（电力系统及其自动化专业论文）基于人工智能的配电网故障恢复重构研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni sn o to n l ya l li m p o r t a n tm e t h o di nc i r c u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n go f d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，b u ta l s oa l li m p o r t a n tp a r to fd i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y ，i ti sp o s s i b l et or e d u c et h el o s so fe n e r g yi nt h ee l e c t r i c n e t w o r kt h r o u g hi n t e l l i g e n ta l g o r i t h m t h eb a c k g r o u n d ，t h es i t u a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c o n f i g u r a t i o no ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h e p o p u l a ra l g o r i t h m s f o r r e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kn o w a d a y sa r er e s e a r c h e d f u r t h e r m o r e ，t h eo b j e c t i v e f u n c t i o n sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h er e c o n f i g u r a t i o na r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ， a c c o r d i n gt ot h eb r a n c h - e x c h a n g ea l g o r i t h m ，i t sp r i n c i p l ei si n v e s t i g a t e da n di si m p r o v e d e f f i c i e n t l yi t s e l f a n dt h e n ，t h r o u g ht h es o f t w a r eo fp s a s pp o w e rs y s t e m ，a c t u a le x a m p l e s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r eg i v e nt ov e r i f y t h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta l g o r i t h mc a na v o i dr e p e a t e d l yp o w e rf l o wc a l c u l a t i o no fo r d i n a r y a l g o r i t h m s ，a n di ti sa d v a n t a g e o u si nf u n c t i o na p p r o x i m a t i o n i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m so f i t sl o wl e a r n i n gs p e e da n dl o c a lc o n v e r g e n c e ，w o r kh a sb e e nd o n et oi m p r o v et h eb p a l g o r i t h m f o l l o w i n gb yt h ek n o w l e d g eo fg r a p h ，t h r e e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ec o n s t r a i n t so ft r e e t o p o l o g yo ft h en e t w o r k ，t h ee r r o rf u n c t i o ni si m p r o v e d ，a n d d e t e r m i n a t i o no fr i n g w e ba n di s o l a t e dv e r t e xa r em a d et oe f f i c i e n t l ys o l v et h ep r o b l e mo f l o c a lc o n v e r g e n c et om i n i m u mo ft h eb pa l g o r i t h m p r o c e e d i n gf r o ma c t u a lc o n d i t i o n s ，t h e i m p r o v e da l g o r i t h mi st e s t e dt oc o n f i r mt h a ti t i ss p e e d yi no u t p u ta n de f f i c i e n ti nf u n c t i o n a p p r o x i m a t i o n w i t ht h em o s ti m p o r t a n ta n di m p r e s s i v ef e a t u r eo fs e l f - l e a r n i n g ，b pn e u r a ln e t w o r ki s v e r ys u i t a b l ef o rl o n g - r u n n i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r e f o r e ，t h i sa l g o r i t h ms h o u l dh a v ea c h e e r f u lp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n k e yw o r d ：r e c o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，b r a n c he x c h a n g em e t h o d ，b pn e p a l n e t w o r k ，g r a p ht h e o r y n 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名霹m 刍飞 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 本，鹕七 硕七论文基于人工智能的配电嘲故障恢复重构研究 1 绪论 配电网中大部分开关为分段开关，正常处于闭合状态；另有少量开关为联络开关， 平时处于开断状态。为了保证供电可靠性与经济性，一段线路上的负荷可以通过开关的 切换转移到不同的电源供电。负荷转移过程称为配电网重构【l 】。 配电网重构可分为两种过程：一种是对正常运行的辐射型配电网的负荷进行供电调 整，在保证供电安全性、可靠性的前提下，针对负荷的不断变动，从网络运行经济性出 发，通过线路开关切换，改变负荷的供电电源，减少网损( 论文中主要指有功损耗) ， 达到最优运行的目的。第二种是线路故障后的网络重构，考虑恢复用户供电时，要求最 优运行，主要是网损最小。这两种过程的分析基础是：配电网络结构一定；负荷不是固 定的；配电网的运行继承性，即网络已是环网开环辐射网络，因此操作有多种方案可行。 配电网重构是配电自动化系统的重要组成部分，是配电调度控制的重要依据。近十 年来配电网络重构的研究相当活跃【2 j 。 1 1 配电网重构的背景及意义 国外对于配电网重构的研究开展较早，最初主要针对城市电网。城市电网的特点是 大量使用地下电缆，具有环形结构而通常以辐射形运行，系统中配电变压器存在哪条电 缆供电最优的问题。在农村电网中主要使用架空线，最初系统是按照辐射形设计，后来 为了提高供电可靠性，分段开关和联络开关的数目不断增加，电网重构也就成为可能1 3 1 。 配电网重构是配电网特有的功能，随着配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ， 简称d m s ) 的建设和完善，配电网重构就能在实际中应用，从而提高配电网的可靠性、 安全性和经济性。因此，加快对配电网重构问题的研究具有重要现实意义【4 】。 配电网络重构实际上是网络结构的优化。在配电线路上，通常沿线路设有大量的分 段开关，在馈线入口处装设有少量的联络开关。在正常运行状态下，为了增加网络的可 靠性、减少网损，需要定期通过开合这两类开关来重新构造配电网络的运行结构，使负 荷在各馈线之间相互转移而得到合理分配。 配电网络重构是配电网管理系统高级应用软件的一部分。配电网的经济运行仅仅采 用离线计算的手段，诸如潮流计算、网损计算和无功补偿优化配置等还是很不够的。配 电网具有大量的断路器和刀闸，配电网调度员在正常、检修或事故运行方式下，要对断 路器或刀闸按需要进行操作，来调整网络结构，即重构网络。由于系统中的负荷是变化 的，因而对应于不同的负荷，需要调整网络的拓扑结构以达到网损最小。通过重构可将 负荷转移，以达到平衡负荷，消除变压器和线路过载，提高供电可靠性和用户的电压质 1 绪论硕士论文 量，还可以降低网损，提高配电网的经济性。所以配电网重构是实现优质、可靠和经济 运行的重要手段【5 1 。 1 2 配电网重构特点 配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点。为了提高供电可靠性及运行的灵活性， 配电沿线上设有分段开关，在馈线入口出设有联络开关，配电网的这特点，使得其网 络结构可以重构。 随着配电网的发展，其对电能可靠性的要求，即故障后快速重构，最大限度地恢复 用户的继续供电，必然促使配电网内联系更完善更紧密，且这种联系将逐渐实现自动、 实时，继电保护、信息的采集和传递、数据处理，所有这些方面的进展，又为网络 优化重构提供了可能，促进其发展。 正常运行条件下，配电调度员周期性( 如按季节) 地进行刀闸操作以调节网络结构。 通过网络重构，一方面平衡负荷，消除过载，提高供电电压质量；另一方面降低网络损 耗，提高系统的经济性。在故障情况下，闭合一些常开刀闸，隔离故障支路。同时打开 一些常闭刀闸，使系统保持开环运行状态，把故障支路的负荷全部或部分的转移到另一 条馈线或同一条馈线的另一条支路上。所以网络重构是提高配电系统安全性和经济性的 重要手段1 6 j 。 由于配电网的网损与电压是非线性关系，且又存在电压与电流的相位差以及各种约 束条件，进行配电网络重构的分析实际上是一个复杂的多目标，多时段，多组合，多约 束的非线性最优化问题，最终得到的解是一系列开关动作组合。然而，由于该问题的复 杂性，难以单纯从数学优化的角度来求解，且如果要得到满足要求可行解的运算时间会 很长。在实际应用中，调度员往往根据工作经验和某些启发式的规则来寻找可行方案， 快速有效的实现恢复供电。目前求解此问题的典型方法有：运用启发式搜索方法寻找可 能的恢复方案，并经数值计算确定可行的或优选的恢复方案；运用专家系统技术，构建 规则库并进行推理；运用模糊数学原理进行模糊规划或模糊评价，确定优选方案；运用 遗传算法，建立评价函数，寻求该评价函数下的最优解等。 总结前人的研究，可以看出配电网恢复重构是一个组合优化问题，有其自身的特点， 主要有以下三个方面的内容【5 】： 1 ) 离散性、高维性和非线性 恢复重构的方法是操作网络开关，而开关的状态是离散的逻辑量0 1 ，另外，其目 标函数和约束条件大多数是非线性的。对于这样一个非线性、离散的组合优化问题，由 于要优化的开关变量数量巨大，优化的维数高，传统的优化方法己难以适应，需要寻找 新的方法。 2 ) 配电网络的辐射性 2 硕上论文 基于人工智能的配电网故障恢复重构研究 在配电网中，由于继电保护和故障定位等多方面的需要，无论开关状态如何，都必 需保证网络的开环运行。 3 ) 配电网馈线的解耦性 、 配电网由众多的馈线组成，由于馈线内负荷的波动往往不足引起根节点电压的明显 变化，所以在大多数文献中，计算配电网时都近似的认为根节点的电压不变，对于某条 馈线来说，一旦根节点的电压和沿线的负荷给定，沿此馈线的潮流分布也就完全确定下 来了，与其它馈线的运行状态没有关系，这就是配电网的馈线的解耦特性。 1 3 配电网重构研究的现状 8 0 年代初c a s t r o 等人提出了基于搜索树的算法，8 0 年代中期c a s t r oj r 等人提出了 两步算法，8 0 年代中后期a o k i 等人提出了基于自动分段开关的负荷转供算法，8 0 年代 末期s t a n k o v i c 等人提出了基于线性系统模型的面向图的控制算法，8 0 年代末期d i a l y n a s 等人提出了图论的方法，9 0 年代初s a r m a 等人提出了网络简化法。这些算法简单，能 满足实时要求，但这类算法一般无法考虑多目标优化问题，可统称为简单算法【7 1 。 由于配电网的节点数多，又与用户直接相连，所面临的问题庞大而复杂，有的无法 建立精确的数学模型，或者不允许单纯用数学来描述，有的则无法建立数学模型。目前 我国城市电网虽在近年来采用了新技术和新设备，但全国城网技术水平与国外相比差距 仍很太。电网结构普遍比较薄弱，不但备用切换能力差，达不到n 1 的安全准则，供 电可靠性差，而且网损率高【8 】。我国配电网的现状使得配电网的数学模型更加复杂，因 此需寻求配电网络重构的优化算法。人工智能技术的发展为配电网络大量问题提供了新 的有力工具，国内外学者应用人工智能技术对配电网重构进行过大量的研究，提出了许 多求解方法。 经过多年众多学者的探索研究，目前解决配电网重构的方法大致有： a 1 数学优化理论算法 数学优化理论算法是直接利用现有的数学优化原理进行配电网络重构的方法，包括 分枝定界法、整数规划、线性规划、非线性规划等数学优化方法。 m e r l i n 和b a c k 9 】提出了一种基于分枝定界技术的启发式重构方法，首先闭合所有的 开关使网络转换为一个少环状网络，然后每次打开一个开关，直至网络恢复到辐射状结 构，每次打开一个开关都要保证减少网损。该方法的优点是： 1 ) 最终的重构结构不依赖于初始状态； 2 ) 该求解过程能够得出最优或近似最优的网络结构。 缺点是： 1 ) 负荷被等值为仅含有功功率的恒定电流源，而不管网络结构的变化； 2 ) 榔子屯压降落和相角变化； 3 l 绪论 硕士论文 3 ) 忽略了网络约束条件； 4 ) 使用了直流潮流的计算方法。 j i y u a nf a n 等人【1 0 】提出一次只开合一对开关的单环网优化问题，其数学模型为具有 二次目标函数、o 1 状态变量的非线性整数规划问题，用单纯形法求解。 n d r s a r m a 等人【l l 】提出一种基于0 1 整数规划的配电网重构算法，这种方法一次 可以考虑多个开关操作，并可以得到全局最优解。 a b u r 1 2 l 提出了利用改进线性规划的方法进行网络重构。 t p w a n g e r 等人【1 3 】把网损最小的网络重构问题转化成考虑二次费用的网络传输问 题。二次功率损耗用分段线性函数表示，将馈线电压降落和热容约束包含在其中，该方 法不需要起始方案，在优化过程中形成辐射状的网络结构。 k a o k i 等人【1 4 j 忽略电压降落，将负荷当成恒定电流，用非线性规划技术来求解配 电网重构问题。 一般认为，利用数学优化理论可以得到不依赖于配电网初始结构的全局最优解，但 已证明，数学优化技术属于“贪婪”搜索算法，计算时间非常长，在应用于实际配电网 时，随着维数的增多将导致严重的“组合爆炸”问题。 b ) 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【1 5 1 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。d s h i r m o h a m m a d i 等人的主要贡献在于提出了最优流模式 的概念，并用它来指导打开哪个开关。算法步骤基本思想为： 1 1 合上所有开关形成少量环网； 2 ) 计算少量环网的潮流，获得节点注入电流； 3 ) 仅保留少量环网的支路电阻，利用2 ) 获得的节点注入电流，在满足基尔霍夫电 压定理和基尔霍夫电流定理条件下求得的电流分布就是最优流模式； 4 ) 打开最优流模式下电流最小的支路，打开一个支路解开一个环。 5 ) 重复2 ) 3 ) 4 ) 直到网络恢复为辐射状为止。 该方法把开关组合问题转化为优化潮流的计算问题，使复杂问题得到了简化，并且 能够给出一个近似最优解，但随着网络规模的增大，由于算法中涉及到少量环网的潮流 计算和最优流的计算，使得计算时间大大增加，进而此法在大规模配电网络中的实时应 用比较困难。另外，初始时闭合所有开关使网络中同时存在多个环网，求解最优流模式 时各环网电流相互影响，打开开关的顺序对结果也有较大影响，确定一个待开开关有可 能需要进行多次配电网潮流计算。文献 1 8 】在 1 7 】的基础上研究了不平衡配电网络的最 优流模式重构方法。 为了克服文献【1 7 中存在的问题，k g o s w a m i 等人提出每次只合一个联络开关，确 定一个待开开关的方法，消除了环网电流的相互影响，但没有从根本上解决问题，计算 4 硕士论文基于人工智能的配电网故障恢复重构研究 量仍较大。文献 2 0 ，2 1 在文献 1 7 1 1 拘基础上提出一种改进的最优流模式算法，在求最 优流时，只将环网支路中的阻抗简化为电阻，而辐射状分支仍保持用阻抗描述，从而更 加符合实际情况，并且通过网损变化的估算来确定要打开的开关。而文献 2 2 1 推导出一 次开关操作中功率损耗增量的表达式，然后选择功率损耗增量最小的开关操作。 c ) 支路交换法 支路交换法( b r a n c he x c h a n g em e t h o d ，简称b e m ) 也称开关交换算法，主要是指利 用开关的开合在两条馈线之间交换负荷。s c i v a r d a r 等人【2 3 】首先提出该方法：首先计算 初始潮流和网损，利用潮流计算的结果将负荷用恒定电流表示，每次只合上一个联络开 关形成一个环网，选择环网中一个分段开关并打开，使配电网恢复为辐射网，从而实现 负荷转移，达到负荷均衡和降低网损的目的。 为了保证网损下降，必须闭合两端电压差最大的联络开关，并将负荷从电压降落大 的一侧转移到电压降落小的一侧，据此可以建立一组启发式的规则。 m e b a r a n 等人【2 4 j 在文献【2 3 】的基础上进行了改进，利用网损变化的估算公式为二 次函数的特点，将二次函数求极值的方法用于寻找最佳开关操作，降低了总的搜索次数。 m a k a s h e m 等人【2 5 】利用开关交换法进行配电网负荷均衡，从潮流方程出发得出开关交 换引起网损变化的另外一个公式。w h e i m i nl i n 等人【2 6 】根据线路损耗公式定义了3 个开 关系数，据此来决定打开环的最优点，每次只考虑具有最大降损效果的开关操作策略， 降低了搜索空间。g p e p o n i s 等人【2 7 】对雅典的一个配电网进行了简化，然后用开关交换 算法和最优流模式算法进行配电网重构，结果表明开关交换算法结合启发式规则具有更 快的处理速度。文献 2 8 1 提出了以电压均衡指数为目标函数的开关交换算法。文献 2 9 】 提出了用支路交换的生成树搜索法，将重构问题转化为最优生成树的局部组合优化问 题。 d ) 人工智能算法 人工智能算法( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 就是模拟工作人员在实际工作中获得 的经验进行操作所采用的方法，它是在1 9 5 6 年由美国的m c c a r t h y 和m i n s k y 等人提出 的，经过多年的努力，已经有了很大的发展。近年来，许多学者将人工智能的理论和方 法应用于电力系统的研究和生产实践中，其中用于配电网重构的方法主要有：模拟退火 方法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称 a n n ) 、遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 、专家系统等以及这些智能方法的综合 应用【3 0 i 。 这些方法在保证得到全局最优解方面效果很好，但这些方法中的某些参数可能随着 网络规模等因素的变化而变化，很难确定。并且这类重构方法普遍存在重构时间较长的 缺点，如文 3 1 1 利用遗传算法对一个中等规模的网络进行重构时用了6 小时3 8 分钟的 时间。 5 l 绪论 硕士论文 1 ) 模拟退火算法 模拟退火法( s a ) 是1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人为了模拟熔融态固体热平衡的形成而 提出的一种简单算法，即m e t r o p o l i s 抽样算法。1 9 8 3 年，k i r k p a t r i c k 等人首先将这一算 法应用于求解组合优化问题，提出了模拟退火算法，即采用随机搜索迭代过程来寻求最 优解。文献 3 2 1 将这一算法用于实现最优配电网络重构。由于一个规模较大的配电系统 会产生大量的待选结构，要对每一个网络状态进行网损计算，势必增加计算时间。事实 上每一个新的网络结构都是在前一个网络结构的基础上通过对某一条或几条馈线做随 机扰动而产生的，在假设电源电压恒定时，只需对扰动过的馈线进行有功网损增量的计 算，即可得到整个系统的有功网损变化量，然后根据m e t r o p o l i s 接受准则判断是否接受 为当前状态，若被接受，则修改当前网络结构，否则，放弃此待选结构。s a 法对目标 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，s a 法同时还能 有效地克服“维数灾 问题，但是，s a 法收敛的关键在于退火方案的选取，若选择不 当，则需要大量的随机迭代，计算量大，得到的解与最优解相差甚远。 2 ) 人工神经网络算法 它适用于映射复杂的非线性函数关系，文献 3 3 1 用a n n 法进行网络重构以实现有 功网损最小。该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 初始网络结构和负荷水平，然后决定系统的输出最优结构，即为一个包含输入 输出关系的样本。这种方法与传统方法不同之处在于不需要进行潮流计算，对神经网络 的训练数据只需对应于不同初始结构和网络结构即可，因此，一旦a n n 权值给定，只 要给定输入，马上可以得到输出。由于神经网络具有非线性映射较强的并行计算能力和 抗干扰能力，有潜力实现在线实时控制。a n n 法的不足之处在于其最优解与训练组的 数据有很大关系，从而限制了其实用性，而且训练过程中有时会出现“麻痹现象，且 对a n n 网络节点规模的选择尚无理论指导。 3 ) 遗传算法 遗传算法( g a ) 是模拟进化方法中最主要的一种方法，由美国m i c h i g a n 大学的 h o l l a n d 教授于6 0 年代首先提出，基本思想是适者生存。它综合了自然基因适应自然及 带有目标优化特性的组织进化过程，这两个优点，通过模拟基因串的适者生存及随机交 换信息的方法搜索优化方案。在每个代中，它利用上代最适合的信息去创造新的合成基 因串，有效利用过去的信息去搜寻新的搜索点，利用这些点来改进搜索。经过几十年的 努力，g a 法已成功地应用于搜索、优化及机器学习等多个领域，它也是配电网重构应 用最多的一个方法。文献【3 4 】首先将g a 算法用于最优配电网络重构，将网络的开关状 态编码成二进制字符串，类似于生物中的基因链，每一个字符串对应一个适应度函数， 考虑网络损耗及约束条件罚因子，将问题转化为一个混合的 o 1 】规则问题，通过字符串 进行“复制”、“杂交”和“变异”等操作，经过许多“代”的进化以后，从中选出适 6 硕士论文基于人工智能的配电网故障恢复重构研究 应度最大的字符串，即为最优网络结构。模拟进化方法与传统的优化方法比较，它采用 二进制码参加运算，不是变量本身。优化计算采用概率搜索规则，从一组点开始搜索而 不是一个点，对目标函数的要求不高，因而容易达到全局最优。但是，模拟进化方法的 算法性能易受控制参数( 如杂交率、变异率等) 的影响，随机迭代次数多，尤其是当搜 索点接近最优点时，搜索时间可能是前面的数倍。 4 ) 专家系统 文献【3 5 】【3 6 】提出运用专家系统进行配电网络重构。二者提出的算法基本相同，其 目标函数首先是为了避免变压器、馈线过负荷以及电压越限，认为满足这些条件的同时 就可以降低网损。文献【3 6 】还明确提出应该在重构时考虑对继电保护和电压控制的影响， 由于在实际中调度员不愿意对系统作出较大的调整，因此专家系统可以给调度员提供有 效的建议。但是，这类算法是基于启发式的规则，这些规则是基于满足系统的运行约束， 无法包括数学运算和评估，有和基于启发式算法相同的局限性。文献【3 7 】提出一种基于 专家系统的配电网络重构算法，规则是通过对配电网的研究和向调度人员了解来的经 验，这种方法确实可以达到降低网损的目的，但是并不能保证全局最优解。 e ) 其它的配电网络重构算法 尽管大量的重构算法是以研究降低配电网络损耗为目标，但也有从别的角度来考虑 网络重构问题的。文献【3 8 】从提高配电系统可靠性出发，研究满足运行约束条件下的配 电网重构问题，并首次利用遗传算法进行供电可靠性最优的网络重构。文献【3 9 】提出了 一种考虑安全约束的配电网最优网络重构。文献 4 0 l 采用了一种启发式方法求解以电能 损耗最小为目标函数的网络重构。文献 4 1 贝1 j 在改进的最优流模式算法基础上，对负荷 曲线采用估算和修正的处理，提出了一种具有实用价值的以电能损耗最小为目标函数的 网络重构算法。文献 4 2 1 e j l 入了开关组的概念，提出了一种用于负荷平衡重构的同步开 关法。这些算法都大大丰富了网络重构算法的研究。同时，多目标的配电网重构研究也 开始有学者给予关注 4 3 1 。 1 4 配电网重构研究的展望 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。目前人们最关心的是搜索方法，但是其它几个方面也应得到重视和研究。 1 ) 配电网重构的计算建立在一定的负荷数据上，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，还要考虑到负荷预测误差和负荷模型的影响。 2 ) 由于配电网具有与输电网不同的特点，如三相不平衡，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，因此应当采用独特的潮流计算方法。同时，在配电网重构中， 7 i 绪论 硕士论文 通常要尝试多种网络结构，进行迭代潮流计算，因此应当努力提高潮流计算速度。 3 ) 目前配电网重构的主要研究集中在搜索方法上。搜索方法决定了搜索步骤和搜 索方向，因此不但影响计算速度，而且对于计算结果是否能够收敛于最优解非常重要。 由于存在多种限制条件( 如开关寿命) ，配电网重构并不频繁操作，较实用的一般是按 季节( 或月份) 操作，因此在研究和选择搜索方法时，相对于计算速度，能否收敛于最 优解似乎更重要。目前，在支路编号和排序、建立和修正回路阻抗、确定开关操作次序 等方面取得一些进展，主要利用拓扑论和启发式规则。另外，由于人工智能算法可以较 好地处理离散变量和约束条件，容易收敛于最优解，因此应用前景很好。 4 ) 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。因此配电 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地发挥评估和决策作用。 5 ) 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 的研究起步不久，主要探讨如何利用分段器、联络开关实现 故障的识别、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【5 1 。 1 5 论文的主要工作 论文研究的内容主要包括以下几个方面： 1 ) 从总体研究配电网重构：主要研究配电网重构的具体概念、背景、现状和特点， 当前国内外有关配电网重构的发展情况，以及重构的数学目标问题： 2 ) 配电网重构的各种算法研究：主要研究目前国内外有关建立配电网重构目标函 数的比较好的优化算法，分析其优缺点。建立目标函数，并针对目标函数，确定算法研 究； 3 ) 研究支路交换法，对其进行改进和应用，用p s a s p 软件对其进行仿真验证，为 论文研究b p 神经网络需要的样本做准备； 4 ) 研究人工智能算法中的b p 神经网络及其具体设计，分析b p 算法缺点的原因， 将从该算法自身加以改进，使其避免学习速度慢和局部收敛等缺点； 5 ) 研究图论知识，针对于配电网的拓扑结构要求，构建适用的数学模型。根据该 数学模型对b p 算法进行改进，并对网络输出进行约束判断； 6 ) 对改进b p 神经网络算法，用m a t l a b 的1 3 1 语言编写程序实现，并用实际算例 进行测试，且和支路交换法做比较及分析。 硕士论文基于人工智能的配电网故障恢复重构研究 2 配电网重构及其算法 论文研究的是配电网故障恢复重构，前提条件是配电网的故障智能定位和故障自动 隔离问题已经解决。因此，有关配电网这两方面问题，介绍一下概念，不多研究。 配电网的故障智能定位指的是在故障发生后，控制中心根据装设在配电网中的智能 化采集、通信和控制单元收集到的数据，结合配电网的实际运行情况，利用网络信息和 故障信息来自动地判别故障发生的位置，并且在网络结构的拓扑图上反映出故障点。 配电网的故障自动隔离指的是在判别了故障的位置之后，根据网络的拓扑连接，自 动查找到和故障点直接相连的所有开关，利用通讯线路遥控断开这些开关，把故障点和 正常的网络隔离开来，为下一步的恢复重构作好准备。 配电网的故障恢复重构指的是故障发生后，控制中心利用已有自动化功能定位了故 障并且自动隔离了故障之后，寻找到需要恢复供电的区域，重新调整配电网中的联络开 关和分段开关的状态，在所有可能的开关运行状态中快速地找出一套既能满足网络运行 条件又能使目标函数最小的开关运行方案，并且通过遥控开关尽快恢复对停电用户的供 电【8 】o 考 研究开环运行条件下的重构方案选择，就是在针对当前负荷水平、辐射网状态，以 保证对负荷的供电为前提，通过部分负荷的转移供电，以网损最小为目标函数，结合其 他约束条件，求取最优的运行方式。所以抛开配电网重构的原因，从重构原理与研究方 法来看，配电网故障恢复重构直接体现了所有配电网的重构研究。 2 1 配电网重构的要求与策略 配电网重构的主要任务是帮助调度员对恢复供电过程进行决策，其目标是在允许的 操作条件和电气约束下，通过网络重构尽可能多地将停电区域的负荷转供到正常的馈线 上。实际情况下，配网调度员应快速的恢复供电，同时，考虑到开关操作寿命和有限的 人力资源，要求开关的操作次数越少越好，因此恢复过程要满足如下的要求【g 】： 1 ) 恢复策略必须是实时的。因为故障发生后，实际要求在尽可能短的时间内恢复 对停电区域的供电，以提高供电可靠性和用电户的满意程度。 2 ) 恢复策略应尽可能多地恢复停电的负荷。同时，不同等级的负荷分别考虑，重 要的负荷应优先恢复供电。 3 ) 开关的操作次数应尽可能少。其主要原因是开关设备的总操作次数有限，为延 长开关的使用寿命，操作次数越少越好。另外还要考虑到，配网中的大部分开关需要操 作员手工完成，在拥挤的都市或交通不便的乡村都需要花很长时间来完成一次操作，所 9 2 配电网重构及其算法硕士论文 以，也要求操作次数尽量少。 4 ) 恢复网络的结构变动应尽量少。换言之，应尽量操作离停电区域近的开关。 5 ) 恢复过程不能出现环网。 6 ) 恢复过程不能有设备过载。 配电网故障恢复重构不但要满足以上要求，实质上还要解决好以下两方面问题： ( 1 ) 使原先受故障影响的非故障失电区域负荷供电得以快速恢复。 ( 2 ) 保证配电网络中的拓扑约束，即不出现环路( 环网) 和孤岛( 孤立顶点) 。 配电网络通常呈辐射状运行，因此其重构问题实际上是在弧的权值随流量非线性变 化的网络上寻找最小费用树的问题。这是一个大规模、混合整数、非线性组合优化问题。 同时由于配电网中作为优化变量的开关数量巨大，容易产生组合爆炸问题。 根据上述所有要求，可以对故障恢复重构问题采取以下的构思策略： 1 ) 在对故障区段定位并隔离后，为了对故障区下游的非故障断电区恢复供电，不 妨将原有网络中所有联络开关统统合上。这样是一定能保证失电负荷恢复供电的，使得 问题( 1 ) 得到了满足，同时该操作引入了环路的产生。 2 ) 根据拓扑关系，针对环路生成其对应的可操作开关集，使得随机断开此集合中 任一开关，均能有效开断对应的环路，保证了辐射型约束，确保重构采用的算法仅在可 行解范围内搜索。 3 ) 应用某种优化算法，进行目标寻优，在最短时间内，得到故障恢复重构问题的 最优解m 1 。 2 2 配电网故障恢复重构目标的确立 针对不同的要求，配电网故障恢复重构确立的目标就不同，那么建立的目标函数就 不同。目前不同恢复策略的目标可以归结为： 1 ) 最小化停电区域 m i n f , ( x ) ( 2 1 1 ) 式中：又表示开关状态向量，x 一= 【墨，s ：，】：n ，表示研究系统中开关的总数 量；s ，表示开关f 的状态( o 和1 分别代表开和合) ；z ( 夏) 表示在开关状态j 的情况 下非故障区域的停电区段数量。 2 ) 最小化开关操作数量 n s i 血 ( j ) = 慨一晶f | ( 2 1 2 ) 1 0 硕士论文基于人工智能的配电网故障恢复重构研究 式中： ( 牙) 表示在开关状态牙的情况下的开关操作数量；& ，表示开关的初始状 态。 3 ) 最小化系统网损 一耻善c 华呐 眩， 式中：m 为支路数；弓、q j 为支路，末端流过的有功和无功功率；巧为支路末 端节点的节点电压；0 为支路_ ，的电阻；k j 为支路的状态变量，0 代表打开，1 代表 闭合。 4 ) 平衡负荷 m i n a ( x 一) = ( 墨s 眦) 2 ( 2 1 4 ) 式中：s j 为设备的实际负荷；墨一为设备的最大允许负荷：n 为设备总数量嗍。 5 ) 尽量恢复停电用户的供电 m m i n a ( x ) = 厶( 墨s 麟) 2 ( 2 1 5 ) j = l 式中：m 为支路数；l ，为支路长度；墨为支路负荷；s 吣为支路最大允许负荷。 6 ) 开关操作的次数 m i n f 6 ( x ) = 式中：为开关操作的次数6 1 。 ( 2 1 6 ) 现在大多数配电网络重构研究分为两类：即以配电负荷均衡化为目标的网络重构和 以网损最小为目标的重构网络。研究表明，在精细分段不能满足、馈线间的负荷转移必 须成组进行的情形下，两类网络重构的结果是很接近的【1 6 】。我国配电馈线一般采用三分 段的结构，因此通过网络重构只能实现大量负荷成组转移，因此负荷均衡化的运行方式 往往网损也较低。 2 3 配电网故障恢复重构的目标函数 对于不同重构目标的要求，建立的配电网故障恢复重构优化目标函数也就有很多 种。主要的配电网重构目标函数如下所述【6 1 ： 1 ) 以提高系统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 l l 2 配屯网重构及其算法 硕士论文 可能性。典型的目标函数为 蚵n 三叫三坼( 尺) ( 2 3 1 ) _ 式中，为系统负荷点数目之和：l a v , 为负荷点f 的年平均负荷：坼为负荷点f 的年 停运时间；r 是网络中所有间隔开关的状态。 提高系统可靠性的途径一般有两条：一是提高组成系统各元件的可靠性；二是增加 系统的冗余度。但这两种方法都需要增加投资，经济性不是很好。进行配电网重构可以 在不增加投资的情况下，提高系统的可靠性。配电网可靠性进行评估的方法有两类：一 类是解析法，另一类是模拟法。解析法是对预想的停运事件进行逐个评估和计算，最终 得到用户和系统可靠性指标。解析法原理简单，模型准确，已广泛用于辐射型配电网的 可靠性评估。但配电系统结构比较复杂时，计算将会很繁杂。模拟法是通过模拟元件寿 命过程的实际情况，并对此模拟过程进行若干时间观察，评估所求的可靠性指标，模拟 法适合与复杂系统计算，在有些特定场合，该方法甚至是唯一可行的求解方法。 2 ) 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 n f ( i ，y ，z ) = m i n a i ( 1 一y ，) + a m + j z j 】+ i t ir t ( 2 3 2 ) 式中m ，z ，为开关和联络开关的状态；a ，为权重系数。 最大限度地恢复停电区域的供电，同时又不引起非停电区域的过负荷，操作上还要 最为简单，方便，这是配电网重构的一个大问题。过去大多采用专家系统( e s ) 方法。然 而，由于e s 不能处理在知识获取过程中不曾遇到过的特殊情况，难以覆盖所有的故障 模式和运行方式；知识获取的工作量大，而且有些知识不易表达成规则形式；不能保证 得到最优方案等。这使e s 的应用受到限制。 3 ) 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。典型的目标 函数为 毕嘉= 击莩专 眨3 式中上e ，三分别是支路和系统的负荷平衡指数；s ，s 咖分别是流过支路的功 率和支路的容量；为系统总支路数。 由于负荷的快速变化和电力建设的滞后，使配电网的负荷分布极不平衡，由此带来 了很大的危害，如增加系统的能量损耗，影响系统的电能质量和增加系统过负荷的危险 等。实现负荷平衡的手段主要有两种：一是在系统水平的馈线间进行负荷转移：二是进 硕士论文 基于人工智能的配电嘲故障恢复重构研究 行馈线水平的相间负荷交换。 4 ) 最小化系统有功功率损耗。考虑配电网在恢复后的网损最小，故典型的目标函 数为【2 8 1 m i n f 删m i 兰i = 1 ( 簪i 蚺】 n = n 【( 乇笋) _ 乃1 ， ( 2 3 4 ) 式中3 , 为支路数；e 、g 为支路，末端流过的有功和无功功率；匕为支路末端 节点的节点电压；0 为支路，的电阻；乃为支路，的状态变量，0 代表打开，l 代表闭 厶 口。 目前，大部分关于配电网重构的文献都以最小化有功为目标。但实际的配电系统中 各节点的负荷时刻都在发生变化，以有功功率损耗最小为目标的最优结构也不可能是固 定的，它随时会发生改变，并导致频繁的开关操作，这是不经济的也是不现实的。因此， 实用的最小化有功功率损耗的方案是选择特定时段内特定时刻的负荷作为计算负荷，通 常选用峰值负荷，然后就这一代表状态下有功功率损耗的最小化提出开关操作的优化方 案，完成网络重构。因为采用的是近似的方案，在非峰值负荷时刻没有实现真正的最小 化系统有功损耗，所以不能得到真正的最优解。 5 ) 某给定时间段上( 一日、一周或一季度) 的系统能量损耗最小。典型的目标函 数为! l i i l 矸足五+ c o s t 删 ( 2 3 5 ) i = 1 式中c o s 乙是开关的运行费用。为了便于计算，一般采用阶梯形曲线来近似代替配 电系统的实际的连续负荷曲线，同时忽略在较小时间段( - 4 , 时) 内负荷的波动情况。 其实质是将连续变量离散化，注重变化趋势，忽略小的量变，目的是为了节省能源，简 化计算。它保证了在某给定时间段上的系统能量损耗最小。 2 4 配电网故障恢复重构的约束条件 配电网重构的约束条件包含等式约束和一系列的不等式约束。等式约束主要是潮流 约束；不等式约束包括：馈线容量的约束、线路电流的约束、母线电压的约束、变压器 过载约束【8 】。 1 ) 馈线容量的约束 s j s ，嘣 ( 2 4 1 ) 式中：s j 为第，条支路上流过的功率计算值；墨叫为第_ ，条支路上允许的传输功率 1 3 2 配电网重构及其算法硕士论文 最大值。 2 ) 线路电流的约束 ，口l 一 ( 2 4 2 )