摘要：从物理或数学意义的角度讲,不同电压等级网络的综合规划对获得全局最优解，得到总体上最大的经济效益是必要的。然而，输配电系统的同时综合规划长期以来并不被人们所重视，在实践中，人们普遍采用将各电压等级系统分层规划的策略。造成这种状况的原因主要是：① 输配电系统的网络结构不同，进而导致优化算法不同；② 各电压等级综合规划导致问题规模激增。另外，各级电网的分层管辖也是造成分层规划的一个实际原因。
关键词：输配电系统规划；遗传算法；最短路算法；启发式方法
1概述
从物理学与数学角度意义来讲，不同电压等级网络的全局综合规划对获得全局最优化和得到总体上经济效益最大化是非常必要的。然而在很长一段时期内，人们对与输配电系统的同时综合规划并不重视，一般在实际工作中，人们普遍采用将各等级电压系统分层规划的策略。目前产生这种现象的主要原因是：（1）各城市的输配电系统的网路结构不同，从而导致优化算法不同；（2）各个电压等级综合规划和分层管理导致问题数量与规模激增。除此之外，各等级供电网络的分层管辖也是造成分层规划和造成管理优化难度的一个实际原因。针对电压等级、不同网络结构的分配和供电系统综合规划等问题进行了合理研究，并结合实际情况提出了基于知识的最短路遗传算法的优化解决方法。实际当中，网络规划通常可与网络构成被看做同一类问题，仅仅是产生费用的计算问题，规划问题的产生费用须用分段函数来表示，并将固定投资和不同线型等问题考虑进去。
2不同电压等级的开环系统综合规划
在目前的电力系统结构中，为了避免产生电磁环网，各级电网中高中压配网必须是开环运行的。这时就能生成树状络的最短路线遗传算法来求得不同等级电压的开环综合规划结果。对于电力系统中规划问题和根据安全性的要求必须关闭环设计的系统，可先用次方法得到树状电力网络，进而采用专业化的联络线进行优化，用以构成环形网。通常最短路遗传算法，是在同一个电压等级中实现并产生的，只有这样才能直接将负荷潮流迭加到备弧的流量之中。实际当中对于多电压等级系统，只需仿照标线值计算的将各电压等级的电气量折算到某一选定的电压上，就可以采用最短路遗传算法进行网络的全优化。
3开环与非开环混合输配电系统综合规划
3.1 节点入度限制
首先，应允许在不需要放射运行的节点构成环。这可通过检测和限制节点入度数的方法来实现。最短路遗传算法中，在形成寻路网络 Gm时，当某个中间节点 k 的入弧数 1__=inkmN 时，则其余指向该节点的有向弧(潮流必为 0)均舍弃，这保证了最终形成的网络为放射状。现在，对每一节点规定最大入弧数，即最大入度 Nin_k_MAX，若节点 k 属于放射状运行系统，则令其为 1，否则令其为该节点最大允许的进线数。Nin_k_m记录节点 k 入弧数的变化情况，其初始值为 0，并有机会逐渐增加。当
时，其余指向该节点的有向弧(潮流为 0)均舍弃。即实现了不同运行方式系统对网络结构的要求。经过以上改进的最短路遗传算法就可以解决开环与非开环系统综合规划在网络结构方面的要求。虽然，从原理上说它得到的只是较优解。但可证明当各负荷大小趋近于 0 时，这种方法得到的解就会与全局最优解一致。当负荷越大时，其解越可能偏离最优解，因为此时该负荷有很大可能是由多个实际电源点供电。由于负荷通常在较低电压等级，而允许成环网运行的网络是在很高的电压等级，且低压负荷的容量比高压环网系统中元件的容量要小得多，所以，可近似地认为负荷点是由一个(实际)电源点供电，因此用最短路遗传算法获得的解将接近于实际最优解。
3.2有功潮流
由于网孔的出现，使得以负荷复电流（或功率）直接迭加构成线路中潮流的方法失去了合理性。因为只有一个虚拟源点，对于同时由 2 条以上供电路径供电的节点来说，可能会导致矛盾的节点电压。为了避免这种情况，此时可只考虑有功功率的优化。实际上对于允许环网的系统规划问题，现有的方法也全是只考虑有功优化，而无功配置和电压控制由专门的无功优化来完成。这是因为：一方面，无功设备的投资一般要比线路、变压器和有功电源的投资小得多；另一方面，无功潮流在一定程度上可独立于有功潮流的控制。
4基于知识的高效电压短路算法
尽管最短路遗传算法不会有维数灾问题。但是基本的 Dijkstra 最短路算法的计算时间复杂性是O(N2)，其中 N 是规划问题的网络流模型的节点数，因此，基于最短路算法的局部优化算法的计算时间复杂性是 O(N3)（认为负荷数与节点数成一定比例）；若遗传算法的种群个体数和最大代数取固定值，则最短路遗传算法的计算时间复杂性是 O(N3)。可见随问题规模的增大，最短路遗传算法的计算时间也将很长。实际上，直接在输配电系统规模非常庞大的网络上利用常规的最短路算法为某一个负荷点寻找供电路径是很不必要的。对于一个负荷点来说，整个系统中可能为其供电的元件只是很小的一部分。如果能根据输配电系统的实际信息把这一小部分元件提取出来后再应用最短路算法，则最短路算法的寻路时间将大大缩短。而由前面的分析可知，最短路算法的计算时间复杂性决定了整个算法的计算时间复杂性。我们称这个被提取出来供寻找负荷 m 的最经济供电路径的网络为寻路网络 Gm。用以提取寻路网络的方法应具备以下特点：① 易于计算机实现。② 在保证不丢失最优解的基础上，尽可能缩小寻路网络。下面，以一个实例来说明如何实现基于输配电系统知识的最短路算法。若现有10 kV，66 kV，220kV，3 个电压等级系统，要寻找负荷 m 的最优供电路径，则可按以下步骤提取寻路网络 Gm。(1) 将输配电系统按电压等级分层，负荷点通常在最底层 10 kV层，虚拟电源点在最高电压等级层 220 kV层。(2) 定义元件 Aij到负荷点 m 的距离为
式中Bijx_、Bijy_为元件 Aij的起点坐标；Eijx_、Eijy_为元件 Aij的终点坐标；mx 、my 为负荷点 m的坐标；ijmk_为元件 Aij到负荷点 m 的距离调节系数，通常取 1，可用于考虑一些特殊供电情况。按最大供电半径 Rm选择出可能给负荷点 m 供电的10kV 区域：若 10 kV 元件(线路、变压器或变电站)与负荷点 m 的距离大于 Rm，则认为其不可能为 m供电，因此不加入寻路网络。反之，则将相应的元件加入负荷点 m 的寻路网络。(3) 通常希望尽可能通过具有主干线型或可靠性高的主干网络传送电能，并且减少电能在主干线型和次要线型间的转换。因此，规定最大精细寻路半径 rm。在此半径之外，凡是具有非主干线型或位于次要分支线路或非主干路由(对于规划问题由于许多路由上线型未确定，因此这里用“非主干路由”一词)上的元件都不加入寻路网络，而在此半径之内的元件全加入寻路网络。(4) 经上述步骤形成的 10kV 系统范围内的寻路网络 Gm_10包含有若干 66kV/10kV变电站，它们对于 10kV 负荷点 m 来说是可能的供电点，而对于66kV 系统来说是可能的负荷点。对这些变电站的每一个均采用与步骤(2)、(3)类似的方法，可得到其在66kV 系统范围内的寻路网络，这些网络的并集构成负荷 m 在 66kV系统范围内的寻路网络 Gm_66。(5) 同理，Gm_66中所包含的 220kV/66kV变电站也可看成 220kV 系统的负荷点。采用与步骤(4)同样的方法可获得负荷点m在220kV系统范围内的寻路网络 Gm_220。当然，Gm_66中也可能包含发电厂，此时，可认为其是通过一条无损耗、无费用的虚拟弧，由设于 220kV系统的虚拟源点供电。
5 供电工程系统规划的主要任务
结合城市和区域电力资源状况，合理确定规划期内的城市用电量，用电负荷，进行城市电源规划；确定城市输、配电设施的规模、容量以及电压等级；布置变电所（站）等变电设施和输配电网络；制定各类供电设施和电力线路的保护措施。城市通信工程系统规划的主要任务：结合城市通信实际情况和发展趋势，确定规划期内城市通信发展目标，预测通信需求；确定邮政、电信、广播、电视等各种通信设施和通信线路；制定通信设施综合利用对策与措施，以及通信设施的保护措施。
结束语
以上对多电压等级、不同网络结构的输配电系的综合规划问题进行了研究。在解决了电压等级算问题后，给出了基于最短路遗传算法的纯开环配电系统综合规划的方法。以此为基础，通过控曲节点出入度，并且只针对有功潮流进行优化，又出了开环与非开环混合的输配电系统综合规划问的近似解决方法。为了解决输配电系统搜模大而成的计算量问题，给出了基于输配屯系统知识的短路算法的实现方法。
参考文献:
[1] 余贻鑫，段 刚（Yu Yixin,Duan Gang）. 基于最短路算法和遗传算法的配电网络重构(Shortest paty algoithm and genetic algorithmbased distribution system reconfiguration)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2000, 20(9): 44-49.
[2] 孙洪波(Sun Hongbo). 电力网络规划(Power Grid Planning)[M]. 重庆：重庆大学出版社(Chongqing:Chongqing University Press),1996.
论文作者:杨向龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：算法论文; 系统论文; 负荷论文; 电压论文; 开环论文; 节点论文; 等级论文; 《电力设备》2018年第16期论文;