分布式电网框架多目标投资规划研究

王静怡,李国文,吴 霜,程 曦

(国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏 南京 210008)

当前我国大中城市的分布式电源微网网架规划基本思路是，以构建3～4个电源的小环网为主，以拉手线路和双线路专线为辅。在城市区域内设置足够密集但不过多冗余的民用10 kV分布式变压器接入箱，供市民进行高压侧10 kV直接接入或低压侧400 V接入[1]。

分布式电源微网布局一般依据以下原则[2-3]：1)不同线路相邻接入箱之间管廊间距或道路间距一般不超过500 m，相同线路相邻接入箱之间的管廊间距一般不超过1 000 m，即确保任何地点接入用户的两线路入户线缆间距不超过1 500 m；2)每个接入箱的10 kV接入能力一般不低于9 MW，400 V接入能力一般不低于3 MW，重点位置的10 kV接入能力一般不低于15 MW，重点位置接入箱的布局应适当加密[4]；3)为适应智能电网对电力一次系统的要求，接入箱应具备双向供电能力和分时供电能力；4)除基本的差动、过流、负荷保护外，接入箱应具备基本的浪涌抑制、无功补偿、电能计量等功能。

传统的网架优化策略中，很少同时顾及投资效益和社会效益[5]。在进行新线路规划或线路升级规划时，应满足城市整体的配电网架规划策略要求，并进行电源微网网架多目标规划分析研究。本文以某三线城市为例，重点探讨了其环线微网规划过程中的电网微网网架多目标规划，并以社会效益和投资效益最大化为目标给出了具体的优化方案。

1 线路中的接入箱实现模式

实现电源微网核心功能的组件是分布在城市中的电源接入箱，电源接入箱向智慧城市的智能电网提供10 kV和400 V的分布式接入点，同时对接入的电能质量进行管理，并对所有接入者的电能消耗量进行计量[6]。分布式电源接入箱结构示意图如图1所示。

图1中，接入箱主要有5个功能：1)在环线或拉手线路中取电，形成箱内10 kV母线；2)维护至少1台10/0.4变压器，形成400 V母线；3)在10 kV母线上提供一套包括供电能质量管理无功补偿系统、浪涌抑制系统、电压及负荷管理系统等的系统，最低配接入箱应至少提供分布式浪涌抑制系统；4)提供10 kV和400 V的接入点，每个接入点都应配置智能电表用于单用户的电能计量；5)所有相关设备的一次、二次接地，信号接地及信号整合，都应按照规程进行部署。每个接入箱均是一个缩微版的10 kV变电站，变电站中应有的功能在接入箱中均应进行部署。

图1 分布式电源接入箱结构示意图

一般一、二线城市纵、横向跨度为15～20 km，三、四线城市为8～10 km，如果按照1 km网格进行接入箱布局，一、二线城市在400个左右即可满足工程要求，三、四线城市在100个左右可满足工程要求。而如果按照500 m网格进行接入箱布局，一、二线城市则需要1 600个接入箱，三、四线城市需要400个接入箱。一般环线供电模式下，每条环线可布置40～60个接入箱，拉手线路模式下，每条拉手线路可布置20～30个接入箱[7]。以三线城市为例， 以500 m网格进行规划，其至少需要4～6条环线和5～8条拉手线路，方可实现城区内10 kV的配电微网格局。一般三线城市中，110 kV电源站的数量为5个，35 kV电源站的数量为10个，电源站数量满足该微网布置需求[8]。

2 基于电力GIS的电源微网规划目标

2.1 个案电网基本情况

地理信息系统(geographic information system,GIS)存储着高清地图，并整合、叠加了多种相关信息。某新晋三线城市，城区东西走向为13 km，南北走向为8 km，在其西北、西南各有一个省级工业开发区，城市总规模东西走向为18 km，南北走向为16 km，骨干道路形态在GIS中的表现如图2所示。

图2中，该城市西侧及北侧分别有1条高速公路汇入，城市中心有1条国道贯穿城区，另有3条省道连接相邻城市。城区常驻人口220万，城区内有6个110 kV变电站作为城区主要电源站。6个110 kV变电站中，2个位于开发区，为2000年后建设，1个位于城北，为20世纪60年代建设的干线变电站，另外3个位于主城区内，在1980年—1990年建成。城市主要居民区位于主城区内，城西北省级高新技术开发区主要为商业办公集群，城西南开发区为工业开发区，主要为轻工业厂区。根据供电峰值分布情况，主城区峰值时段为18:00—23:00，城北开发区峰值时段为9:00—17:00，城南开发区无显著峰值。城区内日用电负荷稳定在270～450 MW。

图2 某市城区GIS示意图

2.2 电源微网的状态

该市城区内已经建成35 kV变电站25个，早期建成拉手线路92条，多通过分布式SF6断路器对用电单位形成10 kV接入，接入点多根据用户申请进行单项工程搭建，分布较为混乱。近5年来，城区开始实行两项10 kV技术改革措施：

1)对拉手线路进行升级，形成城区的多电源环形线路。当前城区内已经建成3电源以上环形线路16条。根据远期规划，城区内会建成29条3电源以上环形线路，配合部分拉手线路，形成10 kV的骨干网络。

2)在城区中布局一体化10/0.4电源接入箱，替代以往线路中分布的SF6断路器。目前已经建成接入箱45个，替代分布式SF6断路器172个。远期规划建设接入箱470个。

2.3 电源微网的建设目标

为了充分支持智慧城市建设，该市“十四五”内要完成如下10 kV电源微网的网架建设目标[9-10]：

1)实现全部接入点的电源箱接入。根据计算，为实现500 m网格的10 kV电源接入箱建设，确保不同线路相邻接入箱间距小于500 m，城区需要建设电源接入箱470个，分布在至少29条环形线路上。

2)35 kV变电站的升级改造。早期因为规划理念相对落后，在城区中建设的25个35 kV变电站略有冗余，应予以技术改造升级，实现容量扩充和远程倒闸，作为10 kV用电微网网架的主要电源支持使用。

3)智能电网与状态检修功能实现。对当前35 kV变电站及10 kV线路，加强状态监测功能和数据分析功能建设，实现微故障自动切除、自动报警并确保状态故障得到及时检修。

3 微网网架规划的基本算法

因为电网管理机构已经企业化运行，所以在电网微网网架优化过程中必须考虑到投资效益。故研究微网网架优化的投资效益评价模型，提升评价模型的计算效能，是投资决策评估的工作重点。本次微网网架规划属于非负荷需求驱动的纯技术革新规划，即技术改造前后，城市的基础负荷需求及负荷分布并不发生变化。微网网架规划的核心目的是提升微网网架的可靠性、稳定性、安全性，即通过本次微网网架规划，淘汰计划停电检修的做法，实现10 kV网络的全年不停电运行。因此，采用基于节点重要性算法的规划模式，在已有10 kV线路的基础上，对其进行线路延伸和电源接入量扩充。

基于电源接入箱周边半径500 m范围内的当前用电负荷均值、用电人口、用电峰值、用电峰值持续时间等要素，构建CLASS因子，形成电源接入箱的类模型，详见表1。

表1 电源接入箱要素的CLASS因子分解量化表

表1中，对上述4个要素根据线性投影法给出1～5的量化赋值，其本质是数值的去量纲。假定针对特定电源接入箱，其500 m半径内有N个用电用户，则电源接入箱的CLASS类模型S可表示为：

(1)

式中：Ai,Pi,Mi,Ri分别为第i个用户的用电负荷均值、用电人口、用电峰值、峰值持续时间；ui,vi,wi,ri分别为第i个用户的用电负荷均值、用电人口、用电峰值、峰值持续时间的累加矫正权重值。

假定线路中部署X个接入箱，对相邻两个接入箱的网络区间进行赋值，可以得到：

(2)

式中：Bi为针对第i个接入箱至第(i+1)个接入箱之间的线路区间赋值结果；Si为第i个电源接入箱根据式(1)计算得出的类模型结果；α为该区间的矫正系数；Li为第i个接入箱到第(i+1)个接入箱之间的线路长度。

采用加权平均法评价X个接入箱全部部署后电网的实际服务状态，可得公式(3)：

(3)

式中：K为该模型最终评价结果；L为待评价线路的总长度；ei为第i个区间的评价矫正权重。

4 评价模型的仿真实证分析

本文的案例中需要讨论29条环线的规划方案，限于篇幅，仿真实证分析只分析其中2条环线的方案。原始方案为包括基于SF6断路器接入点的方案，新的规划方案中，每条线路均给出了3种方案，每种方案均可保证形成500 m网格的电源接入。仿真环境为SimuWorks软件网络仿真工具包。线路1、2的仿真结果详见表2和表3。

表2 线路1方案仿真结果对比表

表3 线路2方案仿真结果对比表

由表2可知，在25 km线路中部署60个电源接入箱的电源服务方案A，最终得分为14.32，是原始方案的6.09倍，且高于方案B和方案C；由表3可知，在31 km线路中部署70个电源接入箱的电源服务方案B，最终得分为17.39，是原始方案的10.29倍，且高于方案A和方案C。由此可见，该评价模型具有以下特点：

1)对过度冗余、分散的方案，其评价得分较低，即该模型可以有效排除线路中大量部署接入点的方案。

2)在对总接入点数量的评价中，该模型并非单纯选择接入数量最小的方案，而是充分考虑了每个接入点的服务能力。如在线路2方案的选择中，该模型没有选择60个接入点方案A，而是选择了70个接入点方案B。

在本文案例城市中，该模型针对线路1实际选择的方案，每区间的线路间距约为417 m，针对线路2实际选择的方案，每区间的线路间距约为443 m，均为更接近500 m间距的方案，可基本认定当前规划在城市中构建了500 m网格。

5 结束语

本文以入户线路间距为控制变量，基于当前用电负荷均值、用电人口、用电峰值、峰值持续时间等要素进行了微网网架规划并建立了投资效益评价模型，根据该模型评价结果选择的城市电源微网网架规划方案提高了智能电网的可靠性、稳定性、安全性，淘汰了计划停电检修的做法，可实现10 kV电网的全年不停电运行。