你能忍受停电吗？这种智能配电网规划方法可以让电更稳定
图片来源：可靠性约束的主动配电网智能规划系统
导读
电是城市能量的血脉，电能的可靠供应是全面建设社会主义现代化国家的基础保障。根据数据，用户停电80%以上是由配电网引起的。为了提高配电网、特别是大型都市配电网的供电可靠性，国家发展改革委、国家能源局先后采取相关行动，计划在2015～2020年，配电网建设改造投资将不低于2万亿元。此外，不同区域对供电可靠性的要求千差万别。作为核心区域，雄安新区按照习近平总书记“高起点规划、高标准建设”的目标，可靠性要求极高（重点区域供电可靠率达到99.9999%，年均停电时间小于30秒）；而作为脱贫攻坚的重要环节，农村配电网规划则是为了保证人民群众最基本的供电要求。抗击新冠肺炎疫情期间，医院作为抢救患者的重点单位，保证供电可靠性就是保卫生命。因此，需要思考如何在精确满足不同用户、区域的可靠性要求下优化投资。
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作者简介
论文的第一作者为清华大学电机系博士生栗子豪，研究生特奖候选人，通讯作者为电机系吴文传教授。其它合作者包括电机系张伯明教授、国网上海市电力公司邰雪工程师。这项研究得到了清华大学、国网江西经研院和国家自然基金委等单位的支持。
Part 01
传统配电网规划与可靠性评估难统一
配电网作为电力系统连接终端用户的关键一环，其供电能力、供电质量不仅与千家万户的日常用电息息相关，更是工业、农业正常作业的坚实保障。一方面，随着我国的城市化步伐加速及城镇负荷的快速增长，在“城市规划、电力先行”路线的指引下，增量和存量配电网的合理规划显得尤为重要。另一方面，在保证供电容量足够的基础上，电力用户对于配电网供电可靠性的要求日益提升，所要求的年均停电时间从3小时（供电可靠性>99.9%）下降到52分钟（供电可靠性>99.99%），核心城区甚至要求年均停电时间在5分钟以内（供电可靠性>99.999%）。因此，在配电网规划过程中，电网公司需要充分考虑各电力用户及配电网整体的可靠性要求，以提供优质的电力服务。
图1、2019年，“计划停电”仍是造成我国中压用户停电的主要原因，占用户总停电时间的59.84%（左图），影响用户平均停电时间为8.21小时/户。其中，工程与检修停电分别占预安排总停电时间的51.69%、46.31%；“故障停电”占总停电的40.16%（右图），影响用户平均停电时间为5.51小时/户
图片来源：[1]
然而，在已有研究中，配电网规划和可靠性评估两个过程割裂进行，无法进行统筹决策。常用的两阶段迭代方法包括规划计算和可靠性评估两个迭代步骤。在规划计算中不考虑可靠性要求，而是对生成的规划方案以蒙特卡洛抽样法进行可靠性评估，如果可靠性约束不满足则通过提升最低造价、设置冗余馈线等方式重新调整规划方案。可以看出，该方法不仅无法得到最优方案，甚至无法得到可行解，最终只能依靠人工决策。如何得到满足可靠性要求的最优配电网规划方案一直是配电网规划领域悬而未解的难题。
实际上，到目前为止，绝大多数配电网规划方案的制定仍然依赖极为保守的人工决策，导致配电网中的电力设备利用率极低，资源浪费严重。而配电网作为典型的信息物理系统，其可靠性评估考虑因素多、过程复杂。
图2、传统配电网规划计算—可靠性评估两阶段迭代方法
图片来源：作者绘制
Part 02
可靠性约束配电网规划模型的提出
逢山开路，遇水搭桥。清华大学电机系电力系统调度自动化国家重点实验室的张伯明教授、吴文传教授、博士生栗子豪以及国网上海市电力公司邰雪工程师在电气与电子工程师学会电力系统汇刊杂志（IEEE Transactions on Power Systems）发表题为《可靠性约束的网状配电网扩展规划模型》（A Reliability-Constrained Expansion Planning Model for Mesh Distribution Networks）的论文。该文从可靠性评估的原理和过程出发并基于图论思想，构思将可靠性要求作为约束放到规划模型中，从而形成一体优化模型，进而通过商业求解器直接求得最优解，形成了“以可靠性为约束的配电网规划方法”。该方法被应用于国家电网公司重点科技项目“上饶主动配电网运行调控与可靠性规划系统关键技术及应用”。相比于人工规划，自动规划的时间周期从15个工作日缩短到1小时，同时在相同可靠性要求下建设成本下降15.6%（906万元）。
图3、所提可靠性约束配电网扩展规划模型
图片来源：作者绘制
Part 03
可靠性解析评估模型及其在规划模型中的应用
配电网可靠性解析评估模型
可靠性是评价配电网供电能力和供电质量的主要指标，用以刻画电力系统持续正常供电的能力。根据《DLT 1563-2016 中压配电网可靠性评估导则》及国际标准《IEEE Guide for Electric Power Distribution Reliability Indices, IEEE Standard 1366–2003, May 2004》，配电网可靠性可通过以下指标刻画，如下表1所示。计算这些指标的过程称为可靠性统计（针对过去时间）或可靠性评估（针对未来时间）。
表1 常用可靠性指标中英文释义
假设对某用户去年的可靠性指标进行统计，可以根据停电记录明确该用户去年累计停电次数（CIF）以及累计停电时间（CID）。下一步，再根据系统中所有用户可靠性指标计算系统可靠性指标（SAIFI和SAIDI）。但是，配电网常常需要对未来年的供电可靠性进行评估（例如在进行规划时需要明确待规划配电网的可靠性水平），此时可靠性评估成为一个概率统计问题。
图4、配电网可靠性评估过程示意图
图片来源：作者绘制
为在规划模型中准确计算可靠性指标，本文引入了“馈线从属关系变量”来表示配电网中节点、支路与（已存在或待规划）馈线的从属关系。当某一支路发生持续性短路故障时，该支路所属馈线上游的断路器跳闸，导致该馈线下所有负荷失电。因此，和故障支路拥有相同馈线从属关系变量的负荷节点会受到故障影响，根据图论，通过描述馈线从属关系变量在网络中的“虚拟流”，可得到“负荷节点i是否受支路xy故障影响变量pixy”。除此之外，规划模型考虑了在支路故障隔离后的网络重构模型，以此得到“负荷节点i在支路xy故障隔离后是否恢复供电变量qixy”。根据上述两类变量，结合设备故障率、故障隔离和转供时间τxySW、故障修复时间τxyRP等参数，便可以线性表示出负荷节点年均故障停电频率和年均故障停电时间。类似地，对于计划停电同样存在上述过程，年均计划停电频率和计划停电时间也可被线性表出。最终，形成了模型化配电网可靠性解析评估方法，不仅可以高效、精确地计算各项配电网可靠性指标，而且可以直接嵌入到规划模型中。
图5、可靠性评估建模中支路故障后事件描述与变量取值
图片来源：文献[1]
可靠性约束的配电网规划
将上述可靠性解析评估模型嵌入到配电网规划的各个领域，可得到可靠性约束的配电网网架规划、开关设备规划、配电自动化系统规划、分布式备用电源规划等方案，最终得到配电网综合规划结果。至此，配电网可靠性评估和规划决策之间的天堑变通途。
图6、可靠性评估建模中支路故障后事件描述与变量取值
图片来源：作者绘制
相比于人工规划，所提可靠性约束的配电网规划方法精益化地满足了系统的可靠性需求（即以最低成本达到可靠性要求）。基于配电网54节点算例系统，规划的配电网系统年均停电时间（SAIDI）总略低于可靠性约束要求值，如图7左图所示。另一方面，所提规划方法可统筹考虑配电网一、二次系统建设，在保证相同可靠性要求下，通过优化开关、自动化设备配置，大幅度降低配电网综合投资成本，如图7右图所示。
图7、规划方案精确满足可靠性（左）、通过一、二次设备综合规划在保证相同可靠性要求下降低投资成本（右）
图片来源：作者绘制
配电网规划系统及应用
自2018年起，清华大学电机系电力系统调度自动化国家重点实验室联合国家电网江西经济技术研究院、北京清大高科系统控制有限公司、北京国科恒通科技股份有限公司共同开发了主动配电网可靠性规划系统，在江西省上饶市成功开展试点应用，其成果《主动配电网运行调控与可靠性规划关键技术、系统及应用》于2020年10月获评中国电力科技进步一等奖。
图8、上饶主动配电网规划系统主界面
图片来源：可靠性约束的主动配电网智能规划系统
其规划系统主界面如上图8所示，具备分布式电源容量评估、主动配电网可靠性约束规划及规划方案评价与测试三个功能，可以在地理信息系统（GIS）上标识出规划结果（如图9所示），针对不同参数要求的规划方案也可进行同屏对比（如图10所示）。
图9、配电网多阶段规划结果展示界面
图片来源：可靠性约束的主动配电网智能规划系统
图10、不同可靠性要求下规划方案同屏对比（GIF图）
图片来源：可靠性约束的主动配电网智能规划系统
目前，国家电网科技项目《雄安新区数字化主动配电网智能规划关键技术研究》已立项，在当前规划系统的基础上，将进一步考虑配电网规划与城市规划的融合，将BIM系统中电力廊道数据与配电网规划系统有机结合，并将规划结果导出至城市规划系统中直接成图。在农村配电网规划方面，结合在与国家电网广西电力公司开展的科技项目，规划系统进一步应用基于地理信息系统的走线规划方法，配合航拍集采信息，实现农村配电网走线自动生成，大幅度节约人力投入和建设成本。
结语
曾一贯随负荷增长而被动扩张的配电网，在其供电可靠性备受关注的今天，需要主动规划、主动建设、主动调控、主动服务，以保障越来越高的用电负荷需求和质量要求。配电网物理系统与信息系统的综合规划、配电网规划与城市规划的逐步统一、配电网规划与地理信息系统和5G网络的深度结合都将在未来不久成为研究与应用的热门。随着电动汽车、分布式电源在配电网中的广泛接入，配电网规划需适应更大的不确定性，规划坚强而有韧性的配电网将为助力中国城乡发展，为各行各业提供扎实的终端供电保障。
参考文献
[1]《用户供电可靠性指标（2019）》，中国电力企业联合会，https://cec.org.cn/detail/index.html?3-283896
[2] Z. Li, W. Wu, X. Tai and B. Zhang, "A Reliability-Constrained Expansion Planning Model for Mesh Distribution Networks," in IEEE Transactions on Power Systems, Early Access Article, 2020
文稿｜栗子豪
编辑｜史宛琪 高松龄 李艳文 邱雨浩 周圣钧
审核｜赵 鑫 张可人