配电网多阶段多场景规划方式研究

李振伟，马明禹，杨娜，冯胜涛，王鹏

（1.河北省电力公司邯郸供电分公司，河北邯郸 056002；2.上海电力学院，上海 200082）

目前电力系统配电网规划的主流方向基本是考虑对多阶段规划模型的适当复杂化，增加不确定性规划的方法，尝试使用并简化规划算法中的动态规划与随机优化的遗传算法[1]。由于使用模型的复杂化，对方法与算法的合理简化将是对整个规划非常有益的事。本文将分析对于配电网的多阶段模型以及多场景规划方式的分离，并考虑对主、次配网之间的区分进行阐述并分析，以便提出一种既能保证正确性，有能适当符合实际，并便于计算的规划方式。

1 配电网多阶段多场景规划现状与问题

配电网作为直接对用户供电的系统，直接影响到用电需求的满足与否，所以在配电网建设之初，就应该很好地考虑未来一切可能对供电能力、可靠性、运行维护成本等问题的因素，并合适的体现在配网规划之中。随着时间的推移，规划之初的一些构想或者做法可能就无法满足未来用电的发展，这不但造成对社会、经济的束缚，更可能导致一些不愿发生的结果。许多研究者将问题总结为3部分，分别为1模型，2方法，3算法。本文围绕这3部分进行梳理。

1.1 模型

主要分为早期模型与近期模型。早期模型里，按照时间顺序有：

1）变电站规划模型。

2）网架规划模型。

3）变电站-网架联合规划模型。

4）多阶段模型[1]。

从早期模型的发展来看，前2种模型主要是简单、易于计算，其主要关注的对象是配电网自己，也就是设备，对于用户的关注度不够高。联合规划模型则是将前2种模型进行了整合。而多阶段模型的提出，则是以一种发展性的眼光来对待配电网规划。根据设备建设投运的顺序将规划内时间合理划分成若干阶段，逐一进行计算。而近期模型则是在早期模型基础上发展出来的，其实就是将之前的模型进行适当的，有针对性的复杂化[2]。比如将目标函数复杂化；将约束条件复杂化；考虑一些不确定因素的影响等[3]，或者在模型中加入地理信息[4]；考虑到分布式电源接入影响；运用一些现代管理科学来提高配网在可靠性、可行性和灵活性上的表现等。

1.2 方法

通常使用的规划方法：

1）多目标规划方法。在简单的将多个目标通过加权相加得出结果可能产生一些问题后，结合部分优化办法来进行修补得出结论。

2）多阶段规划方法。目前由于数学方面的进展较慢，所以均是将动态的多阶段分解为单个静态阶段进行规划，并通过先后阶段之间的联系进行修正。虽然无法得到真正意义上的全阶段最优解，但也算是较为近似。亦或在纳入不确定因素时，使用多个场景进行阶段的拆分，其实质也是一种简化近似[5-6]。

3）不确定性规划方法。主要针对的是像负荷这样比较随机的变量，进行模糊预测[7]。

1.3 算法

对应于1.2节的规划方法，算法也具有针对性。比如利用动态规划法来解决部分多阶段、多场景的规划问题[5]；利用遗传算法来解决一些包含随机性与需要优化的规划问题等[7]。

在模型日趋完善、负责的情况下，这些算法逐渐暴露出求解困难、收敛性不佳和计算速度缓慢的问题。

除此以外，对于城市配电网规划，由于自动化程度不高，很多原始资料在收集时普遍缺乏完整性与准确性，而规划过程中又对供电环节中的薄弱部分无法进行准确估计与反映，致使许多规划在实际应用时还会面临一些不利影响[8]。

面对这些问题，通常做法是通过对网架简化，参数分离等方法化简模型；将问题线性化，将目标单一化，将动态问题解耦及静态化，并加入部分主观干预以解决部分问题[9]。

2 规划模型与方法匹配

笔者认为，在算法的效率性与模型的准确性之间进行合适的权衡与取舍，对于配电网的规划是非常有必要的。配电网络的规划，其主要目的是将电能合理地分配给其供电区域内的各个用户，不仅需要保证电能质量，还要保障用电可靠性。而在智能配电网、智慧城市等大的时代背景下，配电网规划的目标也适时发生了变化。不仅需要有能力接纳新能源分布式发电，还要提供足够的供电灵活性，保持较高的供电可靠性，并能提供人性化的服务。

对于任何一个地区，随着其经济的发展，用电负荷总会按照一定的规律发展增长。按照其负荷增长的速度可以分为低速增长期，高速增长期以及饱和增长期，如图1所示。

图1 负荷增长示意图Fig.1 Load growth schematic

根据多阶段的思想，在低速增长期，只需考虑在接近高速增长时期前，对大规模基础建设部分预留出足够的空间，以便在未来建设时期能够游刃有余。这需要对未来该地区的发展轨迹有一定的判断。

在区域负荷高速增长期内的初期，则可以根据发展建设的时序，设定2~3个阶段，比如根据负荷区域规划功能按照负荷重要程度、投运时间安排建造变电站。因为变电站建设周期长、成本高，所以应该在土建阶段一次性选址完毕，规模按照其最终要求建设。变电站主变数量可根据当地负荷增长情况有计划地安装、投运。这时可使用多阶段模型进行计算。而在高级增长期的后期则需要根据实际情况适当考虑配电自动化、分布式电源的接入、高可靠性运行和高灵活性调度等问题，可以使用不确定模型进行建模。并将配电网络分为主配网及次级配网，进一步完善接线模式，并方便设备管理[10]。

而在规划其饱和时期时，则可以运用地理信息系统、现代管理科学等对模型进行完善，并考虑到电力市场的发展趋势与对配电网络的影响。针对负荷短期波动的随机性以及天气对配网的影响，运用适当的算法求解，借助网络的灵活性进行调度。

设定这样的基本原则，短期负荷预测尽量准确，便于灵活调度，保证供电。远期负荷预测在经济性的前提下尽量充裕。

网架结构根据负荷重要性，以及各节点所处位置，区分主、次配网。主配网尽量使用环网结构，次级配网使用多分段适当联络等，保证接入用户的线路可追溯到2个不同电源点。对于类似用户，可以总结出一些模块化的接线方式。

3 多维函数参数设计

对于某区域的规划来说，如果可以根据其未来规划的不同阶段、不同场景、地理位置，符合区域功能、经济发展情况、天气环境、自动化程度和是否有分布式电源接入等一系列信息的不同，作为某种函数的参数，计算出一个结果，并将该结果的可能取值区间进行区分，每个不同区间对应于一种或者几种特定的接线模式，便能很快地确定某区块所需要使用的设备数量，并可以通过负荷预测、成本效益分析对其进行校验[11-14]。

设定可能需要的相关参数，如表1所示。

通过一系列的经验与方法的组合，应该可以给出一个多维函数：

式中：X、Y、Z、C均为计算得出的各维度的结果，并根据其值在多维评价坐标系中的大小来帮助决定采取何种类型接线模式，或者确定优先改造的部分。当令各维参数为

式中：x1=1，2，3；表示规划阶段；x2=1，2，3，…；1表示平原，2表示沿海，3表示山区；x3=1，2，3；1表示三线城市及以下，2表示2线城市，3表示一线城市。

式中：y1=4（表示商业区）×商业区域占规划区域面积百分比+3（表示工业区）×工业区域占规划区域面积百分比+2（表示居民区）×居民区占比+1（表示农业区）×农业区占比；y2=0~1，表示规划区域气候对于当地负荷的影响是否强烈。如西北某地常年有风，配电杆塔可能会因为风力过大而倒伏导致停电，则可取y2=0.9；如内地某平原地区，气候正常，对负荷及供电情况影响很小，则可取y2=0.1。

式中：z1=4，3，2，1，0；表示自动化程度，4表示自动化程度极高，1表示自动化程度极低，0表示自动化程度无；z2=1，0；1表示有分布式电源接入，0表示没有；z3=1，0；1表示有储能装置接入，0表示无储能装置接入。

表1 相关参数Tab.1 Related parameters

式中：c1=0~1，1表示资金充沛，0表示资金严重不足；c2＞0，大于1表示维护成本过高，小于1表示维护成本较为低廉。

根据各维参数的可取最大值进行化一处理，然后将计算结果标于坐标平面上，如图2所示，可以得到一个四边形图案[15-17]。

图2中，根据现有配网情况计算得出结果{X，Y，Z，C}标注于图中对应的点a，b，c，d。如果在规划中需要提高其智能化和自动化程度，使得配电网满足新的指标，如图中点a，b，c′，d′所示。可以结合模块化的接线模式，按照类似指标进行模拟，看看最后是否能够满足要求。则可以由计算多维函数得出如何选择接线模式（见表2）。

图2 多维函数指标示意图Fig.2 Multidimensional function index schematic

表2 结果与接线模式对应表Tab.2 The results corresponding with the wiring pattern

表2中，m%、n%、o%、p%分别表示计算结果图形在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限内所占面积，根据这组数值确定其所需采取的接线模式。配合未来模块化，标准化，序列化的规划趋势，不同接线模式的差别应该是能够确定下来的。不同接线模式的取舍，将在以后的研究中探讨，本文不作深入分析。但能够确定的是，接线模式的可靠性、经济性和灵活性等指标的提升是能够用文中的多维函数所体现的。通过完善这种多维评价函数，来得到接线模式的方法，能够在未来配电网规划中起到一定的作用。这也算是一种对配电网规划方式的拓展。

目前函数具体形式有待商榷，也可尝试加权平均后相加，增加更多相关参数。其结果也势必与配电网发展程度正相关，即数值越大，配电网越发达，符合这一结果。

4 总结与展望

本文结合以往配电网规划方法，提出了通过多种方式分别将规划过程分解，并可以通过简单计算匹配到合适接线模式的方式，该方法存在可能性，并且对降低规划过程中的难度。该方法主要依靠对以往规划的总结，并可能需要专家系统的辅助。在未来规划中，还可以陆续增加其参数数量，不但可以作为对远期规划的指导，还可以用来分析不同情况下，相同接线模式的适用性。这也有助于对现有配网接线模式进行总结，并提炼出一些比较成熟可靠的模块化接线方式。方便在未来规划中相互套用，以节省规划时间与成本。

当然该方法还很不完善，在对短期负荷预测方面没有什么支持，但是可以采用其他方式进行弥补。在配合以后电力市场、智能电网等问题上，该方法也进行了考虑，而且提供了发放性的思路。

而接下来的工作便是如何完善整个公式，提出具体的表达式，完善各种典型的接线模式，并根据接线模式与建设维护成本的关系将计算结果区间进行分区，并验证该方法的正确性。

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