配电网重构研究的现状与展望_张大海
第22卷第2期2002年2月
Vol. 22No. 2
电力自动化设备
Feb. 200275Electric Power Automation Equipment
配电网重构研究的现状与展望
张大海, 江世芳, 赵建国
(山东大学电力学院, 山东济南250061)
摘要:配电网重构可以提高配电网运行的安全性、经济性和供电质量, 对于当前国内配电自动化系
统建设和应用具有重要意义。介绍了配电网重构的作用和国内外的研究现状, 总结了各种理论和研究方法。然后, 详细分析了配电网重构的目标函数、实施成本和约束条件, 指出研究要向更广和更深的方向发展, 以利于实际应用。最后, 提出配电网重构不仅要继续研究搜索方法, 还应重视负荷预测、潮流计算等相关问题的研究, 充分利用人工智能等理论加快配电网重构的理论研究和实际应用。
关键词:配电网; 重构; 人工智能
中图分类号:TM 711 文献标识码:A 文章编号:1006-6047(2002) 02-0075-02 配电网具有环形结构, 而通常以开环方式运行。配电网中包含大量的分段开关(常合, 用于隔离故障部分) 及少量联络开关(常开, 用于提供可选的供电通路) , 因此在正常运行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。一方面可降低网损; 另一方面可使负荷在各线路和变压器之间尽量平均分配。配电网重构是提高电网运行的经济性、供电质量和安全性的重要手段。
2 配电网重构的搜索算法
理论上, 在满足各种运行约束条件下, 以网损最
小为主要目标的配电网重构问题是一个非线性整数组合优化问题。其中作为优化变量的开关数量众多, 穷举搜索将面临/组合爆炸0的问题。因此, 目前较实用的配电网重构算法主要有以下三类:
a. 早期的算法是最优流模式法[1]。该方法首先闭合网络中的所有开关, 形成有几个环的少网孔配电系统。以网损最小为目标, 在满足负荷需求的情况下计算最优潮流, 求得网环支路的电流分布(即最优流模式OFP) ; 然后将电流最小的支路断开, 从而解开一个环, 并且重新计算最优潮流; 如此重复, 直至配电网变成辐射网。这种算法中计算一次开关由合至开需要计算一次潮流, 计算量较大。但是配电网重构的结果与初始网络状态无关, 比较容易收敛于最优解, 即得到网损最小的辐射形配电网。
b. 以开关操作引起的网损估计公式为基础的方法, 如支路交换法[2]。支路交换法是首先形成一个辐射网; 然后依次闭合开关, 每闭合一联络开关, 得一个单环, 同时以网损最小为目标, 得出最优化条件断开一个开关, 保持网络为辐射形。该方法固定节点注入电流, 以优化理论为根据, 把开关操作的组合问题变成开关的启发式单开问题, 可以指导实际的开关操作过程; 而且只需要估算支路交换引起的网损变化, 无需重新计算潮流, 计算量较少。缺点是计算步数多, 效率低, 计算结果与初始网络结构有关, 因此容易收敛于局部最优解。
c. 人工智能算法, 如遗传算法、神经网络法, 模拟退火法等[3, 4]。其中遗传算法可以将支路的开关状态(0/1) 直接用于染色体编码, 通过模拟生物进化的繁殖/交叉/变异操作, 尝试改变各开关状态, 寻找网损最小的网络结构, 而且容易收敛于最优解。因1 国内外研究概述
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。近年来, 随着电网改造和配电管理系统(DMS) 的研发工作在中国蓬勃展开, 作为DMS 重要功能的配电网重构也开始得到研究。
最优网络结构搜索算法一直是研究的焦点。国外早期提出的最优流模式和支路交换法至今仍受到充分重视, 改进工作主要围绕如何加快搜索速度。为此, 除了简化和改进网损计算, 一些启发式规则和拓扑知识被用于支路编号和排序/开关操作顺序等, 以优化搜索方向。将最新的人工智能理论(如专家系统, 遗传算法等) 用于搜索算法也是研究的热点。
同时, 人们对于配网重构应用中的实际问题, 如重构目标的选择和综合评判, 电网中不确定性因素(如负荷) 的考虑, 多种设备(如电容器, 继电保护) 的配合, 约束条件, 费用效益比等, 也开始进行深入细致的探讨。
-
76 电力自动化设备 2002年效。另外, 专家系统和模糊逻辑也被用来评价优化效果, 指导搜索方向, 提高搜索效率。
c. 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, 由于进化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。
d. 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。
e. 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DMS 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。
配电网重构是配电网特有的功能, 在我国所进行的研究较少。随着DMS 的建设和完善, 配电网重构有望得到实际应用, 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的现实意义。参考文献:
[1] Borozan V, Rajakovic N. Application assessmen ts of distribu -tion network minimum loss reconfiguration[J].IEEE Trans.
on Power Delivery, 1997, 12(4) :1786-1792.
[2] Peponis G J, Papadopoulos M P,Hatziargyriou N D. Distribu -tion network reconfiguration to minimize resistive line losses
[J].IEEE Trans. on Power Delivery, 1995, 10(3) :l338-1342.
[3] Jung K H, Kim H, Ko Y. Network reconfiguration algorithm for
automated distribution systems based on arti ficial intelli gence approach[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 1993, 8(4) :1933-1941.
[4] 刘莉, 陈学允. 基于模糊遗传算法的配电网络重构[J].
中国电机工程学报, 2000, 20(2) :66-69. LIU Li, CHEN Xue -yun. Reconfiguration of distribution net -works based on fuzzy genetic algori thm. Proceedings of the CSEE, 2000, 20(2) :66-69.
[5] Roytelman I, Melnik V, Lee S S H, et al. Mult-i objective
feeder reconfiguration by distribution management system[J].IEEE Trans. on Power Systems, 1996, 11(2) :661-667.
(3 配电网重构的费用/效益分析
配电网重构的最初目标是减少网络损耗, 提高电网运行的经济性。近年来, 人们也开始对配电网重构的综合目标及应用的约束条件等问题进行细致分析[5, 6]。
配电网重构所能带来的好处有:
a. 减少网络损耗, 节约能量, 提高电网的经济效益。
b. 使负荷在各线路和变压器之间均匀分配, 避免线路和变压器过载, 提高了电网的安全性, 供电质量(如电压指标) 也得到提高。同时, 系统可以带更多的负荷, 因此减少了甩负荷的可能性, 可以获得更多的电费收入。
电力负荷是在不断变化的, 配电网的结构也应当随时变化才能达到最小网损, 但在实践中这是不可能做到的, 因为配电网重构中必须考虑到以下成本:
a. 开关操作损耗。由于配电网重构时需要操作开关, 而开关的操作次数是有限的, 因此造成开关的寿命损失。
b. 人工费用。如果开关不具有远程遥控操作条件, 则需要手工操作, 需要花费人工费用。
c. 由于开关操作及线路切换, 可能引起供电服务中断, 会造成电费损失等。
另外, 配电网重构时需要考虑的约束条件包括:a. 不能超过线路和变压器等设备的极限值; b. 不能超过电压限值;
c. 不能中断对于重要用户的供电;
d. 与电容器和继电保护等电力设备相配合。
4 配电网重构研究的重点及展望
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。
a. 配电网重构的计算是建立在一定的负荷数据上的, 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, 考虑到负荷预测误差和负荷模型的影响。
b. 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PQ 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, 通常要尝试多种网络结构, 进行迭代潮流计算,
82 电力自动化设备 2002年路移位等。故10kV 配网线路模型建立后, 要随时维护, 维护工作量非常巨大, 以至于理论线损计算用的配网模型数据, 经常滞后于配网实际情况, 使得理论线损计算的精度受到影响。利用配电网GIS 地理信息系统在MIS 及GIS 上进行配电网数据维护, 使配电网资料的管理更直观、更科学、更快捷, 大大提高了工作效率。10kV 配电网数据库的维护由各供电所在MIS 及GIS 上完成, 随时更新、数据共享。
线损比较, 而是利用理论线损计算结果中的部分数
据, 如导线的损耗、公用变压器的损耗, 与统计线损进行比较、分析。参考文献:
[1] 高颂九. 二网改造后降损节能工作的新方向[J].电气
世界, 2000, (6) :16-18. GAO Song -jiu. The new direction in saving energy after power networks rebuilding. Electricity World, 2000, (6) :16-18. [2] 宣勇, 孙志能. 配电管理系统的功能设计[J].电力自动
化设备, 1999, 19(6) :39-41. XUAN Yong, SUN Zh-i neng. Design of D MS basic functions.
Electric Power Automation Equipment, 1999, 19(6) :39-41.
4 注意事项
统计线损与理论线损的线损电量组成是不一样的。统计线损由以下几部分组成:变电所10kV 出口至配电变压器的高压线路的损耗; 城镇公用变压器的损耗; 城镇公用变压器低压线路的损耗。实现/同网同价0后, 统计线损还包括农村综合变压器及综合变压器下的低压损耗。而理论线损则由以下几部分组成:高压导线损耗; 所有配电变压器的铜损、铁损。因此, 理论线损的计算结果不可直接与统计
(责任编辑:戴绪云)
作者简介:
高颂九(1969-) , 男, 浙江宁波人, 工程师, 从事MIS(包括GIS) 管理信息系统的开发与应用、变配电及线路的设计与管理等工作。
E -mail:zhjgsj@163. net
Energy Loss Management of D istribution Network on MIS and SC ADA
GAO Song -jiu
(Zhenhai Electric Power Supply Bureau, Ninbo 315000, China)
Abstract:Energy loss rate is the integrative inde x of the economic benefit and technical management level for electric industry. The application of energy loss management based on MIS and SC ADA for distribution network improves its real time performance greatly and the mean -square root algorithm increases its precision. It makes the energy loss management work of power supply system more scientific and more modern. Its powerful func -tions increase greatly the work efficiency and decrease energy loss rate year by year. Key words:MIS; GIS; SC ADA; distribution network; energy loss
(上接第76页)
[6] Peponis G J, Papadopoulos M P, Hatziargyriou N D. Optimal
operation of distribution networks[J].IEEE Trans. on Power Systems, 1996, 11(1) :59-67.
事负荷预测配电自动化研究;
江世芳(1936-) , 男, 山东烟台人, 教授, 博士研究生导师, 从事继电保护理论与应用研究;
赵建国(1955-) , 男, 山东济宁人, 博士研究生导师, 从事电力系统自动化理论与应用研究。
第一作者E -mail:zdhseadon@263. net
(责任编辑:柏英武)
作者简介:
张大海(1973-) , 男, 山东临沂人, 教师, 博士研究生, 从
The Achievements and Prospect of Distribution
Network Reconfiguration Research
ZHANG Da -hai, JIANG Sh-i fang, Z HAO Jian -guo
(Electrical Engineering College, Shandong University, Jinan 250061, China)
Abstract:Distribution network reconfiguration can improve security and quality of network operation as well as minimize the power loss, and it is of great importance for the current construction and application of distribution automation system in China. The function of network reconfiguration and the research progress both domestic and abroad are introduced, and various theories and methods are generalized. The objective func tion, c ost and restrictions of network reconfiguration are analyzed. It is pointed out that the research should be broader and deeper to fit the requirements of application and that the related problems such as load forecasting and flow ca-l
culation studied with the search method. It is necessary to make full use of artificial intelligence to speed up the theoretic research and application of distribution network rec onfiguration. Key words:distribution network; reconfiguration; artificial intelligence