CN112598149B - 一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，该方法对待构建的配电网的电网拓扑结构和负荷曲线进行数据收集；根据负荷曲线计算不同负荷组合的先后顺序；按先后顺序改变负荷接入方式进行供区优化；建立基于供区优化的供电能力提升数学模型，计算供电能力提升幅度；计算不同供区划分方案的综合收益结果；综合收益最大的供区划分方案对应的配电网网架即为目标网架方案。与现有技术相比，本发明通过供区优化能够显著提高供电单元可用供电能力，降低负荷峰值，平滑供电单元日负荷曲线，提升负荷率。

Description

一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法
技术领域
本发明涉及电力系统配电网网架构建技术领域，尤其是涉及一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法。
背景技术
配电网最大供电能力(Total Supply Capability，TSC)是指给定结构和参数的配电网在满足容量、功率等运行约束和所有馈线N-1校验约束的条件下所能提供的最大供电负荷。这个最大供电负荷主要受主变容量约束、主变之间的转供能力、馈线运行参数、馈线联络情况等的影响。
因配电网的最大供电能力受主变容量约束、馈线容量约束、主变与主变站内站外联络情况、馈线与馈线联络情况、现有负荷分布情况的影响。为提高区域最大供电能力，目前一般采用新增电网布局的方式，然而新增线路需要增加线路通道和出线间隔，容易造成不同电压等级电网资源的浪费。
配电网网格化构建是以主干道路、河流湖泊山脉、行政区域、负荷类型等因素进行分片区、地块网格化进行规划，使供电单元的供电范围清晰、边界明确，这对于配电网的“标准化”、“差异化”、“精益化”建设要求具有重要意义。另一方面，这种配电网网架构建方法会导致构建结果中负荷类型相同的区域规划到一个供电单元中，从而导致供电单元内负荷并不匹配，会有供电单元整体负荷率较低、负荷曲线波动较大、负荷同时率较高、设备利用率低等问题。此外，在现行配电网网格化规划中，当现有线路不满足供电能力要求时，需要新增接线单元来提高供电能力，需要增加线路、出线间隔及相应投资，大大提高了成本。
发明内容
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不改变主网架结构、不新增主线和出线间隔的情况下，通过供区优化，以增加用户接入线路长度的代价使各个馈线段负荷错峰和同时率降低，进而提高整体供电能力的基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，该方法包括如下步骤：
S1：对待构建的配电网的电网拓扑结构进行数据收集；收集的数据包括配电网的元件参数和负荷信息，所述负荷信息包括各个供电单元中开关站或环网站的负荷峰值，以及负荷错峰效应后的最高负荷、可用供电能力和负荷率。
S2：根据收集的数据，通过负荷接入方法进行供区优化；
通过负荷接入方法进行供区优化的具体实现方式包括以下一种方式或多种方式的组合：
通过负荷接入不同环网站或开关站实现供区优化；通过负荷接入不同架空分段实现供区优化；通过双环网开关站I、II段母线调整实现供区优化；以及通过不同单环网互换部分环网站实现供区优化。
S3：对已供区优化的供电单元，建立基于供区优化的供电能力提升数学模型；建立的基于供区优化的供电能力提升数学模型包括供电能力提升收益模型、供区优化费用模型和供电能力综合收益模型。
S4：选取适用待构建的配电网的电网拓扑结构的供电能力提升数学模型；
S5：根据步骤S4选取的合适的供电能力提升数学模型，计算各个供区划分方案的综合收益；
S6：根据各个供区划分方案的综合收益大小，获取目标网架接线方案。
步骤S3中，所述供电能力提升收益模型的表达式为：
式中：CATSC为供电能力提升收益，Cline为单环网接线中单回供电半径为某长度的10kV线路平均造价，pline为单环网接线中单回线路的供电能力，ΔATSC为提升的供电能力数值。进一步地，单环网接线中单回线路的供电能力为其额定容量的1/2。
所述供区优化费用模型的表达式为：
Copt＝c0k1∑li
式中：Copt为供区优化费用，c0为10千伏线路的材料和施工单价，li为第i根改动线路的始末端长度，k1为改动线路的弯曲系数，其值为线路实际长度与线路首末端直线距离的比值。
所述供电能力综合收益模型的表达式为：
Ccomp＝CATSC-Copt
式中：CATSC为供电能力提升收益，Copt为供区优化费用，若计算出供电能力综合收益Ccomp大于0，则供区优化方案可行；反之则不可行。
步骤S4中，若待构建的配电网的电网拓扑结构只考虑供电能力提升，不考虑经济性，则选取所述供电能力提升收益模型作为供电能力提升目标函数；若综合考虑供电能力提升和经济效益，则选取所述供电能力综合收益模型作为供电能力提升目标函数，按照选取的目标函数计算各个供区划分方案的优劣情况。
步骤S5中，计算各个供区划分方案的优劣指标包括优化前后的最高负荷、可用供电能力、负荷率、负荷曲线和供区优化划分示意图。
本发明提供的基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
一、本发明采用基于母线调整的开关站供区优化来提升供电能力，仅仅改变负荷在同一开关站中的挂接方式，无需新增任何电力设施和投资，可有效节约成本；
二、选用基于接线调整的开关站供区优化来提升供电能力，改变接线单元中的开关站组合方式，但不改变配电网主网架结构、不新增主线和出线间隔，同时计算因开关站组合方式改变的投资和现行网格化规划中新增接线单元的投资进行比较后确定开关站接线调整是否可行，确保开关站调整方案同时满足供电能力提升和投资减少的要求；需要特别说明的是，即使是在同样接线单元的情况下，本发明通过差异化负荷匹配，使得同一接线单元中各个馈线段负荷错峰互补，和仅依据地理因素进行接线单元供区划分的方法相比，可降低最大负荷，平滑最高负荷曲线，提升负荷率，是对现有网格化规划的改进。
附图说明
图1为实施例中基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法的流程示意图；
图2为不同环网站间供区优化示意图；
图3为架空线路负荷调整示意图；
图4为基于母线调整的开关站供区优化示意图；
图5为基于接线调整的开关站供区优化示意图；
图6为供电单元电源示意图；
图7为供区优化算例电气接线图；
图8为供电单元供区划分图；
图9为实施例中开关站K1～K6的I母日负荷曲线；
图10为实施例中K1～K6的II母日负荷曲线；
图11为实施例中环网站H1～H6的日负荷曲线；
图12为实施例中环网站H7～H12的日负荷曲线；
图13为实施例中基于供电能力提升的供区优化示意图；
图14为实施例中基于供电能力提升的供电单元主接线优化示意图；
图15为实施例中基于供电能力提升的供区优化示意图；
图16为实施例中基于供电能力提升的各供电单元供区优化后负荷曲线；
图17为实施例中基于经济性最优的供区优化示意图；
图18为实施例中基于经济性最优的供电单元主接线优化示意图；
图19为实施例中基于经济性最优的供区优化示意图；
图20为实施例中基于经济性最优的各供电单元供区优化后负荷曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，网架构建以最大化提升供电能力为目标，供电能力提升计算时考虑各类负荷的差异性和互补性，通过供电区域合理划分实现最优负荷匹配，建立了基于供区优化的供电能力提升方法，其中配电网的拓扑、负荷曲线信息和供电单元的基础供区划分为电网现状信息，在此基础上详细介绍本发明的实施过程。
基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法具体包括如下步骤：
步骤1：输入配电网拓扑、元件参数和负荷信息。
本实施例以一个双环网接线单元和两个单环网接线单元进行说明，如图6所示。算例中，变电站出线都为电缆，最大载流量为7MW。无论单环网或双环网接线单元，考虑满足N-1约束时，负载率为50％，单根电缆的允许最大负荷为3.5MW。
电气接线图如图7所示，双环网供电单元从A变引出的线路为A1线和A2线，从B变引出的线路为B1线和B2线；单环网1供电单元从A变引出的线路为A3线，从B变引出的线路为B3线；单环网2供电单元从A变引出的线路为A4线，从B变引出的线路为B4线。
三个供电单元的供区划分图如图8所示，双环网供电单元的A串的供区范围为第1行和第2行网格所覆盖的面积，双环网供电单元的B串的供区范围为第3行和第4行网格所覆盖的面积；单环网1供电单元的供区为第1行至第3行网格所覆盖的区域，单环网2供电单元的供区为第4行和第5行网格所覆盖的区域。
双环网的A串负荷，即双环网中开关站的I母负荷都为相同类型负荷，编号分别为用户1-1～用户1-6，开关站K1～K6的I母的日负荷曲线如图9所示(该曲线类型可以为任何负荷类型曲线，并非指定曲线，下同)；双环网的B串负荷，即双环网中开关站的II母负荷都为相同类型负荷，编号分别为用户2-1～用户2-6，开关站K1～K6的II母的日负荷曲线如图10所示。
单环网接线1中环网站负荷编号分别为用户3-1～用户3-6，环网站H1～H6的日负荷曲线如图11所示；单环网接线2中环网站负荷编号分别为用户4-1～用户4-6，环网站H7～H12的日负荷曲线如图12所示。
各个供电单元中开关站或环网站的负荷峰值如表1所示，合计最高负荷为25.61MW。
表1开关站(环网站)负荷峰值(MW)
步骤2：进行基于最优负荷匹配的供电区域划分。
对于不同供电单元线路之间，通过供区优化将不同用电习惯的用户负荷组合，能够使两线路的负荷峰值都降低。对于同一供电单元中，考虑满足N-1约束，虽然供电单元内部负荷在不同分段(架空线路一段线路或支线、电缆网络中开关站或环网站)之间调整不能提高该供电单元整体的供电能力，但是能够提高单个分段(架空线路一段线路或支线、电缆网络中开关站或环网站)的负荷接入能力。下面对本发明中最优负荷匹配的供电区域划分方法和操作步骤进行详细说明。
首先对待优化区域中所有用户日负荷曲线进行归一化处理，将每个用户的最高负荷均设为1，使日负荷曲线中各个时刻的负荷值都介于0到1之间，然后对系统中的各负荷用户两两组合，分别进行各个组合之间的逐时负荷求差运算，公式为：
Δi＝L1i-L2i (1)
上式中，Δi为两负荷用户之间不同时刻的负荷差值，，L1i为用户(或1段线路负荷或1段母线负荷或1座开关站负荷或1座环网站负荷)1的负荷曲线各时刻的取值，L2i为用户(或1段线路负荷或1段母线负荷或1座开关站负荷或1座环网站负荷)2的负荷曲线各时刻的取值，i为时间从0时到23时的取值。分别对两用户(或1段线路负荷或1段母线负荷或1座开关站负荷或1座环网站负荷)之间24小时的负荷曲线进行分时求差，取每时刻差值的绝对值进行累加运算得：
根据公式(1)和公式(2)对网架中的用户(或1段线路负荷或1段母线负荷或1座开关站负荷或1座环网站负荷)负荷进行两两组合，分别计算每组的负荷差值，得到Ciz的值并进行排序，按照Ciz从大到小的顺序选取相应负荷组合作为最优负荷匹配的供电区域。
供区优化分别通过以下4种方式实现：
方式1：通过用户接入不同架空分段实现供区优化，如图3中，不同架空线路中用户的改接方式和网络的运行方式的调整实现负荷的灵活匹配。
方式2：通过用户接入不同环网站或开关站实现供区优化，如图2中，用户1-2从分段H1接入改为从分段H2接入。
方式3：通过双环网开关站I、II段母线调整实现供区优化，如图4中，可以通过改变用户接入不同母线实现，也可以通过I、II段母线互换实现。
方式4：通过不同接线单元中开关站或环网站互换实现供区优化，如图5所示。第一个单环网由环网站H1～H6组成，第二个单环网由环网站H7～H12组成，通过更改部分接线优化后，第一个单环网由环网站H1～H3、H10～H12组成，第二个单环网由环网站H4～H9组成。
本发明基于供区优化为目的提出了以上四种具体的优化方式，其中方式1是针对系统中架空线路进行优化，提升其供电能力；余下三种方式是对系统中电缆线路负荷进行优化分区，降低同时率，提高供电能力。
本实施例是单环网和双环网接线，均为电缆接线，供区优化方式可以通过方式2、方式3、方式4实现，对架空网络可以通过方式1实现。
步骤3：计算供区优化前后的供电能力提升收益。
配电网网格化规划一般以地块用电需求为基础、目标网架为导向，将配电网供电区域按照主干道路、河流、行政区划等因素划分为若干供电网格，并进一步细化为供电单元，分层分级开展配电网规划。对于配电网网格化规划结果，整体上满足了供区划分明确、网架合理、负荷分配均衡的特点。但往往存在未考虑负荷匹配的问题，导致供电单元可用供电能力裕度较低、最大负荷利用小时数低的情况。通过部分不同性质负荷相互挂接、供电范围微调的处理，能够进一步释放现有网架的供电能力。涉及到供电能力提升的三个目标分别按照下述公式(3)～(5)计算。
1)供电能力提升收益模型
提高已有线路的供电能力减缓电网的投资，减少不必要的电网建设项目。通过对配电网网格化规划结果进行供区微调优化，使不同特性负荷搭配在同一馈线段能够降低负荷同时率，充分释放馈线段的供电能力。为了量化衡量增加的供电能力的经济效益，可以从减缓电网投资的角度计算供电能力提升收益CATSC，表达式如下：
式中，Cline为目前单环网接线中单回供电半径为5km长度的10kV线路平均造价，单位为万元，pline为单回线路的供电能力，单位为MVA，单环网接线中供电能力一般为其额定容量的1/2。ΔATSC为提升的供电能力数值，单位为MVA。
2)供区优化费用模型
在网格化规划的基础上，调整供区能够实现不同负荷的错峰效果，但同时也会增加主干网改造费用，这里简称为供区优化费用Copt，具体可以用下式表示：
Copt＝c0k1∑li (4)
式中，c0为10千伏线路的材料和施工单价，单位为万元/km；li为第i根改动线路的始末端长度，单位为km；k1为改动线路的弯曲系数，其值为线路实际长度与线路首末端直线距离的比值，一般取1.5。
3)供电能力综合收益模型
通过优化供区提升供电能力的综合收益Ccomp如下式：
Ccomp＝CATSC-Copt (5)
经过计算若供电能力综合收益Ccomp小于等于0，则不可行；反之若大于0，则供区优化方案可行，对于不同的供区划分，供电能力提升幅度不同，且数值越大越好。
步骤4：选取合理供电能力提升模型并计算各方案效益
如果只考虑供电能力提升，不考虑经济性，则可以选取公式(3)作为供电能力提升目标函数；如果综合考虑供电能力提升和经济效益，则选取公式(5)作为供电能力提升目标函数。按照选取的目标函数计算各个供区划分方案的供电能力综合收益。
步骤5：得到供区调整最优方案及对应配电网网架
根据步骤4选取的目标函数计算各个供区优化划分方案的具体参数，其中包括供电能力提升收益CATSC，供区优化费用Copt以及供电能力综合收益Ccomp，选取供电能力综合收益Ccomp最大的方案作为最优方案，该供区划分结果对应的配电网网架即为本发明所构建的网架。
(1)以供电能力提升最大化为目标的供区优化
不考虑经济性，只从最大化供电能力提升角度进行供区优化调整，得出优化方案为：双环网1中开关站K1、K4、K5两段母线负荷互换，单环网中环网站H2—H8，H4—H10，H5—H11供区负荷两两互换，优化方案示意图如图13所示。
对优化后网络进行考虑负荷错峰效应后最高负荷、可用供电能力、负荷率进行分析，得出表2数据，双环网单串和单环网的最高负荷都不同程度地下降，可用供电能力都得到了提升，整体上可用供电能力提升了7.12MW，负荷率都得到了较大幅度提升，提升幅度达到了10％～30％。
表2供电单元优化后参数
供区优化可以通过调整负荷接入位置实现，即通过改变开关站(环网站)出线来实现，也可以通过改变供电单元主接线来实现，示意图如图14所示，图中虚线部分为主接线改动部分。具体实施的时候，两种方法可以综合使用。供区调整结果如图15所示，可以看出调整后的供区划分打破了网格化供区划分的原则，出现了供区交叉的情况。
供区优化后，各个供电单元负荷曲线变化如图16所示。可以看出各个供电单元在供区优化后，变化趋势更加平稳，达到了负荷“削峰”的目的。
(2)以经济性最优和供电能力提升的供区优化
供电能力提升收益以当期配电网主干网络投资综合费用计算，本实施例中单回10kV线路平均长度5km，造价400万元，供电能力是3.5MW，则计算每MW供电能力综合费用为400/3.5＝114.29万元/MW，该值作为供电能力提升收益的单价。各个供电单元中，对应开关站(环网站)供区优化费用如表3所示。
表3供区优化费用
考虑经济性，得出的优化方案为：双环网1中开关站K1、K4、K5两段母线负荷互换，单环网中环网站H3、H4、H5与H9、H10、H11供区负荷互换，优化方案示意图如图17所示。
对优化后网络进行考虑负荷错峰效应后最高负荷、可用供电能力、负荷率进行分析，并与原始网络进行对比，得出表4数据，双环网单串和单环网的最高负荷都不同程度地下降，可用供电能力都得到了提升，整体上可用供电能力提升了6.83MW，较前面不考虑经济性的可用供电能力提升7.12MW略微降低，负荷率都得到了较大幅度提升，提升幅度达到了10％～28％。
表4供电单元优化后参数
改造后总收益为480.61万元，其中供电能力提升收益为780.61万元，双环网1的供区优化费用为130万元，单环网1和单环网2的供区优化费用为170万元。供区优化通过改变供电单元主接线来实现的示意图如图18所示。供区调整如图19所示。
基于经济性和供电能力提升优化后，各个供电单元负荷曲线变化如图20所示。可以看出各个供电单元在供区优化后，相比于原始曲线变化趋势更加平稳，都达到了负荷“削峰”的目的。
各供电单元优化前后综合对比如表5所示。表中，优化后最高负荷总和大幅降低，可用供电能力总和提升了6.84MW，平均负荷率提升了22％，供电范围出现交叉的情况。
表5各供电单元优化前后综合对比
本发明首选采用基于母线调整的开关站供区优化来提升供电能力，仅仅改变负荷在同一开关站中的挂接方式，不新增任何电力设施和投资。选用基于接线调整的开关站供区优化来提升供电能力，改变接线单元中的开关站组合方式，但不改变配电网主网架结构、不新增主线和出线间隔，同时计算因开关站组合方式改变的投资和现行网格化规划中新增接线单元的投资进行比较后确定开关站接线调整是否可行，确保开关站调整方案同时满足供电能力提升和投资减少的要求；需要特别说明的是，即使是在同样接线单元的情况下，本发明通过差异化负荷匹配，使得同一接线单元中各个馈线段负荷错峰互补，和仅依据地理因素进行接线单元供区划分的方法相比，可降低最大负荷，平滑最高负荷曲线，提升负荷率，是对现有网格化规划的改进。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明中供电能力提升的幅度要根据具体负荷特性而定，本实施例中的提升幅度为基于实施例中的负荷特性和网络结构计算得出。但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)对待构建的配电网的电网拓扑结构进行数据收集；
2)根据收集的数据，通过负荷接入方法进行供区优化，具体实现方式包括以下一种方式或多种方式的组合：
通过负荷接入不同环网站或开关站实现供区优化；通过负荷接入不同架空分段实现供区优化；通过双环网开关站I、II段母线调整实现供区优化；以及通过不同单环网互换部分环网站实现供区优化；
3)对已供区优化的供电单元，建立基于供区优化的供电能力提升数学模型，建立的基于供区优化的供电能力提升数学模型包括供电能力提升收益模型、供区优化费用模型和供电能力综合收益模型；
所述供电能力提升收益模型的表达式为：
式中：CATSC为供电能力提升收益，Cline为单环网接线中单回供电半径为某长度的10kV线路平均造价，pline为单环网接线中单回线路的供电能力，ΔATSC为提升的供电能力数值；
所述供区优化费用模型的表达式为：
Copt＝c0k1∑li
式中：Copt为供区优化费用，c0为10千伏线路的材料和施工单价，li为第i根改动线路的始末端长度，k1为改动线路的弯曲系数，其值为线路实际长度与线路首末端直线距离的比值；
所述供电能力综合收益模型的表达式为：
Ccomp＝CATSC-Copt
式中：CATSC为供电能力提升收益，Copt为供区优化费用，若计算出供电能力综合收益Ccomp大于0，则供区优化方案可行；反之则不可行；
4)选取适用待构建的配电网的电网拓扑结构的供电能力提升数学模型；
5)根据步骤4)选取的合适的供电能力提升数学模型，计算各个供区划分方案的综合收益，计算各个供区划分方案的优劣指标包括优化前后的最高负荷、可用供电能力、负荷率、负荷曲线和供区优化划分示意图；
6)根据各个供区划分方案的综合收益大小，获取目标网架接线方案。
2.根据权利要求1所述的基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，其特征在于，步骤1)中，收集的数据包括配电网的元件参数和负荷信息，所述负荷信息包括各个供电单元中开关站或环网站的负荷峰值，以及负荷错峰效应后的最高负荷、可用供电能力和负荷率。
3.根据权利要求1所述的基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，其特征在于，步骤4)中，若待构建的配电网的电网拓扑结构只考虑供电能力提升，不考虑经济性，则选取所述供电能力提升收益模型作为供电能力提升目标函数；若综合考虑供电能力提升和经济效益，则选取所述供电能力综合收益模型作为供电能力提升目标函数，按照选取的目标函数计算各个供区划分方案的优劣情况。
4.根据权利要求1所述的基于差异化负荷匹配的配电网网架构建方法，其特征在于，单环网接线中单回线路的供电能力为其额定容量的1/2。
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