基于遺傳-模擬退火算法的配電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

摘要：對于已經(jīng)投入使用的配電網(wǎng)來說，只能通過配電網(wǎng)重構(gòu)來提高供電可靠性。據(jù)此，在基于遺傳-模擬退火算法的重構(gòu)方法上引入靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，對某配電網(wǎng)進行了重構(gòu)，通過科學(xué)有效的分析計算，改變開關(guān)狀態(tài)來優(yōu)化現(xiàn)有配電網(wǎng)架構(gòu)，盡可能降低網(wǎng)絡(luò)損耗，保證配電網(wǎng)的安全可靠運行。

關(guān)鍵詞：遺傳算法;模擬退火算法;配電網(wǎng)重構(gòu);靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)

0 引言

在正常狀態(tài)下，配電網(wǎng)呈輻射狀運行，實際配電網(wǎng)的網(wǎng)架中含有眾多的分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)以保證配電網(wǎng)能夠正常運行。配電網(wǎng)重構(gòu)是通過切換配電網(wǎng)中的開關(guān)狀態(tài)完成的，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移或在各饋線之間裝設(shè)分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以使負(fù)荷在饋線間得到更加合理有效的分配，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，從而達(dá)到平衡負(fù)荷、降低網(wǎng)損、改善電壓質(zhì)量、提高供電可靠性等目的[1-3]。

1 配電網(wǎng)優(yōu)化的潮流計算及目標(biāo)函數(shù)

前推回代法是配電網(wǎng)支路潮流計算[4-5]中被廣泛研究的一種算法。前推回代的具體步驟如下：

（1）已知原始數(shù)據(jù)為各節(jié)點的負(fù)荷有功功率、無功功率以及支路的電阻和電抗，設(shè)置合適的迭代次數(shù)，第一次迭代節(jié)點電壓為配電網(wǎng)的額定電壓。

（2）前推：從配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)末端節(jié)點開始，向根電源節(jié)點進行計算，求各支路的損耗功率、首段電壓、根電源節(jié)點的注入功率。

（3）回代：由根電源節(jié)點的注入功率和各個節(jié)點的首端功率，由前向后計算每條支路的電壓損耗以及各節(jié)點電壓。

（4）判斷是否滿足完成迭代的判據(jù)，不滿足則返回步驟3，直至迭代滿足規(guī)定要求即計算完成。

現(xiàn)有配電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)主要與降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的損耗、平衡負(fù)載和改善電壓分布密切相關(guān)，這意味著網(wǎng)絡(luò)的損耗越低，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的負(fù)載越平衡，因此，大部分的研究都是以降低網(wǎng)損為主要目的。而配電網(wǎng)的線損包括線路上導(dǎo)線的損耗以及變壓器的銅損及鐵損等，一般通過配電網(wǎng)重構(gòu)只影響前者，所以線損最小目標(biāo)函數(shù)計算公式如下：

min L=Ri （1）

式中，Nb為網(wǎng)路中的支路總數(shù);Pi為流過支路的有功功率;Qi為流過支路的無功功率;Ri為支路的支路電阻;Ui為支路的末端電壓。

2 配電網(wǎng)優(yōu)化的重構(gòu)算法及靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)

模擬退火算法是一種有效解決復(fù)雜優(yōu)化問題的方法，該算法適合全局冷卻過程，其中包括起始冷卻溫度、冷卻率、每次交換支路的數(shù)目和每個溫度下交換支路的總數(shù)等，通過交換支路形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計算潮流和網(wǎng)絡(luò)損耗，若新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較小的網(wǎng)損，則保留該種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，否則按一定概率接受新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)交換支路，直到達(dá)到最大支路交換數(shù)目，繼續(xù)維持冷卻，直到數(shù)據(jù)符合要求并結(jié)束判據(jù)[6]。該算法通常可以得到最佳的全局解和次全局解。

基于遺傳算法的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法是一種基于自然選擇基因的研究方法，模擬基因串會在優(yōu)者生存的機制里面優(yōu)化自身條件并且隨機交換信息，從而產(chǎn)生優(yōu)秀基因，在每個新的一代中，通過對上一代的開發(fā)與搜索，找到合適的信息合成新的更優(yōu)化的基因序列。該算法結(jié)合了目標(biāo)函數(shù)和遺傳過程，開關(guān)狀態(tài)可以用編碼“位”來表示，而系統(tǒng)的總線損可以用適應(yīng)度函數(shù)表示，適應(yīng)度函數(shù)是用來指導(dǎo)該算法搜索方向的依據(jù)，第一其數(shù)值不能為負(fù)數(shù)，第二由于其目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方向應(yīng)與適用度值增加的方向一致，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為網(wǎng)損最小時，將涉及網(wǎng)損最小值優(yōu)化問題，一般可以采用以下表達(dá)式進行調(diào)整：

利用潮流計算來實現(xiàn)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)的求解是目前運用最廣泛的方法，其中心思想主要是針對系統(tǒng)的各個負(fù)荷節(jié)點，將節(jié)點達(dá)到最大的功率點狀態(tài)作為電壓崩潰的臨界點。靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)必須準(zhǔn)確描述當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)且線性較好，計算速度快，能夠提供對計算有價值的信息。

3 基于遺傳-模擬退火算法的配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化算例分析

本文選取一個有36個節(jié)點、40條支路、5個聯(lián)絡(luò)開關(guān)子配電網(wǎng)絡(luò)，使用Matlab軟件進行程序編程，并利用遺傳-模擬退火優(yōu)化算法對該網(wǎng)絡(luò)進行配電網(wǎng)重構(gòu)及無功功率補償，以達(dá)到減小網(wǎng)絡(luò)損耗及維持電壓穩(wěn)定的目的。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

通過Matlab軟件編程運算，該網(wǎng)絡(luò)的總網(wǎng)損為240.96 kW，靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)為0.095 558。

經(jīng)過Matlab軟件編程求解計算，重構(gòu)后的配電網(wǎng)斷開點為：7、11、31、13、16，重構(gòu)后的有功損耗為125.91 kW，靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)為0.083 487。重構(gòu)后的有功網(wǎng)損及迭代次數(shù)如圖2所示。對重構(gòu)后的系統(tǒng)進行潮流計算，可以發(fā)現(xiàn)重構(gòu)前電壓標(biāo)幺值最低值為0.901 02，而重構(gòu)后電壓標(biāo)幺值最低值為0.938 35。由此可見，對配電網(wǎng)進行重構(gòu)可以提高電壓穩(wěn)定性，改善電壓質(zhì)量，有效降低網(wǎng)損。

4 結(jié)語

隨著我國城市電網(wǎng)負(fù)荷密度及配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，網(wǎng)架接線模式將有更多的連接方式。本文在基于遺傳-模擬退火的重構(gòu)方法上引入靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，對一個含有36個節(jié)點、40條支路、5個聯(lián)絡(luò)開關(guān)的配電網(wǎng)進行了重構(gòu)，采用Matlab軟件編寫了配電網(wǎng)重構(gòu)程序，通過分析計算改變開關(guān)狀態(tài)，以優(yōu)化現(xiàn)有配電網(wǎng)架構(gòu)，盡可能降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高供電可靠性，保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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收稿日期：2020-03-01

作者簡介：張怡寧（1994—），女，湖南株洲人，碩士，研究方向：電力網(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)及應(yīng)用。