基于綜合邊界因素的城市配電網規劃

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

配電網規劃的目標是能夠使電網發展滿足并適度超前于供電區域內的經濟發展要求，并能發揮其對于電網建設、運行和供電保障的先導和決定作用［1-5］。一直以來，由于電網規劃基礎數據不足、電網規劃技術手段缺乏以及城市發展的不確定性等因素使得城市電網規劃成為一個復雜、困難的問題。國內外專家學者運用許多優秀的思想方法(如數學優化方法和啟發式方法)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有的基礎數據、計算工具和方法，建立起實用的規劃體系還有待完善。

本文從工程應用角度出發，根據城市配電網實際情況，總結出一套實用的城市配電網規劃方法，為目前城市電網“十二五”規劃提供一定的實際參考。

1 城市配電網規劃實用方法

本文規劃方法以負荷預測為基礎。首先，以人工規劃及計算機自動選址輔助決策為手段，并結合電網建設邊界因素，確定電源點(或變電站)的位置、容量及供電范圍;其次，依據規劃導則或標準要求，通過所選線路型號估算得到變電站的20/10 kV的出線情況、開關臺數，并確定中壓網絡接線模式;然后，根據電力平衡估算新建和改造的公、專配變臺數以及與此容量對應的分層分區中低壓無功補償比例。這種方法的優點是使用的工具直觀，可操作性強，可以同規劃人員的寶貴經驗相結合，并且規劃與評估相互校驗、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規劃有著顯著的影響。本文根據城市電網規劃的實際情況，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負荷;最后，多種預測結果相互校驗、修正。

2.1 全局預測

全局負荷預測是對全地區總的負荷需求量進行全面宏觀預測，了解規劃地區總的負荷發展水平，以便確定規劃年的輸配電系統所需要的設備容量。

全局負荷預測時需要將這個地區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，通過該地區的國民經濟數據得到各大用戶的用電量，再考察在規劃年大用戶是否有擴建或停產等情況。全局負荷預測得到的結果可以采用彈性系數法相互進行校核。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 分區負荷預測

分區負荷預測法分別對供電區內每個分塊(分區)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。在分區的基礎上，分區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，將各個分區的負荷預測結果匯總得到總負荷及電量，以與全局負荷預測得到的結果相互進行校核。圖2為分區負荷預測法的流程圖。

圖2 分區負荷預測流程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規劃的基礎。空間負荷預測的方法有很多種，其中，分類分區法是一種簡單實用的方法。其主要思想是:先估算各小區的負荷密度，再結合其面積計算各小區負荷。目前，大多數分類分區法對同類小區采用相同的負荷密度，難以將時間發展因素對小區負荷密度的影響考慮全面。

“供電網計算分析輔助決策軟件:規劃配網負荷預測子系統”(www.ceesinc.cn)改善了傳統的空間負荷預測精度［6］。該軟件算法采用基于空區推論的思想把各類小區分為有、無歷史負荷數據的老城區和新城區，采用不同的負荷預測思路進行預測。預測結果中各小區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化

3.1 概述

變電站規劃是配電網規劃的關鍵環節，直接影響未來電網的結構、供電質量、運行經濟性和供電可靠性。傳統的規劃方法很難對其進行全面、準確、科學的規劃。隨著電力系統的不斷發展，進行變電站規劃時涉及到的因素也越來越多，因此在規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，經濟性指標最優(投資和損耗費用最低)只是眾多優化目標之一，必須同時兼顧變電站站址的環境效益和社會效益等方面因素。

本文從科學、實用角度出發，提出一種基于電網建設邊界因素的變電站兩階段規劃方法，將計算機輔助自動選址與專家經驗規劃相結合，以此求得經濟性指標和地理環境適應性指標綜合最優的組合方案，實現多級電網的整體優化。

3.2 計算機優化階段:變電站初始方案自動確定

變電站規劃問題可描述為: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。

變電站規劃優化數學模型可表示為:

式中:N為已有和新建變電站的個數;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為經濟負載率;cosθ為功率因數;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;dvar為變電站的可變投資系數;dop為變電站運行費用折算系數;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;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。

根據上述模型開發的“供電網計算分析輔助決策軟件:變電站規劃優化子系統”可實現變電站自動選址功能［7］。在選址優化中只需知道現有變電站情況、規劃年各小區的預測負荷以及變電站、線路等費用參數，便可自動獲得各規劃年包含新建變電站個數、站址和容量的初步規劃優化方案。

該規劃輔助軟件直觀、人性化，可操作性強，在規劃中可與人工經驗有機結合，提高規劃的效率。

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劃很多時候忽略了地理環境及施工環境等外部因素。這些外部因素中包含了用地性質、交通狀況、施工條件、地質地形等各種數據信息，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域(如小區附近、街道、繁華區等)，進而影響整體方案的可行性。本文考慮了這一情況，在此基礎上由有關專家對初始站址方案附近的地理信息進行分析，進行如下關鍵調整:

(1)在初始規劃方案基礎上，針對每個不適宜建站的站址，分析其周邊環境，給出幾個可行的調整位置。

(2)由熟悉規劃區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。

在本文變電站規劃中，綜合邊界因素主要考慮6個方面，分別為用地性質(A)、交通狀況(B)、防洪排水(D)、施工條件(E)、地形地質(F)、負荷發展(G)。對每個經一次規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個統一的各個因素的權重向量β如下:

式中:a、b、d、e、f、g 分別是6 個因素的權重。

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

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

4 城市配電網規劃中的估算方法

4.1 10 kV線路出線估算

城市各片區的20/10 kV線路新建條數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為各區現有線路的極限輸送總容量，可通過統計現有線路的條數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容量;Sn為目標年該片區所需的線路極限輸送總容量;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負荷大小;e1為目標年中壓線路平均負載率。在城市電網中，為了實現線路間負荷完全轉帶能力及滿足經濟負載率要求，e1通常為30% ～50%。

4.2 配變臺數估算

配變分為公用配變和專用配變，第i分區第j規劃年新增公用配變臺數nij可表示為

式中:Pij為第i分區第j規劃年扣除專線負荷后的負荷，kW;Pi，j－1為第 i分區第 j－1 規劃年扣除專線負荷后的負荷，kW;e1為配變經濟負載率;SK為配變平均容量，MVA;cosθ為配電網功率因數;ni0為現狀年第i分區的配變總數。

則第i分區第j規劃年新增公用配變數nij，1可表示為

式中k為城市公用配變臺數與專用配變臺數的比例，與當地的用電性質相關。

5 多方案技術經濟比較

規劃網絡接線模式對電網供電可靠性及經濟性有顯著影響。首先由規劃人員根據經驗導則，利用規劃軟件提出若干網架方案，然后對各規劃方案進行經濟技術與可靠性分析，最后經綜合分析后提出推薦方案。

5.1 規劃方案技術比較及電氣計算

首先對電網規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絡方案，選擇導線和變電所主設備規格，為選用調壓裝置、無功補償及其配置提供依據，并為其他電力系統計算分析(如短路計算)提供原始數據。在進行潮流計算時，規劃人員要綜合考慮電網的各種運行方式，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，網絡運行方式按正常開環運行(使每1個環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劃方案的網損情況。

短路計算的目的是為了選用有足夠熱穩定度和動穩定度的電氣設備及載流導體，確定限制短路電流的措施。在電力系統中合理地配置各種繼電保護并整定其參數，還可為電網接線和電廠、變電所電氣主接線提供比選依據，并為確定送電線路對附近通信線的影響提供計算資料等。規劃設計中，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。對于規劃的可行方案應滿足N－1原則，即系統中任何1條線路故障或高壓變電站1臺主變停運時，通過倒閘操作能夠實現負荷轉移，及時恢復供電。經過N－1狀態的計算，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與動態2方面進行。靜態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濟性優劣。其缺點在于可能導致項目建設初期經濟性占優，但在以后逐年運行中出現電網運行費用過高，使得在項目整個壽命期內經濟性不佳的情形。

動態投資效益分析法有效考慮了時間價值，引入了動態回收期、凈現值、內部收益率等經濟指標，使得項目間的經濟分析更加準確、有效、合理［12］。

5.4 規劃流程

通過對各方案進行以上多方面指標的比較分析，最終確定一種技術上可行、經濟上占優的電網規劃方案。

基于綜合邊界條件的電網規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規劃方法流程Fig.3 Flow chart of network planning method based on boundary conditions

6 算例驗證

以某市開發城區新建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規劃方法的實際應用。220 kV變電站在距離該開發城區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，得到在僅考慮電網經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。

由開發區的用地性質得知，該110 kV變電站的初始站址不適宜新建變電站，站址需要調整。根據城區實際情況，相關專家選定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重排序，得到最終3個候選地點的可建站指數向量 Φ 為(0.6573，0.8433，0.4982)。

因此本算例將站址Ⅱ作為調整后的變電站可行性站址，其坐標(x，y)為(1.70，1.65)。規劃結果如圖5所示。

圖5 規劃結果示意圖Fig.5 Diagram of planning result

從規劃結果可見，該規劃方案合理，能夠滿足電網發展的需要，全面考慮了電網規劃的諸多不確定邊界因素，使得規劃結果更加實用可行。

7 結語

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

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