城市10 kV配電網(wǎng)規(guī)劃軟件的開(kāi)發(fā)與研究

孫翀也，祝洪博

(東北電力大學(xué)，吉林吉林132012)

0 引言

隨著城市建設(shè)小區(qū)用電對(duì)市區(qū)10 kV配電網(wǎng)規(guī)劃方案合理性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，配電網(wǎng)規(guī)劃工作規(guī)模大，涉及領(lǐng)域廣，僅依靠規(guī)劃工作者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)規(guī)劃的要求［1］。對(duì)此，本文提出開(kāi)發(fā)1套操作方便、具有實(shí)用價(jià)值的配電網(wǎng)規(guī)劃軟件。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 軟件平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)

軟件平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、軟件層和應(yīng)用層。

系統(tǒng)層:采用用戶常用的 Microsoft Windows 2000/Windows Xp操作系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層:目前采用SQLserver2000數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

軟件層:采用Microsoft Visual Basic 6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連結(jié)，負(fù)責(zé)圖形繪制、編輯、管理，具有數(shù)據(jù)調(diào)度、查詢、統(tǒng)計(jì)、存取等功能。

應(yīng)用層:即客戶端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能以及專業(yè)應(yīng)用。

1.2 軟件的總體設(shè)計(jì)

軟件的功能與業(yè)務(wù)相關(guān)，為用戶提供簡(jiǎn)潔、直觀的操作，不需要掌握系統(tǒng)軟件的專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，一些涉及系統(tǒng)維護(hù)的工作在操作時(shí)自動(dòng)完成，無(wú)需用戶干預(yù)。

用戶可通過(guò)訪問(wèn)人機(jī)交互界面，在地理信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的輸入輸出、更新維護(hù)、空間查詢分析，繪制地理圖形、輸電線路、設(shè)備圖形;在方案規(guī)劃系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案布置及方案圖形管理;在綜合比較系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、潮流計(jì)算、綜合投資計(jì)算;在參數(shù)維護(hù)中實(shí)時(shí)更新公用參數(shù)。軟件的開(kāi)始界面如圖1所示。

圖1 軟件的開(kāi)始界面

2 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建立的基本過(guò)程

從處理數(shù)據(jù)的流程看，從原始數(shù)據(jù)輸入到處理結(jié)果的輸出，可以劃分為4個(gè)階段，即數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與管理、數(shù)據(jù)處理與分析、結(jié)果的生成與輸出。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的分塊存儲(chǔ)

按照存儲(chǔ)內(nèi)容可分為地理信息系統(tǒng)庫(kù)、方案配置庫(kù)、元件庫(kù)與參數(shù)庫(kù)。其中元件庫(kù)為公用部分，可隨意調(diào)用。地理信息系統(tǒng)庫(kù)與方案配置庫(kù)相互獨(dú)立。用戶選擇進(jìn)入地理信息系統(tǒng)時(shí)，只能讀寫(xiě)地理信息系統(tǒng)庫(kù)而不能讀寫(xiě)方案配置庫(kù);用戶選擇進(jìn)入方案配置系統(tǒng)會(huì)同時(shí)讀取地理信息系統(tǒng)庫(kù)與方案庫(kù)，但執(zhí)行寫(xiě)入操作時(shí)只能寫(xiě)入方案庫(kù)，不同方案之間由方案號(hào)作為標(biāo)志位加以區(qū)分，并在寫(xiě)入時(shí)分塊操作。

以上幾部分都是用戶通過(guò)人機(jī)界面對(duì)矢量圖存儲(chǔ)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的間接訪問(wèn)。用戶則可通過(guò)人機(jī)界面直接進(jìn)入?yún)?shù)庫(kù)進(jìn)行參數(shù)維護(hù)工作，輸入計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，以供方案配置及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時(shí)調(diào)用。圖2為數(shù)據(jù)庫(kù)各分塊之間的關(guān)系。

圖3中顏色標(biāo)出的部分分別為元件庫(kù)、參數(shù)庫(kù)、地理圖形庫(kù)及方案庫(kù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)分塊關(guān)系圖

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)各分塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表

3 軟件的功能結(jié)構(gòu)

軟件從功能上可分為以下4個(gè)子系統(tǒng)［4］，如圖4所示。

圖4 軟件各部分功能關(guān)系

3.1 空間負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要預(yù)測(cè)規(guī)劃小區(qū)內(nèi)的負(fù)荷分布，同時(shí)將負(fù)荷總量預(yù)測(cè)與負(fù)荷分布預(yù)測(cè)結(jié)果相協(xié)調(diào)。該部分軟件具備數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能，能夠方便地調(diào)用、修改及積累各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，從而為配電網(wǎng)規(guī)劃部分提供必要數(shù)據(jù)。

目前，空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法主要分為趨勢(shì)法和仿真法。趨勢(shì)法是基于負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)外推負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)方法的總稱。趨勢(shì)法具有方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小和數(shù)據(jù)量少等優(yōu)點(diǎn)，僅需要小區(qū)負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)。但存在一些局限性，如:a.小區(qū)面積不能太小(一般大于1km2)，否則不便于收集歷史負(fù)荷數(shù)據(jù);b.較難考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移，比較適合短期、中期預(yù)測(cè)，不太適合長(zhǎng)期預(yù)測(cè);c.小區(qū)的歷史負(fù)荷不能為零，這就使歷史年負(fù)荷為零的空地預(yù)測(cè)遇到了困難。仿真法通過(guò)分析城市土地利用的特性和發(fā)展規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)城市土地的使用類型、使用強(qiáng)度、土地價(jià)值及其地理分布和面積構(gòu)成，并在此基礎(chǔ)上將土地使用情況轉(zhuǎn)化成空間負(fù)荷。仿真法要求每類用戶的年最大峰值負(fù)荷數(shù)據(jù)和每個(gè)小區(qū)的用戶用地等歷史數(shù)據(jù)能較好地考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移特性，對(duì)空地的負(fù)荷預(yù)測(cè)相關(guān)性較好，對(duì)短期、中期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)都較適合。

3.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)主要功能為繪制規(guī)劃小區(qū)的地理圖形，可以繪制任意轉(zhuǎn)角及多折數(shù)的折線，從而構(gòu)成小區(qū)內(nèi)眾多的居民樓、公共建筑及街道等，同時(shí)具備部分的空間查詢功能，為規(guī)劃方案提供獨(dú)立存儲(chǔ)的公用數(shù)據(jù)。

地理信息系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)包括位置、可能的拓?fù)潢P(guān)系、地物的特征等，地理位置特征在配網(wǎng)中是最基本的要素，所以把地理信息系統(tǒng)作為配網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是非常適宜的。

地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有2種類型:基于矢量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基于柵格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用廣泛，該軟件的地理信息系統(tǒng)采用基于矢量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間目標(biāo)可以劃分為點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))、線(弧段)或面(多邊形)類型，每種類型均可用點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示:

點(diǎn)(x，y);線(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);面(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);而且(x1，y1)=(xn，yn)。

配網(wǎng)具有上述3類圖形特征，如變壓器、開(kāi)關(guān)及桿位等屬于點(diǎn)狀分布的原件，各級(jí)布線是線形實(shí)體，用戶地塊則可以用多邊形描述。

該軟件中的地理信息系統(tǒng)，可以直接進(jìn)行矢量化的地理圖形繪制，從而省去了購(gòu)買或租用GIS類系統(tǒng)的費(fèi)用，包括地理圖的繪入、編輯和顯示，可將地圖數(shù)字化，可以在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和顯示，便于修改。圖形繪制功能將城市街區(qū)地圖和以其為背景的配電網(wǎng)絡(luò)接線圖繪入到計(jì)算機(jī)中。這種地圖是矢量化的，1幅地圖可以逐層輸入和存儲(chǔ)，每層存放不同的實(shí)體，具有不同的屬性，避免了編制圖形掃描與識(shí)別軟件的巨大工作量，變相減少了開(kāi)發(fā)成本。

圖5為1個(gè)多層合并顯示的數(shù)字化地圖部分截圖。

圖5 數(shù)字化地圖截圖

3.3 方案規(guī)劃系統(tǒng)

方案規(guī)劃系統(tǒng)是在負(fù)荷預(yù)測(cè)及公用地理圖形的基礎(chǔ)上確定規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的10 kV斷路器、配電站變壓器的位置及容量，確定10 kV網(wǎng)絡(luò)布置，包括網(wǎng)絡(luò)的接線方式、線路導(dǎo)線的型號(hào)及具體走行路徑等。用戶可以通過(guò)訪問(wèn)人機(jī)交互界面建立基于不同方法且相互獨(dú)立的多個(gè)方案，各方案均能使用公用的規(guī)劃數(shù)據(jù)，各方案數(shù)據(jù)之間各自獨(dú)立地讀取與存儲(chǔ)(以方案號(hào)為標(biāo)志位)，如圖6所示。

圖6 方案規(guī)劃系統(tǒng)的進(jìn)入界面

在創(chuàng)建1個(gè)規(guī)劃方案進(jìn)入界面后，可按流程對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行布置，主要工作可分為以下幾個(gè)步驟［3］:

a.數(shù)據(jù)調(diào)查。城市電網(wǎng)規(guī)劃工作需要以大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括城市負(fù)荷發(fā)展的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)、未來(lái)城市發(fā)展的詳細(xì)用地規(guī)劃及城市發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)。其中，對(duì)城市用戶用地、用電情況進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)調(diào)查是一項(xiàng)十分繁雜的工作，需投入大量的人力和物力。

b.空間負(fù)荷預(yù)測(cè)?？臻g負(fù)荷預(yù)測(cè)目的是盡可能準(zhǔn)確地確定未來(lái)各規(guī)劃年內(nèi)的負(fù)荷及負(fù)荷分布情況。由于城市未來(lái)發(fā)展的不確定性，準(zhǔn)確地預(yù)知規(guī)劃區(qū)內(nèi)各地塊的負(fù)荷分布是非常困難的。這種預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性取決于掌握的原始數(shù)據(jù)量、城市發(fā)展是否按規(guī)劃執(zhí)行。

c.地理圖繪制及相關(guān)參數(shù)輸入。地理圖繪制及相關(guān)參數(shù)輸入是參照規(guī)劃目標(biāo)區(qū)域的城市規(guī)劃圖紙，按比例在地理信息系統(tǒng)中繪制目標(biāo)區(qū)域的地理圖，以供方案配置使用。同時(shí)輸入相關(guān)參數(shù)，如各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的位置及負(fù)荷大小等。

d.10 kV開(kāi)閉所配置。10 kV開(kāi)閉所配置是根據(jù)規(guī)劃區(qū)的負(fù)荷分布情況，采用分區(qū)分片方法確定各10 kV開(kāi)閉所位置。其計(jì)算結(jié)果既可以自動(dòng)標(biāo)注在規(guī)劃區(qū)地理圖上，又可以通過(guò)人為干預(yù)進(jìn)行標(biāo)注。所謂人為干預(yù)主要指位置的移動(dòng)，由優(yōu)化算法獲取的配電變壓器位置可能不合適，如配電變壓器距建筑物太近，此時(shí)可利用系統(tǒng)提供的方便的圖形工具完成位置修正。

e.10 kV配電變壓器的選址定容。變壓器安放的最優(yōu)位置應(yīng)根據(jù)最小準(zhǔn)則原理，選在整個(gè)用戶群容量的質(zhì)心附近。當(dāng)然，具體位置可以根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整。下面以圖7某樓群為例進(jìn)行說(shuō)明。

由圖7得到

式中mi(i=1，2，3，4，5)表示某i質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，在此為樓體負(fù)荷點(diǎn)負(fù)荷量;xi(i=1，2，3，4，5)表示i質(zhì)點(diǎn)在x坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)，在此為樓體負(fù)荷點(diǎn)的x坐標(biāo);XD為質(zhì)心D在x坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)，在此為負(fù)荷中心的x坐標(biāo)。

圖7 某樓群布置圖

f.10 kV配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。將10 kV配電網(wǎng)按供電范圍分區(qū)對(duì)10 kV配電網(wǎng)絡(luò)按分區(qū)進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃要考慮不同斷路器之間10 kV聯(lián)絡(luò)線的設(shè)置。規(guī)劃方案需滿足各種系統(tǒng)約束條件(如短路容量限制、電壓水平限制、線路過(guò)負(fù)荷限制及N-1安全性準(zhǔn)則等)［2］，從而對(duì)滿足技術(shù)要求的多個(gè)待選規(guī)劃方案進(jìn)行可靠性計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析，完成技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和綜合評(píng)判決策。

布線的目的是把整個(gè)用戶區(qū)所有變壓器聯(lián)結(jié)起來(lái)，并使線路投資、施工費(fèi)用及網(wǎng)絡(luò)損耗為最小。布線同時(shí)需要建立各線路之間連接的拓?fù)潢P(guān)系，線路導(dǎo)線長(zhǎng)度會(huì)自動(dòng)生成，并于給出導(dǎo)線型號(hào)規(guī)格的條件下自動(dòng)計(jì)算出支路的阻抗值。圖8為地理圖基礎(chǔ)上的部分規(guī)劃布置實(shí)例。

圖8 規(guī)劃方案的部分實(shí)例

g.方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。方案間需要的技術(shù)比較主要是在潮流計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓水平分析、短路電流校驗(yàn)、正常運(yùn)行方式下的網(wǎng)損分析、配電系統(tǒng)供電可靠性分析等。經(jīng)濟(jì)比較主要包括網(wǎng)絡(luò)的一次投資(電力元件費(fèi)用與施工工程投資)、電能損耗、年綜合運(yùn)行費(fèi)等(包括維護(hù)費(fèi)、折舊費(fèi)等)。確定方案采取如下方法:在方案滿足技術(shù)指標(biāo)要求、可靠性條件約束的前提下，以經(jīng)濟(jì)性最好為最優(yōu)(經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合目標(biāo)函數(shù)最小)，最終選取1個(gè)或幾個(gè)可供實(shí)施的方案進(jìn)行規(guī)劃配置。

3.4 綜合比較系統(tǒng)

3.4.1 技術(shù)比較

a.潮流計(jì)算。該軟件采用基于支路電流的前推回代算法:一般給定配電網(wǎng)絡(luò)的始端電壓和末端負(fù)荷，以饋線為基本計(jì)算單位;開(kāi)始時(shí)由末端向始端推算，設(shè)全網(wǎng)電壓都為額定電壓，根據(jù)負(fù)荷功率由末端向首端逐段推導(dǎo)，僅計(jì)算各元件中的功率損耗而不計(jì)算電壓，求得各條支路上的電流和功率損耗，并據(jù)此獲得始端功率，這是回代過(guò)程;再根據(jù)給定的始端電壓和求得的始端功率由始端向末端逐段計(jì)算各段的電壓降，求得各點(diǎn)電壓，這是前推過(guò)程。如此重復(fù)上述過(guò)程，直至各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差滿足容許條件為止。采用適合輻射狀配電網(wǎng)的前推回代法對(duì)等效電壓降落模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算，可以準(zhǔn)確地得出饋線段端點(diǎn)電壓的最終結(jié)果［6-7］。

b.可靠性評(píng)估。該軟件采用平均用電有效度ASAI來(lái)評(píng)估，即

ASAI=用戶用電小時(shí)數(shù)/用戶需電小時(shí)數(shù)=

式中N總為系統(tǒng)中總用戶數(shù);Ni為故障時(shí)受影響的用戶數(shù)，與平均年停運(yùn)時(shí)間tSi相對(duì)應(yīng);8 760為1a的小時(shí)數(shù)。

3.4.2 經(jīng)濟(jì)性比較

定義某方案年總經(jīng)濟(jì)成本函數(shù)U來(lái)評(píng)價(jià)方案，U主要包括方案的一次投資(電力元件投資與施工工程投資)、年綜合運(yùn)行費(fèi)、電能損耗。上述費(fèi)用都折算到等年的參數(shù)值，表達(dá)式為

式中U為折算成等年值的方案總經(jīng)濟(jì)成本;G為折算成等年參數(shù)值方案中設(shè)備及工程的總投資，不同使用年限設(shè)備的投資要轉(zhuǎn)換到等年參數(shù)值的基礎(chǔ)上相加。

式中m為投資總項(xiàng)數(shù)，ni為第i項(xiàng)投資的使用年限;k為利率;pi為第i項(xiàng)投資的初期投資;ai為第i項(xiàng)投資的每年投資(主要指折舊費(fèi))。

式中m為設(shè)備總數(shù);Ji為設(shè)備i的故障檢修平均費(fèi)用;gi為設(shè)備i的年故障率即年故障次數(shù)。

式中j為線路總數(shù);Ii為第i條線路的電流;ri為第i條線路的電阻;hi為第i條線路的年運(yùn)行小時(shí)數(shù);p為平均電價(jià)。

最終，以目標(biāo)函數(shù)U的數(shù)值較小為經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)［5］。

4 結(jié)論

通過(guò)用該軟件對(duì)哈爾濱某在建居民小區(qū)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)、地理圖形繪制，提出了備選規(guī)劃方案及形成了規(guī)劃布置圖，并從建設(shè)經(jīng)濟(jì)性、供電可靠度、電能質(zhì)量、線損等方面進(jìn)行計(jì)算，擇優(yōu)選取了規(guī)劃方案。由此表明:該軟件的實(shí)施，能方便、直觀、快速、準(zhǔn)確地幫助電力部門(mén)配網(wǎng)規(guī)劃工作者制定合理地規(guī)劃方案，降低了規(guī)劃人員工作強(qiáng)度，提升了工作效率。

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