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中压配电网规划评估分析系统设计
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摘要：目前配电网评估分析工作主要由人工完成，效率低下，容易出错。本文针对配电网规划评估过程现有的问题设计了地区中压配电网规划评估分析系统。评估分析系统采用层级结构，从网络结构水平、负荷供应能力、装备技术水平3个方面将配电网评估过程分解为基本统计指标层、网架分析指标层和现状网评估结果3个层级，能有效地评估分析出配电网的现状特征。实现基础统计数据在数值与拓扑等方面的相关校验，改进了配电网接线模式识别算法和专供能力计算算法。最后，通过实验结果表明，评估分析系统能取得良好的效果。
引言
配电网具有结构复杂、设备数量庞大、改造建设频繁等特点[1]，在进行配电网规划时，准确的现状网评估与分析是必不可少的基础环节[2]，通过详细的分析与评估计算，能有效发现配电网现存的问题，以便在规划中有的放矢，合理高效地提出解决方案。我国目前的现状网评估分析工作主要是人工完成，这一现象在中低压配电网的建设改造中尤为突出，不仅耗时长且准确率低，造成了资金的巨大浪费。再加上缺乏对统计错误的校验机制，使得配电网的评估与分析存在诸多问题，因此计算机规划辅助决策系统是现代城市电网规划必不可少的工具[3-4]。虽然已经有了诸如PSASP[5]、EDSA Technical 等相关配电网规划辅助软件，能够在提高电网规划设计水平，减轻规划人员劳动强度方面发挥作用，但这些软件并不是针对配电网统计评估的专用软件，对于现状网评估分析部分的设计较为粗糙，难以反映基层网架结构的实际情况，并且使用起来较为复杂，难以调动基层工作人员参与到配电现状网评估分析的工作中来。
随着计算机技术以及城市电网规划理论的逐步发展，很多研究者己经对城市电网规划辅助决策系统进行了尝试性的研发工作，并取得了很多好的成果[6-11]，但采用的数据库技术缺乏针对配电网相关规划指标的评估功能，尤其是诸如接线模式分析，转供率计算等拓扑相关的分析功能，并不能直接应用于配电网规划的评估与分析工作。同时由于缺乏系统、科学的电网分析评估软件，对电网现存和即将出现的问题不能定量给出问题的严重程度与问题出现的具体位置，这将直接影响配电网规划改造工作的顺利进行。
本文针对传统条件下配电网评估中存在的诸多问题，分析对配电网规划的评估、分析系统的相关需求，开发相应的配电网统计与评估系统。实现数据库录入数据的数值与拓扑校验，尽可能保证原始统计信息的正确性，实现基于数据库的网架拓扑分析和接线模式识别，完成现状网评价中相关指标的计算，并生成标准化的分析报表，方便配电网规划人员的使用。
1 中压配电网评估分析过程及方法
1.1 中压配电网评估分析过程
中压配电网评估与分析过程包括前期数据收集、数据校验与纠错、评估与分析共3个步骤。
(1)数据收集：数据收集可以分为统计数据收集和运行数据收集。其中统计数据的收集主要来源于生产管理信息系统(PMS系统)和企业资源管理系统(ERP系统)，主要包括负荷信息、线路信息、设备信息、用电信息等。运行数据主要来源于调度系统，包括电流、电压、功率、开关位置、设备运行情况等信息。
(2)数据校验与纠错：首先，对每个数据字段建立数据完整性规则;其次，建立数据字段间的关联和依存规则;再次，对导入到数据库中的数据依据规则进行校验和纠错，使数据库完整可靠。
(3)评估与分析：根据建立的评估指标体系，对中压配电网分层级进行单项评估、综合分析，得出中压配电网的网架特征和问题所在，从而形成对配电网规划具有指导意义的评估结果。
1.2 区域中压配电网评估分析体系
从图1中可知，本文将中压配电网统计评价体系分为A网络结构水平、B负荷供应能力、C装备技术水平三个大类，其中，每个大类下又分为许多具体的指标。A网络结构水平可分为：A1长度不合格线路比例、A2环网化率、A3分段数合格线路比例;B1到B5共5个指标构成B负荷供应能力大类;C1到C4共4个指标构成C装备技术水平大类。
2 配电网规划分析系统
2.1 配电网规划分析系统层次结构
从图2中可以看出配电网分析系统包括基本统计指标、网架分析指标和现状网评估结果三个层次。基本统计指标包括类别判断型统计和数值求解型统计，类别判断型统计主要是判断线路是主干或分支以及网架是电缆或架空;数值求解型统计主要是统计线路的长度、截面积、公变、专变重载过载数目以及联络开关和分段开关与馈线连接的位置和数目等。
合理的指标体系对于提高评价效率和评价效果会产生直接的影响，本文提出的指标体系为三层结构，聚合度高、结构简单，能够全面刻画配电网建设发展过程中的特征，具有较好的整体性和适应性。各项底层指标意义明确，计算所需的指标值通过数据搜集后统计获取，数据来源方便且计算方法简单。
网架分析指标包括拓扑类分析指标和数值类分析指标，拓扑类分析指标主要是识别接线模式，以便规划人员进行修改、分析线路可否转供，衡量供电可靠性;数值类分析指标主要是统计各分区主干线路长度、线路负载率、绝缘线长度等。
基于配电网现状网的相关评价标准，以及网架分析指标层的统计和分析结果，从网络结构水平，负荷供应能力，装备技术水平三大项指标进行评价指标计算，并根据需求按照供电分区或所属变电站进行评价结果的分类整理与规范化输出。
2.2 关键算法实现
2.2.1 配电接线模式识别算法
基于计算机算法的配电网接线模式识别一直是配电网统计评估软件面临的技术难题，尤其是对于开关站型或两个独立单环网型的双环网接线模式识别，已有配网统计评估软件都未能正确辨识。由于配电网接线模式识别流程庞大，此处仅对识别架空线的主要流程进行说明，电缆线接线模式识别流程图以附录形式给出。
(1)主干接线判断：以馈线出口为起始点，搜索联络开关或平均线径最粗的供电支路作为该条馈线的主干线。
(2)网架类型判断：分别统计线路主干中架空线与电缆线的段数，段数较多的线路类型作为网架类型;若二者段数相同，则归入非典型接线。
(3)电源个数计算：统计与主干线相连的联络开关个数，再加上本回线路自身电源，求得该回线路所连接的电源个数。
(4)单辐射接线判别：若电源个数为1，则该回馈线被判定为单辐射接线。
(5)N分段n联络接线判别：统计该回主干线上所连接的联络开关个数N与分段开关个数n，若N≤6且n≤3则该回线路的接线模式为N分段n联络;若不满足上述条件则为非典型接线。
(6)有效的分段开关：在统计主干线上分段开关个数时，只统计开关两侧的网架分段都接有负荷的开关。分段开关统计个数n为有效分段开关个数加变电站母线出口分段开关。
2.2.2 线路转供能力计算算法
设如图4所示线路为待转供线路，其当前的负荷电流为Idd，所有联络电源如图4用椭圆形圆圈所圈示，各联络电源都有部分剩余容量可用于转供，剩余容量Irex为：
(1)
试(1)中，Qr为剩余容量，Imax为最大安全电流，ρ为负载率。
取剩余容量最大的两回线路的剩余容量求和，得到可转供电流Isum2max，若Idd小于Isum2max，则该线路为可转供线路，具体的计算流程如图5所示。
(1)主干接线判断：以馈线出口为起始点，搜索联络开关或平均线径最粗的供电支路作为该条馈线的主干线。
(2)待转供线路判断：对于某一主干线，若主干线的末尾有联络开关与之相连，则该主干线路为待转供线路，否则是无法转供线路。
(3)待转供线路接线模式识别：根据接线模式识别算法的结果，可以得到待转供线路所属的接线模式。
(4)待转供线路负荷电流计算：从1节点搜索，碰到的第一个线路为参考线路，待转供线路负荷电流Idd为：
(2)
式(2)中，Imax为正常运行方式最大电流(参考线路)，ρ为负载率(参考线路)。
(5)对侧电源队列：若线路非N供一备接线模式，则计算对侧电源剩余负荷电流队列。
(6)求电流和：计算对侧电源队列中最大的两个电流之和Isum2max。
(7)比较Idd与Isum2max的大小，若Isum2max>Idd，则可以转供，否则，不可以转供。
(8)备用接线电源：若线路是N供一备接线模式，则搜索出备用接线电源。
(9)备用负荷电流计算：对第8)步中搜索到的备用电源进行剩余负荷电流按照公式(1)进行计算。
(10)比较Idd与Ires的大小，若Ires>Idd，则可以转供，否则，不可以转供。
3 算例分析
本章节将应用“地区中压配电网规划评估分析系统”对浙江省某地区的中压配电网进行评价分析，基于软件对现状网的分析评价结果以及近年来新建项目的规划报告，分别计算得到现状年和2013年配电网网络结构水平、负荷供应能力和装备技术水平三个方面的各项评价指标，并对现状年和规划年的配电网性能进行对比分析。
3.1 评估结果分析
针对某地区中压配电网，规划评估分析系统可以基于录入的数据完成网络结构水平分析，负荷供应能力分析，装备技术水平分析，并分别形成相应的统计评估结果报表。由于收集到的地区范围数据受限，现分别对该地区2011年和2013年同样范围的数据进行评估分析，得到评估分析结果。
由表1可以看出，经过2012年及2013年的配电网规划项目，使浙江省的评估指标得到不同程度的优化，电网性能得以提升。其中，多项评估指标均较现状年有明显的改善。同时，证明本文提出的地区中压配电网规划评估分析系统是有效的。4 结论
本文设计地区中压配电网规划统计与评估分析系统，首先制定了良好的软件定位，即专门为配电网规划统计评估分析而服务。并且详细调研配电网规划需求，制定了完善而有效的数据校验与纠错规则，实现基础统计数据在数值与拓扑等方面的相关校验，为软件功能实现与扩展开发奠定了坚实的基础。设计并完成了现状网统计三大类指标的统计与评估算法，并且在配电网接线模式识别算法和线路转供能力算法方面有了较大的创新。
参考文献：
[1]辛耀中, 陶洪铸, 李毅松, 等. 电力系统数据模型描述语言 E[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(10): 48-51
[2]黄伟, 张建华. 配电网络供电能力评估系统及方案设计[J]. 现代电力, 2001, 18(4): 64-68
[3]余贻鑫, 王成山. 城网规划计算机辅助决策系统[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(15): 59-62
[4]王成山, 王赛一, 谢莹华, 等. 城市电网规划工作的复杂性及新技术应用[J]. 浙江电力, 2004, 23(1): 1-5
[5]Zhongxi W, Xiaoxin Z. Power System Analysis Software Package (PSASP)-an integrated power system analysis tool[C]//Power System Technology, 1998. Proceedings. POWERCON'98. 1998 International Conference on. IEEE, 1998, 1: 7-11
[6]Fronius R, Gratton M. Rural electrication planning software (LAPER)[C]//Electricity Distribution, 2001. Part 1: Contributions. CIRED. 16th International Conference and Exhibition on (IEE Conf. Publ No. 482). IET, 2001, 5: 8 pp. vol. 5
[7]周湶. 基于 GIS 的配电网规划智能决策支持系统及其算法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2004
[8]杜成刚. 基于 GIS 技术的城市配电网规划辅助决策系统[D]. 上海: 同济大学, 2006
[9]李伟伟. 基于 GIS 城市配网规划的辅助决策系统研究 [D]. 长沙: 湖南大学, 2007
[10]孟旸, 顾洁, 程浩忠, 等. 基于地理信息系统的配电网规划软件包的开发[J]. 电力自动化设备, 2002, 22(5): 4-6
[11]龚博, 冯林桥, 卓佳, 等. 基于 MapX 组件技术的城市电网规划系统[J]. 湖南电力, 2008 (1): 1-4
引言
配电网具有结构复杂、设备数量庞大、改造建设频繁等特点[1]，在进行配电网规划时，准确的现状网评估与分析是必不可少的基础环节[2]，通过详细的分析与评估计算，能有效发现配电网现存的问题，以便在规划中有的放矢，合理高效地提出解决方案。我国目前的现状网评估分析工作主要是人工完成，这一现象在中低压配电网的建设改造中尤为突出，不仅耗时长且准确率低，造成了资金的巨大浪费。再加上缺乏对统计错误的校验机制，使得配电网的评估与分析存在诸多问题，因此计算机规划辅助决策系统是现代城市电网规划必不可少的工具[3-4]。虽然已经有了诸如PSASP[5]、EDSA Technical 等相关配电网规划辅助软件，能够在提高电网规划设计水平，减轻规划人员劳动强度方面发挥作用，但这些软件并不是针对配电网统计评估的专用软件，对于现状网评估分析部分的设计较为粗糙，难以反映基层网架结构的实际情况，并且使用起来较为复杂，难以调动基层工作人员参与到配电现状网评估分析的工作中来。
随着计算机技术以及城市电网规划理论的逐步发展，很多研究者己经对城市电网规划辅助决策系统进行了尝试性的研发工作，并取得了很多好的成果[6-11]，但采用的数据库技术缺乏针对配电网相关规划指标的评估功能，尤其是诸如接线模式分析，转供率计算等拓扑相关的分析功能，并不能直接应用于配电网规划的评估与分析工作。同时由于缺乏系统、科学的电网分析评估软件，对电网现存和即将出现的问题不能定量给出问题的严重程度与问题出现的具体位置，这将直接影响配电网规划改造工作的顺利进行。
本文针对传统条件下配电网评估中存在的诸多问题，分析对配电网规划的评估、分析系统的相关需求，开发相应的配电网统计与评估系统。实现数据库录入数据的数值与拓扑校验，尽可能保证原始统计信息的正确性，实现基于数据库的网架拓扑分析和接线模式识别，完成现状网评价中相关指标的计算，并生成标准化的分析报表，方便配电网规划人员的使用。
1 中压配电网评估分析过程及方法
1.1 中压配电网评估分析过程
中压配电网评估与分析过程包括前期数据收集、数据校验与纠错、评估与分析共3个步骤。
(1)数据收集：数据收集可以分为统计数据收集和运行数据收集。其中统计数据的收集主要来源于生产管理信息系统(PMS系统)和企业资源管理系统(ERP系统)，主要包括负荷信息、线路信息、设备信息、用电信息等。运行数据主要来源于调度系统，包括电流、电压、功率、开关位置、设备运行情况等信息。
(2)数据校验与纠错：首先，对每个数据字段建立数据完整性规则;其次，建立数据字段间的关联和依存规则;再次，对导入到数据库中的数据依据规则进行校验和纠错，使数据库完整可靠。
(3)评估与分析：根据建立的评估指标体系，对中压配电网分层级进行单项评估、综合分析，得出中压配电网的网架特征和问题所在，从而形成对配电网规划具有指导意义的评估结果。
1.2 区域中压配电网评估分析体系
从图1中可知，本文将中压配电网统计评价体系分为A网络结构水平、B负荷供应能力、C装备技术水平三个大类，其中，每个大类下又分为许多具体的指标。A网络结构水平可分为：A1长度不合格线路比例、A2环网化率、A3分段数合格线路比例;B1到B5共5个指标构成B负荷供应能力大类;C1到C4共4个指标构成C装备技术水平大类。
2 配电网规划分析系统
2.1 配电网规划分析系统层次结构
从图2中可以看出配电网分析系统包括基本统计指标、网架分析指标和现状网评估结果三个层次。基本统计指标包括类别判断型统计和数值求解型统计，类别判断型统计主要是判断线路是主干或分支以及网架是电缆或架空;数值求解型统计主要是统计线路的长度、截面积、公变、专变重载过载数目以及联络开关和分段开关与馈线连接的位置和数目等。
合理的指标体系对于提高评价效率和评价效果会产生直接的影响，本文提出的指标体系为三层结构，聚合度高、结构简单，能够全面刻画配电网建设发展过程中的特征，具有较好的整体性和适应性。各项底层指标意义明确，计算所需的指标值通过数据搜集后统计获取，数据来源方便且计算方法简单。
网架分析指标包括拓扑类分析指标和数值类分析指标，拓扑类分析指标主要是识别接线模式，以便规划人员进行修改、分析线路可否转供，衡量供电可靠性;数值类分析指标主要是统计各分区主干线路长度、线路负载率、绝缘线长度等。
基于配电网现状网的相关评价标准，以及网架分析指标层的统计和分析结果，从网络结构水平，负荷供应能力，装备技术水平三大项指标进行评价指标计算，并根据需求按照供电分区或所属变电站进行评价结果的分类整理与规范化输出。
2.2 关键算法实现
2.2.1 配电接线模式识别算法
基于计算机算法的配电网接线模式识别一直是配电网统计评估软件面临的技术难题，尤其是对于开关站型或两个独立单环网型的双环网接线模式识别，已有配网统计评估软件都未能正确辨识。由于配电网接线模式识别流程庞大，此处仅对识别架空线的主要流程进行说明，电缆线接线模式识别流程图以附录形式给出。
(1)主干接线判断：以馈线出口为起始点，搜索联络开关或平均线径最粗的供电支路作为该条馈线的主干线。
(2)网架类型判断：分别统计线路主干中架空线与电缆线的段数，段数较多的线路类型作为网架类型;若二者段数相同，则归入非典型接线。
(3)电源个数计算：统计与主干线相连的联络开关个数，再加上本回线路自身电源，求得该回线路所连接的电源个数。
(4)单辐射接线判别：若电源个数为1，则该回馈线被判定为单辐射接线。
(5)N分段n联络接线判别：统计该回主干线上所连接的联络开关个数N与分段开关个数n，若N≤6且n≤3则该回线路的接线模式为N分段n联络;若不满足上述条件则为非典型接线。
(6)有效的分段开关：在统计主干线上分段开关个数时，只统计开关两侧的网架分段都接有负荷的开关。分段开关统计个数n为有效分段开关个数加变电站母线出口分段开关。
2.2.2 线路转供能力计算算法
设如图4所示线路为待转供线路，其当前的负荷电流为Idd，所有联络电源如图4用椭圆形圆圈所圈示，各联络电源都有部分剩余容量可用于转供，剩余容量Irex为：
(1)
试(1)中，Qr为剩余容量，Imax为最大安全电流，ρ为负载率。
取剩余容量最大的两回线路的剩余容量求和，得到可转供电流Isum2max，若Idd小于Isum2max，则该线路为可转供线路，具体的计算流程如图5所示。
(1)主干接线判断：以馈线出口为起始点，搜索联络开关或平均线径最粗的供电支路作为该条馈线的主干线。
(2)待转供线路判断：对于某一主干线，若主干线的末尾有联络开关与之相连，则该主干线路为待转供线路，否则是无法转供线路。
(3)待转供线路接线模式识别：根据接线模式识别算法的结果，可以得到待转供线路所属的接线模式。
(4)待转供线路负荷电流计算：从1节点搜索，碰到的第一个线路为参考线路，待转供线路负荷电流Idd为：
(2)
式(2)中，Imax为正常运行方式最大电流(参考线路)，ρ为负载率(参考线路)。
(5)对侧电源队列：若线路非N供一备接线模式，则计算对侧电源剩余负荷电流队列。
(6)求电流和：计算对侧电源队列中最大的两个电流之和Isum2max。
(7)比较Idd与Isum2max的大小，若Isum2max>Idd，则可以转供，否则，不可以转供。
(8)备用接线电源：若线路是N供一备接线模式，则搜索出备用接线电源。
(9)备用负荷电流计算：对第8)步中搜索到的备用电源进行剩余负荷电流按照公式(1)进行计算。
(10)比较Idd与Ires的大小，若Ires>Idd，则可以转供，否则，不可以转供。
3 算例分析
本章节将应用“地区中压配电网规划评估分析系统”对浙江省某地区的中压配电网进行评价分析，基于软件对现状网的分析评价结果以及近年来新建项目的规划报告，分别计算得到现状年和2013年配电网网络结构水平、负荷供应能力和装备技术水平三个方面的各项评价指标，并对现状年和规划年的配电网性能进行对比分析。
3.1 评估结果分析
针对某地区中压配电网，规划评估分析系统可以基于录入的数据完成网络结构水平分析，负荷供应能力分析，装备技术水平分析，并分别形成相应的统计评估结果报表。由于收集到的地区范围数据受限，现分别对该地区2011年和2013年同样范围的数据进行评估分析，得到评估分析结果。
由表1可以看出，经过2012年及2013年的配电网规划项目，使浙江省的评估指标得到不同程度的优化，电网性能得以提升。其中，多项评估指标均较现状年有明显的改善。同时，证明本文提出的地区中压配电网规划评估分析系统是有效的。4 结论
本文设计地区中压配电网规划统计与评估分析系统，首先制定了良好的软件定位，即专门为配电网规划统计评估分析而服务。并且详细调研配电网规划需求，制定了完善而有效的数据校验与纠错规则，实现基础统计数据在数值与拓扑等方面的相关校验，为软件功能实现与扩展开发奠定了坚实的基础。设计并完成了现状网统计三大类指标的统计与评估算法，并且在配电网接线模式识别算法和线路转供能力算法方面有了较大的创新。
参考文献：
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[3]余贻鑫, 王成山. 城网规划计算机辅助决策系统[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(15): 59-62
[4]王成山, 王赛一, 谢莹华, 等. 城市电网规划工作的复杂性及新技术应用[J]. 浙江电力, 2004, 23(1): 1-5
[5]Zhongxi W, Xiaoxin Z. Power System Analysis Software Package (PSASP)-an integrated power system analysis tool[C]//Power System Technology, 1998. Proceedings. POWERCON'98. 1998 International Conference on. IEEE, 1998, 1: 7-11
[6]Fronius R, Gratton M. Rural electrication planning software (LAPER)[C]//Electricity Distribution, 2001. Part 1: Contributions. CIRED. 16th International Conference and Exhibition on (IEE Conf. Publ No. 482). IET, 2001, 5: 8 pp. vol. 5
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[8]杜成刚. 基于 GIS 技术的城市配电网规划辅助决策系统[D]. 上海: 同济大学, 2006
[9]李伟伟. 基于 GIS 城市配网规划的辅助决策系统研究 [D]. 长沙: 湖南大学, 2007
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[11]龚博, 冯林桥, 卓佳, 等. 基于 MapX 组件技术的城市电网规划系统[J]. 湖南电力, 2008 (1): 1-4
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