配電網(wǎng)單元制規(guī)劃中的網(wǎng)格最佳供電范圍問題研究

張雪瑩 劉 涌 林 冬 侯四維 劉劍寒

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東廣州510080；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

目前，中壓配電網(wǎng)的單元制規(guī)劃廣泛開展，主要目的還是為了規(guī)范中壓配電網(wǎng)建設(shè)和管理，使得網(wǎng)格成為配電網(wǎng)、中壓線路供電的基本單元，通過將目標區(qū)域劃分為獨立網(wǎng)格的形式，實現(xiàn)對目標區(qū)域更好的管理。

網(wǎng)格化與供電分區(qū)關(guān)系密切，在配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導則中，供電區(qū)域劃分只是到縣、區(qū)級別，將供電區(qū)域劃分為a+、a、b、c、d、e等六類地區(qū)。但在城市配網(wǎng)規(guī)劃中，供電區(qū)域還要在此基礎(chǔ)上進行進一步的劃分，劃分到鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道級，因此本文將城市劃分成供電網(wǎng)格的形式進行進一步規(guī)劃。

網(wǎng)格的劃分需要綜合考慮配電網(wǎng)供電的經(jīng)濟性、安全性[1]和可靠性[2-3]等相關(guān)因素，因此網(wǎng)格的供電范圍問題是網(wǎng)格化的一個基本問題。目前，在廣泛開展的網(wǎng)格化規(guī)劃中，主要基于電纜雙環(huán)網(wǎng)的接線模式、以城市規(guī)劃中的區(qū)塊為基礎(chǔ)進行，還較為粗糙。文獻[4]采用傳統(tǒng)的供電范圍劃分，默認變電站供電范圍是固定半徑的圓求解最優(yōu)的供電范圍。文獻[5]考慮了五種城市中壓配電網(wǎng)的接線模式，結(jié)合地區(qū)的負荷密度，進行中壓配電網(wǎng)接線模式的研究。文獻[6]從成本效益分析角度出發(fā)，引入“規(guī)劃單元”概念，結(jié)合規(guī)劃單元邊界條件，通過對各自供電區(qū)塊的規(guī)劃單元進行求解，從而得到整個規(guī)劃區(qū)域的最佳規(guī)劃方案。文獻[7]提出了“聯(lián)絡(luò)組合”概念，有效地解決了網(wǎng)格之間及網(wǎng)格內(nèi)部的聯(lián)絡(luò)問題。文獻[8]提出了網(wǎng)格的分類建設(shè)標準和建設(shè)需求評估指標等技術(shù)標準體系，并在實例中進行驗證。文獻[9]對城市中壓配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線接線模式進行了研究。本文在考慮中壓配電網(wǎng)接線方式以及導線截面選取的基礎(chǔ)上，對配電網(wǎng)進行網(wǎng)格規(guī)劃的最佳供電范圍求取，并通過實際案例，驗證和分析了本文所提出的模型和方法的有效性。

1 基本概念

1.1 供電區(qū)域劃分

目前，網(wǎng)格規(guī)劃在實際的供電工程中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。在網(wǎng)格規(guī)劃中，經(jīng)常將供電網(wǎng)格分為4類供電區(qū)域網(wǎng)格類型，分別為A+、A、B、C，如表1所示。

1.2 網(wǎng)格規(guī)劃流程

網(wǎng)格規(guī)劃流程主要有以下三個步驟：

（1）負荷預測：對待規(guī)劃區(qū)域進行負荷預測，為網(wǎng)格規(guī)劃打好基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)格劃分：按負荷情況對待規(guī)劃區(qū)域進行劃分，每個網(wǎng)格間的負荷水平接近為基礎(chǔ)，將河流、山嶺等復雜地形作為邊界，沿著街道、小區(qū)進行劃分，同時保證同一個網(wǎng)格內(nèi)的用地屬性相同。

表1 供電區(qū)域類型劃分

（3）供電范圍求?。杭僭O(shè)變電站的位置和容量都已確定，根據(jù)各個網(wǎng)格可靠性的要求，確定接線模式，求取變電站最佳供電范圍。

網(wǎng)格規(guī)劃是建立在城市配電網(wǎng)規(guī)劃之上的進一步規(guī)劃，所以負荷預測仍然是規(guī)劃的基礎(chǔ)。供電范圍的求取在下文進行詳細分析，網(wǎng)格劃分的準則主要有以下三點：

（1）網(wǎng)格劃分盡量不跨越河流、山嶺等復雜地形，盡量沿著街道、小區(qū)進行劃分；

（2）網(wǎng)格劃分要與用地實際情況結(jié)合，將同種用地屬性的地塊劃分在同一網(wǎng)格內(nèi)，對于不同情況的區(qū)域要使用不同的供電方式；

（3）網(wǎng)格規(guī)劃建立在城市規(guī)劃的基礎(chǔ)上，先對城市進行常規(guī)規(guī)劃，再將其劃分為網(wǎng)格分別進行規(guī)劃，最后根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)用戶需求確定具體的接線模型，并求取每個網(wǎng)格供電范圍。

2 網(wǎng)格規(guī)劃接線模式

2.1 接線模式分析

如前文所述，根據(jù)網(wǎng)格的負荷密度，將網(wǎng)格分為A+、A、B、C四大類型的供電區(qū)域。C類供電網(wǎng)格接線模式以架空線或架空電纜混合為主，采用多分段單聯(lián)絡(luò)或多分段適度聯(lián)絡(luò)，少數(shù)電纜網(wǎng)采用單環(huán)網(wǎng)；B類供電網(wǎng)格接線模式以電纜為主，N供1備或“3-1”，少數(shù)架空線采用多分段適度聯(lián)絡(luò)；A類供電網(wǎng)格接線模式以電纜網(wǎng)為主，雙環(huán)網(wǎng)，N供1備，局部采用單環(huán)網(wǎng)，少數(shù)架空電纜混合網(wǎng)采用多分段適度聯(lián)絡(luò)；A+類供電網(wǎng)格接線模式以電纜網(wǎng)，雙環(huán)網(wǎng)為主，局部采用N供1備。

2.2 接線模式選擇

在配電網(wǎng)的建設(shè)與工程改造中，電網(wǎng)接線模式的選擇是一個非常重要的方面。因為它不僅牽涉到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟性，而且關(guān)系到供電可靠性，對整個電力工業(yè)和用戶的發(fā)展也具有重要意義，因此，有必要對各種可能的接線模式進行定量的計算分析，以便得出符合實際供電要求的接線模式。

中壓配電網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)劃中接線模式的選用，要考慮各方面的因素，滿足功能要求，選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以達到安全、科學、合理、經(jīng)濟的目的，各種網(wǎng)格有各自的特性及優(yōu)缺點，使用要取其所長，避其所短。

本文所采用的接線模式有以下幾種：

圖1所示單電源輻射狀接線適用于城市非重要負荷架空線和郊區(qū)季節(jié)性用戶，干線可以分段。優(yōu)點是比較經(jīng)濟，配電線路和高壓開關(guān)柜數(shù)量相對較少，新增負荷也比較方便；缺點是故障影響范圍較大，供電可靠性較差，當線路故障時，部分線路段或全線將停電。

圖1 單電源輻射狀接線

圖2所示單側(cè)電源雙T接線中兩回線路分別接自不同分段的母線，線路沿道路并行敷設(shè)，而每一個配電站可以從兩回電纜上取得電源。

圖2 單側(cè)電源雙T接線

圖3所示不同母線出線連接開關(guān)站接線中每個開關(guān)站具有兩回進線，開關(guān)站出線采用輻射狀接線方式供電；也可以在開關(guān)站出線間形成小環(huán)網(wǎng)，進一步提高可靠性。

圖3 不同母線出線連接開關(guān)站接線

圖4所示雙電源手拉手環(huán)網(wǎng)接線是通過一聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將來自不同變電站或相同變電站不同母線的兩條饋線連接起來。任何一個區(qū)段故障，合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將負荷轉(zhuǎn)供到相鄰饋線，完成轉(zhuǎn)供。

圖5所示N供1備接線是通過備用電源聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將不同母線與備用母線連接起來。任何一個區(qū)段故障，合備用母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將負荷轉(zhuǎn)供到備用母線上，完成轉(zhuǎn)供。

圖4 雙電源手拉手環(huán)網(wǎng)接線

圖5 N供1備接線

3 供電范圍求取

3.1 基本假設(shè)

中壓配電網(wǎng)規(guī)劃、特別是線路規(guī)劃所涉及的供電范圍一般是以矩形形狀為單位的，這主要與供電區(qū)域緊密相關(guān)，也可能是扇形的，本文以矩形為基礎(chǔ)進行探討。

在負荷密度方面，假設(shè)供電分區(qū)內(nèi)的負荷密度是相同的。

線路分為架空線路和電纜線路兩種，具體使用情況由供電區(qū)域類型決定。

對于雙電源（如雙環(huán)網(wǎng)等）供電的情況，可以分為兩路電源來自不同的變電站和來自同一變電站不同母線等情況。

此外，本文中假設(shè)變電站規(guī)劃已經(jīng)確定，即變電站的位置和容量等已經(jīng)確定。

3.2 目標函數(shù)

本文采用的目標函數(shù)為最小化線路的投資成本以及用戶的缺電成本；網(wǎng)格規(guī)劃的目的是將供電區(qū)域劃分為網(wǎng)格，實現(xiàn)對供電區(qū)域更好的管理，因此供電區(qū)域的供電可靠性是網(wǎng)格規(guī)劃的關(guān)鍵問題。如何協(xié)調(diào)網(wǎng)格規(guī)劃的投資成本與缺電成本非常重要，因此本文采用最小化投資成本與缺電成本的數(shù)學模型進行網(wǎng)格規(guī)劃的供電范圍求取。

目標函數(shù)：最小化線路投資成本與用戶缺電成本之和。

式中，Cl為線路的投資成本；CR為供電區(qū)域內(nèi)用戶的缺電成本。

本文所采用的目標函數(shù)由線路的投資成本及用戶的缺電成本構(gòu)成，下面具體介紹目標函數(shù)的構(gòu)成。

3.2.1 投資成本：線路的投資成本

假設(shè)每臺變壓器的出線數(shù)量相同，以N來表示，共有M臺變壓器，則出線的總數(shù)量為MN。同樣，供電區(qū)域的總負荷由MN條線路均分，每條線路的負荷約為S/MN。則線路的投資成本如式（2）所示：

式中，ali為第i條線路的固定投資成本；bl（Si）為該截面面積的線路單位長度的價格；Si為第i條線路的橫截面積；li為第i條線路的長度。

3.2.2 缺電成本：網(wǎng)格內(nèi)用戶的缺電成本

當系統(tǒng)中某條支路出現(xiàn)故障時，該支路所連接的某個網(wǎng)格或某些網(wǎng)格會出現(xiàn)停電的情況，此時，停電所導致該網(wǎng)格內(nèi)所有用戶的經(jīng)濟損失，稱為缺電成本，如式（3）所示；

IEARi的選擇由供電區(qū)域類型決定，A+、A、B、C類供電區(qū)域的單位缺電成本本文分別采用電價的60、45、30、15倍。

狀態(tài)變量，也就是對線路規(guī)劃的主要決策變量，包括線路截面積和線路長度。

在計算缺電成本時，本文只考慮母線、線路以及變壓器的故障，設(shè)備的故障率以及平均修復時間如表2所示。

表2 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)

3.3 約束條件

（1）潮流平衡約束：

（2）線路傳輸功率約束：

（3）節(jié)點電壓約束：

（4）網(wǎng)格供電模式約束：根據(jù)網(wǎng)格所屬的供電區(qū)域類型，所有網(wǎng)格的接線模式（線路回數(shù)）都能匹配，即保證網(wǎng)格內(nèi)用戶的供電可靠性。

4 案例分析

本文采用IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)作為算例對本文提出的方案進行分析，33節(jié)點配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)拓撲

圖6中，實線為IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)原有的線路接線，本文在此基礎(chǔ)上增加了虛線表示的線路，可供規(guī)劃選擇。

對于IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)，將每一個節(jié)點看作是一個供電網(wǎng)格，為了考慮供電網(wǎng)格的類型，本文對網(wǎng)格類型進行隨機分配，得到如表3所示的網(wǎng)格類型。

本文采用粒子群算法對此網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化計算，粒子群算法屬于進化算法的一種，它是從隨機解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解，它也是通過適應(yīng)度來評價解的品質(zhì)，通過追隨當前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)。本文采用30個粒子以及100次迭代進行求解，迭代收斂結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過計算得到的最優(yōu)方案如圖8所示?？梢钥吹?，圖8中細線表示單輻射接線，粗線表示雙輻射接線，可以根據(jù)網(wǎng)格的可靠性及安全性需求進行選取。

表3 網(wǎng)格類型

圖8 最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本文采用IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)為算例，并隨機分配網(wǎng)格類型，采用粒子群智能算法，搜索得到如圖8所示最優(yōu)結(jié)果。經(jīng)計算，該方案的網(wǎng)絡(luò)損耗成本為79.5萬元，線路投資成本為539.71萬元，用戶的缺電成本為366.7萬元，總成本為985.91萬元，滿足了最優(yōu)經(jīng)濟性與可靠性，驗證了網(wǎng)格規(guī)劃模型與方案的有效性。

5 結(jié)語

目前網(wǎng)格規(guī)劃在中壓配電網(wǎng)規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用，本文基于經(jīng)濟性、可靠性要求，給出了A+、A、B、C四大類獨立網(wǎng)格相應(yīng)的接線模式；建立了以最小化線路的投資成本與缺電成本為目標的網(wǎng)格規(guī)劃模型，尋求中壓配電網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)劃中兼顧經(jīng)濟性與可靠性的規(guī)劃最優(yōu)解；并采用IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)作為算例，模擬中壓配電網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)劃，求取了該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)網(wǎng)格規(guī)劃解，驗證了本文所提出方法的有效性、合理性。

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