基于GIS和图论分析的电网协调规划方法

1、 第33卷第8期2009年4月25 日Vol. 33No. 8Apr. 25, 2009基于GIS 和图论分析的电网协调规划方法梁锦照1,2, 夏清1, 郑建平2(1. 清华大学电机系, 北京市100084; 2. 中山供电局, 广东省中山市528400摘要:主配电网协调规划的重点是110kV 变电站选址和供电范围的联合优化问题。提出了基于地理信息系统(GIS 和图论分析的主配电网协调规划方法。首先基于GIS 和图论分析了变电站的基本属性; 其次, 提出变电站供电范围相邻关系环的概念; 然后, 利用变电站相邻关系环分析变电站最佳选址区域, 使变电站选址充分考虑配电网发展需要, 方便新建站后调整

2、已有站的供电范围, 并将变电站确定供电范围和确定具体地址通过迭代优化, 实现主配电网的协调规划。关键词:电网规划; 主网; 配电网; 地理信息系统(GIS ; 图论中图分类号:TM7150引言科学合理的规划是电力系统安全性、经济性的基础。有较多文献研究电网优化规划, 如各种优化算法在电网结构优化中的应用1、等223。基于地理信息系统(GIS 究了基于GIS GIS , 如文献528, 原、设备数量更大、分布更广泛, 更需要充分利用GIS 的分布数据管理功能。已有的文献中, 往往分别研究主网规划或配电网规划, 未见文献讨论电网协调规划。部分文献考虑了电网规划与电源规划的协调, 尤其是电力市场条件

3、下的电源与电网协调规划9210, 文献11在线路被选中概率的基础上, 考虑变电站选址定容, 是线路和电源点协调的一种考虑方式。在中国,220kV 及以上网络一般由大区或省公司统一规划; 地市供电局对220kV 变电站规划提供建议, 并负责规划110kV 网络; 区、县供电分公司负责规划中低压配电网, 包括35kV , 10kV , 0. 4kV 配电网, 并对220kV 和110kV 配电网规划提供建议。大部分供电企业在日常工作中, 称110kV 及以上电压等级的网络为主网(含输电网和高压配电网 ,110kV 以下电压等级的网络为配电网(中低压配电网 , 本文沿用上述习惯。在负荷密度较高的大中

4、城市,35kV 电压等级已经取消或者正在逐渐取消12, 因此本文的研究中不考虑35kV 电压等级。收稿日期:2009201218; 修回日期:2009202216。主配电网只有充分实现协调, “瓶颈”,13使电网安全稳定、。主网规5年规划、10年规划、远景规划和年度滚动修编14。因中低压配电网变电站和线路供电范围较小, 在较远的未来负荷, 负荷特性难以预测, 因此一般只做年度规划、5年规划。110kV 变电站是主网的终端, 也是配电网的主要电源点15。部分220kV 变电站有10kV 出线, 可将这些变电站采用与110kV 变电站同等的处理方法, 供10kV 容量视为变电站容量。已有较多文献研

5、究变电站选址问题, 而且主要是研究110kV 变电站的选址。这是因为110kV 变电站的选址对10kV 出线长度、难度有较大影响, 而且由于电压等级低, 出线长度对线损、电压降的影响比较显著。主网规划和配电网规划充分协调的重点是110kV 变电站选址和供电范围划分充分协调, 考虑配电网需要, 保证配电网电源充裕、分布合理, 方便出线, 防止供电路径过长。变电站供电范围基本决定了其出线的长度及供电半径。110kV 变电站选址与供电范围划分是密切结合的, 已有文献中往往假定已知供电范围研究站址优化16217。变电站选址和供电范围应该是协调优化的。变电站选址不同会影响供电范围划分; 分配给新建站的供

6、电范围不同, 变电站的选址也不同。2变电站属性分析2. 1变电站负载系数在配电网规划中, 需要衡量现有变电站在规划99 2009, 33(8 末期的负载情况。常用负载率定义为变电站最高负荷或除以变电站容量。一些数据采集与监控(SCADA 系统或配电网管理系统(DMS 没有记录变电站的有功功率, 记录了各相电流, 变电站的负载率计算也可按电流计算。不过, 变电站最大电流或者最大负荷, 均可能存在一定的不良数据, 如转供、部分线路短路等各种因素形成的不良数据18。在新建开发区, 缺乏历史数据, 因此本文建议采用如下负载系数:k =CNi =1c i(1式中:k 为负载系数, 表示变电站单位主变容量

7、所供电的配变容量; c i 为装接于该变电站出线上的第i 台配变的容量; N 为该变电站所有出线上所装接配变的总台数; C 为变电站主变容量之和。采用负载系数衡量变电站负载率, 数据明确, 容易获得。考虑到负荷类型不同, 配变利用率不同, 因此, 为了更准确地衡量变电站负载情况, 不同类型的配变需要定义不同的折算系数, 如工业负荷折算系数0. 9, 商业负荷0. 7, 居民负荷0. 5等根据历史数据分析获得, 。本文, 容量。负载系数可以超过1, 对广东某供电局的数据分析表明, 投运时间较长的变电站, 负载系数一般在1. 52. 0之间。2. 2现状变电站供电范围划分分析现状变电站供电范围时,

8、 将图论、GIS 相结合, 以配变为最小分析对象, 构建树状从属关系:变电站是根节点,10kV 出线是分支节点, 配变是树叶, 如图1所示 。分布, 然后用包络线包络, 视为该变电站的基本供电范围。2. 3规划期变电站供电范围划分在规划状态, 由于新增变电站或者部分变电站扩容, 需要调整现有变电站的供电范围, 并确定规划新站的供电范围。在变电站站址已知的情况下, 规划状态划分变电站供电范围, 需要重新划分配变(含已有配变和报装配变 与变电站之间的从属关系, 再利用2. 2节的方法确定范围。规划变电站的供电范围划分, 是变电站与配变从属关系的重构, 目标函数是总负荷矩最小。在重新划分供电范围的过

9、程中, 将配变划分为不同的变电站供电, 距离不同, 负荷矩不同, 合理划分供电范围, 实现总负荷矩最小。该问题可采用启发式方法解决。确定变电站与配电从属关系后, 按2. 2节所述方法确定供电范围3A 图A1所示, 高平站和高平2站供电范围相邻。以变电站为顶点、相邻关系为边, 可以绘制变电站供电范围相邻关系图。相邻关系具有如下特点:变电站供电范围相邻关系是双向关系; 一般情况下相邻关系图是连通图; 相邻关系图中存在较多的环。3. 2变电站相邻关系环定义1变电站相邻关系环:以变电站为顶点、以变电站供电范围相邻关系为边形成的环路, 且环路上各顶点变电站在地理上的连线所形成的环内没有其他变电站, 称为

10、变电站相邻关系环(A RL 。如图2所示,3个变电站形成A RL 。图2变电站相邻关系环Fig. 2AR L of substations service area图1变电站、10kV 线路和配变的从属关系Fig. 1Subordination relation betw een substation , 10kVlines and distribution transformers如图1所示, 分析每个配变与10kV 线路的从属关系、10kV 线路与变电站的从属关系, 递推获得配变与变电站之间的从属关系, 在GIS 上获得配变100定义A RL 时要求环内不出现其他变电站, 是为了方便实现变

11、电站优化选址和确定供电范围。若环内存在其他变电站, 在环路中间区域新建变电站, 新站可能与环路内已有站冲突, 导致供电范围不明确、交叉。定义2变电站A RL 的规模:ARL 中顶点个数称为ARL 的规模。 工程应用梁锦照, 等基于GIS 和图论分析的电网协调规划方法如图2所示的环规模为3。定义3定义每个变电站独自组成一个规模为1的环。定义42个变电站供电范围相邻, 形成一个规模为2的环。因为供电范围相邻关系是双向关系, 所以2个变电站相邻也可以视为一个环。容量之和作为权重系数, 选择靠近需要转移较多配变的变电站一侧 。4变电站选址与供电范围协调优化本节提出供电范围和选址协调的优化方法, 基本流

12、程是:确定变电站备选地址区域初步确定站址划分供电范围确定站址。4. 1确定变电站备选地址区域新增变电站时, 将新站建设在平均负载较重的ARL 及供电区域内, 可同时分摊环上各站的负载, 不调整环外其他站的供电范围, 使供电范围调整简便, 保持配电网稳定, 提高优化水平, 与目前变电站选址的人工决策方式非常接近。新建站时, 遍历所有规模在一定范围内的环, 比较如下指标:n图3变电站站址选择Fig. 3Site selection of substations3 待选区域是规模为1的环及供电范围时, 这种情况本身将十分少见。若出现这种情况, 在现有变电站供电半径不大的情况下, 建议变电站扩容; 在

13、现有变电站供电半径较大的情况下, 以使新增站和C =(k i =(式中:C 量之和, , ; k 为不新增站的情况下现有变电站负载系数; k 为新增变电站后变电站的平均负载系数。新增变电站时, 优先在C 最大的环及其供电区域中新增。值得注意的是, 当环的规模过大时, 选择在环内建设新变电站解决环上各变电站未来重载, 可能存在如下问题:环上变电站过多, 新增一个变电站不足以解决问题; 环的面积过大, 让一个新站同时分摊环上所有变电站的负荷, 将使新站供电半径过大。因此, 在上述遍历中, 限制环的规模在一定范围内, 或者环的供电面积在一定范围内(如环上变电站最远距离不超过15km 。4. 2初步确

14、定变电站站址分以下情况初步确定变电站站址:1 最有可能出现的情况是4. 1节所选定的环规模不小于3, 如图3所示。将图3中ARL 所围成的三角形区域视为平面图, 每个已有变电站视为“质点”, 权重为需要转移的配变容量C i , 计算该三角区域的“重心”, 作为待建变电站初步选址。2 待选区域是规模为2的环及供电范围时, 初步选择2个变电站的连线, 并按照需要转移的配变。, 还需要与, 根据规划变电站初步选, 重新划分供电范围。在该步骤中, 只调整环上变电站的供电范围。继续新建站时, 再调整其他变电站的供电范围。4. 4确定变电站站址在划分供电范围后, 再根据供电范围, 按照负荷矩最短的原则确定

15、变电站站址。4. 5小结通过选择合理的A RL 作为新建选址区域, 可确定最迫切需要建设新站的区域, 将已有变电站负载部分转移到新建站, 调整供电范围的幅度小, 调整方式简洁, 保证了变电站选址在相对合理的区域; 站址确定和供电范围划分经过一步迭代、联合优化, 使变电站选址很接近理想地点。当需要新增多个变电站时, 可按照上述步骤逐一优化决策。5案例分析本文所提出的方法应用于中山供电局基于GIS 的配电网规划系统中, 取得了很好的效果。附录A 图A2为中山中心组团2008年110kV 变电站(含有10kV 出线的220kV 变电站 及供电范围划分图, 供电范围用虚线分割。各变电站主变容量及装接配

16、变容量和预计增加容量如表1所示。根据附录A 图A2, 列出部分规模为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. 电力GIS 及基于V 图的变电站选址的研究D .郑州:的变电站供电范围相邻关系环如表2所示。由于环比较多, 限于篇幅, 不一一列出。表1变电站主变和配变容量T able 1C apacities of

17、substations and its distributiontransformersMVA郑州大学,2006.3马妍. 城市电网供电能力评估软件的研究与开发D .北京:华北编号变电站主变容量供10kV 装接配预计新需转移容量变容量增容量容量电力大学,2005.4胥晓晖. 基于GIS 的电网规划管理系统研究D .济南:山东大中山2×240富豪2×50环城2×40安山2×50库充3×40博爱2×50城南2×50五桂山2×40板芙2×40旗乐2×240学,2005.5吴奇石, 邱家驹. 基于GIS

18、 的配电网规划人工智能方法:(一 配电网规划智能决策支持系统概述. 电力系统自动化, 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吴奇石, 邱家驹. 基于GIS :(二 遗注:规划末期为2010年; 中山、旗乐2个变电站是220kV 变电站, 有10kV 出线; 规划末期采用负载系数1. 8(即每兆伏安主变容量负载1. 8MVA 配变容量 。电力系统自动化,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杜成刚. 基于GIS 技术的城市配电网规划辅助决策系统D .上表2部分变电站相邻关系环T able 2Several AR Ls d ata规模海:同济大学,2006.8牛卫平, 刘自发, 张建华, 等. 基于GIS 和微分进化算法的变电站选址及定容. 电力系统自动化,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曾庆禹. 电力市场条件下的发输电规划协调与运行模式. 电力系本例中最大的环是富豪环城安山旗乐板芙五桂山城南博爱库充富豪, 规模为9。该环面积过大, 显然新增1个变电站, 同时分摊9个已有变电站的负荷是不现实的。根据中山实际情况, 选择环的规模上限为4。选择五桂山城南博爱板芙作为第1优先环, 合计需要转移的配变容量为194MVA 。按照负载系数1. 8计算, 新增一个2×50MVA

22、 的变电站。因此, 最优先选择在五桂山城南博爱板芙4个变电站所围成的区域内新增变电站。选址和供电范围的迭代过程数据较多, 且过程简单、明确, 此处不赘述。从附录A 图A2和表1、表2可见, 在该区域新增变电站, 确实能非常好地满足配电网的发展需求。在新增上述变电站后, 若变电容量仍然不足, 则继续重复上述过程, 规划第2个新增变电站。附录见本刊网络版(http :/www. aep s 2info. com/aep s/ch/index. asp x 。统自动化,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金华征, 程浩忠. 电力市场下的电网灵活规划方法综述. 电力系统及其自动化学报,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, 张焰, 等. 考虑线路被选概率的电网灵活规划方法. 电力系统自动化,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刘玉方, 俞晓荣, 孙蓉. 电网规划中电压等级的选择与确定. 江参考文献1孙旭, 任震. 市场环境下的电网优化规划的研究. 电网技术,苏电机工程,2006,25(2 :41243.L IU Yufang , YU Xiaorong , SUN Rong. Selection of voltage level in power system planning. Jiangsu Electrical Engineering ,102 工程应用梁锦照, 等基于GIS 和图论分析的电网协调规划方法2006, 25(2 :41243.13侯勇. 高压配电网规划中变电站选址定容与

26、协调优化问题研2005.18黎灿兵, 刘晓光, 赵弘俊, 等. 中压配电网不良负载数据分析与究D .北京:华北电力大学,2006.14钟庆, 吴捷, 黄武忠, 等. 动态规划在电力建设项目投资决策中处理方法. 电力系统自动化,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.的应用. 电网技术,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余贻鑫, 王成山, 肖俊, 等. 城市电网规划计算机辅助决策系统.电力系统自动化,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吴青. 基于地理信息系统的配电网优化规划的研究D .南宁:广西大学,2004.17郑培迎. 基于地理信息系统的配电网规划D .南宁:广西大学, 男, 通信作者, 博士研究生, 主要研究梁锦照(1973方向:电力

29、系统规划与信息化。E 2mail :liangjinzhao1010vip. 163. com, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究夏清(1957方向:电力系统经济运行、电力市场。E 2mail :Qingxia tsinghua. edu. cn, 男, 高级工程师, 主要研究方向:电力郑建平(1966系统规划建设研究与管理。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页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