李芳，徐劍，解放，郭寅昌，劉洪

(1．天津電力設計院，天津300400;2．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072)

基于供電能力分析的中壓配電網架精細化規(guī)劃方法

李芳1，徐劍1，解放1，郭寅昌2，劉洪2

(1．天津電力設計院，天津300400;2．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072)

為了補充傳統(tǒng)配電網規(guī)劃對于中壓網架接線模式的選擇缺乏理論分析的不足，本文提出了一種基于供電能力分析的中壓配電網網架精細化規(guī)劃方法。首先基于供電能力的概念對變電站互聯(lián)“度”進行比較分析，給出互聯(lián)“度”的合理區(qū)間;進而據(jù)此形成網絡合理供電架構的構建方法;最后在供電架構基礎上，以配電網供電能力充分發(fā)揮為原則，建立中壓饋線互聯(lián)結構的規(guī)劃方法。經過算例計算，證明本文提出算法的有效性和實用性，該方法對配電網規(guī)劃工作有積極的指導意義。

中壓配電網;配電網規(guī)劃;供電能力;供電架構;接線模式

1 引言

隨著國內電力新技術的不斷發(fā)展和智能電網研究逐步展開，電力企業(yè)的運營已不僅滿足于匹配不斷增長的用電需求，而是尋求更加優(yōu)質、可靠、經濟、高效、綠色、友好的供電方式。配電網網架建設的合理性直接關系配電網安全可靠、經濟優(yōu)質運行，是配電網的結構基礎。同時，城市配電網網架結構也直接影響城市的美觀和城市經濟的發(fā)展，更關系到廣大人民群眾物質文化生活的質量和水平。科學合理的配電網架依靠科學合理的配電網網架規(guī)劃方案指導，從而實現(xiàn)配電網網架有目的、有針對的建設。所以建立成熟高效的配電網網架規(guī)劃方法是城市電網健康發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。

配電網網架規(guī)劃的核心原則是配置供電設施以滿足用電負荷的增長水平，圍繞這一核心原則可有多個規(guī)劃目標，規(guī)劃目標涉及配電網的經濟性、可靠性等多個方面。傳統(tǒng)的配電規(guī)劃以最小投資、最小年運行費用、最小網損、最小停電損失等為優(yōu)化目標，確定變電站站址、中壓網架布線形式，從而得到配電網網架規(guī)劃方案。文獻［1］和文獻［2］提出以一次性投資和年運行費用最小為目標，以供電平衡為約束的變電站規(guī)劃方法;文獻［3］提出了基于輻射型接線的中壓饋線規(guī)劃方法;文獻［4］基于改進的粒子群算法，同樣以最小一次性投資和年運行費用為目標建立了單聯(lián)絡的中壓饋線規(guī)劃方法;文獻［5］創(chuàng)新性地將可靠性需求計入配電網規(guī)劃的考慮，在規(guī)劃模型中加入了最小停電成本控制的規(guī)劃目標，使得配電網規(guī)劃模型初步具備了選擇中壓網絡接線模式的功能，但是停電成本計算基于不十分精確的負荷預測。已有的算法對于中壓配電網聯(lián)絡結構的規(guī)劃和配電網可靠性的分析或不加考慮或僅作粗略考慮。因此，為避免大范圍停電事故造成的損失，我國大部分配電網設備運行在較低負載率狀態(tài)［6］。隨著網架結構的強化和配電自動化的實現(xiàn)，配電網的設備利用率可進一步提高，設備利用率的挖掘對于滿足負荷增長有著巨大潛力，新形勢下的配電精細化規(guī)劃應將此列為配電網“增容”的重要手段。

供電能力［7，8］概念的提出建立了配電網運行可靠性需求與設備最大利用水平的聯(lián)系，將可靠性的估計從配電網負載情況已知這一前提中剝離，使其只與網架結構有關，從而使參考配電網可靠性和經濟性需求精確規(guī)劃中壓網架結構成為可能?；诠╇娔芰Ω拍?，本文提出一種中壓網架的精細化規(guī)劃方法，在滿足一定可靠性需求的前提下，以達到最大主變負載水平為目標，建立中壓饋線的互聯(lián)結構并給出中壓網架的接線模式的選擇方案。通過某配電網的算例計算驗證了該規(guī)劃方法的可行性和有效性。

2 供電能力相關概念

供電能力是為評估配電網在一定安全性準則下的負荷供應水平而提出的概念，利用該概念可準確搜索主變的最大運行負載率以及所需要的關鍵中壓饋線聯(lián)絡［9］，以此指導配電網規(guī)劃，可通過建立或改造饋線的分段聯(lián)絡模式實現(xiàn)配電網的“隱性增容”。

供電能力:供電能力是指在滿足一定的安全準則條件下，某區(qū)域電網最大能供應用戶用電的能力，包括站內供電能力和電網供電轉移能力。

站內供電能力:變電站站內供電能力是指在滿足一定安全準則的條件下，某一變電站僅依靠站內聯(lián)絡最大可以供應用戶用電的能力。

網絡轉移能力:網絡轉移能力是指在滿足一定安全準則的條件下，與某一變電站鄰近的電網通過互聯(lián)的中壓饋線最大可以轉移該變電站負荷的能力。

供電架構:供電架構是指一定區(qū)域內所有變電站之間通過中壓饋線的聯(lián)絡形成整體互聯(lián)結構。通過供電能力分析，理論上可以找到投資較小、設備利用水平較高、聯(lián)絡規(guī)范的典型供電架構模型［10］。

3 中壓配電網架精細化規(guī)劃方法

3.1 配電網供電架構分析

中壓網架規(guī)劃的主要工作可歸納為確定配電網供電架構規(guī)劃以及中壓饋線出線方式與互聯(lián)結構規(guī)劃兩方面。理論上，變電站間采用完全兩兩互聯(lián)的供電架構可以達到最高的設備利用率，但變電站的互聯(lián)站數(shù)達到一定數(shù)量后，繼續(xù)增加互聯(lián)對網絡供電能力及設備利用水平的提升作用開始減小，同時單純?yōu)榱嗽鰪娮冸娬鹃g的互聯(lián)關系而建立遠距離或跨越山丘、河流等天然屏障的聯(lián)絡并不經濟。為找到較為合理的供電架構形式，進行如下分析。

為描述配電網供電架構的性質，定義變電站“度”的概念，變電站的“度”定義為與該變電站中壓饋線產生聯(lián)絡的其他變電站的數(shù)量。

下面對區(qū)域內8座雙主變變電站不同“度”的供電架構進行分析，變電站“度”為1～4的網絡供電架構如圖1所示，圖1中圓形示意變電站，線段示意變電站間互聯(lián)關系。假設變電站采用相同型號主變，分別采用變電站“度”為1～7的供電架構，依據(jù)“配電網供電能力計算方法［7，8］”計算在中壓饋線的聯(lián)絡通道充足情況下單一主變最大運行負載率，結果如表1所示。

圖1 變電站“度”1～4的供電架構示意圖Fig．1Load supply framework diagram with connection degree 1～4

表1 變電站“度”1～7供電架構主變最大負載率Tab．1Maximum transformer load factors with connection degree 1～7

從表1中可知，變電站的“度”從1增加到4使變電站的負載率提升了25%，而從4增加到7只使變電站負載率提升了不到4%，這說明變電站的“度”到達3～4后，曲線出現(xiàn)拐點，繼續(xù)增強變電站互聯(lián)關系對于設備利用水平的提升作用已經不大。故在供電架構的建立過程中以變電站“度”最終為4左右作為控制變電站互聯(lián)關系的原則。

基于如上分析，供電架構的建立采用如下流程:

(1)對于待規(guī)劃配電網內的n座變電站，建立兩兩互聯(lián)的完全聯(lián)絡，形成Cn2個互聯(lián)關系，將這樣的供電架構稱為完全聯(lián)絡供電架構。

(2)在完全聯(lián)絡供電架構的基礎上，依據(jù)以下準則依次刪除不合理互聯(lián)關系，形成由合理互聯(lián)關系構成的供電架構。

刪減準則1:若無特殊需要，則刪除跨越天然或人為地理屏障的變電站互聯(lián)關系。地理屏障包括江河、山丘、某些特殊景區(qū)等?？缭降乩砥琳峡赡軐е率┕るy度較大或工程費用較高等問題，應予以避免。

刪減準則2:若無特殊需要，則刪除超過臨界距離變電站互聯(lián)關系。臨界距離的取值方法為，轉供發(fā)生時饋線長度在計及一定曲折系數(shù)后使得最末端的電壓跌落達到標幺值的7%［11］。

刪減準則3:保證最終供電架構互聯(lián)變電站“度”不超過4。對于每座變電站，若“度”大于4，則按互聯(lián)變電站間距離由大到小依次刪除互聯(lián)關系，直到變電站“度”在4以內。

3.2 中壓饋線聯(lián)絡結構分析

3.2.1 建立主變互聯(lián)結構

供電架構只規(guī)范了變電站間的聯(lián)絡結構，在配電網供電架構確定基礎上，進行主變聯(lián)絡規(guī)劃?；ヂ?lián)變電站的主變采用如下互聯(lián)形式:變電站的任意一臺主變僅與互聯(lián)的對側站的其中一臺主變相聯(lián)絡。由于站內供電能力的作用，互聯(lián)變電站主變間不必采用復雜的兩兩互聯(lián)即可取得較高的供電能力［9］。采取簡單的主變互聯(lián)結構可在保證設備最大負載率的情況下避免調度的復雜化。

3.2.2 聯(lián)絡容量需求計算

主變互聯(lián)結構中每個主變-主變的聯(lián)絡關系均是由若干條中壓饋線間的聯(lián)絡構成的。通過供電能力的計算可求解每個主變-主變聯(lián)絡關系的需求容量，從而確定饋線聯(lián)絡方案。

(1)提取主變聯(lián)絡關系矩陣

提取主變聯(lián)絡關系矩陣Llink:

式中，Li，j表示第i臺主變與第j臺主變的聯(lián)絡關系(i=1，2，．．．，NΣ，j=1，2，．．．，NΣ)，有聯(lián)絡關系時取Li，j=1，否則Li，j=0。且假定主變與自身之間存在聯(lián)絡關系，即Li，i=1。由配電網供電架構和主變互聯(lián)結構可確定矩陣各元素。

(2)分析聯(lián)絡單元供電能力

在主變聯(lián)絡關系矩陣中，由第i行向量中可以確定與第i臺主變有聯(lián)絡關系的主變最大負載情況，依此矩陣可定義下式表示的聯(lián)絡單元最大允許負載率矩陣:

式中，Ri表示主變i的容量。

(3)計算聯(lián)絡容量需求

與聯(lián)絡單元最大負載率矩陣類似，可定義主變負荷轉移矩陣來表示主變“N－1”校驗時互聯(lián)主變的負荷轉供情況，這些數(shù)值是互聯(lián)主變聯(lián)絡容量需求的直接反映，主變負荷轉移矩陣如下式定義。

以第i行為例說明，在中心主變i“N－1”校驗時，Tri，j為第j號主變分擔的i號主變負荷。式中

定義si，j為第i臺主變和第j臺主變間的聯(lián)絡容量需求，則:

3.2.3 聯(lián)絡點數(shù)計算

確定中壓網主干線路的接線模式，根據(jù)不同接線模式的線路負載率要求，計算每條線路轉供時的轉供裕度，如下式所示:

式中，m為線路轉供時的轉供裕度;Rl為單條線路的容量;tl為單條線路的允許運行負載率，該數(shù)值與線路采用的接線模式有關。

根據(jù)變電站間聯(lián)絡容量需求和線路轉供裕度計算主變間應建立的站間聯(lián)絡數(shù)，計算方法如式(8)和式(9):

式中，ci，j為主變i和主變j之間需要的聯(lián)絡點數(shù);運算符［x］為取不小于x的最小整數(shù)。

考察變電站總出線數(shù)，去掉站間聯(lián)絡數(shù)，剩余的線路建立站內聯(lián)絡，站內聯(lián)絡數(shù)為:

3.3 中壓配電網架精細化規(guī)劃流程

中壓配電網精細化規(guī)劃根據(jù)待規(guī)劃電網為新建電網或已有電網采用不同步驟。對于新建電網，在傳統(tǒng)變電站規(guī)劃的基礎上依據(jù)供電能力計算直接進行供電架構規(guī)劃和中壓饋線聯(lián)絡結構規(guī)劃;而對于已有電網，先判斷網絡結構改造后設備負載率的提升能否滿足負荷增長，若不能滿足則進行新增變電站的規(guī)劃。圖2為中壓配電網精細化規(guī)劃的詳細流程，圖中虛線框內即為前面所述的供電架構和中壓饋線聯(lián)絡結構規(guī)劃步驟。

圖2 中壓配電精細化規(guī)劃流程Fig．2Flow of precise planning for mid-voltage distribution network

4 算例分析

以某新規(guī)劃區(qū)配電網為例對本文提出算法進行實例驗證，首先根據(jù)一次投資和年費用給出算例區(qū)域變電規(guī)劃結果，變電站布點如圖3所示，變電站內主變配置如表2所示。

圖3 算例變電站站址及供電架構圖Fig．3Substation site and load supply framework of example

表2 算例110kV變電站表Tab．2Substation information of example

依據(jù)3.1節(jié)中提出的供電架構構建流程，建立算例電網供電架構，結果如圖3所示，其具體流程如下:

首先根據(jù)式(1)～式(5)所示的方法計算主變間的聯(lián)絡容量需求，計算結果如表3所示。

根據(jù)表3中的聯(lián)絡容量需求，依據(jù)式(6)～式(8)計算有聯(lián)絡關系的主變間的聯(lián)絡點數(shù)，規(guī)劃10kV中壓線路采用YJV22-3×300，導線載流量為552A，線路容量為9.56MVA，計算結果如表4所示。進而根據(jù)式(9)和式(10)統(tǒng)計變電站出線中站內聯(lián)絡和站間聯(lián)絡的數(shù)據(jù)，計算結果如表5所示。根據(jù)表4、表5信息和負荷分布情況可形成中壓饋線的布線和聯(lián)絡規(guī)劃。

表3 規(guī)劃中壓聯(lián)絡容量需求表Tab.3Necessary capacity of connection between feeders (單位:MW)

表4 主變間饋線聯(lián)絡點數(shù)Tab．4Necessary link number between feeders (單位:條)

表5 變電站中壓饋線統(tǒng)計Tab.5Feeder information of substations

本文提出的配電網規(guī)劃方法充分考慮了變電站之間的故障轉供作用，相比傳統(tǒng)利用容載比概念進行的配電網規(guī)劃在很大程度上提升了主變的最大允許負載率，兩種方法的主變最大負載率如表6所示。

表6 主變負載率比較Tab.6Comparison of transformer load factors (單位:%)

5 結論

本文基于網絡供電能力概念提出了一種中壓配電網網架精細規(guī)劃方法，該方法在傳統(tǒng)變電站規(guī)劃的基礎上加入了變電站互聯(lián)結構規(guī)劃和中壓網架聯(lián)絡結構規(guī)劃的理論，以建立滿足配電網可靠性需求且使配電網設備得到充分利用的合理中壓網架。該規(guī)劃方法有如下特點:

(1)依據(jù)供電能力的計算，對于變電站間的合理互聯(lián)結構做出分析，為建立可靠性、經濟性均較優(yōu)的變電互聯(lián)結構提出指導。

(2)基于供電能力充分發(fā)揮原則，建立中壓饋線聯(lián)絡規(guī)劃方法，補充了傳統(tǒng)配電網規(guī)劃中選取中壓網架接線模式時理論分析不夠充分的問題。

(3)規(guī)劃結果比傳統(tǒng)方法充分提升了設備利用率，利用本文方法可實現(xiàn)在負荷增長不過快的階段通過改造饋線聯(lián)絡消化新增負荷。

(4)規(guī)劃方法簡單易行，計算效率高，有一定的工程意義。

經過實際電網網架的算例計算，證明了本文算法的有效性，對配電規(guī)劃工作有積極的指導意義。

［1］路志英，葛少云，王成山(Lu Zhiying，Ge Shaoyun，Wang Chengshan)．基于粒子群優(yōu)化的加權伏羅諾伊圖變電站規(guī)劃(Substation location planning of weighted voronoi diagram based on particle swarm optimization algorithm)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2009，29(16):35-41．

［2］楊明海，劉洪，王成山，等(Yang Minghai，Liu Hong，Wang Chengshan，et al．)．基于粒子群文化算法的變電站選址與定容(Optimal substation locating and sizing based on cultural algorithm of particle swarm)［J］．天津大學學報(Journal of Tianjin University)，2012，45 (9):785-790．

［3］王賽一(Wang Saiyi)．不確定性條件下的城市配電網規(guī)劃方法探討(Urban distribution network planning with consideration of uncertainties)［J］．華東電力(East China Electric Power)，2008，36(4):66-69．

［4］程鵬，葛少云，劉洪(Cheng Peng，Ge Shaoyun，Liu Hong)．基于三角形單聯(lián)絡供電模型的中壓配電網智能規(guī)劃(Intelligent planning of medium voltage distribution network based on triangle-shaped power supply model with single contact)［J］．電網技術(Power System Technology)，2013，37(4):947-953．

［5］蘇海鋒，張建華，梁志瑞，等(Su Haifeng，Zhang Jianhua，Liang Zhirui，et al．)．基于LCC和改進粒子群算法的配電網多階段網架規(guī)劃優(yōu)化(Power distribution network multi-stage planning optimization based on LCC and improved PSO)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2013，33(4):118-125．

［6］余貽鑫，欒文鵬(Yu Yixin，Luan Wenpeng)．智能電網評述(Smart grid and its implementations)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2009，29 (34):1-8．

［7］Fengzhang Luo，Chengshan Wang，Jun Xiao，et al．Rapid evaluation method for power supply capability of urban distribution system based on N-1 contingency analysis of main-transformers［J］．International Journal of Electrical Power＆Energy Systems，2010，24(10):1063-1068．

［8］王成山，羅鳳章，肖俊，等(Wang Chengshan，Luo Fengzhang，Xiao Jun，et al．)．基于主變互聯(lián)關系的配電系統(tǒng)供電能力計算方法(An evaluation method for power supply capability of distribution system based on analyzing interconnections of main transformers)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2009，29 (13):86-91．

［9］韓俊，劉洪，葛少云，等(Han Jun，Liu Hong，Ge Shaoyun，et al．)．面向供電能力提升的主變壓器站間聯(lián)絡結構優(yōu)化建模(Optimization modeling for contact structure of main transformers between substations with improve power supply capability)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power System)，2013，37(7): 42-47．

［10］葛少云，何文濤，劉洪，等(Ge Shaoyun，He Wentao，Liu Hong，et al．)．中壓配電系統(tǒng)供電模型綜合評價(Comprehensive evaluation of power supply model of medium voltage distribution system)［J］．電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control)，2012，40 (13):104-109．

［11］Q/GDW156-2006，國家電網公司企業(yè)標準:城市電力網規(guī)劃設計導則(The code of planning and design of urban electric network)［S］．

Precise planning for mid-voltage distribution network based on load supply capability analysis

LI Fang1，XU Jian1，XIE Fang1，GUO Yin-chang2，LIU Hong2
(1．Tianjin Electric Power Design Institute，Tianjin 300400，China; 2．Key Laboratory of Smart Grid，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A precise planning for mid-voltage distribution network based on load supply capability analysis was put forward in this paper so as to fill a gap that was a deficiency in theoretical analysis when mid-voltage distribution connection mode is selected in the traditional distribution network planning．Firstly，different interconnection“degrees”were compared based on the concept of load supply capability，and reasonable interval of interconnection“degree”was given．Secondly，rational load supply framework was contributed based on that．Lastly，connection scheme of mid-voltage feeder was put forward to the principle of full use in load supply capability．The effectiveness and practicality were proved by analysis of an example．It also proved that the method in this paper was a good guide in distribution network planning．

mid-voltage distribution network;distribution network plan;load supply capability;load supply framework;connection mode

TM727.2

A

1003-3076(2014)12-0035-06

2013-04-28

李芳(1972-)，女，新疆籍，高工，碩士，主要研究方向為智能配電網規(guī)劃設計;徐劍(1980-)，男，江西籍，工程師，碩士，主要研究方向為智能配電網規(guī)劃設計。