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配电网的智能规划

北极星电力软件网讯:

        摘要:电网的建设和电网的规划是相互推进,相辅相成的。在智能电网成为未来电网的发展方向的前提下,常规的电网规划方法必须加以改进,适应智能电网的发展需要。近几年,随着信息技术的发展,地理信息系统(GSI)和人工智能(AI)方法逐步引入规划系统,以计算机为工具,结合新技术和新手段已成为电网规划的发展方向。本文主要分析了目前配电网规划中存在的问题,提出了配电网的智能规划,并加以介绍。

        0引言

        未来的电网必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应,能够适应多种能源类型发电方式的需要,能够更加适应高度市场化的电力交易的需要,能够更加适应客户的自主选择需要,进一步提高庞大的电网资产利用效率和效益,提供更加优质的服务。为此,以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而同地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网,将智能电网视为未来电网的发展方向。

        我国电网正处于高速发展阶段,特高压电网骨干网架的形成和智能电网的建设以及各类清洁能源的接入,对电网规划设计提出了更高的要求。因此必须要构建一个能够适应电网未来面临的各种挑战、体现智能电网的各种特征,而且能够随着规划环境的变化加入新的内容的电网规划体系。由于电压等级低,涉及面相对不广,网架层级简单清晰等原因,配电网规划更容易实现“智能化”。

        1配电网规划及其目前存在的问题

        配电网规划是指在分析和研究未来负荷增长情况以及城市配电网现状的基础上,设计一套系统扩建和改造的计划。在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情况下,对可能的各种接线形式、不同的线路数和不同的导线截面,以运行经济性为指标,选择最优或次优方案作为规划改造方案,使电力公司及其有关部门获得最大利益的过程。

        1.1配电网规划的内容和目标

        配电网规划是以电网中的中压配电网为研究对象的规划,包括中压变电站和馈线系统。通常,配电网系统规划需要考虑子输电系统、中压变电站和馈线这三个系统费用的协调和平衡。因此,配电网规划的基本功能和主要研究内容包含三个方面:负荷预测、长期配电规划和短期配电规划。一般是以长期规划指导短期规划,以短期规划落实和调整长期规划。

        随着负荷的不断增长,输电网络的发展,配电网电压等级的升高,配电网自动化的要求,城市规划和环境的制约,以及社会、政治、经济、工业和人民生活水平的发展变化等因素,都会对配电网的发展产生深远的影响。事实上,任何一种规划不可能同等地考虑所有的因素。目前,计算机上实现的配电网规划都只能使在保证可靠安全的供电前提下,优化规划期内配电网总投资和运行维修等费用,即以经济指标的优化为目标进行规划。对配电网规划工作的基本要求有:(1)要有稳定可靠的供电能力;(2)要有较大的灵活性和适应性;(3)经济性;(4)网架结构分层分片;(5)简化接线增大容量。

        1.2配电网规划中存在的普遍性问题

        1.2.1规划资料不准确

        规划资料是规划人员对电网进行分析计算的基础,但是部分地区对配电网现状的分析不够透彻、全面、深入,从而使得所收集的资料中存在文字表述不清、基础数据收集不全、数据不准确、数据更新不及时、前后数据不对应、专业名词概念混淆的等问题。这些问题的存在使得规划人员手中掌握的数据不能切合实际地反映出当前配电网存在的问题,在此基础上所做的规划就失去了科学性和准确性。而且,电网规划涉及多方面的利益协调,其过程是各方意愿、利益、认识达成“共识”的过程,而现实问题是规划人员与电网维护人员沟通不足,导致实际问题考虑不足。
        1.2.2计算准确性不高

        配电网规划中,由于缺乏负荷预测方面的专业知识和科学的计算软件,历史数据又不全,导致负荷预测结果不准确,造成电源点分布、线路路径等网架结构方案误差大;电气潮流计算、短路电流、无功电压等计算偏差较大;线损率、电压、短路水平等没有按照要求进行校验,甚至有些地区的规划方案没有进行电气计算,缺乏必要的理论依据,造成规划的科学性和可行性较差。

        1.2.3缺乏前瞻性

        规划涉及电网本身信息的管理、地理信息勘测与图像处理以及数据统计与分析等多方面内容,研究对象及相关数据规模庞大、结构复杂、不确定和未知因素多,并且规划往往局限于局部范围,因此难以验证所规划电网对大电网稳定性的影响,对各区域电网之间的协调问题预测不足,缺乏前瞻性。致使所形成的规划方案可能只能在近期有较好的效果,这样的规划方案的经济性和科学性较低。

        1.2.4城市配电网技术落后

        与世界其它发达国家相比,我国的配电系统发展起步较晚,发展水平较低,建设相对落后。城市配电网,特别是老城网,已或多或少滞后于城市经济发展,成为制约城市发展的瓶颈。配电网结构不合理,电力设备数量多但性能落后、免维护水平低且不适合自动化要求等,导致停电事故频繁发生,可靠性较低,严重影响了人民的生活水平和经济建设的发展。有些地区的供电局在配网自动化的建设规划方面以介绍系统为主,对具体工程、对一次设备的选择及有关技术要求上缺乏统筹规划,没有与实际情况相结合,缺乏完善统一的管理模式。

        1.2.5配电网与主网的建设发展不协调

        主网规划对配电网规划起着导向作用,配电网规划是主网规划的基础,也是配网改造和建设的关键环节,对电网后期工作起着主导作用。由于近几年资金主要投入了主网,对中低压配电网投入较少,使得中低压配电网建设一直处于落后状态,地区城市配网规划与主网规划没有统筹协调发展,造成了局部地区供电半径大、损耗高、电压低、可靠性差等问题[5]。

        1.2.6配电网建设与城市发展建设不协调

        城市配电网是城市的重要基础设施之一,与城市的发展密切相关。城市配电网规划是城市发展规划的重要组成部分,并且电网的网架结构建设周期较长,建成后短期内一般不会有大的变动,所以城市配电网必须与城市建设紧密配合,同步实施,并要有一定的超前意识且与城市景观相协调。城市规划引导着负荷的发展,配电网的建设要随之进行相应的调整和改变。由于配网规划部门与地方经济管理部门、城市规划部门沟通不力,地方政府没有将城市配网规划纳入城市整体规划当中。造成了城市配网规划与地区经济发展、城市建设规划相互脱节,甚至落后于地区经济发展、城市建设规划,不能很好地为地方经济建设服务,与市政建设协调发展[5]。

        2配电网的智能规划

        由以上分析可以看出,配电网规划工作是一项复杂的系统工程,其复杂性突出地表现在其具有规模大、不确定、不精细因素多和涉及领域广的特点。它不仅需要大量有关城市发展的历史数据,还需要对现状网进行分析,同时,更要对城市未来发展情况有比较全面的了解,完全依靠规划工作者的规划经验规划未来城市的电力系统,已经远远不能满足现代城市配电网规划的要求。故需紧密结合实际研究解决这些问题的新理论、新模型和新方法,并将研究成果实用化和工程化,指导实际的电网规划建设工程,这是一件具有重大社会经济意义和理论价值的工作。

        2.1智能规划的概念

        电网智能规划则是将地理信息系统(GIS)技术、计算机技术以及电网规划理论研究成果和实际电网规划工作结合形成的新型规划系统,具有信息化、可视化、交互性、智能化的功能特点,能够超前应对不断变化的内外部形势,提高电网规划的适应性和科学性,是建设统一坚强智能电网的重要保障。现阶段提升电网规划能力的总体思路,按照规划体系电网性能、效率、社会效益和成本四方面要求,华东公司已重点加强核心技术攻关,开展了相关课题研究。

        2.2 智能规划的特点

        智能规划有别于常规的规划,综合目前电网智能规划的研究发展情况,电网智能规划必须具备以下5个功能特点。

        (1)地理信息系统平台。电网规划需兼顾经济性和可靠性,而经济性和地理信息紧密相关。因此,电网规划不但需要考虑电网拓扑结构,更需要考虑电网地理信息。而且多年的工程实践和研究论证表明,建设电网规划GIS平台能够为电网资产全寿命周期管理、项目后评估等功能任务的实现奠定基础,电网智能规划必须基于电网地理信息系统[7]。

        (2)电网规划信息系统。电力系统具有海量数据、广域分布的特点。电网规划涉及面很广,要考虑的各方面的问题繁多,信息量更加庞大;另一方面,电力市场化改革给电网规划工作带来前所未有的挑战,“厂网分开、竞价上网”,发电公司和电网公司都已经成为独立的市场经营主体,供应侧的电源和电网协调难度加大,电网规划面对的不确定性不断增加。

        智能规划是一个开放的系统,具备充分的数据和庞大的设备架构体系,具有信息高度融合集中的特点,能够快速获得和应对现有各类信息和各方面问题,也能够不断更新获取新信息和新问题[7]。

        (3)可视化。和电网运行不同,电网规划设计需要更加精确的电网接线图,并且对未来各个水平年的电网进行统一规划。目前,我国电网处于快速发展阶段,电网滚动规划周期加快。每次规划的优化调整给测绘工作、计划规划管理工作带来了困难。智能规划一个显著功能是实现地图和数据的结合,实现包括电气计算结果在内的各类信息的数字化、可视化。智能规划系统不仅能够自动生成所需的电网地理接线图和系统方案图,供规划人员设计研讨使用,而且能够提供一个可视化的平台,辅助规划人员实现方案设计,并完成系统方案的电气计算校验和经济技术比较[7]。

        (4)交互性——建立统一的协议和模型标准。电网是不断发展的,各类新技术新理念也是不断发展的,电网规划面临的问题也是随着发展不断变化的;另一方面,各类开发平台、开发软件表现形式各不相同,各有特点、优势。因此,电网智能规划必须是一个开放的、具有交互性的平台。交互性就意味着智能规划系统必须建立统一的协议和模型标准,以保证不同参与者开发的软硬件模块的无缝结合[7]。

        (5)智能化。将地理信息系统技术、计算机技术和传统的电网规划领域结合,即初步形成了电网智能规划的实现基础,能够初步对规划技术人员进行辅助,大大提高电网规划集约化、标准化程度。在信息化的基础上实现智能化,则是智能规划系统的成熟阶段。届时,在标准的数据模型和统一开放的系统平台的基础上,开发研究人员能够采用各类开发语言,建设相应功能,加快各类电网规划研究成果的实际应用转化,以取代现有的电网规划的各项实际工作。电网规划的理念、方法、流程机制、研究成果都将达到一个更高的层次[7]。

        电网规划是现有电网的扩展,必须建立在对现有电网、设备运行情况等大量信息的分析基础上。所以智能规划系统和智能电网建设相辅相成的。智能电网的建设能够为智能规划提供丰富的现状数据,将是电网智能规划的重要数据信息来源;另一方面,智能规划能够更加快速应对各类变化的边界条件,及时获取新技术、各类新能源、可再生能源的信息,加快智能电网的建设,提高电网整体的信息化程度[7]。

        2.3智能规划所引入的方法和技术

        2.3.1地理信息系统

        现在的电网规划涉及多方面的利益协调,其过程是各方意愿、利益、认识达成“共识”的过程,而现实问题是规划人员与电网维护人员沟通不足,导致实际问题考虑不足;另外,规划涉及电网本身信息的管理、地理信息勘测与图像处理以及数据统计与分析等多方面内容,研究对象及相关数据规模庞大、结构复杂、不确定和未知因素多,并且规划往往局限于局部范围,因此难以验证所规划电网对大电网稳定性的影响,对各区域电网之间的协调问题预测不足,缺乏前瞻性。如果没有行之有效的规划手段,没有足够的超前意识,正在建设的电网不具备未来智能电网所需的一些扩展和升级条件,那将来实现智能电网时不仅会带来繁重的电网改造任务,还将带来巨大的额外投入。

        地理信息系统(GIS)可充分整合利用地理信息数据,方便对空间地理数据进行查询、加工以及分析处理,其主要工作领域是地理空间数据的处理。由于电网线路具有典型的线形地理特征,所以可应用GIS对电网进行可视化、形象化的管理。地理信息系统(GIS)的主要工作领域是地理空间数据的处理,而电网规划中所处理的对象也具有广阔的时间和空间分布的特点,这使得电网规划方面的信息化工作越来越多地依托于GIS平台。

        基于GIS的电网规划平台,旨在提高电网发展规划的信息化水平和规划人员的工作效率。电网规划平台一般分为用户层、应用层和数据层三层。用户层主要是为电网规划用户提供友好的图形化界面及权限控制;应用层主要是集成了电网规划所需要的各种功能,如:电网属性信息与地理信息的查询和浏览、电网信息更新、电网图层管理、电网属性信息管理、地理信息管理、系统配置管理、线路增减、变电站布点等;数据层为整个平台提供数据支持,这一层实际就是GIS。

        简而言之,GIS系统就是电网规划平台的数据库,它为电网规划提供地理信息和电网信息,支撑电网规划的负荷预测、布点定容、影响分析、效果评估等功能。

        2.3.2智能决策支持系统

        配电网规划作为一项系统工程,涉及到越来越多的人为因素和半结构化因素,需要大量的有关配电网发展的历史数据,对现有配电网进行深人的分析,同时还需对城市的未来发展情况有比较全面的了解,其复杂性为智能决策支持系统的应用提供了广阔的舞台。配电网规划智能决策支持系统是通过综合电网规划的基本理论、原则和方法,并利用计算机科学手段,对现有电网的相关数据信息进行处理,综合归纳得出各种模型并加以应用,得到科学规划的决策方案,为决策者提供科学的依据。

        配电网规划的特点决定了配电网规划智能决策支持系统是一个复杂的系统。为适应配电网规划的特点,提高配电网规划智能决策支持系统的功能和效率,系统建立在GIS基础上,并采用基于人工智能与决策支持系统的功能集成和技术集成的,各库并列型多库协同的总体结构方案,以面向对象中的消息通信为接口技术,以面向对象的表示方法为广义模型。


        基于GIS的配电网规划智能决策支持系统的结构图如图2.1所示。专家决策模块是智能决策支持系统的核心部分,它通过利用与配电网规划相关的各种信息进行综合分析决策后得出配电网规划的最佳方案;知识库中存储有与配电网规划相关的一些难以用数学方法描述的人的知识和经验;专家决策模块利用知识库里的知识进行推理判断;模型库中有以标准形式存储的通用模型、专用模型和用户模型等各种模型,可为决策者提供推理、比较、选择和分析整个问题的模型;方法库存储有解决配电网规划问题所需的数学和运筹学方法,能对各种模型的求解分析提供必要的算法;GIS系统平台为配电网规划提供了强大的空间分析和显示功能,配电网规划中的空间负荷预测、变电站选址、馈线的合理布局等功能都离不开GIS系统的支持;配电网规划数据库上集中存储有地理、经济、负荷、网络、费用和可靠性等配电网规划所需的数据,并与MIS、SCADA系统和用户信息系统(Client Information System,CIS)等系统相连,从SCADA系统可获取负荷测量数据,从CIS系统获得用户的用电量和用电特性等信息用于负荷分析,从GIS系统中可自动提取配电网规划所需的空间数据[13]。

 

        建立在GIS平台上的配电网规划智能决策支持系统,实现了地图的读入、漫游、查询、缩放、标注等功能,并建立了良好的操作界面,可以直观地显示各个规划年份的规划结果,反映网络结构的变化。本系统也有助于规划人员对规划相关的数据的积累,便于不断地对配电网实施滚动规划。

        2.3.2基于多种智能算法的电网规划系统

        在配电网规划过程中需要涉及到电力系统分析、运筹学、人工智能等多学科的理论与方法,如电网计算理论包括潮流计算、短路计算、线损计算、可靠性分析、经济性分析等;对于不同的规划问题,需要运用运筹学方法对问题进行数学建模,并求解以经济成本或可靠性为目标的优化问题;在负荷预测及求解优化问题的过程中,包括神经网络、遗传算法在内的人工智能方法又是解决问题的主要途径。

        基于多种智能算法的规划系统是一个电网规划的通用平台,能够模拟电网规划专家的工作思路, 按照向导式的应用流程,系统包含现状网分析、负荷预测、变电站规划、网架规划和规划网评估等几个主要功能模块,具有智能型的特点,把优化计算和智能化的专家干预相结合,使规划方案的形成灵活方便。

        该系统在算法设计上采用当前比较先进的智能优化算法,使其具有一定的超前性,同时兼顾通用的、成熟的算法,可以通过计算结果的比较和加权取得更好的计算效果。系统的智能性体现在各种计算的自动化程度高,多种方案的自动比较,并且能够与地理信息(GIS)相结合的变电站自动选址,供电方案的确定,并提供人性化的图形操作界面。

        除了上述介绍的地理信息系统、智能决策支持系统、基于多种智能算法的电网规划系统,智能规划中还采用其它大量的技术和方法。如:面向电网的多适应性智能规划体系,可视化电力系统规划平台,基于商业化组件的配电网智能规划平台等。另外,人工智能在配电网规划中的广泛应用,虽然存在一些局限性,但针对特定的问题,这些方法都取到了较好的效果。这些科学的手段和方法的采用,能保证电网建设能够合理利用资源、节能降损、提高供电质量、保证供电安全、提升可靠性水平。

        3结语

        配电网智能规划系统为规划人员提供了科学决策的依据工具。科学、实用的规划方案为配电网电力供应能力、供电可靠性和电能质量的改善提供了根本的保证。我国将要建设统一坚强的智能电网,电网智能规划是保证这一宏伟蓝图实现的重要手段和前提保障。但是要实现智能规划也面临着一些问题,如:规划平台多样、数据格式不统一、电网地理信息的安全性等。规划人员应该正视这些问题并加以解决,不断完善和发展智能规划,使智能规划为当今电网的快速发展做贡献。

 

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