CN103793757A - 一种层级式模块化电网规划方案优化方法 - Google Patents

Abstract

一种层级式模块化电网规划方案优化方法，该方法包括：（1）采用区县级规划单元作为本方法计算体系中的最小单位，利用分供系数解决互联区域容载比计算的问题。（2）基于本方法建立的计算体系，定量求取目标区域内各指标不平衡程度，如最大负荷不平衡度、同时率不平衡度、容载比不平衡度。（3）容载比对项目的敏感性分析，方法提出敏感性系数的概念，以衡量项目投产对区域容载比的影响。（4）新的规划期内负荷预测方法，子方法利用层级式模块化分析思想，首先将整个负荷预测工作按照一定规则分成不同层次负荷预测，再逐层求取各层负荷自然增长率，最后自下而上地求取各层电网在规划期末的最大负荷。

Description

一种层级式模块化电网规划方案优化方法

技术领域

本发明涉及一种层级式模块化电网规划类指标计算方法，属于电气工程规划技术领域。

背景技术

电网规划类指标是规划方案制定的基础，也是规划工作面临的最根本问题。随着电网建设资金的长期紧张，电网发展的内外部管理要求的日渐提高，特别是随着，大规划体系，探讨和实践的深入，要求电网规划必须对未来2年的电网项目做到精益化规划，电网规划业务的信息化也由此被提上日程。要实现规划业务信息化，就必须保证基础数据的准确性和规范性。因此，加强对一些基础而经典的定义进行梳理是十分有必要的。

比如，负荷预测作为整个电网规划的基础工作，流程如图一所示。其中颇有一些概念是模棱两可存在争议的，负荷预测两个基本因素是负荷现状和负荷增长率，负荷现状即年最大负荷，又分变电站年最大负荷和区域年最大负荷，其中变电站年最大负荷并不具备稳定性。当年来看，可能由于其他电气元件故障导致某一时段该站负荷激增。长期来看，区域内新建变电站会分流重载变电站的负荷导致其年最大负荷下降之后再重新增长，考虑到这一特性，因此电网规划通常采用的是区域年最大负荷作为负荷现状。本方法重点对区域年最大负荷这一基础而经典的定义做研究分析。

传统的电网规划更多的是侧重于框架性和战略性，因此对于区域年最大负荷的精细度要求并不高，《城市电力网规划设计导则》和《农村电力网规划设计导则》，均未给出科学合理的准确定义，技术人员在实际的电网规划实践中，由于认识的差异会产生不少偏差和混乱，在规划业务信息化和管理精益化的要求下，这些问题尤为放大，如果不能规范区域年最大负荷的定义，那么，大规划，体系及规划业务信息化自起点开始就会处于一个混沌争议的状态。从而影响到，大规划，体系及规划系统的设计与实施。具体来说，区域年最大负荷至少在以下五个方面存着争议。

1）层级少。区域年最大定义是分层次定义的，省级电网传统规划是将年最大负荷分为省、市、县，3个层次进行定义，并在此基础上进行容载比分析，作为变电站布点的重要依据。实际上，由于地域广大、发展不平衡，整体容载比合格并不能说明局部没有容载比过低的情况。如赣州供电区某年220kV容载比为1.86，而其南部220kV容载比仅有1.54；吉安城网某年110kV容载比为1.68，而其青原区110kV容载比仅有1.25。由此可以看到，仅3层体系的容载比分析无法准确表征江西变电容量缺额的全貌，在规划评审和投资安排中，极容易引起争议。因此，近年江西电网规划已经开始将年最大负荷由3层细化为5层。在省与市之间，增加，分部，的概念，如中部、东部、南部、西部、北部。在市与县之间，增加分片的概念，如赣州供电区分为中西片、东片(南片)城市电网继续细分至分区，如吉安市分为吉州区、青原区、井开区，最终形成省、分部、市、分片、县域（城网分区）等5个层次的年最大负荷。

2）缺乏分电压等级的描述。区域年最大负荷并不像某一区域的土地面积那样是一个固定不变的单纯数学量，它是一个与电压等级息息相关的物理量。一方面，域年最大负荷与总加模式有关，各电压等级计算出来的年最大负荷结果并不一样。对同一区域，如市级的年最大负荷总加模式得出的取值结果是不一样的，产生差异的主要原因在于专用变电站负荷和电源出力的计入规则不一样。另一方面，描述区域年最大负荷，所采用的某电压等级的结果，必须与其供电区域范围大小相适应，只有这样相应计算得出的容载比才有意义。

3）电源出力计入原则不清晰。年最大负荷的总加模式中，电源出力也是因子之一。省内电源分为网调、省调、地调、县调。500kV电源由网调调度，220kV及少部分重要110kV电源由省调调度。110kV及少部分重要35kV电源由地调调度，35kV及以下重要电源由县调调度。

目前争议颇大的是市（分片）年最大负荷总加模式。市（分片）年最大负荷总加模式为“区域内220kV变电站负荷+110kV联络断面+110kV电源出力”。争议即在110kV电源出力。过去，由于数据采集手段的限制，省调只能采集省调110kV电源出力，从而在负荷总加模式中忽略了地调110kV电源出力。年最大负荷是计算容载比的重要依据。从理论上说，如果总加模式纳入了110kV电源出力，计算网供负荷时再相应减去之，那么与不将其纳入的容载比计算结果基本一致；2种总加模式的应用差别只是在于后者计算得出的同时率会比前者偏小。但在实际工作中，由于概念混淆，原理不清楚，常有地市公司规划工程师在编制规划报告时，年最大负荷取值包含110kV地调电源出力，容载比计算时又未将之扣除，出现网供负荷偏大、变电容量缺额过大的计算结果。

4）专用变负荷计入原则不清晰。年最大负荷是否需要纳入专用变电站负荷，这个问题各类导则同样没有一个明确的定义，年最大负荷不仅是一个电压等级与供电范围相适应的物理量，上下级之间还有着清晰明确的逻辑关系，上一级的公用变电站负荷中包括了下一级的专用电站变负荷，所以专用变电站计入年最大负荷的方式与电压等级、供电范围有关。具体来说，县域年最大负荷必须计入110kV专用电站变负荷，但不能计入220kV专用变电站负荷；市、分片的年最大分负荷必须计入220kV专用变电站负荷。否则，计算结果无法与上一级的年最大负荷匹配。

5）县公司资产变电站负荷易被漏算。根据国家电网公司对于规划业务“纵到底，横到边”的要求，县公司资产变电站负荷必须计入县域年最大负荷。这是毫无疑义的，但是在规划实践中，仍然经常会发现各市、县公司此类问题理解模糊，或者习惯性地漏算。有的时候市公司做统计计算时，会漏算县公司资产的变电站负荷。反过来县公司做统计计算时，也会漏算省公司资产的变电站负荷。

发明内容

本发明的目的是，根据传统电网规划存在的问题，本发明给出了当前年和规划期内区域同时率、计算负荷峰值、区域容载比、区域负荷增长率的计算方法，使电网规划方案比选可考虑负荷年均增长、地区差异和公用/专用变压器产生的影响，然后结合项目对区域电网容载比进行敏感性分析，并结合现状简要计算规划期末区域电网负荷发展情况，最后实现对不同区域电网规划方案的经济性、可靠性比较。

实现本发明的技术方案是，本发明方法基于能量管理系统（EMS）中数据，求取省、分部、市、分片、区县级五个层次规划单元下的最大负荷，结合规划方案分别计算电网规划类指标同时率、容载比、增长率、不平衡度，最后将规划项目按照容载比超标关联度划分，分析项目对容载比改善的敏感性，优化电网规划方案。

本发明包含以下步骤：

第一步，区域内各层级最大负荷的确定

分片最大负荷=Σ区县级规划单元最大负荷+区内220kV专变所带负荷（1）；

市公司最大负荷=Σ分片最大负荷+区内220kV专变所带负荷

=Σ区县级规划单元最大负荷+区内220kV专变所带负荷（2）；

分部最大负荷=Σ市公司最大负荷－Σ区外110kV联络线－110kV电源出力（3）；

全省最大负荷=Σ市公司最大负荷－110kV电源出力  （4）；

第二步，区域内各层级同时率、容载比的确定

同时率：

区县级规划单元同时率=1  （5）；

分片级同时率=（分片最大负荷－220kV专变）/Σ县公司最大负荷 （6）；

市级同时率=（市公司最大负荷－220kV专变）/Σ县公司最大负荷 （7）；

分部级同时率=分部最大负荷/Σ市公司最大负荷   （8）；

省级同时率=全省最大负荷/Σ市公司最大负荷   （9）；

容载比：

利用分供系数解决区域容载比难以计算的问题，分供系数表征某变电站对本区域和相邻区域供电的现象和解决单一变电站内容量分配的问题。

假设变电站A同时给区域1和区域2供电，那么变电站A对区域1的分供系数由下计算：

变电站A对区域2的分供系数由下计算：

第三步，区域内各层级下不平衡度类指标的确定

本发明方法考虑三种指标的不平衡度，分别是最大负荷不平衡度、同时率不平衡度、容载比不平衡度，其中最大负荷不平衡度和同时率不平衡度从不同角度反映现状电网负荷分布的不均匀度，而容载比不平衡度表征现有电网变电容量分布的差异性。对于最大负荷不平衡度或者同时率不平衡度比较高的地区，需特注意规划方案是否导致容载比超上限或者低下限；对于容载比不均衡度较高的地区，需特注意规划方案是否经济合理，是否存在短时务必要投产的建设项目。

空间两点之间的距离，点x=(x₁,...,x_n)和y=(y₁,...,y_n)之间的距离d为：

$d(x,y):=\sqrt{{(x_1-y_1)}^2+{(x_2-y_2)}^2+\·\·\·{+(x_n-y_n)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}}{(x_i-y_i)}^2$

某地区在现状（或规划年）具有子区域m个，各子区域内最大负荷为load_i，同时率为cf_i，容载比为lfactor_i；

其中

分别是最大负荷、同时率、容载比的2次远原点距的开方。原点矩是统计学中的一类统计量，它是统计变量X常用的数字特征，N次原点矩就是变量N次方的期望值，表达式如下：

N阶原点矩=E(X^N)

几何面的重心可由坐标2次原点矩表示。

需要注意的是，地区专用变电站的建设与企业发展情况相关而与整体电网发展关系不大，在部分地区（例如居民区），区域发展与公用变电站规模增长成正相关关系，而与专用变电站规模成反相关关系；在部分地区（例如工业区），区域发展与专用变电站规模成正相关关系，而与公用变电站规模增长成反相关关系。因此，本方法中的不平衡度指标剔除专用变电站的影响，如区县级规划单元和分片电网剔除110kV专变的影响，市公司、分部电网和省电网剔除220及以上专变带来的影响。

第四步，区域内各层级规划期末负荷规模预测值的确定。

本方法利用层级式模块化分析思想，首先将整个负荷预测工作按照一定规则分成不同电网层次负荷预测，再逐层求取各层负荷增长率，最后自下而上地求取各层电网在规划期末的最大负荷。

县公司（城网分区计算办法类似县公司）：

规划水平年最大负荷=（现状最大负荷－专变负荷）×公网增长率+110kV专变负荷  （18）；

分片：

规划水平年最大负荷=（Σ县公司规划水平年最大负荷）×分片级同时率+220kV专变  （19）；

市公司：

规划水平年最大负荷=（Σ县公司规划水平年最大负荷）×市级同时率+220kV专变  （20）；

分部：

规划水平年最大负荷=（Σ市公司规划水平年最大负荷）×分部级同时率（21）；

全省：

规划水平年最大负荷=（Σ市公司规划水平年最大负荷）×省级同时率（22）；

第五步，规划项目排序、归类，进行敏感性分析，以优化原规划方案。

本发明方法进行敏感性分析，提出用敏感性系数（sensitivity factor）来衡量规划期项目建设与区域容载比超标之间的可能性，某地区当年变电容量为a，某项目增加变电容量为p_i，地区当年最大负荷为l，地区负荷综合增长率为k_综合，项目对应分供系数为k_分供。负荷综合增长率是一个综合反映负荷预测、区域负荷同时率、负荷不平衡度等指标的负荷增长系数。

那么，地区内某项目的敏感性系数为：

可见系数越大，该项目对地区容载比变化的贡献越大，其物理意义是项目投产造成容载比增加率。利用以最大值标幺化后的敏感性系数，如式（19），把项目集分层1、2、3、4等几类，分类区间可根据数值相差程度和项目个数选取，系数越大的项目所在类别越靠前。对1、2、3、4等类中的项目组合进行分析计算，求取每个项目对区域容载比的影响程度，通过推迟或者取消某些项目以消除容载比超标情况和优化规划方案。

本发明的有益效果是，本发明给出了当前年和规划期内区域同时率、计算负荷峰值、区域容载比、区域负荷增长率的计算方法，使电网规划方案比选可考虑负荷年均增长、地区差异和公用/专用变压器产生的影响，然后结合项目对区域电网容载比进行敏感性分析，并结合现状简要计算规划期末区域电网负荷发展情况，最后实现对不同区域电网规划方案的经济性、可靠性比较。本发明规划方法切合实际，适合省级区域电网规划时使用。

附图说明

图1是电网规划工作流程图；

图2为电网各层最大负荷、同时率、预测负荷计算流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式以某市某年实际电网结构为基础，计算当年下地区电网的最大负荷、同时率、容载比等指标，并计算不平衡度类指标以制定初规划方案。基本规划方案制定后，结合以容载比敏感系数分类的项目集合，逐个逐类校验其对地区容载比不合格情况的影响性质，据此剔除或延迟投产个别项目，以保证地区容载比处于合格区间，最终实现规划方案的优化。

待分析电网基本情况如下表

     表一某市电网机构简况

(a)

	分片个数	区县级规划单元个数
			某市	2	4

(b)

	分片1	分片2
			区县1	√	–
区县2	–	√
			区县3	–	√
区县4	–	√

表二  某市各单元预测自然增长率

表三  规划方案规划简况

本实例通过以下步骤进行实施：

第一步，基于EMS中负荷整点数据，利用式（1）式、（2）、式（3）和式（4），计算市最大负荷、所含分片最大负荷、所含区县级规划单元最大负荷。

第二步，根据第一步计算所得数据，利用式（5）、式（6）、式（7）、式（8）和式（9）计算所含分片、所含区县级规划单元同时率。结合某市电网变电容量分布情况，利用式（10）、式（11）、式（12）、式（13）和式（14），计算所含分片、所含区县级规划单元容载比。

表四  某市最大负荷和变电容量情况

第三步，根据计算得出的分片、区县级规划单元的最大负荷、同时率、容载比，利用式（15）、式（16）和式（17），计算分片、区县级规划单元的不平衡度类指标。

表五  某市各单元不平衡度类指标

第四步，根据地区上报的负荷增长率，利用式（19）、式（20）、式（21）、式（22）和式（23），计算某市所包含的分片、区县级规划单元下规划期负荷增长的情况。

第五步，根据第二步计算得到的容载比，利用项目遍历的方式，计算各个项目对应的容载比敏感性系数，利用式（18），并将各项目归类。按照影响重要性，分别计算项目推迟或取消对地区容载比的影响。

表六  某市规划期末最大负荷和容载比情况

  表七项目对区域容载比影响

（a）对区县级规划单元2容载比影响情况

	容载比敏感性系数	分类	投产年
				A项目	1.00	1	2015
B项目	0.82	2	2015
				C项目	0	0	2015
D项目	0	0	2015

（b）对区县级规划单元3容载比影响情况

	容载比敏感性系数	分类	投产年
				A项目	0	2	2015
B项目	0.12	1	2015
				C项目	1.00	0	2015
D项目	0	0	2015

（c）对分片2容载比影响情况

	容载比敏感性系数	分类	投产年
				A项目	0.62	2	2015
B项目	0.43	3	2015
				C项目	1.00	1	2015
D项目	0.11	4	2015

根据表一至表七，可得出以下结论：

（1）根据表七的子表（a）能够看出，项目A投产对区县级规划单元2容载比的提高最明显，B项目次之，容载比敏感性系数分别为1.00和0.82。而且根据子表（c），项目A投产对片区2容载比的提高较B项目明显。因此，当A、B项目投产对实际运行必要性相同重要时，可规划A项目投产时间先于B项目。

（2）根据表七的子表（b）能够看出，项目C投产对区县级规划单元3容载比的提高最明显，B项目次之，容载比敏感性系数分别为1.00和0.12。而且根据子表（c），项目C投产对片区2容载比提高相较其他项目最为明显，而且由于现状片区2容载比处于一个较低水平，因此应规划项目C于最早投产时间。通过对容载比敏感性系数的计算分析，可优化制定四个项目的投产顺序为C->A->B->D。另外，在优选例子中项目总数较少，因此表七中每个分类只对应一个工程项目。但在实际规划工作中，表七中项目的某个分类（如1、2、3、4）将对应不止一个工程某项目，取消或延迟某个项目组合的投产，能够简单而有效地辅助分析出项目对容载比的影响，从而优化规划方案。

Claims (8)

1.一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述方法基于能量管理系统（EMS）中数据，求取省、分部、市、分片、区县级五个层次规划单元下的最大负荷，结合规划方案分别计算电网规划类指标同时率、容载比、增长率、不平衡度，最后将规划项目按照容载比超标关联度划分，分析项目对容载比改善的敏感性，优化电网规划方案；所述方法的步骤为：

（1）区域内各层级最大负荷的确定；

（2）区域内各层级同时率、容载比的确定；

（3）区域内各层级下不平衡度类指标的确定；

（4）区域内各层级规划期末负荷规模预测值的确定；

（5）规划项目排序、归类，进行敏感性分析，以优化原规划方案。

2.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述五个层次规划单元下的最大负荷为：

分片最大负荷=Σ区县级规划单元最大负荷+区内220kV专变所带负荷；

市公司最大负荷=Σ分片最大负荷+区内220kV专变所带负荷

=Σ区县级规划单元最大负荷+区内220kV专变所带负荷；

分部最大负荷=Σ市公司最大负荷－Σ区外110kV联络线－110kV电源出力；

全省最大负荷=Σ市公司最大负荷－110kV电源出力。

3.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述区域内各层级的同时率为：

区县级规划单元同时率=1；

分片级同时率=（分片最大负荷－220kV专变）/Σ县公司最大负荷；

市级同时率=（市公司最大负荷－220kV专变）/Σ县公司最大负荷；

分部级同时率=分部最大负荷/Σ市公司最大负荷；

省级同时率=全省最大负荷/Σ市公司最大负荷。

4.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述区域内各层级的容载比的确定采用区县级规划单元作为计算体系中的最小单位，利用分供系数解决互联区域容载比计算的问题；

5.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述各层级下不平衡度类指标为：

其中

分别是最大负荷、同时率、容载比的2次远原点距的开方；load_i为各子区域内最大负荷，cf_i为同时率，lfactor_i为容载比。

6.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述区域内各层级规划期末负荷规模预测值为：

县公司规划水平年最大负荷=（现状最大负荷－专变负荷）×公网增长率+110kV专变负荷；

分片规划水平年最大负荷=（Σ县公司规划水平年最大负荷）×分片级同时率+220kV专变；

市公司规划水平年最大负荷=（Σ县公司规划水平年最大负荷）×市级同时率+220kV专变；

分部规划水平年最大负荷=（Σ市公司规划水平年最大负荷）×分部级同时率；

全省规划水平年最大负荷=（Σ市公司规划水平年最大负荷）×省级同时率。

7.根据权利要求1所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述敏感性分析，用敏感性系数来衡量规划期项目建设与区域容载比超标之间的可能性，地区内某项目的敏感性系统公式为：

其中，a为某地区当年变电容量；p_i为某项目增加变电容量；l为地区当年最大负荷；k_综合为地区负荷综合增长率，k_分供为项目对应分供系数。

8.根据权利要求4所述的一种层级式模块化电网规划方案优化方法，其特征在于，所述分供系数表征某变电站对本区域和相邻区域供电的现象和解决单一变电站内容量分配的问题；

假设变电站A同时给区域1和区域2供电，那么变电站A对区域1的分供系数由下计算：

变电站A对区域2的分供系数由下计算：

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