复杂中压配电网开关优化配置数学模型及算例

研究与开发复杂中压配电网开关优化配置数学模型及算例张秀红’王志伟2(l.湖北工业大学电气与电子学院，武汉430068;2.湖北工业大学机械工程学院，武汉43068)摘要配电网开关优化配置就是确定馈线上开关设备的最佳位置和数量，以提高系统可靠性，减少停电损失，提高资金的使用效率.本文介绍了开关优化配置中各种费用的计算方法，对现有的几种复杂中压配电网可靠性算法进行了比较和说明，并介绍了基于可靠性算法计算停电损失费用的方法。关键词:电力系统;配电网;开关优化配置TheMathematicalModeIandTheExamPleofPlacementof0PtimaISwitchingDevicesinComPlexMediumVoltageElectricaIDistributionNetworksZhangXiuhonglwang助iweiZ(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering，HubeiUniversityofTechnology，Wuhan430068;2.SchoolofMechanicalEngineering，HubeiUniversityofTechnology，Wuhan430068)AbstractPlacementofoPtimalswitchingdevices(POSD)meanstofindthebestPositionsandquantityofswitchingdevicesinthefeeders.TheP0SDcanimProvereIiabilityandreduceenergylossesoftheElectricaldistributionnetworks(EDNs).ThisPaPerintroducesthecalculationmethodofthevariouscostsandcomParesseveralalgorithmsofevaluatingreliabilityofEDNs.AmethodofcalculatingtheoutagecostbasedonEDNsreliabilityalgorithmisProPosed。Keywords:Powersystem:electricaldistributionnetworks;PlacementofoPtimalswitehingdevices1引言配电网是电力系统的重要组成部分，其可靠性水平直接影响着国民经济的发展和人民的生活水平。据国外电力公司统计，大约50%的用户故障源于配电系统川。在配电馈线上配置一定数量的开关设备是提高供电可靠性的有效措施。科学、合理地配置开关设备，可获得巨大的经济效益和社会效益;反之，如果配置不当将会扩大故障影响范围、降低供电质量。电力公司通过开关优化配置可提高公司的经济效益，一方面要保障供电的可靠性;另一方面还必须兼顾公司的效益，尽量降低成本。在电力市场环境下，开关配置的总成本不应当只包括开关设备的直接投资成本、运行成本，还应当包括由于电力供应不足或中断而使用户造成的缺电损失，也即需求侧的缺电成本，这后一部分是供电可靠性水平高低的直接经济体现。高可靠性与低投资成本是一对矛盾，要解决这对矛盾就要用到成本效益分析法。成本效益分析法主要是通过对标的物的成本、效益的分析与评价，以达到综合协调成本一效益之间的关系。由于某一可靠性水平对应的社会经济效益较难估算，因此常将可靠性效益用缺电成本，也即由于电力供给不足或中断引起用户缺电、停电而造成的经济损失来表示。这样，就可以把可靠性成本与可靠性效益统一在电网的经济性上衡量，可靠性成本效益分析法可用来衡量开关优化配置方案的经济性。401电气技术2008年第。期研究与开发2开关优化配置的数学模型通常，配电系统的可靠性越高，其投资越大，但可靠性高可以减少用户的停电损失。所以，开关优化配置的目的就是要从提高供电可靠性、综合年费用最少的角度，确定一种开关配置方案，使得系统总费用最小。由于设备使用寿命可能不同，故选择等年值法进行经济评价，从而避免设备寿命差异带来的影响。下面分别讨论开关设备每年的投资、运行维修和停电损失费用。2.1投资费用开关设备投资费用的等年值由下式给出:cs=艺(1+1)弓1(1+1)马一1Xcs，X戈厂月1‘、式中，M为开关的类型总数(开关类型有断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器、切换开关等):玛为第j种开关增装的台数;csj为第j种开关单台投资现值(即现值单价);1为贴现率;乃为第j种开关设备的使用寿命;cs为开关设备总投资现值对应的等年值。2.2运行维修费用每年开关的运行维修费用按其投资的百分数给出:饰二CsoxH式中，CM为开关设备每年的运行维修费用;H为运行费用占投资的比例系数。2.3停电损失费用系统每年停电损失费用可用下式表示:之尹万q=艺艺￡曰昭j:几。j二1!二1式中，LP为负荷点总数;不为第j个负荷点有不种停电持续时间分类;石曰喝r为负荷点j第t停电持续时间对应的失电量;qossj，为负荷点j第t停电持续时间对应的单位停电损失;C:为系统每年的停电损失费用。2.4开关优化配置的数学模型—目标函数氏in=cs+衡+q约束条件:(1)可靠性约束尺三RoR为某种开关配置模式下系统可靠性指标;RO为给定的系统最低可靠性指标。(2)节点电压约束珠in三返珠以Vmi，、珠“分别为节点电压最低值和最高值。(3)支路过负荷约束胜了~爪ax为支路安全电流。(4)树状运行约束其中约束条件(3)和(4)主要针对有联络开关优化的情形。3停电损失费用的计算要计算系统每年的停电损失费用须计算出每个负荷点一年中的每次停电持续时间及对应的失电量。负荷停电持续时间及失电量的计算是基于中压配电网可靠性计算的。常用的中压配电系统可靠性评估的方法是故障模式后果分析法(FailureModeanaEfrect^nalysis，缩写为FMEA)lz1。该方法利用元件可靠性数据，分析所有可能的元件故障事件及其后果，建立故障模式后果表，然后综合形成可靠性指标。当系统结构复杂时，故障模式后果表的建立将十分复杂。文献【3]给出基于故障扩散的可靠性评估搜索算法。该算法对复杂的中压配电系统(带子馈线)有较强的处理能力，利用前向搜索算法确定断路器动作影响范围，用故障扩散方法确定故障隔离的范围，从而可确定节点的故障类型。根据节点的故障类型，便可形成节点、馈线以及系统的可靠性指标。文献【4]提出以块为单位进行故障枚举，大大提高了配电网可靠性评估的速度。图1为一简单中压配电网，主干线均为每段Zkm，接负荷的馈线为每段Ikm，负荷5、6、7、8分别为ZMW、ZMW、IMW、IMW，开关切换时间均为lh，其元件可靠性参数如表1所示。0万一图1一简单中压配电网表1图1配电网络元件可靠性参数设备名称1、J线路变压器0乃5次Ikm.年住04次/台.年丝10h注:又为元件故障停运率;;平均停运持续时间其负荷在不同持续停电时间下的每MW单位停200。年第3期电气技7It}4，研究与开发电损失(元小)如表2所示。表2各负荷单位停电时间损失表时间段负荷5(农用)负荷6(城镇)负荷7(商业)负荷8(政府)sh以内21洲)050(X)1(众刃30005(冷阳80《又K)5~10h20峨刃6砚洲刃l20(又)10h及以上200080001601〕0其故障模式后果分析表(以负荷6、8为例)如表3所示。表3图1配电网故障模式后果分析表4结论开关优化配置一方面可提高配电系统的可靠性，另一方面可使电力公司得到更大的经济效益，使系统的可靠性与经济性得到统一。本文介绍了配电网开关优化的数学模型，比较了配网可靠性评估的几种方法，并演示了一个算例。参考文献元件负荷6负荷8又rUL还rUL线路0一10.150.53《洲X】0.150.525000卜20.150530000.150.52501刃2一30.150.530000.150.52500()3一40.1l0.01500.150525000卜50.050.052一60.0550.25l50()0.0550.251251刃3一70.0550.25l50()0.0550.251251叉)4一80.05l0.0()5250.0550.2512500变压器卜50.040.042一60.以l00.4320()0.04l00.4320(洲)3一70.04l00.432000.04l00.43200()4一80.04l0.004200.04l00.43200()BillintonR，WangP.Reliabilitynetwo水equivalentaPProachtodistributionsystemreliabilityevaluation【J].IEEProceeding一G.T.D.，1998，145(2):149一153.陈文高.配电系统可靠性实用基础「M】.北京:中国电力出版社，1998.谢开贵，周平，周家启等.基于故障扩散的复杂中压配电系统可靠性评估算法[J].电力系统自动化，2001，25(4):45一48.刘柏私，谢开贵，马春雷等.复杂中压配电网可靠性评估分块算法[J].中国电机工程学报，2005，25(4):40~45.注:几为元件故障停运率(次/年);r为平均停运持续时间(h);L为悔MW停电损失(元)。由表3知，负荷6的全年的停电损失为36990元，负荷8全年的停电损失为233500元，同理可计算出负荷5和负荷7全年的停电损失分别为2360元、36990元，系统全年停电损失为309840元。作者简介张秀红，女，1978年生，本科学历，武汉水利电力大学电力系统自动化专业毕业，现为湖北工业大学电气与电子工程学院实验员。王志伟，男，1974年生，博士，硕士研究生导师，武汉大学博士学历，现为湖北工业大学机械工程学院教师。(上接第39页)戒喇味比厂妥尹羚淤0201‘。卜二乞数网络具有结构自适应确定、训练不依赖初始权值、速度快、精度高、结果可靠的优点，是一种值得推广的地下水动态模拟与预测神经网络模型。毛竹‘\丫{:󰀀瓜2}，’丫卜刃3Les一~~--占一~，~一一司‘C淑.12345;鬓参考文献图3误差报告仿真图(3)仿真结果:SPREAD=2或3时，网络的预报误差最小，BP网络的预报误差明显，不如RBF网络，而且训练时间过长，速度比较慢。因此，经过比较RBF神经网络更有效。4结论通过RBF网络原理与实例仿真认为:径向基函飞思科技产品研发中心.神经网络理论与Matlab7实现【Ml.北京:电子工业出版社.孙增忻.智能控制理论与技术【M].清华大学出版社，2002.飞思科技产品研发中心.Matlab7辅助控制系统设计与仿真【M].北京:电子工业出版社，2005，5.罗定贵.基于RBF神经网络的地下水动态模拟与预测.地球学报.42}电气技术。0。年第3期