一種中壓配電變壓器位置優(yōu)化規(guī)劃方法

張學(xué)榮¹，王風(fēng)萍²，陳志梅²

（1.大同供電局，山西 大同 037000；2.太原供電局，山西 太原 030012）

 　　摘　要：從工程的角度對中壓配電變壓器位置優(yōu)化規(guī)劃方法進(jìn)行了研究，提出一種較為科學(xué)的配電變壓器優(yōu)化方法。通過在一個區(qū)域內(nèi)分析多種可選的配電變壓器配置方式，并對每一種方式計算相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指標(biāo)（包括由此產(chǎn)生的中壓網(wǎng)壓降與電能損耗等），利用狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)作為懲罰因子并與相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)改造建設(shè)費(fèi)用一起構(gòu)成求解的網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而在各種可行方式中得出一種最佳的配電變壓器配置方案。這一方法的目的是在眾多配變可選配置方式中找到一個具有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)改造綜合投資省并且線路運(yùn)行壓降小、網(wǎng)損低的特點(diǎn)的方案。這一思路不僅可用于配電變壓器的優(yōu)化規(guī)劃，而且還可在配網(wǎng)優(yōu)化中加以借鑒。此方法在一個樣例系統(tǒng)中進(jìn)行了使用，結(jié)果令人滿意。
　　關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)規(guī)劃；配電變壓器；整數(shù)規(guī)劃；懲罰因子

0 引言

　　通常來說，在配電系統(tǒng)規(guī)劃過程中，無論是分別獨(dú)立地對變電站及配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化還是將二者結(jié)合起來統(tǒng)籌考慮，對于中壓配電變壓器常常由于其重要性程度相對較低而被忽視。常見的做法是參照區(qū)域負(fù)荷容量的大小將配電變壓器人為置于負(fù)荷中心，并指定它們在網(wǎng)絡(luò)中的接入形式，這樣實(shí)際是忽略了配電變壓器配置方式的不同對網(wǎng)絡(luò)的影響。但是由于系統(tǒng)中配變的容量等級變化范圍較大，一般從50~630 kVA不等，不同容量的配變對網(wǎng)絡(luò)供電情況的影響是不同的，比如同一區(qū)域采用小容量配變的布置形式會使得布點(diǎn)個數(shù)增多，中壓網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對增大，綜合線損一般相對降低；而采用大容量配變的形式結(jié)果則相反。在中、長期配網(wǎng)規(guī)劃中，由于配變可能的配置方式較多，對于規(guī)劃人員如何在若干可供選擇的方式中考慮適當(dāng)?shù)呐渥儼惭b容量和網(wǎng)絡(luò)接入形式并不是一個易于解決的問題。
　　本文中提出的優(yōu)化算法在一定程度上考慮了配變布置與配網(wǎng)間的相互關(guān)系，能夠在若干配變可行配置方案中得到一個綜合指標(biāo)較優(yōu)的結(jié)果。在進(jìn)行計算之前，首先需要將整個規(guī)劃區(qū)域依地理環(huán)境或供電狀況劃分為若干分區(qū)，在每個分區(qū)內(nèi)部如果配網(wǎng)供電能力足夠滿足未來負(fù)荷發(fā)展的要求，則規(guī)劃問題簡化為對分區(qū)內(nèi)配變位置與容量的優(yōu)化（出于進(jìn)一步化簡的考慮，這里僅僅就配變及中壓網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行分析，而忽略低壓網(wǎng)的影響）；反之，若負(fù)荷發(fā)展超出已有網(wǎng)絡(luò)供電能力，則規(guī)劃問題轉(zhuǎn)到下一步，進(jìn)行對已有網(wǎng)絡(luò)供電能力的擴(kuò)充與在這基礎(chǔ)上的配變位置及容量的優(yōu)化。
　　本文算法主要針對在規(guī)劃分區(qū)內(nèi)有多種可行配變布置方式和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)形式的條件下，如何從中選擇一種最優(yōu)解決方案來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建。這樣，規(guī)劃人員可依此對逐個分區(qū)加以分析決策，而得到整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃結(jié)果。這里各供電區(qū)域的劃分一般依地理位置或習(xí)慣人為劃定。

1　算法
　　整個計算流程包括3個步驟：① 優(yōu)化準(zhǔn)備； ② 計算方案的運(yùn)行指標(biāo)懲罰因子； ③ 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算。
　　其中在步驟①需要進(jìn)行規(guī)劃區(qū)域的劃分、計算每個分區(qū)內(nèi)的未來負(fù)荷需求以及給出可能的配變布置形式與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)形式，這是后面的兩個步驟的基礎(chǔ)。

1.1步驟①優(yōu)化準(zhǔn)備
　　將整個規(guī)劃區(qū)域劃分為若干分區(qū)，分別預(yù)測每個分區(qū)內(nèi)的未來負(fù)荷發(fā)展水平，并考察分區(qū)內(nèi)已有配變的供電能力是否能滿足未來負(fù)荷的需求。對于那些現(xiàn)有配變無法滿足負(fù)荷需求的分區(qū)，需要提供新加配變的可能安裝位置（可以根據(jù)分區(qū)內(nèi)的建筑情況指定，通常較實(shí)際所需為多）以及與網(wǎng)絡(luò)的可行聯(lián)結(jié)形式。注意由于一般每個分區(qū)由多條線路甚至多個變電站供電，因而這里的可行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)形式常常有多種。同樣，對于每個配變的可能安裝位置上，也會有多種可行的配變?nèi)萘颗渲梅绞健＿@樣，在一個分區(qū)內(nèi)可行的配網(wǎng)建設(shè)方案數(shù)目一般是以乘積的形式迅速膨脹的。
　　上述分析可以描述為：對于每個可能的配變安裝位置，存在若干種配變?nèi)萘窟x擇，對每種配變?nèi)萘窟x擇又存在若干種網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)形式。例如，對于配變安裝位置l，存在的可能網(wǎng)絡(luò)接線數(shù)NMl為：
　
其中：NLl為 位置l處配變可能的安裝容量個數(shù)；Ml為位置l處配變可能的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)形式個數(shù)；L為分區(qū)內(nèi)配變可能的布置位置個數(shù)。
　　分區(qū)內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案數(shù)為：
　
　　確定是否在所計算分區(qū)內(nèi)需要新加配變的過程如下:
　
其中：y為分區(qū)序號；e為分區(qū)現(xiàn)有配變序號；為第e臺現(xiàn)有配變供電負(fù)荷上限；NE_y為y分區(qū)中現(xiàn)有配變總數(shù)；P_y為現(xiàn)狀年y分區(qū)負(fù)荷；a_y為y分區(qū)負(fù)荷的年增長率；AN為規(guī)劃年數(shù)；f_y為y分區(qū)配變負(fù)荷同時率。
　　對各規(guī)劃分區(qū)根據(jù)式（3）可確定是否需要新上配變，以及需要新上多少容量的配變。如果由式（3）中計算出的未來負(fù)荷預(yù)測值超過現(xiàn)有分區(qū)內(nèi)總配變供電能力上限，則需要考慮在分區(qū)中新加配變，否則即分區(qū)中現(xiàn)有配變已可滿足未來負(fù)荷需求，無需新上配變。

1.2步驟②計算方案的運(yùn)行指標(biāo)懲罰因子
　　上述步驟①確定了在規(guī)劃分區(qū)內(nèi)的多種可行配變及網(wǎng)絡(luò)布置形式，在步驟②中則對于每種形式分別進(jìn)行潮流分析得到相應(yīng)的狀態(tài)懲罰因子，換句話說是得到各種布置方式對配網(wǎng)正常運(yùn)行影響程度大小的度量。
　　對于方案進(jìn)行潮流分析可以得到節(jié)點(diǎn)電壓降與支路潮流的分布，將這一結(jié)果作為每種方案的狀態(tài)指標(biāo)。狀態(tài)指標(biāo)包括節(jié)點(diǎn)電壓水平與設(shè)備負(fù)載水平，由此可以量化新加配變的各種配置方式對配網(wǎng)的影響。當(dāng)然，首先將所有造成配網(wǎng)指標(biāo)越限（如壓降過大或設(shè)備過載）的方案剔除出去。在余下的方案中，每一個的懲罰因子KF_i計算如下，