基于負(fù)荷重組的城市配電網(wǎng)供電能力提升研究

姜 建，樓 健，吳舜裕，劉海瓊

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.杭州沃瑞電力科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

配電網(wǎng)作為整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的末端，與用戶的聯(lián)系最為密切，是電力網(wǎng)絡(luò)中非常重要的一部分。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市規(guī)模的快速發(fā)展，城市用電量增速明顯加快，各類業(yè)擴(kuò)工程接入需求量不斷上升，配電網(wǎng)可用供電能力不足的問題日益嚴(yán)重。為了適應(yīng)城市發(fā)展需要，電網(wǎng)的改造和擴(kuò)建已全面展開，而城市建成區(qū)用地緊張，變電站和饋線占地成本高，有些中心區(qū)域站點(diǎn)和線路通道資源已經(jīng)非常緊張，獲得新變電站的站址和新出饋線的地下通道已變得非常困難[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市配電網(wǎng)供電能力提升已開展了多方面的研究，但通常是從配電網(wǎng)規(guī)劃角度來(lái)改善配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所采取措施通常為新建或改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)、新建線路等。文獻(xiàn)[3]提出了基于供電能力的變電站主變壓器站間聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用遺傳算法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[4]建立基于最大供電能力的配電網(wǎng)線路優(yōu)化規(guī)劃模型，通過線路切改、加裝開關(guān)和新建聯(lián)絡(luò)線等手段挖掘配電網(wǎng)設(shè)備潛力；文獻(xiàn)[5]在變電站與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定的情況下，提出通過改變聯(lián)絡(luò)線路中聯(lián)絡(luò)開關(guān)的位置和狀態(tài)，對(duì)已有負(fù)荷所在線路進(jìn)行切改，以實(shí)現(xiàn)供電能力的提升。上述方法雖然滿足了配電網(wǎng)對(duì)線路負(fù)載率裕度的要求，卻加劇了已有的用電低谷期電網(wǎng)設(shè)備利用率普遍低下、大量網(wǎng)管資源被占用的問題，同時(shí)造成電網(wǎng)建設(shè)投資回報(bào)率低下和電網(wǎng)建設(shè)投資浪費(fèi)的現(xiàn)象。

為此，本文在現(xiàn)有配電網(wǎng)的網(wǎng)架條件下，在不新建變電站和饋線的情況下，采用對(duì)線路上母線與間隔的負(fù)荷布點(diǎn)進(jìn)行全局優(yōu)化重組的技術(shù)路線，提出負(fù)荷錯(cuò)峰互補(bǔ)、均衡優(yōu)化的大數(shù)據(jù)分析與計(jì)算策略，挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)的供電能力，實(shí)現(xiàn)降低線路負(fù)荷峰值與波動(dòng)性，提升配電網(wǎng)的可用供電能力，以消納更多負(fù)荷。

1 挖潛思路

城市電力負(fù)荷通?？煞殖梢韵聨追N典型負(fù)荷：居民負(fù)荷、寫字樓負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、學(xué)校負(fù)荷等，各類負(fù)荷都具有不同的變化規(guī)律，其典型日負(fù)荷曲線及負(fù)荷形態(tài)存在較大差異。例如：商業(yè)負(fù)荷受人們的消費(fèi)和生活習(xí)慣影響，在午間、晚間出現(xiàn)雙峰段，凌晨4:00 左右出現(xiàn)負(fù)荷低谷；而寫字樓負(fù)荷受上班時(shí)間影響，在9:00出現(xiàn)全天負(fù)荷峰值，17:00 左右負(fù)荷顯著減小[6-7]。

不同類型用戶的日負(fù)荷曲線除了峰谷值出現(xiàn)時(shí)段不一致以外，日峰谷差、波動(dòng)性也各不相同，而實(shí)際配電網(wǎng)線路上會(huì)接入多種不同類型的用戶，且各類用戶所占的比例也不一樣，使得線路的日負(fù)荷特性曲線各異，改變線路上的負(fù)荷組成，線路日負(fù)荷曲線也將隨之發(fā)生變化。

如圖1 所示，某環(huán)網(wǎng)包含線路1 和線路2，線路1 的子負(fù)荷包括負(fù)荷1-1、負(fù)荷1-2、負(fù)荷1-3，線路2 的子負(fù)荷包括負(fù)荷2-1、負(fù)荷2-2、負(fù)荷2-3。

圖1 線路供電能力挖潛示意圖

初始接線方式下，線路1 和線路2 的歷史日負(fù)荷曲線波動(dòng)均較大,峰谷值差異大，考慮到各子負(fù)荷所接入的用戶負(fù)荷類型存在差異，各子負(fù)荷的負(fù)荷峰值、用電高峰出現(xiàn)的時(shí)刻、負(fù)荷的波動(dòng)性均存在差異，如負(fù)荷1-2 與負(fù)荷2-2 的峰值時(shí)刻錯(cuò)開，且當(dāng)負(fù)荷1-2 處于峰值時(shí)段時(shí)，負(fù)荷2-2 處于谷值時(shí)段。因此對(duì)線路1 和線路2 上的負(fù)荷進(jìn)行重組，將線路1 上的負(fù)荷1-2 與線路2上的負(fù)荷2-2 進(jìn)行互換，即重組優(yōu)化后的接線方式變?yōu)椋壕€路1 接入負(fù)荷1-1、負(fù)荷2-2、負(fù)荷1-3，線路2 接入負(fù)荷2-1、負(fù)荷1-2、負(fù)荷2-3。由圖1 可見，重組優(yōu)化后線路1 和線路2 上的負(fù)荷曲線波動(dòng)幅度變小，同時(shí)線路1 負(fù)荷峰值降低P1，線路2 負(fù)荷峰值降低P2，可接入更多的負(fù)荷，供電能力得到提升。

2 挖潛模型

為綜合評(píng)判優(yōu)化方案的合理性，考慮優(yōu)化方案中線路負(fù)荷峰值、負(fù)荷均衡度以及優(yōu)化成本等因素，建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)V：

其中：

式中：Pmax為優(yōu)化方案線路峰值下降幅度；為Pmax歸一化后的值；Pvar為線路負(fù)荷均衡度；為Pvar歸一化后的值；C 為優(yōu)化方案實(shí)施成本；C*為C 均一化后的值；H 為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；μi為第i 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)刻負(fù)荷的平均值；pi為第i 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)刻負(fù)荷值；α，β，γ 分別為各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

所采用的歸一化處理函數(shù)為：

式中：x 為待歸一化量；x*為歸一化后量；xmax，xmin分別為最大值、最小值。

3 挖潛方式

為保證配電網(wǎng)供電可靠性，本挖潛方法只對(duì)配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)線路進(jìn)行優(yōu)化，利用線路篩選方法挑選出有挖潛必要的線路，并結(jié)合實(shí)際工程改造量，提出母線優(yōu)化和間隔優(yōu)化2 種負(fù)荷重組方式。

3.1 線路篩選

線路篩選依據(jù)以下2 個(gè)條件進(jìn)行判斷，符合條件的才進(jìn)行挖潛計(jì)算。

3.1.1 設(shè)備條件

設(shè)備條件判定是對(duì)供電路徑改造條件進(jìn)行篩選，判定不同供電線路需同時(shí)存在60%以上相同開關(guān)站，且線路均為電纜或同桿架空線路才具備優(yōu)化條件，即：

式中：Ωa_s，Ωb_s分別為路徑a 與路徑b 途徑開關(guān)站的集合；N 為供電路徑集合中所途徑的開關(guān)站個(gè)數(shù)；Ωa_l，Ωb_l分別為路徑a 與路徑b 的線路集合；Ωl為所有線路集合；Ωcab為電纜線路集合；Ωove為同桿雙回架空線路集合。

3.1.2 特征條件

負(fù)荷特征條件指優(yōu)化的路徑對(duì)象a 與b 的平均負(fù)載率、錯(cuò)峰程度以及峰值差是否具備可開放容量挖潛條件。當(dāng)優(yōu)化對(duì)象滿足設(shè)備判定條件，再進(jìn)一步判斷是否滿足以下3 個(gè)負(fù)荷特征條件之一。

式中：pt為t 時(shí)刻線路功率值；T 為時(shí)間長(zhǎng)度；pmax為線路額定容量。

（2）不同饋線之間具有明顯錯(cuò)峰現(xiàn)象的線路，若不同線路的峰值出現(xiàn)時(shí)間差Δtab大于2 h，則判定其具有錯(cuò)峰現(xiàn)象。

式中：ta_max為路徑a 的波峰時(shí)間點(diǎn)；tb_max為路徑b的波峰時(shí)間點(diǎn)。

（3）優(yōu)化對(duì)象之間負(fù)荷峰值差Δpab大于30%。

式中：pa_max，pb_max分別為路徑a、路徑b 的最大功率值；pa_rat，pb_rat為線路額定容量。

3.2 負(fù)荷重組方式

對(duì)線路負(fù)荷進(jìn)行重組，需要考慮重組方案在實(shí)際工程改造中的實(shí)施工作量與停電成本等因素，因此為盡可能減少實(shí)施工作量、避免停電，本文選取母線優(yōu)化和間隔優(yōu)化2 種重組方式進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 母線優(yōu)化

母線優(yōu)化是以線路上各開關(guān)站的母線為單位，將每條母線上所接的負(fù)荷作為一個(gè)子負(fù)荷，即將屬于同一條母線的配電變壓器負(fù)荷進(jìn)行疊加組合，計(jì)算各母線的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過調(diào)整不同開關(guān)站之間Ⅰ段母線與Ⅱ段母線之間的連接，改變線路接入的母線負(fù)荷。

3.2.2 間隔優(yōu)化

間隔負(fù)荷分組是以開關(guān)站母線的間隔為單位，將每個(gè)間隔上所接的負(fù)荷作為一個(gè)子負(fù)荷，即將屬于同一間隔的配電變壓器負(fù)荷進(jìn)行疊加組合，計(jì)算各間隔的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過調(diào)整開關(guān)站內(nèi)母線與各間隔之間的連接，改變線路上母線接入的間隔負(fù)荷。

由于實(shí)際操作過程中，母線調(diào)整的實(shí)施工作量少于間隔調(diào)整的實(shí)施工作量，因此優(yōu)先對(duì)配網(wǎng)線路上的母線進(jìn)行優(yōu)化重組，若母線優(yōu)化后，線路仍具有較大的供電能力挖潛空間，則進(jìn)一步實(shí)施間隔優(yōu)化布點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)線路負(fù)荷降峰值、平波動(dòng)以及錯(cuò)峰互補(bǔ)的效果。

4 挖潛算法

隨著優(yōu)化目標(biāo)線路條數(shù)、子負(fù)荷數(shù)量的增加，負(fù)荷重組方案?jìng)€(gè)數(shù)將呈指數(shù)級(jí)增加，并且考慮到各個(gè)重組方案對(duì)優(yōu)化效果以及改造成本的影響，將供電能力挖潛算法分為聚類分析、母線優(yōu)化、間隔優(yōu)化以及綜合評(píng)價(jià)4 個(gè)部分。挖潛算法的流程如圖2 所示。

圖2 供電能力挖潛算法流程

4.1 聚類分析

為提高負(fù)荷重組過程的計(jì)算速度，先對(duì)母線負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行2 次k-means 聚類分析，區(qū)分母線負(fù)荷高低與形態(tài)特征差異，再將具備互補(bǔ)特性的母線族群進(jìn)行重組，從而得到母線優(yōu)化結(jié)果。具體包括3 個(gè)步驟。

步驟1：對(duì)均一化后的母線日負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行k-means 聚類，形成M 類負(fù)荷族群，得到具有不同負(fù)荷水平的母線族群聚類結(jié)果。

步驟2：以母線負(fù)荷變化率作為輸入，對(duì)M類負(fù)荷族群分別進(jìn)行k-means 二次聚類，形成N類負(fù)荷族群，得到具有不同負(fù)荷水平和不同形態(tài)變化特征的母線聚類結(jié)果。其中，第i 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化率ki為：

式中：pi為母線的第i 個(gè)負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)；pi+1為母線的第i+1 個(gè)負(fù)荷數(shù)據(jù)點(diǎn)。

步驟3：計(jì)算N 個(gè)母線負(fù)荷族群彼此的互補(bǔ)性λ：

式中：a，b 為兩個(gè)母線負(fù)荷族群中心；H 為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；為a 負(fù)荷族群中心的第i 個(gè)均一化后的負(fù)荷值；為b 負(fù)荷族群中心的第i 個(gè)均一化后的負(fù)荷值；為a 負(fù)荷族群中心的第i 個(gè)功率變化率值；為b 負(fù)荷族群中心的第i 個(gè)功率變化率值。λ 值越大，兩個(gè)負(fù)荷族群中心在負(fù)荷水平與形態(tài)特征上的差異越大，其族群互補(bǔ)性越強(qiáng)。

4.2 母線優(yōu)化

聚類分析后根據(jù)各負(fù)荷族群互補(bǔ)性λ 值，形成母線優(yōu)化組合方案。為加快尋優(yōu)速度，僅對(duì)剩余族群中互補(bǔ)性最大的族群元素進(jìn)行方案尋優(yōu)組合。同時(shí)，為保證組合方案在實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行的可行性，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行供電路徑輻射性驗(yàn)證，若不滿足供電路徑輻射性條件，則剔除該優(yōu)化方案；若滿足供電路徑輻射性條件，則將該優(yōu)化方案放入母線優(yōu)化方案集合中。最后，計(jì)算母線優(yōu)化方案集合中各方案供電潛力指標(biāo)δ：

式中：δ 為供電潛力指標(biāo)；L1，L2分別為環(huán)網(wǎng)線路不同線路歸一化后負(fù)荷曲線。

若δ＞0.1，則表示線路負(fù)荷仍然存在較大潛力可供挖掘，可進(jìn)一步進(jìn)行開關(guān)站內(nèi)間隔優(yōu)化；否則，將該母線優(yōu)化方案作為候選方案輸出。

4.3 間隔優(yōu)化

間隔優(yōu)化只在母線優(yōu)化結(jié)果不滿足供電潛力指標(biāo)的情況下進(jìn)行，且只對(duì)同一開關(guān)站內(nèi)間隔進(jìn)行交換調(diào)整。

間隔優(yōu)化計(jì)算的流程為：首先計(jì)算不同饋線負(fù)荷趨勢(shì)差值向量ΔLbus與同一開關(guān)站內(nèi)不同母線段間隔之間負(fù)荷差值向量ΔLbranch。然后比較各間隔ΔLbranch與ΔLbus之間的歐式距離，將歐式距離最小的作為間隔優(yōu)化方案進(jìn)行供電潛力評(píng)估計(jì)算。若供電潛力指標(biāo)值δ 仍然大于閾值0.1，則再次計(jì)算最新優(yōu)化方案的饋線負(fù)荷趨勢(shì)差值向量，并進(jìn)行間隔調(diào)整對(duì)象匹配。此外，如果再次間隔優(yōu)化后的供電潛力指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，即δt+1＞δt，則結(jié)束間隔優(yōu)化計(jì)算，直接輸出第t 次優(yōu)化結(jié)果。

4.4 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)式（1）綜合評(píng)價(jià)模型，得到成本指標(biāo)為：

式中：C 為優(yōu)化方案實(shí)施成本；cbus為母線調(diào)整量；cbranch為間隔調(diào)整量；γ1，γ2分別為母線調(diào)整指標(biāo)權(quán)重和間隔調(diào)整指標(biāo)權(quán)重。

經(jīng)過對(duì)優(yōu)化方案綜合評(píng)價(jià)，模型算法將指標(biāo)V 值最低的20 個(gè)方案作為最終可選方案，并將方案交給運(yùn)行方式專職、施工方進(jìn)行可行性評(píng)判，運(yùn)行方式專職、施工方結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)、開關(guān)站內(nèi)設(shè)備等相關(guān)情況，確定最終施工方案。

5 實(shí)際算例

本算例選取杭州市區(qū)2 條10 kV 環(huán)網(wǎng)線路（林語(yǔ)8057 線和駱莊8058 線）進(jìn)行挖潛計(jì)算，2條線路上共17 個(gè)開關(guān)站，接入31 臺(tái)公用變壓器、37 臺(tái)專用變壓器。配電變壓器夏季負(fù)荷高峰日96 點(diǎn)的負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示，林語(yǔ)8057線負(fù)荷峰值為6 118.82 kW，駱莊8058 線負(fù)荷峰值為5 635.09 kW。

圖3 林語(yǔ)8057 線優(yōu)化前線路日負(fù)荷曲線

圖4 駱莊8058 線優(yōu)化前線路日負(fù)荷曲線

本算例設(shè)定權(quán)重α=0.6，β=0.2，γ=0.2，γ1=0.2，γ2=0.8，通過挖潛計(jì)算得出方案26 的綜合指標(biāo)最小，其線路最大功率水平Pmax為5 192.80 kW，均衡度Pvar為183.77，成本指標(biāo)中綜合評(píng)價(jià)總指標(biāo)V=0.028 6，該方案與初始方案的指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后指標(biāo)對(duì)比

圖5、圖6 分別為林語(yǔ)8057 線與駱莊8058 線挖潛優(yōu)化前后負(fù)荷曲線對(duì)比。可見，經(jīng)配電網(wǎng)供電能力挖掘優(yōu)化后，林語(yǔ)8057 線峰值由6 118.82 kW 降為5 192.80 kW，駱莊8058 線峰值由5 635.09 kW 降為5 190.74 kW，可有效釋放1 370.37 kW 的供電潛力，有效降低了線路負(fù)荷峰值，并提升了線路的負(fù)荷均衡度與穩(wěn)定度。

圖5 林語(yǔ)8057 線優(yōu)化前后日負(fù)荷曲線對(duì)比

圖6 駱莊8058 線優(yōu)化前后日負(fù)荷曲線對(duì)比

方案26 對(duì)應(yīng)的林語(yǔ)8057 線-駱莊8058 線的母線優(yōu)化與間隔優(yōu)化方案，需要調(diào)整的母線如圖7 所示，具體包括：林語(yǔ)8057 線的樂村站Ⅰ、財(cái)院站Ⅰ、華翠站Ⅰ換至駱莊8058 線；駱莊8058線的樂村站Ⅱ、財(cái)院站Ⅱ、華翠站Ⅱ改接至林語(yǔ)8057 線。需要調(diào)整的益新站間隔接線為：益新站Ⅰ的益南五分線換至益新站Ⅱ；益新站Ⅱ的益南三分線、益南六分線改接至益新站Ⅰ。

算例結(jié)果表明，通過挖潛算法可有效提升2條線路的可用供電能力。

圖7 母線優(yōu)化方案

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有城市配電網(wǎng)存在的部分線路負(fù)載率較高、供電能力不足的問題，提出了配電網(wǎng)供電能力挖潛方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）基于不同類型用戶負(fù)荷特性曲線存在差異的特點(diǎn)，通過改變線路負(fù)荷分布，利用各負(fù)荷進(jìn)行錯(cuò)峰互補(bǔ)。

（2）考慮到工程實(shí)施工作量與停電成本等因素，提出母線優(yōu)化與間隔優(yōu)化2 種挖潛方式，通過負(fù)荷重組以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化，并優(yōu)先采用母線優(yōu)化，當(dāng)母線優(yōu)化后仍存在挖潛空間時(shí)，再進(jìn)一步實(shí)施間隔優(yōu)化布點(diǎn)。

（3）建立綜合評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)指標(biāo)包含峰值、均衡度、成本3 個(gè)方面，且各指標(biāo)權(quán)重可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

（4）為保證優(yōu)化方案切實(shí)可行，將優(yōu)選出的多個(gè)方案交予需求方進(jìn)行最終施工方案的擇優(yōu)。

綜上所述，本文所提出的配電網(wǎng)供電能力挖潛算法可在現(xiàn)有配電網(wǎng)拓?fù)錀l件下，進(jìn)行簡(jiǎn)單的母線、間隔連接關(guān)系改接，實(shí)現(xiàn)了以較少的投資成本，最大化提升了供電能力，具有很好的推廣價(jià)值。