配電網單元制規劃中的網格最佳供電范圍問題研究

張雪瑩 劉 涌 林 冬 侯四維 劉劍寒

（1.廣東電網有限責任公司，廣東廣州510080；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

目前，中壓配電網的單元制規劃廣泛開展，主要目的還是為了規范中壓配電網建設和管理，使得網格成為配電網、中壓線路供電的基本單元，通過將目標區域劃分為獨立網格的形式，實現對目標區域更好的管理。

網格化與供電分區關系密切，在配電網規劃設計導則中，供電區域劃分只是到縣、區級別，將供電區域劃分為a+、a、b、c、d、e等六類地區。但在城市配網規劃中，供電區域還要在此基礎上進行進一步的劃分，劃分到鄉、鎮、街道級，因此本文將城市劃分成供電網格的形式進行進一步規劃。

網格的劃分需要綜合考慮配電網供電的經濟性、安全性[1]和可靠性[2-3]等相關因素，因此網格的供電范圍問題是網格化的一個基本問題。目前，在廣泛開展的網格化規劃中，主要基于電纜雙環網的接線模式、以城市規劃中的區塊為基礎進行，還較為粗糙。文獻[4]采用傳統的供電范圍劃分，默認變電站供電范圍是固定半徑的圓求解最優的供電范圍。文獻[5]考慮了五種城市中壓配電網的接線模式，結合地區的負荷密度，進行中壓配電網接線模式的研究。文獻[6]從成本效益分析角度出發，引入“規劃單元”概念，結合規劃單元邊界條件，通過對各自供電區塊的規劃單元進行求解，從而得到整個規劃區域的最佳規劃方案。文獻[7]提出了“聯絡組合”概念，有效地解決了網格之間及網格內部的聯絡問題。文獻[8]提出了網格的分類建設標準和建設需求評估指標等技術標準體系，并在實例中進行驗證。文獻[9]對城市中壓配電網的聯絡線接線模式進行了研究。本文在考慮中壓配電網接線方式以及導線截面選取的基礎上，對配電網進行網格規劃的最佳供電范圍求取，并通過實際案例，驗證和分析了本文所提出的模型和方法的有效性。

1 基本概念

1.1 供電區域劃分

目前，網格規劃在實際的供電工程中已經被廣泛應用。在網格規劃中，經常將供電網格分為4類供電區域網格類型，分別為A+、A、B、C，如表1所示。

1.2 網格規劃流程

網格規劃流程主要有以下三個步驟：

（1）負荷預測：對待規劃區域進行負荷預測，為網格規劃打好基礎。

（2）網格劃分：按負荷情況對待規劃區域進行劃分，每個網格間的負荷水平接近為基礎，將河流、山嶺等復雜地形作為邊界，沿著街道、小區進行劃分，同時保證同一個網格內的用地屬性相同。

表1 供電區域類型劃分

（3）供電范圍求取：假設變電站的位置和容量都已確定，根據各個網格可靠性的要求，確定接線模式，求取變電站最佳供電范圍。

網格規劃是建立在城市配電網規劃之上的進一步規劃，所以負荷預測仍然是規劃的基礎。供電范圍的求取在下文進行詳細分析，網格劃分的準則主要有以下三點：

（1）網格劃分盡量不跨越河流、山嶺等復雜地形，盡量沿著街道、小區進行劃分；

（2）網格劃分要與用地實際情況結合，將同種用地屬性的地塊劃分在同一網格內，對于不同情況的區域要使用不同的供電方式；

（3）網格規劃建立在城市規劃的基礎上，先對城市進行常規規劃，再將其劃分為網格分別進行規劃，最后根據網格內用戶需求確定具體的接線模型，并求取每個網格供電范圍。

2 網格規劃接線模式

2.1 接線模式分析

如前文所述，根據網格的負荷密度，將網格分為A+、A、B、C四大類型的供電區域。C類供電網格接線模式以架空線或架空電纜混合為主，采用多分段單聯絡或多分段適度聯絡，少數電纜網采用單環網；B類供電網格接線模式以電纜為主，N供1備或“3-1”，少數架空線采用多分段適度聯絡；A類供電網格接線模式以電纜網為主，雙環網，N供1備，局部采用單環網，少數架空電纜混合網采用多分段適度聯絡；A+類供電網格接線模式以電纜網，雙環網為主，局部采用N供1備。

2.2 接線模式選擇

在配電網的建設與工程改造中，電網接線模式的選擇是一個非常重要的方面。因為它不僅牽涉到電網建設的經濟性，而且關系到供電可靠性，對整個電力工業和用戶的發展也具有重要意義，因此，有必要對各種可能的接線模式進行定量的計算分析，以便得出符合實際供電要求的接線模式。

中壓配電網網格規劃中接線模式的選用，要考慮各方面的因素，滿足功能要求，選擇優化結構，以達到安全、科學、合理、經濟的目的，各種網格有各自的特性及優缺點，使用要取其所長，避其所短。

本文所采用的接線模式有以下幾種：

圖1所示單電源輻射狀接線適用于城市非重要負荷架空線和郊區季節性用戶，干線可以分段。優點是比較經濟，配電線路和高壓開關柜數量相對較少，新增負荷也比較方便；缺點是故障影響范圍較大，供電可靠性較差，當線路故障時，部分線路段或全線將停電。

圖1 單電源輻射狀接線

圖2所示單側電源雙T接線中兩回線路分別接自不同分段的母線，線路沿道路并行敷設，而每一個配電站可以從兩回電纜上取得電源。

圖2 單側電源雙T接線

圖3所示不同母線出線連接開關站接線中每個開關站具有兩回進線，開關站出線采用輻射狀接線方式供電；也可以在開關站出線間形成小環網，進一步提高可靠性。

圖3 不同母線出線連接開關站接線

圖4所示雙電源手拉手環網接線是通過一聯絡開關，將來自不同變電站或相同變電站不同母線的兩條饋線連接起來。任何一個區段故障，合聯絡開關，將負荷轉供到相鄰饋線，完成轉供。

圖5所示N供1備接線是通過備用電源聯絡開關，將不同母線與備用母線連接起來。任何一個區段故障，合備用母線聯絡開關，將負荷轉供到備用母線上，完成轉供。

圖4 雙電源手拉手環網接線

圖5 N供1備接線

3 供電范圍求取

3.1 基本假設

中壓配電網規劃、特別是線路規劃所涉及的供電范圍一般是以矩形形狀為單位的，這主要與供電區域緊密相關，也可能是扇形的，本文以矩形為基礎進行探討。

在負荷密度方面，假設供電分區內的負荷密度是相同的。

線路分為架空線路和電纜線路兩種，具體使用情況由供電區域類型決定。

對于雙電源（如雙環網等）供電的情況，可以分為兩路電源來自不同的變電站和來自同一變電站不同母線等情況。

此外，本文中假設變電站規劃已經確定，即變電站的位置和容量等已經確定。

3.2 目標函數

本文采用的目標函數為最小化線路的投資成本以及用戶的缺電成本；網格規劃的目的是將供電區域劃分為網格，實現對供電區域更好的管理，因此供電區域的供電可靠性是網格規劃的關鍵問題。如何協調網格規劃的投資成本與缺電成本非常重要，因此本文采用最小化投資成本與缺電成本的數學模型進行網格規劃的供電范圍求取。

目標函數：最小化線路投資成本與用戶缺電成本之和。

式中，Cl為線路的投資成本；CR為供電區域內用戶的缺電成本。

本文所采用的目標函數由線路的投資成本及用戶的缺電成本構成，下面具體介紹目標函數的構成。

3.2.1 投資成本：線路的投資成本

假設每臺變壓器的出線數量相同，以N來表示，共有M臺變壓器，則出線的總數量為MN。同樣，供電區域的總負荷由MN條線路均分，每條線路的負荷約為S/MN。則線路的投資成本如式（2）所示：

式中，ali為第i條線路的固定投資成本；bl（Si）為該截面面積的線路單位長度的價格；Si為第i條線路的橫截面積；li為第i條線路的長度。

3.2.2 缺電成本：網格內用戶的缺電成本

當系統中某條支路出現故障時，該支路所連接的某個網格或某些網格會出現停電的情況，此時，停電所導致該網格內所有用戶的經濟損失，稱為缺電成本，如式（3）所示；

IEARi的選擇由供電區域類型決定，A+、A、B、C類供電區域的單位缺電成本本文分別采用電價的60、45、30、15倍。

狀態變量，也就是對線路規劃的主要決策變量，包括線路截面積和線路長度。

在計算缺電成本時，本文只考慮母線、線路以及變壓器的故障，設備的故障率以及平均修復時間如表2所示。

表2 設備可靠性數據

3.3 約束條件

（1）潮流平衡約束：

（2）線路傳輸功率約束：

（3）節點電壓約束：

（4）網格供電模式約束：根據網格所屬的供電區域類型，所有網格的接線模式（線路回數）都能匹配，即保證網格內用戶的供電可靠性。

4 案例分析

本文采用IEEE33節點配電系統作為算例對本文提出的方案進行分析，33節點配電系統的網絡拓撲結構如圖6所示。

圖6 IEEE33節點配電系統拓撲

圖6中，實線為IEEE33節點配電系統原有的線路接線，本文在此基礎上增加了虛線表示的線路，可供規劃選擇。

對于IEEE33節點配電系統，將每一個節點看作是一個供電網格，為了考慮供電網格的類型，本文對網格類型進行隨機分配，得到如表3所示的網格類型。

本文采用粒子群算法對此網絡進行優化計算，粒子群算法屬于進化算法的一種，它是從隨機解出發，通過迭代尋找最優解，它也是通過適應度來評價解的品質，通過追隨當前搜索到的最優值來尋找全局最優。本文采用30個粒子以及100次迭代進行求解，迭代收斂結果如圖7所示，經過計算得到的最優方案如圖8所示。可以看到，圖8中細線表示單輻射接線，粗線表示雙輻射接線，可以根據網格的可靠性及安全性需求進行選取。

表3 網格類型

圖8 最優網絡拓撲結構

本文采用IEEE33節點配電系統為算例，并隨機分配網格類型，采用粒子群智能算法，搜索得到如圖8所示最優結果。經計算，該方案的網絡損耗成本為79.5萬元，線路投資成本為539.71萬元，用戶的缺電成本為366.7萬元，總成本為985.91萬元，滿足了最優經濟性與可靠性，驗證了網格規劃模型與方案的有效性。

5 結語

目前網格規劃在中壓配電網規劃中得到了廣泛應用，本文基于經濟性、可靠性要求，給出了A+、A、B、C四大類獨立網格相應的接線模式；建立了以最小化線路的投資成本與缺電成本為目標的網格規劃模型，尋求中壓配電網網格規劃中兼顧經濟性與可靠性的規劃最優解；并采用IEEE33節點配電系統作為算例，模擬中壓配電網網格規劃，求取了該網絡拓撲結構下的最優網格規劃解，驗證了本文所提出方法的有效性、合理性。

[1]馮欣樺，黎洪光，鄭欣，等.計及不確定性的配電網合環點安全性與經濟性評估[J].電力系統保護與控制，2015，43（10）：30-37.

[2]趙洪山，趙航宇.考慮元件故障率變化的配電網可靠性評估[J].電力系統保護與控制，2015，43（11）：56-62.

[3]潘翀，袁霞，唐倫.大型城市高壓配電網可靠性分析[J].電力系統保護與控制，2017，45（3）：131-138.

[4]王璞，王承民，張焰，等.城市配電網規劃中變電站最佳供電半徑及容量的實用計算方法[J].電氣應用，2011，30（23）：38-41.

[5]陳庭記，程浩忠，何明，等.城市中壓配電網接線模式研究[J].電網技術，2000，24（9）：35-38.

[6]徐小芳，王承民，白玉東，等.基于成本效益分析的城市配電網典型供電模式規劃[J].電工電能新技術，2012，31（3）：59-63.

[7]姚剛，仲立軍，張代紅.復雜城市配電網網格化供電組網方式優化研究及實踐[J].電網技術，2014，38（5）：1297-1301.

[8]李健，馬彬，張植華，等.基于網格的城市配電網優化規劃方法研究[J].南方能源建設，2015，2（3）：38-42.

[9]葛少云，張菁，陳麗君.基于兩聯絡接線模式的城市配網聯絡線優化[J].電力系統及其自動化學報，2007，19（5）：98-104.