基于遺傳算法的電網降損技術研究

籍向兵

摘 要：電網的節能減耗對提升電網的經濟效益占很在比重，然而目前存在的各種因素導致如今的電網設計中基本上忽視降損或節能降損補償設備的使用從而導致電網的能耗相當高，因此，針對現有電網如何降低各種損耗是一個非常重要的研究內容。本文針對目前電網節能減耗問題的原理提出了使用遺傳算法來對其進行優化和研究，并提出了相應的改進辦法和措施，比如針對10 kV電網要最大限度提高其功率因子并達到0.96以上。實驗結果表明本文提出的優化手段和技術可行而且取得了很好的經濟效益。

關鍵詞：遺傳算法 節能減耗 降損技術

中圖分類號：TM744 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0094-02

1 配電網節能減耗技術的現狀

由于節能降損補償所產生的經濟效益并不直接，因此，供配電部門在進行電網規劃時，只考慮增加電源點和變壓器容量，而對節能降損補償設備的考慮較少，這種情況在國內非常普遍。然而整個電網采用集中配變的缺點是就是容量太大，負荷較重，然而由于居民用電時間相對集中而且持續時間較短，這樣導致變壓器空載和輕載運行時間較長。因此，變壓器功率因子相對較低，而且損耗較大。針對安順地區供電使用情況統計分析可知，供電部門管理的10 kV農網和城網線路功率因子大都在0.62～0.83之間，即使是企業用戶，其內部10 kV配網功率因子也只在0.84左右。另外，由于大部分380 V用電線路動力設備實際出力比額定容量較小，而且一般的工業電器的功率特性都決定了整個電網的功率因子偏低，電網線損偏高。這主要是因為在整個10 kV和380 V的電網中節能降損補償設備主要是集中在變電站10 kV側，而且是只對10 kV以上電網具有補償作用，而對電壓比較低的380 V電網端并沒有針對節能降損實行就地補償，所以造成了目前380 V配電網中節能降損投入不足，并且缺乏可靠實用的節能降損補償設備以及合理的補償方式的現狀。由此可見，在該類型的電網中節能降損功率不足是功率因子低的主要原因并導致10 kV及以下配網有功功率損失較大。同樣基于安順地區2010年的電力運行統計數據，10 kV公用線路線損率10.8%，節能降損補償量基本上是0.2左右，平均功率因子約為0.8，由此可見，節能降損的潛力非常大。另外，以安順市區2010年底統計，擁有公用配變電器大約是400臺左右，其總容量約在52341 kV·安培左右。那么按上述方法計算，就能實現降低損耗約7000 kV，每年無功損失電量為338萬kW·h，根據目前貴州省電網階梯電價基礎價格為0.4556元/（kW·h），直接經濟損失176.773萬元。

2 電網節能減耗優化原理

電網節能減耗優化問題研究的是一段時間內（通常是2年）新增節能降損補償設備的最合理的位置、最合適的容量及最佳投入運營時間。節能減耗規劃主要包含以下問題：如何對供配電網系統進行節能降損功率使得有功損耗最小，而且整個供配電網系統運行的經濟性最好。由于在供配電統中新增節能降損設備就會使得費用增加，這樣就會形成投資決策優化問題，也就是電網節能減耗配置經濟效益問題。在數學上可用一個目標函數和一組約束條件來描述。通過優化算法，不僅可以計算出補償節點和補償容量外，還可以得到使優化目標達到最小的各發電機的負荷大小，已有的節能降損補償裝置的功率大小和變壓器分接頭的位置情況。所以該優化問題可以歸約為一個非線性的整數規劃問題。節能降損補償的數學模型建的立就是為了計算出各節點在符合調壓要求的前提下并在運行限制條件下使得節能降損補償負荷最小經濟效益最高。因此，該優化的目標函數定為配電網整個系統的年總支出花費最小，也就是：

（1）

其中：是補償負荷后的配電網絡中有功損耗（kW）；是補償容量（KVar）；對應的是補償設備的年維護費用率；是補償設備的年維護費用率；是配備單位補償容量的綜合費用（元/KVar）；是電費價格（元/kWh）；是節點的補償容量（KVar）；是每年度的損耗小時數量（h）。由此知，上述（1）式的實際意義是：當在整個配電網中所有補償點的補償容量分別為時，該配電網的年總支出費用最小，相應的經濟效益最大。

3 基于遺傳算法的節能減耗優化算法求解

3.1 遺傳算法的基本原理和簡要概述

遺傳算法針對自然系統進行計算機仿真和模擬而提出的一種優化算法Holland在《自然系統和人工系統的適配》中論述了遺傳算法的基本原理和使用策略，并提出了模式理論對其理論研究進行了深入分析。鑒于遺傳算法作為一種搜索算法在解決很大量問題上都體現出了強大的搜索能力和優勢，它很快在各種應用領域上得到應用，比如函數優化，工程設計等。遺傳算法是一種群型優化算法，該算法以群體中的個體為研究對象，而且使用基因或染色體編碼個體，并模擬自然進化中適者生存，優勝劣汰的思想對個體使用選擇（selection）、交叉（crossover）和變異（mutation）等三個算子來提高搜索能力和精度。整個遺傳算法的設計主要包含以下幾步：第一是個體編碼設計；第二是初始群體的生成策略；第三是個體好壞也就是適應度函數的設計；第四是遺傳算子的設計；第五是算法中參數的確定（比如群體大小，交叉概率，突變概率等）。遺傳算法通常采用二進制編碼（有的時候也使用十進制編碼）來組成初始種群，然后就是執行遺傳算子，其任務就是對種群中的個體根據它們的適應程度執行各自的運算，比如交叉和突變以模擬自然界中優勝劣汰的進化過程來逼近最優解。也就是說遺傳算法可使問題的解不斷的逼近最優解。

3.2 基本遺傳算法的電網節能減耗優化求解的過程

結合上述思路和具體實際問題，并設計求解問題的過程如下：

（1）原始數據處理并進行初始化：主要包括網絡參數的輸入，相關電壓負載的讀入，而且根據程序要求保存各種類型的數據。

（2）配電網中初始潮流的計算：進行優化前電網中潮流、各段的網損、電壓合格率計算。endprint

（3）隨機生成初始種群：在隨機種群中根據適應度選出N個個體構成初始種群。

（4）解碼并修正參數：將群體中每個體對應為變量值，并按確定修正網絡參數變量。

（5）計算潮流：按修正后的網絡參數計算該個體在當前狀態下的網絡潮流值。

（6）計算適應度函數值：根據上述潮流計算結果來計算該個體的適應度大小。

（7）選擇優個體：對種群中個體都執行上述第三，四和五步操作后，對當前種群中所有個體進行錦標賽選擇產生出優良父代個體準備生成子代個體，并計算出每代種群中最優個體。

（8）停止條件判斷件：如果滿足停止條件則執行過程11，否則就執行過程（9）。

（9）繁殖種群：對選擇出來的最優父代個體通過使用交叉和變異算子來產生子代群體。

（10）新種群產生：從子代群體中根據適應度大小選擇新當前種群準備進行解碼。

（11）對最優計算出結果進行驗證：將選出的最優個體進行解碼并計算其相應在的變量值，并以此來修正配電網絡中各個參數的值，并以此計算潮流，線路網損和電壓合格率。

4 優化結果及相應的對策

4.1 針對10 kV配電線路節能減耗應用

10 kV配電線路節能降損補償主要原則是：（1）在技術可行上和經濟性全面比較的基礎上，并設計整個配電網中公用配變的最好補償方案，使得整個網絡的損耗控制在發盡可能最小的范圍內，其主要策略是將節能降損盡量集中在高壓端。（2）最大限度提高10 kV配網的功率因子，并使其達到0.96以上從而使得節能降損最大。因此，針對10 kV配電線路節能降損補償相應的也要考慮二個問題：第一是補償容量的確定。根據我國電力管理條例的相關規定，可以按配電網絡中使用的變壓器的功率和負荷容量的10%左右來確定。第二是節能減損裝置的安裝位置確定，由于線路出口段的電壓比較高，所以無需進行補償，然而線路末端電壓比較低且相應的電容器運行效率不高，所以最好將自動補償裝置安裝在距末端線路電源一端約2/3處的位置上。現在新型的節能降損自動補償裝置可以根據配電網中潮流分布情況進行實時動態補償調節以達到最好的效果。但是如果線路比較長，那么根據負荷情況可以使用兩處補償的方法，也就是說節能降損自動補償裝置分別安在線路2/5處和4/5處。

通過遺傳算法對上述目標函數優化后，我們采取了相應的措施后取得了比較好的效益。以10 kV線路補償量可按公用變壓器裝接容量的15%來確定，可知安順地區公用變壓器容量為65896 kV·A，補償容量經計算后定為6800 var。節能降損經濟當量取0.05，電容設備按每年運行3200 h計，每年可減少電量損失120萬kW·h，按0.5元/kW·h的電價計算，每年可有60萬元的收益。

4.2 配電變壓器的節能降損補償

考慮到配電變壓器的負荷特點，在進行低壓配網的節能設計時，首先要滿足最大負荷，但又要經濟效益最大化，所以合理地補償輕載時變壓器的損耗是最為關鍵。因此為了提高變壓器經濟運行效率，盡可能的減少變壓器的各種損耗，所以在100 kV·A以上變壓器上應該采用低壓端進行集中補償的策略，其補償容量要視實際情況來確定，目前通用的方法是按變壓器容量的20%到30%來進行配置，但隨負荷變化后也會自動切換并進行相應的補償。不過針對100 kV·A以下相對較小的變壓器通常都采用恒定補償法，其補償容量根據變壓器容量的10%到15%來設計。

針對相對簡單的農用電網，50 kV·A以下配變比如變壓器可采用加裝固定補償電容器的方案來解決，其容量計算公式為：Qc=Se·I0/100（KVar），其中，高壓端的損變率I0可以是7%，低壓端的損變率I0大約是3%。這樣做的理由是農網配變較小而且大多數非常分散，其最大利用時間只有1600 h左右，這樣其固定端的能量損耗主要是由于空載電流導致的。相關統計數據已經表明，在農網中配變電網功率損耗主要是由于節能裝備導致的，其比例也已經占到整個配電網絡中電量損耗的一半以上。所以在這種情況下進行二次側固定補償可以有效降低無功損耗，從而達到能量損耗降低、電壓增加和負荷增加的多重作用。

上述方案同樣經遺傳算法優化后，取得了比較明顯的效果。在變壓器低壓側出口裝設節能降損補償裝置后，假定補償容量按照變壓器容量的60%計算，那么補償效果的低壓側補償的節能降損當量值如果取0.12。根據安順市區具體情況，對容量100 kV·A及以上公用變壓器采用動態切換補償方案，其需要補償的容量是18600 kV·A。如果電容設備運行時間如果是4000 h/a，那么每年可節電760萬kW·h，獲得收益288萬元。由此可見，在整個配電網絡中對變壓器進行補償的節能降損技術的空間很大效益也很高。

5 結語

總之，配電網的節能降損補償經濟效益非常明顯，其市場潛力非常大。不過由于節能降損補償的經濟效益分析涉及很多技術方案，其計算量也比較大，計算過程也比較復雜。因此，本文在在對節能降損的經濟效益進行量化的基礎上進行了相應的理論分析，并為了簡化計算過程采用遺傳算法來對其經濟效益和實施方案進行了優化，并采用了每補償1 KVar的節能降損功率來計算其經濟效益。針對貴州省安順地區的實際電網的進行的實驗結果表明了本文提出的優化方案和策略及相應的參數使得該地區的節能降損不僅在技術可行而且經濟效益明顯。

參考文獻

[1] 盧志剛，魏國華，鮑鋒.基于網損靈敏度和經濟運行區間的線路改造選型[J].電力系統自動化，2010（17）.

[2] 葛江北，黃偉，李樂，等.配電網節能改造經濟性風險的量化評估[J].現代電力，2010（4）.

[3] 田宏杰.線損分析預測在供電管理中的應用[J].電力系統保護與控制，2010（7）.endprint

（3）隨機生成初始種群：在隨機種群中根據適應度選出N個個體構成初始種群。

（4）解碼并修正參數：將群體中每個體對應為變量值，并按確定修正網絡參數變量。

（5）計算潮流：按修正后的網絡參數計算該個體在當前狀態下的網絡潮流值。

（6）計算適應度函數值：根據上述潮流計算結果來計算該個體的適應度大小。

（7）選擇優個體：對種群中個體都執行上述第三，四和五步操作后，對當前種群中所有個體進行錦標賽選擇產生出優良父代個體準備生成子代個體，并計算出每代種群中最優個體。

（8）停止條件判斷件：如果滿足停止條件則執行過程11，否則就執行過程（9）。

（9）繁殖種群：對選擇出來的最優父代個體通過使用交叉和變異算子來產生子代群體。

（10）新種群產生：從子代群體中根據適應度大小選擇新當前種群準備進行解碼。

（11）對最優計算出結果進行驗證：將選出的最優個體進行解碼并計算其相應在的變量值，并以此來修正配電網絡中各個參數的值，并以此計算潮流，線路網損和電壓合格率。

4 優化結果及相應的對策

4.1 針對10 kV配電線路節能減耗應用

10 kV配電線路節能降損補償主要原則是：（1）在技術可行上和經濟性全面比較的基礎上，并設計整個配電網中公用配變的最好補償方案，使得整個網絡的損耗控制在發盡可能最小的范圍內，其主要策略是將節能降損盡量集中在高壓端。（2）最大限度提高10 kV配網的功率因子，并使其達到0.96以上從而使得節能降損最大。因此，針對10 kV配電線路節能降損補償相應的也要考慮二個問題：第一是補償容量的確定。根據我國電力管理條例的相關規定，可以按配電網絡中使用的變壓器的功率和負荷容量的10%左右來確定。第二是節能減損裝置的安裝位置確定，由于線路出口段的電壓比較高，所以無需進行補償，然而線路末端電壓比較低且相應的電容器運行效率不高，所以最好將自動補償裝置安裝在距末端線路電源一端約2/3處的位置上。現在新型的節能降損自動補償裝置可以根據配電網中潮流分布情況進行實時動態補償調節以達到最好的效果。但是如果線路比較長，那么根據負荷情況可以使用兩處補償的方法，也就是說節能降損自動補償裝置分別安在線路2/5處和4/5處。

通過遺傳算法對上述目標函數優化后，我們采取了相應的措施后取得了比較好的效益。以10 kV線路補償量可按公用變壓器裝接容量的15%來確定，可知安順地區公用變壓器容量為65896 kV·A，補償容量經計算后定為6800 var。節能降損經濟當量取0.05，電容設備按每年運行3200 h計，每年可減少電量損失120萬kW·h，按0.5元/kW·h的電價計算，每年可有60萬元的收益。

4.2 配電變壓器的節能降損補償

考慮到配電變壓器的負荷特點，在進行低壓配網的節能設計時，首先要滿足最大負荷，但又要經濟效益最大化，所以合理地補償輕載時變壓器的損耗是最為關鍵。因此為了提高變壓器經濟運行效率，盡可能的減少變壓器的各種損耗，所以在100 kV·A以上變壓器上應該采用低壓端進行集中補償的策略，其補償容量要視實際情況來確定，目前通用的方法是按變壓器容量的20%到30%來進行配置，但隨負荷變化后也會自動切換并進行相應的補償。不過針對100 kV·A以下相對較小的變壓器通常都采用恒定補償法，其補償容量根據變壓器容量的10%到15%來設計。

針對相對簡單的農用電網，50 kV·A以下配變比如變壓器可采用加裝固定補償電容器的方案來解決，其容量計算公式為：Qc=Se·I0/100（KVar），其中，高壓端的損變率I0可以是7%，低壓端的損變率I0大約是3%。這樣做的理由是農網配變較小而且大多數非常分散，其最大利用時間只有1600 h左右，這樣其固定端的能量損耗主要是由于空載電流導致的。相關統計數據已經表明，在農網中配變電網功率損耗主要是由于節能裝備導致的，其比例也已經占到整個配電網絡中電量損耗的一半以上。所以在這種情況下進行二次側固定補償可以有效降低無功損耗，從而達到能量損耗降低、電壓增加和負荷增加的多重作用。

上述方案同樣經遺傳算法優化后，取得了比較明顯的效果。在變壓器低壓側出口裝設節能降損補償裝置后，假定補償容量按照變壓器容量的60%計算，那么補償效果的低壓側補償的節能降損當量值如果取0.12。根據安順市區具體情況，對容量100 kV·A及以上公用變壓器采用動態切換補償方案，其需要補償的容量是18600 kV·A。如果電容設備運行時間如果是4000 h/a，那么每年可節電760萬kW·h，獲得收益288萬元。由此可見，在整個配電網絡中對變壓器進行補償的節能降損技術的空間很大效益也很高。

5 結語

總之，配電網的節能降損補償經濟效益非常明顯，其市場潛力非常大。不過由于節能降損補償的經濟效益分析涉及很多技術方案，其計算量也比較大，計算過程也比較復雜。因此，本文在在對節能降損的經濟效益進行量化的基礎上進行了相應的理論分析，并為了簡化計算過程采用遺傳算法來對其經濟效益和實施方案進行了優化，并采用了每補償1 KVar的節能降損功率來計算其經濟效益。針對貴州省安順地區的實際電網的進行的實驗結果表明了本文提出的優化方案和策略及相應的參數使得該地區的節能降損不僅在技術可行而且經濟效益明顯。

參考文獻

[1] 盧志剛，魏國華，鮑鋒.基于網損靈敏度和經濟運行區間的線路改造選型[J].電力系統自動化，2010（17）.

[2] 葛江北，黃偉，李樂，等.配電網節能改造經濟性風險的量化評估[J].現代電力，2010（4）.

[3] 田宏杰.線損分析預測在供電管理中的應用[J].電力系統保護與控制，2010（7）.endprint

（3）隨機生成初始種群：在隨機種群中根據適應度選出N個個體構成初始種群。

（4）解碼并修正參數：將群體中每個體對應為變量值，并按確定修正網絡參數變量。

（5）計算潮流：按修正后的網絡參數計算該個體在當前狀態下的網絡潮流值。

（6）計算適應度函數值：根據上述潮流計算結果來計算該個體的適應度大小。

（7）選擇優個體：對種群中個體都執行上述第三，四和五步操作后，對當前種群中所有個體進行錦標賽選擇產生出優良父代個體準備生成子代個體，并計算出每代種群中最優個體。

（8）停止條件判斷件：如果滿足停止條件則執行過程11，否則就執行過程（9）。

（9）繁殖種群：對選擇出來的最優父代個體通過使用交叉和變異算子來產生子代群體。

（10）新種群產生：從子代群體中根據適應度大小選擇新當前種群準備進行解碼。

（11）對最優計算出結果進行驗證：將選出的最優個體進行解碼并計算其相應在的變量值，并以此來修正配電網絡中各個參數的值，并以此計算潮流，線路網損和電壓合格率。

4 優化結果及相應的對策

4.1 針對10 kV配電線路節能減耗應用

10 kV配電線路節能降損補償主要原則是：（1）在技術可行上和經濟性全面比較的基礎上，并設計整個配電網中公用配變的最好補償方案，使得整個網絡的損耗控制在發盡可能最小的范圍內，其主要策略是將節能降損盡量集中在高壓端。（2）最大限度提高10 kV配網的功率因子，并使其達到0.96以上從而使得節能降損最大。因此，針對10 kV配電線路節能降損補償相應的也要考慮二個問題：第一是補償容量的確定。根據我國電力管理條例的相關規定，可以按配電網絡中使用的變壓器的功率和負荷容量的10%左右來確定。第二是節能減損裝置的安裝位置確定，由于線路出口段的電壓比較高，所以無需進行補償，然而線路末端電壓比較低且相應的電容器運行效率不高，所以最好將自動補償裝置安裝在距末端線路電源一端約2/3處的位置上。現在新型的節能降損自動補償裝置可以根據配電網中潮流分布情況進行實時動態補償調節以達到最好的效果。但是如果線路比較長，那么根據負荷情況可以使用兩處補償的方法，也就是說節能降損自動補償裝置分別安在線路2/5處和4/5處。

通過遺傳算法對上述目標函數優化后，我們采取了相應的措施后取得了比較好的效益。以10 kV線路補償量可按公用變壓器裝接容量的15%來確定，可知安順地區公用變壓器容量為65896 kV·A，補償容量經計算后定為6800 var。節能降損經濟當量取0.05，電容設備按每年運行3200 h計，每年可減少電量損失120萬kW·h，按0.5元/kW·h的電價計算，每年可有60萬元的收益。

4.2 配電變壓器的節能降損補償

考慮到配電變壓器的負荷特點，在進行低壓配網的節能設計時，首先要滿足最大負荷，但又要經濟效益最大化，所以合理地補償輕載時變壓器的損耗是最為關鍵。因此為了提高變壓器經濟運行效率，盡可能的減少變壓器的各種損耗，所以在100 kV·A以上變壓器上應該采用低壓端進行集中補償的策略，其補償容量要視實際情況來確定，目前通用的方法是按變壓器容量的20%到30%來進行配置，但隨負荷變化后也會自動切換并進行相應的補償。不過針對100 kV·A以下相對較小的變壓器通常都采用恒定補償法，其補償容量根據變壓器容量的10%到15%來設計。

針對相對簡單的農用電網，50 kV·A以下配變比如變壓器可采用加裝固定補償電容器的方案來解決，其容量計算公式為：Qc=Se·I0/100（KVar），其中，高壓端的損變率I0可以是7%，低壓端的損變率I0大約是3%。這樣做的理由是農網配變較小而且大多數非常分散，其最大利用時間只有1600 h左右，這樣其固定端的能量損耗主要是由于空載電流導致的。相關統計數據已經表明，在農網中配變電網功率損耗主要是由于節能裝備導致的，其比例也已經占到整個配電網絡中電量損耗的一半以上。所以在這種情況下進行二次側固定補償可以有效降低無功損耗，從而達到能量損耗降低、電壓增加和負荷增加的多重作用。

上述方案同樣經遺傳算法優化后，取得了比較明顯的效果。在變壓器低壓側出口裝設節能降損補償裝置后，假定補償容量按照變壓器容量的60%計算，那么補償效果的低壓側補償的節能降損當量值如果取0.12。根據安順市區具體情況，對容量100 kV·A及以上公用變壓器采用動態切換補償方案，其需要補償的容量是18600 kV·A。如果電容設備運行時間如果是4000 h/a，那么每年可節電760萬kW·h，獲得收益288萬元。由此可見，在整個配電網絡中對變壓器進行補償的節能降損技術的空間很大效益也很高。

5 結語

總之，配電網的節能降損補償經濟效益非常明顯，其市場潛力非常大。不過由于節能降損補償的經濟效益分析涉及很多技術方案，其計算量也比較大，計算過程也比較復雜。因此，本文在在對節能降損的經濟效益進行量化的基礎上進行了相應的理論分析，并為了簡化計算過程采用遺傳算法來對其經濟效益和實施方案進行了優化，并采用了每補償1 KVar的節能降損功率來計算其經濟效益。針對貴州省安順地區的實際電網的進行的實驗結果表明了本文提出的優化方案和策略及相應的參數使得該地區的節能降損不僅在技術可行而且經濟效益明顯。

參考文獻

[1] 盧志剛，魏國華，鮑鋒.基于網損靈敏度和經濟運行區間的線路改造選型[J].電力系統自動化，2010（17）.

[2] 葛江北，黃偉，李樂，等.配電網節能改造經濟性風險的量化評估[J].現代電力，2010（4）.

[3] 田宏杰.線損分析預測在供電管理中的應用[J].電力系統保護與控制，2010（7）.endprint