李文龍，張華東，于寶鑫

(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000)

隨著中國經(jīng)濟和城市能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，配電網(wǎng)的發(fā)展逐漸復(fù)雜化，為避免生產(chǎn)用電和居民日常生活用電質(zhì)量下降，需要對配電網(wǎng)進行合理的規(guī)劃[1]。此外，在“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”這一概念提出的背景下，一定程度上電網(wǎng)接入電源多元化改變了配電網(wǎng)運行方式以及配電網(wǎng)運行負荷變化[2]。因此，需要重新評估電力企業(yè)供電的可靠性?；诖?，配電網(wǎng)規(guī)劃項目逐漸成為電力企業(yè)研究重點，每年國家電網(wǎng)公司都會花費大量支出立項研究配電網(wǎng)規(guī)劃項目[3]。然而，配電網(wǎng)規(guī)劃項目數(shù)量龐大，且存在一些規(guī)劃范圍重復(fù)的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，浪費電力企業(yè)資源。為此，需要優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目，實現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的有序性和精準性。

國內(nèi)外電力企業(yè)十分重視配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟性與可靠性。目前，國內(nèi)外將配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選分為評價排序和模型求解兩類。配電網(wǎng)規(guī)劃項目評價排序優(yōu)選方法主要有層次分析法、AHP法、灰色關(guān)聯(lián)度法、熵值組合法、投資效益評價法等，這類方法具有較強的主觀性，評價結(jié)果不夠客觀[4]；模型求解類的配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)化方法則考慮了可靠性水平、饋線迫切度、全壽命周期經(jīng)濟性、收益/成本分析等因素，此類方法的客觀性更強，規(guī)劃方案更為科學(xué)[5]。文獻[6]提出了一種電網(wǎng)側(cè)儲能項目管理模式選擇方式，結(jié)合矢量投影、灰色關(guān)聯(lián)、TOPSIS這3種評價排序方法，計算項目權(quán)重，建立項目選擇模型；文獻[7]提出了不確定性下柔性分布式多能源發(fā)電系統(tǒng)擴展規(guī)劃，在評估長期不確定性下運行和投資階段的靈活性，并將其轉(zhuǎn)化為隨機混合整數(shù)線性規(guī)劃，實現(xiàn)分布式多能源發(fā)電系統(tǒng)擴展規(guī)劃；文獻[8]設(shè)計了一種基于貪婪算法的城區(qū)配電網(wǎng)智能規(guī)劃模型，采用最短路徑尋優(yōu)方法構(gòu)建城區(qū)配電網(wǎng)的分布式電源接入模型，利用貪婪算法全局尋優(yōu)輸電路徑，根據(jù)尋優(yōu)結(jié)果選取更優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案；文獻[9]提出基于多策略改進的遺傳算法在配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用，以配電網(wǎng)年運行費用模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù)，融合配電網(wǎng)模糊潮流算法，計算配網(wǎng)潮流值，利用遺傳算法改進整數(shù)編碼方式求解配網(wǎng)規(guī)劃模型。

以上方法對于配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選有一定的幫助，但均沒有考慮效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性，無法提取出項目效益耦合特性，效益參數(shù)獲取不全面，使得規(guī)劃投入成本高、效益不高?；诖?，本文提出一種基于效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性的配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型，建立項目效益耦合方程，提取項目效益耦合特性，設(shè)計配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)化約束，以項目最大投資效益為目標(biāo)建立優(yōu)選模型。通過對現(xiàn)有2種方法進行對比驗證，為有限預(yù)算下配電網(wǎng)多區(qū)域項目優(yōu)選提供依據(jù)。

1 考慮效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性的配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型

1.1 提取配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合特性

配電網(wǎng)規(guī)劃的單個與綜合項目之間、單個與單個項目之間都存在效益耦合關(guān)系，即當(dāng)配電網(wǎng)規(guī)劃的2個或多個項目一同投入使用時，其存在效益重疊的部分，可以綜合提高配電網(wǎng)運行可靠性；當(dāng)配電網(wǎng)規(guī)劃的2個或多個項目間存在范圍重疊和功能重復(fù)時，其存在的重疊部分會降低單一項目運行效益[10]。特別是電網(wǎng)接入電源出現(xiàn)多元化的情況，各種分布式電源的接入，會導(dǎo)致配電網(wǎng)運行負荷的變化?；诖?，將配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合分為相容和扶持2種，而這2種效益耦合可以通過計算項目耦合度，確定項目效益耦合特性。

為此，將配電網(wǎng)規(guī)劃項目記為xi(i=1,2,…,I)，其中，I表示優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目數(shù)量，假設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目的序參量為ζi，配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)后的功效參數(shù)為Gi，則其效益耦合的有序功效函數(shù)為

(1)

式中f(ζi)為配電網(wǎng)規(guī)劃項目的有序程度，當(dāng)f(ζi)無線趨近于0時，配電網(wǎng)規(guī)劃項目有序程度極低；當(dāng)f(ζi)無線趨近于1時，配電網(wǎng)規(guī)劃項目有序程度極高；+表示ζi取值為正，-表示ζi取值為負；Gmax、Gmin分別為配電網(wǎng)規(guī)劃項目穩(wěn)定臨界的上限、下限。

采用線性加權(quán)的方式，集成式(1)計算得到的配電網(wǎng)項目序參量ζ，則有

wI≥0,∑wI=1

(2)

式中wI為配電網(wǎng)規(guī)劃第i個項目xi相對于第j個項目xj的權(quán)重。

由式(1)、(2)可知，配電網(wǎng)規(guī)劃項目耦合與磁鏈中的電感效益耦合較為相似，為此，仿照電感矩陣建立配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合方程：

(3)

其中，O為配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合度。O的閾值為(0,1)，則配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合度值越接近于1，配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合度越高。

1.2 確定配電網(wǎng)規(guī)劃項目時序關(guān)聯(lián)特性

在建設(shè)過程中，由于配電網(wǎng)規(guī)劃項目需要按照一定的時間順序?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)以及項目的正常運行[11]，為此，根據(jù)時序關(guān)聯(lián)規(guī)則定義，確定配電網(wǎng)規(guī)劃項目的時序關(guān)聯(lián)特性。假設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目集合I的時間序列為τ={τ1,τ2,…,τI}，將L作為項目時間序列滑動窗口長度，將I的時間序列τ離散成配電網(wǎng)規(guī)劃項目xi和xj的時間序列τ1(xi)和τ2(xj)：

(4)

根據(jù)式(4)，給定常數(shù)a，則配電網(wǎng)規(guī)劃項目xi和xj的時間序列τ1(xi)和τ2(xj)存在如下3種條件[12]：

(5)

式中M(τ1(xi),τ2(xj))為τ1(xi)、τ2(xj)中元素重疊次數(shù)。

當(dāng)式(5)中的第1式成立時，則xi中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項目包含xj中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項目，因此，xi、xj具有依賴時間序列特性；當(dāng)式(5)中的第2式成立時，則xi中的配電網(wǎng)規(guī)劃項目不包含xj中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項目，但是兩者之間還存在緊密聯(lián)系，因此，xi與xj具有互補時間序列特性；當(dāng)式(5)中的第3式成立時，則xi中的配電網(wǎng)規(guī)劃項目不包含xj中的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，且還相互影響，因此，xi、xj具有互斥時間序列特性。

1.3 考慮效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目

根據(jù)上述對配電網(wǎng)規(guī)劃項目耦合效益和時序關(guān)聯(lián)特性分析結(jié)果，設(shè)計配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)時間和資源、資源轉(zhuǎn)移、工期、邏輯、項目依賴以及互斥和互補等約束條件，考慮電網(wǎng)接入電源多元化因素，約束配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選條件。

建設(shè)時間及建設(shè)資源：在建設(shè)過程中，配電網(wǎng)規(guī)劃項目投入時間一定，因此需要設(shè)定項目完工時間，也稱建設(shè)時間約束，即從項目建設(shè)開始，在設(shè)定的完工時間內(nèi)，完成配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)，以此來保證配電網(wǎng)規(guī)劃項目收益和使用。此外，配電網(wǎng)規(guī)劃項目在建設(shè)過程中，存在多個建設(shè)階段，每個階段所需要的人工、設(shè)備等都存在一定的差異[13]。所以，其每個階段所需要的建設(shè)資源都屬于配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選的約束條件?；诖耍O(shè)計配電網(wǎng)第i個規(guī)劃項目時間約束和資源約束，其表達式為

(6)

此外在規(guī)劃過程中，配電網(wǎng)規(guī)劃項目資源還存在上一階段的資源未用完而移交到下一階段繼續(xù)使用的現(xiàn)象。為此，在式(6)的資源約束基礎(chǔ)上，設(shè)計配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)資源轉(zhuǎn)移約束：

(7)

建設(shè)工期：當(dāng)xi為優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目時，需要根據(jù)xi建設(shè)配電網(wǎng)，此時的施工周期必須處于連續(xù)施工狀態(tài)。而配電網(wǎng)規(guī)劃項目在建設(shè)過程中，優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目必須符合項目實際建設(shè)步驟、建設(shè)狀態(tài)，這種符合條件可以稱為邏輯約束[14]。為此，設(shè)計配電網(wǎng)規(guī)劃項目施工工期和邏輯約束，其表達式為

(8)

根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃項目所具有的時序關(guān)聯(lián)特性，設(shè)計配電網(wǎng)規(guī)劃項目的依賴、互斥、互補之間的約束關(guān)系，其約束表達式為

(9)

根據(jù)約束條件式(9)，當(dāng)t時間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項目xt,j和xt,i之間為依賴關(guān)系，且xt,i依賴xt,j，則xt,i的建設(shè)完工時間必然比xt,j的建設(shè)完工時間晚，因此，xt,i的工期大于等于xt,j的工期；當(dāng)t時間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項目xt,j和xt,i之間為互斥關(guān)系，則配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選只能選出一個，因此，2個項目相乘將小于等于0；當(dāng)t時間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項目xt,j和xt,i之間為互補關(guān)系，需要2個項目同時運行才能讓配電網(wǎng)產(chǎn)生效益，則xt,j和xt,i的建設(shè)投入時間必須一致，因此，xt,i的工期必須等于xt,j的工期。

根據(jù)式(6)～(9)，依據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性，以配電網(wǎng)規(guī)劃項目最大投資效益為目標(biāo)，建立優(yōu)選模型：

F=max$=

(10)

依據(jù)約束條件式(6)～(9)、優(yōu)選模型式(10)得到的最大投資效益值，優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目。

2 算例分析

選擇文獻[8]中基于貪婪算法和文獻[9]中基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型作為此次實驗對比方法，將存在多電源接入的某地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃項目作為此次實驗算例，比較本文方法與文獻[8]、[9]方法對該配電網(wǎng)規(guī)劃項目的優(yōu)化結(jié)果，驗證本文方法研究模型的優(yōu)越性。

2.1 配電網(wǎng)規(guī)劃項目數(shù)據(jù)

實驗選擇的配電網(wǎng)規(guī)劃項目規(guī)劃年限均為5 a，每個項目的經(jīng)濟壽命周期為20 a，其規(guī)劃的項目基本數(shù)據(jù)如表1所示，16個配電網(wǎng)規(guī)劃項目的建設(shè)位置均處于該區(qū)域63 km2的市中心，16個項目在市中心需要承擔(dān)30 MW/km2的負荷密度，供電質(zhì)量需要達到A+。因此，3組方法優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目產(chǎn)電比系數(shù)需要達到23.28元/(kW/h)。

表1 配電網(wǎng)規(guī)劃項目基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of distribution network planning project

2.2 計算項目成本和效益

實驗的總成本￥和效益￥l,i計算公式為

(11)

式中 ￥1為投資成本；￥2為人力成本；￥3為設(shè)備使用成本；εl為第l個供電區(qū)域產(chǎn)電比系數(shù)；δ為電價系數(shù)；ΔEl,i為配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)完成后年均減少的電量損失。

根據(jù)式(11)，計算3組項目優(yōu)選模型，優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目成本和效益。

2.3 算例結(jié)果

實驗選擇的配電網(wǎng)規(guī)劃區(qū)域建設(shè)項目的投資成本為1 800萬元，人力成本為350萬元，設(shè)備使用成本為350萬元。3組配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目成本不能超過區(qū)域設(shè)置的投資總成本。

2.3.1 配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選結(jié)果對比

3組配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)選模型根據(jù)實驗設(shè)置的項目優(yōu)選條件，從表1中優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目以及項目建設(shè)年份如圖1所示(0表示該配電網(wǎng)規(guī)劃項目未入選)，可以看出，基于貪婪算法的項目優(yōu)選模型16項配電網(wǎng)規(guī)劃項目均入選，且項目入選時間均為配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的第1年；基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型與本文研究模型優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目較為接近，但是，僅配電網(wǎng)規(guī)劃1～7項目優(yōu)選建設(shè)年份不一致。根據(jù)圖1，依據(jù)表1中配電網(wǎng)規(guī)劃項目基本數(shù)據(jù)，采用式(11)分別計算優(yōu)選項目成本和效益。

圖1 3組模型優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目對比Figure 1 Comparison of distribution network planning under three types of models

2.3.2 優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目成本對比

3組配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型優(yōu)選項目成本對比結(jié)果如圖2所示，可以看出，基于貪婪算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目的5 a內(nèi)，所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為2 400萬元；基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目的5 a內(nèi)，所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為1 744萬元；本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目的5 a內(nèi)，所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為1 280萬元。

圖2 優(yōu)選項目成本對比Figure 2 Cost comparison of preferred projects

由此可見，3組配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，均在此次建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項目總投入成本內(nèi)。但是，本文研究模型相較基于貪婪算法的項目優(yōu)選模型和基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本分別降低了1 120、464萬元。因此，本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目成本低。

2.3.3 優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益對比

3組配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型優(yōu)選項目效益對比結(jié)果如圖3所示，可以看出，基于貪婪算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，5 a內(nèi)的項目收益為4.2×104萬元；基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，5 a內(nèi)的項目收益為4.5×104萬元；本文研究模型的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，5 a內(nèi)的項目收益為4.8×104萬元，相較基于貪婪算法和基于遺傳算法的項目優(yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目，本文研究模型5 a內(nèi)的項目收益分別高0.6×104、0.3×104萬元。由此可見，本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益高。

圖3 優(yōu)選項目效益對比Figure 3 Benefit comparison of optimized projects

3 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法無法得到更高效益的問題，本研究設(shè)計一種新的配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選模型。充分考慮配電網(wǎng)規(guī)劃項目效益耦合和時序關(guān)聯(lián)特性，并將其作為項目優(yōu)選依據(jù)，設(shè)計項目優(yōu)選約束條件。仿真實驗測試結(jié)果顯示與文獻方法相比，本文提出的配電網(wǎng)規(guī)劃項目優(yōu)選方案成本更低，項目效益較高，有效降低了優(yōu)選項目建設(shè)成本。但是此次研究模型，未曾考慮配電網(wǎng)建設(shè)潮流、負荷等因素對項目建設(shè)影響，在今后的研究中，還需考慮配電網(wǎng)建設(shè)潮流、負荷等影響因素，進一步提高配電網(wǎng)規(guī)劃項目建設(shè)效益。