一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，包括以下步骤：S1，根据城市各供电地区已有电网结构，构造多种典型电网结构；S2，选择一个供电地区，利用电网设备搭建与供电地区匹配的各典型电网结构；S3，根据各典型电网结构计算数据，分别对各典型电网结构进行可靠性评估；S4，采用可靠性成本效益分析，选择供电地区的最优电网结构；S5，返回步骤S2，直到每个供电地区的最优电网结构选择完毕。与现有技术相比，本发明计算数据合理，优化得到的电网结构具有符合城市发展特点以及供电地区用电特点，以可靠性与经济性的综合年费用评价指标作为判定标准，将投资和停电损失之和降到最低。
【专利说明】
一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种电网结构优化方法，尤其是涉及一种基于可靠性成本效益分析的 城市电网结构优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家"十二五"规划纲要对产业结构调整逐步深入，国民经济发展和人民物质 水平不断提高，社会对电力的需求逐步增长，对供电质量和供电可靠性要求越来越高。
[0003] 供电可靠性是指电网对用户持续供电的能力，是电网结构、技术装备水平和管理 水平的综合体现，其指标主要包括用户年平均停电时间、用户年平均停电次数等。在低压用 户供电可靠性统计工作普及后，可靠性指标应以低压用户作为统计单位，口径与国际惯例 接轨。
[0004] 在满足电力需求的同时，进一步提高供电可靠性既是电力用户的需要，也是城乡 电网自身发展的目标。
[0005] 合理的电网结构是满足供电可靠性、提高运行灵活性、降低网络损耗的基础。高 压、中压和低压配电网三个层级应相互匹配、强简有序、相互支援，以实现配电网技术经济 的整体最优。各电压等级配电网的主要结构如下：
[0006] (1)高压配电网结构主要有:链式、环网和辐射状结构;变电站接入方式主要有:T 接和对妾。链式结构包括三链、双链、单链，环网结构包括双环网、单环网，辐射状结构包括双 辐射、单辐射。
[0007] (2)中压配电网结构主要有:双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构。
[0008] (3)低压配电网宜采用辐射状结构。
[0009] 2014年，国网发展部组织国网经研院和部分省级公司编制了《配电网典型供电模 式》，其中定义了A+~E各类供电区域的划分及典型供电模式，并提出了相应的供电可靠性 规划目标，A+、A、B类供电区域供电安全水平要求高，110~35kV电网宜采用链式结构，并采 用双侧电源供电，条件不具备或电网发展的过渡阶段，也可同杆架设双电源供电，但应加强 I OkV配电网的联络。上级电源点不足时可采用双环网结构，在上级电网较为坚强且IOkV具 有较强的站间转供能力时，也可采用双辐射结构;C类供电区域供电安全水平要求较高，110 ~35kV电网宜采用链式、环网结构，也可采用双辐射结构;D类供电区域110~35kV电网可采 用单辐射结构，有条件的地区也可采用双辐射或环网结构;E类供电区域110~35kV电网一 般可采用单辐射结构。
[0010] 为使城乡各类供电区域供电可靠性达到要求，符合当地用电特点，需要对电网结 构进行优化，以使电网在满足可靠性要求的前提条件下得到优化。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种供电能力充裕、 网架结构坚强、整体发展协调、供电安全可靠、运行灵活方便、投资收益合理、符合总体规划 的基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法。
[0012] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0013] 一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，用于优化更新城市已有 电网结构，所述城市包括多个供电地区，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0014] S1，根据城市各供电地区已有电网结构，将其中超高压配电网变电站、高压配电网 不同负荷等级的分配比例和中压配电网线路作为三个关键元素进行组合，构造多种典型电 网结构，各典型电网结构包含的三个关键元素不全相同；
[0015] S2,选择一个供电地区，利用电网设备搭建与该供电区域匹配的各典型电网结构， 采用该供电地区夏大方式运行时的电网设备的负荷数据和可靠性参数历史数据作为各典 型电网结构计算数据；
[0016] S3,根据步骤S2所述的各典型电网结构计算数据，分别对各典型电网结构进行可 靠性评估，评估内容包括户均供电可用率指标ASAI和期望损失电量EENS;
[0017] S4，采用可靠性成本效益分析，选择供电地区的最优电网结构，具体为:计算各典 型电网结构投资成本I，在户均供电可用率指标ASAI不小于设定标准值的情况下，选择综合 年费用评价指标匕最小的典型电网结构作为最优电网结构，综合年费用评价指标匕定义如 下：
[0018] Ca = k · EENS+Ia
[0019] 式中，13是根据投资成本I利用等年值法得到的投资费用折合等年值，k是供电地 区的产电比；
[0020] S5,返回步骤S2,直到每个供电地区的最优电网结构选择完毕。
[0021] 所述的超高压配电网变电站类型包括中心站、中间站和终端站，所述的高压配电 网负荷等级包括IlOkv和35kv，所述的中压配电网线路类型包括电缆网双环式、电缆网单环 式、架空网多分段适度联络和架空网辐射式。
[0022] 所述的可靠性参数包括变压器强迫停运率、线路强迫停运率、变压器可用系数、线 路可用系数。
[0023] 所述的户均供电可用率指标ASAI计算式为：
[0024]
[0025] 式中，i是典型电网结构中的负荷点编号，Ui是第i个负荷点的年均停运时间，各负 荷点的年均停运时间根据可靠性参数计算获得，N 1是第i个负荷点的用户数。
[0026]所述的期望损失电量EENS计算式为：
[0027] EENS= IPaiUi
[0028] 式中，i是典型电网结构中的负荷点编号，Ui是第i个负荷点的年均停运时间，各负 荷点的年均停运时间根据可靠性参数计算获得，P al为接入第i个负荷点的平均负荷。
[0029]所述的步骤S4中，所述的ASAI的设定标准值为99.99%。
[0030] 所述的投资成本I计算方法为:将典型电网结构应用于供电地区，根据供电地区负 荷水平，计算对应的线路长度及配电设备数量，分别乘以单价并求和，得到投资成本。
[0031] 所述的步骤S2中，历史数据选择近5~10年的数据取平均值。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033] (1)典型电网是根据城市已有电网进行简化、提炼得到，符合城市发展特点。
[0034] (2)在构造典型结构计算数据时以夏大运行方式数据为例，保证典型结构中计算 数据的合理性。
[0035] (3)可靠性成本效益分析先计算出提高和改善可靠性指标所对应的经济价值，然 后得到一个可靠性与经济性的综合年费用评价指标，将投资和停电损失之和降到最低。
[0036] (4)历史数据选择近5~10年的数据取平均值，弱化特殊事件如自然灾害、施工建 设对线路结构可靠性的影响。
[0037] (5)将超高压配电网变电站、高压配电网不同负荷等级的分配比例和中压配电网 线路作为典型结构的三个关键元素，对典型结构进行可靠性分析可用于对比不同典型结构 的可靠性水平高低，即分析不同典型结构之间的相对可靠性，计算量小。
【附图说明】
[0038]图1为本发明方法流程图；
[0039]图2为本实施例算例1主接线图；
[0040]图3为本实施例算例2主接线图；
[0041 ]图4为本实施例算例3主接线图；
[0042]图5为本实施例算例4主接线图；
[0043]图6为本实施例算例5主接线图；
[0044] 图7为本实施例算例6主接线图；
[0045] 图8为本实施例算例7主接线图；
[0046] 图9为本实施例算例8主接线图；
[0047]图10为本实施例算例9主接线图；
[0048]图11为本实施例算例10主接线图；
[0049]图12为本实施例算例11主接线图；
[0050]图13为本实施例算例12主接线图。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0052] 实施例
[0053]如图1所示，一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，用于优化更 新城市已有电网结构，城市包括多个供电地区，该方法包括以下步骤：
[0054] S1，根据城市各供电地区已有电网结构，将其中超高压配电网变电站、高压配电网 不同负荷等级的分配比例和中压配电网线路作为三个关键元素进行组合，构造多种典型电 网结构，各典型电网结构包含的三个关键元素不全相同；超高压配电网变电站类型包括中 心站、中间站和终端站，高压配电网负荷等级包括IlOkv和35kv，中压配电网线路类型包括 电缆网双环式、电缆网单环式、架空网多分段适度联络和架空网辐射式；
[0055] S2,选择一个供电地区，利用电网设备搭建与该供电区域匹配的各典型电网结构， 采用该供电地区夏大方式运行时的电网设备、负荷数据和可靠性参数历史数据作为各典型 电网结构计算数据；可靠性参数包括变压器强迫停运率、线路强迫停运率、变压器可用系 数、线路可用系数;历史数据选择近5~10年的数据取平均值。
[0056] S3,根据步骤S2所述各典型电网结构计算数据，分别对各典型电网结构进行可靠 性评估，评估内容包括户均供电可用率指标ASAI和期望损失电量EENS;
[0057] ?+^ι/tf 由 πτ FR丧咎'士为.
[0058]
[0059]期望损失电量EENS计算式为：
[0060] EENS= IPaiUi
[0061] 式中，i是典型电网结构中的负荷点编号，Ui是第i个负荷点的年均停运时间，各负 荷点的年均停运时间根据可靠性参数计算获得，N 1是第i个负荷点的用户数，Pal为接入第i 个负荷点的平均负荷。
[0062] S4，采用可靠性成本效益分析，选择供电地区的最优电网结构，具体为:计算各典 型电网结构投资成本I，在户均供电可用率指标ASAI不小于设定标准值的情况下，选择综合 年费用评价指标匕最小的典型电网结构作为最优电网结构，综合年费用评价指标匕定义如 下：
[0063] Ca = k · EENS+Ia
[0064] 式中，13是根据投资成本I利用等年值法得到的投资费用折合等年值，k是供电地 区的产电比；为获得较高的可靠性，将ASAI设定标准值为99.99%。
[0065] 投资成本I计算方法为：将典型电网结构应用于供电地区，根据供电地区负荷水 平，计算对应的线路长度及配电设备数量，分别乘以单价并求和，得到投资成本。
[0066] S5,返回步骤S2,直到每个供电地区的最优电网结构选择完毕。
[0067] 下面以某市为例，从该市电网的典型结构及相关规划方案中抽取若干下接220kV 电网结构作为原型，按照该市电网规划设计的基本技术原则的要求，简化接线，构造了 12种 下接220kV网络的典型结构，具体描述如表1所示：
[0068] 表1下接220kV网络典型结构
[0070] 结合表2的近8年夏大运行历史数据，用"串联"等效原理，进行全电压等级电网可 靠性评估。可靠性指标考虑供电可靠性率、户均年停电时间和期望损失电量等指标，采用 "从上至下"的评估流程，即首先基于最小路/割集算法和枚举法评估最高电压等级220kV电 网可靠性，得到220kV/110kV/35kV变电站进线点可靠性指标(故障率、修复时间），然后即可 将220kV电网等值为具有可靠性参数的元件，纳入变电站主接线可靠性评估中，从而得到关 键负荷点的可靠性指标。
[0071] 按照相同原理，即可得到IlOkV电网可靠性指标，35kV电网可靠性指标，IlOkV/ 10kV、35kV/10kV及IOkV负荷点可靠性指标，基于IOkV及35kV各负荷点可靠性指标，可综合 得到系统平均供电可靠率、户均年停电时间及损失电量EENS指标。通过对每个环节的可靠 性量化评估及串联算法，可得到全环节的可靠性评估结果，能够直观分析对系统可靠性影 响较大的薄弱环节，从而为系统决策提供指导信息。
[0072] 由于典型结构是基于实际电网进行简化得到，对典型结构进行可靠性分析得到的 绝对数据不能直接对应实际电网可靠性水平，但可用于对比不同典型结构的可靠性水平高 低，即分析不同典型结构之间的相对可靠性。
[0073] 表2电网设备强迫停运率统计表单位:次/百台年，次/百公里年
[0077] 计算说明：
[0078] 1)计算时每个中心站和终端站所带的总负荷按相同考虑:600MVA
[0079] 2)220kV中心站进线考虑为4回架空线，按全程同塔双回假设考虑，双母线接线； 220kV终端站的进线考虑为2回电缆，线变组接线。
[0080] 3)220kV进线以上部分不计入典型结构。
[0081 ] 4)高压配网接线模式相同，考虑不同的IlOkV和35kV带的负荷比例，通过220kV站 IlOkV侧和35kV侧的出线数不同实现，正常运行时每回IlOkV或35kV出线带1台IlOkV或35kV 主变，每台110kV、35kV主变正常运行负载率按不超过66.67 %考虑。
[0082] 负荷比例A:
[0083] I IOkV 侧共6 回出线，负荷为 2/3*50MVA*6 = 200MVA
[0084] 35kV 侧共 20回出线，负荷为 2/3*31 · 5MVA*20 = 420MVA
[0085] 总负荷为620MVA。
[0086] 负荷比例B:
[0087] 11OkV侧共 12 回出线，负荷为2/3*50MVA*12 = 400MVA
[0088] 35kV 侧共 10 回出线，负荷为 2/3*31.5MVA*10 = 210MVA
[0089] 总负荷为 610MVA。
[0090] 根据总负荷600MVA进行微调，实际计算负荷按照：
[0091] 负荷比例A( 110侧：35侧）=200:400
[0092] 负荷比例B( 110 侧：35 侧）=400:200
[0093] 5)中压配网只考虑电缆网络，以K型站作为终端共考虑了3种模式，详见图2接线 图。
[0094] 6)各算例终端K型站出线总数均为6600条，可理解为共6600户。
[0095]以算例1为例，对算例参数选择进行说明：
[0096] 2201^:中心站共3台2401^六主变，采用双母双分段主接线，进线为双回2\630111111 2 架空线路，平均长度10km，110kV侧母线三分段，共6回出线，35kV侧母线6分段，共20回出线。 [0097] IlOkV:双侧三链接线，对应6回IlOkV出线共六串，每串2台主变(其中1台主变由对 侦02OkV变电站供电），共6台50MVA主变（图中仅示意3台）。每个IlOkV变电站包含3台50MVA 主变，进线为800mm2线路，I IOkV线路平均长度5km，站内IOkV母线6分段，每台主变对应14回 IOkV出线，共42回出线。
[0098] 35kV:线变组接线，进线来自不同220kV站，对应20回出线共20台主变（图中仅示意 3台）。每个35kV变电站包含3台31.5MVA主变，进线为630mm2线路，平均长度5km，站内IOkV母 线3分段，每台主变对应9回IOkV出线，共27回出线。
[0099] IOkV:中心K型站，两回进线来自不同IlOkV站，进线截面为3 X 400mm2,共10回出 线；终端K型站两路电源来自同一中心K型站，进线截面为3 X 240mm2，IOkV线路平均长度 1.5km，共10回出线。
[0100] 类似可以得到其余各算例的参数，各典型结构具体接线图如图2~图13所示。
[0101] 表4电网典型结构构建算例参数
[0106] 在上述典型算例构建的基础上，对ASAI及EENS指标进行可靠性计算，得到结果如 表5所示：
[0107] 表5典型算例可靠性评估结论
[0109]根据计算结果，对于超高压电网、高压配网以及中压配网不同接线形式进行灵敏 度分析，可以总结出一些这几类不同接线方式的共性和各自的特性。
[0110] (1)在所有典型算例中，ASAI最优方案为算例6，其ASAI为0.999967，超过国网《配 电网规划设计技术导则》中规定的A类供电区域RS-3标准(4个9)，接近A+类供电区域RS-3标 准(5个9) EENS为699.60Mffh/年。
[0111] (2)在所有典型算例中，ASAI最差方案为算例8，其ASAI为0.999862，达不到国网 《配电网规划设计技术导则》中规定的A类供电区域RS-3标准（4个9)，EENS为1544.39MWh/ 年。
[0112] (3)超高压电网：在其它因素相同的情况下比较可靠性指标可知，220kV中心站接 线形式的ASAI高于终端站，EENS低于终端站。
[0113] (4)高压配网：在其它因素相同的情况下比较可靠性指标可知，IlOkV变电站负荷 比例B( 110:35 = 400:200)的ASAI高于负荷比例A( 110:35 = 200:400)。
[0114] (5)中压配网：在其它因素相同的情况下比较可靠性指标可知，ASAI: IOkVK型站双 环网接线的最高，辐射状其次，单环网最低，EENS:双环网接线的最低，辐射状其次，单环网 最尚。
[0115] 根据工程综合造价，确定需要的电网线路设备价格，根据每种典型接线的结构及 对应场景下的线路长度和负荷水平(600MVA)，得到每种配电设备的数量，乘以其单价加和 之后，可以求得每种接线方案在不同场景下的总投资成本，如表6所示：
[0116] 表6*型筧例投咨成本分析表（单份
：亿元）
[0119] 可靠性成本效益分析先计算出提高和改善可靠性指标所对应的经济价值，然后与 该接线模式的投资成本做比较，以获取的效益大于投资的金额作为评选的依据，获取的效 益与投资比值愈大愈好。对于每种典型接线方案，其可靠性越高，则用户平均年停电时间越 短，停电损失就越小，但是为了提高可靠性而增加的投资越大。如果将引起的附加投资也看 做损失的话，则将为提高可靠性增加的投资和停电损失加起来，可以得到一个可靠性与经 济性的综合年费用评价指标，BP
[0120] Ca = k · EENS+Ia
[0121] 其中，k是该地的产电比，13是利用等年值法得到的投资费用折合等年值。等年值 法就是按投资的必要报酬率将投资的全部现金流量或净现值换算为相当于在整个寿命期 内每年平均发生的等额现金流量或净等年值，然后据以分析和评价投资方案的方法。等年 值法=净现值总额+投资寿命期的年金现值系数。
[0122] 根据该市电力公司提供的相关数据可知，2014年该市GDP为2.36万亿元，同年该市 全社会用电量为1368.40亿kWh，可以计算2014年的产电比k2〇 14 = 2.36万亿元/1368.4亿kWh =1.72万元/Mffh。根据预测，"十三五"期间该市GDP年均增长率在6.5%~7%之间，2020年 ~2030年⑶P年均增长率取5%，可计算得到2030年该市⑶P约为5.67万亿元，同年该市全社 会用电量预测为1920亿kWh，可以计算2030年的产电比k2 Q3Q = 5.67万亿元/1920亿kWh = 2.95万元/MWh。结合投资成本分析情况，可以得到每种典型电网结构的综合年费用评价指 标。其中，贴现率按7%，经济使用年限按30年考虑(相应的资金回收系数则为0.0806)。
[0123] 根据典型电网结构可靠性评估计算结果及投资成本计算结果，可以计算得到算例 1~6下可靠性成本效益分析结果，如表7所示：
[0124] 表7算例1~6可靠性成本效益分析
[0126] 由表中数据可知，结合ASAI 2 99.990%的要求，在2014年产电比为1.72万元/MWh 的前提下，算例3的综合年费用评价指标最低，意味着在当前产电比情况下该类供电结构 (负荷比例A，K型站双环网）的投资回收期较短；在2030年预测产电比为2.95万元/MWh的情 况下，算例6的年停电损失I eens2Q3Q明显低于其它算例，意味着随着产电比的增加，该类供电 结构（负荷比例Β，κ型站双环网）的投资回报效益将逐渐超过其它算例。根据测算，当产电比 大于3.96万元/MWh时，算例6的投资回报效益将优于算例3,将该方案作为远景年的电网结 构优化方案将具备优势，可以作为可靠性成本-效益指标分析方法下220kV中心站接线结构 的推荐方案。
[0127] 同理可以计算得到算例7~12下可靠性成本效益分析结果，如表8所示：
[0128] 表8算例7~12可靠性成本效益分析
L0130J 由表中数据η」知，结合ASAI 2 99.990%的要求，在2014年严电比为1.72力兀/MWh 的前提下，算例12的综合年费用评价指标最低，其年停电损失也最低;在2030年预测产电比 为2.95万元/Mffh的情况下，该算例的投资回报收益更加明显，可以作为可靠性成本-效益指 标分析方法下220kV终端站接线结构的推荐方案。
【主权项】
1. 一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，用于优化更新城市已有电 网结构，所述城市包括多个供电地区，其特征在于，所述方法包括W下步骤： S1，根据城市各供电地区已有电网结构，将其中超高压配电网变电站、高压配电网不同 负荷等级的分配比例和中压配电网线路作为Ξ个关键元素进行组合，构造多种典型电网结 构，各典型电网结构包含的Ξ个关键元素不全相同； 52, 选择一个供电地区，利用电网设备搭建与该供电区域匹配的各典型电网结构，采用 该供电地区夏大方式运行时的电网设备的负荷数据和可靠性参数历史数据作为各典型电 网结构计算数据； 53, 根据步骤S2所述的各典型电网结构计算数据，分别对各典型电网结构进行可靠性 评估，评估内容包括户均供电可用率指标ASAI和期望损失电量EENS; 54, 采用可靠性成本效益分析，选择供电地区的最优电网结构，具体为:计算各典型电 网结构投资成本I，在户均供电可用率指标ASAI不小于设定标准值的情况下，选择综合年费 用评价指标Ca最小的典型电网结构作为最优电网结构，综合年费用评价指标Ca定义如下： Ca = k ·邸NS+Ia 式中，la是根据投资成本I利用等年值法得到的投资费用折合等年值，k是供电地区的产 电比； 55, 返回步骤S2,直到每个供电地区的最优电网结构选择完毕。2. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的超高压配电网变电站类型包括中屯、站、中间站和终端站，所述的高压配电 网负荷等级包括llOkv和35kv，所述的中压配电网线路类型包括电缆网双环式、电缆网单环 式、架空网多分段适度联络和架空网福射式。3. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的可靠性参数包括变压器强迫停运率、线路强迫停运率、变压器可用系数、 线路可用系数。4. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的户均供电可用率指标ASAI计算式为：式中，i是典型电网结构中的负荷点编号，Ui是第i个负荷点的年均停运时间，各负荷点 的年均停运时间根据可靠性参数计算获得，Ni是第i个负荷点的用户数。5. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的期望损失电量EENS计算式为： 邸 NS= IPaiUi 式中，i是典型电网结构中的负荷点编号，Ui是第i个负荷点的年均停运时间，各负荷点 的年均停运时间根据可靠性参数计算获得，Pai为接入第i个负荷点的平均负荷。6. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的步骤S4中，所述的ASAI的设定标准值为99.99%。7. 根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的投资成本I计算方法为:将典型电网结构应用于供电地区，根据供电地区 负荷水平，计算对应的线路长度及配电设备数量，分别乘W单价并求和，得到投资成本。8.根据权利要求1所述的一种基于可靠性成本效益分析的城市电网结构优化方法，其 特征在于，所述的步骤S2中，历史数据选择近5~10年的数据取平均值。
【文档编号】G06Q10/04GK105844359SQ201610182264
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】黄超, 黄一超, 郭明星, 黄阮明
【申请人】国网上海市电力公司