電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置與規(guī)劃研究

國網(wǎng)河北省電力有限公司元氏縣供電分公司 王靖楠 劉 勝

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力需求的不斷增長，電力輸配變系統(tǒng)的優(yōu)化配置與規(guī)劃越來越重要。電力輸配變系統(tǒng)涵蓋了電力設(shè)備的輸配電過程，負(fù)責(zé)將電力從發(fā)電站傳輸?shù)接脩舳恕榱颂岣唠娏斉渥兿到y(tǒng)的運(yùn)行效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性，科學(xué)、合理的系統(tǒng)配置與規(guī)劃是必不可少的。

2 電力輸配變系統(tǒng)的定義和組成

電力輸配變系統(tǒng)主要指的是從發(fā)電站發(fā)出電力后，通過輸電線路、配電裝置、變壓器等設(shè)備，將電能傳輸?shù)接脩舳说恼麄€(gè)過程。其中，電力的輸送主要通過輸電線路進(jìn)行，電力的轉(zhuǎn)換主要通過變壓器進(jìn)行，電力的配送主要通過配電裝置進(jìn)行。此過程需要考慮電力的傳輸損失、電壓等級的變換、電力的質(zhì)量和穩(wěn)定性等問題[1]。電力輸配變系統(tǒng)的組成見表1。

表1 電力輸配變系統(tǒng)的組成

3 電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置方法

3.1 最優(yōu)配置的基本理論

最優(yōu)配置的基本理論涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)營優(yōu)化的相關(guān)問題，其中重要的一部分是基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的評價(jià)方法。

3.1.1 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是衡量電力系統(tǒng)最優(yōu)配置的重要指標(biāo)。最基本的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方法是通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的總成本來實(shí)現(xiàn)。總成本一般包括電力系統(tǒng)的建設(shè)成本、運(yùn)維成本和損失成本等。優(yōu)化目標(biāo)是使總成本最小：

其中，Cmin是總成本，C建設(shè)是電力系統(tǒng)的建設(shè)成本，C運(yùn)營是電力系統(tǒng)的運(yùn)營成本，C損失是電力系統(tǒng)的損失成本。

3.1.2 可靠性評價(jià)方法

除了經(jīng)濟(jì)性，電力系統(tǒng)的可靠性也是衡量電力系統(tǒng)最優(yōu)配置的重要指標(biāo)。可靠性評價(jià)方法主要包括系統(tǒng)平均中斷頻率指標(biāo)（SAIFI）、系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時(shí)間指標(biāo)（SAIDI）、系統(tǒng)平均中斷時(shí)長指標(biāo)（MAIFI）等。

3.2 最優(yōu)配置的方法和技術(shù)

在電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置問題中，本文應(yīng)用的是混合粒子群-遺傳算法，結(jié)合了粒子群優(yōu)化（PSO）和遺傳算法（GA）的優(yōu)點(diǎn)。

在混合粒子群-遺傳算法中，通常先使用遺傳算法對解空間進(jìn)行粗糙搜索，以獲取較好的初始解群體，然后再使用粒子群優(yōu)化對這些初始解進(jìn)行精細(xì)搜索，以獲得更優(yōu)的解。這種混合算法可以有效地結(jié)合全局搜索和局部搜索的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)更快的收斂速度和更好的解質(zhì)量。

在電力輸配變系統(tǒng)的最優(yōu)配置問題中，混合粒子群-遺傳算法可被用于優(yōu)化各種系統(tǒng)參數(shù)，如電源配置、負(fù)載分布、配電線路的布局等。例如，對于配電線路的最優(yōu)布局問題，可以把各個(gè)線路的長度、電阻、電壓等級等作為解的編碼，然后使用混合粒子群-遺傳算法尋找最優(yōu)的線路布局，以達(dá)到降低系統(tǒng)損耗、提高電能質(zhì)量等目標(biāo)[2]。

3.3 電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置的具體步驟

在電力輸配變系統(tǒng)的最優(yōu)配置過程中，首先需要明確最優(yōu)配置問題的具體內(nèi)容和目標(biāo)函數(shù)，如最小化總成本、最大化效率或可靠性等，并建立問題的數(shù)學(xué)模型。然后，初始化決策變量并計(jì)算每個(gè)解的適應(yīng)度值。接著，采用混合粒子群-遺傳算法進(jìn)行迭代搜索，不斷優(yōu)化決策變量以改進(jìn)適應(yīng)度值，并同時(shí)檢驗(yàn)新產(chǎn)生的解是否滿足所有約束，若不滿足則通過修復(fù)策略修復(fù)為可行解。在滿足終止條件后，如達(dá)到最大迭代次數(shù)或目標(biāo)函數(shù)值改進(jìn)幅度小于預(yù)設(shè)閾值等，結(jié)束搜索并輸出最優(yōu)配置方案及其目標(biāo)函數(shù)值。如有需要還可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)果分析和評估，以評價(jià)最優(yōu)配置方案的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)境友好性等性能，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性，降低運(yùn)行成本，提升電力供應(yīng)的質(zhì)量和滿意度。電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置流程如圖1所示。

圖1 電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置流程

4 電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃的方法

4.1 規(guī)劃的基本理論

規(guī)劃電力輸配變系統(tǒng)的基本理論涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)，目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行和配置。

對于電力系統(tǒng)規(guī)劃的基本問題，一般可以用數(shù)學(xué)的方式進(jìn)行描述。在電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃中，最常見的是最優(yōu)化問題。設(shè)x 為決策變量，如發(fā)電機(jī)容量、線路投資等，F(xiàn)（x）為目標(biāo)函數(shù)，例如總成本、損失成本等，G（x）為約束條件，例如系統(tǒng)穩(wěn)定、環(huán)保等。最優(yōu)化問題形式：

其中，min F（x）表示目標(biāo)是最小化目標(biāo)函數(shù)F（x），s.t.表示滿足條件，G（x）=0表示約束條件。解決這個(gè)問題的主要方法有線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃等，方法的選擇主要取決于問題的具體性質(zhì)。

4.2 電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃的方法和技術(shù)

在電力輸配變系統(tǒng)的規(guī)劃中，線性規(guī)劃可被用于處理多種問題，如輸電線路的選址規(guī)劃、電源裝置的配置規(guī)劃等。具體應(yīng)用到電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃中，可以把規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性規(guī)劃模型。例如，要規(guī)劃一個(gè)電力輸配變系統(tǒng)，其中需要確定各個(gè)變電站的位置、容量以及各條輸電線路的走向、規(guī)模等，可以設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，如系統(tǒng)總投資、系統(tǒng)運(yùn)行成本等，約束條件可以包括電力供需平衡、電壓水平要求、線路載流能力等[3]。

通過這種方法，可以在滿足所有約束條件的前提下，求解出使目標(biāo)函數(shù)取最優(yōu)值的解，得到電力輸配變系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)劃方案。

4.3 電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃流程

電力輸配變系統(tǒng)的規(guī)劃流程如圖2所示，主要包括需求分析、系統(tǒng)模型構(gòu)建、規(guī)劃目標(biāo)與約束條件設(shè)定、選擇優(yōu)化方法和技術(shù)、執(zhí)行規(guī)劃和優(yōu)化、分析和評估規(guī)劃結(jié)果以及結(jié)果反饋和調(diào)整。

圖2 電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃流程

首先，進(jìn)行電力系統(tǒng)需求分析，包括電力供應(yīng)、設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)、環(huán)境和社區(qū)等需求，這將指導(dǎo)規(guī)劃過程的所有環(huán)節(jié)。然后，構(gòu)建系統(tǒng)模型，包括設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、操作條件等，以反映系統(tǒng)的實(shí)際情況。接下來，設(shè)定規(guī)劃的目標(biāo)，如降低成本、提高可靠性等以及規(guī)劃的約束條件，如設(shè)備運(yùn)行條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)要求等。根據(jù)規(guī)劃任務(wù)的具體性質(zhì)選擇適合的優(yōu)化方法和技術(shù)，例如線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃等。執(zhí)行規(guī)劃和優(yōu)化算法，獲取滿足約束條件的最優(yōu)解，然后進(jìn)行規(guī)劃結(jié)果的分析和評估，檢查其是否滿足預(yù)設(shè)的目標(biāo)和約束。如若規(guī)劃結(jié)果不滿足預(yù)期，需要進(jìn)行結(jié)果反饋和調(diào)整，根據(jù)反饋調(diào)整規(guī)劃方法或條件，然后重新進(jìn)行規(guī)劃[4]。此一系列步驟需要多次迭代，并在實(shí)際操作中根據(jù)實(shí)際反饋進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，最終形成滿足需求、優(yōu)化資源配置、高效運(yùn)行的電力輸配變系統(tǒng)規(guī)劃方案。

5 電力輸配變系統(tǒng)最優(yōu)配置與規(guī)劃的案例分析

5.1 案例概況

以某地區(qū)的電力輸配變系統(tǒng)作為實(shí)證案例。該電力系統(tǒng)由多個(gè)發(fā)電廠、數(shù)個(gè)配電中心以及各個(gè)消費(fèi)區(qū)域組成，系統(tǒng)中涵蓋了電力生成、輸送、分配以及使用的全過程。目前，由于該地區(qū)電力需求的增長以及電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，在確保供電可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)配置與規(guī)劃，成為重要的問題。

5.2 實(shí)施效果分析

優(yōu)化后的電源配置滿足了區(qū)域和時(shí)間變化的電力需求，使負(fù)荷分布更均衡，避免了供電短缺并提高了穩(wěn)定性，如高負(fù)荷區(qū)域的供電能力增加15%，低負(fù)荷區(qū)域下降10%，以此提升電力資源利用效率。設(shè)備使用狀態(tài)的改進(jìn)降低了過載現(xiàn)象，如過載設(shè)備比例從30%降至5%，這有利于延長設(shè)備壽命。最優(yōu)配置與規(guī)劃顯著降低了系統(tǒng)電力損耗，提高了運(yùn)行效率，數(shù)據(jù)顯示，電力損耗降低了約20%，運(yùn)行效率提高了約10%。同時(shí)，系統(tǒng)對電力需求變化的適應(yīng)性增強(qiáng)，能夠通過調(diào)整電源配置快速滿足需求。此外，電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量也得到提升，電壓和頻率的合格率都有顯著提高。

6 結(jié)語

電力輸配變系統(tǒng)的最優(yōu)配置與規(guī)劃是電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行管理中的重要任務(wù)。本研究通過深入探討電力輸配變系統(tǒng)的組成和特性，詳細(xì)介紹了最優(yōu)配置與規(guī)劃的基本理論、方法和步驟。通過具體的案例分析，驗(yàn)證了這些方法的實(shí)用性和有效性。

實(shí)踐證明，電力輸配變系統(tǒng)的最優(yōu)配置與規(guī)劃能夠有效地優(yōu)化電力資源配置，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低電力損耗，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性，提高供電質(zhì)量。這對于保證電力供應(yīng)，滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需求，具有重要的意義。