基于GIS和圖論分析的電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法

1、 第33卷第8期2009年4月25 日Vol. 33No. 8Apr. 25, 2009基于GIS 和圖論分析的電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法梁錦照1,2, 夏清1, 鄭建平2(1. 清華大學(xué)電機系, 北京市100084; 2. 中山供電局, 廣東省中山市528400摘要:主配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的重點是110kV 變電站選址和供電范圍的聯(lián)合優(yōu)化問題。提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS 和圖論分析的主配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。首先基于GIS 和圖論分析了變電站的基本屬性; 其次, 提出變電站供電范圍相鄰關(guān)系環(huán)的概念; 然后, 利用變電站相鄰關(guān)系環(huán)分析變電站最佳選址區(qū)域, 使變電站選址充分考慮配電網(wǎng)發(fā)展需要, 方便新建站后調(diào)整

2、已有站的供電范圍, 并將變電站確定供電范圍和確定具體地址通過迭代優(yōu)化, 實現(xiàn)主配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃。關(guān)鍵詞:電網(wǎng)規(guī)劃; 主網(wǎng); 配電網(wǎng); 地理信息系統(tǒng)(GIS ; 圖論中圖分類號:TM7150引言科學(xué)合理的規(guī)劃是電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)。有較多文獻研究電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃, 如各種優(yōu)化算法在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用1、等223。基于地理信息系統(tǒng)(GIS 究了基于GIS GIS , 如文獻528, 原、設(shè)備數(shù)量更大、分布更廣泛, 更需要充分利用GIS 的分布數(shù)據(jù)管理功能。已有的文獻中, 往往分別研究主網(wǎng)規(guī)劃或配電網(wǎng)規(guī)劃, 未見文獻討論電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃。部分文獻考慮了電網(wǎng)規(guī)劃與電源規(guī)劃的協(xié)調(diào), 尤其是電力市場條件

3、下的電源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃9210, 文獻11在線路被選中概率的基礎(chǔ)上, 考慮變電站選址定容, 是線路和電源點協(xié)調(diào)的一種考慮方式。在中國,220kV 及以上網(wǎng)絡(luò)一般由大區(qū)或省公司統(tǒng)一規(guī)劃; 地市供電局對220kV 變電站規(guī)劃提供建議, 并負責(zé)規(guī)劃110kV 網(wǎng)絡(luò); 區(qū)、縣供電分公司負責(zé)規(guī)劃中低壓配電網(wǎng), 包括35kV , 10kV , 0. 4kV 配電網(wǎng), 并對220kV 和110kV 配電網(wǎng)規(guī)劃提供建議。大部分供電企業(yè)在日常工作中, 稱110kV 及以上電壓等級的網(wǎng)絡(luò)為主網(wǎng)(含輸電網(wǎng)和高壓配電網(wǎng) ,110kV 以下電壓等級的網(wǎng)絡(luò)為配電網(wǎng)(中低壓配電網(wǎng) , 本文沿用上述習(xí)慣。在負荷密度較高的大中

4、城市,35kV 電壓等級已經(jīng)取消或者正在逐漸取消12, 因此本文的研究中不考慮35kV 電壓等級。收稿日期:2009201218; 修回日期:2009202216。主配電網(wǎng)只有充分實現(xiàn)協(xié)調(diào), “瓶頸”,13使電網(wǎng)安全穩(wěn)定、。主網(wǎng)規(guī)5年規(guī)劃、10年規(guī)劃、遠景規(guī)劃和年度滾動修編14。因中低壓配電網(wǎng)變電站和線路供電范圍較小, 在較遠的未來負荷, 負荷特性難以預(yù)測, 因此一般只做年度規(guī)劃、5年規(guī)劃。110kV 變電站是主網(wǎng)的終端, 也是配電網(wǎng)的主要電源點15。部分220kV 變電站有10kV 出線, 可將這些變電站采用與110kV 變電站同等的處理方法, 供10kV 容量視為變電站容量。已有較多文獻研

5、究變電站選址問題, 而且主要是研究110kV 變電站的選址。這是因為110kV 變電站的選址對10kV 出線長度、難度有較大影響, 而且由于電壓等級低, 出線長度對線損、電壓降的影響比較顯著。主網(wǎng)規(guī)劃和配電網(wǎng)規(guī)劃充分協(xié)調(diào)的重點是110kV 變電站選址和供電范圍劃分充分協(xié)調(diào), 考慮配電網(wǎng)需要, 保證配電網(wǎng)電源充裕、分布合理, 方便出線, 防止供電路徑過長。變電站供電范圍基本決定了其出線的長度及供電半徑。110kV 變電站選址與供電范圍劃分是密切結(jié)合的, 已有文獻中往往假定已知供電范圍研究站址優(yōu)化16217。變電站選址和供電范圍應(yīng)該是協(xié)調(diào)優(yōu)化的。變電站選址不同會影響供電范圍劃分; 分配給新建站的供

6、電范圍不同, 變電站的選址也不同。2變電站屬性分析2. 1變電站負載系數(shù)在配電網(wǎng)規(guī)劃中, 需要衡量現(xiàn)有變電站在規(guī)劃99 2009, 33(8 末期的負載情況。常用負載率定義為變電站最高負荷或除以變電站容量。一些數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA 系統(tǒng)或配電網(wǎng)管理系統(tǒng)(DMS 沒有記錄變電站的有功功率, 記錄了各相電流, 變電站的負載率計算也可按電流計算。不過, 變電站最大電流或者最大負荷, 均可能存在一定的不良數(shù)據(jù), 如轉(zhuǎn)供、部分線路短路等各種因素形成的不良數(shù)據(jù)18。在新建開發(fā)區(qū), 缺乏歷史數(shù)據(jù), 因此本文建議采用如下負載系數(shù):k =CNi =1c i(1式中:k 為負載系數(shù), 表示變電站單位主變?nèi)萘?/p>

7、所供電的配變?nèi)萘? c i 為裝接于該變電站出線上的第i 臺配變的容量; N 為該變電站所有出線上所裝接配變的總臺數(shù); C 為變電站主變?nèi)萘恐?。采用負載系數(shù)衡量變電站負載率, 數(shù)據(jù)明確, 容易獲得?？紤]到負荷類型不同, 配變利用率不同, 因此, 為了更準確地衡量變電站負載情況, 不同類型的配變需要定義不同的折算系數(shù), 如工業(yè)負荷折算系數(shù)0. 9, 商業(yè)負荷0. 7, 居民負荷0. 5等根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析獲得, 。本文, 容量。負載系數(shù)可以超過1, 對廣東某供電局的數(shù)據(jù)分析表明, 投運時間較長的變電站, 負載系數(shù)一般在1. 52. 0之間。2. 2現(xiàn)狀變電站供電范圍劃分分析現(xiàn)狀變電站供電范圍時,

8、 將圖論、GIS 相結(jié)合, 以配變?yōu)樽钚》治鰧ο? 構(gòu)建樹狀從屬關(guān)系:變電站是根節(jié)點,10kV 出線是分支節(jié)點, 配變是樹葉, 如圖1所示 。分布, 然后用包絡(luò)線包絡(luò), 視為該變電站的基本供電范圍。2. 3規(guī)劃期變電站供電范圍劃分在規(guī)劃狀態(tài), 由于新增變電站或者部分變電站擴容, 需要調(diào)整現(xiàn)有變電站的供電范圍, 并確定規(guī)劃新站的供電范圍。在變電站站址已知的情況下, 規(guī)劃狀態(tài)劃分變電站供電范圍, 需要重新劃分配變(含已有配變和報裝配變 與變電站之間的從屬關(guān)系, 再利用2. 2節(jié)的方法確定范圍。規(guī)劃變電站的供電范圍劃分, 是變電站與配變從屬關(guān)系的重構(gòu), 目標函數(shù)是總負荷矩最小。在重新劃分供電范圍的過

9、程中, 將配變劃分為不同的變電站供電, 距離不同, 負荷矩不同, 合理劃分供電范圍, 實現(xiàn)總負荷矩最小。該問題可采用啟發(fā)式方法解決。確定變電站與配電從屬關(guān)系后, 按2. 2節(jié)所述方法確定供電范圍3A 圖A1所示, 高平站和高平2站供電范圍相鄰。以變電站為頂點、相鄰關(guān)系為邊, 可以繪制變電站供電范圍相鄰關(guān)系圖。相鄰關(guān)系具有如下特點:變電站供電范圍相鄰關(guān)系是雙向關(guān)系; 一般情況下相鄰關(guān)系圖是連通圖; 相鄰關(guān)系圖中存在較多的環(huán)。3. 2變電站相鄰關(guān)系環(huán)定義1變電站相鄰關(guān)系環(huán):以變電站為頂點、以變電站供電范圍相鄰關(guān)系為邊形成的環(huán)路, 且環(huán)路上各頂點變電站在地理上的連線所形成的環(huán)內(nèi)沒有其他變電站, 稱為

10、變電站相鄰關(guān)系環(huán)(A RL 。如圖2所示,3個變電站形成A RL 。圖2變電站相鄰關(guān)系環(huán)Fig. 2AR L of substations service area圖1變電站、10kV 線路和配變的從屬關(guān)系Fig. 1Subordination relation betw een substation , 10kVlines and distribution transformers如圖1所示, 分析每個配變與10kV 線路的從屬關(guān)系、10kV 線路與變電站的從屬關(guān)系, 遞推獲得配變與變電站之間的從屬關(guān)系, 在GIS 上獲得配變100定義A RL 時要求環(huán)內(nèi)不出現(xiàn)其他變電站, 是為了方便實現(xiàn)變

11、電站優(yōu)化選址和確定供電范圍。若環(huán)內(nèi)存在其他變電站, 在環(huán)路中間區(qū)域新建變電站, 新站可能與環(huán)路內(nèi)已有站沖突, 導(dǎo)致供電范圍不明確、交叉。定義2變電站A RL 的規(guī)模:ARL 中頂點個數(shù)稱為ARL 的規(guī)模。 工程應(yīng)用梁錦照, 等基于GIS 和圖論分析的電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法如圖2所示的環(huán)規(guī)模為3。定義3定義每個變電站獨自組成一個規(guī)模為1的環(huán)。定義42個變電站供電范圍相鄰, 形成一個規(guī)模為2的環(huán)。因為供電范圍相鄰關(guān)系是雙向關(guān)系, 所以2個變電站相鄰也可以視為一個環(huán)。容量之和作為權(quán)重系數(shù), 選擇靠近需要轉(zhuǎn)移較多配變的變電站一側(cè) 。4變電站選址與供電范圍協(xié)調(diào)優(yōu)化本節(jié)提出供電范圍和選址協(xié)調(diào)的優(yōu)化方法, 基本流

12、程是:確定變電站備選地址區(qū)域初步確定站址劃分供電范圍確定站址。4. 1確定變電站備選地址區(qū)域新增變電站時, 將新站建設(shè)在平均負載較重的ARL 及供電區(qū)域內(nèi), 可同時分攤環(huán)上各站的負載, 不調(diào)整環(huán)外其他站的供電范圍, 使供電范圍調(diào)整簡便, 保持配電網(wǎng)穩(wěn)定, 提高優(yōu)化水平, 與目前變電站選址的人工決策方式非常接近。新建站時, 遍歷所有規(guī)模在一定范圍內(nèi)的環(huán), 比較如下指標:n圖3變電站站址選擇Fig. 3Site selection of substations3 待選區(qū)域是規(guī)模為1的環(huán)及供電范圍時, 這種情況本身將十分少見。若出現(xiàn)這種情況, 在現(xiàn)有變電站供電半徑不大的情況下, 建議變電站擴容; 在

13、現(xiàn)有變電站供電半徑較大的情況下, 以使新增站和C =(k i =(式中:C 量之和, , ; k 為不新增站的情況下現(xiàn)有變電站負載系數(shù); k 為新增變電站后變電站的平均負載系數(shù)。新增變電站時, 優(yōu)先在C 最大的環(huán)及其供電區(qū)域中新增。值得注意的是, 當環(huán)的規(guī)模過大時, 選擇在環(huán)內(nèi)建設(shè)新變電站解決環(huán)上各變電站未來重載, 可能存在如下問題:環(huán)上變電站過多, 新增一個變電站不足以解決問題; 環(huán)的面積過大, 讓一個新站同時分攤環(huán)上所有變電站的負荷, 將使新站供電半徑過大。因此, 在上述遍歷中, 限制環(huán)的規(guī)模在一定范圍內(nèi), 或者環(huán)的供電面積在一定范圍內(nèi)(如環(huán)上變電站最遠距離不超過15km 。4. 2初步確

14、定變電站站址分以下情況初步確定變電站站址:1 最有可能出現(xiàn)的情況是4. 1節(jié)所選定的環(huán)規(guī)模不小于3, 如圖3所示。將圖3中ARL 所圍成的三角形區(qū)域視為平面圖, 每個已有變電站視為“質(zhì)點”, 權(quán)重為需要轉(zhuǎn)移的配變?nèi)萘緾 i , 計算該三角區(qū)域的“重心”, 作為待建變電站初步選址。2 待選區(qū)域是規(guī)模為2的環(huán)及供電范圍時, 初步選擇2個變電站的連線, 并按照需要轉(zhuǎn)移的配變。, 還需要與, 根據(jù)規(guī)劃變電站初步選, 重新劃分供電范圍。在該步驟中, 只調(diào)整環(huán)上變電站的供電范圍。繼續(xù)新建站時, 再調(diào)整其他變電站的供電范圍。4. 4確定變電站站址在劃分供電范圍后, 再根據(jù)供電范圍, 按照負荷矩最短的原則確定

15、變電站站址。4. 5小結(jié)通過選擇合理的A RL 作為新建選址區(qū)域, 可確定最迫切需要建設(shè)新站的區(qū)域, 將已有變電站負載部分轉(zhuǎn)移到新建站, 調(diào)整供電范圍的幅度小, 調(diào)整方式簡潔, 保證了變電站選址在相對合理的區(qū)域; 站址確定和供電范圍劃分經(jīng)過一步迭代、聯(lián)合優(yōu)化, 使變電站選址很接近理想地點。當需要新增多個變電站時, 可按照上述步驟逐一優(yōu)化決策。5案例分析本文所提出的方法應(yīng)用于中山供電局基于GIS 的配電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)中, 取得了很好的效果。附錄A 圖A2為中山中心組團2008年110kV 變電站(含有10kV 出線的220kV 變電站 及供電范圍劃分圖, 供電范圍用虛線分割。各變電站主變?nèi)萘考把b接配

16、變?nèi)萘亢皖A(yù)計增加容量如表1所示。根據(jù)附錄A 圖A2, 列出部分規(guī)模為3或以上101 2009, 33(8 2006,30(3 :41244.SUN Xu , REN Zhen. Study on optimum power grid planning in market environment. Power System Technology , 2006, 30(3 :41244.2朱向前. 電力GIS 及基于V 圖的變電站選址的研究D .鄭州:的變電站供電范圍相鄰關(guān)系環(huán)如表2所示。由于環(huán)比較多, 限于篇幅, 不一一列出。表1變電站主變和配變?nèi)萘縏 able 1C apacities of

17、substations and its distributiontransformersMVA鄭州大學(xué),2006.3馬妍. 城市電網(wǎng)供電能力評估軟件的研究與開發(fā)D .北京:華北編號變電站主變?nèi)萘抗?0kV 裝接配預(yù)計新需轉(zhuǎn)移容量變?nèi)萘吭鋈萘咳萘侩娏Υ髮W(xué),2005.4胥曉暉. 基于GIS 的電網(wǎng)規(guī)劃管理系統(tǒng)研究D .濟南:山東大中山2×240富豪2×50環(huán)城2×40安山2×50庫充3×40博愛2×50城南2×50五桂山2×40板芙2×40旗樂2×240學(xué),2005.5吳奇石, 邱家駒. 基于GIS

18、 的配電網(wǎng)規(guī)劃人工智能方法:(一 配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策支持系統(tǒng)概述. 電力系統(tǒng)自動化, 1998,22(10 :17219,62.WU Qishi , QIU Jiaju. Geographic information system based artificial intelligence techniques for distribution planning :Part one overview of intelligent decision support system used for distribution planning. Automation of Electric Powe

19、r Systems , 1998, 22(10 :17219,62.6吳奇石, 邱家駒. 基于GIS :(二 遺注:規(guī)劃末期為2010年; 中山、旗樂2個變電站是220kV 變電站, 有10kV 出線; 規(guī)劃末期采用負載系數(shù)1. 8(即每兆伏安主變?nèi)萘控撦d1. 8MVA 配變?nèi)萘?。電力系統(tǒng)自動化,22( 223., Jiaju. information system based techniques for distribution planning :Part of genetic algorit hm in primary routing system. Automation of El

20、ectric Power Systems , 1998, 22(11 :21223.7杜成剛. 基于GIS 技術(shù)的城市配電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)D .上表2部分變電站相鄰關(guān)系環(huán)T able 2Several AR Ls d ata規(guī)模海:同濟大學(xué),2006.8牛衛(wèi)平, 劉自發(fā), 張建華, 等. 基于GIS 和微分進化算法的變電站選址及定容. 電力系統(tǒng)自動化,2007,31(18 :82286.NIU Weiping , L IU Zifa , ZHAN G Jianhua , et al. Substation locating and sizing in power system based o

21、n GIS and differential evolution algorit hm. Automation of Electric Power Systems , 2007, 31(18 :82286.9曾慶禹. 電力市場條件下的發(fā)輸電規(guī)劃協(xié)調(diào)與運行模式. 電力系本例中最大的環(huán)是富豪環(huán)城安山旗樂板芙五桂山城南博愛庫充富豪, 規(guī)模為9。該環(huán)面積過大, 顯然新增1個變電站, 同時分攤9個已有變電站的負荷是不現(xiàn)實的。根據(jù)中山實際情況, 選擇環(huán)的規(guī)模上限為4。選擇五桂山城南博愛板芙作為第1優(yōu)先環(huán), 合計需要轉(zhuǎn)移的配變?nèi)萘繛?94MVA 。按照負載系數(shù)1. 8計算, 新增一個2×50MVA

22、 的變電站。因此, 最優(yōu)先選擇在五桂山城南博愛板芙4個變電站所圍成的區(qū)域內(nèi)新增變電站。選址和供電范圍的迭代過程數(shù)據(jù)較多, 且過程簡單、明確, 此處不贅述。從附錄A 圖A2和表1、表2可見, 在該區(qū)域新增變電站, 確實能非常好地滿足配電網(wǎng)的發(fā)展需求。在新增上述變電站后, 若變電容量仍然不足, 則繼續(xù)重復(fù)上述過程, 規(guī)劃第2個新增變電站。附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http :/www. aep s 2info. com/aep s/ch/index. asp x 。統(tǒng)自動化,2004,28(5 :125.ZEN G Qingyu.Generation/transmission expansion plan

23、ningmodel and operation model in power market. Automation of Electric Power Systems , 2004,28(5 :125.10金華征, 程浩忠. 電力市場下的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方法綜述. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2006,18(2 :10217.J IN Huazheng , CH EN G Haozhong. Review of t ransmission network flexible planning in market environment. Proceedings of t he CSU 2EPSA ,20

24、06,18(2 :10217.11朱海峰, 程浩忠, 張焰, 等. 考慮線路被選概率的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方法. 電力系統(tǒng)自動化,2000,24(17 :20224.ZHU Haifeng , CH EN G Haozhong , ZHAN G Yan , et al. A novel met hod of electric power network flexible planning considering t he selected probability of transmission line. Automation of Electric Power Systems , 2000, 24(

25、17 :20224. 12劉玉方, 俞曉榮, 孫蓉. 電網(wǎng)規(guī)劃中電壓等級的選擇與確定. 江參考文獻1孫旭, 任震. 市場環(huán)境下的電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的研究. 電網(wǎng)技術(shù),蘇電機工程,2006,25(2 :41243.L IU Yufang , YU Xiaorong , SUN Rong. Selection of voltage level in power system planning. Jiangsu Electrical Engineering ,102 工程應(yīng)用梁錦照, 等基于GIS 和圖論分析的電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法2006, 25(2 :41243.13侯勇. 高壓配電網(wǎng)規(guī)劃中變電站選址定容與

26、協(xié)調(diào)優(yōu)化問題研2005.18黎燦兵, 劉曉光, 趙弘俊, 等. 中壓配電網(wǎng)不良負載數(shù)據(jù)分析與究D .北京:華北電力大學(xué),2006.14鐘慶, 吳捷, 黃武忠, 等. 動態(tài)規(guī)劃在電力建設(shè)項目投資決策中處理方法. 電力系統(tǒng)自動化,2008,32(20 :972100.L I Canbing , L IU Xiaoguang , ZHAO Hongjun , et al. Analysis and processing met hods of bad load data in medium 2voltageetal.distribution network. Automation of Electr

27、ic Power Systems , 2008, 32(20 :972100.的應(yīng)用. 電網(wǎng)技術(shù),2002,26(8 :48251.ZHON G Qing ,WUJie ,HUAN G Wuzhong ,Application of dynamic programming for invest ment decision in elect ric power construction. Power System Technology , 2002, 26(8 :48251.15余貽鑫, 王成山, 肖俊, 等. 城市電網(wǎng)規(guī)劃計算機輔助決策系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化,2000,24(8 :59262.Y

28、U Y ixin , WAN G Chengshan , XIAO J un , et al. Computer decision 2making support system for urban power distribution network planning. Automation of Electric Power Systems , 2000, 24(8 :59262.16吳青. 基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的研究D .南寧:廣西大學(xué),2004.17鄭培迎. 基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃D .南寧:廣西大學(xué), 男, 通信作者, 博士研究生, 主要研究梁錦照(1973方向:電力

29、系統(tǒng)規(guī)劃與信息化。E 2mail :liangjinzhao1010vip. 163. com, 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究夏清(1957方向:電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行、電力市場。E 2mail :Qingxia tsinghua. edu. cn, 男, 高級工程師, 主要研究方向:電力鄭建平(1966系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)研究與管理。Coordinated Planning of Pow er G rid B ased on and G L IA N G J inz hao 1, 2, X IA Qing 1J 2(1. Tsinghua University , Beijing 1000

30、84, China ; 2. 528400, China Abstract :It is the crux of the coordinated for grid to carry out joint optimization of the 110kV substation location and to the coordinated planning of the main grid and distributed grid is the First , the basic attributes of substations are analyzed by means of the GIS

31、 , new of the adjacency relation loop (ARL of substation service area is presented. Thirdly , the of a substation is discussed using the ARL to take the needs of the distribution grid development into f ull consideration while facilitating the adjustment of the supply range of substations available.

32、 The definite substation service area and site selection are iteratively optimized to realize coordinated planning of the main grid and distribution grid. K ey w ords :power grid planning ; main network ; distribution network ; GIS ; graph theory(上接第24頁continued f rom page 24Improvement on Sample 2data Model of HV DC ConverterX U Ying x i n , W A N G X itian , C H EN Chen , YA N G Fan(Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200240, China Abstract :Quasi 2steady model of the HVDC system is usually used in the studies on Sub 2Synchronous Oscillation (SSO , even