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摘要：近年来，配电网规划研究无论从模型还是算法方面都有了很大的发展，特别是新的技术经济条件对配电网规划研究影响显著。本文将对配电网规划的模型、规划方法、求解算法进行分析总结，旨在使读者全面了解配电网规划研究的进展情况，推动配电网规划研究的进一步深入。
关键词：配电网；规划研究；方法；模型
0引言
配电网是电力网络中最接近用户的部分，对其进行科学的优化规划，可以保证电网改造的合理性和电网运行的安全性和经济性，提高配电网供电质量。
近年来，配电网规划研究无论从模型还是算法方面都有了很大的发展，特别是新的技术经济条件对配电网规划研究影响显著。本文将对配电网规划的模型、规划方法、求解算法进行分析总结，旨在使读者全面了解配电网规划研究的进展情况，推动配电网规划研究的进一步深入。
1近期配电网规划模型的发展
1.1规划模型的复杂化
一种情况是优化目标的个数增多，例如将提高供电可靠性作为优化目标之一：文献[1]用“缺电成本”表示可靠性效益，与投资、运行成本相加作为配电网优化规划模型的目标函数。但由于量纲或数量级的差别，直接相加的方法并不合理。文献[2]采用模糊技术对经济性及可靠性指标进行模糊化以使其具有同等地位，在此基础上建立了城市中压配电网络规划的多目标模型。
另外一种情况是规划模型目标函数表达形式更复杂，从早期简单的线性函数发展为复杂的混合整数非线性函数。
约束条件由简单的电力平衡约束发展为各种复杂的技术性约束，例如潮流约束、电压降约束、短路电流约束、可靠性约束、地理信息约束等。
1.2基于地理信息系统的配电网规划
配电网规划特别是城市配电网规划中，变电站布点、线路走向在地理位置上有诸多限制，因此配电网规划需要紧密结合规划区域的地理信息。地理信息系统与配电网规划的结合是当前配电网规划的研究热点。文献[3]中将整个规划范围用GIS网络的坐标系统标识，将馈线可能经过的节点表示为GIS的坐标点。将动态规划的各阶段按照距离变电站远近的顺序表示为一系列GIS坐标点的集合，以此为基础使用动态规划方法规划馈线路径。
以上研究中所使用的GIS系统都属于传统GIS系统，其缺点是与通用开发语言的结合很困难，难以进行二次开发，限制了GIS与规划算法的深入结合。近年来出现的组件式GIS(ComGIS)平台可有效解决此问题。文献[4]使用ComGIS建立规划区域的网络数据集，使用ComGIS的网络分析功能自动形成两端供电中压配电网单环最优路径，并嵌入遗传算法整体优化过程中，为地理信息和规划算法的结合提供了一种有效的思路。
1.3分布式供电理念对配电网规划的影响
分布式电源(distributedgeneration，DG)被誉为21世纪电力发展的关键技术之一。分布式电源的发展对负荷预测、网络潮流、电源结构等带来了大量的不确定性因素，对配电网规划将会产生多方面的影响，如：分布式电源的合理规模、布点以及如何与电网扩展规划相配合；传统增容方法和非传统增容方法(如增装DG)的配合问题及其技术经济评价方法；分布式电源对中低压配电系统可靠性的影响等。这些领域的研究在我国刚刚起步。
分布式供电系统是相对传统的集中式供电方式而言的，一般指为满足某些终端用户的需求，接在用户附近的小型发电机组或发电及储能的联合系统。它的规模不大，一般在几十kW至几十MW，被形象地描述为“建立在城市的电、热负荷中心，利用机组、管网和电缆向一定区域同时直供电力、蒸汽、热水和空调用冷冻水的综合加工厂”。DG或DPS的投资建设一方面是为了满足负荷增长要求，而更为重要的方面则是提高了重要用户的供电可靠性，避免了提高整体受端系统可靠性所需的巨额不必要投资，进一步完善了“提高最终用户供电可靠性”的城网规划理念。从这个角度研究分布式供电理念对配电网规划的影响是值得研究的方向。
1.4现代可靠性管理理念对配电网规划的影响
在垄断的电力体制条件下，供电公司对提高供电可靠性的投资可通过电价分摊到用户上，在确保投资回报的情况下，供电公司对提高供电可靠性投资的积极性很高。在市场条件下，供电公司为了增强其在电价等方面的竞争力，会尽量减少配电网增容、扩建和维护费用，随着时间推移，配电网的供电可靠性会迅速地全面恶化。因此，在一个健全的电力市场环境下，供电公司必须受到相关政府机构的监管和法律的制约。当前研究中有2种机制：基于绩效的可靠性管理机制与用户停电补偿机制。PBR机制通过电力监管机构与供电公司签订的协议对整个配电网的供电可靠性进行监管。用户停电补偿也可以看作PBR可靠性管理的一种，不同的是其通过供电公司与用户间的协议保证供电公司对个别用户的供电可靠性，并通过法律保证协议的实施。
当前配电网规划中对可靠性建模的主要方法是将供电可靠性最大化与配电网投资运行费用最小化一起作为规划的目标函数，相当于最大化配、用电的整体社会效益。在保证投资回报的前提下，供电公司是可以接受这样的规划目标的。但电力市场条件下，供电公司作为配电网的投资主体，规划目标将是自身利益的最大化而不是社会效益的最大化。面对PBR奖惩机制和用户赔偿机制，供电公司面临的奖励最大化及赔偿风险最小化则成为配电网规划的目标，当前对这方面的研究还很缺乏。研究PBR可靠性管理对配电网规划的影响，可以提高城网对未来市场环境下可靠性管理的适应能力，是值得深入研究的方向。
2规划方法
2.1多目标规划方法
传统的多目标规划方法为将各目标加权相加，然后采用单目标的优化技术。此方法存在几大缺点：1）不同性质的目标之间单位不一致，不易做比较；2）各目标加权值的分配带有较大的主观性；3）优化过程中各目标的优度进展不可操作；4）各优化目标相互制约或矛盾，难以直接相加。基于Pareto的多目标优化方法可以有效克服以上几个方面的问题，且与并行计算方法有天然的兼容性，因此可以很方便地与遗传算法结合，广泛应用于电力网络的规划研究中。
2.2不确定性规划方法
配电网规划中的规划参数(如负荷预测值)，有明显的模糊性或随机性，对规划结果会产生很大的影响。因此，如何对不确定性信息建模并有效求解成为当前电网规划研究的一个重点，配电网在这方面的研究滞后于输电网，下面列举了配电网规划中研究中有代表性的几篇相关文献，与输电网相比，这方面的文献明显较少。主要原因是当前电力市场化进程对输电网的影响更大，对市场环境下输电网所面临的不确定因素的研究也更系统，相应的规划中不确定信息的建模和求解方法的研究也更深入。
2.3多阶段规划方法
多阶段规划模型求解的关键是各阶段方案通过相互之间的协调以达到各阶段总体优化的目的。多阶段优化问题在数学方面一直没有明显进展，因此配电网的多阶段规划的研究也没有出现优势明显的方法，列举几篇权威杂志上发表的配电网多阶段规划的文献。可以发现，这些方法都存在着明显的缺陷或者做了大量的假设与简化。
文献[5]提出一种求解多阶段配电网规划的近似方法，将整个规划过程分为2部分。第1步规划出满足最终年负荷要求的配电网，同时确定了设备安装的最终要求；第2步将多阶段的动态规划分解为各时段的静态规划，利用单阶段运输模型求解各阶段的规划问题，后一时段的规划以前一时段的规划结果为基础。该方法大大降低了问题的维数且简化了多阶段规划问题的约束条件，缺点是无法得到全时段的最优解。
文献[6]使用动态规划法协调各阶段的关系。传统的动态规划的前提条件是各路径相互独立，如果各阶段的改造方案是独立的，可以用一般的动态规划法；但如果考虑电压降约束，则有些路径就是不可行的，文中提出了一种反向检查的修正方法，较好地解决了电压降约束的问题。但这种方法在处理网架的安全稳定性约束及计算时间上都不合理。
4求解算法
4.1启发式算法
启发式算法虽无法严格保证解的最优性，但计算和应用都很方便，因此在配电网规划中仍然得到了广泛的应用。文献[7]中进一步提出了多阶段支路交换法，有效解决了支路交换法收敛于局部最优的问题。文献[8]通过2步优化(首先是变电站容量组合求解，然后是组合确定下的变电站级网络综合优化)之间的相互迭代，实现了变电站站址、站容与网架的统一优化，是一种简单、实用的联合规划策略。
4.2数学规划算法
数学规划算法理论上可保证解的最优性，许多场合下仍得到应用。例如：分支定界方法应用于混合整数规划模型的求解、动态规划法应用于多阶段规划等。但随着求解问题规模的增大，算法收敛性会出现问题，这时往往会采取一些简化方法，例如分解成子问题、伪动态方法等。
4.3随机优化算法
以遗传算法为代表的随机优化算法在配电网规划中的应用是当前的研究热点。遗传算法应用于城市中压配电网规划，以城市地图所获得的节点、支路信息为基础，采用变长度整数编码方式表示环网，利用整数的符号(负、正)表示某节点在一回路中是接入还是经过，并详细分析了变异操作对网架结构调整的影响。
另外，遗传算法的大规模并行搜索特性使其作为优化策略的基础，应用于多目标、多阶段优化问题的求解。除了遗传算法，禁忌搜索、蚁群算法、粒子群算法[等目前研究较多的现代启发式算法也已经应用于配电网规划研究。现代启发式算法最大的不足是计算速度慢，因此需要根据问题的特点构造合理的编码及进化策略，以提高算法效率，例如编码及遗传算子可以避免进化中不可行个体的出现。
4.4其他
以上算法属于配电网规划研究的主流，然而有许多研究者提出了许多新颖的方法，从不同的角度研究配电网规划问题，例如：（1）开发了用于变电站选址与网架规划的专家系统，将启发式规则与搜索算法相结合，处理主观因素较多问题时有独特的优势；（2）通过层次分析法建立城市配电网综合评价体系，找到电网中存在的问题，针对所发现的问题提出近期电网的规划方案，并对近期电网建设改造项目进行优先级排序；（3）把中压配电网接线模式划分为结构元，提出结构元指标体系，突破了着眼于线路的规划思路，将在代选线路中寻优转变为在代选结构元集合中选优；（4）提出一种基于网络拓扑分析和模式识别理论的城市中压配电网接线模式识别方法，可有效地自动识别城市中压配电网的典型接线模式。
5总结与展望
本文从规划模型、优化方法、求解算法3个方面总结了当前配电网规划研究现状，有如下结论：
1）与早期规划模型相比，近期规划模型更加复杂，另外，新的技术经济条件对配电网规划模型影响显著。2）规划方法方面，多目标规划方法近期发展较快，多阶段规划方法进展缓慢，不确定性规划方法与输电网规划中的研究相比还很落后。3）随机优化算法是求解算法研究的重点，已经显示了巨大的优势，但算法的速度和效率还有待进一步提高。
当前，配电网规划方面的研究发展迅速，笔者以为今后研究的重点包括：1）重新梳理配电网电压等级，以降低配电网损耗。电压等级的变化对配电网投资和运行的经济性影响很大，值得研究。2）随着电网公司对电网建设项目后评估研究的重视，配电网规划项目经济评估指标体系和评估方法会成为研究热点。3）建设智能配电网是当前电网公司关心的热点问题，其中DG的应用是核心问题之一，这将促进含DG的配电网规划研究的进一步深入。4）当前输配电价改革的呼声日益高涨，因此提前研究电价制度的变化及用户侧电力市场的改革对配电网规划模型的影响，是具有重要前瞻意义的研究课题。
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作者简介
张智敏（1978年8月—），男，汉族，工程师，本科学历，主要从事：电网规划、电力市场分析预测。工作单位：国网福建省电力有限公司三明供电公司，发展策划部。