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配电网优化论文

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：

1、题目名称城市配电网优化

2、题目来源现场

二、设计（任务书）内容

（1）学习掌握配电网优化的基本理论

（2）学习并掌握配电网潮流计算的基本理论

（3）学习并掌握一门编程语言的编程方法与技巧

（4）完成中低压配电网优化的软件实现

（5）完成5000汉字的与设计内容有关的英文资料的翻译

三、设计的主要技术指标

（6）根据我国配电网存在的主要问题，建立适合的优化目标函数

（7）针对配电网潮流计算的特殊性，选取合适的潮流计算方法

（8）软件应达到的要求：

a.潮流计算程序要满足一定的速度要求

b.优化程序要满足一定的速度要求

（4）软件应达到的功能：

a.软件要有可视的人机界面，可根据不同的要求，适当改变优化参数

b.可考虑一条或多条支路接入的情况下的优化计算

（5）优化结果需满足实际运行要求

四、设计的基本要求

（1）能用一种编程语言熟练编程

（2）掌握配电网优化的软件设计

（3）完成毕业论文一份

（4）完成与设计内容有关的英文资料的翻译

五、进度要求

基于穷举法的配电网优化

摘要

本文主要论述了配电网优化的意义，并分析了我国城市配电网存在的一些问题，对配电网目标函数的建立，约束条件和穷举算法的基本理论进行了分析，然后阐述了配电网优化的基本理论、配电网重构的基本理论，在此基础上，采用以降低网损为目标的配电网络重构的数学模型，构造了一个基于等效简化的网络拓扑的配电网络重构，将其网络拓扑等效简化为线损最小的配电网络拓扑结构，达到网络重构的目的。

最后，以MATLAB穷举算法工具箱和MATPOWER4.1为软件基础编写了配电网优化计算程序。

关键字：

配电网优化；穷举算法；配电网重构；降低网损

Abstract

Thisarticlediscussesthesignificanceofthedistributionnetworkoptimizationandanalysisofsomeoftheproblemsofurbandistributionnetworkexiststoestablishthedistributionnetworkoftheobjectivefunction,constraintsandexhaustivealgorithmanalyzesthebasictheory,andthenelaboratedwiththebasictheoryofthegridoptimizationwiththebasictheoryofnetworkreconfiguration,onthisbasis,theuseofmathematicalmodelsinordertoreducethenetlossforthetargetdistributionnetworkreconfiguration,constructanetworktopologybasedonasimplifiedequivalentdistributionelectricitynetworkreconfiguration,simplifyitsnetworktopologyisequivalenttotheminimumlinelossdistributionnetworktopology,networkreconfigurationtoachievethepurpose.Finally,exhaustivealgorithmMATLABtoolboxandMATPOWER4.1preparedonthebasisofsoftwaredistributionnetworkoptimizationprogram.

Keywords:

distributionnetworkoptimization;exhaustivealgorithm;distributionnetworkreconfiguration;reducenetworklosses

第一章概述

1.1本文研究的目的和意义

随着国民经济的发展和人民物质文化生活的提高，社会对电力需求逐年提高，对城市配电网也提出了更高的要求。

和其他电力系统相比，配电网有其自身的特点，配电系统的特点如下：

（1）配电系统结构按闭环设计但辐射状运行，网络线路参数R/X比值较大。

（2）配电系统装置沿馈线长度分布，除供方设备外，还接有大量极为分散。

（3）配电系统直接与用户相联系，对供电质量与可靠性有着特殊的要求。

（4）配电系统在电力系统中占有相当大的比例，对配电网运行管理的经济性也提出了越来越高的要求。

（5）配电系统上述特点的存在，使得对其分析不能完全遵循应用于发电、输电系统的方法。

人们要求对配电网进行在线与离线的智能化管理，使其处于安全、可靠、优质和高效的运行状态。

配电网优化就是在这种背景下应运而生。

配电网优化的意义：

（1）城市配电网的优化有利于提高供电系统运行效率，降低系统网络损耗。

从理论上说配电网都是按照满足峰值负荷的要求来进行设计的，但是在实际中，每条馈线负荷的类型都不同，一般可以分为民用类、商业类和工业类。

这些负荷的负荷曲线不同和峰值负荷时间的不同，导致在实际中配电网的负荷分布不均匀，降低了整个供电线路和设备的利用率，同时还会增加线路损耗。

而通过配电网优化，将较重的负载转移到负载较轻的馈线上，调节运行馈线的负荷水平，降低网损。

（2）提高供电系统的安全性和整个电网的运行效益。

城市中先行的网格状配电网的运行方式十分灵活，因此如果只是依靠电力人员的经验来调度和管理配电网、实现优化控制是十分困难的。

因而这就需要发展配电网优化控制算法并开发相关的智能软件，帮助电力企业更科学、更及时的做出调度决策，确保整个配电网可靠性并降低运行费用，提高运行效益。

（3）提高供电可靠性。

在城市配电网故障时有发生，利用配电网的优化设计，一旦有配电网故障发生，可以准确的判断出故障区域并恰当地控制相应的开关隔离故障区域。

并通过优化控制策略可以快速的恢复故障区域的供电，从而保

证城市用电的可靠性。

1.2城市配电网中存在的问题

（1）配电网不适应城市发展的需要。

随着城市化的发展和城市人口的增多，很多原本的郊区的农村逐渐成为了城区的工业中心、商业中心和行政中心，但是却没有形成相应的区域正常配电网，沿用的依旧是原本的农网线路。

其线路老化、导线截面小，处于满负荷运行状态，不能满足用户的用电要求，且在一定程度制约了区域经济的发展。

（2）供电网路结构不合理。

长期以来城市配电网的供电方式采用的都是辐射式，线路间相互联络切换负荷能力较差，影响了供电可靠性。

并且有部分的供电线路采取的还是单电源放射式供电，没有形成环网供电，达不到“N-1"准则。

（3）配电设备老化。

在城市配电网中，有的配电线路自落闸、高低压刀闸由于使用的时间过长，附件老化，操作时容易出现故障。

而有些柱上开

关和环网柜及中压电缆分支箱的功能简单、设备老化，不能承担供迅速增长的供电负荷及较为复杂的网络配电喜用运行的需要。

（4）配电线路设计不合理。

在城市有部分线路呈现出交叉供电、迁回供电的情况，降低了供电的效益;部分线路的供电半径大、负荷重，导致线路末端部分用户的电压偏低，特备对于工业用电用户，由于电压过低，会影响其设备运行，影响其生产经营。

1.3国内外配电网现状

城市中压配电网处于电网末端，担负着给终端用户提供安全、可靠、优质电能的重要职责。

长期的缺电困扰曾导致电力建设一度出现“重发，轻供，不管用”的偏向，并致使配电网长期缺乏合理规划，基础设施较为薄弱。

随着经济的快速发展，对提高城市配电网的供电可靠性和电能质量也提出了更高的要求，因此深入开展城市配电网的研究将具有重要的现实意义和必要性。

目前，国内中压配电网虽然己具有较多的接线模式，但基本上仍以放射状或基于开环运行的分区供电方式为主。

这些供电方式虽然在结构上能够满足N-1的安全运行要求，但故障时仍然无法保证重要用户的不间断供电。

此外，中压配电网还存在线路负载率过高、变电站间隔利用率低、供电可

靠性不足等问题。

针对这些问题，国外发达国家正着手利用标准化配电网模型构建中压配电网加以解决，以提高配电网的供电可靠性和供电质量。

其中，以新加坡的“梅花瓣”和巴黎的“手拉手”环型供电模型最具代表性。

新加坡的“梅花瓣”状配电网供电模型见文献【1】其描述了单个变电站左右2个花瓣形状网络，即变电站每两回22kV馈线经开闭所“手拉手”连接构成一个梅花瓣式环网。

不同变电站的每两个花瓣形环网中间又相互连接，形成花瓣相切形状。

故可利用各变电站内的母线联络实现基于花瓣状环形网络的分区供电也可利用变电站间和变电站内的母线联络，实现基于多个花瓣状环形网络的大范围负供电。

正常运行时，花瓣间联络部分开断运行，站内联络部分闭环运行，重要负荷通常设置在花瓣间的联络处。

这种供电模型运行方式灵活、具有良好的扩展性，通过来自不同电源的环型母线及其之间的互馈线，可实现电源的相互备用，以提高供电可靠性。

相比于国内主要中压配电网结构，其具有结构简明统一、故障恢复时间快、负荷转供灵活、供电可靠性高等特点。

巴黎城市电网具有鲜明的环状结构，通过36座225/20kV变电站的“手拉手”联络，构成内环、中环和外环3层环型结构。

3个环型配电网分别负责向各自环状区域的负荷供电。

当环状区域负荷增加时，可通过将环状区域一分为二，并配置新的“手拉手”式供电变电站，为新增环状子区域供电，以此来灵活应对既有分区内的负荷增加问题，具有良好的扩展性。

单环上部分“手拉手”式变电站的电气连接原理见文献【2】。

其中，各变电站通过20kV馈线电缆经联络开关与相邻变电站的20kV馈线电缆形成“手拉手”连接。

如图所示，当馈线电缆各联络开关闭合时，环上各变压器将形成“手拉手”连接，20kV馈线电缆可从多端受电;当联络开关开断时，环形网络处于解环运行方式，各20kV馈线电缆仅从一端受电。

该环型网络与新加坡的“梅花瓣”供电模型类似，可通过馈线电缆的联络开关实现网络合环和解环运行状态的调整。

目前，我国城市配电网的发展还存在一些普遍性问题，如网架结构薄弱；电力设备陈旧、事故率高、线路过载、可靠性差、电压质量低等。

具体可归纳为以下几点：

1、配电网的网架结构薄弱

长期以来，配电网发展处于一种无序状态，网络结构极不合理，突出表现在网架结构薄弱，主次网架不清晰，多分段多互联的网络连结未形成。

近年来，配电网负荷增长迅速。

居民生活用电量增长了33%给城乡配电网带来了很大的压力，相当多的一些设备因为过负荷而发生故障，用户电压不稳定，网络损耗过大，故障发生频繁等问题。

2、城市配电网技术落后，网络自动化水平低

目前，我国配电网自动化技术水平普遍较低，虽然近年来也引进和开发了一些新的技术，同国外相比差距仍很大。

配电网设备落后陈旧，安全性差，能耗大，故障频繁。

同时，

网络自动化水平低，在城市电网中，中压配电网的自动化是一块空白。

目前，城市配电网自动化刚刚起步，城市中压配电网自动化处于初始阶段，与国外相比落后较大。

3、线路损耗率较高，电压合格率普遍较低

目前，配电网普遍存在线损较高的问题。

我国输配电线路的线路损耗率在10%以上，农村电网的线损率高达20%以上。

同时，电压合格率也普遍较低。

根据统计，我国10kv（6kv）的配电网功率因数在0.65-0.8，低压农网在0.6-0.7，这些主要与城市配电网结构、原建设标准低以及负荷发展的特点有关。

早期建设的配网线路已经不适合当前的城市发展需要和电力体制改革的要求。

4、电网供电可靠性低，电网规划不科学

据2009年对我国286座城市统计，中压配电网的平均供电可靠性为99.887%。

而1998年，英国的供电可靠性己达99.988%，美国达99.984%，法国达99.991%，日本东京电力公司达99.999%。

我国的配电网规划和设计，主要是由规划人员依据个人经验和局部计算来进行，在有限的条件下解决负荷增加、线路过载、电压偏低等不断出现的新问题。

对于规模日益扩大的配电网，这种规划方法将越来越难以进行配电网的合理建设和经济运行。

1.4本文的主要工作

本文主要论述了配电网优化的基本理论及其研究意义，主要内容如下：

（1）对配电网为什么要进行优化、配电网优化的意义、配电网络重构、配电网络重构的算法的类型、比较和使用以及Matlab的一些数学运算和M文件的编程进行详细的了解。

（2）建立以线路损耗最小为目标函数的配电网优化的数学模型，并确定了相应的约束条件。

（3）依据数据使用Matpower进行潮流计算，用Matlab的M文件编程；

（4）通过对各种算法的比较，确定采用穷举算法作为本文研究的算法。

同时本文结合配电网络拓扑结构特征和穷举算法特点具体探讨了如何实现穷举算法的网络重构，基于配

电网络拓扑的改进方法，提高了算法的收敛速度和收敛性。

以河西地区配电网为例，编写了配电网优化计算程序，通过优化结果对比表明，本文所提出的相关理论算法的可行性，并取得了一定的实际意义。

（5）以河西地区配电网为例，编写了配电网优化计算程序，通过优化结果对比表明，本文所提出的相关理论算法的可行性，并取得了一定的实际意义。

第二章配电网优化的基本理论

2.1城市配电网规划的重要性

（1）电网的网架结构建设周期较长，建成后短期内一般不会有大的变动。

城市配电网在城市的发展过程中，由于负荷发展的不确定性，城市配电网规划的网架结构需根据负荷发展情况进行相应的调整和改变。

因此，城市配电网规划的调整或更新周期要比高压输电网规划复杂和频繁。

（2）城市配电网是城市的重要基础设施之一，与城市的发展有着非常密切的关系。

城市配电网规划是城市发展规划的重要部分，城市的配电网必须和城市建设紧密配合，同时实施，并要有超前的意识并且与城市景观协调。

我们需科学地制定城市配电网的发展规划，满足城市长远发展的用电需求，是一项非常重要的战略任务。

（3）城市配电网络的设备量大而广，为了解决供电瓶颈的问题，只是凭着经验处理过负荷的线路是不够的，只有从城市配电网设备和网架结构总体上优化配置，提高城市配电网的供电能力，才能够发挥出最大的经济效益和社会效益。

2.2当前城市配电网规划中存在的问题

城市配电网的规划一直以来都得不到重视，电网规划对电网建设的指导作用也不是很大，以致于我国城市特别是中小城市的配电网络建设杂乱无序、网络结构不合理、网架薄弱、可靠性较低、供电质量较差，其主要表现在以下几个方面:

（1）供电能力不能满足负荷增长需求。

主要原因为配电设备老化，变电站的容量不足，电源布点少;

（2）供电电压低。

导线的线径较小，线路长，导致配电线路电压损失大，在迎峰度夏、迎峰度冬时更为突出;

（3）供电可靠性低。

城市内由于电源点分布少，造成线路供电半径过长，运行方式缺少灵活性，无法满足N-1准则的要求:

中压配电网仍然以单电源、单辐射为主，可以环网手拉手的线路极少，并且由于线路负载率大，不满足环网条件，不满足N-1要求，不能实现架空线路单侧电源多分段多联络或双侧电源多分段单联络的典型接线方式，不能通过敷设电缆线路实现电缆单侧电源双射、双侧电源单环、双侧电源双环、双侧电源双射的典型接线方式;

（4）用户端无功补偿不足。

导致线路电能抵足损耗大，电压低，同时也导致输变电设备供电能力下降;

（5）在规划以及实施上配电网自动化水平整体较低，无法适应现代科技的飞速发展。

实现城市配电网自动化目标基础薄弱，需要逐步对环网柜、柱上分段开关、配电变压器进行技术改造，需要在对线路改造的同时完善通信数据网络，提高配电网供电可靠性和配网运行管理水平。

2.3配电网架结构建设原则

在保证可靠性的原则下，配电网络接线力求简单，采用环网接线，开环运行的结构，没有条件的线路、郊区线路可以为放射形，中压配电网络供电闭半径应控制在3km以内，中心区不超过2km，低压网络供电闭半径应控制在0.4km以内，中心区不超过0.2km。

配电网建设应逐步满足“N—1”安全准则。

2.4相关技术原则

（1）导线选型

新建配电线路应使用绝缘导线，对裸导线线路应逐步进行绝缘化改造，对个别地方如城市中心繁华地区、重要交通广场、市政有特殊要求、架空线路走廊受限制等地区可采用电力电缆。

中压导线截面的选择应考虑其与变电站、开闲所出线、开关柜的载流量相匹配，架空主干线截面一般采用240

，分支线截面不小于95

，电缆主干线一般选用300

，分支线截面不小于95

。

（2）开关站、开闭所设计技术原则

为了合理利用变电站l0Kv、出线开关柜及地下通道的资源，减少相同路径的电缆条数或解决变电站l0Kv出线及线路走廊不足的问题，一般应相应建设一定数量的开闭所（负荷具有较大发展潜力时可考虑建设开关站），大型住宅区一般应相应建设相应的开闭所。

开关站、开闭所一般采用户内型，可结合配电站建设也可单独建设。

开关站、开闭所的结线应力求简化，一般采用单母分段，两回进线，6--10回出线，开关站和开闭所应按无人值守及配电白动化要求设计，有条件的情况下，配电自动化及通讯、电源等设施应同步建设。

开关站进出线采用断路器并配置微机型保护装置，开闭所进出线采用负荷开关一熔断器组合电器设备，当开闭所内单台变压器容量在1000KVA以上的l0Kv开关应采用断路器

并配置定时限保护装置。

（3）配电站、配电室设计技术原则

在新建的住宅区，根据负荷发展水平或住宅小区的建筑规划面积累计10000-20000mm2应建一座配电站，配电站应靠近负荷中心，宜采用高压供电到楼的方式。

大型住宅小区应建设开闭所向若干个配电站供电。

室内一般装两台变压器，变压器单台容量不宜超过630kVA，其变压器间应按最终容量设计，建设初期按照设计负荷选装变压器;配电变压器宜选用Dynll结线方式，低压为单母线分段带联络，低压母线应绝缘化。

（4）配电网自动化设计基本原则

①资源利用、信息共享的原则。

②可扩充原则;上层应是一个开放式平台，终端应是一个积木式结构。

③可靠性原则;软、硬件都要相对成熟、稳定、可靠。

④安全性原则;实时、管理、网际间要有安全保护措施和防病毒措施。

⑤可维护性原则。

⑥简化原则;在不影响功能需求的前提下，一、二次设备应尽量简化，以减少投资，提高可靠性。

⑦信息就地处理的原则。

⑧因地、因网制宜的原则。

2.5配网规划设计目标及思路

2.5.1配网规划设计目标

为加快城市配电网络的规划设让建设与改造的步伐，为城市经济发展和人民生活提供可靠、优质的电能。

通过规划建设与改造使城市的配电网络适应社会发展和人民生活对电力供应的需求，配网各项综合指标达到国电公司一流供电企业标准，部分指标达到或接近国际‘流供电企业水平。

2.5.2配网规划设计思路

配电网络的规划要做到远近结合、统筹兼顾、合理安排、综合治理。

充分分析配电网的现状水平，结合本市区的发展特点进行配电网规划设计与改造工作。

着重从以下几个方面进行规划与改造:

1）合理调整变电站负荷分配，满足电力负荷增长需要:

变电站容载分布不均，不同的变电站负荷水平有很大差别。

要合理的划分各变电站的供电区域和合理安排变电站的增容、新建时间，使每个变电站的负荷趋于平均，发挥各变电站的最大效益。

2）合理建设、改造配电网，满足配网自动化要求:

配网规划需改善当前城市配电网络结构的薄弱环节，增强配电线路环网转供能力，提高配电网“手拉手”供电水平。

3）新建的开闭所、配电站应积极采用按环网接线设计、实施，开环运行。

在配网规划建设和改造中，积极地推广应用新技术、新设备、新工艺、新材料。

在改造旧设备的同时，也应充分发挥现有设备的潜力，做到技术先进，经济合理，运行灵活，安全可靠。

同时加快配网自动化的建设步伐，逐步实现配电网络运行操作的现代化。

2.6配电网络重构的基本理论

配电网络重构作为优化网络、降低线损的一项重要手段,受到广大研究职员的重视。

网络重构包括城市配电网和农村配电网的重构。

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,具有相对较高的可靠性,通常以网损最小为目标进行配电网络重构。

农村用电量相对较小,对供电可靠性要求也相对不高,农村电网中主要使用排挤线,最初系统是按照辐射形设计,后来,不断增加分段开关和联络开关的数目,以进步系统的可靠性为目标进行网络重构。

　　一、线路损耗的基本理论

　　线路损耗是影响配电系统经济运行的重要因素。

随着国民经济的发展,用电负荷的不断增加,线路损耗的题目越来越突出,极大地影响了供电企业的经济效益。

因此,研究配电系统中降低线路损耗的方法越来越受到普遍的关注和重视。

配电网具有闭环设计、开环运行的特点,配电线路中存在大量常闭的分段开关以及少量常开的联络开关,这使得可以通过变换分段开关和联络开关的开合状态来改变配电网络的结构。

理论上,存在一个最优结构,使线路损耗达到最小。

配网重构的目的就是要寻求使线损最小的最优结构,同时满足实际运行约束。

由于配网重构能利用配电网络自身的特点进行网络优化,不需要额外的硬件投资,在降低网损的同时还能够平衡负荷和改善电压质量,因此是配电系统控制和运行的重要手段,也是配电治理系统（DMS）的重要内容。

从数学上来讲,配网重构属于非线性组合优化题目,随着系统规模的增大,采用传统的数学规划方法将产生“组合爆炸”题目。

目前,求解配网重构的方法主要有支路交换算法、最优流模式算法以及SA、GA等智能化算法。

支路交换算法和最优流模式算法的计算精度较差,无法保证全局最优性。

SA和GA算法具有很好的全局寻优能力,但计算量很大。

TS（TabuSearch）算法,即禁忌搜索算法,是一种扩展邻域的启发式搜索方法,也是人工智能在组合优化算法中的一个成功应用。

它采取了有效的措施能以较大的概率跳出局部最优点,因此具有很强的全局寻优性能。

二、配电网络重构的数学模型

　　从数学的角度来看,配电网络重构属于大规模非线性组合优化题目。

以网损最小为目标的配网重构一般可表示为下面的最小优化题目:

　　1）潮流方程约束;

　　2）网络结构约束,包括辐射状和无网络孤岛;

　　3）线路容量约束

　　三、TS算法在配电网络重构中的应用

TS（TabuSearch）算法是近年来受到普遍关注的一种高效率的现代启发式优化算法,该算法由F.Glover于20世纪70年代末首先提出,并随着计算机技术的发展而成功的应用于各个领域,解决了大量复杂的优化题目。

近几年,该算法被引进电力系统分析领域,如水火电联合经济调度、电力系统无功优化以及输电系统最优规划等,并取得了一定研究成果。

TS算法的基本思想是利用一种灵活的“记忆技术”,对已经进行的优化过程进行记录,用以指导下一步的搜索方向。

为了避免搜索陷进局部最优,TS答应将搜索朝着使目标函数退化最小的一个方向移动,重新开始搜索。

该算法有三个最基本的要素:

移动,Tabu表和开释水平。

1、移动

TS算法的搜索过程是通过移动来实现的,因此移动是TS算法的基础。

移动的方式有很多种,例如单步移动、交换移动和多点移动等,具体采用哪种移动因研究的题目而异。

在搜索寻优的过程中,TS选择在约束条件下能使目标函数改进最大的一个移动,假如不存在这样的移动,则退而选择使目标函数退化最小的一个移动。

1）单步移动

2）交换移动交换移动由两个单步移动组合实现对配网重构题目而言,其物理意义为:

合上开关i的同时打开开关j.

　　2、Tab