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1、中国地质大学（北京）现代远程教育专 科 实 习 报 告题 目 电力系统及其自动化 学生姓名 彭秀峰 批 次 201303 专 业 电气工程及其自动化 学 号 1311321910066 学习中心 河北秦皇岛 2015年 5月摘 要本文针对电力系统输电网络扩展规划问题进行了研究。电力是现代社会发展的重要动力。对电力系统规划问题进行研究具有重大的现实意义，实践证明在设计上的少量改善往往就能得到在运行使用中的巨大的经济效益。遗传算法在输电网络扩展规划中有着较为广泛的应用，但是传统的遗传算法应用于大规模的电网规划问题中仍存在着收敛性差等问题。本文对电网规划的数学模型及其求解方法进行了研究，潮流计算采用
2、直流潮流模型，算法采用量子遗传算法，并对这种算法进行了一些改进。在此基础上，本文应用MATLAB编制了传统的量子遗传算法及改进的量子遗传算法电网规划应用程序，并对某18节点电力系统算例进行了计算。计算结果证明本文改进的量子遗传算法具有计算结果理想、求解速度较快、收敛性好的特点，证明改进后的算法在稳定性及收敛速度上要优于传统的量子遗传算法。关 键 词：输电网扩展规划；改进量子遗传算法；收敛性论文类型：应用研究III目 录1 绪论11.1 电网规划研究的意义11.2 输电网络规划11.3 电网规划研究方法21.3.1 传统启发式方法21.3.2 数学优化方法31.4 本文工作32 输电网络规划的数
3、学模型52.1 潮流计算的数学模型52.1.1 直流潮流方程52.2 输电网络优化规划的数学模型73 量子遗传算法及其改进93.1 量子遗传算法93.1.1 标准量子遗传算法的实现93.2 对量子遗传算法的改进103.2.1 动态调整旋转角机制103.2.2 量子变异113.2.3 量子交叉113.3 输电网络优化规划123.3.1 编码方式123.3.2 网络连通性的判断133.3.3 输电网络扩展规划计算程序流程图155 结论213 量子遗传算法及其改进 1 绪论1.1 电网规划研究的意义从计划经济时代开始，我国的电网建设一直是“重发、轻供、不管用”，也就是重视电源规划，而输配电则被忽视，
4、用电的问题就更少考虑了。我国的电网建设一直滞后于电源建设，而配电网尤其是农村电网建设则更加落后1。当今时代只有通过电力工业本身的基本建设以不断扩大电力系统的规模才能满足用户对电能需求的不断增长。要满足国民经济发展的需要，电力工业就必须先行，因此做好电力工程建设的前期工作，落实发、送、变电本体工程的建设条件，协调其建设进度，优化其设计方案，其意义尤为重大。电力系统规划正是电力工程前期工作的重要组成部分，它是关于单项本体工程设计的总体规划，是具体建设项目实施的方针和原则，是一项具有战略意义的工作。长期以来，我国电网规划工作落后于电源规划工作。许多地区由于电网结构不合理，有些地方有电送不出，但有些地
5、方却严重缺电，有些地方甚至还出现由于局部电网故障而诱发恶性连锁反应，最终酿成大面积长时间停电的重大系统事故，如东北电网1993年8月20日事故和华北电网1999年4月28日事故都和电网结构不合理有直接关系。在经济发达国家，由于历史因素造成的电网结构不合理而导致的停电事故，如1987年7月日本东京大停电和1996年7月、8月间美国西部联合电网两次大停电也同样给社会造成了巨大损失。因此，对电力系统规划问题进行研究具有重大的现实意义。电力系统规划包括负荷预测、电源规划和电网规划三大部分内容。电网规划以负荷预测和电源规划为基础，反过来也对电源规划产生一定影响，使之得到适当修正。虽然电源规划和电网规划应
6、当作为一个整体来研究，但由于二者侧重点不同，并且统一研究又非常困难，因此，目前两项工作仍然是分开进行，然后再对两部分结果进行必要的协调。电网规划的数学方法多年来为许多学者所深入研究，而实践证明，往往在设计上的少量改善，在运行使用中就能得到巨大的经济效益。1.2 输电网络规划输电网络优化规划是指在己知规划水平年的负荷预测和电源规划的基础上，根据现有网络结构和参数，提出若干可行的输电网络规划方案，应用分析工具，通过计算合理选择待选线路，使规划方案成为发展灵活可靠，满足运行要求且经济性最好的方案。一个合理的电力网络规划方案可以获得巨大的经济效益和社会效益，但一个电力网络规划的失误也会给国家建设带来重
7、大的损失。电网规划是一个相当复杂的问题，它需要确定的决策是大量的，而这些决策在时间及空间上是相互影响的。目前，限于各方面条件，尚无法将其统一在一个模型中考虑。只能将其分解成相对简单的子问题，再通过子问题间的迭代进行协调。电网规划可以按照时间长短分类，也可以按照问题不同划分。按照时间划分，电网规划可分为： 远景规划（16-30年） 短期规划（15年） 中长期规划（6-15年）远景规划通过对未来各种发展情形的简单分析，给出根据环境参数进行技术选择的一般原则，并作出最后的初步选择。短期规划用于制定网络扩展决策，确定详细的网络方案。中长期规划介于两者之间，它用于估计实际电网的长期发展或演变，它起着十分
8、重要的作用，一方面，远景规划所作出的技术选择可通过长期网络实际状况进行修正。另一方面，它又可以指导短期规划，确保短期决策同中长期电网发展相一致，反过来，中长期规划中所引入的一些假设可通过更精确的分析或短期规划得到验证。网架规划的目的在于根据投资及运行等费用最小的原则，确定扩建线路的类型、时间及地点，保证可靠地将负荷由发电厂送到负荷，并且出入线及沿途环境都可以接受。显然，这是一个系统优化的问题。本文研究内容为电网的静态确定性规划，即对某一负荷水平年的电网接线方案进行确定性优化规划。1.3 电网规划研究方法目前对于输电网络优化规划的求解方法有传统启发式方法、数学优化方法、现代优化方法2。1.3.1
9、 传统启发式方法传统启发式方法是以直观分析为依据构造的算法。基于线路性能指标或系统性能指标对可行路径上一些线路参数的灵敏度，从待选线路中逐条选出当前最有效的线路，逐步迭代直到得到满足要求的方案为止，如逐步扩展（加线）法和逐步倒推（减线）法3。逐步扩展法是以减轻其它支路过负荷的多少来衡量待选线路的作用，并据此选择最有效的线路加入系统；而逐步倒推法是首先将所有待选线路加入系统，构成一个冗余网络，以待选线路在系统中载流量的大小来衡量其作用，逐步去除有效性低的线路。传统的启发式方法直观、灵活、计算时间短，同时也不需要考虑收敛问题，便于人工参与决策且能给出符合工程实际的较优解。缺点是这些方法没有从全局的
10、角度确定架线方案，只是孤立地考虑一条线路的指标，难以选择既容易计算又能真正反映规划问题实质的性能指标，并且当网络规模大时，指标对于一组方案差别都不大，难以优化选择，无法严格地保证解的最优性，所以传统启发式方法算法一般只用来求解小规模电网。1.3.2 数学优化方法数学优化方法是将电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通过一定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。电网规划中常采用的数学优化方法有线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等。利用上述数学优化方法对电网规划模型进行求解，从理论上可以保证解的最优性。但一方面由于实际的电网规划问题非常复杂，需要考虑的因素很多，约束条件要包括技术
11、、经济等问题，求解时通常计算量过大，难以得出结果；另一方面，实际中的许多不确定性因素不能完全形式化，即使通过简化获得形式化模型，这样在大量简化条件下得到的所谓最优解不一定是现实系统的最优方案，规划者在进行决策时，必须对所求得的规划方案进行技术和经济上的验证。由于数学优化方法在解决电网规划问题的上述缺陷，使该方法在对实际大规模电网规划优化过程中显得无能为力。1.3.3 现代优化方法输电网络规划问题除了全局最优解外，一般还存在若干局部最优解，因此用传统的启发式或数学优化方法求解这类问题时，一般只能获得局部最优解而难以获得全局最优解，特别是当网络规模较大时更是如此。现代优化方法是模拟自然界中一些“优
12、化”现象研究出的一类比较新的优化求解算法，适用于求解组合优化问题以及目标函数或某些约束条件不可微的非线性优化问题。它比较接近于人类的思维方式，易于理解，用这类算法求解组合优化问题在得到最优解的同时也可以得到一些次优解，便于规划人员研究比较。这类算法主要有:模拟退火算法4，Tabu搜索法5，蚁群算法6，遗传算法7等。遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。它通过编码将规划方案转变为一组组染色体，并列出一组待选方案作为祖先(初始可行解)，以适应函数的优劣来控制搜索方向，通过遗传、交叉、变异等操作逐步收敛到最优解。同传统算法相比，遗传算法具有多路径搜索、
13、隐并行性、随机操作等特点，对数据的要求低，不受搜索空间的限制性约束，不要求连续性、导数存在、单峰等假设，可以考虑多种目标函数和约束条件。作为一种人工智能方法，遗传算法特别适合于整形变量优化问题求解。因此，遗传算法在电网规划中有着广泛的应用前景。目前有文献对遗传算法进行了一些改进和研究89。1.4 本文工作虽然遗传算法具有很多的优点，但传统的遗传算法在用于求解大规模电网规划问题时仍表现出收敛性不够理想的情况。本文对一种量子计算与遗传算法相结合的算法量子遗传算法进行了改进并将其应用于电网规划问题中，采用MATLAB编制了传统的及改进的量子遗传算法输电网络规划程序，对一个10节点扩建为18节点的电力
14、系统算例进行了计算。对计算结果的分析比较表明，改进后的量子遗传算法在收敛性及寻优效率上都更为优越，更加适用于电网规划问题。172 输电网络规划的数学模型2.1 潮流计算的数学模型潮流计算是指电力系统在某一运行条件和接线方式下，用数学方法确定系统中的运行状态，包括母线电压、各元件(如电力变压器，输电线路)的功率潮流及功率损耗等，从而可以分析系统运行的安全性和经济性。交流潮流方程可以全面给出系统中有功、无功潮流及电压幅值和相角的分布情况，用于精确的潮流分析，但由于在形成方案时需要进行多次计算，计算量太大。而交流潮流方程的简化形式直流潮流方程，具有计算速度快和便于进行断线分析等特点，并且能够获得较高的计算精度，比较适合于规划研究，因此目前电网规划的过负荷检验大都采用直流潮流方程进行。2.1.1 直流潮流方程直流潮流模型是在交流潮流模型基础上经过简化得到的。直流潮流模型不考虑线路电阻和对地电容，只用于模拟有功潮流，并认为各节点电压均保持为额定电压。主要的简化假定有:1）由于高压线路的电阻一般远小于其电抗，即，因而可将线路电阻及其损耗忽略，故对所有线路均有=0 （2-1）2) 高压网络线路两端的电压相角差一般不大，故对所有线路而言，可令 （2-2）
