城市配电网规划及其可靠性评估

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1、2007-7-16,输配电技术研究所,第五章 城市配电网规划与 可靠性评估,2007-7-16,输配电技术研究所,第一节 概述,一、编制规划的意义和任务 意义 1. 有计划的开发电力能源，解决缺电问题 2.把有限的电能进行合理的分配，以达到最高的经济效益 地区电网规划的任务 1. 在负荷预测的基础上，根据电源的发展情况，作出逐年的电能平衡规划； 2. 以电能平衡为条件制订该地区的电网结构和布局发展规划； 3. 制订出与有功负荷发展相适应的无功负荷规划； 4. 有能源的地区应编制能源开发规划。,2007-7-16,输配电技术研究所,二、规划分类及其内容 地区电网规划可以分为三类：短期、中期和长期

2、。它们有不同的任务和内容，制订规划的方法也不尽相同。 配电网的长期规划一般是研究从现在开始的未来12年或更长一些时间的电力发展规划。 中期规划一般指3至12年，它是长期规划的分阶段实施 短期的或叫做“战术”性的规划，一般只研究1年或3年的电力增长和网络变化情况。,2007-7-16,输配电技术研究所,三、编制地区电网规划的步骤 1. 调查情况，收集资料 2. 收集目前的电网结构和有关数据 3. 对收集的资料进行分析、归纳，并进行负荷预测； 4. 作出电源规划，确定供电方式和电压等级； 5. 根据目标函数拟定输配电网结构布局和无功配置方案； 6. 进行规划的可行性论证。,2007-7-16,输配

3、电技术研究所,第二节 配电网的网络结构,一、不同电压等级线路和变压器的经济模型 不同电压等级变压器的投资费用与变压器容量大小的关系可以近似的用直线描述。如图 变电所的总投资费用模型可以写成 可以看出，电压等级升高，费用随之增加。 同样对线路投资费用也可以用直线模型来确定,2007-7-16,输配电技术研究所,二、地区电网的接线方式选择 根据不同的负荷性质和分布情况，常用以下几种接线方式 ：接线(a)(c)是无备用接线，(d)(g)是有备用接线。负荷的性质是接线方式的主要选择依据。,2007-7-16,输配电技术研究所,（一）高压配电网的接线方式 高压配电网包括110、63和35KV的线路和变电

4、所。为了保证供电可靠性，一般选择有备用接线方式。采用架空线路时，以两回路为宜。采用电缆线路时可分为多路。为充分利用通道，市区高压架空线可同杆双回架设。为避免双回路同时故障停电而使变电所全停，应尽可能在双侧有电源。目前主要有以下几种接线方式： 两侧电源分段的高压配电网 电缆线路的双T接线,2007-7-16,输配电技术研究所,三侧电源的三T接线 变电所的有接地快分开关的接线 高压变电所桥接线 变电所采用单母线分段的接线 （a）内桥；（b）外桥；（c）扩大内桥,2007-7-16,输配电技术研究所,（二）中压配电网的接线方式 中压配电网由10KV线路、配电所、开闭所、箱式配电所、杆架变压器等组成，

5、主要是分布面广的公用电网。中压配电网的规划应符合以下原则： 1. 中压配电网应依据高压变电所的位置和负荷分布分成若干相对独立的分区 2. 高压配电变电所中压出线开关停用时，应能通过中压电网转移负荷，对用户不停电。 3. 高压变电所之间的中压电网应有足够的联络容量，正常时，开环运行，异常时能转移负荷。 4. 严格控制专用线和不带负荷的联络线，以节约走廊和提高设备利用率。 5. 中压配电网应有较强的适应性 其常用接线方式如下图,2007-7-16,输配电技术研究所,环网接线示意图,2007-7-16,输配电技术研究所,（三）低压配电网的接线方式 由于低压负荷分散，进户点多，从经济角度出发，仍以架空

6、线为主，并与中压线路合杆架设。低压电网接线的原则是： 1. 供电半径一般不超过400m。 2. 干线和支线的导线规格和配电变压器的容量均应满足下列要求：当变压器故障时，可将负荷拆开，向邻近电网23个方向转移；故障转移负荷时，导线运行率不超过100%，线路末端电压降不超过规定。 3.城市的经济开发区、繁华地区、重要地段、主要道路及高层住宅区的低压供电，需要时可采用电缆。 常用接线如下图所示,2007-7-16,输配电技术研究所,放射式低压配电网示意图,2007-7-16,输配电技术研究所,第三节 选择变电所容量和个数的优化方法,一、变电所及其供电网的数学模型 变电所的供电区域假设为圆形，变电所置

7、于圆心。 若整个中压电网覆盖面上的电力负荷密度为均匀时，变电所的供电几何半径为： 变电所全部中压配电网主干线导线总截面为,2007-7-16,输配电技术研究所,变电所中压配电出线回数为： 中压配电出线每回线路长度为： ：负荷平均功率因数； ：变电所容量（kVA）； ：面负荷密度 ：中压配电网主干线导线总截面 ：中压配电网额定电压 ：导线的电流密度 ：每回线路的平均负荷 ：地形修正系数,2007-7-16,输配电技术研究所,变电所的建设投资为： 中压配电网主干线建设投资为： ：投资中与变电所容量无关部分 ：投资中与变电所容量成线性关系的系数 ：线路投资中与导线截面无关部分 ：线路投资中与导线截面

8、成线性关系部分的系数 设运行费用的不变部分（维修、折旧费等）与总投资成比例，则 ：运行费用占投资的比例系数 现假设变电所全部出线由一等值线路代替，则变电所供电区内的负荷都沿该线轴向分布，在最大负荷下且距变电所的距离为 r时，等值导线中通过的电流为,2007-7-16,输配电技术研究所,dr的距离上导线长度的电阻为： dL上的功率损耗为： 故中压配电网总的有功损耗为： 全年线损费为： 总的年运行费为：,2007-7-16,输配电技术研究所,二、静态优化模型及其求解 所谓静态投资过程具有下述特征：在规划水平的投资有效期内，负荷密度保持不变 整个投资建设费用发生在规划期末 在投资有效期内为 T年的各

9、年所发生的运行费用归算到投资年的贴现值总和为 ：投资收益率 令 则有 在投资有效期内，每个变电站及其中压配电网总投资和年运行费用归算到投资年的贴现值为 从而单位容量的费用贴现值为： 有前面的公式可推导得出：,2007-7-16,输配电技术研究所,变电所经济供电半径为： 单位面积上经济变电所个数为： 三、动态优化模型及其求解 为了建立变电所容量和个数的动态优化模型，设规划期为T年（即投资有效期）。若将规划期分为几个时段，则每个时段为t年（即投资周期），即 又设面负荷密度在时域中按指数规律增长，在T内，初始值为 ，增长率为 ，则在第k个时段末有 同理有 或 在第个k时段开始时，设单位面积上已有的变

10、电所个数Nk为状态变量，应退役的变压器容量折算到本时段初的变电所经济容量下的变电所个数Qk为反馈状态容量，本时段初单位面积上应新建的变电所个数 为决策变量，则在第k个时段中单位面积上运行的变电所个数为 ，同时它又是（k+1）时段的状态变量，即状态变量转移方程为,2007-7-16,输配电技术研究所,设 为第时段新增设备（变电所、中压配电线路）的投资折算到第k时段末的计算值， 表示原有的及新增的设备在第k时段发生的运行费用折算到本时段末的计算值，则第k时段单位面积总费用折算到时段末的计算值为 同时设到规划期末变电站总个数为N个，则整个规划期内显然存在 :规划期初原有网络中单位面积上已有的变电站个

11、数 令 根据动态规划最优化原理，最优策略是对任何一个k时段，在满足负荷需要的前提下，使在其前各时段的投资及运行费用折算到第k时段末的计算值之和为最小，函数递推方程为,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,第四节 配电网的可靠性指标与评估,一、可靠性指标 1. 系统平均停电频率(SAIFI) 2. 用户平均停电频率(CAIFI) 3. 系统平均停电持续时间(SAIDI)

12、4. 用户平均停电持续时间 (CAIDI) 5. 平均供电可靠率 (ASAI) 6. 平均供电不可靠率(ASUI),2007-7-16,输配电技术研究所,二、经济指标 1. 一次投资Z 2. 年运行费C Z: 配电网的一次投资 H: 维修费、折旧费等占投资的比例 3. 年费用NF：指考虑了资金的时间效益后，将投资和年运行费归算成配电网使用寿命期内的贴现等年值，可由下式求得,2007-7-16,输配电技术研究所,第五节 配电自动化规划设计和评价,概述 网架结构优化问题主要有两个特点：非线性和整数性，这也正是我们解决问题的困难所在。用非线性规划方法解题常常会遇到搜索方向错误、迭代不收敛、逼近速度慢

13、等问题 ，另外，线路都是按整回和确定的电压等级来架设的，若变量取线路的某电气量，则变量应是整数值或某种离散值。对于这样的非线性整数规划问题，目前还没有理想的优化算法。 综观以前的各种传统优化方法，各有优劣，要么容易偏离最优解陷入局部最优，要么受到维数限制而难以达到实用的目的。为了解决这两个方面的问题，下面把遗传算法引入到城市电力网网架结构的优化中来，以期得到一个较满意的解决问题的方法。,2007-7-16,输配电技术研究所,二、遗传算法 遗传算法就是一种通过模拟适者生存，不适者淘汰的自然进化过程来搜索最优解的方法。 遗传算子 一个简单的遗传算法由复制、杂交和变异三个遗传算子组成 。 1. 复制

14、算子。它把当前群体中的个体安于适应值成正比的概率复制到新的群体中去。这样，低适应值的个体趋向于被淘汰，搞适应值的个体趋向于被复制，复制算子的作用效果提高了群体的平均适应值，也充分体现了“优胜劣汰”这种自然进化机制。 2. 杂交算子。它模拟生物界的有性生殖，可以产生新的个体，使其比它的两个父代有更高的适应值。杂交算子是遗传算法的最重要的组成部分。 3. 变异算子。它用一个很小的概率随机的改变染色体串上的位置，其效果是增加了群体的多样性，扩大了搜索空间。,2007-7-16,输配电技术研究所,计算步骤 在进行具体遗传算法之前，需做好下列准备工作： 1. 选择编码。一般编码选择由多个二进制串（0，1

15、）构成，其中的“0”、“1”分别表示支路不连通和连通。 2. 确定适应值函数。相当于确定数学规划中的目标函数 3. 选择控制算法的参数。如群体规模数N，算法执行的最大代数M 4. 确定停止运行的准则。如最小年费用NF、最大代数M等可作为停运标志 基本的遗传算法的计算步骤如下： 1）产生初始群体。 2）对群体迭代的执行下面的步和步，直到满足停止准则。计算群体中每个个体的适应值；应用复制、杂交和变异产生下一代群体。 3）把在任一代中出现的最好个体串指定为遗传算法的执行结果，它可以表示“问题”的一个解（或近似解）。,2007-7-16,输配电技术研究所,基本遗传算法的框图,2007-7-16,输配电

16、技术研究所,基本遗传算法的主要特点 与传统的优化算法相比，遗传算法具有以下几个特点： 1 不是直接作用在参变量集上，而利用参变量集的某种编码； 2 不是从单个点，而是从一个点的群体开始搜索，因而能够快速全局收敛； 3 利用适应值信息，无需导数或辅助信息，具有广泛的适应性； 4 利用概率转移规则，而非确定性规则，因而能搜索离散的有噪声的多峰值复杂空间； 5 在解空间内进行充分的搜索，但并不是盲目的穷举或瞎碰（评价为选择提供了依据）因此其搜索时耗和效率往往优于其它优化算法。,2007-7-16,输配电技术研究所,遗传算法的优越性 遗传算法的优越性主要表现在两个方面。 首先，它在搜索过程不容易陷入局部最优，即使在所定义的适应函数是不连