配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及智能優(yōu)化算法在其中的探究

李辰雷

(河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京，210098)

0 引言

配電網(wǎng)絡(luò)在電力工程中屬于最后的支撐性環(huán)節(jié)，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行離不開良好的配電網(wǎng)絡(luò)，良好的配電網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)起到支撐和保護(hù)的作用。對(duì)整體配電系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)整，最主要的手段就是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，同時(shí)這也和配電管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行密切相關(guān)。運(yùn)行方式就是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行改變，以此來對(duì)供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)移各種變電站或者饋線之間的負(fù)荷，這樣就能夠達(dá)到降低電力損耗的作用，同時(shí)也可以起到保證電壓穩(wěn)定，確保負(fù)載平衡的目的。由于我國目前在電量供應(yīng)方面依舊存在相對(duì)緊張的問題，所以，通過對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，就可以有效減輕電量供應(yīng)緊張的局面，這樣對(duì)于我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及社會(huì)發(fā)展都有很大好處。摘要中已經(jīng)提到過，進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，同時(shí)涉及到了網(wǎng)絡(luò)損耗、供電可靠性、平衡負(fù)荷等方面。其主要的手段就是通過降維的方式來對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化，工作原理就是以某一個(gè)函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其他標(biāo)量或者目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和約束。因?yàn)橹貥?gòu)配電網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有非線性的特點(diǎn)，所以，在進(jìn)行優(yōu)化的過程中，每次都要計(jì)算配電網(wǎng)潮流，所以這是一個(gè)非常耗費(fèi)時(shí)間的過程。為了能夠保證計(jì)算速度的提高，并且可以得到最優(yōu)的結(jié)果，所以很多研究者在研究各種方式來對(duì)電網(wǎng)重構(gòu)問題進(jìn)行解決。最早嘗試的傳統(tǒng)手段以及現(xiàn)代運(yùn)用的近全局尋優(yōu)方式，再到目前使用的計(jì)算機(jī)智能算法，各種方式都進(jìn)行了嘗試，總的來說，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有不足之處。。

1 配電網(wǎng)重構(gòu)的概述

1975年，Back 提出了配電網(wǎng)重構(gòu)的概念，其主要目的就是通過改變電網(wǎng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電網(wǎng)在輸送電過程中能夠穩(wěn)定良好運(yùn)行。由于運(yùn)行條件不斷變化，進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的目的也在改變，如果系統(tǒng)運(yùn)行正常，則重構(gòu)的目的就是為了降低能量損耗；如果系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，重構(gòu)的目的就是為了將故障區(qū)域隔離起來，消除相關(guān)的過載，通過對(duì)開關(guān)的控制來保證不給隔離區(qū)域供電，這種重構(gòu)的方法稱為恢復(fù)重構(gòu)。

所以，配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)具有多重目的：第一，能夠盡快恢復(fù)故障，損失降低；第二，使得電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；第三，降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的損耗；第四，消除相關(guān)過載，保證饋線之間的平衡；第五，對(duì)各種組合目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，也就是對(duì)以上的目標(biāo)進(jìn)行多個(gè)考慮。

對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)需要有以下條件的約束：第一，配電網(wǎng)的潮流約束；第二，母線中的最大電流約束；第三，饋線有一定的容量；第四，母線電壓約束；第五，保證具有輻射狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 智能優(yōu)化算法

在重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的過程中，一般會(huì)結(jié)合運(yùn)用多種智能算法，主要的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、專家系統(tǒng)方面的算法、禁忌搜索算法、遺傳算法、退火算法等等。

3.1 模擬退火算法（SA）。這種算法是在重構(gòu)供電網(wǎng)絡(luò)過程中，最早采用的。其原理在于和物理固定的退火過程一樣，通過退火的方式，使得各個(gè)物質(zhì)之間進(jìn)行緊密地聯(lián)系。這種算法是以一定溫度為初溫，隨著溫度的下降，根據(jù)概率具有突跳的特點(diǎn)，根據(jù)最有可能的概率找到最好的解決方案，并且最終得到的解決方案與初始解決方案不同。在文獻(xiàn)中，對(duì)于這種算法，其提出了一種比較可行的改進(jìn)方案。這種改進(jìn)使得這個(gè)算法對(duì)參數(shù)不具有很高的依賴性，同時(shí)也在很大程度上減少了計(jì)算量。文獻(xiàn)則是通過SA 算法來提高重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性，在對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，通過采用分布處理的方法，就能夠很好地節(jié)約時(shí)間成本。

通過對(duì)SA 算法進(jìn)行運(yùn)用，我們可以在得到一個(gè)較好的全局最優(yōu)解，然而算法缺點(diǎn)在于非常依賴于退火方案以及參數(shù)，在重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用過程中，要通過個(gè)各種開關(guān)的不斷交換，來形成一定的效果，需要?jiǎng)佑梅浅４罅康挠?jì)算，來估計(jì)網(wǎng)損和潮流。

3.2 遺傳算法(GA)。以生物進(jìn)化論為基礎(chǔ)，采用的一種非常隨機(jī)的計(jì)算方式，就是我們熟知的GA 法。這種方法是通過對(duì)遺傳過程以及目標(biāo)方面的函數(shù)進(jìn)行結(jié)合，在重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，對(duì)開關(guān)進(jìn)行編碼，并且對(duì)于問題本身的性質(zhì)，沒有需要特別運(yùn)用限制。在進(jìn)行遺傳操作的計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多無效的不可行解，這樣就大大降低了運(yùn)行的效率。目前主要的改進(jìn)方法就是對(duì)免疫機(jī)制進(jìn)行運(yùn)用，對(duì)于遺傳算法在局部尋找最優(yōu)解的能力進(jìn)行提高，同時(shí)以染色體的形式來對(duì)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)編碼，來保證全局都能夠得到最優(yōu)或者次優(yōu)解 。算法的優(yōu)點(diǎn)是可導(dǎo)性以及目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)性等條件對(duì)于算法限制不大，通過多點(diǎn)并行的方式搜索解的空間，對(duì)于離散狀態(tài)的優(yōu)化問題可以進(jìn)行有效處理，可以在很短時(shí)間內(nèi)到達(dá)全局收斂。同樣，遺傳算法一些弊端，很容易導(dǎo)致早熟收斂的產(chǎn)生，如果最開始的基因編碼不同，則結(jié)果也會(huì)不一樣。

3.3 禁忌搜索法(TS)。TS 算法就是對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行拓展的尋優(yōu)方式，是一種在全局逐漸對(duì)最優(yōu)進(jìn)行尋找的方式，是完全模擬人類智力的過程。這種方法的原理就是通過一種非常完好的“記憶”方式，對(duì)于已經(jīng)完畢的優(yōu)化情況進(jìn)行選擇和記錄，對(duì)于之后的搜索方位進(jìn)行指定。文獻(xiàn)采用禁忌搜索算法為優(yōu)化手段，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)以最小網(wǎng)損為目標(biāo)，通過改進(jìn)禁忌搜索策略來來重構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)。

3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)。ANN 是一種以生物神經(jīng)為模擬對(duì)象的優(yōu)化算法，這種算法將實(shí)際問題與生物穩(wěn)定的神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)系起來，進(jìn)而得到將實(shí)際問題進(jìn)行神經(jīng)化分析的過程。這種算法不需要有很多潮流方面的數(shù)據(jù)，能夠節(jié)約重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，然而，優(yōu)化結(jié)果質(zhì)量的高低在于訓(xùn)練樣本的質(zhì)量。

3.5 專家系統(tǒng)法。這種方法主要的運(yùn)用領(lǐng)域在于建立相關(guān)模型，而需要根據(jù)一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來解決的問題。這種方法的缺點(diǎn)在于對(duì)專業(yè)人員的依賴度非常高，并且，由于是經(jīng)驗(yàn)解決問題，所以，無法形成完善的理論系統(tǒng)。

3 配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)要注意的問題

4.1 重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)，最為基礎(chǔ)的方向就是系統(tǒng)負(fù)荷的影響。同時(shí)，這個(gè)方向也必將成為以后研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

4.2 電網(wǎng)中的負(fù)荷是不斷變化的，所以，對(duì)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷進(jìn)行研究，具有一定的潛在意義。然而，在工程化應(yīng)用方面，目前的優(yōu)化方式還無法達(dá)到實(shí)時(shí)要求。

4.3 因?yàn)榕潆娋W(wǎng)與輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不一樣，所以在輸電方面對(duì)潮流的算法并不能夠完全不變地運(yùn)用到配電網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)潮流的計(jì)算，一定要采用考慮網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的計(jì)算方法。

4.4 在進(jìn)行重構(gòu)的過程中，一定要對(duì)分布式的電源進(jìn)行考慮。通過目前的研究看來，DG 在一般情況下是有利于減小網(wǎng)損的，而且可以提高電網(wǎng)的電壓的質(zhì)量。

4.5 對(duì)不確定的因素進(jìn)行處理。很多實(shí)例表明，不能夠在實(shí)際操作過程中完全獲得配電系統(tǒng)的信息。在選擇方法時(shí)，一定要將信息的不確定性考慮進(jìn)去。

4.6 對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，其作用可以減少電流在網(wǎng)絡(luò)中的損失，但是，在重新構(gòu)建電路的同時(shí)，一定要考慮到新的電路對(duì)于配電的安全性影響。所以，重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)是非常復(fù)雜的，考慮單一目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實(shí)用性無法保證。重構(gòu)配線網(wǎng)是一個(gè)整體性的動(dòng)作，到各個(gè)環(huán)節(jié)做到最好，同時(shí)保證供電安全性，這樣才能夠達(dá)到重構(gòu)的目的。

4 結(jié)語

配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，屬于非線性的范疇。每種重構(gòu)方法都存在一定的缺陷，可以通過各種不同的方法來獲得最優(yōu)的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。并且，隨著我國工業(yè)和科技的發(fā)展，對(duì)于電力需求的不斷增加，在配電網(wǎng)絡(luò)方面，就更加需要保證配電的安全性，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)型。只有找到更好的解決重構(gòu)的方法，才能夠?yàn)槲覈慕?jīng)濟(jì)建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

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