基于AutoCAD配电网规划软件的日照配电网接线模式分析

任力，孙兴华，房克峰，马经纬，王贵宾

（国网山东省电力公司日照供电公司，山东日照276826）

基于AutoCAD配电网规划软件的日照配电网接线模式分析

任力，孙兴华，房克峰，马经纬，王贵宾

（国网山东省电力公司日照供电公司，山东日照276826）

为提高配电网的规划设计质量，选择合理的接线模式，开发一套基于AutoCAD的配电网规划辅助决策软件。介绍软件架构，并利用该软件对日照中心城区供电区域不同接线模式进行可靠性与经济性分析，选出合适的配电网接线模式，即A类供电区推荐电缆双环网对约75%重要用户实施双接入的接线方式，B类供电区推荐电缆单环网接线方式。

配电网；规划软件；AutoCAD；接线模式；可靠性和经济性

0引言

配电网接线模式的合理选择是配电网规划中的一项重要工作内容，其合理与否直接关系到配电网的供电可靠性和系统经济性。目前城市配电网实际应用的接线模式将近上百种，特点迥异。结合城市的实际情况，选择适应发展要求的接线模式十分必要。由于配电网规划工作存在规模大、精细化差、不确定性、影响因素多和涉及领域多等特点，是个典型非线性化问题，因此依靠规划人员的规划经验进行配网规划的传统方法已经无法满足现代配网规划的需求［1-3］。

目前世界上使用的最广泛的计算机辅助设计软件是AutoCAD［4］，其具有通用性强特点，在机械、电子、建筑、电气等领域都可以使用。在AutoCAD的基础上，进行二次开发出来的配网规划软件，具有设备电气化功能，即将电气设备将自带各自参数，可以进行电气计算，包括潮流计算、短路计算、可靠性与经济性等计算。

在完成配电网接线模式及目标网架的理论研究的基础上研发一套实用的基于AutoCAD的配电网规划辅助决策软件，可以便捷地输出电气地理接线图，有助于提高设计效率、减少人力投入和降低出错概率［5］。不仅有助于促进电力行业健康发展，而且可以满足用电客户对电能及用电可靠性日益增长的要求。

1 基于AutoCAD配电网规划软件

基于AutoCAD配电网规划软件建立了覆盖各电压等级的配电网规划数据平台，应用可靠性与经济性相协调的规划思路，设计了层次化的规划评估分析指标体系，实现了规划、设计工程图纸和数据的图模一体化编制，全面支持电网现状评估、负荷预测、电气计算、可靠性计算、经济评价、智能绘图、数据统计及规划方案评估、系统倒负荷及计划检修模拟计算等配电网规划设计核心业务，是大幅提升配电网规划编制工作效率、提高配电网规划成果理论应用水平的有力工具。软件界面如图1所示。

图1 基于AutoCAD配电网规划软件

1.1 基于Object-ARX技术的二次开发

Object-ARX［6-7］采用了先进的面向对象技术，能够提供与AutoCAD直接交互的开发环境，有助于方便快捷地进行AutoCAD应用程序开发，且程序高效简洁；数据具有可封装性、可继承性以及多态性等特点，系统功能易于模块化实现；支持MFC（Microsoft Foundation Class）的基本类库，方便生成各类图形而且编辑更加便捷。Object-ARX作为动态的链接库（DLL），其又可共享AutoCAD的内存空间，可以直接调用AutoCAD的内核，比如直接访问AutoCAD的图形数据库和图形系统，还可以自定义AutoCAD的命令，是AutoCAD二次开发比较好的选择。

1.2 电气参数化绘图功能实现

参数电气化，是配网规划能在AutoCAD实现电气计算的基础，保障了电气计算所需的参数，同时，参数化实现了批量导入导出，能方便地将实际电网参数导入，确保基于AutoCAD的配网规划软件计算的精准性和可靠性。

1.2.1 电气参数化绘图程序化

程序电气参数化绘图，实质就是将电气属性记录在程序图形中。在开发过程，图形描述包括了图形拓扑关系、图形电气化参数以及电气化参数与图形结构参数之间的关系。通过针对不同的电气设备，使用不同组变量记录相应同类设备的电气参数，配网电气设备主要包括开闭所、环网柜、交流线路、开关、断路器；而同类型图形的几何参数，只用一组变量记录即可；再用一系列的赋值语句表达电气化参数与结构参数间的联系；图形拓扑关系描述通过调用语句来实现。

1.2.2 电气参数交互式绘图

实现电气参数交互式绘图，实质上是对图元进行操作。任意一个图形，均可以看成由若干个基本的图元构成的。先将图形结构分解为参数电气化的基本图元并建立图素库，然后可以根据图素交互式地形成各种图形结构，而且允许修改图元。

1.2.3 数据表驱动参数化绘图

针对需要绘制图形的结构特点，在编写C++程序之前，事先设计好内存数据库用于存放有关设计好的各种数据（以数表的形式）。然后再根据C++程序建立内存数据库和设计模型之间的关联关系。每一类图元属性均有其匹配的电气参数，相当于对每一类电气设备都提供了其专有的电气属性以及共有的电气属性。

通过以上3个技术策略，AutoCAD可实现在电气领域上的应用，其在配网规划上的应用不仅可以绘制地理接线图，还可以对完整的地理接线图进行拓扑检查、电气计算、现状评估等分析计算。电气参数化绘制流程图如图2所示。

图2 电气参数化绘制流程

1.3 软件功能模块

软件整体功能包括电网参数管理、电气计算、电网评估、负荷预测以及配电网评估，系统功能构建如图3。所有的核心计算功能均是使用C++开发，性能优良，计算处理能力强，可以满足大规模配电网计算要求。

1.3.1 电网参数管理模块

电网参数管理模块包括了元件库图元管理、拓扑检查、参数设置和电气转换与设计。参数库包括4个方面。

图3 配网软件功能构架

基础设备参数资料。设备计算参数、设备造价等，所有的设备参数信息都可以通过Excel导入和导出，同时还提供了完整的设备参数信息添加、修改、删除和修改操作，有助于丰富和完善整体基础数据库。基础数据库涵盖了多种线路型号和设备信息满足电气设计过程中设备选型。

计算分析参数设置。提供了计算功率基准值、潮流计算精度、潮流方法、修正和默认值等设置。其中针对不同电压等级设置不同的缺省线路和缺省电缆，为全电压等级电网设计或电网计算分析的线路和电缆提供了默认的设备型号、计算参数、造价等信息。另外，还提供了电压限值、短路限值用于电气计算分析越限判断。

可靠性与经济性计算参数设置。为可靠性计算提供了全国统计平均水平的可靠性默认计算参数；各地区可以根据不同可靠性水平设置对应的可靠性计算参数。可靠性计算参数设置也为用户提供了不同电压等级下的可靠性参数，从而满足不同电压等级下的可靠性计算要求。同时，也为经济性计算提供默认的经济计算参数。

负荷预测参数设置。负荷预报参数设置中提供了用于空间负荷预报负荷密度指标库；负荷密度指标选取，分为建筑综合用电指标和用地综合用地指标两大类指标。默认指标值采用了GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》。提供了修改、添加和删除操作，方便了用户根据当地情况设置符合当地发展水平的负荷密度指标。

1.3.2 电气计算模块

系统实现了配电网电气计算功能，运用CAD可视化技术，支持计算结果的指标严重度排序及关键图元的快速跟踪定位。各功能所涉及的算法如下。

潮流计算。提供成熟的潮流计算方法，即牛顿—拉夫逊法和解耦法两种算法，计算时可进行选择，默认情况下选择牛顿—拉夫逊法；其中牛顿—拉夫逊法特点在于收敛性好且可靠以及计算速度快，而解耦法特点在于所需的内存量小于牛顿法（60%左右），解耦法也具有良好的收敛性。

网损计算。采用了基于潮流计算的网损分析方法，即在潮流计算完毕的基础上，利用所得的结果进行的网损分析计算，根据潮流计算所得节点功率（具有方向性）加和得到对应的网损结果。

经济性分析。计算方法比较简单，即使用常规投资计算法，根据对应的配网设备的造价计算设备投资，根据网损计算经济损失，根据可靠性计算指标计算可靠行性所造成的可靠性成本等。

短路电流计算。短路电流的计算分析方法采用了叠加法［8-9］，由于配电系统比较复杂和庞大，那么进行短路容量扫描，势必相对麻烦，所以采用了简洁而实用且又能保证结果可靠性的方法。

配电网N-1计算。主要是要验证配电网中单一元件停运时配电网整个系统应满足配电N-1安全标准；采用了预想故障模式进行分析，在预想故障下，计算电网是否还能继续保持负荷的正常持续供电的能力；主要判断线路等设备的负载与电压是否在允许的安全范围内。

可靠性计算。采用改进的考虑隔离设备的最小路集和最小割集算法；即考虑了配网中的隔离装置，主要包括隔离开关、断路器等多种开关装置构成，由于不同的开关装置的特性和动作机理不同，对配网负荷点的可靠性指标影响也是不一样的，因此需要进行区别考虑。

1.3.3 负荷预测模块

提供中短期逐年总电量、总负荷预测，分类电量预测、分行业负荷预测、分区负荷预测、空间负荷预测等核心功能。并将预测结果上图、地块负荷密度着色，为规划人员进行变电站、配变、开闭所等布点提供辅助决策依据。

系统负荷预测，采用了通用序列预测方法，涵盖了多元相关法、一元相关法、回归分析法、动平均法、指数平滑法、灰色系统法、增长速度法以及人工神经网络法等［10］；由于这些方法的相关书籍很多，这里不再进行赘述。

空间负荷预测以城市用地规划为基础，研究居住用地、公共设施用地和工业用地等建筑负荷密度用电指标，进行负荷的空间分布预测，并能够实现负荷预测结果的可视化展示和负荷密度主题图的展示，这种预测方法主要预测城市饱和负荷分布预测，为制定目标电网网架做基础。空间负荷预测结果如图4所示。

图4 空间负荷预测结果

1.3.4 配电网评估模块

运用系统的配网评估功能，从设备、运行、供电质量、可靠性等方面实现对配网的综合评估，一键导出评估报表，该报表中的计算指标为年度配网规划提供了参考，支持对评估指标的定制化调整。

配电网评估结合了“层次分析方法”和专家群体决策的“德尔菲方法”，以“德尔菲方法”建立配电网综合评估指标体系，以“层次分析法”进行具体评估。层次分析法是在决策过程中对非定量事件做定量分析、对主观判断做客观分析的有效方法。该方法通过建立清晰的层次结果来分析复杂的实际问题，以其定性与定量相结合处理各种决策因素的特点，以及系统、灵活、简洁的优点，迅速地在社会、经济等领域中广泛应用。而德尔菲法主要应用在各层综合权重的确立。

基于以上的功能模块下，基于AutoCAD配电网规划软件可以全面支持电网现状评估、负荷预测、电气计算、可靠性与经济性计算、规划制图、数据统计等配电网规划设计核心业务。

2 配电网规划软件的应用

以日照中心城区A类供电区为研究对象，建立电网接线模型，组建5种接线模式模型：电缆单环网（不考虑双接入情况）、电缆双环网25%用户双接入、电缆双环网50%用户双接入、电缆双环网75%用户双接入、电缆双环网100%用户双接入。

2.1 日照配电网接线模型搭建

2.1.1 电缆单环网组结构

单环网接线的每个环网组均配置两方向电源，环网单元采用环网柜，双环网接线下，环网柜配出负荷均为辐射式、单测电源供电，不考虑部分重要用户的双电源、双接入供电情况。

日照A类供电区10 kV电网采用单环网接线组（见图5）情况下，根据供电区负荷情况，配电网由28回10 kV电缆线路，建设单环网组14组，配置10 kV环网柜52台，按照800 kVA配变容量配置，共装接用户总数为208户。

图5 单环网电网模型

2.1.2 电缆双环网25%双接入结构

在常规电缆双环网结构的基础上，考虑到25%用户的高可靠性要求，即对每一环网单元配出的用户，设定其中1／4用户为双电源接入，即实现“三双”供电模式，在环网组之间建立联络，提高部分重要用户的供电可靠性。

在25%用户双接入情况下，配电设备规模不变，改变的仅是用户的接入方式，即网络中共52户重要用户实现双接入，如图6所示。

2.1.3 电缆双环网50%双接入结构

对每一环网单元配出的用户，设定其中1／2用户为双电源接入，配电设备规模不变，改变的仅是用户的接入方式，即网络中共104户重要用户实现双接入，如图7所示。

图6 双环网25%双接入电网模型

图7 双环网50%双接入电网模型

2.1.4 电缆双环网75%双接入结构

对每一环网单元配出的用户，设定其中3户重要用户为双电源接入，如图8所示。

图8 双环网75%双接入电网模型

2.1.5 电缆双环网100%双接入结构

在极端情况下，考虑所有用户均为双电源接入，配电设备规模不变，改变的仅是用户的接入方式，即网络所有用户实现双接入，以此作为网架计算和优选的极端条件，如图9所示。

图9 双环网100%双接入电网模型

2.2 不同接线模式对比

2.2.1 可靠性分析

采用基于AutoCAD配电网规划软件对不同接线模式进行量化计算，得到不同网架可靠性计算结果见表1。

由表1可以看出，100%电缆单环网组构成的双环网供电可靠率最高，达到99.999 748%，用户平均停电时间仅为80 s左右；根据国家电网Q／GDW 738—2012《配电网规划设计技术导则》的要求，5种接线模式的可靠性均可达到A类地区供电可靠性的要求，当双环网双接入比例达到75%以上时达到A+类地区标准。

2.2.2 经济性分析

不同网架经济计算结果见表2。

表2 不同接线模式经济性计算结果万元

表1 年度可靠性计算结果

由表2可知，电网一次投资方面，从单环网—双环网（25%）—双环网（50%）—双环网（75%）—双环网（100%）逐渐增加，主要由于低压侧用户线路的投资逐步增加，实现现金流覆盖所需收入逐渐增加；线损方面，由于供电方式相同，5种接线模式线损相同。

2.2.3 综合分析

不同接线模式电网可靠性与经济性综合分析情况见表3。

表3 每百万元投资可靠性变化情况

通过可靠性和经济性的独立分析，以及结合表1、表2可知，随着投资的增加，供电可靠率增高。而且由表3可知随着双接入用户的增多，每百万元提升可靠性的效果越来越差，单环网到25%用户双接入，投资每增加100万元，供电可靠率提升0.0000787%，用户平均停电时间减少0.41 min，当从75%双接入到100%时，投资每增加100万元，供电可靠率提升降到0.000 044 5%，用户平均停电时间减少0.23 min，因此可靠性提高并非随投资增加呈线性增长。由表3可知，投资效率在从单环网向双环网25%双接入过渡时，投资效率最高。

2.3 日照配电网接线模式优选结果

考虑到日照城区沿海的特点，配电网建设应以电缆组网为主；在满足国网公司Q／GDW 738—2012《配电网规划设计导则》对接线模式及可靠性要求的基础上，应用可靠性与经济性相协调的理论，同时考虑供电安全及操作灵活的要求，日照城区推荐配电网接线模式如下。

A类供电区推荐电缆双环网对约75%的重要用户实施双接入的方式，即75%的用户采用双供电的供电模式，其供电可靠性可达到99.999 238%，用户平均停电时间为3.749 1 min。

B类供电区推荐电缆单环网接线方式，其供电可靠性可达到99.997 95%，用户平均停电时间为10.76 min。

2.4 常规电气计算说明

规划软件除了可以对接线模式分析外，还可以灵活地根据需求组合对应的功能进行相应的课题分析。

由规划软件绘制出的配电网接线图均带有电气属性，可以直接利用软件模块进行常规的电气计算，简单说明与结果界面展示如下。

潮流及网损计算。计算结果包括了线路潮流和设备潮流。其中线路潮流计算结果包括：线路有功值、线路无功值、有功网损、无功网损、电流值；设备潮流计算结果值包括母线电压及母线功角等。图10为计算结果展示界面。

图10 潮流计算结果界面

短路电流计算。短路电流分析对象为“实体对象”及“母线”元件对象。短路分析结果为各个实体设备母线的短路电流情况，计算结果展示界面如图11所示。

图11 短路电流计算结果界面

N-1分析。N-1分析包括线路N-1分析和设备N-1分析，用于判断线路或设备是否有转供电力能力。线路N-1分析结果值包括N-1校验通过情况、N-1校验损失负荷、N-1校验转带设备；设备N-1分析计算结果值包括N-1校验通过情况、N-1校验损失负荷、设备负荷损失情况。计算结果展示界面见图12。

图12 N-1分析计算结果界面

进行配电网评估分析时，可以根据专家设定指标情况进行分析，软件默认情况下，主要从设备、运行、供电质量、可靠性等方面实现对配网的综合评估，一键导出评估报表，该报表中的计算指标为年度配网规划提供了参考，如图13所示。

图13 配电网评估指标列表

3 结语

研发一套实用的AutoCAD建模的配电网规划软件。该软件采用了Object-ARX技术和面向对象C++开发技术，同时，将配电网可靠性计算算法融入并实现，为配电网接线模式研究顺利开展奠定了计算工具基础。研究配电网接线模式的目的就是在考虑经济投入的前提下，最大限度地提高电网的供电可靠性。将软件应用到考虑日照地域特点的城市配电网接线模式中分析，并为日照城区优选出配电网接线模式。该软件能为配电网接线模式选择提供有效依据和决策帮助。

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Rizhao Distribution Network Connection Mode Based on AutoCAD Distribution Network Planning Software

REN Li，SUN Xinghua，FANG Kefeng，MA Jingwei，WANG Guibin
（State Grid Rizhao Power Supply company，Rizhao 276826，China）

A set of distribution network planning decision support software based on AutoCAD is developed in order to improve the planning and design quality of distribution network，and choose the reasonable mode of connection.The composition of software is introduced，and the software is applied to analyze the reliability and economy of central city supply area in Rizhao with different connection modes.The optimizing mode is selected for distribution network connection in Rizhao.The connection mode of dual cable loop network for about 75%of important users is recommended for the class A power supply area，meanwhile，single cable wiring ring is recommended for the class B power supply area.

distribution network；planning software；AutoCAD；connection mode；reliability and economy

TM715

A

1007－9904（2015）08－0032－07

2015-04-27

任力（1965），男，高级工程师，从事电力系统管理和研究工作；

孙兴华（1969），男，高级工程师，从事电力系统管理和研究工作；

房克峰（1970），男，高级工程师，从事电网规划管理和研究工作；

马经纬（1979），男，工程师，从事电网规划研究工作；

王贵宾（1972），男，高级工程师，从事电网规划及项目前期工作研究。