配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃

配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃問題是復雜的、非線性的、整數(shù)性的、多目標的大規(guī)模組合優(yōu)化問題，屬于優(yōu)化數(shù)學中常說的 NP 類難題。NP 類難題如果規(guī)模較大，一般就不可能得到精確解。所以當我們遇到大規(guī)模的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃問題，就應當放棄尋找精確解的念頭。對于配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃問題，目前還沒有真正有效的求解算法。為了給出這類問題滿意的求解方案，就必須對各種優(yōu)化算法進行仔細分析，找出能有效解決問題，計算速度較快，結(jié)果令人信服，好控制的優(yōu)化算法。下面是對目前用于電力系統(tǒng)規(guī)劃的各種優(yōu)化算法的分析。

自然科學，社會科學，以及人們的日常生活中廣泛存在著大量求解目標最大或最小的問題，即所謂的最優(yōu)化問題，用數(shù)學語言來說，就是決定一組參量，使其對應的目標函數(shù)達到最小值或最大值。目前常用于求解配電網(wǎng)規(guī)劃的算法概括起來可分為三類:經(jīng)典數(shù)學優(yōu)化方法、啟發(fā)式算法和隨機優(yōu)化方法。

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃經(jīng)典數(shù)學優(yōu)化方法

求解整數(shù)規(guī)劃的經(jīng)典數(shù)學優(yōu)化算法有：窮舉法、分枝定界法（Branch and bound）、隱數(shù)法、割平面法（Valid cutting planes）、Dijkstra 算法和 DFS 搜索法等。

1）窮舉法：即檢查變量取值的每一種組合，比較目標函數(shù)值以求得最優(yōu)解。對于最簡單的整數(shù)規(guī)劃 0-1 規(guī)劃，窮舉法的時間復雜性為側(cè) Θ(

2）分枝定界法： 是 20 世紀 60 年代初，由 Land Doig 和 Dakin 等人提出。因為這種方法靈活且便于用計算機求解，所以現(xiàn)在它已經(jīng)是求解整數(shù)規(guī)劃的重要方法。

3）隱數(shù)法：通過增加過濾條件，并且在計算中不斷改進過濾條件以縮小搜索范圍，提高運算效率。

4）割平面法：割平面法是 Gomory 提出來的，這個方法的基礎(chǔ)是用解線性規(guī)劃的方法去解整數(shù)規(guī)劃問題。首先不考慮變量是整數(shù)這一條件，但增加線性約束(割平面)使得由原可行域中切割掉一部分，這部分只包含非整數(shù)解，但沒有切掉任何整數(shù)可行解。這個方法就是指出怎樣找到適當?shù)母钇矫?不一定一次就能找到)，使切割后最終得到這樣的可行域，它的一個整數(shù)坐標的極點恰好是問皿的最優(yōu)解。割平面法依然不是求解配電網(wǎng)規(guī)劃的有效算法。

5）Dijkstra 算法：Dijkstra 算法是當邊的權(quán)值大于 0 的條件下，求解最短路的有效算法，算法的基本思想是從Vs (起始點)出發(fā)，逐步的向外探尋最短路。執(zhí)行過程中與每個點對應，記錄下一個數(shù)(稱為這個點的標號)，它或者表示從Vs 到該點的最短路的權(quán)，或者是從Vs 到該點的最短路的權(quán)的上界，方法的每一步是去修改T 標號，并且把某一個具有T 標號的點改變?yōu)榫哂?P 標號的點，從而使 D 中具有 P 標號的頂點數(shù)多一個，這樣，至多經(jīng)過 P?1步，就可以求出從氣到各點的最短路。

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃啟發(fā)式算法

啟發(fā)式算法（Heuristic approach）是和問題求解及搜索相關(guān)的，也就是說，啟發(fā)式算法是為了提高搜索效率才提出的。

1)構(gòu)造法（Construction）：一個優(yōu)化問題的解是由若干個構(gòu)造元素組成的，構(gòu)造性啟發(fā)式算法法通過一個一個地增加解的構(gòu)造元素來求得一個可行解?！柏澙贩ā痹诿恳徊蕉紝ふ易畲蟮母倪M，其中包含了大量構(gòu)造性的啟發(fā)式算法。在大多數(shù)構(gòu)造性

啟發(fā)式算法中，直到算法結(jié)束才會找到可行解。例如對于旅行銷售商問題來說，其解是由n 個城市間的距離組成，這些城市間的距離就是解的構(gòu)造元素。旅行銷售商問題的構(gòu)造性算法之一就是從某一城市開始，每次尋找與其距離最近且未走過的城市作為增加的構(gòu)造元素，如此循環(huán)，到結(jié)束時，一個較短的可行環(huán)游路線就得到了構(gòu)造性算法的循環(huán)次數(shù)與問題解的構(gòu)造元素個數(shù)成正比，而與解空間的人小無關(guān)，因此其計算速度通常很快。

2)改進法（Improvement）：

該算法從一個可行解開始，通過在其鄰域 N 的搜索如交換、合并結(jié)構(gòu)元素等來改進解的質(zhì)量。一般來講，在整個搜索過程中，解一直處于可行狀態(tài)。

3)數(shù)學規(guī)劃法（Mathematical programming）：該方法在問題的數(shù)學優(yōu)化模型及其精確求解方法的基礎(chǔ)上，修改求解方法以其得到問題有效的啟發(fā)式算法。

4)分解法（Decomposition）：

該法指求解一系列容易求解的小問題，一個問題的輸出是下一個問題的輸入，然后將這些解歸納、合并成一個解。許多規(guī)劃(Schedule)問題的啟發(fā)式算法使用了分解法。

5)分割法（Partitioning）：分割法將一個問題分割為幾個子問題，然后獨立地解決每個子問題。這些子問題的解再合并成整個問題的解。

6)解空間限制法（Solution space restriction）：

該法的思想是限制解的構(gòu)造，以使問題變得容易求解。在某種意義上，所有的啟發(fā)式算法都是限制法，然而在這里指明確地約束解空間的方法。典型的限制法只允許算法在具有特殊性質(zhì)的解中搜索。

7)松弛法（Relaxation）：這種方法與限制法相反，它是指為了得到容易處理的問題而擴展解空間。

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃隨機優(yōu)化方法

目前常見的隨機優(yōu)化算法有：遺傳算法、模擬退火法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，這些方法的主要特征是搜索的過程中引入了隨機技術(shù)。

1）遺傳算法

遺傳算法主要借用生物進化中“適者生存，優(yōu)勝劣汰”的規(guī)律。選擇操作使群體中適應度高的個體有更多的機會傳給下一代，從而產(chǎn)生平均適應度越來越高的新群體；交叉是對新群體中隨機選擇的兩個個體進行交換基因的操作，體現(xiàn)了自然界中群體內(nèi)個體之間的信息交換；變異操作則是對新群體中隨機選擇的某個個體的某個隨機產(chǎn)生的基因進行突變。交叉和變異都是為了引入新的變種，確保群體中個體的多樣性，不致陷入局部最優(yōu)區(qū)域。經(jīng)過遺傳操作，初始群體一代代地進化到搜索空間中越來越好的區(qū)域，直至達到全局最優(yōu)解。編碼簡單，對解無可微性、連續(xù)性等要求。

2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法( ANN )，以人工建立的有向圖為拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng)，它通過對連續(xù)或者斷續(xù)的分布式存儲和并行協(xié)同處理，可實現(xiàn)函數(shù)逼近、數(shù)據(jù)聚類、優(yōu)化計算、模式識別等功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個非線性動力系統(tǒng)，其特色在于信息 ANN是以計算機仿真的方法，從物理結(jié)構(gòu)上模擬人腦，以使系統(tǒng)具有人腦的某些智能。在眾多的 ANN 模型中。多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前應用最為廣泛的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于優(yōu)化計算的基礎(chǔ)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的漸近穩(wěn)定狀態(tài)對應用其計算能量函數(shù)的局部極小。

3）模擬退火法

模擬退火 SA（Simulated annealing）算法被認為是有效的優(yōu)化方法之一。模擬退火方法的基本思想來源于固體的退火過積。首先我們回顧一下固體退火的物理過程。加熱固體時，固體中原子的熱運動不斷增強，隨著溫度的不斷升高，固體的長程有序被徹底破壞，固體熔解為液體(或氣體)。冷卻時，液體中原子的熱運動漸漸減弱，隨著溫度的徐徐降低，原子運動漸趨有序。當溫度降至結(jié)晶溫度后，原子運動變?yōu)閲@晶體格點的微小振動，液體凝固成固體，這種由高溫向低溫逐漸降溫的過程稱為退火。退火過程中系統(tǒng)的熵值不斷減小，系統(tǒng)能量隨著溫度的降低趨于最小值。

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的最終結(jié)果主要取決于原始資料及規(guī)劃方法，配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃應具備的條件即可靠的原始資料以及優(yōu)秀的規(guī)劃方法。一個優(yōu)秀的電網(wǎng)規(guī)劃必須以堅實的前期工作為基礎(chǔ)，包括搜集整理系統(tǒng)的電力負荷資料、當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展情況、電源點和輸電線路方面的原始資料等。

原始資料包括：

(1)規(guī)劃年度用電負荷的電力、電量資料，包括總水平，分省、分區(qū)及分變電站的電力電量值，以及必要的負荷特性參數(shù)。

(2)規(guī)劃年度電源(現(xiàn)有和新增)的情況，包括電廠位置(廠址)、裝機容量、單機容量和機型等；對于水電廠，除上述參數(shù)外，還應有不同水文年發(fā)電量、保證輸出功率、受阻容量、重復容量、調(diào)節(jié)特性等參數(shù)；對于火電廠，還應考慮燃料來源以及需求量、運輸條件和存儲計劃；對于風電場，還應考慮風資源情況是否滿足開發(fā)大型風電場資源的條件，對于離岸風電場還需考慮國防、航道以及自然生態(tài)等因素；對于太陽能發(fā)電廠，還應考慮太陽能資源條件和規(guī)劃區(qū)氣候條件。

(3)現(xiàn)有電網(wǎng)(包括在建設(shè)和已列入基建計劃的線路和變電站)基礎(chǔ)資料，包括電壓等級，網(wǎng)絡(luò)接線，線路長度，導線型號，變電站主變壓器容量、型式、臺數(shù)等主要規(guī)范資料，一般應具有系統(tǒng)現(xiàn)狀圖(地理接線及單線接線圖)。對未來網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的發(fā)展情況，包括可能架設(shè)新線路的路徑、長度，以及變電站擴建和待建變電站地理資料應予掌握，以便能夠形成足夠數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)方案。

另外，在規(guī)劃配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時還應考慮規(guī)劃區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、用電負荷的特點以及其增長情況。例如，在進行農(nóng)村電力網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃時，應掌握農(nóng)業(yè)發(fā)展、用電負荷的季節(jié)特性以及地區(qū)用電負荷的增長規(guī)律。

隨著地區(qū)電力負荷的不斷增長，電網(wǎng)配電網(wǎng)也在不斷地擴大，配電網(wǎng)的電壓等級逐漸增大，最高電壓等級達到500kV，而且500kV電壓等級開始進入地區(qū)(或地級市)區(qū)域，220kV電壓等級也已逐步進入縣(或縣級市)區(qū)域，而且縣(市)建有220kV變電站已經(jīng)成為現(xiàn)實。

1．220kV網(wǎng)絡(luò)

220kV變電站大部分建在城市(也是負荷中心)附近。從有利于城市建設(shè)和電網(wǎng)經(jīng)濟運行的角度來考慮，變電站離城區(qū)邊緣3kin左右為宜。

220kV變電站的電壓等級大多為220/110/35(10)kV，110kV側(cè)擔負著向全市(縣)供電的任務，其低壓側(cè)(35kV或10kV)就近向城區(qū)供電。

220kV網(wǎng)絡(luò)應以500kV變電站或其他大電源點為中心，形成單環(huán)網(wǎng)，逐步建成雙環(huán)網(wǎng)。正常時采用閉環(huán)運行方式，這樣可提高供電的可靠性。

2．110kV網(wǎng)絡(luò)

新建110kV變電站的布點應綜合考慮負荷密度、供電半徑等因素，站內(nèi)的二次設(shè)備優(yōu)先采用綜合自動化裝置，為實現(xiàn)無人值班打下良好的基礎(chǔ)。對采用常規(guī)二次設(shè)備的變電站，可完善其RTU的“四遙或五遙”功能和通信通道，逐步改造成為無人值班變電站。

110kV網(wǎng)絡(luò)以220kV變電站為中心，形成單環(huán)網(wǎng)(正常情況下線路開環(huán)運行或母線分段運行)為主，雙回路和單放射為輔的結(jié)構(gòu)。

3．35kV網(wǎng)絡(luò)

在110kV變電站布點較少的地方或山區(qū)，大力建設(shè)小型化35kV無人值班變電站。35kV變電站的布點以220kV變電站為中心，深入規(guī)劃區(qū)的負荷中心。35kV變電站供電的線路至少兩回，這兩回線路既可從同一座110kV變電站的35kV母線的不同段上引進，亦可分別從兩座110kV變電站引進。

在110kV變電站布點較密的地方或山區(qū)，如果當?shù)貤l件成熟時，可逐步采用110kV降壓系統(tǒng)和20kV配電網(wǎng)，取消35kV和10kV電壓等級。

4．10kV(或20kV)網(wǎng)絡(luò)

城市的10kV(或20kV)配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要以“小環(huán)網(wǎng)”為主，雙回路和兩端供電為輔，補充少量單放射線路的結(jié)構(gòu)。農(nóng)村配電網(wǎng)的10kV(或20kV)線路以單放射為主，有條件的則建設(shè)雙回路。

配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃以負荷預測和電源規(guī)劃為基礎(chǔ)。配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃是確定在何時、何地投建何種類型的線路及其回路數(shù)，以達到規(guī)劃周期內(nèi)所需要的輸電能力，在滿足各項技術(shù)指標的前提下使系統(tǒng)的費用最小。配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃往往是針對具體電網(wǎng)發(fā)展中存在的問題確定具體內(nèi)容的。其主要內(nèi)容如下：

(1)確定輸電方式；

(2)選擇電網(wǎng)電壓；

(3)確定變電站布局和規(guī)模；

(4)確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的重點是對主網(wǎng)網(wǎng)架進行規(guī)劃。如何加強主網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，是電網(wǎng)規(guī)劃最重要的內(nèi)容之一，網(wǎng)架也是規(guī)劃成敗與否的關(guān)鍵。

改善配電網(wǎng)的各項運行指標是配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的目標，也是建設(shè)和改造電網(wǎng)必須完成的任務。作為重要的運行指標，有供電可靠性指標、電壓質(zhì)量指標、線損率指標及容載比指標。這些運行指標在規(guī)劃的電網(wǎng)付諸工程實踐后應有明顯的改善。 2100433B