关于配电网规划提升配网可靠性的研究

福建永福电力设计股份有限公司 何维锋

在全球资源短缺、环境遭受严重污染的大背景下，发展绿色、环保、可再生资源是电力系统主要的发展趋势，其中分布式电源是可再生资源使用的重要形式之一，大多数分布式电源在连接配电网后，其自身的波动性、间接性、可控性弱等问题在一定程度上影响了配电网的运行状态，同时也会给配电网的规划带来了复杂性和不明确性[1]。

一直以来我国电力企业还没有一套系统的配电网可靠性规划，通常只是做些简单的预测，且原有电网规划主要以满足符合增加需要为主，近年各行各业对电量需求的持续加大以及大量分布式电源的接入，对电网安全可靠运行提出了更高的要求，因此亟需构建一套完整可靠精准的配电网规划方式，以满足新时期社会对电网提出的需要。

原有配电网规划最主要是以实现符合增加需要为目标，从大部分分布式电源被连接到电网中后，对电网可靠性也提出了更高要求，同时也加大了配电网规划的难度。提出主动配电网规划最主要是调整和应对分布式电源引入后而产生的一系列问题，从而解决好规划和运营之间存在的矛盾[2]。

现阶段，配电网规划中面临的重要问题是负荷日益增长、分布式电源的消纳及设备利用率方面的问题，此外，多数地区存在的负荷峰谷差大现象也是问题的关键，特别是在夏季，从江苏某地区配电网规划可知，全年负荷峰谷差大于2000kW，高负荷主要在夏季中午12:00~14:00，低谷负荷集中在夜间，其中空调负荷是高峰负荷的重要因素。我国对配电网规划整体思路是以达到负荷增加需要为主要目标，在电网投资建设上“重输、轻配”现象突出，导致配电网结构薄弱、技术水平低下等问题日益凸显，难以满足社会对高可靠连续供电的需求。今后配电网规划要重视同时解决“源”和“荷”的问题，解决的关键在于充分挖掘负荷侧资源的调控能力，纳入规划中，全面协调互动解决“峰谷”问题。

配电网规划整体的发展构思主要蕴含：现状调研。主要调研供电企业及供电区域地理环境、气候条件和经济情况、供电区域配电网可靠性现状，对停电原因进行统计，以及网络结构、设备水平、技术水平及管理水平等方面进行综合考虑；
规划柔性负荷资源。充分有效的找出负荷测柔性资源，根据分布式的存储、中低压配电网的需要运用相应设施对相关资源进行合理有效的规划；
制定实施方案。从投资建设和维护成本、降损增益、环境效益等方面考虑进行分布式光伏定容分析；
方案评估。

前期的调研工作十分关键，可以为配电网可靠平稳性层面的分析提供相应的数据，在方案制定时需要合理有效的将分布式电源的具体投资金额、最大程度的运用可再生资源、各种种类的电源间的差异、供电的平稳性、调节及备用。利用对配电网平稳可靠性对其薄弱的环节进行全方位的分析，制定改进措施，在方案验证阶段要充分论证能够达到预期目标[3]。

配电系统处在电网直接和用户联系的核心位置，供电可靠性规划目的就是为高供电服务质量，配电网规划关键技术包括规划模型、规划方法、求解算法等。

2.1 规划模型

依据规划的具体需要及优化的标准构建相应的数字模型，包含电源规划模型、网架规划模型、电源与网架综合规划模型和实行主动管理的模型规划。随着大量分布式电源的接入，促使配电网的运营特点发生了一定性的转变，为积极有效发挥分布式电源连接配电网的有效作用，优化系统综合性能，施行主动的管理规划随即产生。利用在变电站中规划相应的模型，保证在目标函数中增加负荷管制的费用，由于负荷和分布式电源的时序特征，实行主动管理在一定程度上将变电站的综合负荷的波动性降低，减少了容量浪费情况，其经济效益也在不断增加。同时，主动管理规划在提升分布式电源的消除、降低购电成本、提高方案规划经济性和可靠性，与当下配电网发展趋势相吻合。

2.2 规划方法

常用配电网规划方法有多目标规划方法、双层规划方法、多阶段规划方法和不确定性规划方法等。多目标规划方法可得到一组Pareto最优解供决策者选择，但存在求解量大、耗时长的问题，主要应用于对多个子目标进行协调的场合；
双层规划方法上下层模型间关系明确，且规划结果相互影响、需反复传递，目前多用于规划方案和运行方式的同时优化及分布式电源与网架的同时规划；
多阶段规划方法能考虑时间的动态因素，但各阶段决策变量之间的逻辑关系复杂、求解难，更适用于建设周期较长的规划项目；
不确定性规划方法模型更加复杂，主要应用于杂考虑分布式电源出力、负荷、电价等因素变化的场合。可见，在选择规划方法时要结合建立的具体模型及应用场景来合理选择。

2.3 求解算法

配电网规划模型中存在大量决策变量及各种线性条件、求解复杂，在配电网规划研究中求解算法一直是重点容。目前应用较多的是人工智能优化算法和数学优化算法，数学优化算法搜索精度高，但主要适用小规模的规划问题，对规模较大时存在求解难度大的问题；
人工智能优化算法具有速度快、计算效率高、通用性强等优点，多用于大规模、非线性、多目标、多层级的规划问题，但存在着易陷入局部最优解，难以保证最终解的最优性。

3.1 供电能力不足

供电能力是指在一定区域内，供电设备满足N-1准则下最大负荷供应能力。近年国家对配电网投资不断加大，配电不足的问题得到有效缓解，但随着负荷的不断增长，线路负载过高问题日益凸显，特别是在发生线路故障导致停电时电网无法转供负荷，促使停电的范围和区域不断扩大，其供电的可靠性不断下降。

3.2 网架结构不合理

中压架空网的典型网架结构有三种类型即辐射式、多分段单联络、多分段多联络；
中压电缆网的典型网架结构有单射式、双射式、单环式、双环式、N供一备5种类型。通过对这几种典型网络结构进行可靠性分析得出，架空网中三分段三联络可靠性最强，而电缆网中N供一备可靠性最高，且电缆网的可靠性高于架空网[4]。现阶段我国配电网建设还不够系统，在电力配网设计环节未按照标准规范设计，导致在实际运行中短路、断线等故障。

3.3 分布式电源接入的影响

大量分布式电源接入配电网后对配电网的结构带来重大变化，形成多电源点供电，波动性、间歇性、低可控性等问题，这些给配电网的安全运行带来巨大挑战，同时也给配电网规划带来复杂性与不确定性。主要体现在：可靠性评估的难度加大。分布式电源接入后，由于系统结构发生变化导致评估模型建立难度加大；
供电设备利用率低。如分布式电源在供电充足的地区，导致分布式电源未能充分利用；
不可控因素增多。分布式电源主要为风力发电和太阳能发电，且都会受到环境因素和自然条件的影响，因此加大了不可控性，导致对预测负荷难度加大。此外，一旦分布式电源接入方式、并网方式及运行方式不合理，都会严重降低配电网的供电可靠性。

3.4 设备水平不足

线路和设备是配电网的重要组成部分。对于架空线路，由于长时间暴露于室外极易受恶劣气候条件的影响，发生老化、破损、绝缘水平不足等，特别是还易受到雷击干扰，严重影响了配电网供电可靠性；
同时设备方面由于未按照规范操作、日常维护保养不当，没加强巡视，导致设备本身对故障的防御能力降低。对于一些运行年限较长的设备，对面临淘汰的设备没有及时更新，都降低了配电网的运行可靠性；
设备陈旧、功能落后，如一些早年投运的设备进出线电缆间无分段开关，是利用相同的母线进行连接，如果任一个分支出现故障或停电检修则全线都需停电，其供电的可靠性较弱。

3.5 技术水平不高

目前在技术层面最主要出现的问题，有配电设备缺少在线监测系统以及配电自动化水平不高，不能实时掌握运行信息等。运营配电自动化的形式能及时有效的了解和知晓相关电网的具体运营情况，如发生相应的安全故障则会对其进行准确的定位、隔离故障区域，同时配电自动化还能减少线路损耗、提升供电质量、提高配电网应急响应。据统计，全国仅有一百多个城市建设了配电自动化，且许多还没有进入工程应用阶段，一旦线路出现故障，还是以凭借经验为主、采用传统的人工巡线方式查找故障，耗时较长；
还有许多地区依旧采用人工操作开关，在进行故障隔离和恢复非故障区域时需花费过多时间，影响了供电可靠性。

3.6 运营管理水平低下

科学的运营管理是提高配电网的供电可靠性的基础，但目前大配网供电制度不够完善，运营管理方面薄弱，在基础管理、转供电管理、需求侧管理方面都有所缺失；
在基础管理方面没有建立相关的信息平台和责任机制；
转供电管理方面方案的制定和考核不当；
需求侧管理方面在预控措施、紧急措施和事故措施等方面也不健全，导致配电网可靠性降低。

3.7 优化电力配网结构

清晰的网络结构可快速排除故障、提高修复效率。一方面优化电力负荷设计，做好前期调研，准确掌握当地的地理信息、经济状况，以及配电网实际运行情况，通过搜集以往地区实际用电量数据科学设定电力负荷，优化电网结构；
另一方面优化线路分段数，用户较多的线路可增加安装线路分段设备的数量，缩小线路停电范围。

3.8 加强电力设备的维护

提升电力设备的使用性能是提升配电网可靠性的关键：淘汰老设备。对于运行年限长、故障率高的设备进行维修或更换，优选先进设备，降低设备故障率，延长设备检修周期；
利用信息技术。动态掌握设备的在线运行状况，发生故障时准确识别、及时修复，可通过安装具有报警功能的电力数据监测装置，一旦运行出现异常发出警报，快速做出响应；
提升设备抗灾害能力。雷害重灾区可通过安装高性能避雷器来降低雷击故障，保证配电网运行可靠性。

3.9 加快引进高新技术

借助信息技术实现电力配网的智能化，建设智能化信息交流平台，各部门之间实现数据共享。特别是近年越来越多分布式电源接入配电网，为适应柔性负荷的不确定性，传统配电网的相关方法难以满足未来配电网发展的实际需求，亟需将柔性负荷建模、配电网大数据挖掘应用及人工智能技术等新型技术应用到配电网规划中来，这些关键技术的突破与提升是保证配电网可靠性的关键[5]。

3.10 强化运营管理、抓好基础管理

建立信息平台，准确掌握客户停电次数和停电时间。落实好各部门岗位职责，统一工作标准，保证数据获取准确、可靠、及时；
重视转供电管理。制定相应的转供电方案，并将具体工作内容落实到位，进行指标考核；
加强需求侧管理。根据不同程度的电力缺口制定紧急措施、事故措施等管理方案，加强用电检查、降低故障率，及时发布错峰预警信号，做好宣导、实现错峰，保证有序用电。

综上，近年来，智能配电网、分布式电源和需求侧响应等新技术的快速发展使配电网发生了一定的改变，今后的配电网将会涵盖多种电源系统的具体发展方向，在基于新形势下，配电网规划中配电网模型应重视不同类型电源以及网架的协调和规划发展，未来分布式电源在配电网中渗透率会持续升高，应构建在人工智能基础下主动配电网管理机制，以此达到统筹协调资源的目标。

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