中压配电网可靠性评估优化研究

刘庆节　程小飞　孙家强

摘 要：本文针对中压配电网存在的问题，深入研究了配电网的拓扑分析、潮流计算及配电网的可靠性分析等技术问题，并通过遗传算法对开关站进行选址优化确定开关位置，对配电网进行合理分段，提高可靠性水平和经济性水平。最后在实际案例中进行多目标优化，证实该方法在投资中的准确性和可靠性。

关键词：配电网；开关优化配置；遗传算法；可靠性；多目标

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.156

1 引言

目前在全球能源互联网的发展背景下，国内外的电力工业正经历着很大的变化：电力系统正在特高压和智能电网的发展基础下向远距离输电发展，各供电系统之间的联系越来越紧密；电力系统也向着放宽管制和自由竞争的方向转变，电力系统的可靠性也就愈发重要，其中开关站的建设与投资之间的优化平衡便成为研究的热点。

本文介绍了了遗传算法（GA，Genetic Algorithm）的特点和原理，并将其运用到配电网开关优化配置中去，并在解决问题中采用权重系数进行多目标优化问题，最终通过对算法的改进提高寻优效率。

2 遗传算法原理及其改进

遗传算法是一种建立在自然生物进化的基础上的一种不确定搜索方法，其基本思路是利用二进制或十进制数字串，模拟这些数字串构成的群体在算法的进化过程。通过不停地一代一代的遗传，进行选择淘汰掉劣质的基因并进行变异形成新的一代，最后获得最优解。编码方式、初始种群、选择的方法、交叉率、变异率是影响遗传算法性能的重要因素。简单的遗传算法没有考虑问题空间的问题特性，影响了遗传算法的性能。因此，需要根据特定问题，适当改善遗传算法的性能，加快收敛速度。

3 遗传算法在中压配电网中的应用

遗传算法在中压配电网中主要用于开关站的选址，开关站的模型通常包含经济模型和可靠性模型，本文在考虑这两者的基础上，使用一个综合模型作为遗传算法的迭代标准。

3.1 开关站经济模型

开关站的经济模型主要包含其投资和运行的费用，本文考虑到设备的使用寿命，采用等年值法进行建模，其模型如式（1）所示：

3.2 开关站可靠性模型

在配电网中，开关站的可靠性主要由其是否停电有关，无论是计划停电还是故障停电，本文考虑其可靠性模型由其停电时产生的造成的损失计算，如式（3）所示：

3.3 开关站综合模型

配电网开关站的综合模型考虑使用权重因子将3.1和3.2两种模型整合，通过不同种类的网架，考虑经济性和可靠性的占比，得到本文采用的综合模型如式（4）所示：

3.4 计算步骤及流程

（1）算法首先进行原始数据初始化，根据染色体特性，确定染色编码方式；設定遗传算法的最大进化代数、群体规模，染色体长度，更新率，交叉率、变异率等参数。

（2）确定开关配置的经济性、可靠性模型，进行可靠性分析，并最终生成综合模型，确定适应度函数。

（3）产生初始种群；

（4）对初始种群进行适应度计算，这个初始种群中的每条染色体由于考虑了开关优化对象特性，本身具有较高的适应度值。

（5）将种群在子目标函数下进行适应度计算，采用轮盘赌方法选择染色体，择优进入下一代。

（6）对选中染色体进行变异从而形成新种群。

（7）进行适应度计算，得到最优解，并淘汰劣质染色体。

（8）记录当前新种群。

（9）当算法达到迭代终止条件结束并输出结果。

4 算例分析

本文在MATLAB环境下，采用IEEE-Bus6系统进行算理验证，该系统有83个节点，40个负荷点，2938户用户，总平均负荷为10.72MW。

根据遗传算法matlab的程序得出结果为：

X=12

Y=10.482

最佳染色体= 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1

在程序的设计中，考虑用二进制，根据附表将不同节点类型的负荷归为一类，因不同类型的负荷停电损失不同。在程序中将0表示为设置开关，1表示为不设置开关。根据附表，可以看出工业和商业的负荷处需要配置断路器，即14、15、16、17四个节点配置断路器。而居民和农业用负荷不配置断路器。这与工业和商业负荷停电损失较高一致。可以预测，若改变不同类型的负荷的停电损失，则断路器的位置也会做出相应的改变。

从图中可以看出，运用遗传算法求解电力系统开关优化具有良好的性能，经过多次运行程序，均能在20代以内收敛到最优解。

5 结论

随着电力工业的发展，电力市场机制的逐步深入、需求侧管理的不断成熟以及人们对供电可靠性要求的提高，配电网络开关最优配置将更具有十分重要的理论意义、社会价值和工程经济价值。

本文以配电网开关设备为研究对象，从规划角度，采用改进的遗传算法对配电网开关优化配置的经济性和可靠性进行了深入的研究，并得出以下结论：

（1）通过对可靠性等效节点的划分，简化了配电网可靠性计算过程，节省了搜索时间，减少了计算量，从而快速高效地得到系统的可靠性指标之一——系统缺供电量，采用权重系数变换法，将可靠性和经济性多目标优化问题转化为单目标问题来解决，有效提高了计算速度。

（2）根据配电网中开关站优化的特点，将遗传算法改进并运用到计算中，最后得到最优解，算法精确有效。

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