CN102306346B - 基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法，该方法现状配电网的实际分析，得到现状典型网架结构并对其进行可靠性量化评估；之后借鉴国内外配电网网架结构的先进经验，再利用基于可靠性的配电网规划方法和可靠性评估方法，确定出满足可靠性要求的备选目标网架结构；然后给出现状网架向目标网架的改造过渡方案及其最佳改造时机；最后对改造方案进行投资估算和供电可靠性成本/效益分析，进而可得到满足可靠性目标的经济性最优的目标网架结构。对于配电网规划人员，解决可靠性目标设定、基于可靠性的配电网规划和目标网架结构三个方面问题。本发明在合理的投资下达到预期的可靠性水平，避免造成投资浪费。

Description

基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法

技术领域

本发明涉及一种电网规划建设领域的决策方法，具体讲涉及一种基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法。

背景技术

配电网直接面向客户，不仅承担着履行社会责任的使命，而且关系到企业的经济效益。我国配电网基础薄弱，历史上中低压配电网基本是跟随用户需求建设起来的，受投资方影响较大，其网架结构和供电可靠性一直缺乏规范管理和具体分析。目前，各地区结合自身电网发展的实际情况，根据各地的经济发展水平、电网规划思路、电源布局、负荷特点、运行习惯等综合因素，有意识地形成了适合自身电网发展需要的网架结构，但缺少明确的目标和系统地研究，容易出现重复改造，造成投资浪费。

(1)基于可靠性的配电网规划方法

我国目前广泛采用的传统配电网规划方法，是基于预想事故或“N-k”安全准则的规划方法，即以个案为基础研究整个系统，k指系统在失去k台设备后仍能保持正常运行，隐含或间接地假定系统满足导则要求，以此完成可靠性设计工作。这种规划方法通过为系统预留充分的备用容量来保证可靠性，但也是造成我国平均供电可靠性较差的基本原因之一，在未来应该被当前国际上先进的配电网规划方法，即基于可靠性的现代规划方法所取代。

传统的基于预想事故的规划方法中，在某个原件退出系统的条件下，可使用分析工具(潮流、稳定)来判断是其过负荷或者低电压或其他不可接受的故障原因。虽然该方法工作量可能非常大，但只需要简单的反复计算即可完成，并且可以直接使用标准化、序列化的计算模块，并将“可靠性”问题分成许多小的研究部分，每一部分都针对系统的某一个元件。因此基于预想事故的规划方法非常适用于制定运行规划，但该方法有两个非常明显的缺点。第一，如果规划人员主要关注降低费用或预算有限方面的问题，那么这种规划方法不是特别有效。第二，尽管这种基于事故的规划方法列举并解决了每种可能的单台或两台设备停运的情况，但是在设备负载率(峰荷/容量，用于高压配电线路与变压器)高于常规水平的情况下，就不能确保系统本层级的可靠性水平，因为该方法未能考虑层级之间的负荷转移情况。

随着电力企业对供电可靠性量测和管理能力的不断提高，以及社会对供电可靠性需求和价值认识的日益提高，电力行业及全社会越来越关注和重视供电可靠性。为了满足电力企业和社会对供电可靠性精益化管理的要求，我国当前仍采用的基于预想事故的传统规划方法应该被基于可靠性的规划方法所取代，即在配电网规划阶段就有必要设定明确的供电可靠性目标。

基于可靠性的规划是一种更现代的规划手段，实践证明，它可实现可靠性投资成本效益最大化。在系统负载率高、事故裕度小的条件下，通过精心、合理的规划设计，可实现网架结构和网络互联的灵活性，同样达到高可靠性水平。

基于可靠性的配电网规划方法，其准则和目标源于明确的可靠性数值。按照这种方法，利用可靠性分析和规划工具，可直接为了实现可靠性目标来设计配电网结构。将预测的负荷和客户数输入到潮流程序和可靠性分析程序中，输出结果会指出薄弱环节，即在规划系统中不满足电压降、负载或潮流及可靠性准则的区域，然后，集中解决薄弱环节，确定提高可靠性的最佳网架结构(费用最低)，使其达到可靠性目标。这体现了可靠性与支出之间的平衡问题是基于可靠性的配电网规划的基础。

规划一个馈线系统时，推荐的一般过程是：首先制订一个不考虑容量的线路布线方式，该方式具有满足不同转供需求的分区和备用路径，然后再确定线路和开关的容量，以便进行潮流计算，以此校核所选择的网架结构和容量能够充分满足事故运行准则，然后进行线路分段设计，这通常要反复进行：要考虑对开关的位置、保护的位置进行微调，也要考虑切换速度。图1阐明了基于可靠性的配电网规划过程及其与某些因素的相互作用。为了适应后续步骤中出现的约束条件，有时不可避免地需要对前面的工作进行调整，但这样有可能降低整体工作量。

(2)可靠性目标设定的方法

可靠性目标表示预期的结果。电力企业可以通过多种方式来设定可靠性目标或有关其系统和运行的目标，但只有将可靠性目标与电价表相结合，才是可持续发展的合理经营模式。

(3)可靠性评估方法

目标网架结构生成之后，需要验证该目标网架结构是否达到可靠性目标，因此需要进行可靠性评估工作。配电网中由于设备元件众多，网络结构复杂，运行方式多种多样，给供电可靠性评估工作带来了很大困难，难以满足工程实际应用要求。目前计算电力系统供电可靠性指标的方法主要有模拟法和解析法这两大类。其中，模拟法灵活且不受系统规模的限制，但耗时多且精度不高，这种方法主要用于发、输电组合系统及变电站的可靠性评估中。解析法可进一步分为状态空间法和网络法。以马尔可夫模型来描述的状态空间法能较好的处理各种复杂的情况，但当系统规模很大、结构很复杂时，该方法将变得十分繁杂；网络法是配电网可靠性分析中最为流行的方法，诸如故障模式影响分析法(FMEA)、故障遍历法等。其中，故障模式影响分析法是最传统的配电网供电可靠性评估方法，这种方法原理简单、清晰，模型准确，但是，它的计算量随元件数目的增加成指数增长，面对大规模复杂配电网络，该方法也将面临难以克服的“计算灾”，因此需要进行改进。改进的配电网可靠性评估方法的解析法有最小路法、等值法、最小割集法等。

(4)可靠性成本效益/分析方法

目标网架结构生成之后，需要给出现状网架向目标网架的改造过渡方案、改造投资总额和可靠性成本/效益分析结果，因为对供电企业来讲，提高供电可靠性与提高企业经济效益往往是相互矛盾。可靠性成本/效益分析可用边际成本与边际效益概念来说明。可靠性边际成本定义为：为增加一个单位可靠性水平而需增加的投资成本。可靠性边际效益定义为：因增加了一个单位可靠性水平而获得的效益或因此而减少的缺电成本，故也可称为边际缺电成本。在图2所示的可靠性成本/效益分析曲线中，UC代表可靠性边际成本曲线；CC代表可靠性边际效益曲线或边际缺电成本曲线；TC为边际供电总成本曲线。由供电可靠性成本/效益分析的相关理论可知，在可靠性成本/效益分析曲线中，当可靠性边际成本等于可靠性边际效益时，边际供电总成本最低，这时所对应的可靠性水平R_m为最佳可靠性水平。图2中UC和CC曲线对横坐标的积分值即是实际的可靠性投资成本和可靠性效益。

配电网的可靠性成本就是供电企业为使供电可靠性达到一定水平所花费的成本，包括系统建设与改造的一次投资费用、设备运维与管理费用、以及人工费等，这些费用的总和就是配电网供电可靠性成本。在实际计算当中，还要考虑货币时间价值的划分和货币时间价值的转换。供电可靠性成本计算相对容易，但其可靠性效益计算却比较困难，特别是社会效益较难估算。一般为便于计算，可以把为提高供电可靠性水平而采取的措施所产生的可靠性效益转化为对缺电成本减少的计算。显然，在单位缺电成本不变的情况下，缺电成本越低，可靠性效益就越高。影响缺电成本的因素很多，并没有统一的计算方法，一般可采用GDP计算法、按电价倍数计算法，以及按缺电功率、缺电量、缺电持续时间及缺电频率计算法。

虽然供电可靠性成本/效益分析和基于可靠性的配电网规划方法在理论上相对比较成熟，目前在国际上也广泛使用，但在我国实际的配电网规划建设中，并未有效运用可靠性成本/效益分析，仅以各个项目的规模定总投资费用，而没有考虑在给定费用的情况下使可靠性最大化，尤其是提高可靠性方面的经济效益问题，因此我国电网建设方面还处于面向项目的阶段；我国对基于供电可靠性的规划方法也是刚刚接触并进行了一些有益的试点(实际上不是基于可靠性的方式，而属于过渡方式)，因为我国已经开始认识到传统的基于预想事故的规划方法是造成我国供电可靠性较低(年户均停电时间达9个多小时)的原因之一。对于中压配电网目标网架结构的研究，我国也是刚刚起步，那么基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构研究更是第一次。

发明内容

针对现有配电网规划方法存在的问题和缺点，本发明从区域配电网的实际出发，提供了一种基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法，它成功解决了传统配电网规划中不能有效降低费用和设备负载率高于常规水平时不能确保系统可靠性的缺点，指导各电力企业规划适合自身的中压配电网目标网架结构，并按其有序地开展配电网的建设与改造工作，使其在合理的投资下达到预期的可靠性水平，避免造成投资浪费。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

(1)确定研究对象，提炼出所述研究对象的网架结构；

(2)调研国内外配电网的网架结构及规划管理理念，借鉴实践经验；

(3)选择配电网可靠性评估方法和评估软件，并对所述国内外配电网的典型网架结构进行可靠性量化计算，给出可靠性指标数值；

(4)设定所述研究对象的可靠性目标；

(5)设定所述研究对象的边界条件；

(6)利用基于可靠性的配电网规划方法确定备选目标网架结构；

(7)利用配电网可靠性评估方法对备选目标网架结构进行可靠性量化评估，判断其是否达到可靠性目标，若没有达到可靠性目标，返回到步骤(6)，对所述目标网架结构进行微调；否则进入步骤(8)；

(8)结合所述研究对象的现状网架结构，提出现状网架结构向目标网架改造过渡的详细方案，给出改造的最佳时机；

(9)对所述改造过渡方案的投资进行估算，并对所述目标网架结构进行基于可靠性的成本效益分析；

(10)判断投资总额和基于可靠性的成本效益分析是否满足要求，若不满足要求，返回到步骤(6)，对所述目标网架结构进行微调；否则生成最终目标网架结构。

本发明提供的一种优选的技术方案是：所述研究对象为几根线路、一个小区、一座城市或一个省甚至更大范围。

本发明提供的第二优选的技术方案是：所述配电网可靠性评估方法为解析法，所述解析法包括最小路法、等值法和最小割集法。

本发明提供的第三优选的技术方案是：所述配电网可靠性目标设定包括监管部门设定的目标、基于以往平均性能的目标、基于以往“可接受”性能的目标、任意设定的目标、基于定额预算的目标和基于商业框架的目标。

本发明提供的第四优选的技术方案是：所述目标网架结构包括接线方式、设备选型、建设标准、配电自动化水平、通讯方式和接入的客户类型。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法，利用了基于可靠性的配电网规划方法和基于可靠性的成本/效益分析，克服了传统配电网规划中不能有效降低费用和设备负载率高于常规水平时不能确保系统可靠性的缺点，使其在合理的投资下达到预期的可靠性水平，避免造成投资浪费。

附图说明

图1是基于可靠性的配电网规划过程图；

图2是可靠性成本/效益分析曲线图；

图3是利用基于可靠性的配电网规划方法进行中压配电网目标网架结构优化决策的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明应用了供电可靠性成本/效益分析理论模型，即可靠性边际成本定义为：为增加一个单位可靠性水平而需增加的投资成本。可靠性边际效益定义为：因增加了一个单位可靠性水平而获得的效益或因此而减少的缺电成本，故也可称为边际缺电成本。在图2所示的可靠性成本/效益分析曲线中，UC代表可靠性边际成本曲线；CC代表可靠性边际效益曲线或边际缺电成本曲线；TC为边际供电总成本曲线。由供电可靠性成本/效益分析的相关理论可知，在可靠性成本/效益分析曲线中，当可靠性边际成本等于可靠性边际效益时，边际供电总成本最低，这时所对应的可靠性水平R_m为最佳可靠性水平。图2中UC和CC曲线对横坐标的积分值即是实际的可靠性投资成本和可靠性效益。大幅提高了其实际可操作性，具有很高的工程应用价值；不但能对给定可靠性目标的网架结构及投资进行优化，降低可靠性优化成本；还能对给定投资约束下的可靠性目标进行优化，提升可靠性水平。

本发明具有较高的适应性，通过采用不同的可靠性目标和准则可应用于不同类型的地区可以是市中心、市区、郊区或农村地区，而且研究对象可以是几根线路、一个小区、一座城市、一个省甚至更大范围；本发明通过将用户可靠性目标分解为电网不同层级的渐进可靠性目标值，可为不同电压等级电网确定目标网架结构，能够适应不同层级电网的分析和优化需求，用于指导配电网的规划、建设与改造工作，实现可靠性的精益化管理。本发明是一种具有很高实际可操作性的中压配电网目标网架结构优化决策方法。

利用本发明在确定中压配电网的目标网架结构时，通过对现状配电网的实际分析，得到现状典型网架结构并对其进行可靠性量化评估；之后借鉴国内外配电网网架结构的先进经验，再利用基于可靠性的配电网规划方法和可靠性评估方法，确定出满足可靠性要求的备选目标网架结构；然后给出现状网架向目标网架的改造过渡方案及其最佳改造时机；最后对改造方案进行投资估算和供电可靠性成本/效益分析，进而可得到满足可靠性目标的经济性最优的目标网架结构。对于配电网规划人员，主要解决可靠性目标设定、基于可靠性的配电网规划和目标网架结构三个方面问题。

(一)可靠性目标的设定

现代可靠性规划目标必须基于可靠性期望值。至少有7种设定可靠性目标的方法，其中有些方法更具有综合性，但是没有任何一种方法在所有情况下都是最好的。从长远来看，只有将可靠性目标与电价表相结合，才是能够可持续发展的合理经营模式。

可靠性目标设定的7种方法如下：

1)方法1：监管部门设定的目标

一些电力企业没有设定可靠性目标的权力，其监管委员会通常会根据可靠性电价或将奖罚公式应用到电力企业的电价表来设定可靠性目标。最好的方式是，电力企业和监管部门通过合作共同确定可靠性目标。

2)方法2：基于以往平均性能的目标

如果以往的性能可以接受，那么就可以仅对过去5～10年的性能取平均值，然后将该平均值作为一项目标。

3)方法3：基于以往“可接受”性能的目标

如果过去的性能在某些年份有些令人不满意，而在其他年份又可以接受，那么通过确定关于以往性能的可接受的和不可接受的年份，并且使用这两类性能之间的限值来设定目标，即用历史性能来确定可靠性目标。与方法2相比，这实际上是一种更严格的设定可靠性目标的方法。

4)方法4：任意设定的目标

一些电力企业出于形象或号召力等原因，通常会任意地把目标设定在一个稍微超过电力企业过去性能的目标值。

5)方法5：基于定额预算的目标

根据具体的支出水平“优化”可靠性目标，就可以确定可靠性目标。根据为实现任何特定的可靠性水平所需的最低可能支出的帕累托曲线(应用收益增量/成本增量评估方法，根据每增加一美元支出对提高可靠性的作用，对所有支出进行排序，就产生一个帕累托曲线)，被明确选定的预算总金额就指示了电力企业可以实现的最佳可靠性目标。

6)方法6：基于商业框架的目标

基于盈利目标或商业框架设定可靠性目标，是上述方法5的一个特殊版本。电力企业首先确定与其想要实现的目标利润有关的预算(支出限额)，然后将定额预算方法即上述方法5应用于这些限额。

7)方法7：目标的持续改进

一种确定电力企业可以实现的可靠性和收益的最佳可持续组合的方式是，通过激励电力企业在不影响可靠性的前提下削减费用，逐渐地提高可靠性。

根据用户可靠性目标可制定电网不同层级的渐进可靠性目标值，因此本发明不仅适用于中压配电网，也适用于其他电压等级电网，可为电力企业建立不同电压等级的目标网架结构提供了具有可操作性的方法。可见，本方法具有较高的适应性，能够适应电网不同层级的分析和优化需求，其实际应用可为企业可靠性精益化管理带来效益。

(二)基于可靠性的配电网规划方法

在基于可靠性的配电网规划流程中，网架结构和容量规划共同构成了联络设计和故障下的负荷转移设计。如果得到目标网架结构不满足可靠性要求，一般不需要较大的调整，只需要对开关的位置、保护的位置进行微调，也要考虑对开关切换速度进行微调，以达到可靠性目标。

通过建立优化模型来求解中压配电网的目标网架结构过程非常复杂，可操作性很低。本发明提供的方法所得到的目标网架结构未必是理论最优的结果，但却具有很强的可操作性，同时由于该方法采用基于可靠性的配电网规划方法，因此其结果能够满足可靠性目标，并具有较高的经济效益。

(三)目标网架结构

利用本发明得到的中压配电网目标网架结构，不仅包括接线方式，还包括设备选型、建设标准、配电自动化水平、通讯方式和接入的客户类型等方面，并充分考虑未来分布式电源、储能、电动汽车充电设施接入的适应性，实际操作性强，能够指导电网的规划、建设与改造工作。

现代可靠性规划要求不同类型的地区(市中心、市区、郊区及农村地区)需要采用不同的可靠性目标和准则，得出不同的目标网架结构。这是由于同一线路间、不同线路间、不同区域间、不同年限间的可靠性均不一致。为了有效地达到目的，还需要用一些共同基准(基于供电费用，用于可靠性的等效边际成本)来统一电力系统不同层级之间的特性。

如果是研究对象是一个城市或者更小范围，目标网架结构是目标接线方式及其组成的整个区域网络；如果研究对象是一个省甚至更大范围，目标网架结构只能是目标接线方式，因为很难形成一个区域网络，不过可以城市或小区为单位形成多个区域网络。

利用基于可靠性的配电网规划方法进行中压配电网目标网架结构优化决策的流程图如图3所示，过程如下：

1)确定研究对象，研究对象可以是一个小区、一个城市或一个省，提炼出该研究对象的典型网架结构；

2)调研国内外配电网的网架结构及规划管理理念，深入分析、对比国内外配电网网架结构的特点、优缺点、适用范围、可靠性和经济性等方面，借鉴他们的实践经验；

3)选择合适的配电网可靠性评估方法和评估软件(例如CYME DIST软件)，并对国内外配电网的典型网架结构进行可靠性量化计算，给出可靠性指标数值；

4)利用可靠性目标的设定方法，设定研究对象的可靠性目标；

5)设定研究对象的边界条件，如投资约束、需遵循的相关导则等；

6)利用基于可靠性的配电网规划方法，提出研究对象的中压配电网目标网架结构，包括接线方式、设备选型、建设标准、配电自动化水平、通讯方式和接入的客户类型等方面提出具体要求，并充分考虑未来分布式电源、储能、电动汽车充电设施接入的适应性；

7)利用配电网可靠性评估方法对备选目标网架结构进行可靠性量化评估，判断其是否达到可靠性目标，若没有达到可靠性目标，返回到第6)步，对目标网架结构进行微调；否则进入第8)步；

8)结合研究对象的现状网架结构，提出现状网架向目标网架改造过渡的详细方案，给出改造的最佳时机；

9)对改造过渡方案的投资进行估算，并对目标网架结构进行基于可靠性的成本效益分析；

10)判断投资总额和基于可靠性的成本效益分析是否满足要求，若不满足要求，返回到第6)步，对目标网架结构进行微调；否则生成最终目标网架结构。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.基于可靠性规划的中压配电网目标网架结构优化决策方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)确定研究对象，提炼出所述研究对象的网架结构；

(2)调研国内外配电网的网架结构及规划管理理念，借鉴实践经验；

(3)选择配电网可靠性评估方法和评估软件，并对所述国内外配电网的典型网架结构进行可靠性量化计算，给出可靠性指标数值；

(4)设定所述研究对象的可靠性目标；

(5)设定所述研究对象的边界条件；

(6)利用基于可靠性的配电网规划方法确定备选目标网架结构；

(7)利用配电网可靠性评估方法对备选目标网架结构进行可靠性量化评估，判断其是否达到可靠性目标，若没有达到可靠性目标，返回到步骤(6)，对所述目标网架结构进行微调；否则进入步骤(8)；

(8)结合所述研究对象的现状网架结构，提出现状网架结构向目标网架改造过渡的详细方案，给出改造的最佳时机；

(9)对所述改造过渡方案的投资进行估算，并对所述目标网架结构进行基于可靠性的成本效益分析；

(10)判断投资总额和基于可靠性的成本效益分析是否满足要求，若不满足要求，返回到步骤(6)，对所述目标网架结构进行微调；否则生成最终目标网架结构；

所述研究对象为几根线路、一个小区、一座城市或一个省甚至更大范围；

所述配电网可靠性评估方法为解析法，所述解析法包括最小路法、等值法和最小割集法；

所述配电网可靠性目标设定包括监管部门设定的目标、基于以往平均性能的目标、基于以往“可接受”性能的目标、任意设定的目标、基于定额预算的目标和基于商业框架的目标；

所述目标网架结构包括接线方式、设备选型、建设标准、配电自动化水平、通讯方式和接入的客户类型；

监管部门设定的目标包括根据可靠性电价或将奖罚公式应用到电力企业的电价表来设定可靠性目标或电力企业和监管部门通过合作共同确定可靠性目标；

基于以往平均性能的目标为过去5～10年的性能取平均值，将该平均值作为一项目标；

基于以往“可接受”性能的目标为用历史性能来确定的可靠性目标；

任意设定的目标为超过电力企业过去性能的目标值；

基于定额预算的目标为最低支出的帕累托曲线，被明确选定的预算总金额指示电力企业可以实现的最佳可靠性目标；

基于商业框架的目标指的是基于盈利目标或商业框架设定可靠性目标；

在基于可靠性的配电网规划流程中，网架结构和容量规划共同构成联络设计和故障下的负荷转移设计；如果得到目标网架结构不满足可靠性要求，不需要大的调整，只需要对开关的位置、保护的位置进行微调，要考虑对开关切换速度进行微调，以达到可靠性目标；

利用中压配电网目标网架结构，包括接线方式、设备选型、建设标准、配电自动化水平、通讯方式和接入的客户类型方面，并充分考虑未来分布式电源、储能、电动汽车充电设施接入的适应性，实际操作性强，能够指导电网的规划、建设与改造工作。