計(jì)及轉(zhuǎn)供電概率的主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法

俞曉峰，肖旋科，張中超，謝旭泉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 河源供電局，廣東 河源 517099）

0 引言

配電網(wǎng)是貫穿社會(huì)經(jīng)濟(jì)與能源系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，其存在與發(fā)展不僅可滿(mǎn)足人們的用電需求，而且能維持國(guó)家的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式電源的接入，整個(gè)電網(wǎng)能源供應(yīng)的可靠性與運(yùn)行的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的沖擊。為保障我國(guó)配電網(wǎng)可靠、靈活地運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能源保質(zhì)、保量的配送，配電網(wǎng)的網(wǎng)格規(guī)劃研究變得越來(lái)越重要。針對(duì)網(wǎng)格規(guī)劃的研究中，李小明等［1］以線路中的最小損耗費(fèi)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種中低壓配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃模型，并通過(guò)粒子群算法求解模型，解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法規(guī)劃效果不理想的問(wèn)題；劉峰等［2］針對(duì)傳統(tǒng)主配網(wǎng)規(guī)劃方法受小截面線路的影響，無(wú)法完成負(fù)荷聚類(lèi)分塊的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于三維視頻編碼的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷性能的突破；侯佳等［3］基于容量與供電可靠性的雙Q 理論設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性之間的平衡。在我國(guó)城市電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)入主動(dòng)式配電網(wǎng)階段的重要時(shí)期，如何構(gòu)建高效、合理的主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方案，在一定程度上決定了一個(gè)城市未來(lái)的發(fā)展，因此本文針對(duì)該課題進(jìn)行的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化設(shè)計(jì)方案

1.1 計(jì)算主配網(wǎng)線路轉(zhuǎn)供電概率

當(dāng)下，我國(guó)城市主動(dòng)式配電網(wǎng)的運(yùn)行方式變化極快，但由于缺少高精度的量測(cè)裝置，因此進(jìn)行主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃時(shí)，難以獲取整個(gè)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)拓?fù)?，而配網(wǎng)拓?fù)湎闰?yàn)信息是網(wǎng)格化規(guī)劃的基礎(chǔ)，所以本文根據(jù)智能電表采集到的節(jié)點(diǎn)電壓、電流等數(shù)據(jù)，計(jì)算主動(dòng)式配電網(wǎng)線路的轉(zhuǎn)供電概率，為網(wǎng)格化規(guī)劃奠定理論基礎(chǔ)。計(jì)算主配網(wǎng)線路轉(zhuǎn)供電概率時(shí)，需要對(duì)采集的原始信息數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，受配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境與量測(cè)裝置誤差等因素的影響，原始采集數(shù)據(jù)存在丟包、誤碼等現(xiàn)象，與真實(shí)數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重偏差，影響轉(zhuǎn)供電概率的計(jì)算精度。為降低數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，通過(guò)一階差分計(jì)算時(shí)序負(fù)荷增量，其表達(dá)式為

其中：ΔPi表示主動(dòng)式配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷增量；Pi(t)表示主動(dòng)式配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的負(fù)荷幅值；Δt表示時(shí)間變化量。在公式（1）的基礎(chǔ)上，對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，再將其映射至對(duì)應(yīng)的N個(gè)不同的整數(shù)值，即可去除原始數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)與絕對(duì)誤差，其表達(dá)式為

其中：P′i表示去除噪聲點(diǎn)與誤差后的主動(dòng)式配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷幅值；ΔPimin、ΔPimax分別表示主動(dòng)式配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的負(fù)荷幅值中的最小值與最大值。

在我國(guó)主動(dòng)式配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，由于聯(lián)絡(luò)線的轉(zhuǎn)供容量有限，導(dǎo)致配網(wǎng)的轉(zhuǎn)供電成為一個(gè)概率事件。同時(shí)，主配網(wǎng)各線路獲得供電恢復(fù)的優(yōu)先級(jí)也各不相同，所以為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃，需要計(jì)算主配網(wǎng)的線路轉(zhuǎn)供電概率［4］。由于主動(dòng)式配電網(wǎng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)屬于隨機(jī)變量，所以通過(guò)公式（3）所示的正態(tài)分布計(jì)算方法近似反映主配網(wǎng)線路的主供電概率［5］：

其中：f(P′i)表示主動(dòng)式配電網(wǎng)負(fù)荷的正態(tài)分布，即主配網(wǎng)線路的轉(zhuǎn)供電概率；ε2表示方差；δ表示數(shù)學(xué)期望。

綜上，在采集主動(dòng)式配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出主配網(wǎng)線路轉(zhuǎn)供電概率，為后續(xù)網(wǎng)格化規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 計(jì)及轉(zhuǎn)供電概率確定線路優(yōu)先級(jí)

進(jìn)行主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃的關(guān)鍵在于確定線路優(yōu)先級(jí)，只有確定了配電網(wǎng)內(nèi)部所有線路的優(yōu)先級(jí)，才能逐條分析線路是否可轉(zhuǎn)供，再根據(jù)轉(zhuǎn)供線路進(jìn)行配電網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃［6］。本文在確定主動(dòng)式配電網(wǎng)的線路優(yōu)先級(jí)時(shí)，綜合考量饋線安全電流和重載率、線路上的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)到饋線的距離和饋線所能輸出的最大線徑，然后進(jìn)行優(yōu)先排序［7］。通常，假設(shè)一條即將停電的10 kV 饋線上有多個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)可供選擇時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)根據(jù)之前所解析的主網(wǎng)和配網(wǎng)的線路連接關(guān)系和線路基礎(chǔ)信息計(jì)算出多條線路疊加后的電流（即轉(zhuǎn)出饋線的電流量），再將轉(zhuǎn)出饋線的電流量與線路上的安全電流進(jìn)行對(duì)比，即可判斷發(fā)生重載現(xiàn)象的線路，進(jìn)而求出重載率，其計(jì)算公式為

其中：μ表示主動(dòng)式配電網(wǎng)的重載率；N0表示最大負(fù)載超過(guò)60%的配電網(wǎng)線路數(shù)量；N1表示主動(dòng)式配電網(wǎng)中線路的總數(shù)量。

根據(jù)公式（4）求出重載率即可確定各線路可轉(zhuǎn)供的合理值，最后還需要獲取主動(dòng)式配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)供路徑。我國(guó)主動(dòng)式配電網(wǎng)因?yàn)檫\(yùn)行方式的改變，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的隨機(jī)性，所以對(duì)線路優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序需要搜索轉(zhuǎn)供路徑。本文主要采用廣度優(yōu)先搜索算法，具體流程如下：首先，在主動(dòng)式配電網(wǎng)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，以該節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)供路徑搜索的初始點(diǎn)；其次，依次搜索和根節(jié)點(diǎn)鄰接且未被訪問(wèn)過(guò)的子節(jié)點(diǎn)，從而生成轉(zhuǎn)供電路徑；最后，對(duì)各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的編號(hào)進(jìn)行記錄，當(dāng)全部節(jié)點(diǎn)均被訪問(wèn)過(guò)，本次搜索結(jié)束，得到配電網(wǎng)線路的轉(zhuǎn)供電路徑。綜合考慮配電網(wǎng)線路的轉(zhuǎn)供路徑與各線路重載率，即可對(duì)線路的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序［8］。按照搜索的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)供電時(shí)，一般重載率越小的線路被轉(zhuǎn)供電的概率越大，排在的位置越靠前，以此完成線路優(yōu)先級(jí)的排序。

1.3 主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃

確定主動(dòng)式配電網(wǎng)各線路的優(yōu)先級(jí)后，由規(guī)劃人員按照分支線規(guī)劃原則進(jìn)行配電網(wǎng)的分支線規(guī)劃，再綜合考慮主配網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷，進(jìn)行配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃［9］。為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃，本文以全壽命周期成本為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為

其中：F表示主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)；B0表示主配網(wǎng)主干線m的初始投資成本；B1表示主配網(wǎng)主干線m的年維修成本；B2表示主配網(wǎng)主干線m的年網(wǎng)損成本；B3表示主配網(wǎng)主干線m的年停電損失成本；λ表示貼現(xiàn)率；γ表示主配網(wǎng)主干線m的使用壽命。

在公式（5）所示的全生命周期成本模型的基礎(chǔ)上，利用Dijkstra 算法求解，該算法是一種常規(guī)尋優(yōu)算法，通過(guò)該算法對(duì)主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃模型的解空間進(jìn)行遍歷搜索，即可得到主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)架的最佳規(guī)劃方案。通常，傳統(tǒng)主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃主要分網(wǎng)格劃分與網(wǎng)架規(guī)劃2個(gè)部分，這種單一規(guī)劃的結(jié)果容易陷入局部最優(yōu)，缺少整體性，所以本文在進(jìn)行主動(dòng)式配電網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃時(shí)，引入供電單元與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的匹配模型，整合網(wǎng)格劃分與網(wǎng)架規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分與網(wǎng)架規(guī)劃一體化［10］。供電單元是綜合考慮主配網(wǎng)負(fù)荷密度、負(fù)荷特性等相對(duì)獨(dú)立的單元，為了在滿(mǎn)足供電單元內(nèi)部負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃最優(yōu)，需要進(jìn)行供電單元和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的匹配。構(gòu)建負(fù)荷均衡的目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為

其中：H表示主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)架的負(fù)荷均衡指數(shù)；Qj表示主配網(wǎng)中第j條支線的視在功率；Qjmax表示主配網(wǎng)中第j條支線允許通過(guò)的功率最大值；m表示主配網(wǎng)中支線的數(shù)量。利用公式（6）所求配電網(wǎng)網(wǎng)架的負(fù)荷均衡目標(biāo)函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)供電單元和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的匹配。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的適用于主動(dòng)式配電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)的一體化規(guī)劃流程［11］如下：首先，結(jié)合主動(dòng)式配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，將主配網(wǎng)劃分為供電網(wǎng)格與供電單元；其次，進(jìn)行主配網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃；最后，基于公式（6）對(duì)供電單元與網(wǎng)架規(guī)劃進(jìn)行匹配，得到最佳匹配方案后，即可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)格劃分與網(wǎng)架規(guī)劃一體化的主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方案。

2 實(shí)例分析

2.1 規(guī)劃區(qū)概況

本文選取某市開(kāi)發(fā)區(qū)主配網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃作為測(cè)試算例，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的計(jì)及轉(zhuǎn)供電概率的主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法的有效性與正確性。實(shí)例規(guī)劃區(qū)域總占地面積約138.3 km2，按用地性質(zhì)進(jìn)行劃分，可以將本次規(guī)劃區(qū)劃分為6種用地類(lèi)型：工業(yè)用地為10.9 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的7.88%；商業(yè)用地為23.4 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的16.92%；公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地為17.5 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的12.65%；住宅設(shè)施用地為41.2 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的29.79%；倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施用地為6.7 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的4.84%；其他類(lèi)型設(shè)施用地為38.6 km2，占規(guī)劃區(qū)總用地的27.91%。將上述規(guī)劃區(qū)域的地理信息及相關(guān)用地信息作為本次實(shí)例研究的基礎(chǔ)信息，為后續(xù)城市主配網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃提供了參考數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，調(diào)查規(guī)劃區(qū)的配電網(wǎng)基本概況，得到表1的規(guī)劃區(qū)變電站情況。

表1 規(guī)劃區(qū)變電站情況

如表1所示，規(guī)劃區(qū)配電網(wǎng)共設(shè)置了220 kV變電站3座、110 kV變電站5座，不僅各變電站重載情況嚴(yán)重，而且變電站間隔利用情況不均衡。因此，需要采用本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)規(guī)劃區(qū)的主配網(wǎng)進(jìn)行重新規(guī)劃。

2.2 規(guī)劃結(jié)果分析

根據(jù)本文設(shè)計(jì)方法所得的實(shí)例規(guī)劃區(qū)主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃結(jié)果如圖2所示。在本文設(shè)計(jì)方法的規(guī)劃下，規(guī)劃區(qū)的配電網(wǎng)共計(jì)新增3 座110 kV 變電站，退運(yùn)1 座220 kV 變電站。整個(gè)規(guī)劃區(qū)的供電網(wǎng)格共分為3 個(gè)區(qū)域：城北網(wǎng)格、城中網(wǎng)格、城南網(wǎng)格，具體規(guī)劃成效見(jiàn)表2。

圖2 規(guī)劃區(qū)主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃結(jié)果

表2 規(guī)劃區(qū)主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃成效表

通過(guò)相關(guān)計(jì)算，實(shí)例區(qū)域主動(dòng)式配電網(wǎng)規(guī)劃3個(gè)供電單元，規(guī)劃前后的供電單元數(shù)量一致，但相應(yīng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有所不同。與規(guī)劃前相比，規(guī)劃后實(shí)例區(qū)域的主干線路減少了5 條，主干線路總長(zhǎng)度減少了17.04%，同時(shí)線路聯(lián)絡(luò)率由規(guī)劃前的84.21%提升至100%，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的方法可以有效提升主動(dòng)式配電網(wǎng)的線路利用率。此外，各供電網(wǎng)格之間相互獨(dú)立，每一個(gè)供電區(qū)域的劃分大小合理，供電可靠率由97.986 3%提升至99.657 4%，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性與合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)主動(dòng)式配電網(wǎng)日益復(fù)雜的問(wèn)題，本文研究了計(jì)及轉(zhuǎn)供電概率主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，結(jié)合主配網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，計(jì)算線路的轉(zhuǎn)供電概率，根據(jù)轉(zhuǎn)供電概率確定線路優(yōu)先級(jí)，再針對(duì)不同線路的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行主配網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃。實(shí)例研究結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法具有較高的可行性與可靠性，可以為我國(guó)主動(dòng)式配電網(wǎng)的優(yōu)化提供借鑒。本研究目前僅進(jìn)行了主配網(wǎng)的網(wǎng)格劃分工作，還沒(méi)有構(gòu)建反映網(wǎng)格空間特征的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法統(tǒng)籌分析區(qū)塊負(fù)荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)。未來(lái)的研究將針對(duì)此不足，繼續(xù)完善主動(dòng)式配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，提高配網(wǎng)建設(shè)與管理的水平。