配电网单元制规划中的网格最佳供电范围问题研究

张雪莹 刘 涌 林 冬 侯四维 刘剑寒

（1.广东电网有限责任公司，广东广州510080；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

目前，中压配电网的单元制规划广泛开展，主要目的还是为了规范中压配电网建设和管理，使得网格成为配电网、中压线路供电的基本单元，通过将目标区域划分为独立网格的形式，实现对目标区域更好的管理。

网格化与供电分区关系密切，在配电网规划设计导则中，供电区域划分只是到县、区级别，将供电区域划分为a+、a、b、c、d、e等六类地区。但在城市配网规划中，供电区域还要在此基础上进行进一步的划分，划分到乡、镇、街道级，因此本文将城市划分成供电网格的形式进行进一步规划。

网格的划分需要综合考虑配电网供电的经济性、安全性[1]和可靠性[2-3]等相关因素，因此网格的供电范围问题是网格化的一个基本问题。目前，在广泛开展的网格化规划中，主要基于电缆双环网的接线模式、以城市规划中的区块为基础进行，还较为粗糙。文献[4]采用传统的供电范围划分，默认变电站供电范围是固定半径的圆求解最优的供电范围。文献[5]考虑了五种城市中压配电网的接线模式，结合地区的负荷密度，进行中压配电网接线模式的研究。文献[6]从成本效益分析角度出发，引入“规划单元”概念，结合规划单元边界条件，通过对各自供电区块的规划单元进行求解，从而得到整个规划区域的最佳规划方案。文献[7]提出了“联络组合”概念，有效地解决了网格之间及网格内部的联络问题。文献[8]提出了网格的分类建设标准和建设需求评估指标等技术标准体系，并在实例中进行验证。文献[9]对城市中压配电网的联络线接线模式进行了研究。本文在考虑中压配电网接线方式以及导线截面选取的基础上，对配电网进行网格规划的最佳供电范围求取，并通过实际案例，验证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 供电区域划分

目前，网格规划在实际的供电工程中已经被广泛应用。在网格规划中，经常将供电网格分为4类供电区域网格类型，分别为A+、A、B、C，如表1所示。

1.2 网格规划流程

网格规划流程主要有以下三个步骤：

（1）负荷预测：对待规划区域进行负荷预测，为网格规划打好基础。

（2）网格划分：按负荷情况对待规划区域进行划分，每个网格间的负荷水平接近为基础，将河流、山岭等复杂地形作为边界，沿着街道、小区进行划分，同时保证同一个网格内的用地属性相同。

表1 供电区域类型划分

（3）供电范围求取：假设变电站的位置和容量都已确定，根据各个网格可靠性的要求，确定接线模式，求取变电站最佳供电范围。

网格规划是建立在城市配电网规划之上的进一步规划，所以负荷预测仍然是规划的基础。供电范围的求取在下文进行详细分析，网格划分的准则主要有以下三点：

（1）网格划分尽量不跨越河流、山岭等复杂地形，尽量沿着街道、小区进行划分；

（2）网格划分要与用地实际情况结合，将同种用地属性的地块划分在同一网格内，对于不同情况的区域要使用不同的供电方式；

（3）网格规划建立在城市规划的基础上，先对城市进行常规规划，再将其划分为网格分别进行规划，最后根据网格内用户需求确定具体的接线模型，并求取每个网格供电范围。

2 网格规划接线模式

2.1 接线模式分析

如前文所述，根据网格的负荷密度，将网格分为A+、A、B、C四大类型的供电区域。C类供电网格接线模式以架空线或架空电缆混合为主，采用多分段单联络或多分段适度联络，少数电缆网采用单环网；B类供电网格接线模式以电缆为主，N供1备或“3-1”，少数架空线采用多分段适度联络；A类供电网格接线模式以电缆网为主，双环网，N供1备，局部采用单环网，少数架空电缆混合网采用多分段适度联络；A+类供电网格接线模式以电缆网，双环网为主，局部采用N供1备。

2.2 接线模式选择

在配电网的建设与工程改造中，电网接线模式的选择是一个非常重要的方面。因为它不仅牵涉到电网建设的经济性，而且关系到供电可靠性，对整个电力工业和用户的发展也具有重要意义，因此，有必要对各种可能的接线模式进行定量的计算分析，以便得出符合实际供电要求的接线模式。

中压配电网网格规划中接线模式的选用，要考虑各方面的因素，满足功能要求，选择优化结构，以达到安全、科学、合理、经济的目的，各种网格有各自的特性及优缺点，使用要取其所长，避其所短。

本文所采用的接线模式有以下几种：

图1所示单电源辐射状接线适用于城市非重要负荷架空线和郊区季节性用户，干线可以分段。优点是比较经济，配电线路和高压开关柜数量相对较少，新增负荷也比较方便；缺点是故障影响范围较大，供电可靠性较差，当线路故障时，部分线路段或全线将停电。

图1 单电源辐射状接线

图2所示单侧电源双T接线中两回线路分别接自不同分段的母线，线路沿道路并行敷设，而每一个配电站可以从两回电缆上取得电源。

图2 单侧电源双T接线

图3所示不同母线出线连接开关站接线中每个开关站具有两回进线，开关站出线采用辐射状接线方式供电；也可以在开关站出线间形成小环网，进一步提高可靠性。

图3 不同母线出线连接开关站接线

图4所示双电源手拉手环网接线是通过一联络开关，将来自不同变电站或相同变电站不同母线的两条馈线连接起来。任何一个区段故障，合联络开关，将负荷转供到相邻馈线，完成转供。

图5所示N供1备接线是通过备用电源联络开关，将不同母线与备用母线连接起来。任何一个区段故障，合备用母线联络开关，将负荷转供到备用母线上，完成转供。

图4 双电源手拉手环网接线

图5 N供1备接线

3 供电范围求取

3.1 基本假设

中压配电网规划、特别是线路规划所涉及的供电范围一般是以矩形形状为单位的，这主要与供电区域紧密相关，也可能是扇形的，本文以矩形为基础进行探讨。

在负荷密度方面，假设供电分区内的负荷密度是相同的。

线路分为架空线路和电缆线路两种，具体使用情况由供电区域类型决定。

对于双电源（如双环网等）供电的情况，可以分为两路电源来自不同的变电站和来自同一变电站不同母线等情况。

此外，本文中假设变电站规划已经确定，即变电站的位置和容量等已经确定。

3.2 目标函数

本文采用的目标函数为最小化线路的投资成本以及用户的缺电成本；网格规划的目的是将供电区域划分为网格，实现对供电区域更好的管理，因此供电区域的供电可靠性是网格规划的关键问题。如何协调网格规划的投资成本与缺电成本非常重要，因此本文采用最小化投资成本与缺电成本的数学模型进行网格规划的供电范围求取。

目标函数：最小化线路投资成本与用户缺电成本之和。

式中，Cl为线路的投资成本；CR为供电区域内用户的缺电成本。

本文所采用的目标函数由线路的投资成本及用户的缺电成本构成，下面具体介绍目标函数的构成。

3.2.1 投资成本：线路的投资成本

假设每台变压器的出线数量相同，以N来表示，共有M台变压器，则出线的总数量为MN。同样，供电区域的总负荷由MN条线路均分，每条线路的负荷约为S/MN。则线路的投资成本如式（2）所示：

式中，ali为第i条线路的固定投资成本；bl（Si）为该截面面积的线路单位长度的价格；Si为第i条线路的横截面积；li为第i条线路的长度。

3.2.2 缺电成本：网格内用户的缺电成本

当系统中某条支路出现故障时，该支路所连接的某个网格或某些网格会出现停电的情况，此时，停电所导致该网格内所有用户的经济损失，称为缺电成本，如式（3）所示；

IEARi的选择由供电区域类型决定，A+、A、B、C类供电区域的单位缺电成本本文分别采用电价的60、45、30、15倍。

状态变量，也就是对线路规划的主要决策变量，包括线路截面积和线路长度。

在计算缺电成本时，本文只考虑母线、线路以及变压器的故障，设备的故障率以及平均修复时间如表2所示。

表2 设备可靠性数据

3.3 约束条件

（1）潮流平衡约束：

（2）线路传输功率约束：

（3）节点电压约束：

（4）网格供电模式约束：根据网格所属的供电区域类型，所有网格的接线模式（线路回数）都能匹配，即保证网格内用户的供电可靠性。

4 案例分析

本文采用IEEE33节点配电系统作为算例对本文提出的方案进行分析，33节点配电系统的网络拓扑结构如图6所示。

图6 IEEE33节点配电系统拓扑

图6中，实线为IEEE33节点配电系统原有的线路接线，本文在此基础上增加了虚线表示的线路，可供规划选择。

对于IEEE33节点配电系统，将每一个节点看作是一个供电网格，为了考虑供电网格的类型，本文对网格类型进行随机分配，得到如表3所示的网格类型。

本文采用粒子群算法对此网络进行优化计算，粒子群算法属于进化算法的一种，它是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。本文采用30个粒子以及100次迭代进行求解，迭代收敛结果如图7所示，经过计算得到的最优方案如图8所示。可以看到，图8中细线表示单辐射接线，粗线表示双辐射接线，可以根据网格的可靠性及安全性需求进行选取。

表3 网格类型

图8 最优网络拓扑结构

本文采用IEEE33节点配电系统为算例，并随机分配网格类型，采用粒子群智能算法，搜索得到如图8所示最优结果。经计算，该方案的网络损耗成本为79.5万元，线路投资成本为539.71万元，用户的缺电成本为366.7万元，总成本为985.91万元，满足了最优经济性与可靠性，验证了网格规划模型与方案的有效性。

5 结语

目前网格规划在中压配电网规划中得到了广泛应用，本文基于经济性、可靠性要求，给出了A+、A、B、C四大类独立网格相应的接线模式；建立了以最小化线路的投资成本与缺电成本为目标的网格规划模型，寻求中压配电网网格规划中兼顾经济性与可靠性的规划最优解；并采用IEEE33节点配电系统作为算例，模拟中压配电网网格规划，求取了该网络拓扑结构下的最优网格规划解，验证了本文所提出方法的有效性、合理性。

[1]冯欣桦，黎洪光，郑欣，等.计及不确定性的配电网合环点安全性与经济性评估[J].电力系统保护与控制，2015，43（10）：30-37.

[2]赵洪山，赵航宇.考虑元件故障率变化的配电网可靠性评估[J].电力系统保护与控制，2015，43（11）：56-62.

[3]潘翀，袁霞，唐伦.大型城市高压配电网可靠性分析[J].电力系统保护与控制，2017，45（3）：131-138.

[4]王璞，王承民，张焰，等.城市配电网规划中变电站最佳供电半径及容量的实用计算方法[J].电气应用，2011，30（23）：38-41.

[5]陈庭记，程浩忠，何明，等.城市中压配电网接线模式研究[J].电网技术，2000，24（9）：35-38.

[6]徐小芳，王承民，白玉东，等.基于成本效益分析的城市配电网典型供电模式规划[J].电工电能新技术，2012，31（3）：59-63.

[7]姚刚，仲立军，张代红.复杂城市配电网网格化供电组网方式优化研究及实践[J].电网技术，2014，38（5）：1297-1301.

[8]李健，马彬，张植华，等.基于网格的城市配电网优化规划方法研究[J].南方能源建设，2015，2（3）：38-42.

[9]葛少云，张菁，陈丽君.基于两联络接线模式的城市配网联络线优化[J].电力系统及其自动化学报，2007，19（5）：98-104.