基于双Q的新型配电网网格化规划方法

侯佳，吴志力，崔凯

(国网经济技术研究院有限公司, 北京 102209)

为满足我国新时代人民日益增长的美好生活用能需要，现代化配电网规划的目标将从传统的满足负荷增长需求向满足用户高品质用电需求转变，在满足供电需求的基础上，以供电可靠性为中心，为用户提供友好互动的用电体验。在保证供电可靠性的前提下，现代电力企业追求经济效益最大化的发展需求迫切要求提升配电网规划的精益化水平。因此在传统配电网规划方法的基础上，提出了网格化规划，进一步提高配电网规划的精细程度，实现以网格为单位梳理现状问题，制定目标网架，给出明确的项目方案。

近些年，配电网网格化规划研究较热，在网格划分、规划方法方面[1-6]取得了较为丰富的成果。文献[1]提出了配电网网格化规划时需要遵循的基本原则，给出了配电网网格化规划的总体思路。文献[2]提出了一种配电网网格化规划方法，结合规划区域的发展定位制定目标网架和过渡网架。在每个网格内根据目标年的10 kV出线规模确定负荷转供能力，进一步布置开关设施。文献[3]主要介绍了城市配电网网格化规划的理念，重点从配电自动化、通信、分布式电源、电力管道等方面阐述了网格化规划的技术要求。文献[4]通过供电网格的划分对中压配电网进行规划，采用就近选择负荷备供站和负荷聚类方法实现网格划分的全局优化。在各供电网格内，依据供区典型优选接线模式和建设标准进行主干线布线规划。文献[5]采用分层分区的方法划分网格，采用层次分析法与德尔菲法验证网格的合理性。文献[6]介绍了城区配电网三级网格规划“二分法”，同时模块化了开闭所出线模式及台区低压侧三相均衡接线。文献[7]侧重研究网格化规划后评价模型，首先构建三维度评价指标，其次采用德尔菲法确定各指标权重，通过曲线拟合最终确立指标函数。

目前的研究存在网格划分标准不统一，缺乏各网格内差异化规划的考虑，无法实现网格化规划的经济性与可靠性协调等问题。由于配电网网格化规划与电力工业界关系密切，因此该领域的研究需要结合实际应用需求，研究操作性强的网格化划分方法、清晰的网格化规划流程、统筹各网格规划项目优选排序的科学量化工具。已有文献关于配电网网格化规划的研究多停留在原则和理念层面，缺乏实际操作流程指导和科学量化工具。工业界中配电网网格化规划优先在城市电网开展，未来5年提升城市电网的可靠性是发展重点，如何在达到可靠性目标的同时降低经济成本，是现代电力企业所面临的挑战。本文在网格内应用容量(quantity，Q1)和供电可靠性(quality, Q2)双Q规划方法，一方面提升规划的精准程度，另一方面达到改进可靠性和降低投资的双重目标。考虑到各网格的差异性，基于网格内主要用户类型选取合适的可靠性指标作为目标，充分考虑区域负荷增长潜力和长远用电需求，按照饱和负荷配置相应的容量。基于停电损失模型估算可靠性目标下的停电损失费用，构建规划项目的全寿命周期成本模型，对网格内的备选规划项目进行成本的量化计算。每个网格内规划项目的评估采用收益(Mbene)与成本(N)的增量比ΔMbene/ΔN方法，有效地减小投资预算，使单位投资的可靠性最大化。为验证新型规划方法的有效性，采用传统规划方法进行对比，在投资限额固定和达到相同供电可靠性目标的2种规划场景中，双重验证了新型规划方法在协调配电网可靠性和经济性方面更具明显优势。

1 双Q规划方法

1.1 规划目标

现代配电网规划人员面临的挑战是在满足可靠性的目标下尽量降低规划方案的总投资，使电力企业获取最大的经济效益。本文在网格内应用双Q规划方法，既能够考虑网格差异化的规划目标，又能同时处理配电系统的Q1和Q2，达到降低投资同时改进可靠性的双重目标[8-10]。

传统的配电网规划方法主要考虑单Q，可靠性一般通过遵循安全标准而得到保障，而不是作为具体的量化目标提出。从经济角度出发，严格遵守安全标准并不总是有利的，一味满足标准而安装数量过多或容量过大的设备，会导致建设成本过高。新型规划方法在各网格内制定合适的规划水平年可靠性目标，根据可靠性目标制定不同的规划方案，每个方案具有不同的建设规模及投资。为达到各网格总体规划方案投资最低，需要对电网的规划方案进行评估[11-12]，本文采用增量比ΔMbene/ΔN方法[13]使单位投资的可靠性最大化。

1.2 可靠性指标

在电力工业界中，度量可靠性的指标有两类[14-16]：一类度量指标仅为停电频率；另一类度量指标为停电持续时间。与用户的用电规模无关的4个最常用的可靠性分析指标，分别是系统平均停电频率指标(system average interruption frequency index, SAIFI)、用户平均停电频率指标(customer average interruption frequency index, CAIFI)、系统平均停电持续时间指标(system average interruption duration index,SAIDI)和用户总平均停电持续时间指标(customer total average interruption duration index, CTAIDI)。SAIFI和SAIDI 2个指标要在系统的全部用户范围内进行停电统计；CAIFI和CTAIDI 2个指标是在经历了停电的用户范围内统计。考虑到网格内不同的用户类型和指标的普适性，新型规划方法采用的可靠性分析指标是ηSAIDI、μSAIFI。

2个可靠性分析指标分别计算为：

(1)

(2)

式中：(为系统内用户总数；Fi为用户i在统计期间的停电次数；Ti为用户i在统计期间的停电时间。当统计期间为1 a时，也可由供电可靠率目标R值反向推算，即

ηSAIDI=(1-R)×8 760.

(3)

SAIDI是衡量系统停电持续时间的指标；SAIFI是衡量系统停电频率的指标，目前尚无研究证明哪个指标比另一个更好，电力企业可根据区域电网发展需求和用户类型选取合适的可靠性分析指标，制定合理的规划目标[17]。

不同类型用户的停电频率和停电时间对其的影响差异极大：对于数字电子设备和计算机控制设备，短时的停运，哪怕是0.5 s也会造成所有功能因停电而瘫痪，如某化工厂停电10 min，工厂内所有的计算机和自动化控制设备全部停运，重新恢复正常工作需要几个小时的启动时间，这类型的用户，6次10 min的停电远比1次1 h的停电影响严重得多，停电频率更适合作为此类用户的可靠性指标；对于钢铁厂等一些用户，短暂的停电对其影响很轻微，但是持续的停电会造成产量严重下降，该类用户的停电时间更适合采用可靠性指标。

1.3 基于双Q的网格化规划

目前配电网规划多采用的是整体规划方法，就算采用双Q理论将配电网规划转换成双变量的数学模型，仍是一种粗糙的解决问题方式。为了适应配电网差异化的规划需求和操作性强的应用需求，亟需寻找一种精益化和标准化的方法以实现配电网可靠性和经济性的协调。

网格化规划是以供电网格为单位梳理配电网现状问题，制定规划目标，确定目标网架，优选规划项目。城市电网中开展网格化规划，提升供电可靠性是首要目标，因此如何在单个网格内实现可靠性和经济性的协调是核心问题。本文提出的新型规划方法就是将双Q理论应用于配电网网格化规划，合理的网格划分方法、考虑停电损失的项目全寿命周期成本模型、精确的项目评估方法是关键点。为了便于理解基于双Q的网格化规划，建立了新型的映射关系如图1所示。

图1 基于双Q网格化规划Fig.1 Grid planning based on double-Q theory

在新的规划方法中，Q1对应的是配电网的整体电量收益Mbene，而Q2对应的是配电网整个规划方案的全寿命周期总成本Ncost，包含停电损失成本。Mbene和Ncost的具体数学模型在第3节进行详细论述。

2 网格化规划

2.1 基本理念

配电网网格化规划是指以地块用电需求为基础、目标网架为导向，将配电网供电区域划分为若干供电网格，并进一步细化为供电单元，分层分级开展配电网规划。网格化规划是在供电区域划分的基础上，进一步细分形成供电区域、供电网格、供电单元的三级网络，三级网络对应配电网规划的不同层级，各层级间相互衔接、上下配合。供电区域层面重点开展高压网络规划，主要明确高压配电网变电站布点和网架结构。供电网格层面重点开展中压配电网目标网架规划，主要从全局最优角度，确定区域饱和年目标网架结构，统筹上级电源出线间隔及通道资源。供电单元层面重点落实供电网格目标网架，确定配电设施布点和中压线路建设方案；供电单元是配电网规划的最小单位。具体网格化规划层次结构如图2所示。

图2 网格化规划层次结构Fig.2 Grid planning hierarchy

2.1.1 供电区域

供电区域主要依据地区行政级别及负荷发展情况，参考经济发达程度、用户重要性、用电水平、GDP等因素，参照相关技术标准，划定条件相似的供电范围，分为A+、A、B、C、D、E 6类。

2.1.2 供电网格

供电网格是在供电区域划分的基础上，与城乡控制性详细规划、城乡区域性用地规划等市政规划及行政区域划分相衔接，综合考虑配电网运维抢修、营销服务需求，进一步划分而成的若干相对独立的网格。供电网格是制定目标网架规划，统筹廊道资源及变电站出线间隔的管理单位。

2.1.3 供电单元

供电单元是在供电网格基础上，结合城市用地功能定位，综合考虑用地属性、负荷密度、供电特性等因素划分的若干相对独立的单元。供电单元是网架分析、规划项目方案编制的基本单元。

2.2 划分原则

供电网格划分一般结合道路、河流、山丘等明显的地理形态，与城乡控制性详细规划及区域性用地规划等市政规划相衔接。应遵循电网规模适中且供电范围相对独立的原则，远期一般应包含2～4座具有10 kV出线的上级公用变电站。供电网格原则上不应跨越供电区域(A+—E)。

供电单元划分一般由若干个相邻的、开发程度相近、供电可靠性要求基本一致的地块(或用户区块)组成。与市政规划分区分片相协调，不宜跨越市政分区分片，不宜跨越控规边界。对于无控制规定的区域，可按主供电源点供电范围划分供电单元。依据中压配电网供电区不交叉、不重叠的原则，同时考虑饱和年变电站的布点位置、容量大小、间隔资源等影响，远期供电单元内线路一般应具备2个及以上主供电源，以1～3组10 kV典型接线为宜。

2.3 规划流程

配电网网格化规划流程如下：

a)资料收集。收集规划所需的各项资料。

b)供电网格(单元)划分。依据划分标准将供电区域逐级划分为供电网格、供电单元。

c)现状电网分析。分析区域配电网布局以及负荷分布现状，提出现状电网存在的主要问题。

d)负荷预测。采用空间负荷预测为主的方法，逐级测算供电单元、供电网格饱和负荷以及各规划水平年负荷。

e)目标网络规划。依据负荷预测结果，逐个供电网格搭建饱和年10 kV目标网架。依据网架规划结果优化供电网格(单元)划分。

f)过渡网架确定。依据饱和网架，结合现状网架，逐供电单元、逐阶段确定过渡规划方案。

g)结合目标网架，依据线路建设形式需求和区域道路规划，制定电力廊道规划。

3 规划方案评估

3.1 成本和效益

为达到既定的可靠性目标，满足区域供电可靠性要求和新增负荷需求，有必要对配电网的成本和收益进行量化分析，实现供电可靠性与经济性的协调。配电网规划项目的成本包括初始投资成本、运行维修费用、停电损失费用等。投资成本一般发生在配电网建设初期，在之后的运行过程中，每年还会发生运行维修费用、停电损失费等。后者的成本加和往往远大于初始建设投资，因此规划设计人员需要综合考虑这些因素得到最优化的规划方案。

在配电网规划时贯彻资产全寿命周期理念，因此在分析规划项目成本时采用全寿命周期成本模型，在既定的可靠性水平下实现资产全寿命周期内成本最小。对于不同的可靠性目标，项目的投资成本各不相同。对于可靠性高的目标，项目的投资成本随之升高，停电损失费用随之下降。对于可靠性低的目标，项目的运行维护费用及停电损失费用随之上升。不同的项目实施后给电网企业带来的收益通过电量和电价乘积得到，总的投资成本将会在下一监管周期影响电价[18]。项目全寿命周期总成本

Ncost=Cpre+Cmain+Closs.

(4)

式中：Cpre为初始投资成本;Cmain为运行维修费用，Closs为停电损失费用。则项目总收益

Mbene=Q×P-Ncost.

(5)

式中：Mbene为项目总收益；Q为该网格内项目实施后的电量；P为电价；Ncost为项目的全寿命周期总成本。

3.2 全寿命周期成本模型

配电网规划项目的全寿命周期成本指的是所有设备在其全寿命周期内所发生的总成本，如式(4)所示，其中设备运行维修费Cmain包括运行费和维修费2部分。停电损失费用Closs包括直接损失费用和间接损失费用2部分[19-21]。直接损失费用即对用户造成的直接经济损失费用，间接损失费用为停电造成的社会损失量化费用。直接经济损失费用根据项目的设备使用年限、供电可靠性指标、单位停电经济损失计算得到。

项目的全寿命周期成本计算式为：

NLCC,i=Cpre,i+Cmain,i+Closs,i.

(6)

(7)

式中：NLCC,ij为第j个项目中第i个设备的全寿命周期成本；n为一个项目里涉及到的所有设备数量；m为规划方案里涉及到的项目数量。

停电损失费用模型如下：

Closs,f=μSAIFI×Closs,sin+Cnon.

(8)

Closs,t=ηSAIDI×Ctime+Cnon.

(9)

式中：Closs,f为停电频率损失；Closs,t为停电时间损失；Closs,sin为单次停电损失值；Ctime为单位时间停电损失值；Cnon为间接损失费用。

3.3 收益/成本增量比方法

电力企业可采用不同的方法对配电网规划项目进行评估，包括最小费用法、基于利润的评估法、Mbene/N、ΔMbene/ΔN方法等。最小费用法和基于利润的评估方法适用于传统电力企业规划模式，不做赘述。

Mbene/N分析法通过收益与成本的比值作为评估规划项目的选取依据。除了电力企业供电业务范围内的项目，只有当项目的企业收益超过投资成本时，项目才能通过审批。当项目的Mbene与N的比值越高，意味着项目单位成本的收益越高，对企业降低成本、提高效益有利，因此越容易通过审批。但这种项目评估方法无法适用于定额预算情景，Mbene/N可以保证成本最低，但无法实现在限定的预算下投资回报最优。Mbene与N的增量比ΔMbene/ΔN方法是基于收益的增量与成本的增量的比值进行项目评估，ΔMbene/ΔN实质上是Mbene/N的边际比。ΔMbene/ΔN被证明是有效的减小预算的工具，使得单位投资的可靠性最大化，可以选择一个合适的选项而不是一个更便宜的选项[22-24]。

ΔMbene,j/ΔNj=

(Mbene,j-Mbene,j-1)/(Cpre,j-Cpre,j-1).

(10)

式中：ΔMbene,j为当前第项目j与相邻项目j-1(比之前项稍差选项)的收益Mbene的差值；ΔN,j为当前项目与相邻项目的初始成本Cpre的差值。

4 新型配电网规划方法流程

基于双Q的新型配电网网格化规划方法流程如下：

a)在供电区域划分基础上，进一步细分形成供电区域、供电网格、供电单元三级网络。

b)对于单个网格，选取合适的可靠性量化指标，根据总体可靠性目标，制定网格的可靠性目标。

c)针对每个网格的现存问题，制定新建或改造项目的备选规划项目，建立全寿命周期成本模型。

d)对各网格所有的备选项目的成本和效益进行估算，并且采用ΔMbene/ΔN方法进行评估。

e)将所有网格的备选项目依据ΔMbene/ΔN值排序，结合规定的预算限额，统筹各网格选出最佳的规划项目组合。基于双Q的新型配电网网格化规划流程如图3所示。

图3 基于双Q的新型配电网网格化规划流程Fig.3 Novel grid planning procedure based on double Q theory for distribution network

5 实例验证

某电力公司A类供电区域应用了该新型配电网网格化规划方法，该A类供电区域分为2个网格。首先针对每个网格制定的规划项目进行评估，然后基于每个网格规划项目所有方案的评估结果进行方案优选。

5.1 单个网格规划项目评估

选取某电力公司A类供电区域的2个网格，阐述项目对应的备选规划方案采用ΔMbene/ΔN的方法进行评估。网格1处于规划建设区域，负荷增长较为迅速，为满足供电需求和供电可靠性目标，需要新建线路来解决网格现存的问题，新建规划项目有4个备选方案，方案依据ΔMbene/ΔN的评估结果进行降序排列；网格2处于规划建成区域，为进一步提升供电可靠性，可通过改造线路来解决网格现存的问题，改造规划项目有5个备选方案，并依据ΔMbene/ΔN的评估结果进行降序排列。

5.1.1 新建规划项目

方案1中，ΔMbene/ΔN=5.6，表示该方案每花1元就有5.6元收益(以此类推)；方案2中，ΔMbene/ΔN=5.4；方案3中，ΔMbene/ΔN=2；方案4中，ΔMbene/ΔN=0.9。 网格1新建规划项目ΔMbene/ΔN评估结果见表1。

5.1.2 改造规划项目

方案1中，ΔMbene/ΔN=2.6，表示该方案每花1元就有2.6元收益；方案2中，ΔMbene/ΔN=2；方案3中，ΔMbene/ΔN=1.3；方案4中，ΔMbene/ΔN=1.2；方案5中，ΔMbene/ΔN=0.2。网格2改造规划项目ΔMbene/ΔN评估结果见表2。

表1 网格1新建规划项目ΔMbene/ΔN评估结果
Tab.1 ΔMbene/ΔNevaluation results of new planning project for grid 1

方案描述预期ηSAIDI/h初始投资成本/万元运行维修费用/万元停电损失费用/万元总成本/万元收益的增量/万元成本的增量/万元ΔMbene/ΔN0维持现状8 760110 257110 2571112大主干线6185211454411 0361855.62335大主干线3190201274182755.43690大主干线32081742640836182.04811大主干线1253130038312130.9

表2 网格2改造规划项目ΔMbene/ΔN评估结果
Tab.2 ΔMbene/ΔNevaluation results of renovation planning project for grid 2

方案描述预期ηSAIDI/h初始投资成本/万元运行维修费用/万元停电损失费用/万元总成本/万元收益的增量/万元成本的增量/万元ΔMbene/ΔN1仅修复最重要的环节10.530714714878302.62更换开关7.240653614120102.03更换主干线6.251572813617131.34更换主变4.270551614121171.25全面更换1.015053020311700.2

5.2 规划方案制定

为验证新型规划方法的有效性，同时采用新型规划方法和传统规划方法进行规划方案制定。

5.2.1 新型规划方法

网格1和网格2所有的项目按照ΔMbene/ΔN比降序排列结果见表3，最右侧增加了1列累计投资成本。假设投资预算为250万元，规划人员只需要按照表3的2个网格总体评估结果，从上向下逐个方案找，直到累计投资成本超过预算。寻找最优规划项目组合的过程如下：

a)投资28万元在网格1的方案1上，累计投资成本为185万元，总收益为1 036万元。

b)将网格1的方案1升级为方案2，累计成本为190万元，总收益1 063万元。

c)投资30万元在网格2的方案1，累计成本220万元，总收益1 141万元。

d)将网格1的方案2升级为方案3，累计成本238万元，总收益1 177万元。

e)将网格2的方案1升级为方案2，累计成本248万元，总收益1 197万元。

由于项目投资预算是250万元，下一步的累计成本已达261万元，因此选择过程结束。最终的优化规划项目组合： 对于网格1，选择方案3，初始投资成本为208万元，收益为1 099万元； 对于网格2，选择方案2，初始投资成本为40万元，收益为98万元。2个方案总投资成本为248万元，总收益为1 197万元，预期SAIDI平均值为5.1 h。

表3 各网格规划项目ΔMbene/ΔN总体评估结果
Tab.3 General ΔMbene/ΔNevaluation results of all grid planning projects

网格方案描述预期ηSAIDI/h初始投资成本/万元全寿命周期成本/万元收益的增量/万元成本的增量/万元ΔMbene/ΔN累计投资成本/万元11112大主干线6.018544110361855.618512335大主干线3.01904182755.419021仅修复最重要的环节10.53014878302.622013690大主干线3.020840836182.023822更换开关7.24014120102.024823更换主干线6.25113617131.326124更换主变4.27014121171.227814811大主干线1.025338312130.929125全面更换1.015020311700.2361

表4 传统规划方法项目总体评估结果
Tab.4 General ΔMbene/ΔNevaluation results of all planning projects by using traditional method

5.2.2 传统规划方法

用传统的规划方法进行项目选择，网格1和网格2所有的项目按照预期SAIDI值降序排列见表4。

为达到同样的可靠性水平，规划人员只需要按照表4的项目总体评估结果，从上向下1个1个方案找，直到累计投资成本超过预算。寻找最优规划项目组合的过程如下：

a)投资30万元在网格2的方案1上，累计投资成本为30万元，总收益为78万元。

b)将网格2的方案1升级为方案2，累计成本40万元，总收益98万元。

c)将网格2的方案2升级为方案3，累计成本51万元，总收益115万元。

d)投资185万元在网格1的方案1，累计成本236万元，总收益1 151万元。

e)将网格2的方案3升级为方案4，累计成本255万元，总收益1 172万元。

由于项目投资预算是250万元，步骤e)的累计成本已达255万元，因此选择到步骤d)第4步结束，累计成本236万元。最终的优化规划项目组合为：对于网格1，选择方案1，初始投资成本为185万元，收益为1 036万元；对于网格2，选择方案3，初始投资成本为51万元，收益为115万元。

2个方案总投资成本为236万元，总收益为1 151万元，预期SAIDI平均为6.1 h。传统规划方法选出来的方案比新型规划方法选出的方案投资少了12万元，总收益少了46万元，预期SAIDI多了1 h。显然在投资限额固定的情况下，新型配电网规划方法得到了供电可靠性更高的方案。

若为了和新型规划方法达到相同的可靠性水平，则到步骤e)选择过程才结束，最终的优化规划项目组合为：对于网格1，选择方案1，初始投资成本为185万元，收益为1 036万元；对于网格2，选择方案4，初始投资成本为70万元，收益为136万元。

2个方案总投资成本为255万元，总收益为1 172万元，预期SAIDI平均为5.1 h。在达到同样的可靠性水平5.1 h，传统规划方法选出来的方案比新型规划方法选出来的方案多投入7万元，总收益少25万元。显然在达到相同的供电可靠性目标时，新型配电网规划方法经济性更好。以上2个案例从规划的2个场景双重验证了新型规划方法的有效性。

6 结束语

本文提出了一种基于双Q的新型配电网网格化规划方法，改变了配电网整体规划的粗糙方式，以1种精益化和标准化的方法实现以网格为单位的配电网可靠性和经济性协调。该方法基于供电网格开展配电网规划，可灵活根据网格内用户类型和供电需求，选取系统停电持续时间或者系统停电频率作为可靠性目标，根据规划的可靠性目标制定每个网格的备选项目，建立考虑停电损失成本的项目全寿命周期成本模型，对所有网格的备选规划项目进行ΔMbene/ΔN评估，依据累计投资在预算限额内选出最优规划项目组合，实现在不同的投资水平下优选出供电可靠性水平最高的规划方案。在规划的2个场景中采用传统规划方法与新型规划方法进行方案优选，双重验证了新型规划方法在协调配电网可靠性和经济性方面的有效性。一场景是在达到相同的供电可靠性目标时，新型配电网规划方法经济性更好；另一场景是在投资限额固定的情况下，新型配电网规划方法得到了供电可靠性更高的方案。在今后的研究工作中，为更准确地估算项目的成本和收益，需要建立更加合理精细的模型。此外如何协调各网格的可靠性目标与供电区域的总体可靠性目标仍需要深入研究，以实现达到总体目标的同时又满足供电网格内不同用户的供电要求。