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1 绪论

1.1 论文背景与研究意义

电力工业是国民经济的重要基础产业,是关乎着国计民生的重要公共事业。在实现全面建成小康社会宏伟目标、促进新常态下经济社会发展大环境下,电力发展起着重要的支撑保障作用。随着时代的不断变化,经济的快速发展,我国电力体制的改革不断深入,在电力工业实施厂网分开,竞价上网的机制后,电力市场格局初步形成,并不断发展进步着,对电网规划提出了更高要求。

20165月,为加强电力规划管理,促进电力工业健康发展,国家能源局印发《电力规划管理办法》,明确指出需建立健全规划指标体系,加强电力规划的指标的量化管理,提高规划的指导性和可操作性。

在电网规划中,采用科学手段对配电系统进行综合技术评价,有助于总结经验和建设安全、可靠、经济且可持续发展的电网结构。科学的综合评价技术为电网规划、电网建设、电网改造及电网运行工作等奠定了基础,在资源越来越紧张的环境下,更有利于发现系统的薄弱环节,并通过对电网的优化,提升电力系统的可靠性及提供更高质量的供电,提高系统的供电能力,保障电力系统的安全性和稳定性。

此外,未来智能电网具有数字化、家电信息化、分布式能源系统和存储混合动力汽车等核心特性,配电系统是其关键及核心。所以,在配电网综合评价技术进行研究及研究综合评价技术在电网规划中的应用,对智能电网中的智能分析和规划调度都具有重要的指导意义。为此,本文对基于综合评价分析的县域配电网规划进行了研究,通过建立数学模型、综合统计分析电网情况,细化供电水平的评价方面,量化评价各方面的优劣,从而对提高电网评价水平、把握电网发展方向、提高电网的经济和社会效益起到积极的指导作用。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 电网规划研究现状

1.2.1.1 电网规划侧重点

电网规划的主要内容包括负荷预测、电源规划、网架规划,其目的为需求最优的电网规划方案,以保证电网能够安全可靠且能经济性的运行,以满足不断增长的负荷需求,从而促进电网及社会经济的可持续发展。但是电网规划中涉及众多的因素,因此实际电网规划中,要考虑多个方面及有不同的侧重。

国内外在进行电网规划时,都会考虑到电网规划与城市规划的协调性、一二次规划之间的协调、安全可靠性与经济性之间的平衡和电网规划新技术与方法的应用等问题[1]

目前,国外的电网结构发展的比较完善,但是,每个国家的电网规划的侧重点不尽相同。北美的电力市场发展较为成熟,有一定的能力对电网运行和电网的建设投资进行优化配置,其规划重点主要是对可靠性及经济性的分析。法国电网的特点是跨度小、稳定度高、输电线路较短等特点,因此法国的电网规划不强调稳定问题,而侧重点主要在于规划目的和规划制定的过程、效率评估、设备老化度的评估、电源及用户的接入问题。俄罗斯电网的特点是跨度大,这点与法国电网正好相反,因此,其在进行电网规划时,主要考虑的是电网的稳定性,其电力投资一般分布在核电、水电和国际输电项目等方面[2]。巴西电网在规划时除了考虑电网的可靠性及经济性[3],还特别注重对环境及社会的影响。英国、德国等欧盟国家在进行规划规划时更注重可再生能源的开发和接入、智能电表的应用等。目前,我国的电力市场仍未成熟,而且电网的智能化程度、灵活性、协调能力等均不是太高,因此,虽然我国的电网设备及技术水平已经和发达国家持平,但是在电网规划理念、电网运行和管理等方面仍有较大的差距[4]

输电网规划方面:我国能源的供应存在两个不平衡的问题。其一为能源的资源分布的不均衡,东部和中部的能源资源稀缺,而西部非常丰富;其二为区域经济发展的不平衡,东部和中部经济比较发达,能源需求较大,但是西部的总体经济量小,能源需求相对较小。过去,由于输电能力和输电距离的制约,中国一直采用就地平衡的方式,在东部和中部负荷中心大力建设电厂,用来满足生产生活的电力需求。但是随着经济持续的发展,东部和中部地区电力供应压力逐年加重。而且,北煤南运、西煤东运的格局,导致煤电价格上涨、运输能力紧张、环境污染等问题。对此,国家电网公司董事长、党组书记刘振亚明确指出我国能源开发重心西移北移、负荷中心在东中部地区的基本格局长期不会改变,能源大规模、远距离输送和大范围优化配置是历史必然。发展特高压是重中之重。这是解决能源和电力发展深层次矛盾的治本之策,是满足各类大型能源基地和新能源大规模发展的迫切需要。近几来,我国进行了一系列特高压,超高压输电关键技术的研究及示范项目的建设,并获得了一定成效。特高压规划不仅要考虑大电源接入的问题和安全可靠的传输的问题,而且还要考虑到特高压电网与电网的衔接问题、受端电网的支撑能力、特高压规划的优化等[5]-[6]

配电网规划方面:我国配电网规划方面主要研究的热点在分布式电源的消纳与规划、智能配电网、主动配电网等,在分布式电源规划的研究上,已经有一定的研究成果,文献[7]研究了分布式电源的优化问题,为实现收益值最大为目标函数,考虑DG接入的影响,把节点电压和线路潮流作为约束条件,采用人工蜂群算法进行求解,得到最佳DG接入方案。文献[8]提出了一种用模糊数来描述不确定性的基于多目标的静态模糊模型的DG规划问题。我国对智能配电网的研究相对其他国家较晚,在发输电方面已经实现部分程度的智能自动化,但是在配电网的智能自动化还远远不足,因此未来自动化的发展中心仍然在配电网方向。对智能配电网的规划主要分为三个阶段,第一,试点先行、建立智能配电网的示范工程的建设;第二,全面建设可以自愈和具有兼容特点的智能配电网,第三,结合新技术的发展状况,进一步的完善及提高智能配电网的应用水平[9]。近年来我国在主动配电网的规划研究也有了很大进展。文献[10]提出了考虑DG和重构因素的主动配电网的扩展规划的模型;文献[11]建立了一种考虑损耗、DG投资的费用、DG主动参与调峰的费用及线路的投资的规划模型。

1.2.1.2 电网规划模型

建立电网规划模型是开展电网规划的决策依据和指导原则。电网规划过程中,针对不同的规划侧重点,往往选择不同的规划模型。在认真归纳各种电网规划模型特点的基础上,我们对其进行了分类。

1)静态规划模型与动态规划模型

按着规划时间分类,可以将电网规划模型分为静态规划模型和动态规划模型两类[12]。静态规划模型主要是针对未来某一水平年的网架结构进行设计,而不考虑现状电网结构到未来规划电网结构之间的过渡过程。动态规划模型相对静态规划模型会复杂很多,它将规划期分为若干个水平年,主要考虑的是水平年的电网结构之间的过渡问题,对每个水平年进行设计逐步得到最优规划网架。简而言之,静态电网规划侧重于某一规划水平年的电网网架结构状态,而动态规划模型则侧重于规划期内电网网架结构的变化过程。从某种意义上来说,静态规划模型可以看做是动态规划模型的其中一个节点的电网状态。因此,在实际工程项目中,可以将两者结合进行电网规划,即可以先利用静态规划模型规划得到未来水平年的目标电网结构,再通过动态规划模型细化到各个水平年的电网网架规划,逐步对电网进行扩建。

2)单目标规划模型与多目标规划模型

按着目标函数分类,可以将电网规划模型分为单目标规划模型和多目标规划模型。单目标规划模型,顾名思义,是只含有一个目标函数,并根据该目标函数进行电网扩建的规划模型,而多目标规划模型则含有两个或者多个目标函数的规划模型。通常情况下,单目标规划模型以经济性指标为目标函数,主要包括电网投资费用、运行费用、设备折旧费、损耗费及其他维护费用等。多目标规划模型一般是简化为单目标优化模型进行求解,其做法是:将多个目标单独列出来,做为子目标单独建模进行分别优化。电网规划中,常将经济最优与电网的可靠性最优同时作为优化目标进行求解,以期望规划方案在经济性与可靠性之间寻找到最佳的平衡点。以前,以经济最优的单目标规划被运用的比较多,但是,随着优化理论的深入研究及电力市场化的发展,多目标规划模型的研究越来越多,而且在规划工作中,经济不再是规划人员考虑的唯一目标,而以经济、安全、可靠等各方面的目标被考虑。

3)确定型规划模型与不确定型规划模型

由于电力系统是一个大型的复杂的系统,因此涉及到大量的不确定因素是电网规划的主要特点之一,而且随着电力系统的不断壮大及和日益复杂,只会有越来越多的不确定因素影响着电网规划工作的开展,比如负荷预测、变电站布点、电网的网架规划等。按照是否考虑这些因素,可以将电网规划分成确定型和不确定型。在确定型中,电网规划不考虑不确定的因素,或者是将不确定因素转换成确定因素进行考虑。在不确定型,则采用某些方式对不确定因素进行描述,然后再建模研究。按着不同的处理方式,可以将不确定型模型分成四类:

随机优化模型

这类模型是假定不确定因素具有随机性,因此利用概率的方法对其进行描述,以此同时,采用规划中已经有的经验及规律,利用随机潮流[13]进行计算,从而得到潮流指标,以便为随机性规划提供数据。但是鉴于随机优化模型的建立需要大量的数据,而且可能存在部分不确定因素并不负荷提前的假设,所以,这种模型有一定的局限性,一般,该模型主要是用来处理电网设备的故障、电网的运行状态及系统负荷的状态等一些具有随机性的事件[14]

模糊优化模型

这类模型是采用模糊数对不确定因素进行描述的,而且通过模糊理论处理变量间的关系,再利用模糊的潮流计算来模拟电网的运行情况[15]-[17]。该模型一般用来对多目标的优化问题及综合评价问题进行处理,虽然其可以较方便地对不确定因素进行描述,但是由于采取的模糊数的形式的不同,模糊优化模型大多为多约束的非线性的优化问题,所以,一般需要进行某些转换以便求解。

灰色规划模型

这类模型是采用灰色理论对不确定因素进行描述,具体做法为:将不确定信息利用灰色理论进行建模,然后对信息进行白化处理,使灰色信息变为确定的信息来进行求解[18]-[19]。然而,该类模型处理灰色信息时,仍缺乏严格数学理论的支持,所以,这类模型尚待完善,其在电网规划工作中的应用仍处于起步阶段。

盲数规划模型

这类模型是采用盲数来描述不确定信息,然后进行建模,通过盲数潮流[20]计算对电力系统的运行状况进行模拟,并求解得在不同的线路的盲数潮流中过负荷的概率值下的规划方案,最后通过对规划方法的经济指标进行评价分析来求得最优的规划方案[21]。盲数理论对同时含有随机性、灰色性、不确知性及模糊性的因素的处理具有很好的成效,因此,在电网规划中的应用的前景非常广阔。

1.2.1.3 电网规划方法

电网规划可以看作成一个非线性、多变量、多目标、多约束的复杂优化问题,其求解方法随着科学理论的发展、计算机智能化进步及学者的不断研究而不断发展,电网规划方法的发展过程主要可以通过三个阶段进行概括。

1)经验方法阶段

在这个阶段中,规划人员首先根据电力工作经验知识,提出若干个在经济及技术上都可行的备选方案,然后经过讨论斟酌选出最合适的方案。通过这种方法进行电网规划,不仅在电网规划前期收集资料数据上受到限制,而且具有很大的主观性,难以保证所得方案的最优性[22]

2)传统系统分析方法阶段

随着计算机的技术的不断进步和科学理论的快速发展,电网规划方法的发展进入第二阶段——传统系统分析方法阶段。传统系统分析方法主要是将运筹学中的各种数学优化方法应用到电网规划中,比如,线性规划方法[23]、非线性规划方法[24]、整数规划方法、分支定界整数规划[25]、混合整数规划法[26]、分层分解法[27]Benders分解法[28]等。还可以采用多种数学优化方法混合进行求解,如文[29]采用线性规划方法和非线性规划方法两种方法混合进行求解;文[30]则是把非线性方法与混合整数方法联合起来进行求解。以上优化方法对于小规模的电网优化问题的求解是比较方便的,但是随着电网结构的日益壮大,求解的难度会成倍数级增加,因此,这些优化方法对于大型规模的电网优化问题的全局的最优解的求解,是不实际的。

虽然,采用以上优化方法在进行电网规划的问题求解仍都有局限性,但是相对经验法而言,这些数学优化方法在进行电网规划的求解时会更加科学。

3)智能优化阶段

随着人工智能的发展,很多的智能的优化方法被应用到电网规划中求解,电网规划方法的发展进入第三阶段——智能优化的阶段。目前,在电网规划应用的智能优化的算法包括:根据专家知识及经验进行推理和判断的专家系统法[31],模拟动物的物竞天择,适者生存的自然进化规律的遗传算法[32],模仿蚁群通过在其途径的路径上分泌物的信息,来找到最优的路径的蚁群算法[33],通过模仿鸟群觅食中对记忆信息的共享,达到高效的寻优求解的粒子群算法[34]、利用金属的退火的规律用来寻优的模拟退火法[35]、采用模糊规则对模糊的优化问题进行求解的模糊算法[36]、以及生活现象进行模拟的贪婪随机自适应搜索法[37]、禁忌搜索法[38]等。这些智能算法也常跟传统分析方法相联合对规划问题进行优化求解。但是,在大规模优化问题的计算量以及解的稳定性方面仍然存在一定局限性。

 
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