9 0 以上的用户停电是由配电系统引起的 同时 配电系统的投资也十分巨大 这就意味着配 电系统可靠性评估将会产生显著的经济效益 从此 配电系统可靠性研究得到了迅速发展 特别是提高配电系统可靠性的措施 引起了人们的关注 因此 配电系统可靠性的研究具 有重要的现实意义 以往的配电网重构研究多以平衡负荷 消除过载或降低网损为目标 到目前为止 以提高可靠性 降低停电损失为目标函数的配电网重构的模型和