基于遗传算法的电网降损技术研究

　　摘 要：电网的节能减耗对提升电网的经济效益占很在比重，然而目前存在的各种因素导致如今的电网设计中基本上忽视降损或节能降损补偿设备的使用从而导致电网的能耗相当高，因此，针对现有电网如何降低各种损耗是一个非常重要的研究内容。本文针对目前电网节能减耗问题的原理提出了使用遗传算法来对其进行优化和研究，并提出了相应的改进办法和措施，比如针对10 kV电网要最大限度提高其功率因子并达到0.96以上。实验结果表明本文提出的优化手段和技术可行而且取得了很好的经济效益。 

　　关键词：遗传算法 节能减耗 降损技术 

　　中图分类号：TM744 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0094-02 

　　1 配电网节能减耗技术的现状 

　　由于节能降损补偿所产生的经济效益并不直接，因此，供配电部门在进行电网规划时，只考虑增加电源点和变压器容量，而对节能降损补偿设备的考虑较少，这种情况在国内非常普遍。然而整个电网采用集中配变的缺点是就是容量太大，负荷较重，然而由于居民用电时间相对集中而且持续时间较短，这样导致变压器空载和轻载运行时间较长。因此，变压器功率因子相对较低，而且损耗较大。针对安顺地区供电使用情况统计分析可知，供电部门管理的10 kV农网和城网线路功率因子大都在0.62～0.83之间，即使是企业用户，其内部10 kV配网功率因子也只在0.84左右。另外，由于大部分380 V用电线路动力设备实际出力比额定容量较小，而且一般的工业电器的功率特性都决定了整个电网的功率因子偏低，电网线损偏高。这主要是因为在整个10 kV和380 V的电网中节能降损补偿设备主要是集中在变电站10 kV侧，而且是只对10 kV以上电网具有补偿作用，而对电压比较低的380 V电网端并没有针对节能降损实行就地补偿，所以造成了目前380 V配电网中节能降损投入不足，并且缺乏可靠实用的节能降损补偿设备以及合理的补偿方式的现状。由此可见，在该类型的电网中节能降损功率不足是功率因子低的主要原因并导致10 kV及以下配网有功功率损失较大。同样基于安顺地区2010年的电力运行统计数据，10 kV公用线路线损率10.8%，节能降损补偿量基本上是0.2左右，平均功率因子约为0.8，由此可见，节能降损的潜力非常大。另外，以安顺市区2010年底统计，拥有公用配变电器大约是400台左右，其总容量约在52341 kV・安培左右。那么按上述方法计算，就能实现降低损耗约7000 kV，每年无功损失电量为338万kW・h，根据目前贵州省电网阶梯电价基础价格为0.4556元/（kW・h），直接经济损失176.773万元。 

　　2 电网节能减耗优化原理 

　　电网节能减耗优化问题研究的是一段时间内（通常是2年）新增节能降损补偿设备的最合理的位置、最合适的容量及最佳投入运营时间。节能减耗规划主要包含以下问题：如何对供配电网系统进行节能降损功率使得有功损耗最小，而且整个供配电网系统运行的经济性最好。由于在供配电统中新增节能降损设备就会使得费用增加，这样就会形成投资决策优化问题，也就是电网节能减耗配置经济效益问题。在数学上可用一个目标函数和一组约束条件来描述。通过优化算法，不仅可以计算出补偿节点和补偿容量外，还可以得到使优化目标达到最小的各发电机的负荷大小，已有的节能降损补偿装置的功率大小和变压器分接头的位置情况。所以该优化问题可以归约为一个非线性的整数规划问题。节能降损补偿的数学模型建的立就是为了计算出各节点在符合调压要求的前提下并在运行限制条件下使得节能降损补偿负荷最小经济效益最高。因此，该优化的目标函数定为配电网整个系统的年总支出花费最小，也就是： 

　　（1） 

　　其中：是补偿负荷后的配电网络中有功损耗（kW）；是补偿容量（KVar）；对应的是补偿设备的年维护费用率；是补偿设备的年维护费用率；是配备单位补偿容量的综合费用（元/KVar）；是电费价格（元/kWh）；是节点的补偿容量（KVar）；是每年度的损耗小时数量（h）。由此知，上述（1）式的实际意义是：当在整个配电网中所有补偿点的补偿容量分别为时，该配电网的年总支出费用最小，相应的经济效益最大。 

　　3 基于遗传算法的节能减耗优化算法求解 

　　3.1 遗传算法的基本原理和简要概述 

　　遗传算法针对自然系统进行计算机仿真和模拟而提出的一种优化算法Holland在《自然系统和人工系统的适配》中论述了遗传算法的基本原理和使用策略，并提出了模式理论对其理论研究进行了深入分析。鉴于遗传算法作为一种搜索算法在解决很大量问题上都体现出了强大的搜索能力和优势，它很快在各种应用领域上得到应用，比如函数优化，工程设计等。遗传算法是一种群型优化算法，该算法以群体中的个体为研究对象，而且使用基因或染色体编码个体，并模拟自然进化中适者生存，优胜劣汰的思想对个体使用选择（selection）、交叉（crossover）和变异（mutation）等三个算子来提高搜索能力和精度。整个遗传算法的设计主要包含以下几步：第一是个体编码设计；第二是初始群体的生成策略；第三是个体好坏也就是适应度函数的设计；第四是遗传算子的设计；第五是算法中参数的确定（比如群体大小，交叉概率，突变概率等）。遗传算法通常采用二进制编码（有的时候也使用十进制编码）来组成初始种群，然后就是执行遗传算子，其任务就是对种群中的个体根据它们的适应程度执行各自的运算，比如交叉和突变以模拟自然界中优胜劣汰的进化过程来逼近最优解。也就是说遗传算法可使问题的解不断的逼近最优解。 

　　3.2 基本遗传算法的电网节能减耗优化求解的过程 

　　结合上述思路和具体实际问题，并设计求解问题的过程如下： 

　　（1）原始数据处理并进行初始化：主要包括网络参数的输入，相关电压负载的读入，而且根据程序要求保存各种类型的数据。 

　　（2）配电网中初始潮流的计算：进行优化前电网中潮流、各段的网损、电压合格率计算。 　　（3）随机生成初始种群：在随机种群中根据适应度选出N个个体构成初始种群。 

　　（4）解码并修正参数：将群体中每个体对应为变量值，并按确定修正网络参数变量。 

　　（5）计算潮流：按修正后的网络参数计算该个体在当前状态下的网络潮流值。 

　　（6）计算适应度函数值：根据上述潮流计算结果来计算该个体的适应度大小。 

　　（7）选择优个体：对种群中个体都执行上述第三，四和五步操作后，对当前种群中所有个体进行锦标赛选择产生出优良父代个体准备生成子代个体，并计算出每代种群中最优个体。 

　　（8）停止条件判断件：如果满足停止条件则执行过程11，否则就执行过程（9）。 

　　（9）繁殖种群：对选择出来的最优父代个体通过使用交叉和变异算子来产生子代群体。 

　　（10）新种群产生：从子代群体中根据适应度大小选择新当前种群准备进行解码。 

　　（11）对最优计算出结果进行验证：将选出的最优个体进行解码并计算其相应在的变量值，并以此来修正配电网络中各个参数的值，并以此计算潮流，线路网损和电压合格率。 

　　4 优化结果及相应的对策 

　　4.1 针对10 kV配电线路节能减耗应用 

　　10 kV配电线路节能降损补偿主要原则是：（1）在技术可行上和经济性全面比较的基础上，并设计整个配电网中公用配变的最好补偿方案，使得整个网络的损耗控制在发尽可能最小的范围内，其主要策略是将节能降损尽量集中在高压端。（2）最大限度提高10 kV配网的功率因子，并使其达到0.96以上从而使得节能降损最大。因此，针对10 kV配电线路节能降损补偿相应的也要考虑二个问题：第一是补偿容量的确定。根据我国电力管理条例的相关规定，可以按配电网络中使用的变压器的功率和负荷容量的10%左右来确定。第二是节能减损装置的安装位置确定，由于线路出口段的电压比较高，所以无需进行补偿，然而线路末端电压比较低且相应的电容器运行效率不高，所以最好将自动补偿装置安装在距末端线路电源一端约2/3处的位置上。现在新型的节能降损自动补偿装置可以根据配电网中潮流分布情况进行实时动态补偿调节以达到最好的效果。但是如果线路比较长，那么根据负荷情况可以使用两处补偿的方法，也就是说节能降损自动补偿装置分别安在线路2/5处和4/5处。 

　　通过遗传算法对上述目标函数优化后，我们采取了相应的措施后取得了比较好的效益。以10 kV线路补偿量可按公用变压器装接容量的15%来确定，可知安顺地区公用变压器容量为65896 kV・A，补偿容量经计算后定为6800 var。节能降损经济当量取0.05，电容设备按每年运行3200 h计，每年可减少电量损失120万kW・h，按0.5元/kW・h的电价计算，每年可有60万元的收益。 

　　4.2 配电变压器的节能降损补偿 

　　考虑到配电变压器的负荷特点，在进行低压配网的节能设计时，首先要满足最大负荷，但又要经济效益最大化，所以合理地补偿轻载时变压器的损耗是最为关键。因此为了提高变压器经济运行效率，尽可能的减少变压器的各种损耗，所以在100 kV・A以上变压器上应该采用低压端进行集中补偿的策略，其补偿容量要视实际情况来确定，目前通用的方法是按变压器容量的20%到30%来进行配置，但随负荷变化后也会自动切换并进行相应的补偿。不过针对100 kV・A以下相对较小的变压器通常都采用恒定补偿法，其补偿容量根据变压器容量的10%到15%来设计。 

　　针对相对简单的农用电网，50 kV・A以下配变比如变压器可采用加装固定补偿电容器的方案来解决，其容量计算公式为：Qc=Se・I0/100（KVar），其中，高压端的损变率I0可以是7%，低压端的损变率I0大约是3%。这样做的理由是农网配变较小而且大多数非常分散，其最大利用时间只有1600 h左右，这样其固定端的能量损耗主要是由于空载电流导致的。相关统计数据已经表明，在农网中配变电网功率损耗主要是由于节能装备导致的，其比例也已经占到整个配电网络中电量损耗的一半以上。所以在这种情况下进行二次侧固定补偿可以有效降低无功损耗，从而达到能量损耗降低、电压增加和负荷增加的多重作用。 

　　上述方案同样经遗传算法优化后，取得了比较明显的效果。在变压器低压侧出口装设节能降损补偿装置后，假定补偿容量按照变压器容量的60%计算，那么补偿效果的低压侧补偿的节能降损当量值如果取0.12。根据安顺市区具体情况，对容量100 kV・A及以上公用变压器采用动态切换补偿方案，其需要补偿的容量是18600 kV・A。如果电容设备运行时间如果是4000 h/a，那么每年可节电760万kW・h，获得收益288万元。由此可见，在整个配电网络中对变压器进行补偿的节能降损技术的空间很大效益也很高。 

　　5 结语 

　　总之，配电网的节能降损补偿经济效益非常明显，其市场潜力非常大。不过由于节能降损补偿的经济效益分析涉及很多技术方案，其计算量也比较大，计算过程也比较复杂。因此，本文在在对节能降损的经济效益进行量化的基础上进行了相应的理论分析，并为了简化计算过程采用遗传算法来对其经济效益和实施方案进行了优化，并采用了每补偿1 KVar的节能降损功率来计算其经济效益。针对贵州省安顺地区的实际电网的进行的实验结果表明了本文提出的优化方案和策略及相应的参数使得该地区的节能降损不仅在技术可行而且经济效益明显。 

　　参考文献 

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　　[3] 田宏杰.线损分析预测在供电管理中的应用[J].电力系统保护与控制，2010（7）.