1、综述电网规划问题及规划模型研究摘 要：电网规划是电力系统规划的重要组成部分，其任务是根据规划期间的负荷增长给电源规划方案确定相应的最佳电网结构，以满足经济可靠送电的要求。文章介绍了电网规划问题的基本理论和影响电网规划的因素，阐述了电网结构在电网规划中的重要性，最后，对电网规划数学模型进行了研究，为电网规划优化问题提供了理论基础。 关键词：电网规划；电网结构；规划模型 中图分类号： U665.12 文献标识码： A 电力工业是我国国民经济的重要基础工业， 是我国经济发展战略中的重点和先行产业。 电力系统是由发电厂、输电线路、变电站、配电线路及电力用户组成的统一整体。电力网简称电网，是电力系统中联
2、系发电和用电的中间环节，是电力系统的重要组成部分。电力系统的安全实质上是电网结构问题， 电网结构优化是电网规划的重要目标之一。我国电网经历了几十年的发展，规模越来越大，全国已经建立了国家电网、区域电网、省级电网、地区电网的层次管理模式，电网结构日益复杂，区域间、地区间电能交易日益频繁， 所有这些都给电网规划带来一些新情况、新问题，电网规划遇到了前所未有的巨大挑战。为了更好地解决电网规划问题， 本文介绍了电网规划问题的基本理论、影响电网规划的因素，阐述了电网结构在电网规划中的重要性， 并对电网规划数学模型进行了研究。 1 电网规划问题概述 电网规划问题是一个多目标、多变量、多约束、多阶段的不确定
3、性的非线性混合整数规划问题。 一个规划合理的电力系统，在充足性、可靠性、经济性和灵活性方面都必须得到满足，这不仅涉及有关电力系统的技术问题，而且还涉及正确的指导思想和系统科学方法的综合运用等问题。 电网规划问题是一个极为复杂的工程优化问题，需要考虑的因素很多，其中很多因素难以确定和量化。电网规划需要考虑的主要因素有：开发方投资成本。包括供电线路投资和变电站设备投资；安全可靠性。主要满足正常运行及个别元件故障时不引起其它线路或变压器过负荷；环境影响。随着供电系统的扩大和电压等级的提高，供电线路与变电站对环境的影响日益受到关注；供电网络损耗。 不同的电网规划方案可能产生不同的电网功率损耗，这不仅影
4、响电能成本，还可能影响系统的装机容量；固定运行费用。任何线路或变电站的投运必然需要有一定的运行维护费用；其它因素。如国民经济的政策、 规划设计的法律规范以及电力市场机制下带来的发电出力和负荷波动的不确定性因素等。 电网规划是一个相当复杂的优化问题， 从数学的角度看属于运筹学的范畴， 属于组合优化领域内的混合整数规划问题。由于网络规模不断扩大、结构更加复杂，传统的优化方法越来越不能适应电网的发展要求。目前还在使用的电网规划方法常采用方案对比法， 这种方法主要依靠简单的计算和规划人员的经验，初选几个方案，再对各方案通过技术经济比较择优推荐出一个方案。 由于参加比较的方案往往是人为提出， 包含了较多
5、的主观因素，并不一定包括客观上的最优方案，更不可能包含全部可行方案，因此最终推荐方案在应用上是有局限性的。因此，很多研究提出以计算机作为工具，采用新技术、新方法对城市电网进行优化规划， 且已在电力系统中得到了越来越广泛的应用。 2 电网结构 电网结构与电压等级、电源、负荷点的容量和数目、它们之间的地理位置以及可靠性要求等因素有关。 目前存在电网的基本结构形式有以下几种，如图 1 所示。 其中，放射式是一种最简单的电网结构，运行调度和控制最为方便，但单回送电线路供电可靠性不高；链式结构是放射式的扩展，但可靠性低于放射式；环网式结构有较好的可靠性与经济性，但当某一线路退出运行后，电压质量可能较差。
6、具有多个电源的电网有环网式和串链式两种常用结构，两者均有很高的可靠性，但多个闭环结构电网的调度和控制比较复杂，短路发生的概率也较高。干线式结构投资最省，但可靠性较差， 只适用于负荷密度小，可靠性要求不高的配电网。网格式结构适用于负荷密度很大，电压质量和供电可靠性要求很高的城市配电网。 电网结构对电力系统运行的安全性、经济性、电能质量以及调度控制的方便性和灵活性等均有很大的影响。一个好的电网结构来自于一个合理的电网规划， 因此电网规划是起决定性作用的。任何电网都需要根据自身的特点研究并解决其可能出现的安全可靠性问题，因为安全和稳定都是电力系统正常运行不可或缺的基本条件电网规划一般都是在现存电网的
7、基础上，根据资源和需要，向前滚动发展，这是比较简单易行的，一般中短期规划都这样做，但它也有一个致命的弱点，即中短期内看不出的问题，在长期规划中则暴露无遗，以致与中短期规划发生冲突。 因此规划合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。 3 电网规划数学模型 电网规划的数学模型主要包含变量、 约束条件和目标函数 3 个要素。在电网规划中，变量有决策变量和状态变量， 约束条件包括决策变量的建设条件约束和各状态变量的上下界以及各变量应满足的制约关系等。 目前大多数电网数学优化模型只考虑线路过负荷约束和潮流方程约束，没有考虑电压、稳定、可靠型指标、资金投资限制等约束。目标函数是决策变量和状态变量的函数
8、，主要包括电网的建设投资和运行费用，体现了电网规划问题的多目标性和经济性。 电网规划优化问题是基于现有电网结构， 在已知电源水平及负荷需求情况下， 同时假设变电站的扩建或新建的时间、地点和容量都已确定，来决定在规划期内何时何地架设多少回输电线路，使得线路年费用最小。这里以考虑了贴现的线路建设投资费用和运行费用的最小年费用为目标函数，即： 式中，Z 为方案总的线路建设投资费用；Ci 为方案第 t 年的运行费用；当以水平年为目标时，n 为设电气设备使用年限取值 25，i 为贴现率取值 0.1。 假设在经济使用年限内每年运行费用相等，则公式（1）变为： 对新建线路不但需计入投入资金， 还需要计入其年
9、运行费用；对已建线路则仅需计入年运行费用。 设线路 j 的长度为 Lj，单位长度综合投资为 aj，则其投资 Zj 为 Zj=ajLj。 线路的年运行费为： 式中，Hj 为维修、折旧费等占投资的百分数；C0 为电能损耗电价； 为最大负荷损耗小时；rj 为导线单位长度电阻；Pj 为线路上流过的有功功率；UN 为线路的额定电压；j2 为负荷功率因数的平方。 这样公式（2）变为： 式中，D1，D2，D3 分别为新建、已有、总线路集合；j 为系数，定义为： 建设费用和运行费用最小的目标函数， 在考虑约束条件后的增广函数数学模型如下： F=NF+CgRp 式中，NF 为方案的年费用；Cg 为惩罚因子；Rp
10、 为方案的约束条件。建立目标函数后，待选线 j 被选中，考虑潮流、线路输送容量过负荷以及电压约束条件。 流约束。函数为： AtPt=Dt（t=1，2，T） 式中，At 为 t 时段的节点有功注入和线路流动有功的关联矩阵；Pt为 t 时段的线路流动有功功率；Dt 为 t 时段的节点注入有功功率。 容量约束。函数为： P1kP1k，max 式中，P1k，max 为支路 k 的潮流限值，kD3。 电压约束。函数为： Vi，minViVi，maxiNb 式中，Vi，max，Vi，min 和 Vi 分别为节点 i 的电压上下界和正常运行电压，Nb 为节点数。 4 结 语 电网规划的主要目的是满足网架的经
11、济性和安全可靠性要求。经济性是指规划网架的综合成本，包括投资费用、运行费用、维护费用和缺电损失费用等方面较低；而安全可靠性定义为向用户提供质量合格、 连续不中断提供电能的能力。 本文正是从安全性和经济性方面对电网规划问题的相关理论知识进行了详细的阐述， 并对电网规划数学模型进行了研究， 所做工作对下一步从理论上提出改进的配电网规划模型具有一定的指导意义。 参考文献： 1 梁才浩 ，段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响J.电力系统自动化，2001，25（12）：92-94. 2 章文俊 ，程浩忠 ，程正敏 ，等.配电网优化规划研究综述J.电力系统及其自动化学报，2008，20（5）：16-23. 3 张振安 ，唐国庆.基于小生境技术改进遗传算法在供电网规划中的应用D.南京：东南大学，2005.
