一種考慮低壓側(cè)直供潛力的輸配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

郭露方，張寶丹，吳廣大，姜志筠，包鵬宇，吳國(guó)鼎，鄭子健，胡 釙

（1.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430072；2.云南開放大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650223）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新發(fā)展階段，電力負(fù)荷需求不斷增加。為了滿足日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求，必須加快電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度，不斷擴(kuò)大電力系統(tǒng)的規(guī)模，確保電力可靠供應(yīng)。為避免大規(guī)模重復(fù)建設(shè)和投資浪費(fèi)，電網(wǎng)規(guī)劃必須解決優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1-2]、合理平衡區(qū)域負(fù)荷和協(xié)調(diào)220 kV 與110 kV 變電站布點(diǎn)關(guān)系等問題。

傳統(tǒng)的送電方式[3-4]大都采用從220 kV 降壓到110 kV 再降壓到35 kV，10 kV 或6 kV 的送電方式，也有220 kV 變電站采用三卷變壓器10 kV 低壓側(cè)直接向負(fù)荷供電（簡(jiǎn)稱10 kV 直供負(fù)荷）。由于變電站的位置、容量及供電范圍關(guān)系到待規(guī)劃區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間布局，在滿足一定的容載比條件下，在規(guī)劃過程中220 kV 變壓器低壓側(cè)直供負(fù)荷大小，會(huì)直接影響110 kV 變電站的規(guī)模，進(jìn)而影響整個(gè)110 kV 站點(diǎn)布局和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果也會(huì)影響上級(jí)輸電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果，因此，在規(guī)劃過程中考慮上級(jí)電網(wǎng)的直供潛力，輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)在規(guī)劃建設(shè)時(shí)相互配合，可減少不必要的重復(fù)降壓，提升投資經(jīng)濟(jì)效益，提高設(shè)備利用率。

輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)規(guī)劃問題從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，可以視為一個(gè)包含多個(gè)約束條件的非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題[5-7]，具有多目標(biāo)、非線性等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]以系統(tǒng)運(yùn)行成本和投資建設(shè)成本為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，并加以最小缺電成本的安全性目標(biāo)，給出了泛函形式的電網(wǎng)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[9]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵理論在輸電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中考慮負(fù)荷均衡性從而達(dá)到提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的目的。文獻(xiàn)[10]輸電網(wǎng)規(guī)劃中，引入不確定理論使規(guī)劃方案能適應(yīng)不確定因素帶來的影響。這些輸電網(wǎng)規(guī)劃過程中考慮了多種影響因素，但未考慮與下級(jí)配電網(wǎng)的配合，因此無法保證未來配電系統(tǒng)的供電可靠。文獻(xiàn)[11]基于供電變電站和高壓線路通道N-1 供電安全性最大化，同時(shí)考慮到高壓聯(lián)絡(luò)線路費(fèi)用的最小化，提出了基于供電分區(qū)優(yōu)化的高壓配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化模型和方法。文獻(xiàn)[12]通過年最小收入計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)改造方案可靠性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，將可靠性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一考慮并應(yīng)用到城市配電網(wǎng)規(guī)劃中。文獻(xiàn)[13]采用層次空間推理的方法，提出了城市配電網(wǎng)多級(jí)網(wǎng)格劃分手段，從而使配電網(wǎng)規(guī)劃更加精細(xì)。這些配電網(wǎng)規(guī)劃研究過程中沒有考慮與輸電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)，可能導(dǎo)致最終配電網(wǎng)規(guī)劃方案與輸電網(wǎng)之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑不足，影響整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的整體可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[14]從全局角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以輸配系統(tǒng)整體供電成本最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了輸配兩級(jí)電網(wǎng)基礎(chǔ)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15]從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益上分析在變壓器低壓側(cè)采用大電流設(shè)備提升10 kV 低壓側(cè)的直供能力，為220 kV 變電站的規(guī)劃建提供新的參考。文獻(xiàn)[16]提出一種優(yōu)化的低壓側(cè)接線方式，優(yōu)化后的接線方式能夠提高供電可靠性，具有擴(kuò)建靈活、土地資源利用率高的特點(diǎn)。目前輸配電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的研究[17-20]主要集中在運(yùn)行調(diào)度的匹配上，并且有關(guān)直供能力的研究多集中在理論技術(shù)分析和供電可靠性上，對(duì)于規(guī)劃層面上的輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)在布局和規(guī)模上的相互匹配以及直供負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和資源配置結(jié)果的影響研究較少。

本文通過充分發(fā)掘低壓側(cè)直供潛力，在規(guī)劃過程中考慮輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的網(wǎng)間匹配，綜合考慮上下級(jí)輸配電網(wǎng)之間的連接關(guān)系，合理配置各個(gè)等級(jí)電網(wǎng)的變電站及線路資源，建立輸配電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)規(guī)劃模型，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃方案具有較低的建設(shè)投資、較高的設(shè)備利用率以及合理的安全裕度，優(yōu)化輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)規(guī)劃的目的。此外，由于現(xiàn)代啟發(fā)式算法[21-27]在求解電網(wǎng)規(guī)劃問題時(shí)通常存在計(jì)算效率不高與易陷于局部最優(yōu)等問題，故而采用群體最優(yōu)值交叉操作的量子粒子群算法（Quantum Particle Swarm Optimization，CR-QPSO）對(duì)其進(jìn)行求解，以提高全局搜索能力，在尋優(yōu)過程中建立粒子信息記憶集，有效解決了現(xiàn)代啟發(fā)式算法在求解電網(wǎng)規(guī)劃問題時(shí)存在的效率不高及未成熟收斂等問題，提高了收斂速度。

1 考慮直供能力的配電網(wǎng)規(guī)模估算模型

由于考慮變壓器低壓側(cè)直供負(fù)荷能力，負(fù)荷的供電來源不再是單一維度，呈現(xiàn)出不同電壓等級(jí)序列的特點(diǎn)。對(duì)于220/110/10 kV 電壓等級(jí)序列，110 kV 配電網(wǎng)的電源來源為上級(jí)220 kV 輸電網(wǎng)，由于220 kV 變電站可采用三卷變壓器10 kV 低壓側(cè)直接向負(fù)荷供電的方式，10 kV 配電網(wǎng)的電源來源包括上級(jí)220 kV 輸電網(wǎng)和上級(jí)110 kV 配電網(wǎng)。對(duì)于1個(gè)變電站內(nèi)總?cè)萘繛?20 MVA 的3 臺(tái)主變壓器，直供側(cè)設(shè)置3×10=30 個(gè)出線間隔，每個(gè)出線間隔負(fù)荷在4～6 MW 范圍之內(nèi)，則直供側(cè)的直供能力與1 個(gè)110 kV 站點(diǎn)的供電能力相匹配。主變低壓側(cè)直供負(fù)荷占下網(wǎng)負(fù)荷的比例不同，就會(huì)在規(guī)劃層面直接影響配電網(wǎng)站點(diǎn)規(guī)模和負(fù)荷分布情況。

考慮變壓器低壓側(cè)直供負(fù)荷能力時(shí)，主變下網(wǎng)負(fù)荷包括2 類負(fù)荷即常規(guī)負(fù)荷lR和直供負(fù)荷lD，其滿足集合關(guān)系，即：

式中：LR為常規(guī)負(fù)荷集合；LD為直供負(fù)荷集合；L為2 類負(fù)荷匯總形成規(guī)劃區(qū)總負(fù)荷集合；M，N分別為常規(guī)負(fù)荷和直供負(fù)荷個(gè)數(shù)。

考慮變電站直供占比時(shí)，220 kV 和110 kV 站點(diǎn)的規(guī)模N220，N110估算分別為：

式中：K220，K110分別為220 kV 和110 kV 變電站的容載比；C220，C110分別為220 kV 和110 kV 變電站的主變?nèi)萘浚籘220，T110分別為220 kV 和110 kV 變電站站內(nèi)主變臺(tái)數(shù)；r220為220 kV 變電站的直供占比。

2 輸配電網(wǎng)規(guī)劃模型及其分解

輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的規(guī)劃模型可以表示為：

式中：i=1,2,…,N為與輸電網(wǎng)連接的第i個(gè)配電網(wǎng)；CT和CD分別為輸電網(wǎng)和各配電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)；gT和hT分別為輸電網(wǎng)側(cè)不等式約束和等式約束；gD和hD分別為配電網(wǎng)側(cè)不等式約束和等式約束；wT和wD分別為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；q為輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的功率傳遞信息。

為了更好地滿足輸電網(wǎng)側(cè)和配電網(wǎng)側(cè)不同電壓等級(jí)間的規(guī)劃調(diào)度需求，建立考慮上級(jí)輸電網(wǎng)和下級(jí)配電網(wǎng)的變電站與網(wǎng)架聯(lián)動(dòng)規(guī)劃模型，該模型能夠綜合考慮上下級(jí)輸配電網(wǎng)之間的連接關(guān)系，考慮上級(jí)電網(wǎng)的直供潛力，合理配置各個(gè)等級(jí)電網(wǎng)的變電站及線路資源。

綜合考慮變電站與網(wǎng)架的輸配電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)規(guī)劃，隨機(jī)確定配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的待選變電站建成狀態(tài)，根據(jù)已有變電站和新建變電站確定直供范圍，選擇直供負(fù)荷，建立直供負(fù)荷集和常規(guī)負(fù)荷集，計(jì)算直供占比并進(jìn)行輸配電網(wǎng)的規(guī)模估算，若發(fā)生變化，更新輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的規(guī)模，重復(fù)上述規(guī)劃步驟；否則，根據(jù)已選的輸電網(wǎng)變電站和配電網(wǎng)變電站，進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃，最終輸出輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的整體規(guī)劃方案。

2.1 變電站規(guī)劃

變電站規(guī)劃模型采用經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)即輸電網(wǎng)側(cè)新增變電站規(guī)劃投資成本和配電網(wǎng)側(cè)新增變電站規(guī)劃投資成本等，模型以投資成本CS最低作為目標(biāo)函數(shù)。

1）目標(biāo)函數(shù)。變電站規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中：CTS為輸電網(wǎng)側(cè)變電站規(guī)劃投資成本；CDS為配電網(wǎng)側(cè)變電站規(guī)劃投資成本。

CTS，CDS可表示為：

式中：YTS，YDS分別為輸電網(wǎng)變電站運(yùn)行周期和配電網(wǎng)變電站運(yùn)行周期；NTS，NDS分別為輸電網(wǎng)待選變電站個(gè)數(shù)和配電網(wǎng)待選變電站個(gè)數(shù)；分別為為輸電網(wǎng)變電站和配電網(wǎng)變電站建設(shè)費(fèi)用；Bij值為1 時(shí)表示新建站點(diǎn)，為0 時(shí)表示不新建站點(diǎn)；d為貼現(xiàn)率。

2）直供范圍劃分。參考輸電網(wǎng)變電站與已選配電網(wǎng)變電站的距離，取其最小距離的1/2 作為輸電網(wǎng)變電站直供半徑，劃分直供范圍，并從中隨機(jī)選取負(fù)荷進(jìn)入直供負(fù)荷集，由上級(jí)輸電網(wǎng)直供，其余負(fù)荷進(jìn)入常規(guī)負(fù)荷集，由配電網(wǎng)變電站供應(yīng)。

2.2 網(wǎng)架規(guī)劃

2.2.1 輸電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃模型

輸電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃模型采用經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)即輸電網(wǎng)側(cè)新增線路規(guī)劃投資成本和運(yùn)行成本等，模型以綜合成本CT、新增輸電線路年成本和年運(yùn)行成本最低作為目標(biāo)函數(shù)。

1）目標(biāo)函數(shù)。輸電網(wǎng)規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)為：

式中：CTL為輸電線路投資成本；CTG為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本。

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本CTG經(jīng)分段線性化后為：

式中：NTG為機(jī)組臺(tái)數(shù)；m為總分段數(shù)；Kg,s為第g臺(tái)機(jī)組分段線性化之后第s分段煤耗系數(shù)；PTG,g,s為第s分段出力；CTG,g為第g臺(tái)機(jī)組最小出力運(yùn)行時(shí)的煤耗成本。

輸電線路投資成本CTL為：

式中：TL為新建線路集；為輸電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(i,j)間線路的建設(shè)費(fèi)用；YL為線路運(yùn)行周期。

2）約束條件。輸電網(wǎng)規(guī)劃模型滿足以下4 個(gè)約束。

網(wǎng)絡(luò)的潮流約束為：

式中：Pi和Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功和無功注入量；Gij和Bij分別為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的實(shí)部和虛部；θij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的相角差。

系統(tǒng)安全約束為：

式中：Sij,max為線路容量限值；Ui,max和Ui,min為節(jié)點(diǎn)i的電壓上、下限值。

火電機(jī)組組出力上、下限約束為：

2.2.2 配電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃模型

配電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃模型包括線路投資總成本和配電網(wǎng)運(yùn)行總成本，模型以配電網(wǎng)年綜合費(fèi)用CD最低為目標(biāo)函數(shù)。

1）目標(biāo)函數(shù)。配電網(wǎng)規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中：CDL為線路投資總成本；CDOP為運(yùn)行總成本。

規(guī)劃建設(shè)總成本CDL可表示為：

運(yùn)行總成本CDOP包括等效電源出力成本CDG和網(wǎng)損成本Closs，可表示為：

式中：μDGi為成本系數(shù)；γ為網(wǎng)損成本系數(shù)；closs為單位網(wǎng)損費(fèi)用；Ploss為網(wǎng)損功率。

2）約束條件。配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)潮流約束條件一致。

配電網(wǎng)側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓約束為：

線路傳輸載流量約束為：

式中：Im，分別為第k條線路上的電流大小和電流上限值。

配電網(wǎng)在建設(shè)和布局上的約束有系統(tǒng)連通性約束和輻射狀約束。

2.2.3 輸配電網(wǎng)規(guī)劃模型分解

由于對(duì)網(wǎng)架規(guī)劃模型直接求解計(jì)算量太大，運(yùn)算比較復(fù)雜，因此根據(jù)輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)在其連接處的耦合關(guān)系即輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)連接處功率保持一致，進(jìn)行信息交互。當(dāng)規(guī)劃過程中考慮上級(jí)電網(wǎng)直供能力時(shí)，上級(jí)輸電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為等效電源向下級(jí)傳輸?shù)墓β拾ㄏ录?jí)配電網(wǎng)等效負(fù)荷和直供負(fù)荷，于是，輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)在連接處傳遞的信息包括連接處配電網(wǎng)等效負(fù)荷信息和直供負(fù)荷信息。為此，引入反饋?zhàn)兞縡=(f1,f2,…,fN)T，表示從配電網(wǎng)側(cè)反饋至連接處的上級(jí)電網(wǎng)直供負(fù)荷，從配電網(wǎng)角度向上級(jí)的傳輸功率表示為Pd=(Pd1,Pd2,…,PdN)T，從輸電網(wǎng)角度向下級(jí)的傳輸功率表示為Pt=(Pt1,Pt2,…,PtN)T，滿足式（26）關(guān)系，即：

因此建立差值約束條件，即：

根據(jù)拉格朗日罰函數(shù)形式將該約束松弛至目標(biāo)函數(shù)中，得到輸配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)為：

式中：α為乘子變量；ρ為懲罰因子。

輸配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)的耦合約束可以將輸配電網(wǎng)規(guī)劃問題分解為輸電網(wǎng)規(guī)劃和配電網(wǎng)規(guī)劃2個(gè)子優(yōu)化問題，2 個(gè)子問題相互迭代，實(shí)現(xiàn)分布式求解，輸出最優(yōu)結(jié)果。

輸電網(wǎng)側(cè)和配電網(wǎng)側(cè)的模型分別為：

式中：為配電網(wǎng)側(cè)向上級(jí)的傳輸功率在迭代過程中為確定值；為輸電網(wǎng)側(cè)向下級(jí)的傳輸功率，在迭代過程中為確定值。

求解流程為：（1）設(shè)置內(nèi)、外層最大迭代次數(shù)m，k，模型參數(shù)初始化；（2）在輸電網(wǎng)規(guī)劃問題中，從配電網(wǎng)角度向上級(jí)的傳輸功率為Pd作為已知參數(shù)，Pt作為優(yōu)化變量求解，求解結(jié)果作為已知參數(shù)傳遞到配電網(wǎng)規(guī)劃問題進(jìn)行求解；（3）進(jìn)行內(nèi)層迭代收斂判斷：

式中：C(x)為輸配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)；ε1為內(nèi)層收斂精度。

若式（31）滿足，進(jìn)行下一步，否則返回流程（2）；（4）進(jìn)行外層迭代收斂判斷：

式中：ε2為外層收斂精度。

若式（32）滿足，輸出結(jié)果，否則進(jìn)行下一步；（5）系數(shù)更新，返回流程（2）。

α的更新公式為：

3 基于CR-QPSO算法的模型求解

量子粒子群算法可以表述為：定義1 個(gè)D維求解域，種群個(gè)體數(shù)為n，即X=(X1,X2,…,Xi,…,Xn)，對(duì)應(yīng)表示n種規(guī)劃方案，每個(gè)個(gè)體均對(duì)應(yīng)1 個(gè)D維解，即第i個(gè)種群個(gè)體為Xi=[xi1,xi2,…,xiD]T，通過所設(shè)置的適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算個(gè)體粒子的適應(yīng)度值，個(gè)體極值也為1 個(gè)D維解Pi=[Pi1,Pi2,…,PiD]T，表示第i個(gè)種群個(gè)體迭代過程中最優(yōu)的規(guī)劃方案，同理群體極值為Pg=[Pg1,Pg2,…,PgD]T表示整個(gè)種群在迭代過程中最優(yōu)的規(guī)劃方案。

根據(jù)個(gè)體極值和群體極值的狀態(tài)信息，個(gè)體粒子采用蒙特卡洛法模擬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過種群迭代過程不斷更新自身位置，更新公式為：

式中：i=1,2,…,n；k為迭代次數(shù)；為第k次迭代時(shí)第i個(gè)粒子根據(jù)個(gè)體極限和群體極限產(chǎn)生的隨機(jī)位置；φ為[0，1]內(nèi)隨機(jī)數(shù)；c1和c2分別稱為自身認(rèn)知因子和社會(huì)學(xué)習(xí)因子，均為正數(shù)；r1和r2均為區(qū)間[0,1]內(nèi)隨機(jī)數(shù)。

式中：β為收縮擴(kuò)張系數(shù)；為第k次迭代時(shí)粒子歷史最優(yōu)位置均值；為0-1 均勻分布隨機(jī)數(shù)；為第k次迭代時(shí)第i個(gè)粒子的狀態(tài)信息。

整體規(guī)劃方案求解流程如圖1 所示。

圖1 整體規(guī)劃方案求解流程Fig.1 Overall planning solution process

在整體規(guī)劃方案求解流程中，最外層循環(huán)包括變電站規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃，變電站規(guī)劃求解包括變電站選取狀態(tài)和容量，其中只有1 層循環(huán)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)架規(guī)劃求解包括線路建設(shè)狀態(tài)，采取分布式求解，其中有內(nèi)層和外層2 層循環(huán)結(jié)構(gòu)。

此外，為增加迭代后期種群粒子跳出局部最優(yōu)解的能力和求解速度，對(duì)量子粒子群算法進(jìn)行2 個(gè)改進(jìn)。

1）君主交叉拓展最優(yōu)集。為了提高跳出局部最優(yōu)解的能力，利用種群內(nèi)的最優(yōu)粒子，用最優(yōu)粒子作為君主粒子，并隨機(jī)生成交叉位點(diǎn)，然后將君主粒子與種群內(nèi)次優(yōu)粒子進(jìn)行交叉，產(chǎn)生1 個(gè)新粒子，將該粒子與君主粒子、次優(yōu)粒子組成最優(yōu)集。在種群迭代過程中粒子更新位置時(shí)將從最優(yōu)集中隨機(jī)選擇最優(yōu)粒子進(jìn)行自身位置更新。

2）建立粒子記憶集。為了提高求解速度，在種群迭代過程中記憶所有不滿足約束條件的粒子信息，并將其保存至粒子記憶集，若在后續(xù)迭代過程中該粒子信息屬于記憶集，則直接進(jìn)行下一次尋優(yōu)，不再進(jìn)行約束判斷，從而加快尋優(yōu)速度。

4 算例分析

某市待規(guī)劃區(qū)域占地面積75 km2，包括39 個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，總負(fù)荷815.5 MW，15 個(gè)可選下級(jí)配電網(wǎng)變電站，4 個(gè)可選上級(jí)輸電網(wǎng)變電站，220 kV 變電站容量選擇為2×240 MVA，110 kV 變電站容量選擇為2×50 MVA，參考國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程多維立體參考價(jià)，220 kV 變電站建設(shè)成本為9 890 萬元，110 kV變電站建設(shè)成本分別為2 911 萬元。電力線路均為雙回線，輸電網(wǎng)側(cè)線路315 萬元/km，配電網(wǎng)側(cè)線路149 萬元/km。等效機(jī)組出力運(yùn)行參數(shù)設(shè)置a=0.02元（/MW）2h，b=20 元/MWh，網(wǎng)損成本為0.45 元/kWh，規(guī)劃成本設(shè)置資金貼現(xiàn)率為5%，資金回收周期為20 a。

整體規(guī)劃方案求解中，變電站規(guī)劃過程中220 kV變電站容載比通常設(shè)置在1.6～1.9 之間，本文設(shè)置容載比應(yīng)大于1.6，不超過2，110 kV 變電站容載比通常設(shè)置在1.8～2.1 之間，本文設(shè)置容載比應(yīng)大于1.8，不超過2.1。最外層最大迭代次數(shù)設(shè)置為50，初始輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)變電站規(guī)模選取為4，15。網(wǎng)架規(guī)劃過程中，內(nèi)外層最大迭代次數(shù)為20，50。拉格朗日乘子初始設(shè)置為0.8，懲罰因子設(shè)置為1，CR-QPSO 求解中初始參數(shù)設(shè)置：最大迭代次數(shù)為50，種群規(guī)模為30，認(rèn)知因子取0.5，社會(huì)學(xué)習(xí)因子取0.5，收縮擴(kuò)張系數(shù)取1.2，收斂系數(shù)取0.01。輸電網(wǎng)規(guī)劃過程中潮流計(jì)算采取最優(yōu)潮流方式，即在滿足所有運(yùn)行約束條件下得到發(fā)電成本達(dá)到最優(yōu)值下的潮流分布。

4.1 規(guī)劃拓?fù)鋵?duì)比

為了比較考慮直供負(fù)荷對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響，將有無直供負(fù)荷的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)規(guī)劃過程中考慮直供負(fù)荷因素時(shí)求解得到規(guī)劃結(jié)果，輸電網(wǎng)規(guī)劃方案如圖2 所示，配電網(wǎng)規(guī)劃方案如圖3 所示。

圖2 有直供負(fù)荷情況下輸電網(wǎng)規(guī)劃拓?fù)鋱DFig.2 Planned topology diagram of transmission network with direct supply load

圖3 有直供負(fù)荷情況下配電網(wǎng)規(guī)劃拓?fù)鋱DFig.3 Planned topology diagram of distribution network with direct supply load

在規(guī)劃過程中考慮直供負(fù)荷時(shí)，輸電網(wǎng)側(cè)新增了3 個(gè)站點(diǎn)，直供負(fù)荷集包括4 個(gè)負(fù)荷，負(fù)荷值合計(jì)58.7 MW，配電網(wǎng)側(cè)新增了13 個(gè)站點(diǎn)，常規(guī)負(fù)荷集包括35 個(gè)負(fù)荷，負(fù)荷值合計(jì)756.9 MW。當(dāng)不考慮直供負(fù)荷時(shí)，輸電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果無變化，配電網(wǎng)規(guī)劃方案如圖4 所示。配電網(wǎng)側(cè)常規(guī)負(fù)荷集包括所有負(fù)荷，新增了15 個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)規(guī)模大于考慮直供負(fù)荷時(shí)的站點(diǎn)規(guī)模。

圖4 無直供負(fù)荷情況下配電網(wǎng)規(guī)劃拓?fù)鋱DFig.4 Planned topology diagram of distribution network without direct supply load

4.2 規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

采用帶直供負(fù)荷情況下的規(guī)劃結(jié)果，將輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，考慮直供負(fù)荷時(shí)輸電網(wǎng)側(cè)總成本中運(yùn)行成本占比較大，主要來源于發(fā)電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行成本。配電網(wǎng)側(cè)由于站點(diǎn)規(guī)模較大，線路建設(shè)較多，因此規(guī)劃建設(shè)成本和線路投資成本在總成本中的比重上升，占比為31.9%。不考慮直供負(fù)荷時(shí)配電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃建設(shè)成本和線路投資成本在配電網(wǎng)側(cè)總成本中的占比為34.4%，相較于考慮直供負(fù)荷時(shí)有所增加。通過對(duì)比可知，當(dāng)輸配電網(wǎng)規(guī)劃過程考慮直供負(fù)荷時(shí)，規(guī)劃建設(shè)成本和線路投資成本均有所減少，相較于不考慮直供負(fù)荷時(shí)的規(guī)劃建設(shè)成本減少比例達(dá)到13.3%，總規(guī)劃成本減少主要來源于規(guī)劃過程考慮直供負(fù)荷導(dǎo)致配電網(wǎng)側(cè)站點(diǎn)規(guī)模變化，此外網(wǎng)架的優(yōu)化使得電網(wǎng)運(yùn)行成本也有所降低。通過輸配電網(wǎng)規(guī)劃過程考慮直供負(fù)荷因素，增加了可選擇規(guī)劃方案的范圍，改善電網(wǎng)建設(shè)成本，從而使電網(wǎng)規(guī)劃方案得到進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3 容量可選規(guī)劃方案對(duì)比

當(dāng)110 kV 變電站容量選擇為2×50 MVA 和2×63 MVA 時(shí)，110 kV 變電站建設(shè)成本分別為2 911萬元和3 205 萬元，同時(shí)考慮直供負(fù)荷對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響，得到規(guī)劃方案，輸電網(wǎng)規(guī)劃方案如圖5 所示，配電網(wǎng)規(guī)劃方案如圖6 所示，并與4.2 節(jié)容量固定情況下的規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比。

圖5 容量可選情況下輸電網(wǎng)規(guī)劃拓?fù)鋱DFig.5 Planned topology diagram of transmission network with optional capacity

圖6 容量可選情況下配電網(wǎng)規(guī)劃拓?fù)鋱DFig.6 Planned topology diagram of distribution network with optional capacity

當(dāng)在規(guī)劃過程中110 kV 變電站容量可選時(shí)，此時(shí)輸電網(wǎng)側(cè)的站點(diǎn)選擇發(fā)生了變化，由于配電網(wǎng)側(cè)容量選擇方案的差異，導(dǎo)致配電網(wǎng)的站點(diǎn)規(guī)模和輸電網(wǎng)側(cè)直供負(fù)荷的選擇均發(fā)生變化，即使輸電網(wǎng)側(cè)投資成本有所增加，但使整體規(guī)劃方案更優(yōu)。

配電網(wǎng)側(cè)的站點(diǎn)分布進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，此時(shí)直供負(fù)荷集包括7 個(gè)負(fù)荷，負(fù)荷值合計(jì)106.3 MW，配電網(wǎng)側(cè)新增了11 個(gè)站點(diǎn)，容量選擇為2×50 MVA 的有4 個(gè)，容量選擇為2×63 MVA 的有7 個(gè)，常規(guī)負(fù)荷集包括32 個(gè)負(fù)荷，負(fù)荷值合計(jì)708.7 MW。

將容量可選規(guī)劃方案與容量固定規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 輸配電網(wǎng)規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 2 Economic comparison of transmission and distribution network planning

由表2 可知，雖然輸電網(wǎng)側(cè)投資成本同比增加2.5%，但由于變電站所選容量的進(jìn)一步優(yōu)化和配電網(wǎng)側(cè)110 kV 變電站布局和規(guī)模的改變，導(dǎo)致配電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃建設(shè)成本同比減少9%，線路建設(shè)成本同比減少6.1%，綜合成本相較于固定容量情況下減少，提升規(guī)劃經(jīng)濟(jì)效益，整體規(guī)劃方案得到進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文提出了一種考慮變壓器低壓側(cè)直供負(fù)荷的電網(wǎng)規(guī)劃方法，得出主要結(jié)論如下：

1）通過建立考慮變壓器直供占比的電網(wǎng)規(guī)模估算模型，并將其納入到輸配電網(wǎng)聯(lián)動(dòng)規(guī)劃中，可以充分利用變壓器低壓側(cè)直供能力，優(yōu)化變電站投資建設(shè)。

2）通過引入輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的反饋?zhàn)兞?，?shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)連接處的運(yùn)行匹配。將整體規(guī)劃模型分解為輸電網(wǎng)規(guī)劃模型和配電網(wǎng)規(guī)劃模型，優(yōu)化求解。

3）采用群體最優(yōu)值交叉操作的CR-QPSO 算法求解模型，擴(kuò)大了搜索范圍，提高了非線性優(yōu)化問題的尋優(yōu)能力，此外，通過建立粒子記憶集，避免了粒子的無效更新，提高了模型求解速度。

4）考慮直供負(fù)荷進(jìn)行輸配電網(wǎng)規(guī)劃可合理控制總體投資，優(yōu)化上下級(jí)電網(wǎng)的站點(diǎn)規(guī)模，避免重復(fù)降壓，節(jié)省電網(wǎng)投資成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。