孙翀也，祝洪博

(东北电力大学，吉林吉林132012)

0 引言

随着城市建设小区用电对市区10 kV配电网规划方案合理性和经济性的要求越来越高，配电网规划工作规模大，涉及领域广，仅依靠规划工作者经验进行配电网规划已经远远不能满足现代配电网规划的要求［1］。对此，本文提出开发1套操作方便、具有实用价值的配电网规划软件。

1 软件设计

1.1 软件平台的层次结构

软件平台的层次结构可分为系统层、数据层、软件层和应用层。

系统层:采用用户常用的 Microsoft Windows 2000/Windows Xp操作系统。

数据层:目前采用SQLserver2000数据库，负责数据存储。

软件层:采用Microsoft Visual Basic 6.0进行开发，与数据库进行连结，负责图形绘制、编辑、管理，具有数据调度、查询、统计、存取等功能。

应用层:即客户端，实现系统的基本功能以及专业应用。

1.2 软件的总体设计

软件的功能与业务相关，为用户提供简洁、直观的操作，不需要掌握系统软件的专业知识。同时，一些涉及系统维护的工作在操作时自动完成，无需用户干预。

用户可通过访问人机交互界面，在地理信息系统中实现属性数据的输入输出、更新维护、空间查询分析，绘制地理图形、输电线路、设备图形;在方案规划系统中实现规划方案布置及方案图形管理;在综合比较系统中实现数据处理、潮流计算、综合投资计算;在参数维护中实时更新公用参数。软件的开始界面如图1所示。

图1 软件的开始界面

2 数据库存储设计

2.1 数据库建立的基本过程

从处理数据的流程看，从原始数据输入到处理结果的输出，可以划分为4个阶段，即数据采集与输入、数据储存与管理、数据处理与分析、结果的生成与输出。

2.2 数据库的分块存储

按照存储内容可分为地理信息系统库、方案配置库、元件库与参数库。其中元件库为公用部分，可随意调用。地理信息系统库与方案配置库相互独立。用户选择进入地理信息系统时，只能读写地理信息系统库而不能读写方案配置库;用户选择进入方案配置系统会同时读取地理信息系统库与方案库，但执行写入操作时只能写入方案库，不同方案之间由方案号作为标志位加以区分，并在写入时分块操作。

以上几部分都是用户通过人机界面对矢量图存储时对数据库的间接访问。用户则可通过人机界面直接进入参数库进行参数维护工作，输入计算的原始数据，以供方案配置及技术经济比较时调用。图2为数据库各分块之间的关系。

图3中颜色标出的部分分别为元件库、参数库、地理图形库及方案库对应的数据库表。

图2 数据库分块关系图

图3 数据库各分块对应的数据库表

3 软件的功能结构

软件从功能上可分为以下4个子系统［4］，如图4所示。

图4 软件各部分功能关系

3.1 空间负荷预测系统

空间负荷预测系统主要预测规划小区内的负荷分布，同时将负荷总量预测与负荷分布预测结果相协调。该部分软件具备数据库存储功能，能够方便地调用、修改及积累各负荷节点的相关信息，从而为配电网规划部分提供必要数据。

目前，空间负荷预测方法主要分为趋势法和仿真法。趋势法是基于负荷历史数据外推负荷发展趋势方法的总称。趋势法具有方法简单、计算量小和数据量少等优点，仅需要小区负荷的历史数据。但存在一些局限性，如:a.小区面积不能太小(一般大于1km2)，否则不便于收集历史负荷数据;b.较难考虑负荷转移，比较适合短期、中期预测，不太适合长期预测;c.小区的历史负荷不能为零，这就使历史年负荷为零的空地预测遇到了困难。仿真法通过分析城市土地利用的特性和发展规律来预测城市土地的使用类型、使用强度、土地价值及其地理分布和面积构成，并在此基础上将土地使用情况转化成空间负荷。仿真法要求每类用户的年最大峰值负荷数据和每个小区的用户用地等历史数据能较好地考虑负荷转移特性，对空地的负荷预测相关性较好，对短期、中期和长期预测都较适合。

3.2 地理信息系统

地理信息系统主要功能为绘制规划小区的地理图形，可以绘制任意转角及多折数的折线，从而构成小区内众多的居民楼、公共建筑及街道等，同时具备部分的空间查询功能，为规划方案提供独立存储的公用数据。

地理信息系统的地理数据包括位置、可能的拓扑关系、地物的特征等，地理位置特征在配网中是最基本的要素，所以把地理信息系统作为配网规划设计的数据基础是非常适宜的。

地理信息系统中的数据结构主要有2种类型:基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。矢量数据结构使用广泛，该软件的地理信息系统采用基于矢量的数据结构。

在矢量数据结构中，空间目标可以划分为点(节点)、线(弧段)或面(多边形)类型，每种类型均可用点的坐标对来表示:

点(x，y);线(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);面(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn);而且(x1，y1)=(xn，yn)。

配网具有上述3类图形特征，如变压器、开关及杆位等属于点状分布的原件，各级布线是线形实体，用户地块则可以用多边形描述。

该软件中的地理信息系统，可以直接进行矢量化的地理图形绘制，从而省去了购买或租用GIS类系统的费用，包括地理图的绘入、编辑和显示，可将地图数字化，可以在计算机中存储和显示，便于修改。图形绘制功能将城市街区地图和以其为背景的配电网络接线图绘入到计算机中。这种地图是矢量化的，1幅地图可以逐层输入和存储，每层存放不同的实体，具有不同的属性，避免了编制图形扫描与识别软件的巨大工作量，变相减少了开发成本。

图5为1个多层合并显示的数字化地图部分截图。

图5 数字化地图截图

3.3 方案规划系统

方案规划系统是在负荷预测及公用地理图形的基础上确定规划区域内的10 kV断路器、配电站变压器的位置及容量，确定10 kV网络布置，包括网络的接线方式、线路导线的型号及具体走行路径等。用户可以通过访问人机交互界面建立基于不同方法且相互独立的多个方案，各方案均能使用公用的规划数据，各方案数据之间各自独立地读取与存储(以方案号为标志位)，如图6所示。

图6 方案规划系统的进入界面

在创建1个规划方案进入界面后，可按流程对规划方案进行布置，主要工作可分为以下几个步骤［3］:

a.数据调查。城市电网规划工作需要以大量基础数据为依据，这些数据包括城市负荷发展的相关历史数据、未来城市发展的详细用地规划及城市发展规划数据。其中，对城市用户用地、用电情况进行详细数据调查是一项十分繁杂的工作，需投入大量的人力和物力。

b.空间负荷预测。空间负荷预测目的是尽可能准确地确定未来各规划年内的负荷及负荷分布情况。由于城市未来发展的不确定性，准确地预知规划区内各地块的负荷分布是非常困难的。这种预测的准确性取决于掌握的原始数据量、城市发展是否按规划执行。

c.地理图绘制及相关参数输入。地理图绘制及相关参数输入是参照规划目标区域的城市规划图纸，按比例在地理信息系统中绘制目标区域的地理图，以供方案配置使用。同时输入相关参数，如各负荷节点的位置及负荷大小等。

d.10 kV开闭所配置。10 kV开闭所配置是根据规划区的负荷分布情况，采用分区分片方法确定各10 kV开闭所位置。其计算结果既可以自动标注在规划区地理图上，又可以通过人为干预进行标注。所谓人为干预主要指位置的移动，由优化算法获取的配电变压器位置可能不合适，如配电变压器距建筑物太近，此时可利用系统提供的方便的图形工具完成位置修正。

e.10 kV配电变压器的选址定容。变压器安放的最优位置应根据最小准则原理，选在整个用户群容量的质心附近。当然，具体位置可以根据实际情况做出相应的调整。下面以图7某楼群为例进行说明。

由图7得到

式中mi(i=1，2，3，4，5)表示某i质点质量，在此为楼体负荷点负荷量;xi(i=1，2，3，4，5)表示i质点在x坐标轴下的坐标，在此为楼体负荷点的x坐标;XD为质心D在x坐标轴下的坐标，在此为负荷中心的x坐标。

图7 某楼群布置图

f.10 kV配电网络规划。将10 kV配电网按供电范围分区对10 kV配电网络按分区进行规划。规划要考虑不同断路器之间10 kV联络线的设置。规划方案需满足各种系统约束条件(如短路容量限制、电压水平限制、线路过负荷限制及N-1安全性准则等)［2］，从而对满足技术要求的多个待选规划方案进行可靠性计算和经济性分析，完成技术经济比较和综合评判决策。

布线的目的是把整个用户区所有变压器联结起来，并使线路投资、施工费用及网络损耗为最小。布线同时需要建立各线路之间连接的拓扑关系，线路导线长度会自动生成，并于给出导线型号规格的条件下自动计算出支路的阻抗值。图8为地理图基础上的部分规划布置实例。

图8 规划方案的部分实例

g.方案的技术经济比较。方案间需要的技术比较主要是在潮流计算的基础上对各负荷节点进行电压水平分析、短路电流校验、正常运行方式下的网损分析、配电系统供电可靠性分析等。经济比较主要包括网络的一次投资(电力元件费用与施工工程投资)、电能损耗、年综合运行费等(包括维护费、折旧费等)。确定方案采取如下方法:在方案满足技术指标要求、可靠性条件约束的前提下，以经济性最好为最优(经济指标的综合目标函数最小)，最终选取1个或几个可供实施的方案进行规划配置。

3.4 综合比较系统

3.4.1 技术比较

a.潮流计算。该软件采用基于支路电流的前推回代算法:一般给定配电网络的始端电压和末端负荷，以馈线为基本计算单位;开始时由末端向始端推算，设全网电压都为额定电压，根据负荷功率由末端向首端逐段推导，仅计算各元件中的功率损耗而不计算电压，求得各条支路上的电流和功率损耗，并据此获得始端功率，这是回代过程;再根据给定的始端电压和求得的始端功率由始端向末端逐段计算各段的电压降，求得各点电压，这是前推过程。如此重复上述过程，直至各个节点的电压偏差满足容许条件为止。采用适合辐射状配电网的前推回代法对等效电压降落模型网络进行潮流计算，可以准确地得出馈线段端点电压的最终结果［6-7］。

b.可靠性评估。该软件采用平均用电有效度ASAI来评估，即

ASAI=用户用电小时数/用户需电小时数=

式中N总为系统中总用户数;Ni为故障时受影响的用户数，与平均年停运时间tSi相对应;8 760为1a的小时数。

3.4.2 经济性比较

定义某方案年总经济成本函数U来评价方案，U主要包括方案的一次投资(电力元件投资与施工工程投资)、年综合运行费、电能损耗。上述费用都折算到等年的参数值，表达式为

式中U为折算成等年值的方案总经济成本;G为折算成等年参数值方案中设备及工程的总投资，不同使用年限设备的投资要转换到等年参数值的基础上相加。

式中m为投资总项数，ni为第i项投资的使用年限;k为利率;pi为第i项投资的初期投资;ai为第i项投资的每年投资(主要指折旧费)。

式中m为设备总数;Ji为设备i的故障检修平均费用;gi为设备i的年故障率即年故障次数。

式中j为线路总数;Ii为第i条线路的电流;ri为第i条线路的电阻;hi为第i条线路的年运行小时数;p为平均电价。

最终，以目标函数U的数值较小为经济性最优［5］。

4 结论

通过用该软件对哈尔滨某在建居民小区进行负荷预测、地理图形绘制，提出了备选规划方案及形成了规划布置图，并从建设经济性、供电可靠度、电能质量、线损等方面进行计算，择优选取了规划方案。由此表明:该软件的实施，能方便、直观、快速、准确地帮助电力部门配网规划工作者制定合理地规划方案，降低了规划人员工作强度，提升了工作效率。

［1］ 陈章潮.城市电网规划与改造［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［2］ 中华人民共和国能源部、建设部.城市电力网规划设计导则［S］.北京:中国电力出版社，1993.

［3］ 郭团军，程浩忠，周敏，等.中压配电网络实用规划方法［J］.电力系统及其自动化学报，2003，15(6):25-28.

［4］ 余贻鑫，王成山，肖峻，等.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.

［5］ 黄民翔，刘立.配电网经济性和可靠性的综合评估［J］.电网技术，1998，25(8):34-39.

［6］ 黄丽华，张顺新.配电网络规划中潮流计算方法的研究［J］.电力学报，2000，20(5):45-50.

［7］ 王成山，王守相.基于区间算法的配电网潮流计算及算例分析［J］.中国电机工程学报，2002，22(3):58-62.