農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化論文
摘要：相對(duì)于城區(qū)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，農(nóng)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、清晰，但由于負(fù)荷對(duì)電能可靠性要求等其他原因，一般都會(huì)有小型發(fā)電廠(chǎng)，且通常均為小容量機(jī)組，即系統(tǒng)除了通過(guò)若干220kV、110kV變電所接受區(qū)域大電網(wǎng)電力以外，往往包括多個(gè)110kV及以下并網(wǎng)發(fā)電的若干電源點(diǎn)，從而使得電網(wǎng)不是單純的放射型單方向模型，需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)確立電源點(diǎn)的建設(shè)和系統(tǒng)接線(xiàn)方式。
關(guān)鍵詞：農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1農(nóng)網(wǎng)高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
相對(duì)于城區(qū)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，農(nóng)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、清晰，但由于負(fù)荷對(duì)電能可靠性要求等其他原因，一般都會(huì)有小型發(fā)電廠(chǎng)，且通常均為小容量機(jī)組，即系統(tǒng)除了通過(guò)若干220kV、110kV變電所接受區(qū)域大電網(wǎng)電力以外，往往包括多個(gè)110kV及以下并網(wǎng)發(fā)電的若干電源點(diǎn)，從而使得電網(wǎng)不是單純的放射型單方向模型，需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)確立電源點(diǎn)的建設(shè)和系統(tǒng)接線(xiàn)方式。
2農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的選擇
2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一般方法
負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)規(guī)劃工作的基礎(chǔ)，在負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上一般應(yīng)結(jié)合區(qū)域規(guī)劃進(jìn)行負(fù)荷分布分析，進(jìn)而確定負(fù)荷平衡結(jié)果，即確定變電所的分布和容量規(guī)劃，在負(fù)荷預(yù)測(cè)和變電所布點(diǎn)確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目標(biāo)是滿(mǎn)足系統(tǒng)有功負(fù)荷的最優(yōu)網(wǎng)架設(shè)計(jì)，有靜態(tài)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃之分。靜態(tài)規(guī)劃考慮的是針對(duì)某一負(fù)荷水平進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃，一般從基準(zhǔn)年開(kāi)始按年度進(jìn)行，需考慮現(xiàn)有的網(wǎng)架，同時(shí)后一年的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃需將前一年的網(wǎng)架設(shè)定為已有網(wǎng)架，因此，每規(guī)劃目標(biāo)年的網(wǎng)架規(guī)劃既要瞻前也要顧后，做到從時(shí)間序列上的前后協(xié)調(diào)相互呼應(yīng)，從而節(jié)約建設(shè)投資。但規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般考慮整個(gè)規(guī)劃期的總的性能指標(biāo)最優(yōu)來(lái)評(píng)價(jià)方案，而且往往加入投資分析，甚至列入資金的時(shí)間價(jià)值，因而稱(chēng)為動(dòng)態(tài)規(guī)劃。網(wǎng)架規(guī)劃優(yōu)化方法常用的有兩類(lèi)，即啟發(fā)式方法和數(shù)學(xué)優(yōu)化方法。數(shù)學(xué)最優(yōu)方法是通過(guò)將電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題用數(shù)學(xué)化模型進(jìn)行描述，然后采用一定的算法求解，從而獲得滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的最優(yōu)規(guī)劃方案。該類(lèi)方法從理論上將可以保障方案的最優(yōu)性，但一般要求得最優(yōu)解需要很大的計(jì)算量。啟發(fā)式方法則是通過(guò)定義方案運(yùn)行性能以及投資需求等綜合指標(biāo)，根據(jù)一定規(guī)則對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行逐步迭代選擇直至得到滿(mǎn)意的最優(yōu)解。該類(lèi)方法難以保證方法的最優(yōu)性，但計(jì)算量較數(shù)學(xué)優(yōu)化方法要小，計(jì)算較為方便且便于與規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的檢驗(yàn)相結(jié)合，因而是一種更為經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的方法。
2.1.1啟發(fā)式網(wǎng)架優(yōu)化方法
根據(jù)所確定的衡量安全性指標(biāo)的不同，啟發(fā)式方法分為基于支路性能的啟發(fā)式方法和基于系統(tǒng)性能指標(biāo)的啟發(fā)式方法。基于支路性能指標(biāo)的啟發(fā)式分析方法中，線(xiàn)路的選擇是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)線(xiàn)路功率傳輸情況來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常選用的有線(xiàn)路是否能滿(mǎn)足負(fù)荷要求或者線(xiàn)路過(guò)負(fù)荷程度等指標(biāo)；而基于系統(tǒng)性能指標(biāo)的啟發(fā)式方法中，線(xiàn)路的選擇是根據(jù)線(xiàn)路對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)特定運(yùn)行性能指標(biāo)的影響程度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常選用的指標(biāo)有系統(tǒng)缺負(fù)荷大小指標(biāo)等對(duì)線(xiàn)路的.逐步選擇。
基于線(xiàn)路指標(biāo)的啟發(fā)式網(wǎng)架規(guī)劃方法分為逐步倒退法和逐步擴(kuò)展法兩種。逐步倒退法是根據(jù)目標(biāo)年數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)除了已有線(xiàn)路以外，包括所有待選的線(xiàn)路，這樣，構(gòu)成的就是一個(gè)冗余度很高但不經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)，然后采用潮流模型對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，比較各待選線(xiàn)路在系統(tǒng)中的作用和有效性，逐步去掉有效性低的線(xiàn)路，直到網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有冗余線(xiàn)路為止。而采用逐步擴(kuò)展法是根據(jù)各待選線(xiàn)路對(duì)過(guò)負(fù)荷線(xiàn)路的過(guò)負(fù)荷量的消除的有效度，選擇適當(dāng)?shù)木�(xiàn)路到現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)上，直至網(wǎng)絡(luò)無(wú)過(guò)負(fù)荷為止。為計(jì)算各待選線(xiàn)路的有效度，需要進(jìn)行變結(jié)構(gòu)時(shí)的潮流計(jì)算。
基于支路性能指標(biāo)的啟發(fā)式方法有計(jì)算簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，但由于通常是獨(dú)立地考慮各待選線(xiàn)路的作用，無(wú)法直接體現(xiàn)系統(tǒng)充裕的大小等性能指標(biāo)，而基于系統(tǒng)性能指標(biāo)的啟發(fā)式方法則能體現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)，從而可以從整體上識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)并充分考慮各待選線(xiàn)路對(duì)系統(tǒng)的整體影響來(lái)選擇最佳擴(kuò)建線(xiàn)路。
2.1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)化方法可以分為確定性和不確定性?xún)煞N優(yōu)化方法。傳統(tǒng)上采用的常常是確定的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，即將規(guī)劃問(wèn)題表達(dá)成確定性的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)進(jìn)行求解。但隨著規(guī)劃的環(huán)境以及相關(guān)要求日益復(fù)雜，且負(fù)荷、設(shè)備費(fèi)用、線(xiàn)路路徑等因素均具有不確定性，這些不確定性對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃有較為顯著的影響，因而在規(guī)劃中考慮不確定性因素是必要的。按照考慮不確定性因素特征的不同，不確定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有分為隨機(jī)優(yōu)化法和模糊優(yōu)化法。隨機(jī)優(yōu)化法常常用于事件是否發(fā)生以及發(fā)生的時(shí)刻存在不確定性的情形，而模糊優(yōu)化法則常常用來(lái)處理有關(guān)事情表達(dá)不清晰的這種不確定性的情況。在通常情況下，在滿(mǎn)足對(duì)保障負(fù)荷電能供應(yīng)的前提下，可能有多種架線(xiàn)方法和導(dǎo)線(xiàn)截面的選擇，要對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行比較選擇，則需要選擇目標(biāo)函數(shù)，在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中常用到的目標(biāo)函數(shù)有網(wǎng)架建設(shè)總投資、電能損失、維修運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)。由于電能的特殊性，需要考慮各種約束條件，如電壓范圍、線(xiàn)路的長(zhǎng)期極限傳輸容量限制等。因此，網(wǎng)架優(yōu)化過(guò)程實(shí)際上是目標(biāo)函數(shù)與約束條件、狀態(tài)參數(shù)之間的協(xié)調(diào)處理過(guò)程。
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃法是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦运岢鰜?lái)的一種數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，也是在線(xiàn)形規(guī)劃中專(zhuān)門(mén)處理網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的一種特殊算法。數(shù)學(xué)上把圖看作節(jié)點(diǎn)和弧的集合，弧是連接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的有向線(xiàn)段。在電力系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)就是接受電力或者發(fā)送功率的發(fā)電廠(chǎng)、變電所或者負(fù)荷點(diǎn)，弧就是線(xiàn)路。這種優(yōu)化網(wǎng)架方法在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中常用的數(shù)學(xué)模型有最少費(fèi)用法、最短路徑法、費(fèi)用最小最大流法等方法。
2.2農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的選擇
結(jié)合農(nóng)網(wǎng)高壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用支路交換法來(lái)進(jìn)行這種輻射式結(jié)構(gòu)的高壓配電網(wǎng)的優(yōu)化計(jì)算較為適用。采用該方法是從一個(gè)既定的輻射式電網(wǎng)開(kāi)始，增加一條閉合聯(lián)絡(luò)支路后使輻射型網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)閉合回路，然后將某一條支路斷開(kāi)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的輻射型結(jié)構(gòu)，并按照給定的目標(biāo)函數(shù)對(duì)新構(gòu)成的輻射型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算。重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直到目標(biāo)函數(shù)值最好為止，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)即為所選用網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)。采用這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但只能達(dá)到局部最優(yōu)解，對(duì)于農(nóng)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，一般規(guī)劃年需要新建的高壓（110kV及以上）線(xiàn)路是局部的，因而采用支路交換法可以滿(mǎn)足其要求。一般地對(duì)于既定的系統(tǒng)接線(xiàn)，考慮到節(jié)約投資，其改建項(xiàng)目的實(shí)施相對(duì)于系統(tǒng)網(wǎng)損等指標(biāo)來(lái)說(shuō)往往是不經(jīng)濟(jì)的，且由于受電壓、可靠性等電網(wǎng)分析計(jì)算的約束性條件的影響。在工程實(shí)際中，其高壓配電網(wǎng)往往是通過(guò)對(duì)新增支路，以及由于負(fù)荷的增長(zhǎng)需要改建的線(xiàn)路的多個(gè)建設(shè)方案的比較，來(lái)確定規(guī)劃年內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。在分析中，我認(rèn)為需引入動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)比較的概念，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)，結(jié)合個(gè)人設(shè)計(jì)方案比較的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，最適用的經(jīng)濟(jì)方案比較以年費(fèi)用比較法較為適合。
3計(jì)算框圖設(shè)計(jì)
計(jì)算步驟一：目標(biāo)函數(shù)的確定。
當(dāng)新建或者改建線(xiàn)路對(duì)支路潮流僅是局部影響時(shí)，只需對(duì)所需考察的支路進(jìn)行網(wǎng)損最小分析。采用最小網(wǎng)損作為目標(biāo)函數(shù)，即函數(shù)為：
計(jì)算步驟二：先計(jì)算電網(wǎng)的潮流分布，再找出與本次計(jì)算相關(guān)的支路，即列出目標(biāo)支路集合，交換支路前輻射型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損計(jì)算。
計(jì)算步驟三：第一次支路交換后，重新進(jìn)行潮流計(jì)算后，在潮流計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行支路交換后的輻射型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損計(jì)算。
重復(fù)以上支路交換計(jì)算，直至得出最優(yōu)結(jié)論為止。
4經(jīng)濟(jì)比較方法引入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，單純采用以上支路交換法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)是不夠的，應(yīng)該結(jié)合經(jīng)濟(jì)比較，即在對(duì)方案進(jìn)行投資分析計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，從而得出經(jīng)濟(jì)的方案。常用的方案比較方法有最小費(fèi)用法、凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、折返年限法，每種方法又可以演化成不同的表達(dá)式。最小費(fèi)用法是電力系統(tǒng)規(guī)劃中較為普遍的方法，適用于比較效益相同或者效益基本相同，但難以具體估算的方案。最小費(fèi)用法通常有以下三種不同的方案：費(fèi)用現(xiàn)值比較法、計(jì)算期不同的現(xiàn)值費(fèi)用比較法和年費(fèi)用比較法。費(fèi)用現(xiàn)值比較法是將各個(gè)方案基本建設(shè)期和生產(chǎn)運(yùn)行期的全部支出費(fèi)用均折算到計(jì)算期的第一年，現(xiàn)值低的方案是可取方案。對(duì)于不同建設(shè)期的方案則一般按照方案中計(jì)算期最短的進(jìn)行計(jì)算，及計(jì)算期不同的現(xiàn)值費(fèi)用比較法。
年費(fèi)用比較法是將參加比較的諸方案計(jì)算期的全部支出折算成年費(fèi)用后進(jìn)行比較，費(fèi)用低的方案為經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越方案。其表達(dá)式為：
在比較方案部分費(fèi)用相同的情況下，可以采用只考慮有差別的費(fèi)用的年費(fèi)用比較法，即只考慮差別部分的費(fèi)用的比較，這種方法將初始投資差額以及末期殘值差額折合為年費(fèi)用或者年值，再綜合運(yùn)行維護(hù)、改造等運(yùn)行年需要投入的差別費(fèi)用，比較即可以得出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案。對(duì)于農(nóng)網(wǎng)電力建設(shè)項(xiàng)目，筆者推薦使用這種簡(jiǎn)化了的年費(fèi)用比較法。
5總結(jié)
結(jié)合農(nóng)網(wǎng)作為輻射型受端電網(wǎng)的特點(diǎn)，用支路交換法來(lái)進(jìn)行這種輻射式結(jié)構(gòu)的高壓配電網(wǎng)的優(yōu)化計(jì)算，雖只能達(dá)到局部最優(yōu)解。對(duì)于農(nóng)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，一般規(guī)劃年需要新建的高壓線(xiàn)路是局部的，因而采用支路交換法可以滿(mǎn)足其要求。在工程實(shí)際中，其高壓配電網(wǎng)往往是通過(guò)對(duì)新增支路，以及由于負(fù)荷的增長(zhǎng)需要改建的線(xiàn)路的多個(gè)建設(shè)方案的比較，來(lái)確定規(guī)劃年內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。在分析中，文中引入了動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)比較，并提出對(duì)于農(nóng)網(wǎng)采用有差別的年費(fèi)用比較法最為適用。
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