农网网架结构的优化

摘要：相对于城区电网来说，农网的拓扑结构要简单、清晰，但由于负荷对电能可靠性要求等其他原因，一般都会有小型发电厂，且通常均为小容量机组，即系统除了通过若干220 kV、110kV变电所接受区域大电网电力以外，往往包括多个110 kV及以下并网发电的若干电源点，从而使得电网不是单纯的放射型单方向模型，需要通过建立数学模型来确立电源点的建设和系统接线方式。

关键词：农网 网架结构 优化

1 农网高压配电网结构特点

相对于城区电网来说，农网的拓扑结构要简单、清晰，但由于负荷对电能可靠性要求等其他原因，一般都会有小型发电厂，且通常均为小容量机组，即系统除了通过若干220 kV、110kV变电所接受区域大电网电力以外，往往包括多个110 kV及以下并网发电的若干电源点，从而使得电网不是单纯的放射型单方向模型，需要通过建立数学模型来确立电源点的建设和系统接线方式。

2 农网网架结构优化方法的选择

2.1 网架结构优化的一般方法

负荷预测是电力系统规划工作的基础，在负荷预测的基础上一般应结合区域规划进行负荷分布分析，进而确定负荷平衡结果，即确定变电所的分布和容量规划，在负荷预测和变电所布点确定的基础上进行网络优化规划。一般来说，网络规划的目标是满足系统有功负荷的最优网架设计，有静态规划和动态规划之分。静态规划考虑的是针对某一负荷水平进行网架规划，一般从基准年开始按年度进行，需考虑现有的网架，同时后一年的网架结构规划需将前一年的网架设定为已有网架，因此，每规划目标年的网架规划既要瞻前也要顾后，做到从时间序列上的前后协调相互呼应，从而节约建设投资。但规划设计方案的评价指标一般考虑整个规划期的总的性能指标最优来评价方案，而且往往加入投资分析，甚至列入资金的时间价值，因而称为动态规划。网架规划优化方法常用的有两类，即启发式方法和数学优化方法。数学最优方法是通过将电网规划问题用数学化模型进行描述，然后采用一定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。该类方法从理论上将可以保障方案的最优性，但一般要求得最优解需要很大的计算量。启发式方法则是通过定义方案运行性能以及投资需求等综合指标，根据一定规则对线路进行逐步迭代选择直至得到满意的最优解。该类方法难以保证方法的最优性，但计算量较数学优化方法要小，计算较为方便且便于与规划设计人员的检验相结合，因而是一种更为经济而实用的方法。

2.1.1 启发式网架优化方法

根据所确定的衡量安全性指标的不同，启发式方法分为基于支路性能的启发式方法和基于系统性能指标的启发式方法。基于支路性能指标的启发式分析方法中，线路的选择是根据系统运行时线路功率传输情况来实现的，常选用的有线路是否能满足负荷要求或者线路过负荷程度等指标；而基于系统性能指标的启发式方法中，线路的选择是根据线路对系统运行时整个系统的一个特定运行性能指标的影响程度来实现的，常选用的指标有系统缺负荷大小指标等对线路的逐步选择。

基于线路指标的启发式网架规划方法分为逐步倒退法和逐步扩展法两种。逐步倒退法是根据目标年数据构成一个虚拟网络，该网络除了已有线路以外，包括所有待选的线路，这样，构成的就是一个冗余度很高但不经济的网络，然后采用潮流模型对该网络进行分析，比较各待选线路在系统中的作用和有效性，逐步去掉有效性低的线路，直到网络没有冗余线路为止。而采用逐步扩展法是根据各待选线路对过负荷线路的过负荷量的消除的有效度，选择适当的线路到现状网络上，直至网络无过负荷为止。为计算各待选线路的有效度，需要进行变结构时的潮流计算。

基于支路性能指标的启发式方法有计算简单灵活等优点，但由于通常是独立地考虑各待选线路的作用，无法直接体现系统充裕的大小等性能指标，而基于系统性能指标的启发式方法则能体现系统性能指标，从而可以从整体上识别薄弱环节并充分考虑各待选线路对系统的整体影响来选择最佳扩建线路。

2.1.2 网架结构的数学优化方法

网络优化的数学化方法可以分为确定性和不确定性两种优化方法。传统上采用的常常是确定的网络优化方法，即将规划问题表达成确定性的优化问题来进行求解。但随着规划的环境以及相关要求日益复杂，且负荷、设备费用、线路路径等因素均具有不确定性，这些不确定性对电网规划有较为显著的影响，因而在规划中考虑不确定性因素是必要的。按照考虑不确定性因素特征的不同，不确定网络优化有分为随机优化法和模糊优化法。随机优化法常常用于事件是否发生以及发生的时刻存在不确定性的情形，而模糊优化法则常常用来处理有关事情表达不清晰的这种不确定性的情况。在通常情况下，在满足对保障负荷电能供应的前提下，可能有多种架线方法和导线截面的选择，要对多个方案进行比较选择，则需要选择目标函数，在电网规划设计中常用到的目标函数有网架建设总投资、电能损失、维修运行费用为目标函数。由于电能的特殊性，需要考虑各种约束条件，如电压范围、线路的长期极限传输容量限制等。因此，网架优化过程实际上是目标函数与约束条件、状态参数之间的协调处理过程。

网络规划法是针对网络的拓扑特性所提出来的一种数学规划方法，也是在线形规划中专门处理网络问题的一种特殊算法。数学上把图看作节点和弧的集合，弧是连接在两个节点之间的有向线段。在电力系统中，节点就是接受电力或者发送功率的发电厂、变电所或者负荷点，弧就是线路。这种优化网架方法在电力系统网络优化中常用的数学模型有最少费用法、最短路径法、费用最小最大流法等方法。

2.2 农网网架结构优化方法的选择

结合农网高压配电网结构特点，选用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算较为适用。采用该方法是从一个既定的辐射式电网开始，增加一条闭合联络支路后使辐射型网络变成一个闭合回路，然后将某一条支路断开，恢复网络的辐射型结构，并按照给定的目标函数对新构成的辐射型网络进行计算。重复上述计算过程，直到目标函数值最好为止，对应的网络即为所选用网络接线。采用这种方法简单实用，但只能达到局部最优解，对于农网来说，一般规划年需要新建的高压（110 kV及以上）线路是局部的，因而采用支路交换法可以满足其要求。一般地对于既定的系统接线，考虑到节约投资，其改建项目的实施相对于系统网损等指标来说往往是不经济的，且由于受电压、可靠性等电网分析计算的约束性条件的影响。在工程实际中，其高压配电网往往是通过对新增支路，以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较，来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中，我认为需引入动态经济比较的概念，而对于网络优化设计方案来说，结合个人设计方案比较的经验来看，最适用的经济方案比较以年费用比较法较为适合。

3 计算框图设计

计算步骤一：目标函数的确定。

当新建或者改建线路对支路潮流仅是局部影响时，只需对所需考察的支路进行网损最小分析。 采用最小网损作为目标函数，即函数为：

计算步骤二：先计算电网的潮流分布，再找出与本次计算相关的支路，即列出目标支路集合，交换支路前辐射型网络网损计算。

计算步骤三：第一次支路交换后，重新进行潮流计算后，在潮流计算结果的基础上进行支路交换后的辐射型网络网损计算。

重复以上支路交换计算，直至得出最优结论为止。

4 经济比较方法引入网架结构优化

在电力系统规划设计的实际应用中，单纯采用以上支路交换法优化网络接线是不够的，应该结合经济比较，即在对方案进行投资分析计算的基础上进行比较，从而得出经济的方案。常用的方案比较方法有最小费用法、净现值法、内部收益率法、折返年限法，每种方法又可以演化成不同的表达式。最小费用法是电力系统规划中较为普遍的方法，适用于比较效益相同或者效益基本相同，但难以具体估算的方案。最小费用法通常有以下三种不同的方案：费用现值比较法、计算期不同的现值费用比较法和年费用比较法。费用现值比较法是将各个方案基本建设期和生产运行期的全部支出费用均折算到计算期的第一年，现值低的方案是可取方案。对于不同建设期的方案则一般按照方案中计算期最短的进行计算，及计算期不同的现值费用比较法。

年费用比较法是将参加比较的诸方案计算期的全部支出折算成年费用后进行比较，费用低的方案为经济上的优越方案。其表达式为：

在比较方案部分费用相同的情况下，可以采用只考虑有差别的费用的年费用比较法，即只考虑差别部分的费用的比较，这种方法将初始投资差额以及末期残值差额折合为年费用或者年值，再综合运行维护、改造等运行年需要投入的差别费用，比较即可以得出经济最优方案。对于农网电力建设项目，笔者推荐使用这种简化了的年费用比较法。

5 总结

结合农网作为辐射型受端电网的特点，用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算，虽只能达到局部最优解。对于农网来说，一般规划年需要新建的高压线路是局部的，因而采用支路交换法可以满足其要求。在工程实际中，其高压配电网往往是通过对新增支路，以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较，来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中，文中引入了动态经济比较，并提出对于农网采用有差别的年费用比较法最为适用。

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