配电网电缆管网的优化规划方法及其应用

焦 煜，朱艳萍

（1.国网昌吉供电公司，新疆昌吉 831100；2.新疆光大恒兴工程造价咨询有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

1 优化电力系统配电网电缆管网规划的必要性

随着社会发展和用电需求的增长，电力系统负荷逐年增加。而传统的电力系统配电网电缆管网存在供电能力不足、线路布局不合理、敷设路径冗余等问题，制约着电力系统的发展。为了解决上述问题并满足用户的用电需求，需优化配电网电缆管网规划。即在合理的布局下，设定供电网络的传输容量和电缆管线的敷设路径，以实现最优化的电能传输。同时，电缆管线是电力系统中传输电能的重要载体，因此其敷设的合理性对于电力系统的安全运行至关重要。合理规划电缆管线的敷设路径，可以减少电缆的交叉和纠缠，降低电能传输过程中的电磁干扰和能量损失，提高供电的稳定性和可靠性。此外，还可以防灾减灾，如避免电缆走廊和重要设备的相对位置过近，降低事故发生的概率，保障人员和设备的安全[1]。

2 电力系统配电网电缆管网的优化规划方式

2.1 供电容量优化规划

（1）预测负荷和分析需求。收集和分析历史负荷数据，以了解不同区域的用电负荷分布和变化趋势。此外，还需要考虑未来的经济发展情况、行业需求的变化及政府政策的影响等因素。通过精确的负荷预测和需求分析，确定不同时间段的最大负荷峰值和潜在的用电增长趋势。

（2）确定供电容量需求。基于负荷预测和需求分析的结果，结合配电网的特点和约束条件，确定各个区域或节点的供电容量需求。供电容量代表着电力系统所能提供的最大供电能力。根据负荷预测，可以计算出各个区域或节点在负荷最大时的所需容量。

（3）优化规划容量。确定供电容量需求后，对配电网各节点的变电站、主干线及支线进行容量规划。这涉及选择适当的设备容量和配置方案，同时要考虑其他设备的容量匹配，如开关设备、保护装置等。

此外，供电容量优化规划还需要考虑系统的安全性和可靠性。通过潮流计算和短路计算分析电能在配电网中的传输情况和设备的负荷率。如果某个节点出现过载现象或设备负荷超过额定容量，就需要进行相应的调整和优化。例如，设计线路时需要确保线路的额定容量大于计算得到的最大潮流值，以避免线路过载[2]。

2.2 线路布局优化规划

合理规划电缆线路的布局，可以降低线路的损耗和故障风险，提高供电可靠性和灵活性。具体体现在以下几点。

（1）考虑用电负荷分布。分析不同区域或节点的用电负荷需求，以确定各区域的供电方式和电力传输路径。例如，对于高负荷密集区域，可以考虑建设独立的变电站和主干线来满足其需求；对于低负荷密度区域，可以采用支线供电方式，减少线路长度和成本。

（2）根据地理环境的特点，合理规划线路的走向和长度。例如，山区地区可能存在复杂的地形和地貌条件，需要考虑地质稳定性和施工难度，选择合适的线路走向；平原地区地势平坦，可以借助其地理优势缩短线路长度，以降低线路损耗和故障风险。

（3）城市或工业区域的土地资源紧张，需要合理安排线路的敷设路径和占地面积。同时还需要考虑环境要求，如远离居民区、保护生态环境等。基于此，选择合适的走廊或电缆通道敷设线路，以实现电力传输与环境的协调发展。

（4）将变电站、主干线、支线及末端用户连接成环状网络，以实现电力的多路径传输。这样可以减少单点故障对供电系统的影响，并提供备用路径，以确保供电的连续性。例如，当环网供电中的当某条线路发生故障时，可以通过其他路径进行电力传输，避免单点故障导致的电力中断。

（5）优化线路布局时考虑线路的电气参数匹配。通过合理选择电缆的型号、截面、长度，以及变压器和开关设备的容量匹配，可以降低线路的功耗和损耗，提高电能传输效率[3]。

2.3 敷设路径优化规划

合理选择敷设路径可以降低电缆的敷设成本和维护成本，提高电能传输的效率和可靠性。为此，需考虑以下几点。

（1）避免高风险区域。高风险区域易发生洪水、地震等自然灾害，可能对电缆的安全性和可靠性造成威胁。因此，在规划敷设路径时需要尽量避开这些高风险区域，选择相对稳定和安全的地带进行电缆敷设工作。这可以通过研究历史灾害数据、地质勘测及气象分析等手段来实现。

（2）最小化与其他基础设施的冲突。电缆敷设过程中可能会与交通、给排水等基础设施发生冲突。为了避免影响其他基础设施的正常运行和维护，应尽量避免与其交叉或干扰。这可以通过彻底进行线路走廊调查和综合规划，以及与相关部门和单位进行沟通和协调来实现。

（3）避免电磁干扰。电缆的电磁场可能会对附近的其他设备和系统产生干扰。因此，选择敷设路径时应尽量远离敏感设备和系统，减少电磁干扰的发生。

（4）减小敷设施工难度。选择相对容易施工的路径，以减小敷设施工难度，降低敷设风险和成本。

2.4 设备选型和配置优化

在设备选型和配置优化方面，需要考虑以下几方面。

（1）设备的容量匹配。根据用电负荷需求和线路长度等因素，确定变压器和开关设备的容量。合理选择设备容量可以确保用户的用电需求得到满足，避免发生设备过载或低负载运行。这可以通过分析、预测用电负荷并综合考虑未来的扩容需求和可行性研究来实现。

（2）设备的技术性能和可靠性。选择具有技术性能良好和可靠性高的设备可以提高供电系统的稳定性和可靠性。例如，选择变压器时需要考虑其额定容量、绝缘等级、短路能力等技术指标，以及供应商的信誉和产品质量。对于开关设备和保护装置，也应考虑其分断能力、操作性能、故障检测及保护功能等因素。通过综合评估不同设备的技术性能和可靠性来选择最适合的设备以确保系统的正常运行。

（3）设备的购置成本、运行成本及维护成本。选择经济性较高的设备可以降低投资成本，并减少后期的运营和维护费用。这涉及设备的价格、能效、寿命等因素的综合评估。

2.5 智能化和自动化应用

通过智能感知、监控及自动化技术，可以实现对电缆管网的实时监测、管理及控制。

（1）将传感器和监测设备安装在变电站、开关设备或电缆线路等关键位置，实时监测电缆的状态和负荷信息。感器可以实时感知电缆的温度、电流、电压等参数信息，监测设备可以收集和处理传感器所获得的数据。通过采集和分析这些数据，可以及时发现异常情况并发出故障预警，这有助于后续的故障诊断和处理。

（2）利用人工智能、大数据及云计算技术实时分析和处理监测数据，可以提取有价值的信息并做出准确的判断。例如，利用机器学习算法可以对电缆故障模式进行建模和预测，实现故障诊断的自动化。同时，还可以利用数据分析的结果进行电缆管网的负荷均衡和优化调度，提高供电系统的运行效率和稳定性[4]。

3 优化方法的应用

3.1 案例概况

在某城市的配电网规划中，根据未来10 a 的用电负荷预测，预计该地区的最大负荷峰值将达到300 MW。为了满足这一需求，首先进行了供电容量规划，选择了容量为800 MW 的变电站，并在关键位置建设了10 kV 主干线，以及与之连接的20kV 支线。

3.2 具体优化

3.2.1 对线路进行布局

为了提高电力系统的可靠性和降低电力损耗，采用环网供电方式和最优路径算法进行线路规划。

（1）将主干线和支线形成一个环状结构，采用环网供电方式。通过这种布局，当某一线路发生故障时，可以通过其他路径传输电力，确保了供电的可靠性。选择了4 条主干线（编号为L1、L2、L3、L4）和8条支线（编号为S1～S8），这些线路经过合理连接和配电，形成了一个环状结构。

（2）利用最优路径算法分析线路的走向和长度，以进一步降低电力损耗。通过最优路径算法，确定了各线路的最佳走向和长度。例如，基于电缆型号为T-200的高压电缆的电阻和导纳参数，结合负荷分布情况，计算出主干线L1的最优路径为从变电站A 经过节点B 到达节点C，并进一步连接至变电站D。对于支线S1，计算结果显示其最佳路径为从节点C 出发经过节点E 到达用户终端F。

通过环网供电方式和最优路径算法，该案例中的线路布局优化实现了电力系统的可靠供电和降低电力损耗的目标。同时通过优化线路的走向和长度，电力损耗得以最小化，提高了供电效率和经济性。这样的线路布局方案旨在满足用户用电需求，优化电力系统运行，提升供电质量[5]。

3.2.2 敷设路径的设计

综合运用GIS（地理信息系统）技术，结合灾害风险区和基础设施分布等因素进行分析，以降低电缆敷设过程中的风险和成本。具体如下。

（1）利用GIS 数据确定洪水、地震等灾害风险区域，并将其考虑到敷设路径优化中。通过分析历史洪水数据和地震地质特征，确定具体的风险区域。在规划过程中，发现配电网区域存在洪水风险区域，因此，根据该区域的洪水深度和频率等数据制作了相应的GIS图层。基于这些灾害风险数据，结合电缆敷设的需求，在GIS 平台上进行路线规划和分析。利用GIS 工具找到避开洪水风险区域的最佳路径，确保电缆不会被洪水侵蚀。例如，在敷设主干线L1的过程中，使用GIS数据分析确定了一条远离洪水风险区的路径。

（2）考了基础设施的分布，如交通、给排水等情况。通过分析GIS 数据，确定地下给排水管道的位置，并避免与其相交。例如，在敷设支线S1的过程中，发现给排水管道位于节点E 附近，便通过GIS 工具进行路径规划，避开了该区域的给排水管道，从而确保了电缆敷设的顺利进行。

3.2.3 设备的选型与配置

对设备选型和配置进行了优化，选择了型号为T3000的100 MW 变压器，并将其合理配置在变电站中，以满足电力系统的需求并提高系统的可靠性和能效。考虑变压器的传输损耗和运行效率等因素，通过理论计算和仿真模拟，确定变压器的最佳位置和连接方式。例如，将T3000型变压器配置在变电站的主干线路L1的末端，以确保电力输送的稳定性和效率。同时还对变压器进行了冷却系统的设计，以保证其在运行过程中的正常工作温度，减少能耗并延长使用寿命。此外，在设备选型和配置优化中，还选择了具有智能保护装置的开关设备。其中，型号为S200的智能开关可以实时监测电流和电压，并利用先进的保护算法对故障进行精确定位和快速切除。这样的智能开关能够提高供电系统的可靠性和安全性，减少故障对系统的影响。

3.2.4 智能化和自动化技术的引入

在主干线L1连接点A 处安装温度传感器，可以实时测量并记录电缆的温度变化。在支线S1连接点E 处安装电流传感器，用于实时监测电流值。之后，利用智能分析系统对传感器数据进行实时分析和处理，分析历史温度数据和环境因素，从而预测电缆的温度趋势，并生成预警信息。例如，当温度超过预设阈值时，系统会自动发出警报，并向操作人员提供相关信息。另外，利用智能分析系统进行电缆管网的状态监测和故障诊断。通过对电流传感器和压力传感器的数据进行实时分析，系统能够判断电缆是否存在过载或其他异常情况。当电流超过设定阈值或压力异常时，智能分析系统会自动发出警报，并提供故障诊断结果，帮助操作人员快速采取适当的措施。在远程监控系统的应用方面，当智能分析系统检测到电缆温度过高时，自动化系统可以自动调节附近的冷却装置，降低温度，以避免电缆过热。此外，还可以通过远程操作系统实现对开关设备的远程控制和保护操作。

4 结束语

优化规划方法能够显著提高电力系统配电网电缆管网的供电能力和运行效率。具体来说，合理的线路布局和敷设路径设计可以降低能源消耗，提高系统的可靠性；适当的设备选型和配置优化可以提高系统的技术经济指标；智能化和自动化技术的引入可以进一步提升系统的管理和运行水平。因此，优化规划方法在电力系统配电网电缆管网的应用具有重要意义，并有望为电力行业的可持续发展提供有力支撑。