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基于模糊推理的城市中压配电网供电能力评估

来源：www.chinaups.com 作者：lei 浏览：94次
发布日期：2008-1-15 16:21:29
基于模糊推理的城市中压配电网供电能力评估
葛少云1, 董静媛1, 王晓东2, 郭明星1
  (1.天津大学电气与自动化工程学院, 天津300072;
2.内蒙古鄂尔多斯电业局, 鄂尔多斯017000)

　　摘　要:在城市配电网评估中，目前还没有一种综合的评判指标或评价模型能够反映整个网络的供电能力。为了解决这一问题，运用一种基于模糊逻辑的近似推理和决策方法，建立了详细的城市中压配电网供电能力优劣性评估模型。该模型能够充分体现专家的推理和决策过程，为运行人员充分了解城市配电网络状况提供了一种系统的理论和方法。
　　关键词: 模糊逻辑; 近似推理; 供电能力评估; 优劣性

Evaluation of Power Supply Capability in MV DistributionNetworks Based on Fuzzy Reasoning
GE Shaoyun1, DONG Jingyuan1, WANG Xiaodong2, GUO Mingxing1
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University, Tianjin 300072, China;
2.Erdos Electrical Power Industry Bureau,Inner Mongolia, Erdos 017000, China)
　　Abstract:Presently there are no comprehensive evaluation criteria or modeling methods that can represent the power supply capability of real urban distribution networks. A novel approach to tackle the issue is proposed in this paper. This approachprovides a detailed superiorityinferiority model for mediumvoltage urban distribution networks by utilizing approximatereasoning and decisionmaking methodologies of Fuzzy Logic. With full incorporation of experts' reasoning and decisionmaking process, the proposed method can significantly aid distribution network operators in systematic understanding of the planning, operation and control of urban distribution networks.
　　Key words: fuzzy logic; approximate reasoning; evaluation of power supply capability; superiorityinferiority

1前言
　　随着国民经济的发展，电力负荷的增长明显加快，对原有的城市电网的供电能力、电能质量、供电可靠性都有了更高的要求。为了适应城市的发展，电网的改造和扩建已在全国全面展开。城市电网供电能力的评估工作也在全国许多城市展开。这项工作对正确评价现状电网，优化网络的结构，提高城网供电的安全性和可靠性，提高企业的经济效益和社会效益具有巨大的现实意义。
　　目前在城市配电网供电能力评估方面的深入研究还较少，通常的做法是计算一些单独的技术指标，如线损率、电压合格率、线路平均负载率等来评价网络性能［1］。但每一个指标仅仅能反映配电网某一方面的性能，目前还缺乏一种全面反映配电网供电能力的综合指标。本文把一种基于模糊逻辑的近似推理和决策方法用于城市中压配电网供电能力评估中，建立了详细的城市中压配电网供电能力优劣性评估模型。该模型可以快速、方便地对城市中压配电网现状进行分析和评估，可使人们对中压配电网的整体状况有更为清晰的认识。
2基于模糊逻辑的近似推理和决策方法
2.1近似推理算法
　　模糊逻辑决策的过程由模糊化、模糊推理、清晰化三部分组成。
　　模糊化是通过隶属度函数来完成的。模糊推理是模糊隐含关系的一种，是基于模糊逻辑建立一种输入输出关系的映射过程。通常有两种模糊推理方法，Mamdani方法和TakagiSugeno方法。Mamdani推理方法以模糊语言变量为其规则结论，而TakagiSugeno推理方法则以规则前提输入的线性函数为其规则结论。
　　本文采用Mamdani推理方法，对于命题“X是A”(其隶属度用A(x)表示)，可以赋一个权重ω(其相应的隶属度用Aω(x)表示)，其含义可理解为该命题为真的程度或重要性程度。Yager在文献［2］中指出：
=A(x)ω都是蕴涵的形式。文献［3］采用了前一种蕴涵形式进行命题的赋权，但该方法在很大程度上掩盖了隶属度的作用，不能满足对推理前提加权的需要。本文采用后一种蕴涵形式进行命题赋权，即对合取(逻辑交)命题有Aω(x)=A(x)ω，而对析取(逻辑并)命题有这里ω≥0，等式左边ω表示权重，等式右边ω表示乘方。显然，当Aω(x)，ω∈｛0，1｝时，它们都退化为二元命题。
　　当采用合取命题表示时，一个考虑前提赋权的多输入-单输出(MISO)系统可以表示为［4］：
　　条件
　
其中：Ai1是论域U1中的模糊用语；依此类推，Ain是论域Un中的模糊用语；Bi是论域V中的模糊用语

　　对于MISO系统中的第i条推理规则，可用模糊关系表示为
　
　　同理，每一条推理规则，都可得到相应的模糊关系R1，R2，…，Rm，则系统总的模糊规则所对应的R，其模糊关系可表示为
　
　　最终的推理结果表示为
　
　　从以上的m个条件命题中可以看出，如果每个论域Uj(j=1,2,…,n)基本元素数目为g，并且论域V的基本元素数目为h，则模糊关系U×V将有gnh个组合基数。因此，需要建立的模糊规则数目将是巨大的，会出现“维数灾”的现象。然而，通过适当选择U1，U2，…，Un的基本元素可大大减少推理过程的计算量［5］。
　　当第k个命题是用析取命题表示的，则MISO系统可以表示为
　
　　利用以上的模糊推理框架可以完成具有不精确的语言描述的系统的推理。
2.2清晰化决策方法
　　基于以上的对前提加权的模糊推理得出的结果是一个模糊量，因而不能直接用于决策，还要采取合理的方法将模糊量转换成精确量。文献［6］提出了一种清晰化决策函数。文献［7］采用了基于区域中心(center of area，COA)的清晰化方法。采用如上两种清晰化决策方法，将使决策结果趋于均化或者偏小。为了避免这种情况的出现，根据文献［8］，隶属函数的平方可以看成新的权值，本文采取了一种决策函数
　
其中：yi表示第i条规则推理结果在［0，1］之间的离散值；μBi(yi)表示对应离散点yi的隶属度；μ表示清晰化的决策。
3城市中压配电网供电能力优劣性评价模型
3.1评价因素的选择及其隶属度函数的确定
3.1.1评价因素的选择及其模糊描述
　　城市配电网优劣性评价的工作首先应该确定主要的影响因素。从网络的运行效率方面考虑，选择线损率（A）；从供电质量方面考虑，选择电压合格率（B）；从网络的利用率方面考虑，选择主干线负载率（C）；从变电容量的利用率方面考虑，选择变压器负载率（D）；从网络的转带能力方面考虑，选择主干线N1校验不能够转带的负荷率（E）。这五个因素基本能够反映目前网络的运行状况。
　　其中，线损率是指在最大负荷水平下的10kV线路的平均线损率。主干线N1校验不能够转带的负荷率的确定有以下几条原则：
　　1）主干线N-1准则指的是多回路供电的用户，失去一回路后，应不停电［9］。
　　2）在主干线N-1校验时，对于单辐射的线路，其线路上所有的负荷都视为不能够转带的负荷。
　　3）对于多联络的线路进行N-1校验时，设线路条数为n，第i条停电线路的负荷为Lis，与其相连的其它线路的剩余容量之和为Liq，网络的总负荷为Lg，则主干线N-1校验不能够转带的负荷率为
　
　　本文用“低”和“不低”来描述线损率，主干线N-1校验不能够转带的负荷率的模糊语言变量用“高”和“不高”来描述电压合格率，主干线负载率、变压器负载率的模糊语言变量取语气算子为“极”、“很”、“相当”、“有点”。
3.1.2隶属度函数的确定
　　结合专家的经验和知识，本文选取梯形或半梯形曲线作为隶属度函数的曲线。A、B、C、D、E所对应的的隶属度函数曲线如图1~图5示。图中只给出了基本的模糊语言变量(如高或低)的隶属度函数曲线，带有语气算子的模糊语言变量隶属度函数曲线可参见图6优劣性满意度的隶属度曲线。



　　其中，主干线负载率重载的上界的确定有以下几条原则：
　　1）配电网主干线只考虑三种接线模式，即单放射、手拉手（双放射）、多联络。
　　2）从配电网的利用率角度来说，同时考虑线路的备用，认为单放射的线路负载率100%为极优越，手拉手（双放射）的线路负载率50%为极优越，多联络的线路负载率70%为极优越。
　　3）设配电网主干线三种接线模式的线路数量占全部主干线数量的比例分别为a、b、c（a+b+c=1），则主干线负载率的极优越值CS=1*a+0.5*b+0.7*c。
　　此外，变压器负载率隶属度为1的范围为70%~80%，主干线负载率隶属度函数曲线为示意图，主干线负载率隶属度为1的范围根据实际情况并结合专家知识确定。
3.2模糊推理知识库的建立
　　对于评价因素A、B、C、D、E的论域U和配电网供电能力的优劣性的论域V的模糊语言描述，本文取相同的基本元素，其集合为X=｛PS,VS,QS,S,SS,SUS,US,QUS,VUS,PUS｝，PS=［极
　
Q、S为语气算子；S的数字下角标为进行语气计算时采用的“幂”值；上角标c表示求补(Sc=1-S)。
　　根据专家的经验和知识，对于待评价的5个因素给出如下的规则：
　
　
3.3带重要性权重的近似推理过程
　　根据专家的经验和知识，评价因素的重要性权重为ω=｛ω1，ω2，ω3，ω4，ω5｝。
　　按照Mamdani推理规则，采用一定的蕴含算子，同时考虑评价因素的重要性权重，进行推理。
3.4推理结果的清晰化
　　由于各规则的分别推理结果（如YisBi）是各模糊语言变量Bi的隶属度μBi(yi)，为明确决策要通过各模糊语言变量的隶属度函数的逆变换(如图6所示)，将其转换为优劣性满意度的离散值yi，然后采用上文提出的决策函数进行决策。
4算例
　　本文选择了曾经进行过城网供电能力评估的四个城市配电网的现状网为例，说明基于模糊逻辑的近似推理方法在城市配电网优劣性评价中的应用。表1给出四个城市的基本状况。
　　表2给出四个城市各评价因素的初始值。
　　其中，四城市配电网主干线三种接线模式的线路数量占全部主干线数量的比例分别｛3∶45.5∶51.5；8∶58∶34；11.1∶59.3∶29.6；10∶56.3∶33.7｝，则四城市负载率极优越值CS=｛62%,61%,62%,61%｝，结合专家经验，确定四城市主干线负载率隶属度为1的范围均取60%~65%，则四城市对于各评价因素的隶属度如表3所示。
　　根据专家经验，各因素的重要性权重为：ω=｛1.7，1.4，0.5，0.5，1｝，最终的优劣性评价结果为：μ=｛0.74，0.51，0.4，0.43｝，其优劣性等级分别属于第八级、第六级、第五级和第五级 ，其模糊描述分别为相当优越、有点优越、有点不优越、有点不优越。该结果与有关专家做 出的实际城网评估结论是一致的。
5结论
　　1）本文建立了城市中压配电网优劣性评价模型。该模型考虑了多种因素和其重要性权重对推理结果的影响，同时能够充分反映专家的经验和知识，为基于模糊逻辑的配电网评估的实用化奠定了理论基础。
　　2）实际算例表明，本文提出的模型为配电网供电能力评估工作提出了一种崭新的方法，在城市配电网的评估方面有广阔的应用前景。

参考文献
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