用戶友好配電系統規劃方法的研究

劉旭娜，汪 穎，2，黃 靜

(1.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;2.智能電網四川省重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

智能電網已成為許多國家的能源安全和國家發展戰略［1－3］。作為一個愿景或一種技術路線，智能電網的實施須從規劃設計、運行控制、管理決策等方面入手。由于配電系統直接面向用戶，對用戶與社會的滿意程度有直接影響，是實現智能電網的關鍵之一［3］。智能電網具有自愈性、抵御攻擊、優質供電、用戶參與和選擇、市場化、資產優化與高效性等特征［4］，在其發展過程中，電網企業的經營理念已從生產導向型向用戶與環境友好型轉變，更關注用戶、社會響應和對環境、經濟的影響［5］。供配電企業的經營理念通常為用戶讓渡價值最大化，具體表現為用戶滿意度最大化［6］，因此，在規劃配網時，將其作為指標之一，既符合用戶和電網經營理念要求，也是實現智能電網手段。但是，用戶滿意度受復雜不確定因素影響，通常僅能定性描述，規劃時需將定性指標轉換為直接和間接損失等定量指標，這是用戶友好配電系統規劃的關鍵。

智能配電網要求供電安全、可靠、經濟，同時對用戶和環境更友好［4］，將這樣的配電網定義為用戶友好配電系統，并將配電系統的友好性指標轉換為直接損失和間接損失，構成用戶滿意度指標，以評價配電系統對用戶的友好性。在評價直接損失時與傳統規劃方法一樣考慮停電引起的損失，考慮間接損失時主要考慮對用戶影響最嚴重的電壓暫降，這樣雖有一定片面性，但足以驗證方法的可行性和正確性。

根據 IEEE Standard 1346 –1998［7］及文獻［8］等給出的設備電壓耐受能力，同時考慮涉及的不確定性，定量評估用戶間接損失［9－10］。在進行規劃［11］時，對各種可行方案和不確定性因素引起的間接經濟損失、用戶滿意度等進行研究，重點考慮了用戶側使用最多的敏感設備［12－13］，如計算機(personal computers，PC)、調速驅動裝置(adjustable speed drives，ASD)、可編程序邏輯控制器(programmable logic controllers，PLC)和交流接觸器(AC－contactor，ACC)等。這樣同時考慮停電引起的直接損失和電壓暫降等引起的間接損失，能更合理地反映配電系統對用戶的友好性。

傳統配電系統規劃考慮了可靠性指標，主要反映了直接損失。進一步考慮用戶抱怨最多的系統中電壓暫降的不確定性引起的間接損失，提出一種新的用戶友好配電系統規劃方法。根據文獻［11］提出的配電系統電壓暫降評估法，文獻［14］提出的配電網重構法，以及文獻［12］引入電壓暫降后的可靠性分析方法，在研究間接損失的不確定性的基礎上，提出確定間接損失的方法。對各種可行性的規劃方案下電壓暫降和用戶設備電壓耐受能力進行研究，定量計算間接損失，提出用戶友好配電系統的規劃模型和方法，以RBT Bus2配電系統為例，對提出的方法進行驗證，證明方法的有效性和可能性。

1 用戶友好配電系統與規劃指標

1.1 用戶友好配電系統

傳統配電系統規劃目標［15］主要有供電能力、線損、穩態供電質量等，這些指標大多立足于供電方，反映了供配電企業生產導向型經營理念。智能電網的基本特征之一是用戶參與，必然要求在規劃和建設的過程中考慮用戶和社會利益，建立用戶友好配電系統。為了區別于傳統配電系統，將用戶友好配電系統定義為:用戶友好配電系統是智能電網愿景在配電系統中的具體化和現實表現，是在建設成本、運營成本和用戶損失最低的前提下，滿足用戶對供電容量、電量、可靠性、用電效率等的要求，考慮資源能源和環保要求，以用戶滿意度為目標的配電系統［16］。

根據以上定義，配電系統和用戶的滿意度是用戶友好配電系統的主要特征，用戶滿意度是關鍵。現有配電系統規劃考慮了供電充足性，但對用戶利益，如用戶間接損失等考慮不夠。用戶消耗電力更關注是否能達到期望的效用，即達到其希望的滿意度。用戶的滿意度受自身和電網的多重不確定性因素影響［10］，包括接線方式、回路數、線路型號、故障位置、故障類型、用電特性以及用戶設備的電壓耐受能力等。用戶設備的電壓耐受能力則根據IEEE標準［7］設定。在配電網規劃時，只有充分考慮用戶設備的耐受能力與系統內可能發生的供電質量擾動之間的兼容性，才能實現用戶友好配電系統。

1.2 用戶友好配電系統規劃指標

傳統規劃將建設成本、運營成本、用戶停電損失作為規劃目標，滿足系統的等式和不等式約束，滿足系統和用戶的可靠性指標要求。用戶友好配電系統除滿足以上要求外，用戶滿意度是重要指標之一。因此，在進行規劃時，需全面考慮系統側和用戶側成本，評估用戶停電引起的直接損失和供電質量波動引起的間接損失。在諸多間接損失中，電壓暫降引起的損失最嚴重，根據2000年的統計，美國每年因電壓暫降引起的損失達260億美元。電壓暫降引起的間接損失具有影響因素多、隨時間和空間變化的特點，需考慮可能的規劃方案中，電壓暫降的不確定性和用戶設備響應的不確定性，以此定量確定用戶滿意度，并將其納入規劃指標。用戶友好配電系統的規劃指標體系如圖1。圖中間接損失的確定是關鍵，其他指標的確定與傳統方法類似。

圖1 用戶友好配電系統規劃指標體系

2 間接損失指標的確定

2.1 配電系統電壓暫降的確定

配電系統電壓暫降的嚴重程度與系統拓撲、運行方式、故障位置、故障類型、保護類型、保護定值及裝置特性等有關［10］。現有故障定位法［17］、臨界距離法［18］等可用以確定給定用戶設備和給定配網條件下的配電系統暫降域或不可接受的故障范圍，但是，由于不同用戶設備的電壓耐受能力不同，即使在相同情況下導致間接損失也不同，因此，在配電網規劃時，需根據可行配電網規劃方案和用戶設備特性進行評估。

圖2 配電系統結構

對任意系統，如圖2，當任意線路i－j上任意位置f點發生三相短路時，任意用戶設備接入點m處的電壓暫降幅值為

式中，Ur，m為節點m的剩余電壓(電壓暫降幅值);為故障前m、f點的電壓;l為故障線路i－j的歸一化長度;Zii、Zjj為節點 i、j的自阻抗;Zmi、Zmj、Zij分別為節點 m、i、j的互阻抗;zij為線路 i－ j的阻抗;Zg為故障阻抗。當線路i－j發生非對稱故障時，可用對稱分量法分析［19］，不再贅述。

輸電系統的故障也可能引起用戶設備損失，但配電系統故障引起的暫降對用戶設備的影響更頻繁也更嚴重，同時，配電系統內大型感應電機的起動等也可能引起電壓暫降，但嚴重程度不如系統故障，可在制定供電方案時考慮。配電系統的故障具有較強的隨機性，根據線路i－j上不同故障點引起的用戶設備接入點m處的電壓暫降幅值分布，用最大熵方法［20］確定故障引起的m點電壓暫降嚴重性，其概率密度函數如式(2)。

式中，λi為第i階矩約束條件對應的拉格朗日算子，i=2，3，…，N。根據文獻［20］，取 N=5。

式(2)中，變量取值由電壓暫降幅值分布決定，結合式(1)，計算時采用的 Zii、Zjj、Zmi、Zmj、Zij均為系統阻抗矩陣對應參數，與拓撲有關，可根據規劃方案確定。

2.2 電壓暫降引起的用戶設備故障次數

用戶設備電壓耐受能力的不確定性受設備類型、安裝位置、使用壽命、運行條件、負載水平等影響，可用圖3所示不確定區域描述。對于不同設備，僅用給定特征的電壓暫降 (如幅值為50%的電壓暫降［21］)來估計用戶損失具有片面性，因此，需對電壓暫降引起的損失的不確定性進行全面評估。

圖3 用戶故障不確定性區域

發生電壓暫降時，用戶設備可能處于正常、故障、正常與故障之間的過渡狀態等多種狀態。電壓暫降發生在故障區域內時引起的損失與停電引起的直接損失的評估方法相同，當暫降發生在圖3的不確定區域時，需同時考慮系統電壓暫降的隨機性和設備運行狀態的模糊性。系統電壓暫降嚴重性的概率密度函數f(s)如式(2)，用戶設備運行狀態的模糊性可用隸屬函數μA刻畫［10］，此時用戶設備的故障概率為

式中，s為電壓暫降嚴重性指標，根據文獻［13］，可描述電壓暫降幅值、持續時間和綜合指標，這里為說明方法僅考慮暫降幅值。

用戶設備故障概率P(A)反映了線路i－j任意點故障可能導致的m點用戶設備的故障概率。在m點接入的k類用戶設備因電壓暫降引起的年故障次數為

式中，k為用戶設備類型;xmk1、xmk2表示m點處k類用戶設備電壓幅值耐受能力最小、最大值;Lij和λij為線路i－j長度和故障率。

2.3 電壓暫降引起的用戶間接損失評估

現有配網規劃很少考慮電壓暫降損失，在電力技術經濟評價中［22］，有時間接損失更嚴重［21］。這是因為其包括了設備維修、員工補貼、購置輔助設備(如不間斷電源)或修改生產工序等一系列的消費。

實際中，用戶可分為居民、商業、政府機關、工業等類。根據北歐調查數據顯示［21］，工業用戶對供電恢復時間更敏感，其他用戶的敏感特性基本相同，這與工業生產大量流水線作業相符。因此，工業用戶以瞬時中斷(200 ms)，而其他用戶則以短時中斷作為單次電壓暫降引起的間接損失。

表1為某供電公司調查統計得出的用戶中斷成本［23］，表示用戶因電壓暫降發生故障后為恢復1 kW正常用電年峰值而導致的間接經濟損失。

表1 用戶單次故障損失

節點m處k類用戶的年間接損失為

對于配電系統的可行規劃方案，全系統內用戶因電壓暫降引起的損失為

式中，m、M為可行方案內節點號和負荷接入點集合;Ck為第k類用戶單次故障損失。

3 電壓暫降引起的間接損失評估過程

基于以上分析，評估給定配電系統規劃方案間接損失的一般過程如下。

①根據給定規劃方案下的網絡拓撲結構、各支路參數，以及各類用戶設備電壓耐受能力，用式(2)和式(3)計算各類設備的故障概率。

②根據歷史統計和經驗所得系統元件可靠性參數，用式(4)計算各用戶設備接入點各類用戶的年故障次數。

③由各類用戶設備單次故障損失并計及年故障次數，計算不同系統規劃方案下用戶電壓暫降損失，確定配電系統規劃的目標函數，由此判定最優配電系統方案，得到期望的用戶友好配電系統。

4 用戶友好配電系統規劃

4.1 規劃模型

為說明原理，以系統擴建線路為規劃變量，用電壓暫降引起的用戶損失和系統電量不足損失作為年用戶損失，以年用戶損失、建設投資年費用、年運行費作為系統規劃綜合費用，以綜合費用最小為規劃目標，規劃模型如下。

式中，f1、f2、f3為建設投資等年值費用、年運行費用(包括年網損費和年折舊維護費)、用戶綜合損失費用(包括缺電損失和潛在損失);uh為第h年建設計劃(Uh為系統建設可行方案集);xh為系統結構優化變量;yh為系統運行優化變量。

式(8)、(9)為系統結構優化約束，如線路回路數、線路路徑、線型等;式(10)為系統運行優化約束，包括線路潮流、發電廠出力和機組出力、負荷水平以及系統穩定性等約束。

目標函數中各分量的表達式如下。

式中，i為投資折現率;n為施工年限;cl為線路l單位長度造價;ll為支路l新增回路數;L為系統支路集合。

式中，T為年損耗小時數;Closs為單位功率損耗年運行費用;rl、Pl分別為支路l的電阻及有功潮流;Cd為年折舊費。

式中，EENS為年電量不足期望;CIC為單位電量停電損失;Cpotential為不確定性故障引起的用戶年潛在損失。

4.2 規劃流程

根據以上規劃目標和模型，用戶友好配電系統的規劃流程如圖4。

圖4 配電網規劃流程

5 算例分析

算例取自IEEE－RBTS的BUS2配電系統的一條主饋線［24］。該系統為11 kV的配電網絡，網絡結構如圖5，圖中，方框為33/11 kV變電站，虛線為可擴建線路，LP1～LP7為負荷節點，其他均為分支節點。

利用本方法對待規劃系統進行損失評估，并與未考慮間接損失的評估結果比較，證明考慮用戶滿意度的重要性和必要性。

方案1和方案2分別為考慮和不考慮間接損失的規劃結果(實線表示選中線路，虛線未選)，相應網絡結構見圖6。

在不同方案下，各條支路在負荷節點處的電壓暫降幅值的概率密度函數系數的變化趨勢如表2和表3，表征了系統電壓暫降嚴重程度，結合各節點不同用戶設備的電壓耐受能力，得用戶設備故障概率。

結合用戶設備信息［24］，用第3節提出的方法評估經濟損失，根據SEMIF47標準，用PC、ASD、PLC分別代表居民、政府和商業、工業用戶的典型設備，并假設各用戶與設備相互獨立。由圖5及用戶信息可知，各負荷節點的類型各不相同，住宅用戶所需容量較少，單次故障對其的影響最小，但其分布數量卻最為龐大。從總體上看住宅用戶的間接損失也是個不小的數目。相對而言，工業用戶則更為集中，對單次故障概率也更為敏感。因此可以發現，如何合理地選擇用戶接入點是用戶友好配電網接下來需要考慮的問題。

表2 不同方案下支路6－8擾動的概率密度函數對負荷節點LP5上用戶造成的故障

由表2、表3可知:

(1)對于不同規劃方案，拓撲結構影響會負荷節點的故障概率密度，導致不同的用戶故障概率。以表2中結果為例，同一用戶因暫降引起的故障概率相差15%以上，說明不同用戶的滿意度不同。

(2)對于輻射型配電網，系統暫降嚴重性有單調性，如表3。負荷點處的嚴重暫降多起源于系統上游以及周邊節點，下游節點的影響可忽略，因此，用戶滿意度與用戶接入點的位置有關，說明合理的拓撲結構是規劃用戶友好配電系統的關鍵指標。

表3 方案1支路2－4和支路6－LP5擾動的概率密度函數對負荷節點LP4上用戶造成的故障

圖5 RBT Bus2配電系統饋線圖

圖6 優化網絡結構圖

(3)對于不同類型的用戶，其設備電壓耐受能力不同，同一節點處不同用戶對同一電壓暫降的兼容性不相同，這表明，在進行配網規劃時，因充分考慮可能接入的用戶設備的類型和特性。

結合系統元件的可靠性參數［24］，兩種不同方案下的費用計算結果如表4。

表4 RBT Bus2配電系統饋線規劃結果

對于方案1和方案2，兩者均能滿足負荷點的用電需求，只在饋線構建上略有不同，擴建線路的投資費用基本相同。但兩方案的間接損失分別為39.92萬元和42.5716萬元，是該系統規劃中不可忽略的部分。同時，計入用戶間接損失后，所得到的優化方案結果是不同的。雖然方案1的網損、投資及折舊維護這三者的費用之和較方案2的費用高，但該網絡減少了用戶故障次數，降低了用戶損失。可見，該規劃結果更有針對性，間接損失大的用戶將能夠獲得更高的電能質量，提高了全系統中用戶滿意度。

6 結論

(1)以上提出了實際中可行的、正確的用戶友好配電網的仿真模型。通過間接損失指標搭建了配電網結構與用戶間更為直接的聯系，將智能電網的用戶互動特性真正地體現到工程運用中，邁出了用戶友好智能配電網的第一步。

(2)考慮了配電系統中各類用戶經濟損失的不確定性，通過選擇具備用戶設備耐受能力與系統擾動最佳兼容性的規劃方案，能直觀地反映出用戶對系統的滿意度。該配電網規劃方法適用于任何規模的輻射網和環網。

(3)國內外大量地投訴都與配電系統網架結構不合理而導致的用戶經濟損失有關。仿真結果也表明了考慮用戶滿意度的必要性。如何進一步找到合理的補償裝置以及用戶的最佳接入點，提高系統抗災性，是值得更深入研究的重要課題。

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