用戶友好配電系統(tǒng)規(guī)劃方法的研究

劉旭娜，汪 穎，2，黃 靜

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;2.智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

0 引言

智能電網(wǎng)已成為許多國家的能源安全和國家發(fā)展戰(zhàn)略［1－3］。作為一個愿景或一種技術(shù)路線，智能電網(wǎng)的實(shí)施須從規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制、管理決策等方面入手。由于配電系統(tǒng)直接面向用戶，對用戶與社會的滿意程度有直接影響，是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵之一［3］。智能電網(wǎng)具有自愈性、抵御攻擊、優(yōu)質(zhì)供電、用戶參與和選擇、市場化、資產(chǎn)優(yōu)化與高效性等特征［4］，在其發(fā)展過程中，電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)營理念已從生產(chǎn)導(dǎo)向型向用戶與環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變，更關(guān)注用戶、社會響應(yīng)和對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的影響［5］。供配電企業(yè)的經(jīng)營理念通常為用戶讓渡價值最大化，具體表現(xiàn)為用戶滿意度最大化［6］，因此，在規(guī)劃配網(wǎng)時，將其作為指標(biāo)之一，既符合用戶和電網(wǎng)經(jīng)營理念要求，也是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)手段。但是，用戶滿意度受復(fù)雜不確定因素影響，通常僅能定性描述，規(guī)劃時需將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為直接和間接損失等定量指標(biāo)，這是用戶友好配電系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵。

智能配電網(wǎng)要求供電安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，同時對用戶和環(huán)境更友好［4］，將這樣的配電網(wǎng)定義為用戶友好配電系統(tǒng)，并將配電系統(tǒng)的友好性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為直接損失和間接損失，構(gòu)成用戶滿意度指標(biāo)，以評價配電系統(tǒng)對用戶的友好性。在評價直接損失時與傳統(tǒng)規(guī)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(yán)重的電壓暫降，這樣雖有一定片面性，但足以驗(yàn)證方法的可行性和正確性。

根據(jù) IEEE Standard 1346 –1998［7］及文獻(xiàn)［8］等給出的設(shè)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(jìn)行規(guī)劃［11］時，對各種可行方案和不確定性因素引起的間接經(jīng)濟(jì)損失、用戶滿意度等進(jìn)行研究，重點(diǎn)考慮了用戶側(cè)使用最多的敏感設(shè)備［12－13］，如計(jì)算機(jī)(personal computers，PC)、調(diào)速驅(qū)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(tǒng)對用戶的友好性。

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)規(guī)劃考慮了可靠性指標(biāo)，主要反映了直接損失。進(jìn)一步考慮用戶抱怨最多的系統(tǒng)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(tǒng)規(guī)劃方法。根據(jù)文獻(xiàn)［11］提出的配電系統(tǒng)電壓暫降評估法，文獻(xiàn)［14］提出的配電網(wǎng)重構(gòu)法，以及文獻(xiàn)［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(chǔ)上，提出確定間接損失的方法。對各種可行性的規(guī)劃方案下電壓暫降和用戶設(shè)備電壓耐受能力進(jìn)行研究，定量計(jì)算間接損失，提出用戶友好配電系統(tǒng)的規(guī)劃模型和方法，以RBT Bus2配電系統(tǒng)為例，對提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明方法的有效性和可能性。

1 用戶友好配電系統(tǒng)與規(guī)劃指標(biāo)

1.1 用戶友好配電系統(tǒng)

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)規(guī)劃目標(biāo)［15］主要有供電能力、線損、穩(wěn)態(tài)供電質(zhì)量等，這些指標(biāo)大多立足于供電方，反映了供配電企業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)向型經(jīng)營理念。智能電網(wǎng)的基本特征之一是用戶參與，必然要求在規(guī)劃和建設(shè)的過程中考慮用戶和社會利益，建立用戶友好配電系統(tǒng)。為了區(qū)別于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，將用戶友好配電系統(tǒng)定義為:用戶友好配電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)愿景在配電系統(tǒng)中的具體化和現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)，是在建設(shè)成本、運(yùn)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(huán)保要求，以用戶滿意度為目標(biāo)的配電系統(tǒng)［16］。

根據(jù)以上定義，配電系統(tǒng)和用戶的滿意度是用戶友好配電系統(tǒng)的主要特征，用戶滿意度是關(guān)鍵?，F(xiàn)有配電系統(tǒng)規(guī)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(guān)注是否能達(dá)到期望的效用，即達(dá)到其希望的滿意度。用戶的滿意度受自身和電網(wǎng)的多重不確定性因素影響［10］，包括接線方式、回路數(shù)、線路型號、故障位置、故障類型、用電特性以及用戶設(shè)備的電壓耐受能力等。用戶設(shè)備的電壓耐受能力則根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)［7］設(shè)定。在配電網(wǎng)規(guī)劃時，只有充分考慮用戶設(shè)備的耐受能力與系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的供電質(zhì)量擾動之間的兼容性，才能實(shí)現(xiàn)用戶友好配電系統(tǒng)。

1.2 用戶友好配電系統(tǒng)規(guī)劃指標(biāo)

傳統(tǒng)規(guī)劃將建設(shè)成本、運(yùn)營成本、用戶停電損失作為規(guī)劃目標(biāo)，滿足系統(tǒng)的等式和不等式約束，滿足系統(tǒng)和用戶的可靠性指標(biāo)要求。用戶友好配電系統(tǒng)除滿足以上要求外，用戶滿意度是重要指標(biāo)之一。因此，在進(jìn)行規(guī)劃時，需全面考慮系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)成本，評估用戶停電引起的直接損失和供電質(zhì)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(yán)重，根據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)，美國每年因電壓暫降引起的損失達(dá)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(diǎn)，需考慮可能的規(guī)劃方案中，電壓暫降的不確定性和用戶設(shè)備響應(yīng)的不確定性，以此定量確定用戶滿意度，并將其納入規(guī)劃指標(biāo)。用戶友好配電系統(tǒng)的規(guī)劃指標(biāo)體系如圖1。圖中間接損失的確定是關(guān)鍵，其他指標(biāo)的確定與傳統(tǒng)方法類似。

圖1 用戶友好配電系統(tǒng)規(guī)劃指標(biāo)體系

2 間接損失指標(biāo)的確定

2.1 配電系統(tǒng)電壓暫降的確定

配電系統(tǒng)電壓暫降的嚴(yán)重程度與系統(tǒng)拓?fù)?、運(yùn)行方式、故障位置、故障類型、保護(hù)類型、保護(hù)定值及裝置特性等有關(guān)［10］?，F(xiàn)有故障定位法［17］、臨界距離法［18］等可用以確定給定用戶設(shè)備和給定配網(wǎng)條件下的配電系統(tǒng)暫降域或不可接受的故障范圍，但是，由于不同用戶設(shè)備的電壓耐受能力不同，即使在相同情況下導(dǎo)致間接損失也不同，因此，在配電網(wǎng)規(guī)劃時，需根據(jù)可行配電網(wǎng)規(guī)劃方案和用戶設(shè)備特性進(jìn)行評估。

圖2 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對任意系統(tǒng)，如圖2，當(dāng)任意線路i－j上任意位置f點(diǎn)發(fā)生三相短路時，任意用戶設(shè)備接入點(diǎn)m處的電壓暫降幅值為

式中，Ur，m為節(jié)點(diǎn)m的剩余電壓(電壓暫降幅值);為故障前m、f點(diǎn)的電壓;l為故障線路i－j的歸一化長度;Zii、Zjj為節(jié)點(diǎn) i、j的自阻抗;Zmi、Zmj、Zij分別為節(jié)點(diǎn) m、i、j的互阻抗;zij為線路 i－ j的阻抗;Zg為故障阻抗。當(dāng)線路i－j發(fā)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(tǒng)的故障也可能引起用戶設(shè)備損失，但配電系統(tǒng)故障引起的暫降對用戶設(shè)備的影響更頻繁也更嚴(yán)重，同時，配電系統(tǒng)內(nèi)大型感應(yīng)電機(jī)的起動等也可能引起電壓暫降，但嚴(yán)重程度不如系統(tǒng)故障，可在制定供電方案時考慮。配電系統(tǒng)的故障具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，根據(jù)線路i－j上不同故障點(diǎn)引起的用戶設(shè)備接入點(diǎn)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(diǎn)電壓暫降嚴(yán)重性，其概率密度函數(shù)如式(2)。

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

式(2)中，變量取值由電壓暫降幅值分布決定，結(jié)合式(1)，計(jì)算時采用的 Zii、Zjj、Zmi、Zmj、Zij均為系統(tǒng)阻抗矩陣對應(yīng)參數(shù)，與拓?fù)溆嘘P(guān)，可根據(jù)規(guī)劃方案確定。

2.2 電壓暫降引起的用戶設(shè)備故障次數(shù)

用戶設(shè)備電壓耐受能力的不確定性受設(shè)備類型、安裝位置、使用壽命、運(yùn)行條件、負(fù)載水平等影響，可用圖3所示不確定區(qū)域描述。對于不同設(shè)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(jì)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(jìn)行全面評估。

圖3 用戶故障不確定性區(qū)域

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

式中，s為電壓暫降嚴(yán)重性指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，可描述電壓暫降幅值、持續(xù)時間和綜合指標(biāo)，這里為說明方法僅考慮暫降幅值。

用戶設(shè)備故障概率P(A)反映了線路i－j任意點(diǎn)故障可能導(dǎo)致的m點(diǎn)用戶設(shè)備的故障概率。在m點(diǎn)接入的k類用戶設(shè)備因電壓暫降引起的年故障次數(shù)為

式中，k為用戶設(shè)備類型;xmk1、xmk2表示m點(diǎn)處k類用戶設(shè)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(xiàn)有配網(wǎng)規(guī)劃很少考慮電壓暫降損失，在電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價中［22］，有時間接損失更嚴(yán)重［21］。這是因?yàn)槠浒嗽O(shè)備維修、員工補(bǔ)貼、購置輔助設(shè)備(如不間斷電源)或修改生產(chǎn)工序等一系列的消費(fèi)。

實(shí)際中，用戶可分為居民、商業(yè)、政府機(jī)關(guān)、工業(yè)等類。根據(jù)北歐調(diào)查數(shù)據(jù)顯示［21］，工業(yè)用戶對供電恢復(fù)時間更敏感，其他用戶的敏感特性基本相同，這與工業(yè)生產(chǎn)大量流水線作業(yè)相符。因此，工業(yè)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(diào)查統(tǒng)計(jì)得出的用戶中斷成本［23］，表示用戶因電壓暫降發(fā)生故障后為恢復(fù)1 kW正常用電年峰值而導(dǎo)致的間接經(jīng)濟(jì)損失。

表1 用戶單次故障損失

節(jié)點(diǎn)m處k類用戶的年間接損失為

對于配電系統(tǒng)的可行規(guī)劃方案，全系統(tǒng)內(nèi)用戶因電壓暫降引起的損失為

式中，m、M為可行方案內(nèi)節(jié)點(diǎn)號和負(fù)荷接入點(diǎn)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(tǒng)規(guī)劃方案間接損失的一般過程如下。

①根據(jù)給定規(guī)劃方案下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各支路參數(shù)，以及各類用戶設(shè)備電壓耐受能力，用式(2)和式(3)計(jì)算各類設(shè)備的故障概率。

②根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)所得系統(tǒng)元件可靠性參數(shù)，用式(4)計(jì)算各用戶設(shè)備接入點(diǎn)各類用戶的年故障次數(shù)。

③由各類用戶設(shè)備單次故障損失并計(jì)及年故障次數(shù)，計(jì)算不同系統(tǒng)規(guī)劃方案下用戶電壓暫降損失，確定配電系統(tǒng)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)，由此判定最優(yōu)配電系統(tǒng)方案，得到期望的用戶友好配電系統(tǒng)。

4 用戶友好配電系統(tǒng)規(guī)劃

4.1 規(guī)劃模型

為說明原理，以系統(tǒng)擴(kuò)建線路為規(guī)劃變量，用電壓暫降引起的用戶損失和系統(tǒng)電量不足損失作為年用戶損失，以年用戶損失、建設(shè)投資年費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)作為系統(tǒng)規(guī)劃綜合費(fèi)用，以綜合費(fèi)用最小為規(guī)劃目標(biāo)，規(guī)劃模型如下。

式中，f1、f2、f3為建設(shè)投資等年值費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用(包括年網(wǎng)損費(fèi)和年折舊維護(hù)費(fèi))、用戶綜合損失費(fèi)用(包括缺電損失和潛在損失);uh為第h年建設(shè)計(jì)劃(Uh為系統(tǒng)建設(shè)可行方案集);xh為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量;yh為系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化變量。

式(8)、(9)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束，如線路回路數(shù)、線路路徑、線型等;式(10)為系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化約束，包括線路潮流、發(fā)電廠出力和機(jī)組出力、負(fù)荷水平以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等約束。

目標(biāo)函數(shù)中各分量的表達(dá)式如下。

式中，i為投資折現(xiàn)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(shù);L為系統(tǒng)支路集合。

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

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(guī)劃流程

根據(jù)以上規(guī)劃目標(biāo)和模型，用戶友好配電系統(tǒng)的規(guī)劃流程如圖4。

圖4 配電網(wǎng)規(guī)劃流程

5 算例分析

算例取自IEEE－RBTS的BUS2配電系統(tǒng)的一條主饋線［24］。該系統(tǒng)為11 kV的配電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5，圖中，方框?yàn)?3/11 kV變電站，虛線為可擴(kuò)建線路，LP1～LP7為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其他均為分支節(jié)點(diǎn)。

利用本方法對待規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行損失評估，并與未考慮間接損失的評估結(jié)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(guī)劃結(jié)果(實(shí)線表示選中線路，虛線未選)，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖6。

在不同方案下，各條支路在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓暫降幅值的概率密度函數(shù)系數(shù)的變化趨勢如表2和表3，表征了系統(tǒng)電壓暫降嚴(yán)重程度，結(jié)合各節(jié)點(diǎn)不同用戶設(shè)備的電壓耐受能力，得用戶設(shè)備故障概率。

結(jié)合用戶設(shè)備信息［24］，用第3節(jié)提出的方法評估經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)SEMIF47標(biāo)準(zhǔn)，用PC、ASD、PLC分別代表居民、政府和商業(yè)、工業(yè)用戶的典型設(shè)備，并假設(shè)各用戶與設(shè)備相互獨(dú)立。由圖5及用戶信息可知，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(shù)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(shù)目。相對而言，工業(yè)用戶則更為集中，對單次故障概率也更為敏感。因此可以發(fā)現(xiàn)，如何合理地選擇用戶接入點(diǎn)是用戶友好配電網(wǎng)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(shù)對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)LP5上用戶造成的故障

由表2、表3可知:

(1)對于不同規(guī)劃方案，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響會負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的故障概率密度，導(dǎo)致不同的用戶故障概率。以表2中結(jié)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(wǎng)，系統(tǒng)暫降嚴(yán)重性有單調(diào)性，如表3。負(fù)荷點(diǎn)處的嚴(yán)重暫降多起源于系統(tǒng)上游以及周邊節(jié)點(diǎn)，下游節(jié)點(diǎn)的影響可忽略，因此，用戶滿意度與用戶接入點(diǎn)的位置有關(guān)，說明合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是規(guī)劃用戶友好配電系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。

表3 方案1支路2－4和支路6－LP5擾動的概率密度函數(shù)對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)LP4上用戶造成的故障

圖5 RBT Bus2配電系統(tǒng)饋線圖

圖6 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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

結(jié)合系統(tǒng)元件的可靠性參數(shù)［24］，兩種不同方案下的費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 RBT Bus2配電系統(tǒng)饋線規(guī)劃結(jié)果

對于方案1和方案2，兩者均能滿足負(fù)荷點(diǎn)的用電需求，只在饋線構(gòu)建上略有不同，擴(kuò)建線路的投資費(fèi)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(tǒng)規(guī)劃中不可忽略的部分。同時，計(jì)入用戶間接損失后，所得到的優(yōu)化方案結(jié)果是不同的。雖然方案1的網(wǎng)損、投資及折舊維護(hù)這三者的費(fèi)用之和較方案2的費(fèi)用高，但該網(wǎng)絡(luò)減少了用戶故障次數(shù)，降低了用戶損失?？梢?，該規(guī)劃結(jié)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(zhì)量，提高了全系統(tǒng)中用戶滿意度。

6 結(jié)論

(1)以上提出了實(shí)際中可行的、正確的用戶友好配電網(wǎng)的仿真模型。通過間接損失指標(biāo)搭建了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與用戶間更為直接的聯(lián)系，將智能電網(wǎng)的用戶互動特性真正地體現(xiàn)到工程運(yùn)用中，邁出了用戶友好智能配電網(wǎng)的第一步。

(2)考慮了配電系統(tǒng)中各類用戶經(jīng)濟(jì)損失的不確定性，通過選擇具備用戶設(shè)備耐受能力與系統(tǒng)擾動最佳兼容性的規(guī)劃方案，能直觀地反映出用戶對系統(tǒng)的滿意度。該配電網(wǎng)規(guī)劃方法適用于任何規(guī)模的輻射網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)。

(3)國內(nèi)外大量地投訴都與配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致的用戶經(jīng)濟(jì)損失有關(guān)。仿真結(jié)果也表明了考慮用戶滿意度的必要性。如何進(jìn)一步找到合理的補(bǔ)償裝置以及用戶的最佳接入點(diǎn)，提高系統(tǒng)抗災(zāi)性，是值得更深入研究的重要課題。

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