城市配电网规划研究现状和发展

摘要：本文介绍了配电网规划研究的发展和现状，包括我国城市配电网所存在的问题，配电网架规划研究的意义，在配电网规划中所采用的模型以及对模型的化简，然后介绍了配电网规划的优化方法，并在分析的基础上得出了优化算法在工程中适用的结论。

关键词：配电网规划 模型优化方法

Abstract : This paper introduces the development and the status of thedistribution network planning .It contains the problem of city’s distribution, on the meanings ofthe distribution network planning, the models are used in the distribution and simplify the models, and then propose the optimize methods in the distribution network planning . At last, on the base of analysis the optimize methods, some available concludes were proffered in the project.

Key words: Distribution network planning, Models, Optimize methods,

1 引言

目前，世界各国的电力工业正逐步由原来的国家垄断经营向自由竞争的电力市场机制转变。同样在我国，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对配电网的供电能力、供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，那么现有的城乡电网己经不能适应经济发展的要求。在过去我国对电力的发电和输电环节的投入较大，而对于配电系统的建设则相对滞后，致使城市电网的设备比较陈旧，网架结构薄弱，网络供电能力不足，供电质量差，供电可靠性低，运行和维护费用高等等这些特点。在现在竞争激烈的电力市场环境下，电力公司面临着许多新的挑战，其中一个重要问题就是如何在提高供电质量和可靠性的同时，尽可能地降低运行、维护和建设电网的费用。因此，如何进行配电网规划以及在规划中协调好可靠性和经济性已经成为迫切需要解决的问题。

与世界的其他发展国家相比，我国配电网的发展较晚，发展水平较低，建设也相对比较落后。城市的配电网，特别是老的城市的配电网，已或多或少滞后于城市经济的发展，成为制约城市经济发展的瓶颈。我国对于电网的投资差不多一半都在电源侧，而对于输电线路的投资又多于配电网络的投资，因而也就造成了我国城市配电网的发展比较落后，跟不上整个城市经济建设的要求。

对于我国的城市配电网来说还存在着一些比较普遍性的问题，如配电网架结构薄弱，电力设备陈旧、事故率高，线路过载严重、可靠性低、电压质量低等等一系列的问题。具体可以划分为以下几点：

（1）中压配电网网架结构薄弱

（2）城市配电网技术落后，配电网络自动化水平较低。

（3）线路损耗率高，电压质量较低。

（4）电网供电可靠性差，电网规划不尽合理。

2 城市配电网规划研究的意义

长期以来，城市中压配电网网架结构薄弱，主次网架不清晰，网络连接复杂，造成了用户电压不稳定，网络损耗过大，事故发生频繁等等问题。我国的配电网规划与设计，主要是由规划人员的经验和对一些电网的局部计算的来进行，在有限的条件下解决线路过载，负荷增加，电压质量底等出现的一系列的新的问题。那么对于规模日益扩大的配电网，这种规划与设计的方法越来越不能够满足配电网的合理建设和经济运行。由此看来，全面的规划优化配电网架结构，一方面能够降低网络损耗，另一方面能够有效的降低投资和维护的费用。

3 城市配电网规划所采用的模型

以下三种模型是配电网规划中经常采用的模型

（1）单阶段模型

单阶段模型是一种假设负荷在规划的时间段内不变的静态模型，它无须考虑配电设备在规划期内投入的具体时间。

（2）多阶段模型

多阶段模型是一种考虑负荷在规划时间段内变化的动态模型。

（3）不确定规划模型

传统的配电网规划优化方法是通过选择其中一个预想环境，采用该环境下的已确定的参数求得该环境约束的，相对经济指标最优的确定方案。

4 城市配电网模型的简化

由于配电网规划所具有的多目标性、不确定性、非线性、动态性等特点，使得配电网规划成为一个非常复杂的、大规模的最有组合问题。因此不论是应用数学规划方法还是求解模型都需要进行一系列的化简。那么对于模型来说就需要进行一些条件的简化。

（1）只考虑单阶段配电网的规划，而不考虑动态多阶配电网规划。

（2）只考虑以费用为目标的单目标配网规划，而不考虑多目标配网规划。或是即使考虑了多个目标，但是通过其他目标规算成为费用目标，从而实现有多目标向单目标配电网规划的转化。

（3）对模型的非线性进行线性化近似。概括起来，线性化主要有两种：对目标函数进行线性化近似和对约束条件进行线性化进行近似。

（4）减少目标函数的费用项。系统的费用主要包括变电站的固定费用和变化费用，以及馈线的固定费用和变化费用项。

（5）减少约束条件数。在配电网规划中通常考虑基尔霍夫第一定律；基尔霍夫第二定律；设备的容量约束，包括变电站的容量约束和设备的容量约束；电压降约束；可靠性约束；辐射状网络约束等。

（6）采用解耦的方法。主要包括问题的解耦和配电网络的解耦。常用的问题解耦方法有：采用Benders分解法将配电网规划问题分解成投资子问题和运行子问题。将配电网规划分成两个阶段：变电站规划和馈线规划。再将多个配电网规划问题分解成多个单阶段配电网规划子问题，分别求解各个子问题并进行相互协调。常用的配电网解耦方法是将整个配电网络按照变电站解耦成几个子网，然后分别规划并且相互协调。

（7）只考虑确定的配电网规划而不考虑规划的不确定性。

通过以上简化模型时考虑的几种条件，对于整个复杂的大型配电网来说，就能够在一定程度上对复杂的配电网模型进行简化。

5 城市配电网规划的优化方法

配电网规划的数学规划方法包括确定性方法和不确定性方法。其中，确定性方法又包括线性规划法、非线性规划法、动态规划法、网流规划法；而不确定性方法有模糊规划法、场景分析法、风险度估计法等。

1．配电网数学规划优化方法

（1）线性规划法。在众多的规划法中，线性规划发是研究最早，也是最为成熟的一种数学优化方法。它在配网中的应用几乎涵盖了配电网早、中期的大部分研究领域。线性规划法又可以分为运输模型、线性规划、整数规划、混合规划等。

（2）不确定性规划法。目前，在配电网中考虑不确定性主要有三种方法。他们分别是：

第一种方法是模糊数学理论。主要是建立以模糊供电总成本最小为优化目标，通过计算电网故障状态下的模糊电量不足期望值计算模糊缺点成本最后利用遗传算法产生动态化解。模糊数学理论在考虑多种不确定信息的基础上进行的电网规划，能够达到一些理想的效果。

第二种方法是场景分析法。场景分析法并不是对直接对配电网规划的不确定性因素进行建模，而是在未来规划的时间段内进行预想各种可能的确定性场景，然后在不同场景下进行进行常规的配电网规划。，考虑对各种场景都具有较高适应性的电网规划，从而得到对各种场景有较高适应性的最优柔性方案。

第三种方法是风险评估法。这种方法是通过对可能出现的不确定性情形进行评估和考虑，确定各个方案的风险率，然后进行确定性的电网规划，从而得到最优的柔性扩展方案。

城市配电网启发式规划优化方法。

（1）传统的启发式方法。传统的启发式方法通常基于系统某一性能指标对可行路径上线路参数的灵敏度，并根据一定的原则，逐步迭代直到满足要求为止。这种方法在配电网规划中的应用主要是结合“支路交换”进行的。所谓的支路交换是指：对辐射状配电网，通过添加一条支路来形成一个环，然后断开另一条支路以恢复其辐射状结构。重复该过程，直到任意支路交换都不能使目标函数减小为止。

（2）专家式启发方法。启发式专家系统可以说是传统启发式方法的发展。它与传统的启发式方法传统的启发式方法的不同式在规划中引用了专家的经验，这样一来就可以方便规划人员参与到规划决策中去。在这里需要指出的是，专家人员不是用来代替规划人员的，而是利用存放在数据库中的知识和基础数据，并通过推理机推理，给规划人员以最优的规划方案。最终规划方案的确定还是由规划人员来确定的。

（3）随机规划方案（也叫现代启发式方法）。它包括人工神经网络ANN（ Artificial Neural Network ）、模拟退火算法SA (Simulated Annealing)、遗传算法GA (Genetic Algorithm)、进化规划法EP(Evolutionary Programming)、Tabur搜索法TS (Tabur Search)、蚁群最优法ACO(Ant Colony Optimization )、等等。现代启发式方法是一种通用的优化算法。它的另外的一个重要特点是这些方法都能实现并行计算。由于现代启发式方法在求解组合最优问题时所表现的卓越性能，在过去的20十年中受到了人们的关注。然而它同样也具有不足之处就是当配电网的节点比较多时不可不免的出现“维数灾”的问题。

综上所述，在配电网优化规划的各种方法中，总的来说可以分为数学规划和启发式算法两大类。在随机规划方案中的人工神经网络算法、模拟退火算法、遗传算法和蚁群算法在现在的配电网规划中用的较多。

7 结论

在配电网规划的过程中，对于规划问题计算效率似乎并不重要，但是如果在配电网规划中负荷节点多的情况下，若使用遗传算法则会不可避免得遇到“维数灾”的问题。更重要的是，实际上任何一种规划设计方案都是规划人员确定了设计思路和所处环境下进行建设的，所以说对于规划人员在随着环境的变化以及具体的限制因素发生变化时，其设计思路也要相应的发生变化。因此要求优化规划算法具有较高的计算效率，这样才能给规划人员的设计思路和调整方案带来较快的的响应时间。

通过一些实例分析表明：对于配电网的规划问题，尽管存在着大量的局部最优解，但是大部分局部最优解与全局最优解的结果相差不大，因而可以作为工程的近似最优解是完全可行的。

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