計及轉供電概率的主動式配電網網格化規劃方法

俞曉峰，肖旋科，張中超，謝旭泉

（廣東電網有限責任公司 河源供電局，廣東 河源 517099）

0 引言

配電網是貫穿社會經濟與能源系統的關鍵系統，其存在與發展不僅可滿足人們的用電需求，而且能維持國家的穩定運轉。然而，隨著太陽能、風能等分布式電源的接入，整個電網能源供應的可靠性與運行的穩定性受到了嚴重的沖擊。為保障我國配電網可靠、靈活地運行，同時實現電網能源保質、保量的配送，配電網的網格規劃研究變得越來越重要。針對網格規劃的研究中，李小明等［1］以線路中的最小損耗費為目標，設計一種中低壓配電網網格化規劃模型，并通過粒子群算法求解模型，解決傳統配電網規劃方法規劃效果不理想的問題；劉峰等［2］針對傳統主配網規劃方法受小截面線路的影響，無法完成負荷聚類分塊的問題，設計一種基于三維視頻編碼的配電網網格化規劃方法，實現了負荷性能的突破；侯佳等［3］基于容量與供電可靠性的雙Q 理論設計的配電網網格化規劃方法，實現了供電可靠性與經濟性之間的平衡。在我國城市電網的發展進入主動式配電網階段的重要時期，如何構建高效、合理的主動式配電網網格化規劃方案，在一定程度上決定了一個城市未來的發展，因此本文針對該課題進行的研究具有重要的現實意義。

1 主動式配電網網格化設計方案

1.1 計算主配網線路轉供電概率

當下，我國城市主動式配電網的運行方式變化極快，但由于缺少高精度的量測裝置，因此進行主動式配電網網格化規劃時，難以獲取整個配電網的實時拓撲，而配網拓撲先驗信息是網格化規劃的基礎，所以本文根據智能電表采集到的節點電壓、電流等數據，計算主動式配電網線路的轉供電概率，為網格化規劃奠定理論基礎。計算主配網線路轉供電概率時，需要對采集的原始信息數據進行清洗，受配電網運行環境與量測裝置誤差等因素的影響，原始采集數據存在丟包、誤碼等現象，與真實數據存在嚴重偏差，影響轉供電概率的計算精度。為降低數據噪點，通過一階差分計算時序負荷增量，其表達式為

其中：ΔPi表示主動式配電網節點i的負荷增量；Pi(t)表示主動式配電網節點i在t時刻的負荷幅值；Δt表示時間變化量。在公式（1）的基礎上，對負荷數據進行歸一化處理，再將其映射至對應的N個不同的整數值，即可去除原始數據中的噪點與絕對誤差，其表達式為

其中：P′i表示去除噪聲點與誤差后的主動式配電網節點i的負荷幅值；ΔPimin、ΔPimax分別表示主動式配電網節點i在t時刻的負荷幅值中的最小值與最大值。

在我國主動式配電網運行過程中，由于聯絡線的轉供容量有限，導致配網的轉供電成為一個概率事件。同時，主配網各線路獲得供電恢復的優先級也各不相同，所以為實現主動式配電網的網格化規劃，需要計算主配網的線路轉供電概率［4］。由于主動式配電網的負荷數據屬于隨機變量，所以通過公式（3）所示的正態分布計算方法近似反映主配網線路的主供電概率［5］：

其中：f(P′i)表示主動式配電網負荷的正態分布，即主配網線路的轉供電概率；ε2表示方差；δ表示數學期望。

綜上，在采集主動式配電網負荷數據的基礎上，計算出主配網線路轉供電概率，為后續網格化規劃提供數據支撐。

1.2 計及轉供電概率確定線路優先級

進行主動式配電網網格化規劃的關鍵在于確定線路優先級，只有確定了配電網內部所有線路的優先級，才能逐條分析線路是否可轉供，再根據轉供線路進行配電網的網格化規劃［6］。本文在確定主動式配電網的線路優先級時，綜合考量饋線安全電流和重載率、線路上的聯絡點到饋線的距離和饋線所能輸出的最大線徑，然后進行優先排序［7］。通常，假設一條即將停電的10 kV 饋線上有多個聯絡點可供選擇時，電力系統會根據之前所解析的主網和配網的線路連接關系和線路基礎信息計算出多條線路疊加后的電流（即轉出饋線的電流量），再將轉出饋線的電流量與線路上的安全電流進行對比，即可判斷發生重載現象的線路，進而求出重載率，其計算公式為

其中：μ表示主動式配電網的重載率；N0表示最大負載超過60%的配電網線路數量；N1表示主動式配電網中線路的總數量。

根據公式（4）求出重載率即可確定各線路可轉供的合理值，最后還需要獲取主動式配電網的轉供路徑。我國主動式配電網因為運行方式的改變，導致拓撲結構具有一定的隨機性，所以對線路優先級進行排序需要搜索轉供路徑。本文主要采用廣度優先搜索算法，具體流程如下：首先，在主動式配電網中隨機選擇一個節點作為根節點，以該節點作為轉供路徑搜索的初始點；其次，依次搜索和根節點鄰接且未被訪問過的子節點，從而生成轉供電路徑；最后，對各節點相應的編號進行記錄，當全部節點均被訪問過，本次搜索結束，得到配電網線路的轉供電路徑。綜合考慮配電網線路的轉供路徑與各線路重載率，即可對線路的優先級進行排序［8］。按照搜索的路徑進行轉供電時，一般重載率越小的線路被轉供電的概率越大，排在的位置越靠前，以此完成線路優先級的排序。

1.3 主動式配電網網格化規劃

確定主動式配電網各線路的優先級后，由規劃人員按照分支線規劃原則進行配電網的分支線規劃，再綜合考慮主配網內的負荷，進行配電網的網架規劃［9］。為實現主動式配電網的網架規劃，本文以全壽命周期成本為目標函數，其表達式為

其中：F表示主動式配電網網架規劃的目標函數；B0表示主配網主干線m的初始投資成本；B1表示主配網主干線m的年維修成本；B2表示主配網主干線m的年網損成本；B3表示主配網主干線m的年停電損失成本；λ表示貼現率；γ表示主配網主干線m的使用壽命。

在公式（5）所示的全生命周期成本模型的基礎上，利用Dijkstra 算法求解，該算法是一種常規尋優算法，通過該算法對主動式配電網網架規劃模型的解空間進行遍歷搜索，即可得到主動式配電網網架的最佳規劃方案。通常，傳統主動式配電網網格化規劃主要分網格劃分與網架規劃2個部分，這種單一規劃的結果容易陷入局部最優，缺少整體性，所以本文在進行主動式配電網的網格化規劃時，引入供電單元與網架結構的匹配模型，整合網格劃分與網架規劃，實現網格劃分與網架規劃一體化［10］。供電單元是綜合考慮主配網負荷密度、負荷特性等相對獨立的單元，為了在滿足供電單元內部負荷需求的基礎上，實現網架結構規劃最優，需要進行供電單元和網架結構的匹配。構建負荷均衡的目標函數的表達式為

其中：H表示主動式配電網網架的負荷均衡指數；Qj表示主配網中第j條支線的視在功率；Qjmax表示主配網中第j條支線允許通過的功率最大值；m表示主配網中支線的數量。利用公式（6）所求配電網網架的負荷均衡目標函數，即可實現供電單元和網架結構的匹配。

綜上所述，本文設計的適用于主動式配電網發展特點的一體化規劃流程［11］如下：首先，結合主動式配電網的運行特點，將主配網劃分為供電網格與供電單元；其次，進行主配網的網架規劃；最后，基于公式（6）對供電單元與網架規劃進行匹配，得到最佳匹配方案后，即可實現基于網格劃分與網架規劃一體化的主動式配電網網格化規劃方案。

2 實例分析

2.1 規劃區概況

本文選取某市開發區主配網的網格化規劃作為測試算例，驗證設計的計及轉供電概率的主動式配電網網格化規劃方法的有效性與正確性。實例規劃區域總占地面積約138.3 km2，按用地性質進行劃分，可以將本次規劃區劃分為6種用地類型：工業用地為10.9 km2，占規劃區總用地的7.88%；商業用地為23.4 km2，占規劃區總用地的16.92%；公共管理與公共服務設施用地為17.5 km2，占規劃區總用地的12.65%；住宅設施用地為41.2 km2，占規劃區總用地的29.79%；倉儲設施用地為6.7 km2，占規劃區總用地的4.84%；其他類型設施用地為38.6 km2，占規劃區總用地的27.91%。將上述規劃區域的地理信息及相關用地信息作為本次實例研究的基礎信息，為后續城市主配網的網格化規劃提供了參考數據。與此同時，調查規劃區的配電網基本概況，得到表1的規劃區變電站情況。

表1 規劃區變電站情況

如表1所示，規劃區配電網共設置了220 kV變電站3座、110 kV變電站5座，不僅各變電站重載情況嚴重，而且變電站間隔利用情況不均衡。因此，需要采用本文的設計方法對規劃區的主配網進行重新規劃。

2.2 規劃結果分析

根據本文設計方法所得的實例規劃區主動式配電網網格化規劃結果如圖2所示。在本文設計方法的規劃下，規劃區的配電網共計新增3 座110 kV 變電站，退運1 座220 kV 變電站。整個規劃區的供電網格共分為3 個區域：城北網格、城中網格、城南網格，具體規劃成效見表2。

圖2 規劃區主動式配電網網格化規劃結果

表2 規劃區主動式配電網網格化規劃成效表

通過相關計算，實例區域主動式配電網規劃3個供電單元，規劃前后的供電單元數量一致，但相應的網架結構有所不同。與規劃前相比，規劃后實例區域的主干線路減少了5 條，主干線路總長度減少了17.04%，同時線路聯絡率由規劃前的84.21%提升至100%，說明本文設計的方法可以有效提升主動式配電網的線路利用率。此外，各供電網格之間相互獨立，每一個供電區域的劃分大小合理，供電可靠率由97.986 3%提升至99.657 4%，進一步驗證了本文設計方法的科學性與合理性。

3 結語

針對我國主動式配電網日益復雜的問題，本文研究了計及轉供電概率主動式配電網網格化規劃方法，結合主配網的運行特點，計算線路的轉供電概率，根據轉供電概率確定線路優先級，再針對不同線路的優先級進行主配網的網架規劃，實現配電網的網格化規劃。實例研究結果表明，本文設計的方法具有較高的可行性與可靠性，可以為我國主動式配電網的優化提供借鑒。本研究目前僅進行了主配網的網格劃分工作，還沒有構建反映網格空間特征的數學模型，無法統籌分析區塊負荷的增長趨勢。未來的研究將針對此不足，繼續完善主動式配電網網格化規劃方法，提高配網建設與管理的水平。