同步采樣下的智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法

王宏亮 章 翔 丁 娜

(中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

近年來(lái)，智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化城市配電網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用，智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化城市配電網(wǎng)絡(luò)在調(diào)峰功能方面表現(xiàn)出色，并且操作相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，當(dāng)大量小型接入分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電源同時(shí)加入電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的不良影響和潛在風(fēng)險(xiǎn)，所以必須對(duì)城市配電網(wǎng)網(wǎng)格化加以規(guī)劃。

對(duì)此，一些學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]提出采用智能分布式饋電自動(dòng)化的城市配電網(wǎng)絡(luò)故障快速自愈方法，在系統(tǒng)分析城市配電網(wǎng)絡(luò)故障自愈模式的主要種類(lèi)以及特征的基礎(chǔ)上，著重探究智能分布式饋電自動(dòng)的故障自愈方式，及其中各個(gè)主要功能模塊及其故障的處置邏輯，以此完成配電網(wǎng)故障快速自愈，但此方法在建立處理邏輯時(shí)，運(yùn)算量巨大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。文獻(xiàn)[2]提出在分布式電力接入下，基于電力市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)結(jié)果的配電網(wǎng)網(wǎng)格化方法，對(duì)輸配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)潮流設(shè)計(jì)的性能作出評(píng)價(jià)，并提出可靠性要求，依據(jù)配電系統(tǒng)，建立網(wǎng)格特征編碼，對(duì)輸配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)潮流設(shè)計(jì)負(fù)荷實(shí)施檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)格化，但此方法運(yùn)用的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差，時(shí)常發(fā)生崩潰。文獻(xiàn)[3]提出了一種結(jié)合啟發(fā)式和遺傳算法的維護(hù)方法。啟發(fā)式方法基于基準(zhǔn)實(shí)踐，確定要檢查的累計(jì)總線(xiàn)路長(zhǎng)度。GA為要檢查的網(wǎng)格部分生成優(yōu)先級(jí)順序列表。但該方法依賴(lài)于公司系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，因此適應(yīng)性不強(qiáng)并會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限。

根據(jù)傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方式所面臨的問(wèn)題，本文通過(guò)同步采樣，提出一個(gè)智能分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法。

1 分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化定位

為了對(duì)分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化規(guī)劃，首先對(duì)分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化定位，對(duì)配電網(wǎng)的潮流值進(jìn)行評(píng)估，詳細(xì)分析不同用電戶(hù)的類(lèi)型與指標(biāo)，提出可靠性目標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中G——配電網(wǎng)路范圍內(nèi)用戶(hù)數(shù)量；

ti——用戶(hù)i在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的供電使用狀態(tài)；

a——在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，用戶(hù)i的總停電時(shí)間；

c——用戶(hù)數(shù)量。

根據(jù)上述方法，進(jìn)行電能需求預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果確定停電時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，作為衡量該地區(qū)的電能需求量可靠性的分析指標(biāo)[4-5]。

基于電力需求預(yù)測(cè)與可靠性分析指標(biāo)體系的完善，進(jìn)行網(wǎng)格化定位。這意味著將整個(gè)規(guī)劃范圍劃分為多個(gè)網(wǎng)格，并根據(jù)相鄰狀態(tài)和相似供電區(qū)域等級(jí)的原則來(lái)定位這些網(wǎng)格。逐步細(xì)化，將整個(gè)定位范圍分割成最小功能單元的網(wǎng)格。如果新劃分的子方格的體積和供電負(fù)載較小，可以選擇將它們與鄰近的原電網(wǎng)結(jié)合起來(lái)。對(duì)于沒(méi)有限制規(guī)定的區(qū)域，可以根據(jù)主供電源的供電范圍來(lái)分配供電電源。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電力需求預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步劃分配電范圍、配電網(wǎng)絡(luò)和用電單位三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，為電力供應(yīng)提供更準(zhǔn)確和可靠的支持。配電網(wǎng)路網(wǎng)格化定位及劃分過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 配電網(wǎng)路網(wǎng)格化定位及劃分過(guò)程

基于當(dāng)前網(wǎng)格面臨的挑戰(zhàn)，提出合理的規(guī)劃項(xiàng)目方案，包括建設(shè)或改造計(jì)劃。通過(guò)對(duì)城市配電網(wǎng)中備選項(xiàng)目的投資成本和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)方案。再通過(guò)同步采樣方法加以評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中R——對(duì)某一級(jí)或二級(jí)指數(shù)的評(píng)分；

m——待評(píng)價(jià)指數(shù)的權(quán)重；

l——指數(shù)種類(lèi)。

其余符號(hào)意義同前。

根據(jù)上述公式計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的平均分?jǐn)?shù)，獲取同步采樣下的智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化定位目標(biāo)，并由此完成了配電網(wǎng)的網(wǎng)格化定位工作，為城市配電網(wǎng)網(wǎng)格建設(shè)奠定了基本依據(jù)[6-7]。

2 分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)信息配置

在實(shí)現(xiàn)分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)信息配置前，必須達(dá)到圖2所示的基本要求。

圖2 配置基本要求

通過(guò)架設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ霉饫w網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通，并用于調(diào)度通信系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)行鄰域分類(lèi)確定網(wǎng)絡(luò)的正方位，將主動(dòng)配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上行結(jié)點(diǎn)、下行結(jié)點(diǎn)和接觸結(jié)點(diǎn)的分類(lèi)，同時(shí)確定與各節(jié)點(diǎn)相連的供電點(diǎn)位置。通過(guò)與上、下游結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息的交互和匹配。

確保各端口支持分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化功能，能夠提供信息收集和邏輯分析功能。

完成網(wǎng)格化定位后，根據(jù)分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)的配置需要，為提高故障定義、隔離和自愈的準(zhǔn)確性，防止故障范圍擴(kuò)大化，在出現(xiàn)終端運(yùn)行異常、開(kāi)關(guān)不可控、饋線(xiàn)電路控制器操動(dòng)異常、絕緣情況異常以及開(kāi)關(guān)拒動(dòng)等情況下，需要關(guān)閉分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化的各模塊，并向配電主站發(fā)送告警信息，上報(bào)閉鎖情況。

當(dāng)終端分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化的通信交互出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)采取適度擴(kuò)展隔離帶的邏輯措施，盡可能將故障區(qū)域分隔為更小的區(qū)域。確認(rèn)沒(méi)有異常后，方可開(kāi)始進(jìn)行分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)信息配置[8-9]。

將配置終端的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為有向節(jié)點(diǎn)列表，其包含所有與該節(jié)點(diǎn)的饋線(xiàn)相連的節(jié)點(diǎn)；設(shè)定配電網(wǎng)輸送功率方向，并由配電網(wǎng)核心電源提供所有用電量，電源正向流向即為總功率方向；將配電網(wǎng)信息提取并統(tǒng)計(jì)，完成分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)信息配置[10-11]。

3 網(wǎng)絡(luò)化規(guī)劃

在上述對(duì)基于電力需求預(yù)測(cè)的各地區(qū)方格定位的依據(jù)上，對(duì)各地區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化規(guī)劃。通過(guò)同步采樣的方式對(duì)全國(guó)各地區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格編碼，采用當(dāng)?shù)爻鞘械臐h語(yǔ)拼音首字母大寫(xiě)作為編號(hào)的首項(xiàng)，市、區(qū)縣的拼音字母作為第二項(xiàng)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)市或開(kāi)發(fā)區(qū)的漢語(yǔ)拼音首字母大寫(xiě)作為第三項(xiàng)，最后一項(xiàng)則是方格的序列編碼(見(jiàn)圖3)。

圖3 同步采樣分析

在此基礎(chǔ)上，設(shè)定方格特性編號(hào)，特性編號(hào)第一項(xiàng)代表電力方格內(nèi)的電力地區(qū)劃分狀況，占一個(gè)數(shù)字；第二項(xiàng)表示各地區(qū)方格線(xiàn)內(nèi)的電纜形態(tài)，包括全光纜、混合電纜和架空線(xiàn)三種形態(tài)；第三項(xiàng)表示方格的飽和負(fù)荷密度數(shù)值，用兩個(gè)數(shù)字來(lái)表示；第四項(xiàng)表示網(wǎng)格內(nèi)負(fù)荷的成熟度狀態(tài)，用一個(gè)數(shù)字表示，包括穩(wěn)定區(qū)、基本建成區(qū)、規(guī)劃中區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。在調(diào)試完成后，進(jìn)行了配電網(wǎng)的網(wǎng)格化規(guī)劃，見(jiàn)圖4。

圖4 配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃流程

第一步：搜集規(guī)劃所需的各項(xiàng)資料。

第二步：按照以上分類(lèi)方法，將用電范圍逐層劃分為用電網(wǎng)格、配電單位，采用層級(jí)分析法完成其分類(lèi)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中H——分析類(lèi)型；

J——角度分析法的因子；

I——供電的對(duì)象等級(jí)。

第三步：配電網(wǎng)潮流計(jì)算的研究，系統(tǒng)分析待設(shè)計(jì)地區(qū)的配電網(wǎng)潮流設(shè)計(jì)規(guī)劃和負(fù)荷計(jì)算狀況，并指出當(dāng)前配電網(wǎng)潮流設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

第四步：使用空間負(fù)荷模型，逐步計(jì)算配電小區(qū)和電力網(wǎng)格的飽和負(fù)載，以及待規(guī)劃地區(qū)的水平年負(fù)載，計(jì)算公式如下：

(4)

式中g(shù)——網(wǎng)格中的某個(gè)特殊技術(shù)參數(shù)；

O——待規(guī)劃范圍的電力負(fù)荷技術(shù)參數(shù)；

D——當(dāng)前配電網(wǎng)網(wǎng)格化特性；

X——負(fù)荷計(jì)算因子；

s——當(dāng)前的輸配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況[12-13]。

第五步：規(guī)劃配電網(wǎng)網(wǎng)格。基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果建立配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)格框架，根據(jù)建立的框架對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)劃，在規(guī)劃過(guò)程中，采用同步采樣原則中的差異性導(dǎo)入方法，計(jì)算公式如下：

(5)

式中Fi——待測(cè)量的配電網(wǎng)網(wǎng)格；

其余符號(hào)意義同前。

根據(jù)上述測(cè)算，通過(guò)引入不同的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，可以滿(mǎn)足不同類(lèi)型客戶(hù)的需求，并提供更加多樣化和個(gè)性化的供電服務(wù)。

第六步：根據(jù)飽和網(wǎng)架設(shè)計(jì)和現(xiàn)狀調(diào)整配電網(wǎng)架，進(jìn)行過(guò)渡網(wǎng)架設(shè)計(jì)，以制定過(guò)渡設(shè)計(jì)方案。

第七步：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的形式要求、網(wǎng)架和區(qū)域道路設(shè)計(jì)，進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)格設(shè)計(jì)。

依據(jù)供電需要預(yù)計(jì)的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃計(jì)劃實(shí)施分布式供電，并達(dá)到配電網(wǎng)絡(luò)合理性規(guī)劃要求，實(shí)施同步采樣下的智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃[14-16]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了研究本文提出的同步采樣下的智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用傳統(tǒng)的基于故障自愈的智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法、基于供電需求預(yù)測(cè)的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比(見(jiàn)圖5)。

圖5 分布式饋線(xiàn)

本文研究的分布式饋線(xiàn)主干線(xiàn)的工作電壓為15kV，內(nèi)部擁有400條通道，通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，節(jié)點(diǎn)共有80個(gè)。利用“N-1”準(zhǔn)則判定配電網(wǎng)的規(guī)劃是否合理。針對(duì)故障問(wèn)題，本文進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃，當(dāng)內(nèi)部變壓器的電網(wǎng)存在故障時(shí)，其他變壓器會(huì)啟動(dòng)工作，確保能夠正常供電。本文選用的變電站共有8座，每座變電站的電壓等級(jí)和負(fù)載率都不同，使用配電網(wǎng)仿真軟件PSCAD進(jìn)行可靠性評(píng)估、用電范圍分類(lèi)、潮流計(jì)算和負(fù)荷預(yù)測(cè)等計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

電網(wǎng)儲(chǔ)備系數(shù)一般取為10%～30%，以保證在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，還能夠供應(yīng)足夠的電力。在此綜合考慮供需、投資、效益等因素，根據(jù)電力需求和供電可靠性要求設(shè)定電網(wǎng)儲(chǔ)備系數(shù)，確定最合適的電網(wǎng)儲(chǔ)備系數(shù)為10%。使用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件PSSE進(jìn)行實(shí)際的配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃，建立目標(biāo)網(wǎng)格框架，并使用差異性導(dǎo)入方法進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、圖表繪制和統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)圖6)。

圖6 規(guī)劃合理性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，本文提出的規(guī)劃方法與預(yù)期規(guī)劃方法更加吻合，雖然出現(xiàn)了規(guī)劃誤差，但是網(wǎng)格規(guī)劃與預(yù)期規(guī)劃方法的網(wǎng)格基本一致，吻合度在90%以上，整體十分合理。而傳統(tǒng)的規(guī)劃方法在規(guī)劃過(guò)程中存在多種誤差，網(wǎng)格規(guī)劃與預(yù)期規(guī)劃方法中的網(wǎng)格偏離較大，規(guī)劃能力較差，不適合在實(shí)際規(guī)劃工作中應(yīng)用。

將三組配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與預(yù)期規(guī)劃系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本文提出的規(guī)劃方法是否更為高效且可行(見(jiàn)表2)。

表2 性能指標(biāo)誤差

由表2可知，本文提出的規(guī)劃方法誤差較小，應(yīng)用于配電網(wǎng)的規(guī)劃中更為高效且可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)劃方法已不適用于智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃，本文基于同步采樣，提出一種饋線(xiàn)自動(dòng)化配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，首先對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)格化進(jìn)行定位，進(jìn)而完成信息配置，最后通過(guò)同步采樣法，進(jìn)行網(wǎng)格化規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的網(wǎng)格化方法，在穩(wěn)定性及性能方面均具有良好性能，適合實(shí)際投入使用。