摘 要

配电网重构通过控制配电网的各种开关状态，改变配电网的拓扑结构，以达到优化配电网的目的。分布式电源因其具有清洁、安全、高效、灵活方便等优点，受到世界各国的欢迎，大量地涌入配电网中，这使得配电网的优化与经济运行变得更加困难。本文就是在这一大背景下，研究含分布式电源的配电网重构问题。

本文按照分布式电源的发电机理，对其进行简单的分类。为寻找合适的潮流计算方法，建立了分布式电源的各种数学计算模型。通过比较各种潮流算法的优缺点，本文最终采用前推回代法计算配电网潮流，并改进算法流程使其应用于本文研究的主题。

本文提出合适的配电网重构算法。采用二进制粒子群算法并用线性递减权重法改进了惯性权重，使其能够准确寻优。同时还在算法中加入多个辐射状结构判断环节以确定解的可行性。最后在IEEE33节点系统对算法进行了测试与仿真，证明了算法的可行性。

关键词：分布式电源；粒子群算法；配电网重构；仿真

Abstract

The distribution network reconfiguration can change the topology of the distribution network by controlling the switch in the distribution network, so as to optimize the distribution network. Because of its advantages of cleanness, safety, high efficiency, flexibility and convenience,distributed generation(DG) has been welcomed by all countries in the world. A large number of DGs are connected to the distribution network, making the optimization and economic operation of the distribution network more difficult.This paper is to study the reconstruction of distribution network with DGs under this background.

In this paper, DGs are simply classified according to their generator principle. In order to find a suitable power flow calculation method, various mathematical calculation models of DGs are established in this paper.By comparing the advantages and disadvantages of various power flow algorithms, I finally choose the forward and backward substitution method to calculate the distribution network power flow and improve the algorithm flow to apply to the topic of this paper.

In this paper, the lowest network loss is taken as the objective function, and a suitable distribution network reconstruction algorithm is proposed. Binary Particle Swarm Optimization Algorithm (BPSO) is used and improved to make it accurate. At the same time, multiple radial structure judgment links are added to the algorithm to determine the feasibility of the solution. Finally, the algorithm is tested and simulated in IEEE33 node system, which proves the correctness of the algorithm.

Keywords:Distributed generation;Particle swarm optimization;Distribution network reconfiguration;simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 配电网重构的研究现状 1

1.3 本文的主要工作 3

第2章 分布式电源对系统的影响 4

2.1 分布式电源概述 4

2.2分布式电源的分类 4

2.3 分布式电源对配电网的影响 4

2.4 本章小结 6

第3章 含分布式电源的配电网潮流计算 7

3.1 传统配电网潮流计算 7

3.1.1 牛顿类配电网潮流算法 7

3.1.2 母线类潮流算法 8

3.1.3 支路类算法 8

3.2 分布式电源在配电网中的处理 10

3.3含分布式电源的潮流计算 11

3.4 本章小结 12

第4章 含分布式电源的配电网重构 13

4.1 配电网重构概述 13

4.2 配电网重构模型 13

4.2.1 配电网重构目标函数 13

4.2.2 配电网重构约束条件 14

4.3粒子群算法 15

4.3.1 粒子群算法概述 15

4.3.2 粒子群算法的数学模型 16

4.3.3 粒子群算法流程 17

4.4 基本粒子群算法的改进 18

4.4.1 量子粒子群算法 18

4.4.2 二进制粒子群算法 19

4.4.3 二进制粒子群算法的改进 19

4.5配电网重构网络辐射状判定 20

4.6 含分布式电源的配电网重构流程 22

4.7 算例仿真 24

4.7.1 不含分布式电源的IEEE33节点配电网重构 24

4.7.2 含分布式电源的IEEE33节点配电网重构 25

4.8 本章小结 26

第5章 总结 27

参考文献 28

致谢 30

附录

第1章 绪论

1.1选题背景

从工业革命以来人类社会发展紧紧依靠电能，电力行业更是每个国家的支柱产业，是现代化国家经济发展和国民生活不可或缺的能源。然而，随着生产力的发展和经济水平的提高，整个社会对电能的需求在持续增长，电网规模也随之变得愈加庞大，这使得传统的集中式发电如大型火力发电厂等等，满足不了现代国家对灵活发电用电的需求。此外，地球能源资源日益枯竭和传统发电方式如火力发电等带来的环境问题也日益严重，使得我们需要寻求一种清洁、环保、高效、灵活的发电方式以解决上述问题。于是，分布式发电方式受到世界各国的高度重视。今后电力行业的热门发展方向一定是传统集中式发电与分布式发电并存的新型电网。

分布式电源（Distributed Generation，DG）是指发电功率较小，一般在几千瓦至数兆瓦之间且散布在用户附近的清洁、灵活、高效的电源^[1]。分布式电源与传统电网相比有以下特点：

（1）供电损耗较小。分布式电源因用户的特殊需求而建造，供电距离比传统电网较短，所以网络损耗较小。

（2）可靠性高。分布式电源独立于电网建设且自行向用户供电，当电网发生故障时，分布式电源不受其故障影响，仍然可以向用户正常供电，避免用户停电。因此可以提高供电可靠性。

（3）清洁建设成本较低。前文已经说过，分布式电源的容量一般不大，所以不需要很大规模的电气建设，建设成本较低。小规模的电源所用的运行成本也较低。

（4）环保。分布式电源主要采用光伏发电和风力发电等发电技术，这些发电技术都采用清洁能源，有效减少了有毒物质的排放。

因此，分布式电源带来的好处毋庸置疑。然而，当分布式电源在接入电网时会对电网产生一系列作用，有积极和消极两方面的作用，比如引起线路上电压分布的变化，或者可能会改变配电网中功率流的方向，进而影响继电保护装置的动作等等。这使得含分布式电源的配电网重构也成为了国内外电力行业研究的热点。

1.2 配电网重构的研究现状

1975年，A.Merlin和H.Back发表论文^[2]，创造性地提出配电网重构的基本概念，广泛受到业内人员的欢迎。配电网重构通过断开或闭合网络中的各个开关，进而改变部分网络结构，使配电网的潮流分布达到最优状态，从而使提高配电网的供电水平和可靠性。配电网中经常会安装大量的分段开关和联络开关，这就使得配电网根据改变开关状态重新配置网络体系来达到最优状态的过程变得十分困难。比如一个配电系统中有M个开关，每个开关有开通和关断两种状态，故整个系统有个可能的状态。如果采用简单的穷举方法寻优，计算量巨大，计算效率较低，并且收敛性差，很难满足实际工程要求。国内外学者和研究人员经过不懈努力提出了很多种有效的算法来解决配电网重构问题。

目前，配电网重构算法包括数学优化算法、最优潮流算法( Opimal Flow Pattern,OFP)、支路交换法（Branch Exchange Method , BEM）、人工智能算法^[3]。

（1）数学优化算法

Merlin和Back于1975年率先提出传统的数学优化算法，用数学方法解决问题：将电路优化问题转变为非线性数学问题，然后按照数学问题求解。然而传统的数学优化算法穷举（M为开关个数）种不同的开关组合，将其用于复杂电网的计算时效率很低。于是Jiyuan Fan等人提出一种改进算法，将网络重构为一次只改变一对开关状态的单环网络，数学模型选用离散变量^[4]。之后N.D.R.Sarma等人又提出一种基于离散变量的改进算法，在考虑多个开关一起动作的情况下得到最优解^[5]。

（2）最优潮流算法( Opimal Flow Pattern,OFP)

1989年，Darrish Shirmohammadi等人提出了以网损最低为目标的新算法：最优潮流算法^[6]。OFP算法的大致流程如下：第一步将配电网中所有开关都闭合得到环状结构的配电网络。第二步计算所得环网的潮流分布，比较各节点的电流大小。第三步打开节点电流最小支路的分段开关，使该环解开。第四步对剩下的环进行重复操作直至解开所有的环。OFP算法不用计算次组合情况下的潮流分布，比传统的数学优化算法简单，效率更高。邓佑满等人改进了OFP算法，他们用一种新的方法判断断开开关的位置，成功提高计算速度和精度^[7]。

（3）支路交换法（Branch Exchange Method , BEM）

1988年，S.Civanlar等人率先提出支路交换法^[8]。算法的关键在于不停地交换联络开关和分段开关以求得最低网损。具体来说：当闭合一个联络开关时，同时作为交换，打开该环中的一个分段开关以保证网络为辐射状，计算此时网络的潮流分布和网损，反复计算直至网损降至最低。文献^[9]提出的改进方法很大程度上缩短了计算时间，该算法首先找到费用最低电流最大的支路以避免多余的操作，接着再用BEM进行重构。

（4）人工智能算法

1956年，McCarthy和Minsky等人创造性地提出人工智能算法，后来越来越多的学者和研究人员将其应用到配电网重构中来，并取得巨大的成功。人工智能算法具有计算速度快、效率高、精准度高等优点。应用于配电网重构中的人工智能算法及其优缺点如表1.1所示。

表1.1 各算法优综合对比表

1.3本文的主要工作

本文的主要内容如下：

（1）介绍分布式电源基本概念和基于发电机理的简单分类，阐述分布式电源接入配电网后对其产生的各种影响。

（2）介绍配电网常用的四类潮流计算方法，分析分布式电源在配电网潮流计算中的常用数学模型并将其运用到前推回代法中，以此得出含分布式电源的配电网重构潮流计算的基本步骤。

（3）介绍配电网重构常用的粒子群算法并分析粒子群算法的几种常用改进算法。

（4）结合含分布式电源的前推回代算法和改进二进制粒子群算法，进行含分布式电源的配电网重构并进行算例仿真。

第2章 分布式电源对系统的影响

2.1 分布式电源概述

通常意义上，分布式电源是指为满足用户特殊需要建立在用户旁边、容量较小的微型电源。其发电功率一般在几千瓦到数兆瓦之间。与集中式发电相比，分布式电源具有效率高、污染少、安装灵活、成本低等多项优势。近些年来，分布式电源越发受到世界各国的重视。

2.2分布式电源的分类

随着电力技术的快速发展，分布式电源的种类也愈加庞杂。本文依据分布式发电技术的不同，将其进行简单的分类。

（1）风力发电。风力发电的大概流程为相当大的风吹动风车叶片，使其缓慢旋转起来，再经过齿轮箱提高转速，从而带动发电机发电。发电机所发的电不够稳定，需要经过处理，最后输出质量优良的电能。随着风力发电技术的完善和地球资源的减少，风力发电技术会成为发电行业的重要技术。

（2）光伏发电。光伏发电是基于光伏效应原理进行发电，所用原料为太阳光，而太阳光是来自于太阳的可再生清洁能源，所以光伏发电具有巨大的环境和资源优势。光伏发电除了核心的光伏电池板之外，还有一些其他的环节和装置，如储能元件、电力电子逆变器等等。因此，光伏发电站的建设成本较高，从而也影响了光伏发电系统的大范围应用^[10]。

（3）燃料电池。燃料电池的发电机理基于化学反应。燃料燃烧的化学反应会产生大量的化学能，燃料电池将其转化为电能。不过所得的电能不够稳定，所以需要附加滤波器、逆变器等装置稳定电能后才能并网使用。燃料电池具有发电效率高、适用性广等优点。然而燃料电池也存在一些缺陷如寿命有限、材料价格昂贵等等，使得其不能大量装设。

（4）微型燃气机发电。微型燃气机通过燃烧甲烷、天然气等可燃气产生的巨大热能推动汽轮机转动，进而带动发电机旋转发电。微型燃气机的输出功率较小，一般在200kW以下，具有清洁高效、安装简单、寿命长、维护费用较低等优点。

除了上述四种常见的分布式电源，还有其他的分布式电源，主要包括生物质能发电、地热能发电、海洋能发电等等

2.3 分布式电源对配电网的影响

大量分布式电源接入电网中一定程度上补足了电网的缺陷，如供电距离过长、网络损耗过大等等，同时也对电网产生了一定的消极作用。

（1）对电能质量的影响

很多外界因素如气候条件、用户需求甚至政策法规等的变化都会改变分布式电源的输出功率，所以其接入电网后的输出功率也无法精准确定，如果大量接入可能会造成电网电压波动^[11]。如果大型的分布式电源频繁地投入或退出电网，可能会引起电压闪动。此外分布式电源所输出的电能要经过电力电子装置进行逆变和稳压等，因此会产生大量谐波，从而对电网造成谐波污染。

（2）对网损的影响

分布式电源接入后会在一定程度上改变网络拓扑结构，如将单一电源供电的辐射状网络转变为多电源供电的环状网络，进而改变潮流分布和网络损耗。其具体影响由分布式电源的容量大小、接入电网位置、网络拓扑结构等因素共同决定^[12]。

（3）对继电保护的影响

传统配电网的结构像树状，电源在树干，负荷在树枝，电能只能从电源单向流向负荷，且每个负荷获取电能的途径唯一。所以继电保护装置采用三段式保护，没有功率方向判断的功能。而在接入分布式电源之后，配电网络可能成为多电源供电的环状网络，潮流方向可以从供电到用户，也可以由用户到电网，即可以双向流动。传统继电保护装置如果没有判断电流方向或功率方向功能，当电网发生故障时可能会引起保护装置的误动，造成损失^[13]。

（4）对配电网规划的影响

由上述可知，分布式电源并网后，会在一定程度上降低电能质量，可能增大网损或减小网损，会影响继电保护装置，而这些方面都会影响配电网的规划。除此之外，分布式电源可以自由选择接入或退出电网、其输出功率大小亦可自行调节，这些特点使得配电网规划难度大大增加。

（5）对配电网可靠性的影响

分布式电源接入配电网后对其产生的影响需要根据情况而定。例如（3）中所述，当分布式电源接入后改变了网络的功率方向，而原网络的继电保护状态无方向判定功能时，会使继电保护装置误动，造成事故，降低系统的可靠性。如果选择适当的接入位置和运行方式、合理调节分布式电源的输出功率等等，反而可以提高配电网的供电可靠性。

（6）其他方面的影响

除上述几种重要的影响之外，分布式电源接入配电网还有可能造成短路电流超标、变压器接入问题、铁磁谐振等等问题，降低配电网的供电效益和经济效益。

2.4 本章小结

本章首先简要介绍了分布式电源的基本概念和优点。接着根据各种分布式电源的发电原理不同，将分布式电源进行分类。最后从电能质量、供电可靠性、继电保护系统等方面说明分布式电源并网后的具体影响。

第3章 含分布式电源的配电网潮流计算

3.1 传统配电网潮流计算

潮流计算是电力系统分析中的重要计算，也是研究和规划配电网的前提。配电网的网络损耗、电压偏差等都需要经过潮流计算得到结果。在潮流计算发展的几十年中，研究人员和学者创造出大量的潮流计算算法。潮流算法的大致分类如下：

表3.1 潮流算法分类表

3.1.1 牛顿类配电网潮流算法

（1）牛顿拉夫逊算法

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