張雪瑩 劉 涌 林 冬 侯四維 劉劍寒

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)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(kāi)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(guò)將目標(biāo)區(qū)域劃分為獨(dú)立網(wǎng)格的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(jì)導(dǎo)則中，供電區(qū)域劃分只是到縣、區(qū)級(jí)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(jìn)行進(jìn)一步的劃分，劃分到鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道級(jí)，因此本文將城市劃分成供電網(wǎng)格的形式進(jìn)行進(jìn)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(jì)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(wèn)題是網(wǎng)格化的一個(gè)基本問(wèn)題。目前，在廣泛開(kāi)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(jìn)行，還較為粗糙。文獻(xiàn)[4]采用傳統(tǒng)的供電范圍劃分，默認(rèn)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(xiàn)[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(fù)荷密度，進(jìn)行中壓配電網(wǎng)接線模式的研究。文獻(xiàn)[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(guò)對(duì)各自供電區(qū)塊的規(guī)劃單元進(jìn)行求解，從而得到整個(gè)規(guī)劃區(qū)域的最佳規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[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(wèn)題。文獻(xiàn)[8]提出了網(wǎng)格的分類建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)需求評(píng)估指標(biāo)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并在實(shí)例中進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]對(duì)城市中壓配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線接線模式進(jìn)行了研究。本文在考慮中壓配電網(wǎng)接線方式以及導(dǎo)線截面選取的基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)劃的最佳供電范圍求取，并通過(guò)實(shí)際案例，驗(yàn)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(shí)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(gè)步驟：

（1）負(fù)荷預(yù)測(cè)：對(duì)待規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，為網(wǎng)格規(guī)劃打好基礎(chǔ)。

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

表1 供電區(qū)域類型劃分

（3）供電范圍求取：假設(shè)變電站的位置和容量都已確定，根據(jù)各個(gè)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(jìn)一步規(guī)劃，所以負(fù)荷預(yù)測(cè)仍然是規(guī)劃的基礎(chǔ)。供電范圍的求取在下文進(jìn)行詳細(xì)分析，網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)則主要有以下三點(diǎn)：

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

（2）網(wǎng)格劃分要與用地實(shí)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(duì)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(duì)城市進(jìn)行常規(guī)規(guī)劃，再將其劃分為網(wǎng)格分別進(jìn)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(gè)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(fù)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(gè)非常重要的方面。因?yàn)樗粌H牽涉到電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，而且關(guān)系到供電可靠性，對(duì)整個(gè)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(duì)各種可能的接線模式進(jìn)行定量的計(jì)算分析，以便得出符合實(shí)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(dá)到安全、科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的目的，各種網(wǎng)格有各自的特性及優(yōu)缺點(diǎn)，使用要取其所長(zhǎng)，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(fù)荷架空線和郊區(qū)季節(jié)性用戶，干線可以分段。優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)，配電線路和高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)量相對(duì)較少，新增負(fù)荷也比較方便；缺點(diǎn)是故障影響范圍較大，供電可靠性較差，當(dāng)線路故障時(shí)，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(gè)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(kāi)關(guān)站接線中每個(gè)開(kāi)關(guān)站具有兩回進(jìn)線，開(kāi)關(guān)站出線采用輻射狀接線方式供電；也可以在開(kāi)關(guān)站出線間形成小環(huán)網(wǎng)，進(jìn)一步提高可靠性。

圖3 不同母線出線連接開(kāi)關(guān)站接線

圖4所示雙電源手拉手環(huán)網(wǎng)接線是通過(guò)一聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將來(lái)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(lái)。任何一個(gè)區(qū)段故障，合聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將負(fù)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(guò)備用電源聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將不同母線與備用母線連接起來(lái)。任何一個(gè)區(qū)段故障，合備用母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將負(fù)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(jìn)行探討。

在負(fù)荷密度方面，假設(shè)供電分區(qū)內(nèi)的負(fù)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(duì)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(lái)自不同的變電站和來(lái)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(biāo)函數(shù)

本文采用的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)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(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)劃的供電范圍求取。

目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(tái)變壓器的出線數(shù)量相同，以N來(lái)表示，共有M臺(tái)變壓器，則出線的總數(shù)量為MN。同樣，供電區(qū)域的總負(fù)荷由MN條線路均分，每條線路的負(fù)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(zhǎng)度的價(jià)格；Si為第i條線路的橫截面積；li為第i條線路的長(zhǎng)度。

3.2.2 缺電成本：網(wǎng)格內(nèi)用戶的缺電成本

當(dāng)系統(tǒng)中某條支路出現(xiàn)故障時(shí)，該支路所連接的某個(gè)網(wǎng)格或某些網(wǎng)格會(huì)出現(xiàn)停電的情況，此時(shí)，停電所導(dǎo)致該網(wǎng)格內(nèi)所有用戶的經(jīng)濟(jì)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(jià)的60、45、30、15倍。

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

在計(jì)算缺電成本時(shí)，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(fù)時(shí)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(diǎn)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?cái)?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(diǎn)配電系統(tǒng)作為算例對(duì)本文提出的方案進(jìn)行分析，33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖6中，實(shí)線為IEEE33節(jié)點(diǎn)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(duì)于IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)看作是一個(gè)供電網(wǎng)格，為了考慮供電網(wǎng)格的類型，本文對(duì)網(wǎng)格類型進(jìn)行隨機(jī)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(duì)此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，粒子群算法屬于進(jìn)化算法的一種，它是從隨機(jī)解出發(fā)，通過(guò)迭代尋找最優(yōu)解，它也是通過(guò)適應(yīng)度來(lái)評(píng)價(jià)解的品質(zhì)，通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)。本文采用30個(gè)粒子以及100次迭代進(jìn)行求解，迭代收斂結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的最優(yōu)方案如圖8所示。可以看到，圖8中細(xì)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(jìn)行選取。

表3 網(wǎng)格類型

圖8 最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為算例，并隨機(jī)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(jì)算，該方案的網(wǎng)絡(luò)損耗成本為79.5萬(wàn)元，線路投資成本為539.71萬(wàn)元，用戶的缺電成本為366.7萬(wàn)元，總成本為985.91萬(wàn)元，滿足了最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性與可靠性，驗(yàn)證了網(wǎng)格規(guī)劃模型與方案的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

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(jì)性、可靠性要求，給出了A+、A、B、C四大類獨(dú)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(biāo)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(jì)性與可靠性的規(guī)劃最優(yōu)解；并采用IEEE33節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的最優(yōu)網(wǎng)格規(guī)劃解，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性、合理性。

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