[科普中国]-配电网网架规划

配电网结构模式

随着地区电力负荷的不断增长，电网配电网也在不断地扩大，配电网的电压等级逐渐增大，最高电压等级达到500kV，而且500kV电压等级开始进入地区(或地级市)区域，220kV电压等级也已逐步进入县(或县级市)区域，而且县(市)建有220kV变电站已经成为现实。

1．220kV网络

220kV变电站大部分建在城市(也是负荷中心)附近。从有利于城市建设和电网经济运行的角度来考虑，变电站离城区边缘3kin左右为宜。

220kV变电站的电压等级大多为220/110/35(10)kV，110kV侧担负着向全市(县)供电的任务，其低压侧(35kV或10kV)就近向城区供电。

220kV网络应以500kV变电站或其他大电源点为中心，形成单环网，逐步建成双环网。正常时采用闭环运行方式，这样可提高供电的可靠性。

2．110kV网络

新建110kV变电站的布点应综合考虑负荷密度、供电半径等因素，站内的二次设备优先采用综合自动化装置，为实现无人值班打下良好的基础。对采用常规二次设备的变电站，可完善其RTU的“四遥或五遥”功能和通信通道，逐步改造成为无人值班变电站。

110kV网络以220kV变电站为中心，形成单环网(正常情况下线路开环运行或母线分段运行)为主，双回路和单放射为辅的结构。

3．35kV网络

在110kV变电站布点较少的地方或山区，大力建设小型化35kV无人值班变电站。35kV变电站的布点以220kV变电站为中心，深入规划区的负荷中心。35kV变电站供电的线路至少两回，这两回线路既可从同一座110kV变电站的35kV母线的不同段上引进，亦可分别从两座110kV变电站引进。

在110kV变电站布点较密的地方或山区，如果当地条件成熟时，可逐步采用110kV降压系统和20kV配电网，取消35kV和10kV电压等级。

4．10kV(或20kV)网络

城市的10kV(或20kV)配电网络建设要以“小环网”为主，双回路和两端供电为辅，补充少量单放射线路的结构。农村配电网的10kV(或20kV)线路以单放射为主，有条件的则建设双回路。

网架规划的内容配电网的网架规划以负荷预测和电源规划为基础。配电网的网架规划是确定在何时、何地投建何种类型的线路及其回路数，以达到规划周期内所需要的输电能力，在满足各项技术指标的前提下使系统的费用最小。配电网的网架规划往往是针对具体电网发展中存在的问题确定具体内容的。其主要内容如下：

(1)确定输电方式；

(2)选择电网电压；

(3)确定变电站布局和规模；

(4)确定网络结构。

配电网网架规划的重点是对主网网架进行规划。如何加强主网网架结构，是电网规划最重要的内容之一，网架也是规划成败与否的关键。1

网架规划的优化算法配电网网架优化规划问题是复杂的、非线性的、整数性的、多目标的大规模组合优化问题，属于优化数学中常说的 NP 类难题。NP 类难题如果规模较大，一般就不可能得到精确解。所以当我们遇到大规模的配电网优化规划问题，就应当放弃寻找精确解的念头。对于配电网优化规划问题，目前还没有真正有效的求解算法。为了给出这类问题满意的求解方案，就必须对各种优化算法进行仔细分析，找出能有效解决问题，计算速度较快，结果令人信服，好控制的优化算法。下面是对目前用于电力系统规划的各种优化算法的分析。

自然科学，社会科学，以及人们的日常生活中广泛存在着大量求解目标最大或最小的问题，即所谓的最优化问题，用数学语言来说，就是决定一组参量，使其对应的目标函数达到最小值或最大值。目前常用于求解配电网规划的算法概括起来可分为三类:经典数学优化方法、启发式算法和随机优化方法。

经典数学优化方法求解整数规划的经典数学优化算法有：穷举法、分枝定界法（Branch and bound）、隐数法、割平面法（Valid cutting planes）、Dijkstra 算法和 DFS 搜索法等。

1）穷举法：即检查变量取值的每一种组合，比较目标函数值以求得最优解。对于最简单的整数规划 0-1 规划，穷举法的时间复杂性为侧 Θ( )，n是变量个数。当n充分大时，用该方法实际上不可行。穷举法也叫强行搜索法，是对搜索空间的遍历，因而对于大规模配电网规划问题的求解是不可行的。

2）分枝定界法： 是 20 世纪 60 年代初，由 Land Doig 和 Dakin 等人提出。因为这种方法灵活且便于用计算机求解，所以现在它已经是求解整数规划的重要方法。

3）隐数法：通过增加过滤条件，并且在计算中不断改进过滤条件以缩小搜索范围，提高运算效率。

4）割平面法：割平面法是 Gomory 提出来的，这个方法的基础是用解线性规划的方法去解整数规划问题。首先不考虑变量是整数这一条件，但增加线性约束(割平面)使得由原可行域中切割掉一部分，这部分只包含非整数解，但没有切掉任何整数可行解。这个方法就是指出怎样找到适当的割平面(不一定一次就能找到)，使切割后最终得到这样的可行域，它的一个整数坐标的极点恰好是问皿的最优解。割平面法依然不是求解配电网规划的有效算法。

5）Dijkstra 算法：Dijkstra 算法是当边的权值大于 0 的条件下，求解最短路的有效算法，算法的基本思想是从Vs (起始点)出发，逐步的向外探寻最短路。执行过程中与每个点对应，记录下一个数(称为这个点的标号)，它或者表示从Vs 到该点的最短路的权，或者是从Vs 到该点的最短路的权的上界，方法的每一步是去修改T 标号，并且把某一个具有T 标号的点改变为具有 P 标号的点，从而使 D 中具有 P 标号的顶点数多一个，这样，至多经过 P−1步，就可以求出从气到各点的最短路。

启发式算法启发式算法（Heuristic approach）是和问题求解及搜索相关的，也就是说，启发式算法是为了提高搜索效率才提出的。

1)构造法（Construction）：一个优化问题的解是由若干个构造元素组成的，构造性启发式算法法通过一个一个地增加解的构造元素来求得一个可行解。“贪婪法”在每一步都寻找最大的改进，其中包含了大量构造性的启发式算法。在大多数构造性

启发式算法中，直到算法结束才会找到可行解。例如对于旅行销售商问题来说，其解是由n 个城市间的距离组成，这些城市间的距离就是解的构造元素。旅行销售商问题的构造性算法之一就是从某一城市开始，每次寻找与其距离最近且未走过的城市作为增加的构造元素，如此循环，到结束时，一个较短的可行环游路线就得到了构造性算法的循环次数与问题解的构造元素个数成正比，而与解空间的人小无关，因此其计算速度通常很快。

2)改进法（Improvement）：

该算法从一个可行解开始，通过在其邻域 N 的搜索如交换、合并结构元素等来改进解的质量。一般来讲，在整个搜索过程中，解一直处于可行状态。

3)数学规划法（Mathematical programming）：该方法在问题的数学优化模型及其精确求解方法的基础上，修改求解方法以其得到问题有效的启发式算法。

4)分解法（Decomposition）：

该法指求解一系列容易求解的小问题，一个问题的输出是下一个问题的输入，然后将这些解归纳、合并成一个解。许多规划(Schedule)问题的启发式算法使用了分解法。

5)分割法（Partitioning）：分割法将一个问题分割为几个子问题，然后独立地解决每个子问题。这些子问题的解再合并成整个问题的解。

6)解空间限制法（Solution space restriction）：

该法的思想是限制解的构造，以使问题变得容易求解。在某种意义上，所有的启发式算法都是限制法，然而在这里指明确地约束解空间的方法。典型的限制法只允许算法在具有特殊性质的解中搜索。

7)松弛法（Relaxation）：这种方法与限制法相反，它是指为了得到容易处理的问题而扩展解空间。

随机优化方法目前常见的随机优化算法有：遗传算法、模拟退火法、人工神经网络法等，这些方法的主要特征是搜索的过程中引入了随机技术。
1）遗传算法

遗传算法主要借用生物进化中“适者生存，优胜劣汰”的规律。选择操作使群体中适应度高的个体有更多的机会传给下一代，从而产生平均适应度越来越高的新群体；交叉是对新群体中随机选择的两个个体进行交换基因的操作，体现了自然界中群体内个体之间的信息交换；变异操作则是对新群体中随机选择的某个个体的某个随机产生的基因进行突变。交叉和变异都是为了引入新的变种，确保群体中个体的多样性，不致陷入局部最优区域。经过遗传操作，初始群体一代代地进化到搜索空间中越来越好的区域，直至达到全局最优解。编码简单，对解无可微性、连续性等要求。
2）人工神经网络法

人上神经网络法( ANN )，以人工建立的有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或者断续的分布式存储和并行协同处理，可实现函数逼近、数据聚类、优化计算、模式识别等功能。人工神经网络是一个非线性动力系统，其特色在于信息 ANN是以计算机仿真的方法，从物理结构上模拟人脑，以使系统具有人脑的某些智能。在众多的 ANN 模型中。多层前馈神经网络模型是目前应用最为广泛的模型。神经网络用于优化计算的基础是神经网络的渐近稳定状态对应用其计算能量函数的局部极小。
3）模拟退火法

模拟退火 SA（Simulated annealing）算法被认为是有效的优化方法之一。模拟退火方法的基本思想来源于固体的退火过积。首先我们回顾一下固体退火的物理过程。加热固体时，固体中原子的热运动不断增强，随着温度的不断升高，固体的长程有序被彻底破坏，固体熔解为液体(或气体)。冷却时，液体中原子的热运动渐渐减弱，随着温度的徐徐降低，原子运动渐趋有序。当温度降至结晶温度后，原子运动变为围绕晶体格点的微小振动，液体凝固成固体，这种由高温向低温逐渐降温的过程称为退火。退火过程中系统的熵值不断减小，系统能量随着温度的降低趋于最小值。2

网架规划应具备的条件配电网网架规划的最终结果主要取决于原始资料及规划方法，配电网网架规划应具备的条件即可靠的原始资料以及优秀的规划方法。一个优秀的电网规划必须以坚实的前期工作为基础，包括搜集整理系统的电力负荷资料、当地的社会经济发展情况、电源点和输电线路方面的原始资料等。

原始资料包括：

(1)规划年度用电负荷的电力、电量资料，包括总水平，分省、分区及分变电站的电力电量值，以及必要的负荷特性参数。

(2)规划年度电源(现有和新增)的情况，包括电厂位置(厂址)、装机容量、单机容量和机型等；对于水电厂，除上述参数外，还应有不同水文年发电量、保证输出功率、受阻容量、重复容量、调节特性等参数；对于火电厂，还应考虑燃料来源以及需求量、运输条件和存储计划；对于风电场，还应考虑风资源情况是否满足开发大型风电场资源的条件，对于离岸风电场还需考虑国防、航道以及自然生态等因素；对于太阳能发电厂，还应考虑太阳能资源条件和规划区气候条件。

(3)现有电网(包括在建设和已列入基建计划的线路和变电站)基础资料，包括电压等级，网络接线，线路长度，导线型号，变电站主变压器容量、型式、台数等主要规范资料，一般应具有系统现状图(地理接线及单线接线图)。对未来网络规划的发展情况，包括可能架设新线路的路径、长度，以及变电站扩建和待建变电站地理资料应予掌握，以便能够形成足够数量的网络方案。

另外，在规划配电网的网架结构时还应考虑规划区经济发展、用电负荷的特点以及其增长情况。例如，在进行农村电力网的网架规划时，应掌握农业发展、用电负荷的季节特性以及地区用电负荷的增长规律。

网架规划的目标改善配电网的各项运行指标是配电网网架规划的目标，也是建设和改造电网必须完成的任务。作为重要的运行指标，有供电可靠性指标、电压质量指标、线损率指标及容载比指标。这些运行指标在规划的电网付诸工程实践后应有明显的改善。3