神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析中的可行性分析

摘要：在常規(guī)的配電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析并計(jì)算，結(jié)果精確但耗時(shí)多。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有計(jì)算速度快的特性，能為復(fù)雜問(wèn)題提供一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案。為了在配電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析中迅速得出準(zhǔn)確的結(jié)果，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)做出模型，針對(duì)可靠性指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練、仿真，將得出的結(jié)果和準(zhǔn)確結(jié)果進(jìn)行比較，判斷使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在配電網(wǎng)絡(luò)可靠性方面的可行性。結(jié)果表明，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在保證準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上有效地提高了可靠性計(jì)算的速度。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)絡(luò)；可靠性指標(biāo)；MATLAB；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0233-02

在電網(wǎng)中，配電網(wǎng)絡(luò)直接與用戶相連，用戶能否使用高質(zhì)量、高可靠性的電能與配電網(wǎng)絡(luò)具有最直接的關(guān)系。因此，研究配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性具有非常重要的意義。由于在對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行常規(guī)的分析時(shí)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等眾多復(fù)雜的因素加以考慮，使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分析和計(jì)算變得非常復(fù)雜，需要花費(fèi)大量時(shí)間，其分析步驟如圖1所示。[1-3]而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，所以本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行分析，判斷其可行性。

一、配電網(wǎng)絡(luò)的分析

在進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)可靠性計(jì)算時(shí)需要使用可靠性指標(biāo)。常用的可靠性指標(biāo)有：系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)SAIFI、用戶平均停電頻率指標(biāo)CAIFI、平均供電可用率指標(biāo)ASAI等。其中，ASAI指標(biāo)可以衡量該系統(tǒng)的可靠性綜合強(qiáng)度，取值范圍為0～1，數(shù)值越大，可靠性越高，用戶電能可用率就越高，它與平均供電不可用率指標(biāo)ASUI互補(bǔ)（和為1）。具體公式如下所示：

10kV配電網(wǎng)絡(luò)接線方式中，一般采用單回路放射性接線方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是花費(fèi)少，維修簡(jiǎn)單?，F(xiàn)就利用該接線方式對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，接線如圖2所示。[1]

由圖2所示，在正常工作時(shí)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)由主母線MS單電源供電，假設(shè)配電網(wǎng)絡(luò)中母線和配電干線的斷路器完全可靠，全部隔離開關(guān)常閉，負(fù)荷點(diǎn)1、2由裝有熔斷器FU的分支線供電。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)斷路器、隔離開關(guān)和熔斷器斷開故障部分。當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)1（或2）所在分支線故障時(shí)，F(xiàn)U1（或FU2）斷開，配電網(wǎng)絡(luò)其他部分正常工作。當(dāng)供電干線QS1-QS2段故障時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)1、2均停電。其故障時(shí)的停電時(shí)間由操作隔離開關(guān)、斷路器、和線路修復(fù)時(shí)間決定。[1]

二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)來(lái)逼近任意線性映射的能力，不需要通過(guò)建立傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而且程序不需要針對(duì)特定網(wǎng)絡(luò)專門編寫，快速準(zhǔn)確。此外，相比傳統(tǒng)的建模計(jì)算方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)確定研究對(duì)象的參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和元件的動(dòng)作情況，相對(duì)節(jié)省時(shí)間。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以用來(lái)完成信號(hào)的處理、識(shí)別，構(gòu)成專家系統(tǒng)、對(duì)系統(tǒng)作出預(yù)測(cè)、線性擬合、非線性擬合等等。其中，線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)線性的傳輸函數(shù)可以輸出任意數(shù)量的值，并且擁有很高的收斂精度和速度，但是它的運(yùn)算規(guī)則決定了它只能解決線性可分的問(wèn)題。[4，5]

在本次分析中，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行計(jì)算，步驟如圖3所示。

三、案例分析

以陜西楊凌某一宿舍樓區(qū)的一段配電網(wǎng)絡(luò)為例，如圖4所示。

本網(wǎng)絡(luò)中，供電干線的故障率為0.1次/（km·年），修復(fù)時(shí)間為3h。分支線的故障率為0.25 次/（km·年），修復(fù)時(shí)間為1h。隔離開關(guān)的操作時(shí)間為0.5h。負(fù)荷點(diǎn)a、b、c所連接的用戶數(shù)分別為250戶、100戶、50戶，對(duì)應(yīng)負(fù)荷分別為1000kW、400kW、100kW。

假設(shè)該配電網(wǎng)絡(luò)某一年的元件故障次數(shù)為矩陣G，負(fù)荷點(diǎn)的停電次數(shù)和停電時(shí)間為矩陣Q：

1.常規(guī)方法

分析圖4可以得出該配電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很重要的特點(diǎn)：

每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的等效停電次數(shù)和等效停電時(shí)間均和三支干線、三支分支線的故障發(fā)生次數(shù)呈線性關(guān)系，即：

其中，f為一個(gè)線性函數(shù)，Q與G中任何一個(gè)變量均為線性關(guān)系。在常規(guī)計(jì)算中，需要通過(guò)參數(shù)G中的各個(gè)x、y來(lái)求得Q中各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的μ、λ。

由圖4可得，負(fù)荷點(diǎn)的等效停電次數(shù)和等效停電時(shí)間可用下面的方程組表示：

其中，D為有效距離矩陣，表示各個(gè)干線、分支線故障時(shí)對(duì)各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)是否造成影響，有影響設(shè)為1，沒(méi)有影響設(shè)為0。一般地，對(duì)于放射性配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)分支線的故障是互不影響的。所以可以用一個(gè) 的全1矩陣和一個(gè) 的單位矩陣來(lái)表示：

T為修復(fù)時(shí)間矩陣，表示各供電干線、分支線故障時(shí)負(fù)荷點(diǎn)恢復(fù)供電所需要的時(shí)間：

將上述算法利用MATLAB編寫程序1，程序編寫規(guī)則不進(jìn)行描述，得到結(jié)果：

2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行編程，需要使用到線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的幾個(gè)函數(shù)，在本例中僅采用newlind和sim函數(shù)，簡(jiǎn)單解釋如下：

1.newlind——設(shè)計(jì)一個(gè)線性層

格式為：；P是一個(gè)矩陣，包含Q個(gè)輸入矩陣；T是一個(gè)矩陣，包含Q個(gè)期望輸出。其中，P、T中的向量均按列存放。

2.sim——對(duì)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真

格式為：；G是網(wǎng)絡(luò)的輸入，每一列是一個(gè)輸入向量；Y是網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入G的實(shí)際輸出。

編寫程序2，得出結(jié)果為：

Q=[0.85 1.35 1.0935 1.05 1.90 1.2935]

由此計(jì)算各個(gè)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2所示：

3.兩種方法的結(jié)果比較

常規(guī)算法得出的結(jié)果是精確的，以此作為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)比較，得出結(jié)果如表3所示：

在表3中，采用常規(guī)算法得出的結(jié)果是準(zhǔn)確的，誤差均以常規(guī)算法結(jié)果作為基準(zhǔn)。其中輸出Q為矩陣，誤差使用均方差表示，所有誤差結(jié)果均由程序?qū)崿F(xiàn)。由表3可以看出，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的結(jié)果是非常精確的，而對(duì)于指標(biāo)ASAI，誤差率達(dá)到了0.0000093%，接近于0，說(shuō)明使用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有很高的精度。如果增加對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)組數(shù)，將獲得更加精確的結(jié)果。

四、總結(jié)

使用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析放射性配電網(wǎng)絡(luò)可靠性高，計(jì)算速度快。當(dāng)歷史數(shù)據(jù)越多時(shí)，訓(xùn)練出來(lái)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越接近原來(lái)的配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序適用于所有的放射性網(wǎng)絡(luò)，具有通用性。當(dāng)使用的是復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)，比如環(huán)形網(wǎng)絡(luò)時(shí)負(fù)荷點(diǎn)的停電指標(biāo)將不再同各線路的故障率成正比，此時(shí)應(yīng)當(dāng)使用更高級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

本文深入探討了配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析。通過(guò)一個(gè)例子對(duì)計(jì)算出的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較，得出了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算配電網(wǎng)絡(luò)可靠性是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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注：張寧為本文通訊作者。

（責(zé)任編輯：王祝萍）