基于電力消費分布特性的配電網(wǎng)絡差異化規(guī)劃

摘要：提出一種基于電力消費分布特性的配電網(wǎng)絡差異化規(guī)劃方法。該方法以用戶的電力消費分布特性為出發(fā)點，以供電企業(yè)的經(jīng)濟利益為落腳點，以期同時滿足電力用戶和供電企業(yè)雙方的需要。

關(guān)鍵詞：電力消費；配電網(wǎng)絡；差異化規(guī)劃

中圖分類號：F273#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻標識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）18-0117-04

通常配電網(wǎng)絡涵蓋了多個不同類型的供電區(qū)域，各供電區(qū)域之間存在著地理位置、功能定位、經(jīng)濟基礎(chǔ)等方面的差異。這些差異體現(xiàn)在用戶的電力需求上就是不同供電區(qū)域存在著不同的負荷密度、負荷利用小時數(shù)、負荷增長率以及負荷重要程度等。為了更好地反映供電區(qū)域的差異性，方便實際配網(wǎng)規(guī)劃工作，本文提出電力消費分布特性這一概念來概況供電區(qū)域的上述特征。

配電網(wǎng)絡作為與用戶直接相連的電力系統(tǒng)末端，最大的特點是必須與電力消費特性相適應。而電力消費特性往往呈現(xiàn)分布性，不同供電分區(qū)即使是地理上相鄰的區(qū)域，其電力消費特性也有一定差距。因此對于配電網(wǎng)絡規(guī)劃來說，應當首先考慮電力消費的分布特性。然而，傳統(tǒng)的規(guī)劃方法通常對配電網(wǎng)絡進行整體規(guī)劃，全口徑統(tǒng)計評估規(guī)劃電網(wǎng)的供電可靠率、線損率、電壓合格率等指標，很少考慮到規(guī)劃區(qū)內(nèi)不同區(qū)域?qū)﹄娏π枨蟮牟町愋裕嘤幸晃兑员ＷC重要用戶供電的最高指標來規(guī)劃和建設整個電網(wǎng)進行規(guī)劃的情況，造成了資源的浪費和投資的增加。此外，即使是考慮了用戶差異性特征的配網(wǎng)規(guī)劃方法，也僅是在規(guī)劃的最后階段根據(jù)用戶特性對規(guī)劃方案進行調(diào)整，從方法上來說欠缺一定的科學性和系統(tǒng)性。

本文提出一種基于電力消費分布特性的配電網(wǎng)絡差異化規(guī)劃方法。該方法以用戶的電力消費分布特性為出發(fā)點，以供電企業(yè)的經(jīng)濟利益為落腳點，以期同時滿足電力用戶和供電企業(yè)雙方的需要。

一、基于電力消費特性的配網(wǎng)分區(qū)

1.電力消費特性的提出

配電系統(tǒng)中所有電力用戶的用電設備所消耗的電功率總和稱為配電系統(tǒng)的負荷，亦稱綜合負荷。綜合負荷是一個高度概括的物理量，可以反映某一地區(qū)負荷的整體情況。但是，同一配電系統(tǒng)中不同類型的電力用戶的負荷特征卻不盡相同，其差異性可以分別通過以下指標得到體現(xiàn)：負荷密度——反映了電力消費的密集程度；最大負荷利用小時數(shù)——反映了電力消費的持續(xù)程度；負荷年增長率——反映了電力消費的發(fā)展趨勢；負荷分級——反映了電力消費的重要程度。將負荷分為三類，其中Ⅰ類負荷是最重要的，包括醫(yī)院、學校等用戶。此外，還有其他反映用戶特征的指標，例如用戶的主要用電設備、用戶所處的地理環(huán)境等。

本文提出將電力消費分布特性應用到配網(wǎng)規(guī)劃過程中，力圖使規(guī)劃過程簡約化、模塊化、實用化。電力消費特性是反映某一供電區(qū)域電力用戶負荷綜合特征的指標。從它的構(gòu)成來看，電力消費特性主要包括電力消費發(fā)展規(guī)律和電力消費重要程度兩個方面。電力消費發(fā)展規(guī)律反映了某地區(qū)負荷發(fā)展的現(xiàn)狀與未來的電力消費能力，包括負荷密度、最大負荷利用小時數(shù)和負荷年增長率等指標；而電力消費重要程度反映了某地區(qū)負荷的重要性，包括負荷分級等指標。

2.電力消費特性與配電系統(tǒng)的關(guān)系

作為與用戶直接相連的電力系統(tǒng)末端，配電系統(tǒng)與電力用戶的關(guān)系密切，即必須適應于用戶的電力消費特性。配電系統(tǒng)的諸多指標，如配電變電站容載比、配電線路負載率、配電線路接線模式、供電半徑、配電變壓器負載率、供電可靠率、電壓合格率、綜合線損率、N-1比例等等，都與電力消費特性緊密相關(guān)。以10kV降壓變電站的供電半徑為例，當負荷密度增加時，變電站的經(jīng)濟供電半徑就應該隨之減少。通過參考相關(guān)資料[1-5]與實際計算，針對本文所研究的配網(wǎng)規(guī)劃區(qū)域，配電系統(tǒng)各項指標與電力消費特性的各個組成要素間的關(guān)系曲線如圖1～圖4所示。

3.基于電力消費特性的配網(wǎng)分區(qū)

根據(jù)電力消費分布特性對所轄地區(qū)進行劃分是本文所提出的規(guī)劃方法的一個重要步驟。本文依據(jù)電力消費特性指數(shù)對配網(wǎng)所轄地區(qū)進行劃分，電力消費特性指數(shù)可以在一定程度上反映某一區(qū)域用戶的電力消費特性，其計算公式如下：

電力消費特性指數(shù)=負荷密度×最大負荷利用小時數(shù)×Ⅰ類負荷密度（1）

電力消費特性指數(shù)的高低直接影響著配電系統(tǒng)的主要指標，如供電半徑、電壓合格率、綜合線損率、N-1比例以及線路的接線模式等。此外，在進行區(qū)域劃分時還需考慮負荷的年增長率。負荷的年增長率影響的是10kV降壓變電站、配電線路以及配電變壓器的負載率。在確定了規(guī)劃區(qū)域的電力消費特性分布情況之后，就可以依照電力消費特性指數(shù)和負荷的增長情況對配電網(wǎng)絡分為與電力消費特性相適應的供電分區(qū)，每個分區(qū)對應的配網(wǎng)規(guī)劃指標可以根據(jù)該地區(qū)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電力消費特性各要素間的關(guān)系曲線確定。

以本文所研究的規(guī)劃地區(qū)為例，可以根據(jù)電力消費特性的分布情況將該地區(qū)劃分為A、B、C、D四個不同的供電分區(qū)。各供電分區(qū)的電力消費特性及配網(wǎng)規(guī)劃階段性指標如表1所示。

二、基于電力消費分布特性的規(guī)劃模型

1.確定10kV變電站的位置及容量

在進行配電網(wǎng)絡規(guī)劃之前，應首先對規(guī)劃地區(qū)按如表1所示的電力消費分布特性進行劃分，確定各個分區(qū)的配網(wǎng)規(guī)劃階段性指標。其次根據(jù)各個分區(qū)的負荷分布情況選擇10kV降壓變電站的位置及各變電站的容載比。本文使用的是基于加權(quán)V圖的變電站選址方法。[6]

在選好變電站的位置及容量后，配網(wǎng)規(guī)劃的重點就放在了確定每個變電站的出線數(shù)ni、每條出線的長度lij以及各條出線的接線方式。在確定這些規(guī)劃要素時，應將表1中各個分區(qū)的電壓合格率、10kV綜合線損率、10kV供電半徑、低壓供電半徑和N-1比例作為約束條件；將規(guī)劃區(qū)域總體技術(shù)水平（供電可靠性、線損率、電壓合格率）作為目標函數(shù)。

2.計算線路電壓降

在計算之前，需對相關(guān)參數(shù)進行說明。U為線路額定電壓；uij%為第i個變電站的第j條10kV干線的電壓降落百分數(shù)；lij為第i個變電站的第j條10kV干線的長度；Sij為第i個變電站的第j條10kV干線的總負荷；mij為第i個變電站的第j條10kV干線的支線條數(shù)；pij為第i個變電站的第j條10kV干線總負荷；ni為第i個變電站的出現(xiàn)總數(shù)；LDFij為負荷分配系數(shù)，；H為單位電壓調(diào)整常數(shù)，；r、x為單位長度干線的電阻和電抗。

線路電壓降落百分數(shù)的計算公式如下：[7]

（2）

其中，lijk為線路第k段的長度，sijk為線路第k段的電力負荷。

將單位電壓調(diào)整常數(shù)H和負荷分配系數(shù)LDFij帶入公式（2），可得到如下實用的線路電壓降落百分數(shù)的計算公式：

（3）

3.計算線路損耗

（1）干線的功率損耗。假定負荷均勻分布，各個支線間的距離相同，各個支線的電流I也相同。兩支線間干線的電阻為R，則干線功率損耗可由下式計算：

（4）

經(jīng)簡化，可得如下公式：

（5）

（2）支線的功率損耗。為了簡化計算，假設同一干線上的各條支線的長度均相同，為aij，支線單位長度電阻為rk，則支線的總功率損耗計算如下：

（6）

（3）總功率損耗的計算?？偣β蕮p耗為干線損耗與支線總功率損耗之和，計算公式如下：

（7）

功率損耗百分數(shù)為：

（8）

4.各干線接線方式的確定

設與干線lij相連接的其他干線的數(shù)量為nij，則該干線的負載率為。

假設規(guī)劃中選取的所有干線的型號均相同，那么干線的長度lij應該反比于該條干線的負載率。由于只有當時，干線lij才能滿足N-1準則，因此考慮在最極端的情況下，除了單輻射線路之外的所有線路nij=1，那么某一變電站的N-1通過率至少為。

5.模型的建立

對于某一供電分區(qū)，綜合上面的各個計算公式，可以列出其約束條件。例如對于A區(qū)可列出如下約束條件：

（9）

同理，根據(jù)其他供電區(qū)域的規(guī)劃目標值也可列出相應的約束條件。需要說明的是，由于D區(qū)與其他三個區(qū)域相比具有特殊性，因此約束條件不涉及D區(qū)。對于整個規(guī)劃區(qū)而言，還有下面幾個約束條件。

每條干線的供電面積之和應大于整個規(guī)劃區(qū)域的面積：

（10）

每條干線總負荷之和應大于整個規(guī)劃區(qū)總負荷：

（11）

每條干線聯(lián)絡數(shù)之和與干線總條數(shù)相同：

（12）

規(guī)劃區(qū)整體的目標函數(shù)為：

總壓降最?。?（13）

總線損最?。?/p>

（14）

配電線路總長度最?。?/p>

（15）

6.規(guī)劃模型的求解

由于所建立的規(guī)劃模型包含總壓降、總線損和配電線路總長度三個目標值，為了后續(xù)模型求解的方便，為每個目標函數(shù)定義隸屬度。模型的第i個目標函數(shù)可以通過式（16）的隸屬度函數(shù)定義為（0，1）的值，如下：

（16）

式中，和Fi分別是模型的第i個目標函數(shù)的下限和當前目標值。是將第i個目標函數(shù)作為單目標函數(shù)時所求得的最優(yōu)解，而在多目標模型中為未知值。從式（16）可見，為使Fi達到最小值，則在該式中轉(zhuǎn)變?yōu)槭惯_到最大值。因此，最終的規(guī)劃模型可簡寫成如下形式，其中G為約束條件（9）～（12）。

（17）

本文采取遺傳算法求解優(yōu)化規(guī)劃模型，優(yōu)化過程中將TS引入GA的變異操作以加強GA的局部搜索能力，[8-10]終止條件采用“搜索時連續(xù)前后幾次迭代所得到的最優(yōu)解適應度相差在某個限定的任意小正數(shù)所確定的范圍內(nèi)，或者達到最大迭代次數(shù)”，其中適應度為對各子目標函數(shù)隸屬度函數(shù)進行權(quán)重系數(shù)法加權(quán)后的總目標隸屬度函數(shù)：

（18）

其中，、和分別為、、的權(quán)重系數(shù)，本文采用傳統(tǒng)方法計算、和的值。

三、在某地區(qū)配網(wǎng)規(guī)劃中的應用

對于如圖5所示的中國某地區(qū)，可以根據(jù)其規(guī)劃目標年的負荷預測結(jié)果確定該地區(qū)的電力消費分布特性，進而由電力消費特性的分布情況將該地區(qū)劃分為若干供電分區(qū)，具體的電力消費特性數(shù)據(jù)及分區(qū)結(jié)果如表2所示。

表2#8194；規(guī)劃區(qū)域電力消費特性分布及分區(qū)情況

地區(qū)名稱電力消費特性指數(shù)預測負荷密度（MW/km2）最大負荷利用小時數(shù)（kh）Ⅰ類負荷密度（%）負荷年增長率（%）分區(qū)等級

荊西5.1757.65 4.51159.02B

臺江1.7525.55 2.87119.28C

城關(guān)14.72012.32 4.12298.55B

列西29.34315.70 5.343510.61A

小蕉22.40313.58 4.23399.49A

列東21.56216.72 4.16318.87A

陳大16.37814.66 3.99288.19B

在劃分好供電分區(qū)之后，確定出的10kV降壓變電站的位置如圖5所示，繼而將表2中的參數(shù)代入規(guī)劃模型進行計算尋優(yōu)，得到最終的規(guī)劃方案。尋優(yōu)過程計算出的、和的值分別為0.6572、0.1388和0.204。最終所得到的規(guī)劃方案及計算出的各分區(qū)配網(wǎng)指標如表3所示，各降壓變電站10kV出線的電氣接線圖如圖6所示。

表3#8194；規(guī)劃結(jié)果及相應配電網(wǎng)絡指標

分區(qū)名稱變電站編號變電站名稱變電站容量（MVA）變電站負載率（%）變電站10kV出線條數(shù)10kV出線總長度（km）供電半徑（km）10kV線損率（%）10kV電壓合格率（%）N-1比例（%）

陳大#1瑞云變63711355.33.754.2087.576.9

#2碧湖變90691357.33.874.3393.3384.6

列東#3江濱變100761953.42.452.749595.0

#4徐碧變63762048.22.432.72100100

#7麒麟變5073825.72.823.1610087.5

小蕉#5忠山變100911012.91.211.3610080

分區(qū)名稱變電站編號變電站名稱變電站容量（MVA）變電站負載率（%）變電站10kV出線條數(shù)10kV出線總長度（km）供電半徑（km）10kV線損率（%）10kV電壓合格率（%）N-1比例（%）

列西#6龍崗變63851232.42.642.9510083.3

#8白沙變63791028.51.731.93100100

臺江#10雙江變31.5881058.64.804.998080

城關(guān)#9下洋變6371836.44.505.0010087.5

#11富興變90781846.52.582.8994.4477.8

#12臺江變31.574830.03.734.1893.3375.0

荊西#13荊東變63811357.84.184.6895.4692.3

四、總結(jié)與展望

本文對配電系統(tǒng)的規(guī)劃工作進行了有意義的嘗試，通過對實例分析可以證實，所提出的電力消費分布特性的概念以及基于該概念的配網(wǎng)規(guī)劃方法不但具有滿足用戶電力供應需求和提高電力企業(yè)投資效益兩方面的優(yōu)越性，而且還充分考慮了不同用戶的需要，并將摻雜著人為因素的復雜的配網(wǎng)規(guī)劃過程變得簡約化、模塊化、科學化、節(jié)約了人力物力，滿足了工程實際的要求。

由于規(guī)劃區(qū)域本身存在固有網(wǎng)絡，而由于歷史等原因固有網(wǎng)絡一般不是最優(yōu)的，因此在應用本文方法對配網(wǎng)進行規(guī)劃時，必須將所得規(guī)劃方案與固有網(wǎng)絡進行比對，進而對最終的規(guī)劃方案進行調(diào)整。

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（責任編輯：孫晴）