城市配电网规划方案及其可靠性评估课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2007-7-16,输配电技术研究所,*,第五章 城市配电网规划与可靠性评估,第一节 概述,一、编制规划的意义和任务,意义,1. 有计划的开发电力能源，解决缺电问题,2.把有限的电能进行合理的分配，以达到最高的经济效益,地区电网规划的任务,1. 在负荷预测的基础上，根据电源的发展情况，作出逐年的电能平衡规划；,2. 以电能平衡为条件制订该地区的电网结构和布局发展规划；,3. 制订出与有功负荷发展相适应的无功负荷规划；,4. 有能源的地区应编制能源开发规划。,2007-7-16,输配电技术研究所,二、规划分类及其内容,地区电网规划可以分为三类：短期、中期和长期。它们有不同的任务和内容，制订规划的方法也不尽相同。,配电网的长期规划一般是研究从现在开始的未来12年或更长一些时间的电力发展规划。,中期规划一般指3至12年，它是长期规划的分阶段实施,短期的或叫做“战术”性的规划，一般只研究1年或3年的电力增长和网络变化情况。,2007-7-16,输配电技术研究所,三、编制地区电网规划的步骤,1. 调查情况，收集资料,2. 收集目前的电网结构和有关数据,3. 对收集的资料进行分析、归纳，并进行负荷预测；,4. 作出电源规划，确定供电方式和电压等级；,5. 根据目标函数拟定输配电网结构布局和无功配置方案；,6. 进行规划的可行性论证。,2007-7-16,输配电技术研究所,第二节 配电网的网络结构,一、不同电压等级线路和变压器的经济模型,不同电压等级变压器的投资费用与变压器容量大小的关系可以近似的用直线描述。如图,变电所的总投资费用模型可以写成,可以看出，电压等级升高，费用随之增加。,同样对线路投资费用也可以用直线模型来确定,2007-7-16,输配电技术研究所,二、地区电网的接线方式选择,根据不同的负荷性质和分布情况，常用以下几种接线方式 ：接线(a)(c)是无备用接线，(d)(g)是有备用接线。负荷的性质是接线方式的主要选择依据。,2007-7-16,输配电技术研究所,（一）高压配电网的接线方式,高压配电网包括110、63和35的线路和变电所。为了保证供电可靠性，一般选择有备用接线方式。采用架空线路时，以两回路为宜。采用电缆线路时可分为多路。为充分利用通道，市区高压架空线可同杆双回架设。为避免双回路同时故障停电而使变电所全停，应尽可能在双侧有电源。目前主要有以下几种接线方式：,两侧电源分段的高压配电网 电缆线路的双T接线,2007-7-16,输配电技术研究所,三侧电源的三T接线 变电所的有接地快分开关的接线,高压变电所桥接线 变电所采用单母线分段的接线,（a）内桥；（b）外桥；（c）扩大内桥,2007-7-16,输配电技术研究所,（二）中压配电网的接线方式,中压配电网由10线路、配电所、开闭所、箱式配电所、杆架变压器等组成，主要是分布面广的公用电网。中压配电网的规划应符合以下原则：,1. 中压配电网应依据高压变电所的位置和负荷分布分成若干相对独立的分区,2. 高压配电变电所中压出线开关停用时，应能通过中压电网转移负荷，对用户不停电。,3. 高压变电所之间的中压电网应有足够的联络容量，正常时，开环运行，异常时能转移负荷。,4. 严格控制专用线和不带负荷的联络线，以节约走廊和提高设备利用率。,5. 中压配电网应有较强的适应性,其常用接线方式如下图,2007-7-16,输配电技术研究所,环网接线示意图,2007-7-16,输配电技术研究所,（三）低压配电网的接线方式,由于低压负荷分散，进户点多，从经济角度出发，仍以架空线为主，并与中压线路合杆架设。低压电网接线的原则是：,1. 供电半径一般不超过400m。,2. 干线和支线的导线规格和配电变压器的容量均应满足下列要求：当变压器故障时，可将负荷拆开，向邻近电网23个方向转移；故障转移负荷时，导线运行率不超过100%，线路末端电压降不超过规定。,3.城市的经济开发区、繁华地区、重要地段、主要道路及高层住宅区的低压供电，需要时可采用电缆。,常用接线如下图所示,2007-7-16,输配电技术研究所,放射式低压配电网示意图,2007-7-16,输配电技术研究所,第三节 选择变电所容量和个数的优化方法,一、变电所及其供电网的数学模型,变电所的供电区域假设为圆形，变电所置于圆心。,若整个中压电网覆盖面上的电力负荷密度为均匀时，变电所的供电几何半径为：,变电所全部中压配电网主干线导线总截面为,2007-7-16,输配电技术研究所,变电所中压配电出线回数为：,中压配电出线每回线路长度为：,：负荷平均功率因数；,：变电所容量（A）；,：面负荷密度,：中压配电网主干线导线总截面,：中压配电网额定电压,：导线的电流密度,：每回线路的平均负荷,：地形修正系数,2007-7-16,输配电技术研究所,变电所的建设投资为：,中压配电网主干线建设投资为：,：投资中与变电所容量无关部分,：投资中与变电所容量成线性关系的系数,：线路投资中与导线截面无关部分,：线路投资中与导线截面成线性关系部分的系数,设运行费用的不变部分（维修、折旧费等）与总投资成比例，则,：运行费用占投资的比例系数,现假设变电所全部出线由一等值线路代替，则变电所供电区内的负荷都沿该线轴向分布，在最大负荷下且距变电所的距离为 r时，等值导线中通过的电流为,2007-7-16,输配电技术研究所,的距离上导线长度的电阻为：,上的功率损耗为：,故中压配电网总的有功损耗为：,全年线损费为：,总的年运行费为：,2007-7-16,输配电技术研究所,二、静态优化模型及其求解,所谓静态投资过程具有下述特征：在规划水平的投资有效期内，负荷密度保持不变 整个投资建设费用发生在规划期末,在投资有效期内为 T年的各年所发生的运行费用归算到投资年的贴现值总和为,：投资收益率,令 则有,在投资有效期内，每个变电站及其中压配电网总投资和年运行费用归算到投资年的贴现值为,从而单位容量的费用贴现值为：,有前面的公式可推导得出：,变电所经济供电半径为：,单位面积上经济变电所个数为：,三、动态优化模型及其求解,为了建立变电所容量和个数的动态优化模型，设规划期为T年（即投资有效期）。若将规划期分为几个时段，则每个时段为t年（即投资周期），即,又设面负荷密度在时域中按指数规律增长，在T内，初始值为 ，增长率为 ，则在第k个时段末有,同理有 或,在第个k时段开始时，设单位面积上已有的变电所个数为状态变量，应退役的变压器容量折算到本时段初的变电所经济容量下的变电所个数为反馈状态容量，本时段初单位面积上应新建的变电所个数 为决策变量，则在第k个时段中单位面积上运行的变电所个数为 ，同时它又是（1）时段的状态变量，即状态变量转移方程为,2007-7-16,输配电技术研究所,设 为第时段新增设备（变电所、中压配电线路）的投资折算到第k时段末的计算值， 表示原有的及新增的设备在第k时段发生的运行费用折算到本时段末的计算值，则第k时段单位面积总费用折算到时段末的计算值为,同时设到规划期末变电站总个数为N个，则整个规划期内显然存在,:规划期初原有网络中单位面积上已有的变电站个数,令,根据动态规划最优化原理，最优策略是对任何一个k时段，在满足负荷需要的前提下，使在其前各时段的投资及运行费用折算到第k时段末的计算值之和为最小，函数递推方程为,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,第四节 配电网的可靠性指标与评估,一、可靠性指标,1. 系统平均停电频率(),2. 用户平均停电频率(),3. 系统平均停电持续时间(),4. 用户平均停电持续时间 (),5. 平均供电可靠率 (),6. 平均供电不可靠率(),2007-7-16,输配电技术研究所,二、经济指标,1. 一次投资Z,2. 年运行费C,Z: 配电网的一次投资,H: 维修费、折旧费等占投资的比例,3. 年费用：指考虑了资金的时间效益后，将投资和年运行费归算成配电网使用寿命期内的贴现等年值，可由下式求得,2007-7-16,输配电技术研究所,第五节 配电自动化规划设计和评价,概述,网架结构优化问题主要有两个特点：非线性和整数性，这也正是我们解决问题的困难所在。用非线性规划方法解题常常会遇到搜索方向错误、迭代不收敛、逼近速度慢等问题 ，另外，线路都是按整回和确定的电压等级来架设的，若变量取线路的某电气量，则变量应是整数值或某种离散值。对于这样的非线性整数规划问题，目前还没有理想的优化算法。,综观以前的各种传统优化方法，各有优劣，要么容易偏离最优解陷入局部最优，要么受到维数限制而难以达到实用的目的。为了解决这两个方面的问题，下面把遗传算法引入到城市电力网网架结构的优化中来，以期得到一个较满意的解决问题的方法。,2007-7-16,输配电技术研究所,二、遗传算法,遗传算法就是一种通过模拟适者生存，不适者淘汰的自然进化过程来搜索最优解的方法。,遗传算子,一个简单的遗传算法由复制、杂交和变异三个遗传算子组成 。,1. 复制算子。它把当前群体中的个体安于适应值成正比的概率复制到新的群体中去。这样，低适应值的个体趋向于被淘汰，搞适应值的个体趋向于被复制，复制算子的作用效果提高了群体的平均适应值，也充分体现了“优胜劣汰”这种自然进化机制。,2. 杂交算子。它模拟生物界的有性生殖，可以产生新的个体，使其比它的两个父代有更高的适应值。杂交算子是遗传算法的最重要的组成部分。,3. 变异算子。它用一个很小的概率随机的改变染色体串上的位置，其效果是增加了群体的多样性，扩大了搜索空间。,2007-7-16,输配电技术研究所,计算步骤,在进行具体遗传算法之前，需做好下列准备工作：,1. 选择编码。一般编码选择由多个二进制串（0，1）构成，其中的“0”、“1”分别表示支路不连通和连通。,2. 确定适应值函数。相当于确定数学规划中的目标函数,3. 选择控制算法的参数。如群体规模数N，算法执行的最大代数M,4. 确定停止运行的准则。如最小年费用、最大代数M等可作为停运标志,基本的遗传算法的计算步骤如下：,1）产生初始群体。,2）对群体迭代的执行下面的步和步，直到满足停止准则。计算群体中每个个体的适应值；应用复制、杂交和变异产生下一代群体。,3）把在任一代中出现的最好个体串指定为遗传算法的执行结果，它可以表示“问题”的一个解（或近似解）。,2007-7-16,输配电技术研究所,基本遗传算法的框图,2007-7-16,输配电技术研究所,基本遗传算法的主要特点,与传统的优化算法相比，遗传算法具有以下几个特点：1 不是直接作用在参变量集上，而利用参变量集的某种编码；2 不是从单个点，而是从一个点的群体开始搜索，因而能够快速全局收敛；,3 利用适应值信息，无需导数或辅助信息，具有广泛的适应性；4 利用概率转移规则，而非确定性规则，因而能搜索离散的有噪声的多峰值复杂空间；,5 在解空间内进行充分的搜索，但并不是盲目的穷举或瞎碰（评价为选择提供了依据）因此其搜索时耗和效率往往优于其它优化算法。,2007-7-16,输配电技术研究所,遗传算法的优越性,遗传算法的优越性主要表现在两个方面。,首先，它在搜索过程不容易陷入局部最优，即使在所定义的适应函数是不连续的、非规则的或有噪声的情况下，它也能以很大的概率找到整体最优解。为了寻找最优解，传统方法是用启发式策略，在单个猜测解的领域探寻，即使算法中允许偶尔的跳到解空间中更远的部分，这些启发式算法也往往仍然趋于局部最优；理论上遗传算法向撒网一样，通过保持在参变量的解空间区域中多个点的搜索可以以很大的概率找到全局最优解。,其次，由于它固有的并行性，遗传算法非常适用于大规模并行计算机。由于遗传算法的操作主要是在单个位串上，至多是一对位串的杂交，所以可让每个处理机负责处理单个位串，从而可以并行处理整个群体。,2007-7-16,输配电技术研究所,三、网架结构优化的遗传算法,1、网架结构优化的目标函数,我们采用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法，即,2、编码的选择,我们采用二进制编码方式，直接对待选线路进行编码，反映其是否架设，以及选用多大截面等。这种编码形式非常直观，便于方案规划和染色体之间的编码和解码。若只考虑线路架设与否，则可将各待选线路排序，然后按此顺序将每条待选线路作为染色体串中的一个基因，每个基因是一个一位的二进制数。当基因值为1时，表示其对应的待选线路被选中加入系统；当基因值为0时，则相反。考虑到对方案进行评估时须对方案所表示的网络进行潮流分析，即在染色体解码形成规划方案时应能得到线路参数，所以我们需在基因中加入线路截面的信息。,3、适应函数的建立,2007-7-16,输配电技术研究所,适应函数应该反映电网规划的目的和要求，即要使规划方案在满足正常运行要求和安全运行要求的情况下，使电网的建设和运行费用最小。其数学模型为：,：惩罚因子,：方案的约束条件,对约束条件这里我们只考虑导线输送容量的限制 ，则可得到：,：线路上通过的有功功率,：电网正常运行时不满足经济输送容量的过负荷量,：电网正常运行时不满足导线发热允许输送容量的过负荷量,：电网在发生单一线路故障时不满足导线发热允许输送容量的过负荷量,C1、C2、C3 ：惩罚系数，其取值有具体情况决定,2007-7-16,输配电技术研究所,电网规划的目的是希望上式所示的费用最小，为符合遗传算法求最大的特点，适应函数可表示为,的选取应以保证D为非负数为准。,由F 的表达式可知适应函数D 是一个非线性、不连续和非凸的，这对于严格的数学规划方法是难以求解的，而遗传算法则是在解码得到一个解之后才对适应函数进行计算评估的，因此对适应函数形式无任何限制，这充分显示了遗传算法的优越性。,2007-7-16,输配电技术研究所,四、城网优化遗传算法的计算过程,1. 输入原始数据,包括网络拓扑（即节点数、已有和待架线路书、各线路的首末节点号和线路的有关参数），节点发电出力及负荷，遗传算法本身所需参数（即群体大小、基因位数、最大遗传代数、变异率和计算适应函数时用到的有关参数等）。,2. 形成初始方案,可以人为给定一些初始方案，也可以通过随机发生器随机产生一些方案，但这不影响最终的优化结果。,2007-7-16,输配电技术研究所,3. 计算适应值,解码得到这些初始方案（用染色体表示）的节点阻抗矩阵后，用直流潮流法计算各线路上流动的功率，根据式（5-5-7 ）、（5-5-8 ）就可得各方案的适应值。惩罚系数的选取应保证在正常情况下，不满足导线发热允许输送容量和不满足N 一1 原则的方案的适应值比其他方案要小。另外，不连通网络不能形成阻抗矩阵，无法直接进行潮流分析，需预先进行处理，这里我们认为不连通网络方案是不可取的，可以直接赋给它一个较小的适应值。,2007-7-16,输配电技术研究所,4. 遗传操作,遗传操作。如果群体规模数为N ，则对当代的按适应值排序之后的N 个方案所对应的染色体进行复制、杂交和变异操作，生成新一代N 个染色体，返回到（3 ) ，循环往复直到最后收敛。,5. 输出计算结果,输出计算结果。输出结果包括将最优结果还原成规划方案，给出方案的建设投资、年费用、导线截面、线路上的有功功率等。,2007-7-16,输配电技术研究所,举例：选择编码（111）、（011）和（101）分别对应上述三个图。,如果要加入导线截面的信息和杆塔架设的信息，如三种导线截面分别为185、240和3002，而导线架设又分为单回架设和双回同杆架设，则每条线路就有6个参数供选择，即单回185、单回240、单回300、双回共杆185、双回共杆240和双回共杆300。,若每个基因用一个三位2进制串来表示，其中（111）和（000）表示未架设，（001）、（010）、（011）、（100）、（101）和（110）分别与上述6种参数相对应，则一个规划方案就可以表示成为确定长度的二进制串，也就是染色体。,2007-7-16,输配电技术研究所,如，现有10条待选线路的规划方案中，该方案将第1、4、5、7、9、10条待选线路加入系统，它们分别选用单回185、单回240、单回300、双回共杆185、双回共杆240和双回共杆300截面的架空线路，则它们的染色体串可以表示为：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,001,000,111,010,011,000,100,000,101,110,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,第六节 配电网络接地方式的选择,一、概述,选择配电网中性点接地方式是一个综合性问题，它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、供电可靠性、人身和设备的安全以及对通信线路的干扰等 。,配电网中性点接地方式分为有效接地和非有效接地两大类,1）有效接地。它包括中性点直接接地和中性点经低值阻抗接地两种,2）非有效接地。它是不属于有效接地类的接地方式，包括中性点经消弧线圈接地（又称调谐接地）、高阻抗接地和中性点不接地,2007-7-16,输配电技术研究所,电力系统中性点接地方式分为：,1、直接接地系统，110千伏及以上系统；供电可靠性低，但节约绝缘投资；,2、不接地系统，35（60）千伏及以下系统；供电可靠性高，对绝缘要求高。,不接地，单相接地时容性电流较小（36网络小于30A、10网络小于20A 、3560网络小于10A ）的35（60）千伏及以下系统；,经消弧线圈接地，单相接地时容性电流较大（36网络大于30A、10网络大于20A 、3560网络大于10A ）的35（60）千伏及以下系统；,2007-7-16,输配电技术研究所,中性点直接接地系统,2007-7-16,输配电技术研究所,中性点不接地系统,2007-7-16,输配电技术研究所,中性点经消弧线圈接地,2007-7-16,输配电技术研究所,8、电力系统中性点接地方式,装设消弧线圈的目的是在不接地系统中发生单相短路时，用流过消弧线圈的感性电流来补偿流过短路点的容性电流，从而避免因短路点容性电流过大产生间歇性电弧，而引起系统的过电压。,全补偿：感性电流=容性电流，会产生谐振过电压，不能采用；,过补偿：感性电流容性电流，可避免或减少谐振过电压的发生，经常采用；,欠补偿：感性电流容性电流，当部分线路切除或系统频率下降时，可能出现全补偿而产生谐振过电压，不能采用。,2007-7-16,输配电技术研究所,二、110配电网的接地方式,我国110的电网绝大多数采用直接接地方式，经过论证有必要时，也可经电阻、电抗接地或消弧线圈接地,三、35(63)配电网的接地方式,对于35（63）配电网，当单相接地故障电流不大于10A时，中性点宜采用不接地方式，否则可采用消弧线圈接地方式。中性点经消弧线圈接地又称调谐接地 ，一般电网运行中都采用过补偿运行，避免欠补偿运行。,实用的消弧线圈一般采用一个带有若干气隙的铁芯，气隙的目的是使铁芯的励磁特性不易饱和，在工作段上呈直线状。线圈绕在铁芯外面，带有若干个分接头，在电网运行方式改变或电网发展时，可随电容电流变化而进行调整。,消弧线圈补偿电流的调节，从理论上说，故障时电流由于电容与电感电流分量相互抵消，残余电流比较小，易于自行熄灭。必须说明的是上述现象是指基波而言的。当电网上同时存在3 次、5 次等谐波电流时，这种电流无法被消弧线圈的电感电流所补偿。人们就利用这一特点，设计出反应5 次谐波电流的继电保护装置，使在电网一相发生接地故障时，能正确指示故障线路。,2007-7-16,输配电技术研究所,四、10(6)配电网的接地方式,从50年代初直到80年代后期将近40年的时间中，我国的10(6)中压配电网绝大部分均采用中性点不接地方式，这主要是因为我国中压配电网规模较小并以架空线路为主，电缆线路少，电网电容电流不大的缘故。近20多年来，我国中压配电网的规模发展很快，电缆线路也越来越多，用户对供电可靠性的要求也越来越高，这些情况迫使中压电网的接地方式选择也发生了新的变化。除了在一般情况下，当单相故障电流不大于30A时，仍采用不接地方式外，今后在中压电网的设计或改造中，应考虑下列新的接地方式。,1）以架空线为主的中压配电网和架空线、地下电缆线路混合使用的中压配电网宜采用中性点经消弧线圈（包括自动跟踪调谐消弧线圈）接地的方式，使配电网保持较高的供电可靠性。,2007-7-16,输配电技术研究所,2）大、中城市以低压电缆为主的中压配电网可以考虑采用中性点经低值电阻接地的方式，使电缆线路的投资降低，并在配电网接线上采用环网供电方式配以自动化装置使供电可靠性达到可为用户接受的水平。例如，我国华南某城市10电网发展迅速，新建电网主要采用地下电缆，对地电容电流远远超过30A 。如果采用消弧线圈接地，则需较大补偿容量，而且要将多台消弧线圈分别置于电网上，又加之10线路在运行中切合操作较多，消弧线圈分接头的及时调整有困难，容易出现谐振过电压现象。另外，配电网上又使用了一批绝缘水平低的进口电缆和电气设备，不便采用消弧线圈接地方式。经慎重研究后，采用了中性点低电阻（10）接地方式运行，效果令人满意。,3）较小城市的中压配电网，一般采用架空线为主，除采用中线点经消弧线圈接地方式外，也可以考虑采用高值阻抗接地方式（一相接地时不跳闸，可以运行较长时间），以降低设备投资，简化运行工作并维持适当的供电可靠性。我国华东电网的一些单位已经开展这方面的研究工作。,2007-7-16,输配电技术研究所,五、低压配电网的接地方式,随着我国人民生活水平的提高，家用电器已很普及，与安全用电有关的低压配电网中性点接地方式也引起广泛的关注。,我国220/380V低压配电网中性点大多数是采用直接接地方式，接地保护分为“接零”（）、“接地”（）两种形式如图所示的、两种情况,“接零” 是将用电设备金属外壳直接与零线相连接。其优点是在绝缘故障时过电流保护立即动作，很快切断电源，但其缺点是在零线短线或零线断落在引线上时，外壳产生过高电压，危及人身安全。,2007-7-16,输配电技术研究所,“接地“是将用电设备金属外壳直接与接地装置相连接。其优点是外壳能固定在大地电位上，但其缺点是当设备绝缘故障时，电流回路内通过的故障电流有时不足以迅速切断电源而使外壳较长时间带电，危及人身安全。,2007-7-16,输配电技术研究所,为了克服以上缺点，近年来出现了以下两项新的保护设施。,l）实行三相五线制低压接线方式，即采用零线（N 线）和保护接地（ 线）分开的接零保护系统。接地图中， 线是一根专用保护接地线，有配电变压器的中性点（或进户中性点）一直连接到每一用电设备，作为建筑物内的安全保护装置（又分为N 、 线单独存在的 方式和N 、 线合一的 方式）。这种方式需要多架一根保护导线，工程量和费用较多，近年来在我国正在提倡中，但未能大面积进行。,2）加装漏电保护器 见下图。漏电保护器的动作电流可以降低到30 ，即使用电端的接地电阻高达几百欧，也能迅速切断故障接地电流。近几年许多地区已经大量安装这种保护装置。国内有很多生产该种产品的厂家，其产品质量有较大差异，这是需要特别注意的。,2007-7-16,输配电技术研究所,2007-7-16,输配电技术研究所,接零保护方式（ ）在低压中性点接地系统中应有最多，为了防止零线断线，一般将零线重复接地。当线路较长或导线截面较小即回路阻抗较大时，接零可能不起保护作用。因此，必须按新规程加以验算。若不采用接零，也可以采用接地（ )，但无论接零、接地，在中性点直接接地系统中，作为后备保护一般还需与漏电保护配套使用。,低压配电网中性点不接地方式（）主要用于易燃场所（如煤矿井）和不便单独设置接地保护装置的地方。上面所讨论的 、 、 也是国际通用的3种低压网接地方式。,2007-7-16,输配电技术研究所,END,THANK YOU!,2007-7-16,输配电技术研究所,