电力网络规划

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电力网络规划(Power Network Planning)

　　电力网络规划是在已知给定电源规划和负荷预测的基础上，根据现有的电网结构，合理选择新建或扩建线路以满足电力系统安全、可靠运行和经济最优^[1]。

　　电力网络规划是建立在电源规划的基础上进行的，但反过来它又对电源规划的优化有一定的影响。在电力系统规划中，采用各种优化技术，实现模型化并使用计算机来进行自动化规划，已成为当前规划技术的一个显著特点^[2]。

　　电网规划方法从目前应用上，主要划分为常规规划方法、优化规划方法和启发式规划方法。

　　1.常规规划方法

　　常规规划方法的特征是以方案比较为基础，采用手工计算和经验判断为主的规划方法。这种方法一般是从几种给定的可行方案中经过技术经济比较，选择出推荐的方案。

　　常规规划方法在应用过程中，主要是按照系统分析和系统计算两个环节进行的，它们分别代表了规划方案的形成和规划方案的遴选两个阶段。

　　(1)系统分析。系统分析是形成待选方案的基础，通常最初提出的方案质量，对于推荐方案的实施效果和实现规划设计要求往往具有决定性的影响。因此，规划人员必须充分研究和分析规划网络的特征，条件及要求，以便提出具有较高参考价值的待选方案。

　　(2)系统计算。系统计算是对初选方案进行技术评估和经济比较，技术评估主要包括对电网过载能力、供电可靠性水平、运行方式的变化等进行计算和论证；经济比较则是用于方案的择优选择。

　　在配电网规划设计中，使用常规规划方法也可以利用点线平衡的关系进行电网框架的布署和设计。如果将架空线路视为线，变电站及电厂视为点，若略去各种损失，则观察电网的一点一线，其输入的电力就等于输出的电力。　　在已知规划期内的负荷、电源和原有网络结构的有关数据基础上，根据点线平衡的约束关系，便可以概略决定出未来电网新建线路走向，改造线路条数、变电站的容量及位置等,然后通过技术与经济方面的评估即可以确定最终规划方案。　　当然，只凭借积累经验提出若干个可行方案进行比较而得出规划设计的最终结果，已难以保证其决策的正确性和实施的可靠性，此亦常规规划法的局限性所在。

　　2.优化规划方法

　　优化规划方法主要是运用运筹学中的规划理论，将电网规划的实际问题形成各种数学优化模型，并利用计算机求解的一种方法。从理论上讲，该方法可以自动形成规划问题的全部可能存在方案，并一定包含有最优方案。　　优化规划方法的数学模型构成主要集中在两个问题上，即目标函数的形成和约束条件的设置。

　　目标函数的形成主要体现在把电网规划中的待选线路和原有线路在实现输送电力过程中所形成的费用表达出来，并使其达到最小。可以讲，各类模型的差异、计算难易及其精度，在很大程度上取决于对线路及变电站所形成的费用给予的不同数学描述。约束条件的设置，主要考虑对规划设计中有关决策变量(待选线路)建设条件的规定、状态变量(如线路功率、节点电压)上下限的界定以及各变量应满足的制约关系等。 　　在电网规划中，约束条件主要表现的内容有节点功率平衡约束、线路输送容量限制、电压损耗数值规定等。显然，约束条件的设置内容及其要求，同样对规划模型的精度和求解带来直接的影响。 　　一般说来，应用优化规划方法有两点值得注意：一是维数组合问题；二是非线性处理问题。　 　

　　由于电网中任何两个节点之间均可以拟定架设一条新线路，这对于规模较大的网络，如果自动形成全部架线方案，将造成规划变量维数较高(属于大规模数学组合)而难以求解的问题。另外,依据电力系统知识，线路的电能损耗是与其传输的功率平方成正比，属于非线性关系。如果将这部分的费用直接在模型中表示出来，则变成非线性规划问题，这同样给求解计算带来了困难。

　　因此,为提高优化规划方法的实效性，在电网规划设计中常常通过参与规划人员的决策分析或者改变求解方法来实现化简模型并解决计算困难的问题，而由此所形成的一些手段或方法则称为启发式规划方法。当然，使用启发式规划方法虽然无法保证网架规划方案的最优性，但在很多场合下其规划结果可以满足工程实际要求。 　

　　优化模型的类型主要包括有：线性规划模型、运输模型、混合整数模型等，它们大都适用于制定规划水平年的电网规划方案，且均属于线性模型，而对模型的求解方法则是采用规划理论中的单纯形法或分枝定界法。这些模型在结构上的主要差异表现为对线路所形成的费用给予了不同的描述，例如，把原有线路和待选线路的费用分别表示、将待选线路的费用分成固定费用与变动费用表示等等。此外，还有非线性规划模型，但求解要考虑收敛问题；动态规划模型，用于解决多阶段的电网优化问题。

　　3.启发式规划方法

　　从理论上划分，它属于优化规划方法的简化形式，目前在规划水平年输电网规划设计中得到了广泛应用，同时对配电网规划也有一定的借鉴意义。启发式规划方法在应用上分为以下两类。

　　(1)传统启发式方法。主要包括：逐步扩展(加线)法和逐步倒推(减线)法。传统启发式方法基本特点是，建立决策变量(待选线路)与某种有效性指标之间的灵敏度关系，然后从待选线路中逐条选出当前最有效的线路加入网络，故又称为灵敏度分析法。

　　(2)现代启发式方法

　　现代启发式方法的主要特点是，模拟自然界中的一些优化现象而形成的优化求解算法，例如，对生物繁殖机制进化过程的描述—遗传算法；仿生觅食机理—蚁群算法；模拟热力学中液体的冻结与结晶的冷却和退化理论—模拟退火算法等。