电力输配变系统最优配置与规划研究

2023-12-21国网河北省电力有限公司元氏县供电分公司王靖楠

电力设备管理 2023年21期

国网河北省电力有限公司元氏县供电分公司王靖楠刘胜

1 引言

随着社会经济的快速发展和电力需求的不断增长，电力输配变系统的优化配置与规划越来越重要。电力输配变系统涵盖了电力设备的输配电过程，负责将电力从发电站传输到用户端。为了提高电力输配变系统的运行效率、安全性和经济性，科学、合理的系统配置与规划是必不可少的。

2 电力输配变系统的定义和组成

电力输配变系统主要指的是从发电站发出电力后，通过输电线路、配电装置、变压器等设备，将电能传输到用户端的整个过程。其中，电力的输送主要通过输电线路进行，电力的转换主要通过变压器进行，电力的配送主要通过配电装置进行。此过程需要考虑电力的传输损失、电压等级的变换、电力的质量和稳定性等问题[1]。电力输配变系统的组成见表1。

表1 电力输配变系统的组成

3 电力输配变系统最优配置方法

3.1 最优配置的基本理论

最优配置的基本理论涉及电力系统规划与运营优化的相关问题，其中重要的一部分是基于经济性和可靠性的评价方法。

3.1.1 经济性评价方法

电力系统的经济性是衡量电力系统最优配置的重要指标。最基本的经济性评价方法是通过计算单位时间内的总成本来实现。总成本一般包括电力系统的建设成本、运维成本和损失成本等。优化目标是使总成本最小：

其中，Cmin是总成本，C建设是电力系统的建设成本，C运营是电力系统的运营成本，C损失是电力系统的损失成本。

3.1.2 可靠性评价方法

除了经济性，电力系统的可靠性也是衡量电力系统最优配置的重要指标。可靠性评价方法主要包括系统平均中断频率指标（SAIFI）、系统平均中断持续时间指标（SAIDI）、系统平均中断时长指标（MAIFI）等。

3.2 最优配置的方法和技术

在电力输配变系统最优配置问题中，本文应用的是混合粒子群-遗传算法，结合了粒子群优化（PSO）和遗传算法（GA）的优点。

在混合粒子群-遗传算法中，通常先使用遗传算法对解空间进行粗糙搜索，以获取较好的初始解群体，然后再使用粒子群优化对这些初始解进行精细搜索，以获得更优的解。这种混合算法可以有效地结合全局搜索和局部搜索的优势，以实现更快的收敛速度和更好的解质量。

在电力输配变系统的最优配置问题中，混合粒子群-遗传算法可被用于优化各种系统参数，如电源配置、负载分布、配电线路的布局等。例如，对于配电线路的最优布局问题，可以把各个线路的长度、电阻、电压等级等作为解的编码，然后使用混合粒子群-遗传算法寻找最优的线路布局，以达到降低系统损耗、提高电能质量等目标[2]。

3.3 电力输配变系统最优配置的具体步骤

在电力输配变系统的最优配置过程中，首先需要明确最优配置问题的具体内容和目标函数，如最小化总成本、最大化效率或可靠性等，并建立问题的数学模型。然后，初始化决策变量并计算每个解的适应度值。接着，采用混合粒子群-遗传算法进行迭代搜索，不断优化决策变量以改进适应度值，并同时检验新产生的解是否满足所有约束，若不满足则通过修复策略修复为可行解。在满足终止条件后，如达到最大迭代次数或目标函数值改进幅度小于预设阈值等，结束搜索并输出最优配置方案及其目标函数值。如有需要还可以进行后续的结果分析和评估，以评价最优配置方案的经济性、可靠性和环境友好性等性能，从而进一步提高系统的运行效率和可靠性，降低运行成本，提升电力供应的质量和满意度。电力输配变系统最优配置流程如图1所示。

图1 电力输配变系统最优配置流程

4 电力输配变系统规划的方法

4.1 规划的基本理论

规划电力输配变系统的基本理论涉及系统设计、运行、维护等多个环节，目标是在满足系统可靠性、安全性、经济性等多方面要求的基础上，实现系统的最优运行和配置。

对于电力系统规划的基本问题，一般可以用数学的方式进行描述。在电力输配变系统规划中，最常见的是最优化问题。设x 为决策变量，如发电机容量、线路投资等，F（x）为目标函数，例如总成本、损失成本等，G（x）为约束条件，例如系统稳定、环保等。最优化问题形式：

其中，min F（x）表示目标是最小化目标函数F（x），s.t.表示满足条件，G（x）=0表示约束条件。解决这个问题的主要方法有线性规划、整数规划、非线性规划等，方法的选择主要取决于问题的具体性质。

4.2 电力输配变系统规划的方法和技术

在电力输配变系统的规划中，线性规划可被用于处理多种问题，如输电线路的选址规划、电源装置的配置规划等。具体应用到电力输配变系统规划中，可以把规划问题转化为一个线性规划模型。例如，要规划一个电力输配变系统，其中需要确定各个变电站的位置、容量以及各条输电线路的走向、规模等，可以设定一个目标函数，如系统总投资、系统运行成本等，约束条件可以包括电力供需平衡、电压水平要求、线路载流能力等[3]。

通过这种方法，可以在满足所有约束条件的前提下，求解出使目标函数取最优值的解，得到电力输配变系统的最优规划方案。

4.3 电力输配变系统规划流程

电力输配变系统的规划流程如图2所示，主要包括需求分析、系统模型构建、规划目标与约束条件设定、选择优化方法和技术、执行规划和优化、分析和评估规划结果以及结果反馈和调整。

图2 电力输配变系统规划流程

首先，进行电力系统需求分析，包括电力供应、设备运行和维护、环境和社区等需求，这将指导规划过程的所有环节。然后，构建系统模型，包括设备、网络结构、操作条件等，以反映系统的实际情况。接下来，设定规划的目标，如降低成本、提高可靠性等以及规划的约束条件，如设备运行条件、技术标准、法规要求等。根据规划任务的具体性质选择适合的优化方法和技术，例如线性规划、混合整数规划等。执行规划和优化算法，获取满足约束条件的最优解，然后进行规划结果的分析和评估，检查其是否满足预设的目标和约束。如若规划结果不满足预期，需要进行结果反馈和调整，根据反馈调整规划方法或条件，然后重新进行规划[4]。此一系列步骤需要多次迭代，并在实际操作中根据实际反馈进行调整和优化，最终形成满足需求、优化资源配置、高效运行的电力输配变系统规划方案。

5 电力输配变系统最优配置与规划的案例分析

5.1 案例概况

以某地区的电力输配变系统作为实证案例。该电力系统由多个发电厂、数个配电中心以及各个消费区域组成，系统中涵盖了电力生成、输送、分配以及使用的全过程。目前，由于该地区电力需求的增长以及电力系统的复杂性，在确保供电可靠性的同时实现系统最优配置与规划，成为重要的问题。

5.2 实施效果分析

优化后的电源配置满足了区域和时间变化的电力需求，使负荷分布更均衡，避免了供电短缺并提高了稳定性，如高负荷区域的供电能力增加15%，低负荷区域下降10%，以此提升电力资源利用效率。设备使用状态的改进降低了过载现象，如过载设备比例从30%降至5%，这有利于延长设备寿命。最优配置与规划显著降低了系统电力损耗，提高了运行效率，数据显示，电力损耗降低了约20%，运行效率提高了约10%。同时，系统对电力需求变化的适应性增强，能够通过调整电源配置快速满足需求。此外，电力系统的供电质量也得到提升，电压和频率的合格率都有显著提高。