基于負荷重組的城市配電網供電能力提升研究

姜 建，樓 健，吳舜裕，劉海瓊

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.杭州沃瑞電力科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

配電網作為整個電力網絡的末端，與用戶的聯系最為密切，是電力網絡中非常重要的一部分。隨著社會經濟與城市規模的快速發展，城市用電量增速明顯加快，各類業擴工程接入需求量不斷上升，配電網可用供電能力不足的問題日益嚴重。為了適應城市發展需要，電網的改造和擴建已全面展開，而城市建成區用地緊張，變電站和饋線占地成本高，有些中心區域站點和線路通道資源已經非常緊張，獲得新變電站的站址和新出饋線的地下通道已變得非常困難[1-2]。

目前，國內外學者針對城市配電網供電能力提升已開展了多方面的研究，但通常是從配電網規劃角度來改善配電網網絡結構，所采取措施通常為新建或改變聯絡開關、新建線路等。文獻[3]提出了基于供電能力的變電站主變壓器站間聯絡結構的多目標優化模型，并采用遺傳算法進行求解；文獻[4]建立基于最大供電能力的配電網線路優化規劃模型，通過線路切改、加裝開關和新建聯絡線等手段挖掘配電網設備潛力；文獻[5]在變電站與網絡結構確定的情況下，提出通過改變聯絡線路中聯絡開關的位置和狀態，對已有負荷所在線路進行切改，以實現供電能力的提升。上述方法雖然滿足了配電網對線路負載率裕度的要求，卻加劇了已有的用電低谷期電網設備利用率普遍低下、大量網管資源被占用的問題，同時造成電網建設投資回報率低下和電網建設投資浪費的現象。

為此，本文在現有配電網的網架條件下，在不新建變電站和饋線的情況下，采用對線路上母線與間隔的負荷布點進行全局優化重組的技術路線，提出負荷錯峰互補、均衡優化的大數據分析與計算策略，挖掘現有電網的供電能力，實現降低線路負荷峰值與波動性，提升配電網的可用供電能力，以消納更多負荷。

1 挖潛思路

城市電力負荷通常可分成以下幾種典型負荷：居民負荷、寫字樓負荷、商業負荷、工業負荷、學校負荷等，各類負荷都具有不同的變化規律，其典型日負荷曲線及負荷形態存在較大差異。例如：商業負荷受人們的消費和生活習慣影響，在午間、晚間出現雙峰段，凌晨4:00 左右出現負荷低谷；而寫字樓負荷受上班時間影響，在9:00出現全天負荷峰值，17:00 左右負荷顯著減小[6-7]。

不同類型用戶的日負荷曲線除了峰谷值出現時段不一致以外，日峰谷差、波動性也各不相同，而實際配電網線路上會接入多種不同類型的用戶，且各類用戶所占的比例也不一樣，使得線路的日負荷特性曲線各異，改變線路上的負荷組成，線路日負荷曲線也將隨之發生變化。

如圖1 所示，某環網包含線路1 和線路2，線路1 的子負荷包括負荷1-1、負荷1-2、負荷1-3，線路2 的子負荷包括負荷2-1、負荷2-2、負荷2-3。

圖1 線路供電能力挖潛示意圖

初始接線方式下，線路1 和線路2 的歷史日負荷曲線波動均較大,峰谷值差異大，考慮到各子負荷所接入的用戶負荷類型存在差異，各子負荷的負荷峰值、用電高峰出現的時刻、負荷的波動性均存在差異，如負荷1-2 與負荷2-2 的峰值時刻錯開，且當負荷1-2 處于峰值時段時，負荷2-2 處于谷值時段。因此對線路1 和線路2 上的負荷進行重組，將線路1 上的負荷1-2 與線路2上的負荷2-2 進行互換，即重組優化后的接線方式變為：線路1 接入負荷1-1、負荷2-2、負荷1-3，線路2 接入負荷2-1、負荷1-2、負荷2-3。由圖1 可見，重組優化后線路1 和線路2 上的負荷曲線波動幅度變小，同時線路1 負荷峰值降低P1，線路2 負荷峰值降低P2，可接入更多的負荷，供電能力得到提升。

2 挖潛模型

為綜合評判優化方案的合理性，考慮優化方案中線路負荷峰值、負荷均衡度以及優化成本等因素，建立綜合評價指標V：

其中：

式中：Pmax為優化方案線路峰值下降幅度；為Pmax歸一化后的值；Pvar為線路負荷均衡度；為Pvar歸一化后的值；C 為優化方案實施成本；C*為C 均一化后的值；H 為數據點個數；μi為第i 個數據點時刻負荷的平均值；pi為第i 個數據點時刻負荷值；α，β，γ 分別為各指標權重系數。

所采用的歸一化處理函數為：

式中：x 為待歸一化量；x*為歸一化后量；xmax，xmin分別為最大值、最小值。

3 挖潛方式

為保證配電網供電可靠性，本挖潛方法只對配電網環網線路進行優化，利用線路篩選方法挑選出有挖潛必要的線路，并結合實際工程改造量，提出母線優化和間隔優化2 種負荷重組方式。

3.1 線路篩選

線路篩選依據以下2 個條件進行判斷，符合條件的才進行挖潛計算。

3.1.1 設備條件

設備條件判定是對供電路徑改造條件進行篩選，判定不同供電線路需同時存在60%以上相同開關站，且線路均為電纜或同桿架空線路才具備優化條件，即：

式中：Ωa_s，Ωb_s分別為路徑a 與路徑b 途徑開關站的集合；N 為供電路徑集合中所途徑的開關站個數；Ωa_l，Ωb_l分別為路徑a 與路徑b 的線路集合；Ωl為所有線路集合；Ωcab為電纜線路集合；Ωove為同桿雙回架空線路集合。

3.1.2 特征條件

負荷特征條件指優化的路徑對象a 與b 的平均負載率、錯峰程度以及峰值差是否具備可開放容量挖潛條件。當優化對象滿足設備判定條件，再進一步判斷是否滿足以下3 個負荷特征條件之一。

式中：pt為t 時刻線路功率值；T 為時間長度；pmax為線路額定容量。

（2）不同饋線之間具有明顯錯峰現象的線路，若不同線路的峰值出現時間差Δtab大于2 h，則判定其具有錯峰現象。

式中：ta_max為路徑a 的波峰時間點；tb_max為路徑b的波峰時間點。

（3）優化對象之間負荷峰值差Δpab大于30%。

式中：pa_max，pb_max分別為路徑a、路徑b 的最大功率值；pa_rat，pb_rat為線路額定容量。

3.2 負荷重組方式

對線路負荷進行重組，需要考慮重組方案在實際工程改造中的實施工作量與停電成本等因素，因此為盡可能減少實施工作量、避免停電，本文選取母線優化和間隔優化2 種重組方式進行優化。

3.2.1 母線優化

母線優化是以線路上各開關站的母線為單位，將每條母線上所接的負荷作為一個子負荷，即將屬于同一條母線的配電變壓器負荷進行疊加組合，計算各母線的歷史負荷數據，通過調整不同開關站之間Ⅰ段母線與Ⅱ段母線之間的連接，改變線路接入的母線負荷。

3.2.2 間隔優化

間隔負荷分組是以開關站母線的間隔為單位，將每個間隔上所接的負荷作為一個子負荷，即將屬于同一間隔的配電變壓器負荷進行疊加組合，計算各間隔的歷史負荷數據，通過調整開關站內母線與各間隔之間的連接，改變線路上母線接入的間隔負荷。

由于實際操作過程中，母線調整的實施工作量少于間隔調整的實施工作量，因此優先對配網線路上的母線進行優化重組，若母線優化后，線路仍具有較大的供電能力挖潛空間，則進一步實施間隔優化布點，最終實現線路負荷降峰值、平波動以及錯峰互補的效果。

4 挖潛算法

隨著優化目標線路條數、子負荷數量的增加，負荷重組方案個數將呈指數級增加，并且考慮到各個重組方案對優化效果以及改造成本的影響，將供電能力挖潛算法分為聚類分析、母線優化、間隔優化以及綜合評價4 個部分。挖潛算法的流程如圖2 所示。

圖2 供電能力挖潛算法流程

4.1 聚類分析

為提高負荷重組過程的計算速度，先對母線負荷數據進行2 次k-means 聚類分析，區分母線負荷高低與形態特征差異，再將具備互補特性的母線族群進行重組，從而得到母線優化結果。具體包括3 個步驟。

步驟1：對均一化后的母線日負荷數據進行k-means 聚類，形成M 類負荷族群，得到具有不同負荷水平的母線族群聚類結果。

步驟2：以母線負荷變化率作為輸入，對M類負荷族群分別進行k-means 二次聚類，形成N類負荷族群，得到具有不同負荷水平和不同形態變化特征的母線聚類結果。其中，第i 個數據點的變化率ki為：

式中：pi為母線的第i 個負荷數據點；pi+1為母線的第i+1 個負荷數據點。

步驟3：計算N 個母線負荷族群彼此的互補性λ：

式中：a，b 為兩個母線負荷族群中心；H 為數據點個數；為a 負荷族群中心的第i 個均一化后的負荷值；為b 負荷族群中心的第i 個均一化后的負荷值；為a 負荷族群中心的第i 個功率變化率值；為b 負荷族群中心的第i 個功率變化率值。λ 值越大，兩個負荷族群中心在負荷水平與形態特征上的差異越大，其族群互補性越強。

4.2 母線優化

聚類分析后根據各負荷族群互補性λ 值，形成母線優化組合方案。為加快尋優速度，僅對剩余族群中互補性最大的族群元素進行方案尋優組合。同時，為保證組合方案在實際配電網運行的可行性，對優化方案進行供電路徑輻射性驗證，若不滿足供電路徑輻射性條件，則剔除該優化方案；若滿足供電路徑輻射性條件，則將該優化方案放入母線優化方案集合中。最后，計算母線優化方案集合中各方案供電潛力指標δ：

式中：δ 為供電潛力指標；L1，L2分別為環網線路不同線路歸一化后負荷曲線。

若δ＞0.1，則表示線路負荷仍然存在較大潛力可供挖掘，可進一步進行開關站內間隔優化；否則，將該母線優化方案作為候選方案輸出。

4.3 間隔優化

間隔優化只在母線優化結果不滿足供電潛力指標的情況下進行，且只對同一開關站內間隔進行交換調整。

間隔優化計算的流程為：首先計算不同饋線負荷趨勢差值向量ΔLbus與同一開關站內不同母線段間隔之間負荷差值向量ΔLbranch。然后比較各間隔ΔLbranch與ΔLbus之間的歐式距離，將歐式距離最小的作為間隔優化方案進行供電潛力評估計算。若供電潛力指標值δ 仍然大于閾值0.1，則再次計算最新優化方案的饋線負荷趨勢差值向量，并進行間隔調整對象匹配。此外，如果再次間隔優化后的供電潛力指標呈上升趨勢，即δt+1＞δt，則結束間隔優化計算，直接輸出第t 次優化結果。

4.4 綜合指標評價

根據式（1）綜合評價模型，得到成本指標為：

式中：C 為優化方案實施成本；cbus為母線調整量；cbranch為間隔調整量；γ1，γ2分別為母線調整指標權重和間隔調整指標權重。

經過對優化方案綜合評價，模型算法將指標V 值最低的20 個方案作為最終可選方案，并將方案交給運行方式專職、施工方進行可行性評判，運行方式專職、施工方結合施工現場、開關站內設備等相關情況，確定最終施工方案。

5 實際算例

本算例選取杭州市區2 條10 kV 環網線路（林語8057 線和駱莊8058 線）進行挖潛計算，2條線路上共17 個開關站，接入31 臺公用變壓器、37 臺專用變壓器。配電變壓器夏季負荷高峰日96 點的負荷數據如圖3、圖4 所示，林語8057線負荷峰值為6 118.82 kW，駱莊8058 線負荷峰值為5 635.09 kW。

圖3 林語8057 線優化前線路日負荷曲線

圖4 駱莊8058 線優化前線路日負荷曲線

本算例設定權重α=0.6，β=0.2，γ=0.2，γ1=0.2，γ2=0.8，通過挖潛計算得出方案26 的綜合指標最小，其線路最大功率水平Pmax為5 192.80 kW，均衡度Pvar為183.77，成本指標中綜合評價總指標V=0.028 6，該方案與初始方案的指標對比如表1 所示。

表1 優化前后指標對比

圖5、圖6 分別為林語8057 線與駱莊8058 線挖潛優化前后負荷曲線對比。可見，經配電網供電能力挖掘優化后，林語8057 線峰值由6 118.82 kW 降為5 192.80 kW，駱莊8058 線峰值由5 635.09 kW 降為5 190.74 kW，可有效釋放1 370.37 kW 的供電潛力，有效降低了線路負荷峰值，并提升了線路的負荷均衡度與穩定度。

圖5 林語8057 線優化前后日負荷曲線對比

圖6 駱莊8058 線優化前后日負荷曲線對比

方案26 對應的林語8057 線-駱莊8058 線的母線優化與間隔優化方案，需要調整的母線如圖7 所示，具體包括：林語8057 線的樂村站Ⅰ、財院站Ⅰ、華翠站Ⅰ換至駱莊8058 線；駱莊8058線的樂村站Ⅱ、財院站Ⅱ、華翠站Ⅱ改接至林語8057 線。需要調整的益新站間隔接線為：益新站Ⅰ的益南五分線換至益新站Ⅱ；益新站Ⅱ的益南三分線、益南六分線改接至益新站Ⅰ。

算例結果表明，通過挖潛算法可有效提升2條線路的可用供電能力。

圖7 母線優化方案

6 結語

本文針對現有城市配電網存在的部分線路負載率較高、供電能力不足的問題，提出了配電網供電能力挖潛方法，具有以下優點：

（1）基于不同類型用戶負荷特性曲線存在差異的特點，通過改變線路負荷分布，利用各負荷進行錯峰互補。

（2）考慮到工程實施工作量與停電成本等因素，提出母線優化與間隔優化2 種挖潛方式，通過負荷重組以實現配電網拓撲優化，并優先采用母線優化，當母線優化后仍存在挖潛空間時，再進一步實施間隔優化布點。

（3）建立綜合評價模型，評價指標包含峰值、均衡度、成本3 個方面，且各指標權重可根據實際情況調整。

（4）為保證優化方案切實可行，將優選出的多個方案交予需求方進行最終施工方案的擇優。

綜上所述，本文所提出的配電網供電能力挖潛算法可在現有配電網拓撲條件下，進行簡單的母線、間隔連接關系改接，實現了以較少的投資成本，最大化提升了供電能力，具有很好的推廣價值。