基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件的日照配電網接線模式分析

任力，孫興華，房克峰，馬經緯，王貴賓

（國網山東省電力公司日照供電公司，山東日照276826）

基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件的日照配電網接線模式分析

任力，孫興華，房克峰，馬經緯，王貴賓

（國網山東省電力公司日照供電公司，山東日照276826）

為提高配電網的規(guī)劃設計質量，選擇合理的接線模式，開發(fā)一套基于AutoCAD的配電網規(guī)劃輔助決策軟件。介紹軟件架構，并利用該軟件對日照中心城區(qū)供電區(qū)域不同接線模式進行可靠性與經濟性分析，選出合適的配電網接線模式，即A類供電區(qū)推薦電纜雙環(huán)網對約75%重要用戶實施雙接入的接線方式，B類供電區(qū)推薦電纜單環(huán)網接線方式。

配電網；規(guī)劃軟件；AutoCAD；接線模式；可靠性和經濟性

0引言

配電網接線模式的合理選擇是配電網規(guī)劃中的一項重要工作內容，其合理與否直接關系到配電網的供電可靠性和系統(tǒng)經濟性。目前城市配電網實際應用的接線模式將近上百種，特點迥異。結合城市的實際情況，選擇適應發(fā)展要求的接線模式十分必要。由于配電網規(guī)劃工作存在規(guī)模大、精細化差、不確定性、影響因素多和涉及領域多等特點，是個典型非線性化問題，因此依靠規(guī)劃人員的規(guī)劃經驗進行配網規(guī)劃的傳統(tǒng)方法已經無法滿足現代配網規(guī)劃的需求［1-3］。

目前世界上使用的最廣泛的計算機輔助設計軟件是AutoCAD［4］，其具有通用性強特點，在機械、電子、建筑、電氣等領域都可以使用。在AutoCAD的基礎上，進行二次開發(fā)出來的配網規(guī)劃軟件，具有設備電氣化功能，即將電氣設備將自帶各自參數，可以進行電氣計算，包括潮流計算、短路計算、可靠性與經濟性等計算。

在完成配電網接線模式及目標網架的理論研究的基礎上研發(fā)一套實用的基于AutoCAD的配電網規(guī)劃輔助決策軟件，可以便捷地輸出電氣地理接線圖，有助于提高設計效率、減少人力投入和降低出錯概率［5］。不僅有助于促進電力行業(yè)健康發(fā)展，而且可以滿足用電客戶對電能及用電可靠性日益增長的要求。

1 基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件

基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件建立了覆蓋各電壓等級的配電網規(guī)劃數據平臺，應用可靠性與經濟性相協(xié)調的規(guī)劃思路，設計了層次化的規(guī)劃評估分析指標體系，實現了規(guī)劃、設計工程圖紙和數據的圖模一體化編制，全面支持電網現狀評估、負荷預測、電氣計算、可靠性計算、經濟評價、智能繪圖、數據統(tǒng)計及規(guī)劃方案評估、系統(tǒng)倒負荷及計劃檢修模擬計算等配電網規(guī)劃設計核心業(yè)務，是大幅提升配電網規(guī)劃編制工作效率、提高配電網規(guī)劃成果理論應用水平的有力工具。軟件界面如圖1所示。

圖1 基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件

1.1 基于Object-ARX技術的二次開發(fā)

Object-ARX［6-7］采用了先進的面向對象技術，能夠提供與AutoCAD直接交互的開發(fā)環(huán)境，有助于方便快捷地進行AutoCAD應用程序開發(fā)，且程序高效簡潔；數據具有可封裝性、可繼承性以及多態(tài)性等特點，系統(tǒng)功能易于模塊化實現；支持MFC（Microsoft Foundation Class）的基本類庫，方便生成各類圖形而且編輯更加便捷。Object-ARX作為動態(tài)的鏈接庫（DLL），其又可共享AutoCAD的內存空間，可以直接調用AutoCAD的內核，比如直接訪問AutoCAD的圖形數據庫和圖形系統(tǒng)，還可以自定義AutoCAD的命令，是AutoCAD二次開發(fā)比較好的選擇。

1.2 電氣參數化繪圖功能實現

參數電氣化，是配網規(guī)劃能在AutoCAD實現電氣計算的基礎，保障了電氣計算所需的參數，同時，參數化實現了批量導入導出，能方便地將實際電網參數導入，確?；贏utoCAD的配網規(guī)劃軟件計算的精準性和可靠性。

1.2.1 電氣參數化繪圖程序化

程序電氣參數化繪圖，實質就是將電氣屬性記錄在程序圖形中。在開發(fā)過程，圖形描述包括了圖形拓撲關系、圖形電氣化參數以及電氣化參數與圖形結構參數之間的關系。通過針對不同的電氣設備，使用不同組變量記錄相應同類設備的電氣參數，配網電氣設備主要包括開閉所、環(huán)網柜、交流線路、開關、斷路器；而同類型圖形的幾何參數，只用一組變量記錄即可；再用一系列的賦值語句表達電氣化參數與結構參數間的聯(lián)系；圖形拓撲關系描述通過調用語句來實現。

1.2.2 電氣參數交互式繪圖

實現電氣參數交互式繪圖，實質上是對圖元進行操作。任意一個圖形，均可以看成由若干個基本的圖元構成的。先將圖形結構分解為參數電氣化的基本圖元并建立圖素庫，然后可以根據圖素交互式地形成各種圖形結構，而且允許修改圖元。

1.2.3 數據表驅動參數化繪圖

針對需要繪制圖形的結構特點，在編寫C++程序之前，事先設計好內存數據庫用于存放有關設計好的各種數據（以數表的形式）。然后再根據C++程序建立內存數據庫和設計模型之間的關聯(lián)關系。每一類圖元屬性均有其匹配的電氣參數，相當于對每一類電氣設備都提供了其專有的電氣屬性以及共有的電氣屬性。

通過以上3個技術策略，AutoCAD可實現在電氣領域上的應用，其在配網規(guī)劃上的應用不僅可以繪制地理接線圖，還可以對完整的地理接線圖進行拓撲檢查、電氣計算、現狀評估等分析計算。電氣參數化繪制流程圖如圖2所示。

圖2 電氣參數化繪制流程

1.3 軟件功能模塊

軟件整體功能包括電網參數管理、電氣計算、電網評估、負荷預測以及配電網評估，系統(tǒng)功能構建如圖3。所有的核心計算功能均是使用C++開發(fā)，性能優(yōu)良，計算處理能力強，可以滿足大規(guī)模配電網計算要求。

1.3.1 電網參數管理模塊

電網參數管理模塊包括了元件庫圖元管理、拓撲檢查、參數設置和電氣轉換與設計。參數庫包括4個方面。

圖3 配網軟件功能構架

基礎設備參數資料。設備計算參數、設備造價等，所有的設備參數信息都可以通過Excel導入和導出，同時還提供了完整的設備參數信息添加、修改、刪除和修改操作，有助于豐富和完善整體基礎數據庫?；A數據庫涵蓋了多種線路型號和設備信息滿足電氣設計過程中設備選型。

計算分析參數設置。提供了計算功率基準值、潮流計算精度、潮流方法、修正和默認值等設置。其中針對不同電壓等級設置不同的缺省線路和缺省電纜，為全電壓等級電網設計或電網計算分析的線路和電纜提供了默認的設備型號、計算參數、造價等信息。另外，還提供了電壓限值、短路限值用于電氣計算分析越限判斷。

可靠性與經濟性計算參數設置。為可靠性計算提供了全國統(tǒng)計平均水平的可靠性默認計算參數；各地區(qū)可以根據不同可靠性水平設置對應的可靠性計算參數。可靠性計算參數設置也為用戶提供了不同電壓等級下的可靠性參數，從而滿足不同電壓等級下的可靠性計算要求。同時，也為經濟性計算提供默認的經濟計算參數。

負荷預測參數設置。負荷預報參數設置中提供了用于空間負荷預報負荷密度指標庫；負荷密度指標選取，分為建筑綜合用電指標和用地綜合用地指標兩大類指標。默認指標值采用了GB 50137—2011《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》。提供了修改、添加和刪除操作，方便了用戶根據當地情況設置符合當地發(fā)展水平的負荷密度指標。

1.3.2 電氣計算模塊

系統(tǒng)實現了配電網電氣計算功能，運用CAD可視化技術，支持計算結果的指標嚴重度排序及關鍵圖元的快速跟蹤定位。各功能所涉及的算法如下。

潮流計算。提供成熟的潮流計算方法，即牛頓—拉夫遜法和解耦法兩種算法，計算時可進行選擇，默認情況下選擇牛頓—拉夫遜法；其中牛頓—拉夫遜法特點在于收斂性好且可靠以及計算速度快，而解耦法特點在于所需的內存量小于牛頓法（60%左右），解耦法也具有良好的收斂性。

網損計算。采用了基于潮流計算的網損分析方法，即在潮流計算完畢的基礎上，利用所得的結果進行的網損分析計算，根據潮流計算所得節(jié)點功率（具有方向性）加和得到對應的網損結果。

經濟性分析。計算方法比較簡單，即使用常規(guī)投資計算法，根據對應的配網設備的造價計算設備投資，根據網損計算經濟損失，根據可靠性計算指標計算可靠行性所造成的可靠性成本等。

短路電流計算。短路電流的計算分析方法采用了疊加法［8-9］，由于配電系統(tǒng)比較復雜和龐大，那么進行短路容量掃描，勢必相對麻煩，所以采用了簡潔而實用且又能保證結果可靠性的方法。

配電網N-1計算。主要是要驗證配電網中單一元件停運時配電網整個系統(tǒng)應滿足配電N-1安全標準；采用了預想故障模式進行分析，在預想故障下，計算電網是否還能繼續(xù)保持負荷的正常持續(xù)供電的能力；主要判斷線路等設備的負載與電壓是否在允許的安全范圍內。

可靠性計算。采用改進的考慮隔離設備的最小路集和最小割集算法；即考慮了配網中的隔離裝置，主要包括隔離開關、斷路器等多種開關裝置構成，由于不同的開關裝置的特性和動作機理不同，對配網負荷點的可靠性指標影響也是不一樣的，因此需要進行區(qū)別考慮。

1.3.3 負荷預測模塊

提供中短期逐年總電量、總負荷預測，分類電量預測、分行業(yè)負荷預測、分區(qū)負荷預測、空間負荷預測等核心功能。并將預測結果上圖、地塊負荷密度著色，為規(guī)劃人員進行變電站、配變、開閉所等布點提供輔助決策依據。

系統(tǒng)負荷預測，采用了通用序列預測方法，涵蓋了多元相關法、一元相關法、回歸分析法、動平均法、指數平滑法、灰色系統(tǒng)法、增長速度法以及人工神經網絡法等［10］；由于這些方法的相關書籍很多，這里不再進行贅述。

空間負荷預測以城市用地規(guī)劃為基礎，研究居住用地、公共設施用地和工業(yè)用地等建筑負荷密度用電指標，進行負荷的空間分布預測，并能夠實現負荷預測結果的可視化展示和負荷密度主題圖的展示，這種預測方法主要預測城市飽和負荷分布預測，為制定目標電網網架做基礎。空間負荷預測結果如圖4所示。

圖4 空間負荷預測結果

1.3.4 配電網評估模塊

運用系統(tǒng)的配網評估功能，從設備、運行、供電質量、可靠性等方面實現對配網的綜合評估，一鍵導出評估報表，該報表中的計算指標為年度配網規(guī)劃提供了參考，支持對評估指標的定制化調整。

配電網評估結合了“層次分析方法”和專家群體決策的“德爾菲方法”，以“德爾菲方法”建立配電網綜合評估指標體系，以“層次分析法”進行具體評估。層次分析法是在決策過程中對非定量事件做定量分析、對主觀判斷做客觀分析的有效方法。該方法通過建立清晰的層次結果來分析復雜的實際問題，以其定性與定量相結合處理各種決策因素的特點，以及系統(tǒng)、靈活、簡潔的優(yōu)點，迅速地在社會、經濟等領域中廣泛應用。而德爾菲法主要應用在各層綜合權重的確立。

基于以上的功能模塊下，基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件可以全面支持電網現狀評估、負荷預測、電氣計算、可靠性與經濟性計算、規(guī)劃制圖、數據統(tǒng)計等配電網規(guī)劃設計核心業(yè)務。

2 配電網規(guī)劃軟件的應用

以日照中心城區(qū)A類供電區(qū)為研究對象，建立電網接線模型，組建5種接線模式模型：電纜單環(huán)網（不考慮雙接入情況）、電纜雙環(huán)網25%用戶雙接入、電纜雙環(huán)網50%用戶雙接入、電纜雙環(huán)網75%用戶雙接入、電纜雙環(huán)網100%用戶雙接入。

2.1 日照配電網接線模型搭建

2.1.1 電纜單環(huán)網組結構

單環(huán)網接線的每個環(huán)網組均配置兩方向電源，環(huán)網單元采用環(huán)網柜，雙環(huán)網接線下，環(huán)網柜配出負荷均為輻射式、單測電源供電，不考慮部分重要用戶的雙電源、雙接入供電情況。

日照A類供電區(qū)10 kV電網采用單環(huán)網接線組（見圖5）情況下，根據供電區(qū)負荷情況，配電網由28回10 kV電纜線路，建設單環(huán)網組14組，配置10 kV環(huán)網柜52臺，按照800 kVA配變容量配置，共裝接用戶總數為208戶。

圖5 單環(huán)網電網模型

2.1.2 電纜雙環(huán)網25%雙接入結構

在常規(guī)電纜雙環(huán)網結構的基礎上，考慮到25%用戶的高可靠性要求，即對每一環(huán)網單元配出的用戶，設定其中1／4用戶為雙電源接入，即實現“三雙”供電模式，在環(huán)網組之間建立聯(lián)絡，提高部分重要用戶的供電可靠性。

在25%用戶雙接入情況下，配電設備規(guī)模不變，改變的僅是用戶的接入方式，即網絡中共52戶重要用戶實現雙接入，如圖6所示。

2.1.3 電纜雙環(huán)網50%雙接入結構

對每一環(huán)網單元配出的用戶，設定其中1／2用戶為雙電源接入，配電設備規(guī)模不變，改變的僅是用戶的接入方式，即網絡中共104戶重要用戶實現雙接入，如圖7所示。

圖6 雙環(huán)網25%雙接入電網模型

圖7 雙環(huán)網50%雙接入電網模型

2.1.4 電纜雙環(huán)網75%雙接入結構

對每一環(huán)網單元配出的用戶，設定其中3戶重要用戶為雙電源接入，如圖8所示。

圖8 雙環(huán)網75%雙接入電網模型

2.1.5 電纜雙環(huán)網100%雙接入結構

在極端情況下，考慮所有用戶均為雙電源接入，配電設備規(guī)模不變，改變的僅是用戶的接入方式，即網絡所有用戶實現雙接入，以此作為網架計算和優(yōu)選的極端條件，如圖9所示。

圖9 雙環(huán)網100%雙接入電網模型

2.2 不同接線模式對比

2.2.1 可靠性分析

采用基于AutoCAD配電網規(guī)劃軟件對不同接線模式進行量化計算，得到不同網架可靠性計算結果見表1。

由表1可以看出，100%電纜單環(huán)網組構成的雙環(huán)網供電可靠率最高，達到99.999 748%，用戶平均停電時間僅為80 s左右；根據國家電網Q／GDW 738—2012《配電網規(guī)劃設計技術導則》的要求，5種接線模式的可靠性均可達到A類地區(qū)供電可靠性的要求，當雙環(huán)網雙接入比例達到75%以上時達到A+類地區(qū)標準。

2.2.2 經濟性分析

不同網架經濟計算結果見表2。

表2 不同接線模式經濟性計算結果萬元

表1 年度可靠性計算結果

由表2可知，電網一次投資方面，從單環(huán)網—雙環(huán)網（25%）—雙環(huán)網（50%）—雙環(huán)網（75%）—雙環(huán)網（100%）逐漸增加，主要由于低壓側用戶線路的投資逐步增加，實現現金流覆蓋所需收入逐漸增加；線損方面，由于供電方式相同，5種接線模式線損相同。

2.2.3 綜合分析

不同接線模式電網可靠性與經濟性綜合分析情況見表3。

表3 每百萬元投資可靠性變化情況

通過可靠性和經濟性的獨立分析，以及結合表1、表2可知，隨著投資的增加，供電可靠率增高。而且由表3可知隨著雙接入用戶的增多，每百萬元提升可靠性的效果越來越差，單環(huán)網到25%用戶雙接入，投資每增加100萬元，供電可靠率提升0.0000787%，用戶平均停電時間減少0.41 min，當從75%雙接入到100%時，投資每增加100萬元，供電可靠率提升降到0.000 044 5%，用戶平均停電時間減少0.23 min，因此可靠性提高并非隨投資增加呈線性增長。由表3可知，投資效率在從單環(huán)網向雙環(huán)網25%雙接入過渡時，投資效率最高。

2.3 日照配電網接線模式優(yōu)選結果

考慮到日照城區(qū)沿海的特點，配電網建設應以電纜組網為主；在滿足國網公司Q／GDW 738—2012《配電網規(guī)劃設計導則》對接線模式及可靠性要求的基礎上，應用可靠性與經濟性相協(xié)調的理論，同時考慮供電安全及操作靈活的要求，日照城區(qū)推薦配電網接線模式如下。

A類供電區(qū)推薦電纜雙環(huán)網對約75%的重要用戶實施雙接入的方式，即75%的用戶采用雙供電的供電模式，其供電可靠性可達到99.999 238%，用戶平均停電時間為3.749 1 min。

B類供電區(qū)推薦電纜單環(huán)網接線方式，其供電可靠性可達到99.997 95%，用戶平均停電時間為10.76 min。

2.4 常規(guī)電氣計算說明

規(guī)劃軟件除了可以對接線模式分析外，還可以靈活地根據需求組合對應的功能進行相應的課題分析。

由規(guī)劃軟件繪制出的配電網接線圖均帶有電氣屬性，可以直接利用軟件模塊進行常規(guī)的電氣計算，簡單說明與結果界面展示如下。

潮流及網損計算。計算結果包括了線路潮流和設備潮流。其中線路潮流計算結果包括：線路有功值、線路無功值、有功網損、無功網損、電流值；設備潮流計算結果值包括母線電壓及母線功角等。圖10為計算結果展示界面。

圖10 潮流計算結果界面

短路電流計算。短路電流分析對象為“實體對象”及“母線”元件對象。短路分析結果為各個實體設備母線的短路電流情況，計算結果展示界面如圖11所示。

圖11 短路電流計算結果界面

N-1分析。N-1分析包括線路N-1分析和設備N-1分析，用于判斷線路或設備是否有轉供電力能力。線路N-1分析結果值包括N-1校驗通過情況、N-1校驗損失負荷、N-1校驗轉帶設備；設備N-1分析計算結果值包括N-1校驗通過情況、N-1校驗損失負荷、設備負荷損失情況。計算結果展示界面見圖12。

圖12 N-1分析計算結果界面

進行配電網評估分析時，可以根據專家設定指標情況進行分析，軟件默認情況下，主要從設備、運行、供電質量、可靠性等方面實現對配網的綜合評估，一鍵導出評估報表，該報表中的計算指標為年度配網規(guī)劃提供了參考，如圖13所示。

圖13 配電網評估指標列表

3 結語

研發(fā)一套實用的AutoCAD建模的配電網規(guī)劃軟件。該軟件采用了Object-ARX技術和面向對象C++開發(fā)技術，同時，將配電網可靠性計算算法融入并實現，為配電網接線模式研究順利開展奠定了計算工具基礎。研究配電網接線模式的目的就是在考慮經濟投入的前提下，最大限度地提高電網的供電可靠性。將軟件應用到考慮日照地域特點的城市配電網接線模式中分析，并為日照城區(qū)優(yōu)選出配電網接線模式。該軟件能為配電網接線模式選擇提供有效依據和決策幫助。

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Rizhao Distribution Network Connection Mode Based on AutoCAD Distribution Network Planning Software

REN Li，SUN Xinghua，FANG Kefeng，MA Jingwei，WANG Guibin
（State Grid Rizhao Power Supply company，Rizhao 276826，China）

A set of distribution network planning decision support software based on AutoCAD is developed in order to improve the planning and design quality of distribution network，and choose the reasonable mode of connection.The composition of software is introduced，and the software is applied to analyze the reliability and economy of central city supply area in Rizhao with different connection modes.The optimizing mode is selected for distribution network connection in Rizhao.The connection mode of dual cable loop network for about 75%of important users is recommended for the class A power supply area，meanwhile，single cable wiring ring is recommended for the class B power supply area.

distribution network；planning software；AutoCAD；connection mode；reliability and economy

TM715

A

1007－9904（2015）08－0032－07

2015-04-27

任力（1965），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)管理和研究工作；

孫興華（1969），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)管理和研究工作；

房克峰（1970），男，高級工程師，從事電網規(guī)劃管理和研究工作；

馬經緯（1979），男，工程師，從事電網規(guī)劃研究工作；

王貴賓（1972），男，高級工程師，從事電網規(guī)劃及項目前期工作研究。