劉進勝，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)濟發(fā)展要求，并能發(fā)揮其對于電網(wǎng)建設(shè)、運行和供電保障的先導和決定作用［1-5］。一直以來，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)劃成為一個復雜、困難的問題。國內(nèi)外專家學者運用許多優(yōu)秀的思想方法(如數(shù)學優(yōu)化方法和啟發(fā)式方法)來解決這一問題，并取得了一些成果。但是怎樣更加合理有效地運用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計算工具和方法，建立起實用的規(guī)劃體系還有待完善。

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

1 城市配電網(wǎng)規(guī)劃實用方法

本文規(guī)劃方法以負荷預測為基礎(chǔ)。首先，以人工規(guī)劃及計算機自動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(或變電站)的位置、容量及供電范圍;其次，依據(jù)規(guī)劃導則或標準要求，通過所選線路型號估算得到變電站的20/10 kV的出線情況、開關(guān)臺數(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、專配變臺數(shù)以及與此容量對應的分層分區(qū)中低壓無功補償比例。這種方法的優(yōu)點是使用的工具直觀，可操作性強，可以同規(guī)劃人員的寶貴經(jīng)驗相結(jié)合，并且規(guī)劃與評估相互校驗、修正，具有較強的實用性。

2 負荷預測

負荷預測的準確性對配電網(wǎng)規(guī)劃有著顯著的影響。本文根據(jù)城市電網(wǎng)規(guī)劃的實際情況，給出一種實用的負荷預測方法。首先，從全局和分類2方面對供電總負荷進行預測;其次，進行空間負荷預測得到各小區(qū)負荷;最后，多種預測結(jié)果相互校驗、修正。

2.1 全局預測

全局負荷預測是對全地區(qū)總的負荷需求量進行全面宏觀預測，了解規(guī)劃地區(qū)總的負荷發(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。

全局負荷預測時需要將這個地區(qū)的一般負荷和大用戶負荷分別進行預測。一般負荷作為自然增長負荷，采用回歸分析法預測規(guī)劃年的電量和負荷的大小。把大用戶作為點負荷來處理，通過該地區(qū)的國民經(jīng)濟數(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建或停產(chǎn)等情況。全局負荷預測得到的結(jié)果可以采用彈性系數(shù)法相互進行校核。全局負荷預測法流程如圖1所示。

圖1 全局負荷預測流程Fig.1 Flow chart of total load forecasting

2.2 分區(qū)負荷預測

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

圖2 分區(qū)負荷預測流程Fig.2 Flow chart of partition load forecasting

2.3 空間負荷預測

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

“供電網(wǎng)計算分析輔助決策軟件:規(guī)劃配網(wǎng)負荷預測子系統(tǒng)”(www.ceesinc.cn)改善了傳統(tǒng)的空間負荷預測精度［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、無歷史負荷數(shù)據(jù)的老城區(qū)和新城區(qū)，采用不同的負荷預測思路進行預測。預測結(jié)果中各小區(qū)負荷密度之間具有時序性和差異性，更具有實際參考價值。

3 變電站布點及容量優(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)，直接影響未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、供電質(zhì)量、運行經(jīng)濟性和供電可靠性。傳統(tǒng)的規(guī)劃方法很難對其進行全面、準確、科學的規(guī)劃。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，進行變電站規(guī)劃時涉及到的因素也越來越多，因此在規(guī)劃時要考慮多個目標，而這些目標有時具有不同重要性甚至是相互矛盾的指標，因此需要合理地解決各個目標之間的沖突。在選擇變電站站址時，經(jīng)濟性指標最優(yōu)(投資和損耗費用最低)只是眾多優(yōu)化目標之一，必須同時兼顧變電站站址的環(huán)境效益和社會效益等方面因素。

本文從科學、實用角度出發(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，將計算機輔助自動選址與專家經(jīng)驗規(guī)劃相結(jié)合，以此求得經(jīng)濟性指標和地理環(huán)境適應性指標綜合最優(yōu)的組合方案，實現(xiàn)多級電網(wǎng)的整體優(yōu)化。

3.2 計算機優(yōu)化階段:變電站初始方案自動確定

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

變電站規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學模型可表示為:

式中:N為已有和新建變電站的個數(shù);Ji為由變電站i供電的負荷集合;Wj為負荷點j的有功負荷;Si為變電站i的容量;e為經(jīng)濟負載率;cosθ為功率因數(shù);lij為第i個變電站到第j個負荷之間線路的長度;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行費用;C2為折算到每年的饋線投資費用;C3為饋線年網(wǎng)損費用。

C1，C2和C3可表示為:

式中:m為預計變電站的使用年限;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為變電站運行費用折算系數(shù);dij為單位長度線路的投資費用;c為電價;r為線路單位長度的電阻;τmax為最大負荷利用小時數(shù);Pij，Qij分別為每段線路最大負荷時通過的有功功率和無功功率;UN為額定電壓。

根據(jù)上述模型開發(fā)的“供電網(wǎng)計算分析輔助決策軟件:變電站規(guī)劃優(yōu)化子系統(tǒng)”可實現(xiàn)變電站自動選址功能［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)的預測負荷以及變電站、線路等費用參數(shù)，便可自動獲得各規(guī)劃年包含新建變電站個數(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，在規(guī)劃中可與人工經(jīng)驗有機結(jié)合，提高規(guī)劃的效率。

3.3 專家干預階段:候選站址綜合邊界因素評估

采用自動選址功能對變電站進行布點規(guī)劃很多時候忽略了地理環(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，這些信息對變電站選址起到了決定性的作用。從工程實踐來看，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)專家對初始站址方案附近的地理信息進行分析，進行如下關(guān)鍵調(diào)整:

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

(2)由熟悉規(guī)劃區(qū)域地理狀況的專家對各個候選站址的地理屬性進行評分，在此基礎(chǔ)上，利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)獲得各個站址的地理屬性綜合得分值，作為評價站址適應性的指標。

在本文變電站規(guī)劃中，綜合邊界因素主要考慮6個方面，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)、負荷發(fā)展(G)。對每個經(jīng)一次規(guī)劃得到的候選站址給定1個可建站分值向量如下:

式中:Ai、Bi、Di、Ei、Fi、Gi分別為第 i個候選地點在 6個因素的得分。

這樣綜合所有候選地點的分值，就可以得到1個分值矩陣如下:

對于所有的候選地點，定義1個統(tǒng)一的各個因素的權(quán)重向量β如下:

式中:a、b、d、e、f、g 分別是6 個因素的權(quán)重。

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

比較可建站指數(shù)向量中的每個元素，取其最大者對應的候選地點即是尋求的建站可行地點。

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可通過計算目標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?，可通過統(tǒng)計現(xiàn)有線路的條數(shù)及對應導線型號查表得到;ΔSc為目標年導線改造后增加的極限輸送總?cè)萘?Sn為目標年該片區(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線對應的極限輸送容量。其中，Sn可表示為

式中:P為空間負荷預測目標年各片區(qū)負荷大小;e1為目標年中壓線路平均負載率。在城市電網(wǎng)中，為了實現(xiàn)線路間負荷完全轉(zhuǎn)帶能力及滿足經(jīng)濟負載率要求，e1通常為30% ～50%。

4.2 配變臺數(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)劃年扣除專線負荷后的負荷，kW;Pi，j－1為第 i分區(qū)第 j－1 規(guī)劃年扣除專線負荷后的負荷，kW;e1為配變經(jīng)濟負載率;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為城市公用配變臺數(shù)與專用配變臺數(shù)的比例，與當?shù)氐挠秒娦再|(zhì)相關(guān)。

5 多方案技術(shù)經(jīng)濟比較

規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)接線模式對電網(wǎng)供電可靠性及經(jīng)濟性有顯著影響。首先由規(guī)劃人員根據(jù)經(jīng)驗導則，利用規(guī)劃軟件提出若干網(wǎng)架方案，然后對各規(guī)劃方案進行經(jīng)濟技術(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)比較及電氣計算

首先對電網(wǎng)規(guī)劃方案進行潮流計算和短路計算［8-10］。

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

短路計算的目的是為了選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導體，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附近通信線的影響提供計算資料等。規(guī)劃設(shè)計中，短路計算時一般計算今后若干年最大運行方式時三相短路和單相接地短路的零秒短路電流。

5.2 N －1 校驗原則

為了校驗各方案是否滿足N－1原則，對各方案全部進行可能的N－1校核分析。對于規(guī)劃的可行方案應滿足N－1原則，即系統(tǒng)中任何1條線路故障或高壓變電站1臺主變停運時，通過倒閘操作能夠?qū)崿F(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移，及時恢復供電。經(jīng)過N－1狀態(tài)的計算，線路的負荷率不能超過100%，而且線路的電壓損失不能超過3%［11］。

5.3 投資效益分析比較

投資效益分析可從靜態(tài)與動態(tài)2方面進行。靜態(tài)投資效益分析忽略了資金的時間價值，主要是通過比較各方案的總投資來確定項目的經(jīng)濟性優(yōu)劣。其缺點在于可能導致項目建設(shè)初期經(jīng)濟性占優(yōu)，但在以后逐年運行中出現(xiàn)電網(wǎng)運行費用過高，使得在項目整個壽命期內(nèi)經(jīng)濟性不佳的情形。

動態(tài)投資效益分析法有效考慮了時間價值，引入了動態(tài)回收期、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率等經(jīng)濟指標，使得項目間的經(jīng)濟分析更加準確、有效、合理［12］。

5.4 規(guī)劃流程

通過對各方案進行以上多方面指標的比較分析，最終確定一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟上占優(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 算例驗證

以某市開發(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明本文城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法的實際應用。220 kV變電站在距離該開發(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)劃方法進行如下操作。

步驟1:變電站初始方案自動確定。

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

首先通過計算機輔助決策進行自動選址，得到在僅考慮電網(wǎng)經(jīng)濟性及運行安全性的前提下，該110 kV變電站的初始站址確定在坐標(x，y)為(1.58，2.42)。

步驟2:專家組確定可行的候選站址。

由開發(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)實際情況，相關(guān)專家選定3個候選站址，分別為站址Ⅰ、站址Ⅱ、站址Ⅲ。采用AHP法對候選站址的地理信息進行權(quán)重排序，得到最終3個候選地點的可建站指數(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(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，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)果更加實用可行。

7 結(jié)語

本文總結(jié)出1套實用的城市配電網(wǎng)規(guī)劃方法。規(guī)劃方法中多個方面均可由軟件完成，實現(xiàn)了計算機輔助決策和人工干預相結(jié)合的規(guī)劃理念。在城市配電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃應用中表明，該方法具有較強實用性。

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