一种计及中压转供和接线组划分的高压配电网规划方法

1.本发明涉及配电网规划领域，尤其涉及一种计及中压转供和接线组划分的高压配电网规划方法。


背景技术：

2.作为我国最重要的基础产业之一，电力行业的快速发展是国民经济稳定提升的基石，是人民生产生活强有力的保障，作为最接近用户侧的部分，配电网应能向用户提供优质可靠的电能，并且在系统中任一元件因检修或故障停运时，承担负荷转移转供的任务。高压配电网通常指35kv～110kv电压等级的配电网，作为即能从上级输电网接受电能，又能向中压配电网提供电能的中间环节，在配电网中具有重要地位。据统计，在全国范围内，经由高压配电网输送给用户的电量占总发电量的85％，因此，高压配电网的科学合理规划对保障电网的可靠、经济、安全运行，满足电力需求，提高电网的社会效益和经济效益有重要意义。
3.目前国内外针对配电网网架结构规划领域已有一定的研究，一些研究提出了以配电网整体建设运行费用最小为目标的优化模型和基于启发式方法的求解方法；一些研究提出了针对配电网的精细化网格化规划方法。然而，当前研究存在以下几个问题：第一，故障发生后只考虑本层级的负荷转供，未能考虑到下级网络的支撑作用，导致规划区域出现备用容量大，设备利用率低和经济性差等问题；第二，基于网格化、基于供电单元划分的精细化规划方法多用于中压配电网，缺少在高压配电网网架结构规划中的应用研究。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于接线组划分并计及中压侧转供能力的高压配电网网架结构优化规划方法，用来解决目前配电网分层规划所导致的备用容量大，设备利用率低和经济性差等问题以及高压配电网缺乏精细化规划研究的问题。
5.具体的，计及中压侧转供能力和接线组划分的高压配电网网架结构优化规划方法包括：
6.(1)基于适配典型接线模式情况的110kv变电站初步分类；
7.(2)基于变电站初步分类情况和高压接线模式特征的针对高压配电网的接线组划分方法；
8.(3)计及中压侧转供能力情况的不同故障类型下的主变停电时间分析；
9.(4)以接线组建设运行投资年费用最小为目标，建立计及中压侧转供能力的接线组内部网架结构优化规划的数学模型；
10.(5)基于高压配电网供电约束的高压配电网整体网架结构的组合优选方法。
11.所述步骤(1)基于适配典型接线模式情况的110kv变电站初步分类，具体包括：
12.1)分析高压配电网典型接线模式对主变数量和出线类型的要求；
13.2)根据规划区域的现状分析和负荷预测，确定目标年110kv变电站的出线类型和
主变数量情况，得到110kv变电站的可选高压典型接线模式情况；
14.3)将可选高压典型接线模式情况相同的变电站归为一类。
15.所述步骤(2)基于变电站初步分类情况和高压接线模式的针对高压配电网的接线组划分方法，具体包括：
16.1)建立初始邻接矩阵a和电源连接矩阵ss17.对作为光伏电站待选接入位置的110kv变电站节点，应在邻接矩阵中增加一个接入光伏电站后的虚拟节点，虚拟节点的位置、主变配置以及邻接关系等性质都与原节点相同，但包含虚拟节点的接线组的电网结构、潮流分布、线路损耗等均可能发生变化。
18.初始邻接矩阵a为表示上级电源与110kv变电站以及110kv变电站节点之间可行候选通道的方阵。
19.a＝[a
i1j1
]n×n，i1,j1＝1,2,
……nꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0020][0021]
定义电源连接矩阵ss为表示上级电源节点与110kv变电站节点连接关系的1
×
n阶矩阵，其中，s为上级电源节点的编号，每一个上级电源节点均对应一个电源连接矩阵。
[0022][0023][0024]
2)基于矩阵叉乘的矩阵运算
‘×’
[0025]
定义基于矩阵叉乘的矩阵运算
‘×’
，假设两个矩阵和矩阵中的元素分别为和其中，p0和q0代表元素和中包含的节点数。定义矩阵运算：
[0026][0027][0028][0029]
其中，“+”运算定义为一种
‘
和’的关系，表示全部由矩阵a0中第i0行元素与矩阵b中第j0列元素形成的新元素的集合；“·”运算表示将元素和中的节点按照先后顺序组合成一个新的元素。
[0030]
3)接线组划分方法
[0031]
①
电源连接矩阵ss和邻接矩阵as确定。根据规划区域内的高压候选通道得到电源连接矩阵ss和初始邻接矩阵a，as可由初始邻接矩阵a修改得来，其目的是避免出现节点始末倒置导致的接线组重复。将电源节点s对应的邻接矩阵as中已经完成接线组划分的前s-1个
电源节点列置零，邻接矩阵as的表达式如下：
[0032][0033]
其中，表示邻接矩阵as中第s0个电源节点与其他节点连接关系的列向量；表示邻接矩阵as中非电源节点与其他节点连接关系矩阵；m表示电源节点的数量。
[0034]
②
高阶接线组计算。k阶接线组可由去除不可行解的k-1阶辐射接线组与邻接矩阵as进行
‘×’
运算得到，包括从电源s出发到规划区域中除s节点外各个节点的k阶接线组。高阶接线组计算公式如下：
[0035][0036]
③
高阶接线组的排除与拆分。在计算中，可能出现一个110kv变电站节点在同一接线组中出现两次的情况，即重复布线或接线组内部成环，对这样的接线组进行排除得到将拆分为k阶辐射接线组k阶环状接线组和k阶链式接线组
[0037][0038]
④
完成某上级电源所在接线组划分的判断。有两个判断条件，其一是完成最高阶接线组的计算，对于链式以及环状接线模式，其最高阶数为4阶，对于辐射接线模式，其最高阶数为三阶；其二是可行辐射接线组为空。满足两个条件中的一个即可结束对该上级电源下接线组的计算，否则，返回
②
继续计算高阶接线组。
[0039]
⑤
判断是否完成所有上级电源的接线组计算，是，结束算法，否则返回
①
进行以下一电源为起始节点的接线组划分。
[0040]
所述步骤(3)分析计及中压转供能力情况的不同故障类型的主变停电时间，具体包括：
[0041]
1)高压配电网的故障停电时间根据转供通道不同，可分为三种，一是通过高压配电网中110kv线路转供和通过110kv变电站高压侧主接线进行转供，此时的停电时长为高压转供时间t1；二是通过110kv变电站在10kv侧的联络进行转供，此时的停电时长为中压转供时间t2，三是无法进行转供，需通过修复故障部分来恢复供电，此时的停电时长为故障修复时间t(x)，x为故障类型。
[0042]
2)高压转供能力的判断，包括接线组中典型接线模式分析和110kv变电站高压侧主接线形式分析，满足高压转供能力判断时，主变停电时间为高压转供时间t1。
[0043]
3)对接线组中主变中压转供能力的判断，包括供电网格中最大转供负载分析和接线组内110kv变电站归属供电网格情况分析。
[0044]
所述的接线组内110kv变电站归属供电网格情况分析具体包括：
[0045]
确定接线组内110kv变电站所属中压供电网格和所属中压供电网格的类型，情况一为接线组中的110kv变电站均位于不同供电网格中，情况二为接线组中的部分110kv变电站位于同一供电网格中，情况三为接线组中的全部110kv变电站位于相同的供电网格中。
[0046]
所述的供电网格中最大转供负载率分析：
[0047][0048][0049]
其中，为第i个接线组中第n座变电站的实际负载率；为接线组i中第n座变电站所在中压供电网格满足情况qk下中压转供要求的最大负载率；为第i个接线组中第n座变电站在情况qk下的站内联络数量，为第i个接线组中第n座变电站在情况qk下的站间联络数量，为第i个接线组中第n座110kv变电站所中压供电网格的变电站座数，在n(ni)为第i个接线组中第n座110kv变电站中主变的数量。
[0050]
接线组中第n座变电站的实际负载率小于该变电站所在中压供电网格中压转供要求的最大负载率时，变电站满足中压转供要求，停电时长为中压转供时间t2。
[0051]
4)无法转供情况下，主变停电时长为故障修复时间t(x)，不同元件故障的修复时间不同。
[0052]
所述步骤(4)建立计及中压侧转供能力和光伏电站接入的接线组内部网架结构优化规划的数学模型，具体包括：
[0053]
1)目标函数
[0054]
minciꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0055]ci
＝c
line-i
+c
k-i
+c
loss-i
+c
cost-i
[0056]
其中，ci为第i个接线组的综合投资费用，c
line-i
为第i个接线组中线路的投建设资费用，c
k-i
为第i个接线组中开关的投资费用，c
loss-i
为第i个接线组中线路损耗费用，c
cost-i
为第i个接线组中故障损失费用费用。
[0057]
①
第i个接线组中线路建设投资费用计算
[0058][0059]
其中，d为贴现率，m为折旧年限，c0为高压线路单位长度的综合造价，与接线组中所选典型接线模式和线路类型有关，m为接线组中高压候选通道的段数，为第i
l
段候选通道的长度。
[0060]
②
第i个接线组中开关投资费用计算
[0061][0062]
其中，为开关单价，nk为接线组中的开关数量，与接线组中所选典型接线模式有关。
[0063]
③
第i个接线组中网络损耗费用计算
[0064]ccost-i
＝minc
cost-i
(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0065]
[0066][0067]
其中，c
loss-i
(f)为接线组i在正常运行时选择第f个分段点时的网络损耗，ξ
max
为光伏电站的出力场景，p{
·
}表示事件概率，c
loss-i-cj
(f)为接线组i在第f个分段点下光伏电站出力情况为cj时的网络损耗，α为分段点为f时网络损耗的置信水平，β1为单位电价，β2为接线组内线路的单位长度电阻值，为第i个接线组中开断点为f时第i
l
条候选通道上t时刻流过的负荷大小，为第i个接线组中开断点为f时第i
l
条候选通道上t时刻由光伏电站引起的潮流变化量。
[0068]
④
第i个接线组中停电损失费用计算
[0069][0070]
其中，ni为接线组i中110kv变电站的数量，n(ni)为第i个接线组中第n座110kv变电站中主变的数量，nf(ni,m)为某一典型接线模式下第ni个变电站中第m个主变可能出现的故障数量，为第ni个变电站的第m个主变上在t时刻的负荷大小，c
n-m(i)
(t)为第n个变电站第m个主变在故障停电时间为t0时的单位负荷停电损失费用，t0与故障转供途径有关，为第n个变电站第m个主变发生故障g的概率。
[0071]
2)约束条件
[0072]
①
电压降约束：
[0073]
p{δu
max
≥δu
m-cj
≥δu
min
}≥β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0074]
其中，δu
m-cj
为光伏电站出力情况为cj时考虑故障转供时从一端电源供电的压降，δu
max
、δu
min
为压降的上下限约束，β为电压降的置信水平。
[0075]
②
接线组中110kv变电站的平均停电时间约束：
[0076]
max(saidi)≥saidiiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0077]
其中，saidii为变电站i的平均停电时间，max(saidi)为满足可靠性要求时的最大平均停电时间。
[0078]
③
短路电流约束
[0079]is
≤i
smax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0080]
其中，is为系统最大短路电流，i
smax
为断路器最大开断电流。
[0081]
所述步骤(5)提出基于高压配电网供电约束的高压配电网整体网架结构的组合优选方法，具体包括：
[0082]
1)将优化所得的接线组进行编号，通过整数规划的方式，将满足约束条件可行接线组组合成高压配电网整体网架结构，形成高压配电网网架结构的待选方案。
[0083]
2)目标函数：
[0084]
c＝minchꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0085][0086]
其中，ch为高压配电网整体网架结构方案h的建设运行年费用，ci为接线组i的建设
运行年费用，ωh为高压配电网整体网架结构方案h中所含接线组的集合。
[0087]
3)高压配电网整体网架结构的约束：
[0088]
①
由接线组组合成的整体网架结构应能够覆盖规划区域内全部110kv变电站，且不出现110kv变电站位于多个接线组中的情况。即满足规划区域内110kv变电站均有上级电源为其供电的要求，且不出现一座站位于多个接线组中所导致的重复供电情况。
[0089]
②
整体网架结构应能将规划区域内的全部光伏电站并入电网，且一座光伏电站只有一个并网点。
[0090]
③
整体网架结构应在计及规划区域内光伏电站不确定性的情况下，满足上级220kv变电站的容量约束和出线间隔的约束。
附图说明
[0091]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0092]
图1为高压配电网网架结构优化规划方法的整体求解流程图。
[0093]
图2为本方法实施例的高压候选通道和中压侧供电网格划分情况。
[0094]
图3为通过本文方法对实施例中网架结构的规划结果。
[0095]
图4为不考虑中压转供能力时对实施例中网架结构的规划结果。
具体实施方式
[0096]
为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。
[0097]
结合图1详细阐述本发明所提一种计及中压转供和接线组划分的高压配电网规划方法的整体求解流程，具体步骤如下：
[0098]
step1:基于适配典型接线模式情况的110kv变电站初步分类；
[0099]
step2：规划区域内变电站布点情况和高压候选通道现状分析；
[0100]
step3：建立规划区域内的初始邻接矩阵和电源连接矩阵；
[0101]
step4：基于初始邻接矩阵和电源连接矩阵通过矩阵
‘×’
运算的接线组划分方法，得到规划区域内的所有接线组；
[0102]
step5：确定接线组在计及中压转供能力情况下发生不同类型故障的主变停电时间；
[0103]
step6：建立计及中压侧转供能力的接线组内部网架结构优化规划的数学模型；
[0104]
step7：通过优化正常运行情况下选择不同开断点位置时的网络损耗费用，确定接线组的开断点和最小网络损耗费用；
[0105]
step8：结合计及中压转供能力情况下发生不同类型故障的主变停电时间，计算接线组的停电损失费用；
[0106]
step9：优化接线组在所有可行典型接线模式下的网架结构规划方案，在满足约束条件的规划方案中选择经济性最优的，并保存该方案；
[0107]
step10：判断是否完成所有接线组的网架结构优化，如完成，进行step11，如未完
成，进行step5；
[0108]
step11：通过整数规划，形成满足约束条件的高压配电网网架结构的待选方案；
[0109]
step12：对高压配电网网架结构的待选方案进行技术经济比较，确定最优的高压配电网网架结构规划方案。
[0110]
规划区域总供电面积37平方公里，最大负荷326兆瓦，通过对规划区域进行现状分析、负荷预测以及中压侧供电模型情况分析后，可得变电站的分布情况，其中220kv变电站和110kv变电站的个数分别为4和8，规划区域内有存在1座20mwp光伏电站，可通过专线接入变电站1。实施例区域为a+、a类供电区域，高压候选通道为电缆出线。图2为本方法实施例的高压候选通道和中压侧供电网格划分情况。表1为实施例内110kv变电站的基本情况。
[0111]
表1.规划区域内110kv变电站的基本情况
[0112][0113][0114]
首先，根据该区域内110kv变电站的出线类型和主变数量确定适配相同典型接线模式，将满足相应主变数量约束和出线类型约束的变电站分为一类。由于该区域内的高压待选通道为电缆通道，规划区域内变电站的个数为2台，可选择的典型接线模式包括链式接线的双链π型接线模式和单链接线模式，环状接线模式的双环和单环接线模式以及辐射状接线模式中的双辐射π型接线模式，因此，区域1中的110kv变电站可分为一类。
[0115]
根据该区域内高压待选通道的情况，形成初始邻接矩阵a与电源连接矩阵ss。
[0116][0117]
s1＝[0 0 0 0 s1 1s1 2 0 0 0 0 0 0 s1 1']
[0118]
s2＝[0 0 0 0 s2 1s2 2s2 3 s2 4 0 0 0 0 s2 1']
[0119]
s3＝[0 0 0 0 0 0 0 0 s3 5s3 6 s3 7 0 0]
[0120]
s4＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 s4 8 0]
[0121]
根据本文提出的接线组划分方法，分别以各个上级电源节点为起始点，顺序连接有联络关系的其他节点，表2为区域1内全部接线组划分情况。
[0122]
表2接线组划分情况
[0123][0124]
通过本文提出的优化方法，对各个接线组内部的网架结构进行优化，表3、4、5分别给出了辐射接线组、环状接线组和链式接线组的优化结果。
[0125]
表3辐射状接线组优化结果
[0126]
[0127][0128]
表4环状接线组的优化结果
[0129]
[0130][0131]
表5链式接线组的优化结果
[0132]
[0133][0134][0135]
将优化所得的接线组组合成高压配电网网架结构方案，通过技术经济比较，得到年费用最小的高压配电网网架结构规划方案，表6和表7分别给出了通过本方法优化所得的
最优结果和在不考虑中压侧转供能力时的具体规划情况，规划结果图3、4。
[0136]
表6本方法的网架结构规划具体结果(万元)
[0137][0138]
表7网架结构规划具体结果(万元)
[0139][0140]
对比分析可知，在传统的规划方案中，a+、a类供电区域通常采用可靠性较高的双链π型接线模式或三链π型接线模式，而本文的规划方法因为考虑了中压侧转供在故障时对高压配电网的支撑作用，当接线组中的110kv变电站在中压侧有较强转供能力时，该接线组的典型接线模式可选择可靠性较低的环网或辐射状接线模式，在满足可靠性要求的前提下，降低了高压配电网的建设运行投资费用。
[0141]
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
[0142]
上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。