基于綜合邊界因素的城市配電網(wǎng)規(guī)劃

劉進(jìn)勝，趙俊光，夏勇

(重慶市電力公司江津供電局，重慶市，402260)

0 引言

配電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)是能夠使電網(wǎng)發(fā)展?jié)M足并適度超前于供電區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，并能發(fā)揮其對(duì)于電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行和供電保障的先導(dǎo)和決定作用［1-5］。一直以來(lái)，由于電網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足、電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)手段缺乏以及城市發(fā)展的不確定性等因素使得城市電網(wǎng)規(guī)劃成為一個(gè)復(fù)雜、困難的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者運(yùn)用許多優(yōu)秀的思想方法(如數(shù)學(xué)優(yōu)化方法和啟發(fā)式方法)來(lái)解決這一問(wèn)題，并取得了一些成果。但是怎樣更加合理有效地運(yùn)用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算工具和方法，建立起實(shí)用的規(guī)劃體系還有待完善。

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，根據(jù)城市配電網(wǎng)實(shí)際情況，總結(jié)出一套實(shí)用的城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法，為目前城市電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃提供一定的實(shí)際參考。

1 城市配電網(wǎng)規(guī)劃實(shí)用方法

本文規(guī)劃方法以負(fù)荷預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)。首先，以人工規(guī)劃及計(jì)算機(jī)自動(dòng)選址輔助決策為手段，并結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)邊界因素，確定電源點(diǎn)(或變電站)的位置、容量及供電范圍;其次，依據(jù)規(guī)劃導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)所選線路型號(hào)估算得到變電站的20/10 kV的出線情況、開(kāi)關(guān)臺(tái)數(shù)，并確定中壓網(wǎng)絡(luò)接線模式;然后，根據(jù)電力平衡估算新建和改造的公、專配變臺(tái)數(shù)以及與此容量對(duì)應(yīng)的分層分區(qū)中低壓無(wú)功補(bǔ)償比例。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使用的工具直觀，可操作性強(qiáng)，可以同規(guī)劃人員的寶貴經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，并且規(guī)劃與評(píng)估相互校驗(yàn)、修正，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃有著顯著的影響。本文根據(jù)城市電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)際情況，給出一種實(shí)用的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。首先，從全局和分類2方面對(duì)供電總負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè);其次，進(jìn)行空間負(fù)荷預(yù)測(cè)得到各小區(qū)負(fù)荷;最后，多種預(yù)測(cè)結(jié)果相互校驗(yàn)、修正。

2.1 全局預(yù)測(cè)

全局負(fù)荷預(yù)測(cè)是對(duì)全地區(qū)總的負(fù)荷需求量進(jìn)行全面宏觀預(yù)測(cè)，了解規(guī)劃地區(qū)總的負(fù)荷發(fā)展水平，以便確定規(guī)劃年的輸配電系統(tǒng)所需要的設(shè)備容量。

全局負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)需要將這個(gè)地區(qū)的一般負(fù)荷和大用戶負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般負(fù)荷作為自然增長(zhǎng)負(fù)荷，采用回歸分析法預(yù)測(cè)規(guī)劃年的電量和負(fù)荷的大小。把大用戶作為點(diǎn)負(fù)荷來(lái)處理，通過(guò)該地區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)得到各大用戶的用電量，再考察在規(guī)劃年大用戶是否有擴(kuò)建或停產(chǎn)等情況。全局負(fù)荷預(yù)測(cè)得到的結(jié)果可以采用彈性系數(shù)法相互進(jìn)行校核。全局負(fù)荷預(yù)測(cè)法流程如圖1所示。

圖1 全局負(fù)荷預(yù)測(cè)流程Fig.1 Flow chart of total load forecasting

2.2 分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)

分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)法分別對(duì)供電區(qū)內(nèi)每個(gè)分塊(分區(qū))的用電量和負(fù)荷進(jìn)行局部預(yù)測(cè)，以便確定變電所的合理分布。在分區(qū)的基礎(chǔ)上，分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)采用與全局負(fù)荷預(yù)測(cè)相似的方法，即將一般負(fù)荷和大用戶負(fù)荷分開(kāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)。然后，將各個(gè)分區(qū)的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果匯總得到總負(fù)荷及電量，以與全局負(fù)荷預(yù)測(cè)得到的結(jié)果相互進(jìn)行校核。圖2為分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)法的流程圖。

圖2 分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)流程Fig.2 Flow chart of partition load forecasting

2.3 空間負(fù)荷預(yù)測(cè)

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)是城市配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)?？臻g負(fù)荷預(yù)測(cè)的方法有很多種，其中，分類分區(qū)法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。其主要思想是:先估算各小區(qū)的負(fù)荷密度，再結(jié)合其面積計(jì)算各小區(qū)負(fù)荷。目前，大多數(shù)分類分區(qū)法對(duì)同類小區(qū)采用相同的負(fù)荷密度，難以將時(shí)間發(fā)展因素對(duì)小區(qū)負(fù)荷密度的影響考慮全面。

“供電網(wǎng)計(jì)算分析輔助決策軟件:規(guī)劃配網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)子系統(tǒng)”(www.ceesinc.cn)改善了傳統(tǒng)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)精度［6］。該軟件算法采用基于空區(qū)推論的思想把各類小區(qū)分為有、無(wú)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的老城區(qū)和新城區(qū)，采用不同的負(fù)荷預(yù)測(cè)思路進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果中各小區(qū)負(fù)荷密度之間具有時(shí)序性和差異性，更具有實(shí)際參考價(jià)值。

3 變電站布點(diǎn)及容量?jī)?yōu)化

3.1 概述

變電站規(guī)劃是配電網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響未來(lái)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、供電質(zhì)量、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性。傳統(tǒng)的規(guī)劃方法很難對(duì)其進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、科學(xué)的規(guī)劃。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，進(jìn)行變電站規(guī)劃時(shí)涉及到的因素也越來(lái)越多，因此在規(guī)劃時(shí)要考慮多個(gè)目標(biāo)，而這些目標(biāo)有時(shí)具有不同重要性甚至是相互矛盾的指標(biāo)，因此需要合理地解決各個(gè)目標(biāo)之間的沖突。在選擇變電站站址時(shí)，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最優(yōu)(投資和損耗費(fèi)用最低)只是眾多優(yōu)化目標(biāo)之一，必須同時(shí)兼顧變電站站址的環(huán)境效益和社會(huì)效益等方面因素。

本文從科學(xué)、實(shí)用角度出發(fā)，提出一種基于電網(wǎng)建設(shè)邊界因素的變電站兩階段規(guī)劃方法，將計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)選址與專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃相結(jié)合，以此求得經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和地理環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)綜合最優(yōu)的組合方案，實(shí)現(xiàn)多級(jí)電網(wǎng)的整體優(yōu)化。

3.2 計(jì)算機(jī)優(yōu)化階段:變電站初始方案自動(dòng)確定

變電站規(guī)劃問(wèn)題可描述為:在負(fù)荷分布已知的情況下，以變電站帶負(fù)荷能力和供電半徑為約束條件，以投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，確定變電站的位置、容量。

變電站規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為:

式中:N為已有和新建變電站的個(gè)數(shù);Ji為由變電站i供電的負(fù)荷集合;Wj為負(fù)荷點(diǎn)j的有功負(fù)荷;Si為變電站i的容量;e為經(jīng)濟(jì)負(fù)載率;cosθ為功率因數(shù);lij為第i個(gè)變電站到第j個(gè)負(fù)荷之間線路的長(zhǎng)度;L為變電站允許的最大供電半徑;C1為折算到每年的變電站投資及運(yùn)行費(fèi)用;C2為折算到每年的饋線投資費(fèi)用;C3為饋線年網(wǎng)損費(fèi)用。

C1，C2和C3可表示為:

式中:m為預(yù)計(jì)變電站的使用年限;r0為年利率;dfix為變電站的固定投資系數(shù);dvar為變電站的可變投資系數(shù);dop為變電站運(yùn)行費(fèi)用折算系數(shù);dij為單位長(zhǎng)度線路的投資費(fèi)用;c為電價(jià);r為線路單位長(zhǎng)度的電阻;τmax為最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù);Pij，Qij分別為每段線路最大負(fù)荷時(shí)通過(guò)的有功功率和無(wú)功功率;UN為額定電壓。

根據(jù)上述模型開(kāi)發(fā)的“供電網(wǎng)計(jì)算分析輔助決策軟件:變電站規(guī)劃優(yōu)化子系統(tǒng)”可實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)選址功能［7］。在選址優(yōu)化中只需知道現(xiàn)有變電站情況、規(guī)劃年各小區(qū)的預(yù)測(cè)負(fù)荷以及變電站、線路等費(fèi)用參數(shù)，便可自動(dòng)獲得各規(guī)劃年包含新建變電站個(gè)數(shù)、站址和容量的初步規(guī)劃優(yōu)化方案。

該規(guī)劃輔助軟件直觀、人性化，可操作性強(qiáng)，在規(guī)劃中可與人工經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，提高規(guī)劃的效率。

3.3 專家干預(yù)階段:候選站址綜合邊界因素評(píng)估

采用自動(dòng)選址功能對(duì)變電站進(jìn)行布點(diǎn)規(guī)劃很多時(shí)候忽略了地理環(huán)境及施工環(huán)境等外部因素。這些外部因素中包含了用地性質(zhì)、交通狀況、施工條件、地質(zhì)地形等各種數(shù)據(jù)信息，這些信息對(duì)變電站選址起到了決定性的作用。從工程實(shí)踐來(lái)看，這種未考慮站址綜合外部因素的方法所選出的站址很可能坐落在不適宜建站的區(qū)域(如小區(qū)附近、街道、繁華區(qū)等)，進(jìn)而影響整體方案的可行性。本文考慮了這一情況，在此基礎(chǔ)上由有關(guān)專家對(duì)初始站址方案附近的地理信息進(jìn)行分析，進(jìn)行如下關(guān)鍵調(diào)整:

(1)在初始規(guī)劃方案基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)不適宜建站的站址，分析其周邊環(huán)境，給出幾個(gè)可行的調(diào)整位置。

(2)由熟悉規(guī)劃區(qū)域地理狀況的專家對(duì)各個(gè)候選站址的地理屬性進(jìn)行評(píng)分，在此基礎(chǔ)上，利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)獲得各個(gè)站址的地理屬性綜合得分值，作為評(píng)價(jià)站址適應(yīng)性的指標(biāo)。

在本文變電站規(guī)劃中，綜合邊界因素主要考慮6個(gè)方面，分別為用地性質(zhì)(A)、交通狀況(B)、防洪排水(D)、施工條件(E)、地形地質(zhì)(F)、負(fù)荷發(fā)展(G)。對(duì)每個(gè)經(jīng)一次規(guī)劃得到的候選站址給定1個(gè)可建站分值向量如下:

式中:Ai、Bi、Di、Ei、Fi、Gi分別為第 i個(gè)候選地點(diǎn)在 6個(gè)因素的得分。

這樣綜合所有候選地點(diǎn)的分值，就可以得到1個(gè)分值矩陣如下:

對(duì)于所有的候選地點(diǎn)，定義1個(gè)統(tǒng)一的各個(gè)因素的權(quán)重向量β如下:

式中:a、b、d、e、f、g 分別是6 個(gè)因素的權(quán)重。

最后將分值矩陣Λ和權(quán)重向量β相乘就得到一個(gè)衡量每個(gè)候選地點(diǎn)的可建站指數(shù)向量Φ:

比較可建站指數(shù)向量中的每個(gè)元素，取其最大者對(duì)應(yīng)的候選地點(diǎn)即是尋求的建站可行地點(diǎn)。

4 城市配電網(wǎng)規(guī)劃中的估算方法

4.1 10 kV線路出線估算

城市各片區(qū)的20/10 kV線路新建條數(shù)n可通過(guò)計(jì)算目標(biāo)年所需新增的線路極限輸送容量總和與新建線路的極限輸送容量之比求得，即

式中:So為各區(qū)現(xiàn)有線路的極限輸送總?cè)萘浚赏ㄟ^(guò)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有線路的條數(shù)及對(duì)應(yīng)導(dǎo)線型號(hào)查表得到;ΔSc為目標(biāo)年導(dǎo)線改造后增加的極限輸送總?cè)萘?Sn為目標(biāo)年該片區(qū)所需的線路極限輸送總?cè)萘?Sl為新建線路選擇的典型導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的極限輸送容量。其中，Sn可表示為

式中:P為空間負(fù)荷預(yù)測(cè)目標(biāo)年各片區(qū)負(fù)荷大小;e1為目標(biāo)年中壓線路平均負(fù)載率。在城市電網(wǎng)中，為了實(shí)現(xiàn)線路間負(fù)荷完全轉(zhuǎn)帶能力及滿足經(jīng)濟(jì)負(fù)載率要求，e1通常為30% ～50%。

4.2 配變臺(tái)數(shù)估算

配變分為公用配變和專用配變，第i分區(qū)第j規(guī)劃年新增公用配變臺(tái)數(shù)nij可表示為

式中:Pij為第i分區(qū)第j規(guī)劃年扣除專線負(fù)荷后的負(fù)荷，kW;Pi，j－1為第 i分區(qū)第 j－1 規(guī)劃年扣除專線負(fù)荷后的負(fù)荷，kW;e1為配變經(jīng)濟(jì)負(fù)載率;SK為配變平均容量，MVA;cosθ為配電網(wǎng)功率因數(shù);ni0為現(xiàn)狀年第i分區(qū)的配變總數(shù)。

則第i分區(qū)第j規(guī)劃年新增公用配變數(shù)nij，1可表示為

式中k為城市公用配變臺(tái)數(shù)與專用配變臺(tái)數(shù)的比例，與當(dāng)?shù)氐挠秒娦再|(zhì)相關(guān)。

5 多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)接線模式對(duì)電網(wǎng)供電可靠性及經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。首先由規(guī)劃人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)則，利用規(guī)劃軟件提出若干網(wǎng)架方案，然后對(duì)各規(guī)劃方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)與可靠性分析，最后經(jīng)綜合分析后提出推薦方案。

5.1 規(guī)劃方案技術(shù)比較及電氣計(jì)算

首先對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行潮流計(jì)算和短路計(jì)算［8-10］。

潮流計(jì)算的目的是為了評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)方案，選擇導(dǎo)線和變電所主設(shè)備規(guī)格，為選用調(diào)壓裝置、無(wú)功補(bǔ)償及其配置提供依據(jù)，并為其他電力系統(tǒng)計(jì)算分析(如短路計(jì)算)提供原始數(shù)據(jù)。在進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，規(guī)劃人員要綜合考慮電網(wǎng)的各種運(yùn)行方式，如高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷方式，豐水期、平水期和枯水期方式，事故運(yùn)行方式和各種特殊運(yùn)行方式。在大負(fù)荷方式下計(jì)算時(shí)，假定各用戶均工作在最大負(fù)荷條件下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式按正常開(kāi)環(huán)運(yùn)行(使每1個(gè)環(huán)上分段的負(fù)荷盡可能分配均勻)。對(duì)于雙放射線路而言，為了保證在N－1的條件下線路不過(guò)負(fù)荷，正常運(yùn)行方式下的線路負(fù)荷率應(yīng)小于0.5。通過(guò)計(jì)算得出正常運(yùn)行方式下的線路負(fù)荷水平情況及不同規(guī)劃方案的網(wǎng)損情況。

短路計(jì)算的目的是為了選用有足夠熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體，確定限制短路電流的措施。在電力系統(tǒng)中合理地配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)，還可為電網(wǎng)接線和電廠、變電所電氣主接線提供比選依據(jù)，并為確定送電線路對(duì)附近通信線的影響提供計(jì)算資料等。規(guī)劃設(shè)計(jì)中，短路計(jì)算時(shí)一般計(jì)算今后若干年最大運(yùn)行方式時(shí)三相短路和單相接地短路的零秒短路電流。

5.2 N －1 校驗(yàn)原則

為了校驗(yàn)各方案是否滿足N－1原則，對(duì)各方案全部進(jìn)行可能的N－1校核分析。對(duì)于規(guī)劃的可行方案應(yīng)滿足N－1原則，即系統(tǒng)中任何1條線路故障或高壓變電站1臺(tái)主變停運(yùn)時(shí)，通過(guò)倒閘操作能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，及時(shí)恢復(fù)供電。經(jīng)過(guò)N－1狀態(tài)的計(jì)算，線路的負(fù)荷率不能超過(guò)100%，而且線路的電壓損失不能超過(guò)3%［11］。

5.3 投資效益分析比較

投資效益分析可從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)2方面進(jìn)行。靜態(tài)投資效益分析忽略了資金的時(shí)間價(jià)值，主要是通過(guò)比較各方案的總投資來(lái)確定項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣。其缺點(diǎn)在于可能導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)初期經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)，但在以后逐年運(yùn)行中出現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，使得在項(xiàng)目整個(gè)壽命期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性不佳的情形。

動(dòng)態(tài)投資效益分析法有效考慮了時(shí)間價(jià)值，引入了動(dòng)態(tài)回收期、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使得項(xiàng)目間的經(jīng)濟(jì)分析更加準(zhǔn)確、有效、合理［12］。

5.4 規(guī)劃流程

通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行以上多方面指標(biāo)的比較分析，最終確定一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上占優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案。

基于綜合邊界條件的電網(wǎng)規(guī)劃新方法具體流程如圖3所示。

圖3 基于綜合邊界條件的電網(wǎng)規(guī)劃方法流程Fig.3 Flow chart of network planning method based on boundary conditions

6 算例驗(yàn)證

以某市開(kāi)發(fā)城區(qū)新建1座2×50 MVA的110/10 kV戶外型直供變電站為例說(shuō)明本文城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法的實(shí)際應(yīng)用。220 kV變電站在距離該開(kāi)發(fā)城區(qū)20 km左右。待求解方案如圖4所示。

采用本文所述的變電站兩階段規(guī)劃方法進(jìn)行如下操作。

步驟1:變電站初始方案自動(dòng)確定。

圖4 待求解方案示意圖Fig.4 Diagram of the program to be solved

首先通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助決策進(jìn)行自動(dòng)選址，得到在僅考慮電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行安全性的前提下，該110 kV變電站的初始站址確定在坐標(biāo)(x，y)為(1.58，2.42)。

步驟2:專家組確定可行的候選站址。

由開(kāi)發(fā)區(qū)的用地性質(zhì)得知，該110 kV變電站的初始站址不適宜新建變電站，站址需要調(diào)整。根據(jù)城區(qū)實(shí)際情況，相關(guān)專家選定3個(gè)候選站址，分別為站址Ⅰ、站址Ⅱ、站址Ⅲ。采用AHP法對(duì)候選站址的地理信息進(jìn)行權(quán)重排序，得到最終3個(gè)候選地點(diǎn)的可建站指數(shù)向量 Φ 為(0.6573，0.8433，0.4982)。

因此本算例將站址Ⅱ作為調(diào)整后的變電站可行性站址，其坐標(biāo)(x，y)為(1.70，1.65)。規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。

圖5 規(guī)劃結(jié)果示意圖Fig.5 Diagram of planning result

從規(guī)劃結(jié)果可見(jiàn)，該規(guī)劃方案合理，能夠滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要，全面考慮了電網(wǎng)規(guī)劃的諸多不確定邊界因素，使得規(guī)劃結(jié)果更加實(shí)用可行。

7 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)出1套實(shí)用的城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法。規(guī)劃方法中多個(gè)方面均可由軟件完成，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助決策和人工干預(yù)相結(jié)合的規(guī)劃理念。在城市配電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃應(yīng)用中表明，該方法具有較強(qiáng)實(shí)用性。

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