馮 晗，張 偉，丁鈺真，許浩偉

（1.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

電能作為當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、利用率最高的能源之一，其穩(wěn)定供應(yīng)在城市經(jīng)濟發(fā)展與建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。我國電力行業(yè)相比于國外，自動化起步較晚，技術(shù)條件和經(jīng)濟條件還受到較大的約束與限制，導(dǎo)致國內(nèi)配電系統(tǒng)自動化水平較低，發(fā)展進程比較緩慢。城市配電系統(tǒng)建設(shè)不是一蹴而就的，需根據(jù)城市經(jīng)濟情況不斷拓展和完善。為了保證收益，應(yīng)采取有效的手段對城市配電系統(tǒng)建設(shè)進行合理規(guī)劃，作出科學(xué)的決策。

由于城市配電系統(tǒng)比較復(fù)雜，且集中規(guī)劃計算量比較大，因此采用網(wǎng)格化方式將城市配電系統(tǒng)劃分成若干塊網(wǎng)格。針對各個網(wǎng)格的實際需求以及情況，包括網(wǎng)格負(fù)荷分布、行政屬性等，對其進行動態(tài)投資規(guī)劃，實施相應(yīng)的投資策略。國內(nèi)城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資決策的研究起步較晚，相關(guān)經(jīng)驗較少，并且現(xiàn)有的理論與技術(shù)還不夠成熟。雖然近幾年城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格規(guī)劃問題受到研究領(lǐng)域重視，相關(guān)學(xué)者與專家開展了一系列研究，但是現(xiàn)有的決策方法仍然存在一些不足，在實際應(yīng)用中存在一定的局限性，投資策略的收益較少，無法達到預(yù)期的網(wǎng)格化動態(tài)投資經(jīng)濟效果，為此提出此次課題研究。

1 城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資決策方法

1.1 基于GIS信息配電系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

在制定城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資決策之前，需要結(jié)合實際情況對配電網(wǎng)格進行劃分，此次根據(jù)城市地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）信息劃分城市配電網(wǎng)格[1]。從高德地圖、百度地圖等GIS軟件上獲取城市GIS信息，城市配電網(wǎng)格劃分需要結(jié)合城市經(jīng)濟和地理情況，在GIS軟件上各個地標(biāo)、建筑物等都表示為一個地理節(jié)點。因為性質(zhì)不同，可以將地理節(jié)點GIS信息劃分為教育類、餐飲類、旅游景點類、醫(yī)療類、政府機構(gòu)類、住宅類、美容類以及體育健身類等，使用字母編碼的方式將獲取的GIS信息進行編碼，并將編碼后的GIS信息標(biāo)識在城市三維地理模型上[2]。城市配電系統(tǒng)主要是滿足用戶供電需求，模型上GIS節(jié)點的數(shù)量越多，供電需求就越大，因此根據(jù)模型上GIS節(jié)點的密度劃分網(wǎng)格，具體情況如圖1所示。

圖1中劃分了A、B、C共3個網(wǎng)格，有明顯的GIS節(jié)點密度區(qū)別。根據(jù)GIS信息計算出城市區(qū)域配電節(jié)點密度，計算公式為

式中：d為城市網(wǎng)格配電節(jié)點密度；s為網(wǎng)格GIS節(jié)點數(shù)量；h為區(qū)域GIS節(jié)點平均間距；e為區(qū)域地理面積；b為城市總GIS節(jié)點數(shù)量；x為城市總地理面積。

根據(jù)實際情況設(shè)定閾值，將GIS節(jié)點密度大于閾值的區(qū)域劃分為一級網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上設(shè)定二級網(wǎng)格配電節(jié)點密度閾值，以此劃分二級網(wǎng)格。按照該步驟直到城市所有GIS地理節(jié)點都被劃分到網(wǎng)格內(nèi)為止，以此完成配電系統(tǒng)網(wǎng)格劃分[3]。

1.2 建立投資目標(biāo)函數(shù)

城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略的實施不僅要保證供電的穩(wěn)定性和安全性，還要保證投資收益，因此在上述基礎(chǔ)上以網(wǎng)格投資收益最大、線路損耗最小、配電系統(tǒng)重載率最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)。

（1）網(wǎng)格化投資收益最大目標(biāo)函數(shù)。假設(shè)城市配電系統(tǒng)的投資規(guī)劃年限為n，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為m，每個網(wǎng)格的投資項目數(shù)量為k[4]。要想保證收益最大，就要將投資成本降到最低。其目標(biāo)函數(shù)表達式為

式中：f1為網(wǎng)格化動態(tài)投資收益最大值；Bk為網(wǎng)格化動態(tài)投資效益折算到第1年的現(xiàn)值；E為投資效益耦合特性矩陣；Cn為網(wǎng)格內(nèi)配電設(shè)施建設(shè)成本；dn為第n年配電線路建設(shè)長度；G為第n年網(wǎng)格內(nèi)電源投資成本；P為網(wǎng)格內(nèi)分布式電源功率值。

（2）線路損耗最小目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)網(wǎng)格線路損耗功率和線路長度，計算出網(wǎng)格化動態(tài)投資策略線路損耗最小的目標(biāo)函數(shù)為

式中：f2為網(wǎng)格化動態(tài)投資策略線路損耗最小的目標(biāo)函數(shù)；h為網(wǎng)格配電線路數(shù)量；Nn為n年時網(wǎng)格化動態(tài)投資配電母線數(shù)量；L為網(wǎng)格配電線路損耗功率。

（3）配電系統(tǒng)重載率最小目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格內(nèi)所有線路的平均重載率，計算出投資策略實施下配電系統(tǒng)的重載率，該目標(biāo)函數(shù)表示為

式中：f3為網(wǎng)格化動態(tài)投資策略配電系統(tǒng)重載率最小的目標(biāo)函數(shù)；Wm為城市配電系統(tǒng)第m個網(wǎng)格所有線路的平均重載率[5]。

通過對以上3個目標(biāo)的整合，建立動態(tài)投資多目標(biāo)函數(shù)，其用公式表示為

式中：f表示城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略的多目標(biāo)函數(shù)。

1.3 最優(yōu)投資策略求解

目標(biāo)函數(shù)有多個解，通過對其約束，求出最優(yōu)解，將其作為最終網(wǎng)格化動態(tài)投資策略。考慮到城市配電系統(tǒng)運行、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，設(shè)定約束條件[6]。網(wǎng)格化動態(tài)投資策略的實施要滿足城市配電系統(tǒng)的運行需求，建立的約束條件為

式中：V、V*分別為負(fù)荷有功功率總和、無功功率總和；z、z*分別為負(fù)荷有功功率、無功功率；c、c*分別為網(wǎng)格有功損耗、無功損耗；o、o*分別為網(wǎng)格內(nèi)分布式電源有功、無功功率；S、S*分別為負(fù)荷有功、無功功率最大值。

城市配電系統(tǒng)還需要滿足輻射狀運行的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對其約束為

式中：yij為網(wǎng)格線路連接關(guān)系變量；ηij為網(wǎng)格線路節(jié)點i到節(jié)點j的關(guān)系變量；ηji為網(wǎng)格所有可能線路構(gòu)成的集合[7]。

利用以上2個約束條件對目標(biāo)函數(shù)解約束，求出符合約束條件的最優(yōu)解，將其作為配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資的最優(yōu)策略。

2 實驗論證

為了驗證本次提出的城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資決策思路的可行性與可靠性，選擇某城市配電系統(tǒng)作為實驗對象。該配電系統(tǒng)目前現(xiàn)有的線路數(shù)量為32條，總長為5 643.62 km，配電面積為26 483.64 km2。根據(jù)該區(qū)域未來8～10年經(jīng)濟發(fā)展趨勢，需要加大城市配電規(guī)模，利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資進行決策。傳統(tǒng)方法分別為基于蟻群算法與基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，以下將用傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2表示。實驗從高德地圖、百度地圖等GIS軟件上獲取到該城市GIS信息共1.62 GB，包括26 486個GIS地理節(jié)點，利用式（1）劃分了3個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的供電節(jié)點數(shù)量分別為11 648、8 641、6 587，按照式（2）～式（7）得到投資策略，具體如表1所示。

表1 城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略

實驗以投資策略實施收益為3種方法評價指標(biāo)，選取投資策略中的7個項目，利用OIFA軟件對投資項目1年內(nèi)的投資收益進行預(yù)測，使用電子表格對實驗數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3種方法投資收益對比 單位：萬元

通過對表2中數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論。實施設(shè)計方法的配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略所預(yù)測的7個項目1年內(nèi)的投資收益比較高，總收益為19 328.03萬元，2種傳統(tǒng)方法的總收益分別為8 970.60萬元、8 947.46萬元，設(shè)計方法比2種傳統(tǒng)方法收益高出115.46%、116.02%。實驗結(jié)果證明了根據(jù)設(shè)計方法作出的城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略具有較好的收益效果，相比較傳統(tǒng)方法更適用于城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資策略分析。

3 結(jié) 論

此次針對傳統(tǒng)方法存在的不足和缺陷，提出了一個新的城市配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資決策方法，有效提高了配電系統(tǒng)網(wǎng)格化動態(tài)投資收益，對提高城市配電系統(tǒng)投資規(guī)劃的合理性、科學(xué)性以及實現(xiàn)網(wǎng)格化動態(tài)投資收益最大化具有良好的現(xiàn)實意義。