考慮負(fù)荷釋放過程的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型

文承毅，王海生，喬 歡，李思凡，呂 懿，張詩建

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計研究中心，?？?570000；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡(luò)，直接面對供電用戶，合理的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃可以保證配電網(wǎng)運行的可靠性，滿足用戶可靠優(yōu)質(zhì)的用電需求，提升電網(wǎng)規(guī)劃投資的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。在國家高質(zhì)量發(fā)展要求下，如何進(jìn)行配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃，已成為當(dāng)前的熱點問題之一。

許多專家學(xué)者對此開展了研究，李楠等[3]基于全壽命周期概念，提出了一種以從配網(wǎng)網(wǎng)架投資到退役的綜合費用最低為目標(biāo)的中壓配網(wǎng)網(wǎng)架擴(kuò)展規(guī)劃模型，并提出了一種基于排序思想的Dijkstra改進(jìn)算法，提高了其計算速度。Y Chen等[4]通過將城市電力需求、供電半徑與經(jīng)濟(jì)性等多指標(biāo)綜合考慮提出一種影響因子，并構(gòu)造了一種基于Weighted-Voronoi圖的配網(wǎng)規(guī)劃模型。也有學(xué)者利用啟發(fā)式算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，陳后全等[5]將配電網(wǎng)用戶分類，通過評定不同類型負(fù)荷的缺電損失來構(gòu)建綜合用戶缺電損失函數(shù)并計算得到可靠性代價成本，從而實現(xiàn)供電可靠性的經(jīng)濟(jì)性量化，將其加入目標(biāo)函數(shù)并用改進(jìn)粒子群算法求解得到配網(wǎng)規(guī)劃模型。張景煜等[6]構(gòu)建了以保證可靠性要求的前提下最大程度降低線路綜合費用為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題，通過改進(jìn)人工魚群算法求解得到電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃。M Li等[7]提出了一種結(jié)合了電網(wǎng)與民眾收益指標(biāo)的綜合經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)。而當(dāng)前配電網(wǎng)網(wǎng)架的規(guī)劃多以規(guī)劃期末的年負(fù)荷水平作為約束條件進(jìn)行規(guī)劃，忽略了負(fù)荷發(fā)展的動態(tài)過程，容易造成配電網(wǎng)超水平建設(shè)，導(dǎo)致設(shè)備利用率低、投資時效不足等問題。

本文基于配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概述，提出一種考慮負(fù)荷釋放過程的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型，全面計及規(guī)劃期內(nèi)的配電網(wǎng)運行損耗和停電損失。采用南方電網(wǎng)某實際配電網(wǎng)線路等效模型，驗證所提模型的有效性。

1 配電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，在配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面，目前已形成許多標(biāo)準(zhǔn)化的典型接線，如“n-1”單環(huán)網(wǎng)、“n供1備”、雙環(huán)網(wǎng)等等，以下對各典型接線結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述

（1）“n-1”單環(huán)網(wǎng)

單環(huán)網(wǎng)線路主要包括“2-1”單環(huán)網(wǎng)和“3-1”單環(huán)網(wǎng)，其中“2-1”單環(huán)網(wǎng)包括2個供電電源，運行負(fù)載率限制為50%，“3-1”單環(huán)網(wǎng)一般包括3個供電電源，運行負(fù)載率限制為66.7%。一般情況下，線路進(jìn)行2分段或3分段，采用負(fù)荷均衡分布原則。圖1所示為“3-1”單環(huán)網(wǎng)的典型線路結(jié)構(gòu)。

圖1 “3-1”單環(huán)網(wǎng)Fig.1“3-1”distribution network

（2）n供1備

n供1備接線與單環(huán)網(wǎng)接線類似，主要包括“2供1備”和“3供1備”兩種，其中“2供1備”包括3個電源，“3供1備”包括4個供電電源，其理論運行負(fù)載率限制可以達(dá)到100%。“2供1備”結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 2供1備結(jié)構(gòu)Fig.2 Twosuppliesand onestandby distribution network

（3）雙環(huán)網(wǎng)

如圖3所示，雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般包括4回10 kV線路，相互進(jìn)行分段聯(lián)絡(luò)，可靠性較高，在滿足“n-1”情況下，其運行負(fù)載率限制為75%。

圖3 雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Doubleloop network

綜上所述，目前配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)類型較多，如何兼顧配電網(wǎng)運行可靠性與投資經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選擇，是當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃面臨的重要問題之一。

2 負(fù)荷釋放定義及擬合

目前的配電網(wǎng)規(guī)劃較多地以規(guī)劃末期負(fù)荷量級進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃，未深入分析考慮負(fù)荷釋放特點與特性，未考慮負(fù)荷動態(tài)、階段發(fā)展變化特點，規(guī)劃網(wǎng)架的適應(yīng)性難以保障，從而導(dǎo)致出現(xiàn)配電網(wǎng)運行設(shè)備利用率低、資源浪費等問題。

負(fù)荷發(fā)展是一個動態(tài)發(fā)展過程，在配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃時，考慮負(fù)荷發(fā)展的動態(tài)過程，可以一定程度上優(yōu)化配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建設(shè)發(fā)展路線，提升配電網(wǎng)建設(shè)資金利用率和配電網(wǎng)設(shè)備的利用率。在此，本文提出“負(fù)荷釋放”概念，即以地區(qū)線路設(shè)備或以配變設(shè)備為單位，從設(shè)備投運之處到負(fù)荷發(fā)展飽和的整體負(fù)荷變化過程。

負(fù)荷釋放過程的研究與建模與負(fù)荷預(yù)測相似，均是基于歷史數(shù)據(jù)的規(guī)律總結(jié)與預(yù)測分析，在此，本文提出負(fù)荷釋放曲線的擬合方法如下

（1）采集負(fù)荷的歷史年最大負(fù)荷數(shù)據(jù)；

（2）基于歷史數(shù)據(jù)，采用最小二乘法[8]、灰色預(yù)測[9]等進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合；

（3）采用動平均、指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測等進(jìn)行趨勢外推[10]，得到負(fù)荷釋放曲線。

3 配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型

針對當(dāng)前配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃評價未綜合考慮負(fù)荷發(fā)展過程問題，本文提出一種考慮負(fù)荷釋放特點的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型，基于配電網(wǎng)負(fù)荷釋放過程，構(gòu)建配電網(wǎng)多時序網(wǎng)損模型和停電損失模型，綜合得到配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型，以下該模型構(gòu)建和計算流程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型

基于負(fù)荷釋放曲線，本文提出配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型如下：

式中：f為綜合經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)；S1為多年有功損耗電量；S2為多年停電損失電量；Pr為銷售電價，取0.6元/kWh；L為規(guī)劃線路長度；I為單位線路投資成本。

上述模型的含義為綜合考慮負(fù)荷釋放過程中的配電網(wǎng)運行有功損耗及停電損失，和配電網(wǎng)網(wǎng)架基本建設(shè)成本，得出在該網(wǎng)架下，單位配電網(wǎng)線路建設(shè)的綜合經(jīng)濟(jì)成本，用以衡量及對比不同配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建設(shè)經(jīng)濟(jì)性。

（1）配電網(wǎng)網(wǎng)架的線路有功損耗S1

式中：a為最大負(fù)荷利用小時數(shù)，取2 500 h；r為單位線路電阻，Ω/km；Lij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的線路長度；n為線路節(jié)點集合；y為規(guī)劃評價年限；為第t年由節(jié)點i流向節(jié)點j電流大小的平方。

其中：

式中：E為在節(jié)點y正向潮流方向的所有節(jié)點集合，定義潮流方向從10 kV配電線路首端流向10 kV配電線路末端為正；V為參考電壓，取10.5 kV。

（2）配電網(wǎng)網(wǎng)架的停電損失S2

式中：m為停電可轉(zhuǎn)供10 kV線路分段數(shù)量；n1為分段開關(guān)數(shù)量；α1為10 kV配電線路故障率；h1為故障修復(fù)時間；h2為故障定位時間。

3.2 計算步驟流程

基于上述提出的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型，本文提出考慮負(fù)荷釋放過程的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算流程如下。

（1）獲取規(guī)劃區(qū)域配電網(wǎng)基本信息，包括配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)電氣連接圖、配電網(wǎng)網(wǎng)架中各線路的單線圖、10 kV配電線路故障率α1、故障修復(fù)時間h1、故障定位時間h2、規(guī)劃年限y、節(jié)點數(shù)量n、10 kV配電線路單位長度線路投資I、電價Pr；所述單線圖含10 kV配電線路長度L、10 kV配電線路單位長度電阻r、節(jié)點位置、節(jié)點間線路長度Lij、分段開關(guān)數(shù)量n1。

（2）獲取規(guī)劃區(qū)域的歷史負(fù)荷信息，具體為單線圖中各個配電變壓器y1年的歷史年最大負(fù)荷數(shù)據(jù)Px。x=1，2，…，y1；i=1，2，…，n；j=1，2，…，n。

（3）根據(jù)歷史負(fù)荷信息擬合各個配電變壓器節(jié)點負(fù)荷釋放曲線。

（4）根據(jù)配電網(wǎng)基本信息和各節(jié)點的負(fù)荷釋放曲線，計算配電網(wǎng)網(wǎng)架的線路有功損耗S1。

（5）根據(jù)配電網(wǎng)基本信息和各節(jié)點的負(fù)荷釋放曲線，計算配電網(wǎng)網(wǎng)架的停電損失S2。

（6）應(yīng)用配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性模型，計算配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。

4 算例分析

本文應(yīng)用南方電網(wǎng)某配電網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算模型的應(yīng)用，驗證模型的應(yīng)用效果，其配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

該環(huán)網(wǎng)組線路為鄉(xiāng)鎮(zhèn)線路，全環(huán)網(wǎng)組共有31個配變負(fù)荷節(jié)點，配變總?cè)萘繛?2 250 kVA。為了進(jìn)行有效對比，進(jìn)行“2-1”單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和“3-1”單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建設(shè)對比，線路的負(fù)荷水平配置完全一致。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting

線路負(fù)荷初始負(fù)載率為45%，部分代表負(fù)荷節(jié)點的釋放曲線如圖5所示。

圖5 負(fù)荷釋放曲線Fig.5 Load development

設(shè)置3種環(huán)網(wǎng)模式，進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性對比計算：

（1）模式1，規(guī)劃期內(nèi)均采用“2-1”單環(huán)網(wǎng)，另外回線路為單輻射，此時線路總長23.4 km；

（2）模式2，規(guī)劃期內(nèi)均采用“3-1”單環(huán)網(wǎng)，此時線路總長為28.4 km；

（3）模式3，規(guī)劃期內(nèi)前3年采用“2-1”單環(huán)網(wǎng)，規(guī)劃期內(nèi)后3年采用“3-1”單環(huán)網(wǎng)線路前3年總長為23.4 km，后3年為28.4 km。

對比各模式下本文方法評估結(jié)果和以規(guī)模末期為評估斷面的傳統(tǒng)方法結(jié)果，仿真結(jié)果如表2所示。由表可知，本文方法得出的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)略小于傳統(tǒng)計算方法，且本文方法可以有效反映不同建設(shè)模式下的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性變化，而傳統(tǒng)以規(guī)劃末期的斷面評價則難以準(zhǔn)確評估。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Simulation result

5 結(jié)束語

本文基于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)概述，定義了負(fù)荷釋放概念，構(gòu)建了考慮負(fù)荷釋放過程的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性計算模型，給出了經(jīng)濟(jì)性計算流程。運用實南方電網(wǎng)實際網(wǎng)架數(shù)據(jù)，進(jìn)行了本文模型的效果驗證，結(jié)果表明，本文所提模型可以有效地評估各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性，可為配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化建設(shè)提供重要的參考價值。