1 绪论
1.1 研究的背景和意义
随着社会高速发展和人民生活水平日益提高，社会对配电网容量的需求逐步提高，对可靠性的期望也逐渐增加。现在国家在大力发展配电网，在此背景下配电网在高速发展，在传统配电网引入 DG（分布式电源）使得配网功能日益强大。其既可以作为电网的终端，也可以作为电网的起点。在可靠性的改善方面，传统的方式是改善设备、引入新的线路和电源，而 DG 的引入给配电网注入新的活力，它不但能够缓解由于用电容量需求增加而造成的容量不足问题，而且可以起到改善可靠性的目的。当前，许多学者在此方面进行了深入的研究，DG 的研究成为一个热门话题，在实际中 DG 特别是风电发展相当迅速，在沿海地区大型风电场的建设相当迅速，随着最近海上风电的兴起，配电网的发展将进入一个全新的阶段。在配电网发展初期，在配电网的投资、升级改造时，一般不去重点关注可靠性问题，参考的因素一般是经验或电力公司内部的投资机制[1]。直到经历了某发达国家的超大范围的停电事故，配电网在恢复时困难重重，人们才幡然醒悟，亡羊补牢，开始重视配电网。为此人们开始重视配电网研究，重视以概率模型为基础的可靠性评估，以此作为规划、投资、升级改造重点考虑的因素[2]。在配电可靠性评估的前期，人们一般仅考虑电源的容量是否充足，其前提条件是假设网架结构和设备是完全可靠的，这种分析简化的计算过程，使得计算的结果可能远远偏离实际。在配电网逐渐发展的过程中，在前期粗放的投资大环境下，一般不太重视可靠性。然而在投资、规划中为了能够进行精确的评估，人们开始重视可靠性模型的精确性，为此发展成了以元件故障概率模型为基础的评价模式。随着经济的发展，对电力系统的供电要求正朝着为用户提供更高供电可靠性和更好供电质量的方向去提升。随着智能电网的提出，当前电力系统对开关的可操作性和可控性要求越来越高。实施配电自动化过程越来越朝着停电损失时间减少的方向去努力。这些停电时间的减少可以通过网络中安装的 RTU（远程终端控制系统）终端实现[3]。RTU 终端可以实现故障的定位、自动隔离以及网络重构过程。配电自动化[1]可以实现故障快速定位与隔离，从而快速恢复供电，是改善配电网供电质量，提高供电可靠性的重要手段[4]。配电终端用于对环网单元、站所单元、柱上开关、配电变压器、线路等进行数据采集、监测或控制，是配电自动化系统的重要组成部分。开展配电自动化终端优化配置研究，有利于简化配网一次设备改造和通信配置，在同样的投资下，最大可能地提高供电可靠性。综上所述，研究配电网的可靠性和配电终端的优化配置具有非常重要的意义。
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1.2 国内外研究现状
最近半个世纪，分布式电源得到了快速发展。随着能源危机和雾霾问题，分布式电源在蓬勃发展。分布式电源(DG)通常指发电容量在 15kW-10MW 的电源，其一般安装在35kV 以下的电网中，有时候也分布于负荷侧。从能源利用的角度，分布式电源包含光伏、风电等。光伏发电是清洁能源发电，其比较灵活方便，无大小容量限制，在我国大部分地方基本均有适合光伏发电的环境。风力发电在我国发展迅速，每年新建的风电场规模占世界的 39%。我国地域辽阔，风能丰富，我国不仅有大量的内陆风电场，如在冀北、内蒙古、河西走廊等地建设有大型的风电场。而且在沿海建设有数量较多的大型风电场，如江苏如东、山东烟台、青岛、浙江等地。更进一步，现在海上风电也呈现蓬勃发展的势头，如已经建成和正在建设的海上风电有：上海东海大桥、江苏大丰200WM 海上风电、正在规划的山东长岛 300MW 海上风电等。随着科技的发展和装机容量的扩大，分布式电源的成本已经显著降低。有关电力研究院研究表明，最终分布式电源的成本极有可能与火电厂相竞争，并指出分布式电源将进一步快速发展，在未来 20 年中，分布式发电的规模可达到新增发电的 13%-16%，其容量增长将达到 30000MW 左右。据有关 DG 生产厂家的研究报告指出，未来 DG 的成本将进一步下降，降幅可达 35%-40%，其效率将增加 13%-16%。国内外对风电的研究已经十分成熟，几乎涵盖了各个方面，包括其对能源和环境的影响，其接入电网的制约因素，及其对电网的影响。DG 接入后对配电电网存在以下效应：（1）以较低的成本提高配电网可靠性。DG 相当于另外一路电源。（2）改变电网的潮流流向。DG 的接入，使得潮流不单单是从配电变电站再到用户，其潮流亦可以反向流动。（3）增强系统的稳定性。DG 改变了网络故障时的极限切除时间，并对网络的负荷的波动有调节作用。考虑 DG 的配电网可靠性评估，国内外研究较多的是 DG 的模型、配网元件的概率特性、含 DG 后网络对故障的隔离和恢复供电过程。而在引入 DG 后，对DG 与引入馈线和电源在提高可靠性方面的等效关系研究相对较少。对于提高配网的可靠性，其中的一个方法是从另外一个变电站引入一路馈线和电源，当然这需要很高的成本。而 DG 的接入，则可以达到同样提高供电可靠性的目的，考虑到 DG 实际的经济和社会效益，其成本相对较低。
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2 配电网可靠性评估
2.1 简单可靠性模型应用
2.1.1 设备故障机理
许多电气设备运行过程中，运行人员一般会统计停运和维修参数。但是这些大多数是重要设备或元件的参数，这些参数有时还不够详尽。现代社会，企业一般比较重视生产的经济性，为此他们强调设备运行的安全稳定性，并且使设备尽可能的发挥其效益。为此在电气设备运行时，企业希望其运行于靠近经济性的边沿。然而，这样做又会带来很大的风险，将面临设备故障甚至是系统崩溃的状态。为此，企业应该知道设备的性能和极限运行状态[5]，同时也应该定期维护。最为关键要对可靠性进行评估，涵盖元件故障模型、故障率等，为进行此项计算，需要统计设备的故障参数。随着科技的进步和自动化的普及，此项工作的开展也变得相对简单。一般情况下，比较关键的故障参数是故障模型与故障率。前者包括设备不正常工作的机理，以及采取何种措施可以降低元件的不正常工作的次数。后者包括设备的可靠性，以及制定符合当前情况的设备运行规范条件与定期维护制度。之前，大家在设备的故障参数统计和采集上重视度较低，随着社会的发展，人们逐渐意识到，当前的投资和升级改造要用到面向可靠性的模型[6]。
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2.2 复杂网络结构的可靠性分析
实际中的网络节点和线路较多，不是简单的串并的结构，因而需要采用新的方法，应该研究符合复杂系统特点的算法。复杂的系统可能包含多个分支、存在多个环路、以网格的形式向负荷供电，对此应用较多的方法是化简。当前许多学者在此方面进行了深入的研究，创新了许多新的方法[14]。下面仅就一些基本的方法做一些介绍。状态枚举法一般以元件为基本研究单位，如线路、开关等。将他们实际运行的情况分成几种不同的类别，如正常运行和故障等。然后逐一列举各元件的运行情况，通过所有元件的组合共同构成系统的运行情况。如包含 m 元件，设每个元件有两种运行情况，正常运行与故障，那么所有的元件的组合共 2m种。对于不太复杂的系统，其所有的组合不是太多，但是当对于较大的系统，所有元件的组合会太多而无法计算[15]。元件的两种运行情况都有一个概率，那么所有的组合也存在一个概率，然后挑选能使系统正常运行的组合，对他们的概率进行求和，就得出整体的可靠性。网络化简可以将复杂的分枝进行等效简化，将连接在同一个节点的分枝进行合并，逐层合并直到不能合并为止。在实际网络中，分枝的各元件故障可能会对其它节点产生影响，如果将这种影响通过定量计算，然后合并到某一节点，此时合并前和合并后的分枝网络相对于外部的计算是等效的，这样经过逐层的简化合并，复杂的网络基本上可以化简成相对简单的网络。
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3 配电终端优化配置 ....21
3.1 配电终端优化概念 .... 21
3.2 配电终端通讯方案 .... 23
3.3 配电终端配置的经济性 .... 24
3.3.1 工程经济学概述 ....... 24
3.3.2 不同时间资金的折算........ 24
3.3.3 经济性分析 ....... 26
3.4 配电终端优化配置数学模型 .... 27
3.5 本章小结 .... 27
4 算例分析 ....29
4.1 网架结构和线路参数 ........ 29
4.2 配电终端优化隐枚举法 .... 30
4.3 配电终端优化遗传算法 .... 36
4.3.1 MATLAB 遗传算法工具箱的应用 ........ 36
4.3.2 遗传算法计算过程 ........... 38
4.3.3 结果分析 ........... 39
4.4 本章小结 .... 40
5 结论与展望 ........41
5.1 主要结论 .... 41
5.2 展望 .... 41
4 算例分析
4.1 网架结构和线路参数
在满足配电终端和通信配置原则的前提下，采用上述算法对架空多分段单联络线路和电缆单环网接线方式的配电终端配置方案进行优化。该区在只计及故障停电因素下供电可靠性应满足 99.9925%的要求。利用本文方法对图 4.1 所示系统进行配电终端优化配置，该系统为一个带有分支馈线的 10kV 中压配电系统,有负荷点 13 个，用户 61 户，主干线全长 15km，负荷容量共 7 MW，各支路情况见表 4.1。其他设备运行参数如表 4.2 所示。计算中，设备价格为：“三遥”终端 2 万元/台、“二遥”1 万元/台、ONU 设备 0.5 万元/个、光纤 2 万元/km,年运行维护费用为投资的 8%，负荷平均停电损失按 830元/兆瓦时。由于各方案主站配置均相同，所有本文经济性分析中未考虑主站费用。由于本文所研究的开关优化配置问题有如下特点：（1）当前每一个待优化位置上只配置两种类型的开关，即二遥和三遥开关，其中配置三遥开关用变量 1 表示，配置二遥开关用变量 0 表示。（2）当前解邻域规模不是很大，开关的组合要满足供电可靠性要求，并且可靠性约束条件可以直接作为判断可行解的依据。基于上述情况[31]，在此选择基于辐射状遍历方式的隐枚举法开展开关优化配置。
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结论
本文综合考虑配电网可靠性与经济性，首先探讨配电网的可靠性，其次介绍了工程经济学，在可靠性和工程经济学的基础上对配电终端的优化进行研究，最后通过实例、应用隐枚举和遗传算法验证了理论的正确性和有效性。本文的主要结论如下：（1）分布式发电与传统配电设施基于可靠性的等效关系，且分布式发电更具有经济性。电力公司为提高配电网的可靠性，传统的方法有：另外增加一个电源、提升配电设备等。而分布式电源的接入可以提高配电网的供电可靠性，在可靠性提高方面与增加一路电源可以是等效的。（2）考虑到可靠性的成本与收益，每一个地区有一个合理的可靠性水平。这取决于该地区的用户对可靠性的期望，即用户愿意为可靠性的提高而支付的费用。并取决于电力公司基金分配情况，即用于配电系统或用于电力系统中其它部分的金额的分配情况。（3）在配电终端优化时，配电终端的配置并非是越高越好，而是在满足可靠性等约束条件时，合理的配置配电终端。
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参考文献（略）
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