一种功能区配电网精细化规划方法

摘要

本发明涉及一种功能区配电网精细化规划方法，其主要技术特点是：包括以下步骤：步骤1：通过收集功能区电网网架、负荷以及发展需求的数据，确定高压变电站的容量、位置及供电范围；步骤2：进行功能区高压配电网络规划；步骤3：进行功能区中压配电网络精细化规划，具体包括步骤3.1：建立小规模高压变电站组的典型互联结构；步骤3.2：结合高压变电站布点和供电范围，构建功能区电网变电站互联结构；步骤3.3：构建功能区电网中压网架方案；步骤3.4：计算中压馈线联络情况，给出中压网架的布线。本发明设计合理，为功能区配电网精细化规划提供了科学依据，具有设计合理、可靠性高、节约建设成本且便于维护等特点。

说明书

技术领域

本发明属于电力配电网技术领域，尤其是一种功能区配电网精细化规划方 法。

背景技术

城市电网是指在城市范围内为其提供和分配电力网络的总称。城市电网是 电力系统的重要组成部分，又是电力系统的负荷中心，具有用电量大、负荷密 度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。城市电网还是城市现代化建设的重 要基础设施之一，其建设、改造及运行的经济性和安全性既影响整个电力部门 的经济效益和广大电力用户的供电质量，又影响到城市整体功能的正常发挥。 根据电压等级及其在供电过程中所起到作用的不同，城市电网通常可分为输电 网（220kV及以上）、高压配电网（110kV和35kV）、中压配电网（20kV和10kV） 和低压配电网（380/220V）等，同时包括为它们提供电源的变电设施和发电设 施。

由此可知，城市配电网是城市电网的主体。电网是电力系统中传输电能的 重要环节，是有效利用电能的重要保障。配电网是电力系统到用户的最后一环， 它与用户的关系最为紧密，对用户供电可靠性和供电质量的影响也最为直接。 在一些主要发达国家中，电网投资在电力总投资中的比重一般都高于50%，而且 配电网投资不低于输电网投资。而在我国，由于长期以来所形成的“重发、轻 供、不管用”的局面，配电网建设一直处于投资不足的状态。20世纪90年代末 之前我国发电、输电、配电的投资比例大约是1：0.21：0.12。因此，导致了我 国发电、输电、配电发展不够协调，电厂有电送不出，用户需要又得不到，并 且电网的损耗高、电压低、供电不可靠、抵御意外事故和灾害的能力弱，因此， 电网尤其是配电网薄弱的结构已经成为电力系统供用电的瓶颈。

近年来，随着电网规划工作的深入进行，配电网设施逐步健全，配电网结 构趋于合理，配电网的供电可靠性、电能质量、供电经济性等方面都有了长足 的飞跃。而随着社会的发展，城市规划趋于区域化，城市功能显著提升，城乡 面貌发展根本性变化，独具特色的国际性现代化格局基本形成。城市规划的重 心逐渐向城市功能区规划转移，城市配电网规划也要求向功能区电网规划转移。 功能区电网通常规模较小，涉及的电压等级以及规划重心主要集中在中压网架 的设计上，如何针对面积有限、特点鲜明、具备一定指向性功能的小块城市配 电网进行中压网络的精细化规划是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、可靠性高的 功能区配电网精细化规划方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种功能区配电网精细化规划方法，包括以下步骤：

步骤1：通过收集功能区电网网架、负荷以及发展需求的数据，确定高压变 电站的容量、位置及供电范围；

步骤2：进行功能区高压配电网络规划；

步骤3：进行功能区中压配电网络精细化规划，具体包括以下步骤：

步骤3.1：建立小规模高压变电站组的典型互联结构；

步骤3.2：结合高压变电站布点和供电范围，构建功能区电网变电站互联结 构；

步骤3.3：构建功能区电网中压网架方案；

步骤3.4：计算中压馈线联络情况，给出中压网架的布线。

而且，所述步骤2进行功能区高压配电网络规划的方法为：采用的接线模 式和主接线方式，建立简单的功能区高压网架、规划功能区内配电变电站的电 源。

而且，所述步骤3.2构建功能区电网变电站互联结构的方法为：

步骤3.2.1：把功能区内变电站建立两两互联的结构，依次对每座变电站变 遍历其余变电站并建立互联关系；

步骤3.2.2：依据删除原则不合理互联关系，形成由合理互联关系构成雏形 联络互联结构；

步骤3.2.3：根据小规模高压变电站组的典型互联结构，通过增添或删减少 量互联关系，将功能区内变电站雏形联络互联结构构建成为与其最为相近的典 型结构。

而且，所述的删除原则为：

删减原则1：删除跨越天然或人为地理屏障的变电站互联关系；

删减原则2：删除超过临界距离变电站互联关系；

删减原则3：保证最终任一变电站的互联变电站总数不超过4，若某变电站 的互联变电站数超出，按照联络距离从大到小的顺次删除超出的互联关系。

而且，所述步骤3.3构建功能区电网中压网架的方法包括以下步骤：

步骤3.3.1：提取主变联络关系矩阵：

功能区内有n座变电站，对第i座站第j号主变重新编号为，并将标记为 Ni∑，取N∑=N1+N2+…+Nn，表示功能区的主变总台数；

给出主变联络关系矩阵L_link：

$L_{\mathrm{link}}=\left(\begin{array}{ccccc}{L}_{\mathrm{1,1}}& ...& L_{1,i}& ...& L_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ L_{i,1}& ...& L_{i,i}& ...& L_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ L_{N_{\Sigma },1}& ...& L_{N_{\Sigma },i}& ...& L_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

其中L_i,j表示第i台主变与第j台主变的联络关系（i=1,2,3，...,， j=1,2,3,...,），有联络关系时取L_i,j＝1，否则L_i,j＝0。且假定主变与自身之间 存在联络关系，即L_i,i=1；

步骤3.3.2：分析联络单元供电能力：

在主变联络关系矩阵中，由第i行向量中可以确定与第i台主变有联络关 系的主变最大负载情况，依此矩阵可定义下式表示的联络单元最大负载率矩阵：

$T=\left(\begin{array}{ccccc}{T}_{\mathrm{1,1}}& ...& T_{1,i}& ...& T_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ T_{i,1}& ...& T_{i,i}& ...& T_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ T_{N_{\Sigma },1}& ...& T_{N_{\Sigma },i}& ...& T_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

式中：

$T_{i,j}=L_{i,j}-(1-\frac{\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{L}_{i,j}{R}_j-R_i}{\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{L}_{i,j}{R}_j})$

步骤3.3.3：计算主变联络容量需求；

定义主变负荷转移矩阵来表示主变“N-1”校验时互联主变的负荷转带情况， 主变负荷转移矩阵如下式定义：

$\mathrm{Tr}=\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{Tr}}_{\mathrm{1,1}}& ...& {\mathrm{Tr}}_{1,i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{Tr}}_{i,1}& ...& {\mathrm{Tr}}_{i,i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },1}& ...& {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

式中：

Tr_i,j=R_j(1-T_i,j)

定义s_i，j为第i台主变和第j台主变间的联络容量需求；

s_i，j＝s_j，i=max(Tr_j，i，Tr_i,j)

步骤3.3.4：计算互联变电站间需求联络点数；

确定中压线路的接线模式，根据不同接线模式的线路负载率要求，计算每 条线路转供时的可用裕度，如下式所示：

m=R_l(1-t_l)

式中：

m——线路转供时的可用裕度；

R_l——单条线路的容量；

t_l——单条线路的允许运行负载率，该数值与线路采用的接线模式有关。

根据变电站间联络容量需求和线路转供时的可用裕度计算主变间应建立的 站间联络数，计算方法如下式：

$c_{i,j}=[\frac{{\mathrm{Tr}}_{i,j}}{m}+1]$

$c_{\mathrm{inter}}^{\left(z\right)}=\underset{i=N_z+1}{\overset{N_{z+1}}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{c}_{i,j}$

式中：

c_i，j——主变i和主变j之间需要的联络点数；

c_inter^(z)——变电站z总的站间联络数。

考察变电站总出线数，去掉站间联络数，剩余的线路建立站内联络，站内 联络数利用下式计算：

$c_{\mathrm{inner}}^{\left(z\right)}=\frac{N_l-c_{\mathrm{iner}}^{\left(z\right)}}{2}$

式中：

c_inner^(z)——变电站z总的站内联络；

N_l——数变电站总出线数。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其在对高压变电站进行选址定容分析后，根据功能区电 网结构简单的特点，利用典型模型理论进行高压网架构建和高压变电站互联结 构构建，典型模型无论从电网运行的安全性还是从设备利用的经济性都具有较 优的性质，使得功能区电网整体架构构建在较高的基础上；在中压网架布线前 提出中压网架联络方案，中压网架联络方案充分考虑到功能区电网供电能力的 发挥，为功能区配电网精细化规划提供了科学依据，具有设计合理、可靠性高、 节约建设成本且便于维护等特点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是小规模高压变电站组的典型互联结构示意图；

图3是功能区电网变电站互联结构的构建流程图；

图4是互联变电站的主变联络结构示意图；

图5是某功能区电网变电站的选址结果示意图；

图6是某功能区高压网架的规划示意图；

图7是某功能区高压变电站的互联结构示意图；

图8是某功能区中压网架的规划示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种功能区配电网精细化规划方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：通过收集功能区电网网架、负荷以及发展需求的数据，确定高压变 电站的容量、位置及供电范围，功能区配电网精细化规划在此前提下进行；

步骤2：进行功能区高压配电网络规划；

根据可靠性的要求、采用的接线模式和主接线方式，建立简单的功能区高 压网架，规划功能区内的配电变电站的电源，奠定功能区内变电站中压网架精 细化规划的基础；

步骤3：进行功能区中压配电网络精细化规划：

由于功能区电网规模较小，可以针对结构相对简单的中压网架进行精细化 规划，以保障电网运行的安全性和设备利用的经济性。中压配电网络精细化规 划步骤如下：

步骤3.1：建立小规模高压变电站组的典型互联结构，作为高压变电站互联 方案的参照；

在本步骤中，小规模高压变电站组的典型互联结构如图2所示。功能区的 小型配电网络可以套用典型互联结构建设，典型互联结构经过论证无论从电网 运行的安全性还是从设备利用的经济性都具有较优的性质。

步骤3.2：结合高压变电站布点和供电范围，构建功能区电网变电站互联结 构，如图3所示，构建功能区电网变电站互联结构的方法为：

步骤3.2.1：在功能区内构建变电站的完全互联方案，即把功能区内变电站 建立两两互联的结构，依次对每座变电站变遍历其余变电站并建立互联关系， 若功能区内共n座变电站，在这一步骤后应该形成Cn2个互联关系，将这样的 互联结构称为完全联络互联结构；

步骤3.2.2：在完全联络互联结构的基础上，依据某些准则删除不合理互联 关系，形成由合理互联关系构成的互联结构，将这样的模型称为雏形联络互联 结构，删减互联关系的原则主要围绕地理因素限制、转供距离限制、及变电站 度的限制构建；

在本步骤中，删减变电站互联关系是功能区电网变电站互联结构构建的最 主要部分。删减互联关系按照如下原则依次进行：

删减原则1：除非有特殊需要，否则删除跨越天然或人为地理屏障的变电站 互联关系。地理屏障主要有江河、山丘、某些特殊景区等，跨越类似屏障可能 导致施工难度较大或工程费用较高等问题，应尽量避免。

删减原则2：除非有特殊需要，否则删除超过临界距离变电站互联关系，临 界距离取值选取如下，若拟定互联使用架空线路或架空电缆混合供电，则互联 临界距离为4.03km；若拟定互联使用纯电缆线路，则互联临界距离为9.16km， 临界距离以故障转供时馈电线路末端电压合格为依据并计及一定曲折系数计算 而得。

删减原则3：保证最终任一变电站的互联变电站总数不超过4，为了保证在 第步骤（3.2.3）中雏形结构向典型结构靠拢时有调整的余地，这里互联变电站 数最好控制在3以下，若某变电站的互联变电站数超出，按照联络距离从大到 小的顺次删除超出的互联关系。可以论证互联变电站数超过4后，互联数继续 提升互联数对配电网性能的促进作用迅速减弱。

通过上述步骤，构建出功能区电网变电站互联结构。

步骤3.2.3：在雏形联络互联结构基础上，根据小规模高压变电站组的典型 互联结构，通过增添或删减少量互联关系，将功能区内变电站雏形联络互联结 构构建成为与其最为相近的典型结构，之所以要雏形供电架构向典型结构靠拢， 是因为经过计算分析发现无论从供电的安全性、设备利用率角度，还是从经济 性、操作便捷性角度，典型结构均可达到较优化的水平。

步骤3.3：以充分发挥功能区配电网供电能力为目标，构建功能区电网中压 网架方案，构建功能区电网中压网架的具体方法为：

为了发挥功能区电网调度简单的特性，步骤（3.2）中存在互联关系的变电 站间均采用如下的联络形式：变电站的任意一台主变仅与对侧站的其中一台主 变相联络。联络形式如图4。而两台主变间具体需要多少条馈线相联络，通过下 面的计算确定：

步骤3.3.1：提取主变联络关系矩阵：

功能区内有n座变电站，对第i座站第j号主变重新编号为，并将标记为 Ni∑，取N∑=N1+N2+…+Nn，表示功能区的主变总台数；

给出主变联络关系矩阵L_link：

$L_{\mathrm{link}}=\left(\begin{array}{ccccc}{L}_{\mathrm{1,1}}& ...& L_{1,i}& ...& L_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ L_{i,1}& ...& L_{i,i}& ...& L_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ L_{N_{\Sigma },1}& ...& L_{N_{\Sigma },i}& ...& L_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

其中L_i，j表示第i台主变与第j台主变的联络关系（i=1,2,3，...,， j=1,2,3,...,），有联络关系时取L_i,j＝1，否则L_i,j＝0。且假定主变与自身之间 存在联络关系，即L_i，i＝1；

步骤3.3.2：分析联络单元供电能力：

在主变联络关系矩阵中，由第i行向量中可以确定与第i台主变有联络关 系的主变最大负载情况，依此矩阵可定义下式表示的联络单元最大负载率矩阵：

$T=\left(\begin{array}{ccccc}{T}_{\mathrm{1,1}}& ...& T_{1,i}& ...& T_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ T_{i,1}& ...& T_{i,i}& ...& T_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ T_{N_{\Sigma },1}& ...& T_{N_{\Sigma },i}& ...& T_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

式中：

$T_{i,j}=L_{i,j}-(1-\frac{\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{L}_{i,j}{R}_j-R_i}{\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{L}_{i,j}{R}_j})$

步骤3.3.3：计算主变联络容量需求；

定义主变负荷转移矩阵来表示主变“N-1”校验时互联主变的负荷转带情况， 主变负荷转移矩阵如下式定义：

$\mathrm{Tr}=\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{Tr}}_{\mathrm{1,1}}& ...& {\mathrm{Tr}}_{1,i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{1,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{Tr}}_{i,1}& ...& {\mathrm{Tr}}_{i,i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{i,N_{\Sigma }}\\ .& & .& & .\\ .& ...& .& ...& .\\ .& & .& & .\\ {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },1}& ...& {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },i}& ...& {\mathrm{Tr}}_{N_{\Sigma },N_{\Sigma }}\end{array}\right)$

式中：

Tr_i,j=R_j(1-T_i,j)

定义s_i，j为第i台主变和第j台主变间的联络容量需求；

s_i，j＝s_j，i=max(Tr_j，i，Tr_i,j)

步骤3.3.4：计算互联变电站间需求联络点数；

确定中压线路的接线模式，根据不同接线模式的线路负载率要求，计算每 条线路转供时的可用裕度，如下式所示：

m=R_l(1-t_l)

式中：

m——线路转供时的可用裕度；

R_l——单条线路的容量；

t_l——单条线路的允许运行负载率，该数值与线路采用的接线模式有关。

根据变电站间联络容量需求和线路转供时的可用裕度计算主变间应建立的 站间联络数，计算方法如下式：

$c_{i,j}=[\frac{{\mathrm{Tr}}_{i,j}}{m}+1]$

$c_{\mathrm{inter}}^{\left(z\right)}=\underset{i=N_z+1}{\overset{N_{z+1}}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N_{\Sigma }}{\Sigma }}{c}_{i,j}$

式中：

c_i，j——主变i和主变j之间需要的联络点数；

c_inter^(z)——变电站z总的站间联络数。

考察变电站总出线数，去掉站间联络数，剩余的线路建立站内联络，站内 联络数利用下式计算：

$c_{\mathrm{inner}}^{\left(z\right)}=\frac{N_l-c_{\mathrm{iner}}^{\left(z\right)}}{2}$

式中：

c_inner^(z)——变电站z总的站内联络；

N_l——数变电站总出线数。

步骤3.4：计算中压馈线联络情况，给出中压网架的布线

本步骤根据中压馈线情况以及上述步骤3.3中计算出的中压馈线联络情况， 给出中压网架的布线。

下面以某一“工业园”功能区电网为例，按照本发明提出的方法对其未来 电网进行规划。

（1）负荷预测及变电站优化

采用传统的负荷及变电站优化方法，负荷预测以及变电站优化的结果如图5 所示。

（2）高压网架规划

功能区电网规模较小，由功能区外1座220kV变电站作为功能区的高压电 源为功能区内2座110kV变电站供电。根据变电站布点结构，对照典型接线模 式构建简单的功能区高压网架，奠定功能区电网精细化规划的基础，拟采用双T 接线结构，高压网架规划结果如图6所示。

（3）中压网架规划

这个步骤与传统的配电网规划有所不同，传统的配电网规划利用预估的容 载比限定变电站负荷供应，粗略的预估使得设备备用过多，影响配电网建设运 行的经济性；而本发明通过较精确地掌握中压线路转移负荷的能力来减少设备 备用的预留，提高功能区电网建设经济性性。规划首先通过对照典型的变电站 互联结构确定功能区内变电站整体互联方案；进而精确计算互联变电站间转移 容量的需求；最后根据选用的线路型号和中压线路接线形式计算中压联络方案， 形成中压馈线的布线图。

（3.1）高压变电站互联结构

首先要针对功能区内较简单的变电站布点，对照一些经论证的较优化模式 搭建变电站低压侧互联的整体策略，功能区内只有110kV变电站两座，首先形 成完全互联的变电站互联结构，互联变电站间距离满足步骤（3.2）中删减原则 1和2的要求，每座变电站的互联数为1。对照典型互联结构，已与图2中2变 电站的典型互联结构相吻合，可作为变电站低压侧互联的整理方案，如图7所 示。

（3.2）中压联络容量需求计算

在上个步骤中确定的功能区变电站互联结构基础上，主变低压侧采用图3 所示的联络方案，根据步骤（3.3.1）至（3.3.3）的公式计算主变间的联络容 量需求，计算结果如表1和表2。

表1  110kV变电站表

表2中压联络容量需求表

（3.3）中压联络点数计算

根据表2中的联络容量需求，可计算变电站低压侧出线多少条采用站内联 络，多少条采用站间联络（为保证配电网运行的安全性，不建议采用辐射线路 供电）。10kV中压线路采用YJV22-3×300，导线载流量为552A，线路容量为 9.56MVA，中压线路统一采用单联络接线方式，依据步骤（3.3.4）中的公式， 计算结果如表3。

表3中压网架策略表

（3.4）中压馈线布线

根据以上计算分析，给出中压布线情况，如图8所示。

按照本发明构建的网架结构主变运行的允许负载率如下表4。

表4主变运行负载率对照表

可以看出，由于功能区电网结构简单，少量变电站易于参考典型模式构建 高压网架和中压网架的整体结构，同时易于对中压网架进行精细化计算。本发 明通过模式化确定高、中压网架结构和精细化计算中压联络方案，使得中压网 架的联络建设有理有据，在保证电网运行的安全性基础上提高电网建设运维的 经济性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此 本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根 据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。