探究数字化电网技术在电网规划设计中的应用

关淇中

（广东电网有限责任公司阳江供电局）

0 引言

在数字化电力基础设施建设逐渐深入的背景下，其灵活性、 经济性优势更加突出。数字化电网技术的应用转变了传统电网规划设计模式， 提升了整体电网的智能化、 信息化水平。为直观、 清晰地展示相关信息， 文章设计了一种数字化电网设计平台， 充分发挥GⅠS 技术、 三维可视化技术以及计算机技术优势， 为相关人员电力设施规划、 数据查询等提供技术支持，弥补传统技术手段的不足， 为电网规划设计技术创新奠定基础。

1 电网规划设计的主要思路与关键技术

1.1 主要思路

电网规划设计是城市建设的重要组成部分， 因此其规划设计过程需要以城市发展规划为基础， 综合考量城市电网建设目标以及相关战略， 保证电网规划设计与城市发展需求相适应。在实际开展电网规划设计过程中， 应对不同时间段的负荷及负荷变化情况进行细致分析， 优化电网设计， 进而保证足够的供电能力[1］。具体来看， 基于城市发展需求及电网规划设计理论进行规划设计工作， 其主要流程如图1 所示。结合图1 内容可以看出， 首先应分析电网应用现状， 获取电网电压数据、 线损数据、 线路负载率等； 在此基础上进行用电负荷预测， 包括总量负荷预测以及空间负荷预测； 综合预测结果开展变电站布点规划、 网格结构规划以及线路路径规划等； 最后进行配网评估并生成规划报告， 进而为相关决策提供依据。

图1 电网规划设计流程

1.2 关键技术

1） 负荷预测

负荷预测的主要目的是获取电力负荷大小与结构的关系进而得到整体电力系统的承载力水平。系统运行期间， 电力负荷受到多种因素影响呈现出不稳定性特点， 因此在进行负荷预测计算中往往涉及到较大的计算量。技术人员应实现多种计算方法综合应用， 同时找到最佳方法提升预测计算的准确性与可行性。现阶段， 常见的电力负荷预测方法包括时间序列法、 电力弹性系数法等， 不同的方法特点不一， 技术人员应根据具体需求选择适合的算法。负荷预测是整体电网规划设计的基础技术与重要组成， 对整体规划设计的准确性起到直接影响。这也对技术人员提出较高要求， 应在明确电网实际情况的基础上进行分析计算。

2） 网架结构优化

电网规划设计中常见的界限划分模式包括T型接线、 双回辐射型接线等， 这两种方法均具有形式简单但灵活性不足的特点。同时， 常见的配网网架结构包括单辐射模式以及架空线多分段两联络等， 灵活性较强。在这样的情况下， 可以通过确定主网、 配网连接方式来优化网架结构。随着我国电力系统建设水平的提升， 网架结构接线模式得到进一步优化。

3） 电网规划评估

电网规划评估主要是对电网规划设计可行性进行评价的过程， 以规划设计方案为基础， 得出整体规划设计的可行性。在此过程中， 电网规划设计评估应注重全面性， 对电网供电水平、 线损情况以及安全性等进行综合评价。通常情况下， 电网规划评估会用到容载比公式等。其中容载比是反映电网供电能力的重要指标， 是在满足供电可靠性基础上电网变电容量（kⅤA） 与对应负荷 （kW） 的比值， 其公式表示为：

式中，Rs表示的是容载比 （kⅤA／kW）；K1表示的是负荷分散系数；K2表示的是平均功率因数；K3表示的是变压器运行率；K4表示的是储备系数。

根据计算结果， 若电网容载比较高， 说明整个电网经济效益较低， 需要对规划设计方案进行调整。

2 数字化电网技术的应用

2.1 整体架构设计

利用数字化电网技术搭建数字化电网设计平台，可以将GⅠS 技术、 三维智能建模技术、 可视化技术等与输变电工程相关技术结合起来， 通过构建三维虚拟场景为电网设计、 评审工作提供支持[2］。

1） 硬件架构

数字化电网设计平台硬件架构包括：

（1） 网络服务器。负责对网络需求进行响应处理；

（2） 数据库服务器。负责GⅠS数据及输变电工程数据的存储和调度， 调度指令以及外部需求的接受与处理， 并通过显示器进行显示。

（3） 客户端。负责发送用户指令。

（4） 投影显示器。负责数据内容展示。

2） 软件架构

数字化电网设计平台软件架构如图2所示。

图2 数字化电网设计平台软件架构

结合图2 内容可见， 软件架构包括横向数据流与纵向算法层， 其中横向数据流完成数据输入、 算法处理与成果输出展示的过程， 技术人员可以向正射影像、 高程数据等信息上传至数字化平台， 由平台进行处理识别， 判断风险因素， 并生成相应的电网设计方案。而纵向算法层则可以实现风险识别、 自动选线、计算放样等复杂功能。

2.2 数据设计

数字化电网设计平台底层数据结构涉及到海量的数据信息， 在明确数据类型的基础上， 发挥大数据存储的辅助作用， 为电网规划设计计算、 分析与模拟提供数据参考， 同时实现电网交互式设计与可视化展示[3］。GⅠS 技术应用期间， 应充分明确基础数据类型， 包括地理信息空间数据、 影像数据、 属性数据以及三维模型数据等， 为后续数据测量、 模拟、 分析提供支持。而专题数据则分为电网数据以及外部数据，其中电网数据包括电网规划设计详细参数、 电网建设情况、 变电工程、 线路工程等， 为后续的规划设计和评审提供依据， 外部数据包括人口、 环境、 交通、 资源等数据。平台具体的数据类型如表1所示。

表1 数字化电网设计平台数据类型

2.3 配电站规划选址模型

在进行配电变电站规划的过程中， 应确保在符合负荷大小及供电可靠性的前提下实现投资量最小化，进而明确配电变电站位置、 容量、 结构等参数。为提升选址规划的准确性， 首先需要划分网络负荷区域，明确变电站与区域之间的联系， 保证模型的设定可以更符合实际需求， 其模型表示为：

综合上述公式来看，FREcost为变电站与源负荷间线路投资；CRQcost为配电变电站与源负荷间线路每年的运行费用；Zdl为地理因子；G为区域划分数量；Cg为区域负荷数量；Pf为f 有功功率；dref为负荷e 与负荷f 的距离；dpik为不适宜建站区域的中心距离；daim为适宜建站区域的中心距离。具体模型求解的方法如图3所示。

图3 模型求解流程

3 电网数字化流程

根据平台对参数的分析情况来看， 数字电网平台可以自动生成电网平面设计图， 并构建出相应的三维模型， 具体的流程如图4 所示[4］。通过平台系统可以对电网规划设计进行验证， 起到提升设计合理性、 节约用地、 减少投资的作用。

图4 数字化电网设计流程

1） 三维模型搭建

以电网设计平面图为基础， 对变电站、 电源类型、 电压等级等信息进行规划标注， 在模型库中选择符合要求的模型类型， 若没有符合要求的模型， 则需要由技术人员手动完成三维模型搭建。

2） 输电线路设计

数字平台在给出规划设计方案以后， 可以根据三维数字模型、 线路接线方式等绘制虚拟输电线路， 并标注出相应的变电站、 电源点等， 同时实现线路与变电站、 线路与电源点等环节的接线工作， 保证可以将规划设计直观显示出来。

3） 系统验证与风险识别

系统验证与风险识别过程主要是指根据平台展示结果判断各电气设备布置的合理性， 保证线路的位置、 方向可以直观展示。与此同时， 还可以从项目选址、 线路用地等角度入手加以分析， 保证电网规划设计方案的科学性与可行性。

4 数字化电网技术在电网规划设计中的应用案例

采用数字化电网技术设计电网三维模型， 明晰其中的线路布置。并且在应用过程中， 借助数字地球对动画渲染技术的支持， 定制电网主网框架。

4.1 搭建数字化平台

在计算机技术的辅助下， 构建地理信息数据， 规划电网设计成果， 并通过三维展示平台， 对电网模型进行风险识别和系统验证。在系统平台中， 涵盖了卫星影像以及高程数据， 在此强大的数据引擎支持下， 对建设电网的数据进行调度， 以便能够丰富三维设计控件，提升电网规划和设计的精准度。同时， 在进行设计过程中， 采用数据共享以及协同作业的方式， 完成对数据成果的二次加工， 提升电网规划的数字化程度。

4.2 设计输电线路

对三维输电线路进行设计， 首先， 需要在系统设计窗体内部输入所要应用的设计参数， 并借助于系统主窗体系统中的双击功能， 对线路分布图进行绘制， 在双击一次后， 获得一级杆塔， 待至系统绘制结束， 利用系统功能生成三维输电线路分布图， 以便保证线路设计分布的精准性和合理性。

4.3 可视化模拟校验

在对电网进行验证的过程中， 还需要借助携带定制开发分析功能的空间分析系统， 对设计结果进行验证， 以便保证设计结果的准确性。同时， 在对电网进行设计时， 需借助三维可视化技术， 对电网设计结果进行全方位地展示， 实现对于电网设计结果的校验以及可视化模拟， 以便保证设计结果的合理性。在设计三维杆塔模型的过程中， 需要与数字地面模型进行比对， 模拟输电导线在风中的摆动状态以及静止时所处的位置， 以便实现对电气间隙的模拟和校验。在空间分析功能的帮助下， 其能够有效模拟电网线路在工程中的交叉跨越间隙， 并对导线小弧垂进行计算， 掌握铁塔间隙以及跳线对铁塔间隙的数值， 从而定位导线对于地面风向的控制点， 降低电网线路设计数据获取的难度。

5 结束语

综上所述， 数字化电网技术在电网规划设计中起到重要作用， 技术人员在电网规划实践中应加强对相关技术的重视， 通过深入分析实现相关关键技术的落实。通过搭建数字化电网设计平台， 可以从硬件与软件架构、 数据类型设计、 大数据调度、 配电站规划选址等方面入手， 实现数字化电网技术的综合应用， 提升电网规划设计水平， 进一步通过GⅠS技术实现数据查询、加工与存储， 为后续电网设计与运行提供有利条件。