城市10 kV配電網規劃軟件的開發與研究

孫翀也，祝洪博

(東北電力大學，吉林吉林132012)

0 引言

隨著城市建設小區用電對市區10 kV配電網規劃方案合理性和經濟性的要求越來越高，配電網規劃工作規模大，涉及領域廣，僅依靠規劃工作者經驗進行配電網規劃已經遠遠不能滿足現代配電網規劃的要求［1］。對此，本文提出開發1套操作方便、具有實用價值的配電網規劃軟件。

1 軟件設計

1.1 軟件平臺的層次結構

軟件平臺的層次結構可分為系統層、數據層、軟件層和應用層。

系統層:采用用戶常用的 Microsoft Windows 2000/Windows Xp操作系統。

數據層:目前采用SQLserver2000數據庫，負責數據存儲。

軟件層:采用Microsoft Visual Basic 6.0進行開發，與數據庫進行連結，負責圖形繪制、編輯、管理，具有數據調度、查詢、統計、存取等功能。

應用層:即客戶端，實現系統的基本功能以及專業應用。

1.2 軟件的總體設計

軟件的功能與業務相關，為用戶提供簡潔、直觀的操作，不需要掌握系統軟件的專業知識。同時，一些涉及系統維護的工作在操作時自動完成，無需用戶干預。

用戶可通過訪問人機交互界面，在地理信息系統中實現屬性數據的輸入輸出、更新維護、空間查詢分析，繪制地理圖形、輸電線路、設備圖形;在方案規劃系統中實現規劃方案布置及方案圖形管理;在綜合比較系統中實現數據處理、潮流計算、綜合投資計算;在參數維護中實時更新公用參數。軟件的開始界面如圖1所示。

圖1 軟件的開始界面

2 數據庫存儲設計

2.1 數據庫建立的基本過程

從處理數據的流程看，從原始數據輸入到處理結果的輸出，可以劃分為4個階段，即數據采集與輸入、數據儲存與管理、數據處理與分析、結果的生成與輸出。

2.2 數據庫的分塊存儲

按照存儲內容可分為地理信息系統庫、方案配置庫、元件庫與參數庫。其中元件庫為公用部分，可隨意調用。地理信息系統庫與方案配置庫相互獨立。用戶選擇進入地理信息系統時，只能讀寫地理信息系統庫而不能讀寫方案配置庫;用戶選擇進入方案配置系統會同時讀取地理信息系統庫與方案庫，但執行寫入操作時只能寫入方案庫，不同方案之間由方案號作為標志位加以區分，并在寫入時分塊操作。

以上幾部分都是用戶通過人機界面對矢量圖存儲時對數據庫的間接訪問。用戶則可通過人機界面直接進入參數庫進行參數維護工作，輸入計算的原始數據，以供方案配置及技術經濟比較時調用。圖2為數據庫各分塊之間的關系。

圖3中顏色標出的部分分別為元件庫、參數庫、地理圖形庫及方案庫對應的數據庫表。

圖2 數據庫分塊關系圖

圖3 數據庫各分塊對應的數據庫表

3 軟件的功能結構

軟件從功能上可分為以下4個子系統［4］，如圖4所示。

圖4 軟件各部分功能關系

3.1 空間負荷預測系統

空間負荷預測系統主要預測規劃小區內的負荷分布，同時將負荷總量預測與負荷分布預測結果相協調。該部分軟件具備數據庫存儲功能，能夠方便地調用、修改及積累各負荷節點的相關信息，從而為配電網規劃部分提供必要數據。

目前，空間負荷預測方法主要分為趨勢法和仿真法。趨勢法是基于負荷歷史數據外推負荷發展趨勢方法的總稱。趨勢法具有方法簡單、計算量小和數據量少等優點，僅需要小區負荷的歷史數據。但存在一些局限性，如:a.小區面積不能太小(一般大于1km2)，否則不便于收集歷史負荷數據;b.較難考慮負荷轉移，比較適合短期、中期預測，不太適合長期預測;c.小區的歷史負荷不能為零，這就使歷史年負荷為零的空地預測遇到了困難。仿真法通過分析城市土地利用的特性和發展規律來預測城市土地的使用類型、使用強度、土地價值及其地理分布和面積構成，并在此基礎上將土地使用情況轉化成空間負荷。仿真法要求每類用戶的年最大峰值負荷數據和每個小區的用戶用地等歷史數據能較好地考慮負荷轉移特性，對空地的負荷預測相關性較好，對短期、中期和長期預測都較適合。

3.2 地理信息系統

地理信息系統主要功能為繪制規劃小區的地理圖形，可以繪制任意轉角及多折數的折線，從而構成小區內眾多的居民樓、公共建筑及街道等，同時具備部分的空間查詢功能，為規劃方案提供獨立存儲的公用數據。

地理信息系統的地理數據包括位置、可能的拓撲關系、地物的特征等，地理位置特征在配網中是最基本的要素，所以把地理信息系統作為配網規劃設計的數據基礎是非常適宜的。

地理信息系統中的數據結構主要有2種類型:基于矢量的數據結構和基于柵格的數據結構。矢量數據結構使用廣泛，該軟件的地理信息系統采用基于矢量的數據結構。

在矢量數據結構中，空間目標可以劃分為點(節點)、線(弧段)或面(多邊形)類型，每種類型均可用點的坐標對來表示:

點(x，y);線(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);面(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);而且(x1，y1)=(xn，yn)。

配網具有上述3類圖形特征，如變壓器、開關及桿位等屬于點狀分布的原件，各級布線是線形實體，用戶地塊則可以用多邊形描述。

該軟件中的地理信息系統，可以直接進行矢量化的地理圖形繪制，從而省去了購買或租用GIS類系統的費用，包括地理圖的繪入、編輯和顯示，可將地圖數字化，可以在計算機中存儲和顯示，便于修改。圖形繪制功能將城市街區地圖和以其為背景的配電網絡接線圖繪入到計算機中。這種地圖是矢量化的，1幅地圖可以逐層輸入和存儲，每層存放不同的實體，具有不同的屬性，避免了編制圖形掃描與識別軟件的巨大工作量，變相減少了開發成本。

圖5為1個多層合并顯示的數字化地圖部分截圖。

圖5 數字化地圖截圖

3.3 方案規劃系統

方案規劃系統是在負荷預測及公用地理圖形的基礎上確定規劃區域內的10 kV斷路器、配電站變壓器的位置及容量，確定10 kV網絡布置，包括網絡的接線方式、線路導線的型號及具體走行路徑等。用戶可以通過訪問人機交互界面建立基于不同方法且相互獨立的多個方案，各方案均能使用公用的規劃數據，各方案數據之間各自獨立地讀取與存儲(以方案號為標志位)，如圖6所示。

圖6 方案規劃系統的進入界面

在創建1個規劃方案進入界面后，可按流程對規劃方案進行布置，主要工作可分為以下幾個步驟［3］:

a.數據調查。城市電網規劃工作需要以大量基礎數據為依據，這些數據包括城市負荷發展的相關歷史數據、未來城市發展的詳細用地規劃及城市發展規劃數據。其中，對城市用戶用地、用電情況進行詳細數據調查是一項十分繁雜的工作，需投入大量的人力和物力。

b.空間負荷預測。空間負荷預測目的是盡可能準確地確定未來各規劃年內的負荷及負荷分布情況。由于城市未來發展的不確定性，準確地預知規劃區內各地塊的負荷分布是非常困難的。這種預測的準確性取決于掌握的原始數據量、城市發展是否按規劃執行。

c.地理圖繪制及相關參數輸入。地理圖繪制及相關參數輸入是參照規劃目標區域的城市規劃圖紙，按比例在地理信息系統中繪制目標區域的地理圖，以供方案配置使用。同時輸入相關參數，如各負荷節點的位置及負荷大小等。

d.10 kV開閉所配置。10 kV開閉所配置是根據規劃區的負荷分布情況，采用分區分片方法確定各10 kV開閉所位置。其計算結果既可以自動標注在規劃區地理圖上，又可以通過人為干預進行標注。所謂人為干預主要指位置的移動，由優化算法獲取的配電變壓器位置可能不合適，如配電變壓器距建筑物太近，此時可利用系統提供的方便的圖形工具完成位置修正。

e.10 kV配電變壓器的選址定容。變壓器安放的最優位置應根據最小準則原理，選在整個用戶群容量的質心附近。當然，具體位置可以根據實際情況做出相應的調整。下面以圖7某樓群為例進行說明。

由圖7得到

式中mi(i=1，2，3，4，5)表示某i質點質量，在此為樓體負荷點負荷量;xi(i=1，2，3，4，5)表示i質點在x坐標軸下的坐標，在此為樓體負荷點的x坐標;XD為質心D在x坐標軸下的坐標，在此為負荷中心的x坐標。

圖7 某樓群布置圖

f.10 kV配電網絡規劃。將10 kV配電網按供電范圍分區對10 kV配電網絡按分區進行規劃。規劃要考慮不同斷路器之間10 kV聯絡線的設置。規劃方案需滿足各種系統約束條件(如短路容量限制、電壓水平限制、線路過負荷限制及N-1安全性準則等)［2］，從而對滿足技術要求的多個待選規劃方案進行可靠性計算和經濟性分析，完成技術經濟比較和綜合評判決策。

布線的目的是把整個用戶區所有變壓器聯結起來，并使線路投資、施工費用及網絡損耗為最小。布線同時需要建立各線路之間連接的拓撲關系，線路導線長度會自動生成，并于給出導線型號規格的條件下自動計算出支路的阻抗值。圖8為地理圖基礎上的部分規劃布置實例。

圖8 規劃方案的部分實例

g.方案的技術經濟比較。方案間需要的技術比較主要是在潮流計算的基礎上對各負荷節點進行電壓水平分析、短路電流校驗、正常運行方式下的網損分析、配電系統供電可靠性分析等。經濟比較主要包括網絡的一次投資(電力元件費用與施工工程投資)、電能損耗、年綜合運行費等(包括維護費、折舊費等)。確定方案采取如下方法:在方案滿足技術指標要求、可靠性條件約束的前提下，以經濟性最好為最優(經濟指標的綜合目標函數最小)，最終選取1個或幾個可供實施的方案進行規劃配置。

3.4 綜合比較系統

3.4.1 技術比較

a.潮流計算。該軟件采用基于支路電流的前推回代算法:一般給定配電網絡的始端電壓和末端負荷，以饋線為基本計算單位;開始時由末端向始端推算，設全網電壓都為額定電壓，根據負荷功率由末端向首端逐段推導，僅計算各元件中的功率損耗而不計算電壓，求得各條支路上的電流和功率損耗，并據此獲得始端功率，這是回代過程;再根據給定的始端電壓和求得的始端功率由始端向末端逐段計算各段的電壓降，求得各點電壓，這是前推過程。如此重復上述過程，直至各個節點的電壓偏差滿足容許條件為止。采用適合輻射狀配電網的前推回代法對等效電壓降落模型網絡進行潮流計算，可以準確地得出饋線段端點電壓的最終結果［6-7］。

b.可靠性評估。該軟件采用平均用電有效度ASAI來評估，即

ASAI=用戶用電小時數/用戶需電小時數=

式中N總為系統中總用戶數;Ni為故障時受影響的用戶數，與平均年停運時間tSi相對應;8 760為1a的小時數。

3.4.2 經濟性比較

定義某方案年總經濟成本函數U來評價方案，U主要包括方案的一次投資(電力元件投資與施工工程投資)、年綜合運行費、電能損耗。上述費用都折算到等年的參數值，表達式為

式中U為折算成等年值的方案總經濟成本;G為折算成等年參數值方案中設備及工程的總投資，不同使用年限設備的投資要轉換到等年參數值的基礎上相加。

式中m為投資總項數，ni為第i項投資的使用年限;k為利率;pi為第i項投資的初期投資;ai為第i項投資的每年投資(主要指折舊費)。

式中m為設備總數;Ji為設備i的故障檢修平均費用;gi為設備i的年故障率即年故障次數。

式中j為線路總數;Ii為第i條線路的電流;ri為第i條線路的電阻;hi為第i條線路的年運行小時數;p為平均電價。

最終，以目標函數U的數值較小為經濟性最優［5］。

4 結論

通過用該軟件對哈爾濱某在建居民小區進行負荷預測、地理圖形繪制，提出了備選規劃方案及形成了規劃布置圖，并從建設經濟性、供電可靠度、電能質量、線損等方面進行計算，擇優選取了規劃方案。由此表明:該軟件的實施，能方便、直觀、快速、準確地幫助電力部門配網規劃工作者制定合理地規劃方案，降低了規劃人員工作強度，提升了工作效率。

［1］ 陳章潮.城市電網規劃與改造［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國能源部、建設部.城市電力網規劃設計導則［S］.北京:中國電力出版社，1993.

［3］ 郭團軍，程浩忠，周敏，等.中壓配電網絡實用規劃方法［J］.電力系統及其自動化學報，2003，15(6):25-28.

［4］ 余貽鑫，王成山，肖峻，等.城網規劃計算機輔助決策系統［J］.電力系統自動化，2000，24(15):59-62.

［5］ 黃民翔，劉立.配電網經濟性和可靠性的綜合評估［J］.電網技術，1998，25(8):34-39.

［6］ 黃麗華，張順新.配電網絡規劃中潮流計算方法的研究［J］.電力學報，2000，20(5):45-50.

［7］ 王成山，王守相.基于區間算法的配電網潮流計算及算例分析［J］.中國電機工程學報，2002，22(3):58-62.