分布式電網(wǎng)框架多目標投資規(guī)劃研究

王靜怡,李國文,吳 霜,程 曦

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008)

當(dāng)前我國大中城市的分布式電源微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃基本思路是，以構(gòu)建3～4個電源的小環(huán)網(wǎng)為主，以拉手線路和雙線路專線為輔。在城市區(qū)域內(nèi)設(shè)置足夠密集但不過多冗余的民用10 kV分布式變壓器接入箱，供市民進行高壓側(cè)10 kV直接接入或低壓側(cè)400 V接入[1]。

分布式電源微網(wǎng)布局一般依據(jù)以下原則[2-3]：1)不同線路相鄰接入箱之間管廊間距或道路間距一般不超過500 m，相同線路相鄰接入箱之間的管廊間距一般不超過1 000 m，即確保任何地點接入用戶的兩線路入戶線纜間距不超過1 500 m；2)每個接入箱的10 kV接入能力一般不低于9 MW，400 V接入能力一般不低于3 MW，重點位置的10 kV接入能力一般不低于15 MW，重點位置接入箱的布局應(yīng)適當(dāng)加密[4]；3)為適應(yīng)智能電網(wǎng)對電力一次系統(tǒng)的要求，接入箱應(yīng)具備雙向供電能力和分時供電能力；4)除基本的差動、過流、負荷保護外，接入箱應(yīng)具備基本的浪涌抑制、無功補償、電能計量等功能。

傳統(tǒng)的網(wǎng)架優(yōu)化策略中，很少同時顧及投資效益和社會效益[5]。在進行新線路規(guī)劃或線路升級規(guī)劃時，應(yīng)滿足城市整體的配電網(wǎng)架規(guī)劃策略要求，并進行電源微網(wǎng)網(wǎng)架多目標規(guī)劃分析研究。本文以某三線城市為例，重點探討了其環(huán)線微網(wǎng)規(guī)劃過程中的電網(wǎng)微網(wǎng)網(wǎng)架多目標規(guī)劃，并以社會效益和投資效益最大化為目標給出了具體的優(yōu)化方案。

1 線路中的接入箱實現(xiàn)模式

實現(xiàn)電源微網(wǎng)核心功能的組件是分布在城市中的電源接入箱，電源接入箱向智慧城市的智能電網(wǎng)提供10 kV和400 V的分布式接入點，同時對接入的電能質(zhì)量進行管理，并對所有接入者的電能消耗量進行計量[6]。分布式電源接入箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1中，接入箱主要有5個功能：1)在環(huán)線或拉手線路中取電，形成箱內(nèi)10 kV母線；2)維護至少1臺10/0.4變壓器，形成400 V母線；3)在10 kV母線上提供一套包括供電能質(zhì)量管理無功補償系統(tǒng)、浪涌抑制系統(tǒng)、電壓及負荷管理系統(tǒng)等的系統(tǒng)，最低配接入箱應(yīng)至少提供分布式浪涌抑制系統(tǒng)；4)提供10 kV和400 V的接入點，每個接入點都應(yīng)配置智能電表用于單用戶的電能計量；5)所有相關(guān)設(shè)備的一次、二次接地，信號接地及信號整合，都應(yīng)按照規(guī)程進行部署。每個接入箱均是一個縮微版的10 kV變電站，變電站中應(yīng)有的功能在接入箱中均應(yīng)進行部署。

圖1 分布式電源接入箱結(jié)構(gòu)示意圖

一般一、二線城市縱、橫向跨度為15～20 km，三、四線城市為8～10 km，如果按照1 km網(wǎng)格進行接入箱布局，一、二線城市在400個左右即可滿足工程要求，三、四線城市在100個左右可滿足工程要求。而如果按照500 m網(wǎng)格進行接入箱布局，一、二線城市則需要1 600個接入箱，三、四線城市需要400個接入箱。一般環(huán)線供電模式下，每條環(huán)線可布置40～60個接入箱，拉手線路模式下，每條拉手線路可布置20～30個接入箱[7]。以三線城市為例， 以500 m網(wǎng)格進行規(guī)劃，其至少需要4～6條環(huán)線和5～8條拉手線路，方可實現(xiàn)城區(qū)內(nèi)10 kV的配電微網(wǎng)格局。一般三線城市中，110 kV電源站的數(shù)量為5個，35 kV電源站的數(shù)量為10個，電源站數(shù)量滿足該微網(wǎng)布置需求[8]。

2 基于電力GIS的電源微網(wǎng)規(guī)劃目標

2.1 個案電網(wǎng)基本情況

地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)存儲著高清地圖，并整合、疊加了多種相關(guān)信息。某新晉三線城市，城區(qū)東西走向為13 km，南北走向為8 km，在其西北、西南各有一個省級工業(yè)開發(fā)區(qū)，城市總規(guī)模東西走向為18 km，南北走向為16 km，骨干道路形態(tài)在GIS中的表現(xiàn)如圖2所示。

圖2中，該城市西側(cè)及北側(cè)分別有1條高速公路匯入，城市中心有1條國道貫穿城區(qū)，另有3條省道連接相鄰城市。城區(qū)常駐人口220萬，城區(qū)內(nèi)有6個110 kV變電站作為城區(qū)主要電源站。6個110 kV變電站中，2個位于開發(fā)區(qū)，為2000年后建設(shè)，1個位于城北，為20世紀60年代建設(shè)的干線變電站，另外3個位于主城區(qū)內(nèi)，在1980年—1990年建成。城市主要居民區(qū)位于主城區(qū)內(nèi)，城西北省級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)主要為商業(yè)辦公集群，城西南開發(fā)區(qū)為工業(yè)開發(fā)區(qū)，主要為輕工業(yè)廠區(qū)。根據(jù)供電峰值分布情況，主城區(qū)峰值時段為18:00—23:00，城北開發(fā)區(qū)峰值時段為9:00—17:00，城南開發(fā)區(qū)無顯著峰值。城區(qū)內(nèi)日用電負荷穩(wěn)定在270～450 MW。

圖2 某市城區(qū)GIS示意圖

2.2 電源微網(wǎng)的狀態(tài)

該市城區(qū)內(nèi)已經(jīng)建成35 kV變電站25個，早期建成拉手線路92條，多通過分布式SF6斷路器對用電單位形成10 kV接入，接入點多根據(jù)用戶申請進行單項工程搭建，分布較為混亂。近5年來，城區(qū)開始實行兩項10 kV技術(shù)改革措施：

1)對拉手線路進行升級，形成城區(qū)的多電源環(huán)形線路。當(dāng)前城區(qū)內(nèi)已經(jīng)建成3電源以上環(huán)形線路16條。根據(jù)遠期規(guī)劃，城區(qū)內(nèi)會建成29條3電源以上環(huán)形線路，配合部分拉手線路，形成10 kV的骨干網(wǎng)絡(luò)。

2)在城區(qū)中布局一體化10/0.4電源接入箱，替代以往線路中分布的SF6斷路器。目前已經(jīng)建成接入箱45個，替代分布式SF6斷路器172個。遠期規(guī)劃建設(shè)接入箱470個。

2.3 電源微網(wǎng)的建設(shè)目標

為了充分支持智慧城市建設(shè)，該市“十四五”內(nèi)要完成如下10 kV電源微網(wǎng)的網(wǎng)架建設(shè)目標[9-10]：

1)實現(xiàn)全部接入點的電源箱接入。根據(jù)計算，為實現(xiàn)500 m網(wǎng)格的10 kV電源接入箱建設(shè)，確保不同線路相鄰接入箱間距小于500 m，城區(qū)需要建設(shè)電源接入箱470個，分布在至少29條環(huán)形線路上。

2)35 kV變電站的升級改造。早期因為規(guī)劃理念相對落后，在城區(qū)中建設(shè)的25個35 kV變電站略有冗余，應(yīng)予以技術(shù)改造升級，實現(xiàn)容量擴充和遠程倒閘，作為10 kV用電微網(wǎng)網(wǎng)架的主要電源支持使用。

3)智能電網(wǎng)與狀態(tài)檢修功能實現(xiàn)。對當(dāng)前35 kV變電站及10 kV線路，加強狀態(tài)監(jiān)測功能和數(shù)據(jù)分析功能建設(shè)，實現(xiàn)微故障自動切除、自動報警并確保狀態(tài)故障得到及時檢修。

3 微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的基本算法

因為電網(wǎng)管理機構(gòu)已經(jīng)企業(yè)化運行，所以在電網(wǎng)微網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化過程中必須考慮到投資效益。故研究微網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化的投資效益評價模型，提升評價模型的計算效能，是投資決策評估的工作重點。本次微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃屬于非負荷需求驅(qū)動的純技術(shù)革新規(guī)劃，即技術(shù)改造前后，城市的基礎(chǔ)負荷需求及負荷分布并不發(fā)生變化。微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的核心目的是提升微網(wǎng)網(wǎng)架的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，即通過本次微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃，淘汰計劃停電檢修的做法，實現(xiàn)10 kV網(wǎng)絡(luò)的全年不停電運行。因此，采用基于節(jié)點重要性算法的規(guī)劃模式，在已有10 kV線路的基礎(chǔ)上，對其進行線路延伸和電源接入量擴充。

基于電源接入箱周邊半徑500 m范圍內(nèi)的當(dāng)前用電負荷均值、用電人口、用電峰值、用電峰值持續(xù)時間等要素，構(gòu)建CLASS因子，形成電源接入箱的類模型，詳見表1。

表1 電源接入箱要素的CLASS因子分解量化表

表1中，對上述4個要素根據(jù)線性投影法給出1～5的量化賦值，其本質(zhì)是數(shù)值的去量綱。假定針對特定電源接入箱，其500 m半徑內(nèi)有N個用電用戶，則電源接入箱的CLASS類模型S可表示為：

(1)

式中：Ai,Pi,Mi,Ri分別為第i個用戶的用電負荷均值、用電人口、用電峰值、峰值持續(xù)時間；ui,vi,wi,ri分別為第i個用戶的用電負荷均值、用電人口、用電峰值、峰值持續(xù)時間的累加矯正權(quán)重值。

假定線路中部署X個接入箱，對相鄰兩個接入箱的網(wǎng)絡(luò)區(qū)間進行賦值，可以得到：

(2)

式中：Bi為針對第i個接入箱至第(i+1)個接入箱之間的線路區(qū)間賦值結(jié)果；Si為第i個電源接入箱根據(jù)式(1)計算得出的類模型結(jié)果；α為該區(qū)間的矯正系數(shù)；Li為第i個接入箱到第(i+1)個接入箱之間的線路長度。

采用加權(quán)平均法評價X個接入箱全部部署后電網(wǎng)的實際服務(wù)狀態(tài)，可得公式(3)：

(3)

式中：K為該模型最終評價結(jié)果；L為待評價線路的總長度；ei為第i個區(qū)間的評價矯正權(quán)重。

4 評價模型的仿真實證分析

本文的案例中需要討論29條環(huán)線的規(guī)劃方案，限于篇幅，仿真實證分析只分析其中2條環(huán)線的方案。原始方案為包括基于SF6斷路器接入點的方案，新的規(guī)劃方案中，每條線路均給出了3種方案，每種方案均可保證形成500 m網(wǎng)格的電源接入。仿真環(huán)境為SimuWorks軟件網(wǎng)絡(luò)仿真工具包。線路1、2的仿真結(jié)果詳見表2和表3。

表2 線路1方案仿真結(jié)果對比表

表3 線路2方案仿真結(jié)果對比表

由表2可知，在25 km線路中部署60個電源接入箱的電源服務(wù)方案A，最終得分為14.32，是原始方案的6.09倍，且高于方案B和方案C；由表3可知，在31 km線路中部署70個電源接入箱的電源服務(wù)方案B，最終得分為17.39，是原始方案的10.29倍，且高于方案A和方案C。由此可見，該評價模型具有以下特點：

1)對過度冗余、分散的方案，其評價得分較低，即該模型可以有效排除線路中大量部署接入點的方案。

2)在對總接入點數(shù)量的評價中，該模型并非單純選擇接入數(shù)量最小的方案，而是充分考慮了每個接入點的服務(wù)能力。如在線路2方案的選擇中，該模型沒有選擇60個接入點方案A，而是選擇了70個接入點方案B。

在本文案例城市中，該模型針對線路1實際選擇的方案，每區(qū)間的線路間距約為417 m，針對線路2實際選擇的方案，每區(qū)間的線路間距約為443 m，均為更接近500 m間距的方案，可基本認定當(dāng)前規(guī)劃在城市中構(gòu)建了500 m網(wǎng)格。

5 結(jié)束語

本文以入戶線路間距為控制變量，基于當(dāng)前用電負荷均值、用電人口、用電峰值、峰值持續(xù)時間等要素進行了微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃并建立了投資效益評價模型，根據(jù)該模型評價結(jié)果選擇的城市電源微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方案提高了智能電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，淘汰了計劃停電檢修的做法，可實現(xiàn)10 kV電網(wǎng)的全年不停電運行。