第一章  緒論 

變電站規(guī)劃與以后設(shè)計(jì)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、空間布局、供電可靠性與電網(wǎng)投資之間有著密切且直接的聯(lián)系，是配電系統(tǒng)精細(xì)化規(guī)劃需求環(huán)境中的另外一個關(guān)鍵的問題，研究學(xué)者對其所做的研究與探索都會對配電系統(tǒng)規(guī)劃帶來非常重要的作用，這些研究也擁有一定的實(shí)踐需要。本章開始會簡單描述變電站規(guī)劃的研究現(xiàn)狀。然后，分析變電站規(guī)劃工作存在的問題和挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，對本文大致內(nèi)容做一個簡單的敘述。其后，還會將本論文的結(jié)構(gòu)做一個簡單的概括。 

1.1  變電站規(guī)劃問題概述
在電力網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中與使用者最為靠近的即為配電網(wǎng)這一部分，將配電網(wǎng)作一個更加科學(xué)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，能夠使電網(wǎng)建設(shè)工作之中的電網(wǎng)運(yùn)行安全性與電網(wǎng)建設(shè)合理性得到充分的保障，進(jìn)而使整個電網(wǎng)的質(zhì)量得到增強(qiáng)。配電網(wǎng)規(guī)劃開始要按照規(guī)劃時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)與負(fù)荷預(yù)測這些因素，選擇較為合適的設(shè)計(jì)方案，該方案不僅僅要保證安全供電與負(fù)荷增長的原則，還要讓費(fèi)用不超過本身規(guī)劃。在整個配電網(wǎng)的規(guī)劃過程中的主要內(nèi)容包括：負(fù)荷分布與符合預(yù)測、各級電壓配網(wǎng)規(guī)劃方案、變電站規(guī)劃方案與電網(wǎng)現(xiàn)狀研究分析，各級電壓城網(wǎng)無功電源的配置方案等。其中，變電站規(guī)劃在配電網(wǎng)規(guī)劃中起承上啟下的作用，對居民，工廠，商場等的正常供電起著重要的保障作用，是電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)[4-6]。變電站規(guī)劃首要要保證供電質(zhì)量與負(fù)荷需要，其次在按照當(dāng)前城市電網(wǎng)現(xiàn)狀與負(fù)荷增長狀態(tài)等因素確定變電站的位置、容量、供電范圍，它是城市電網(wǎng)規(guī)劃中介于電力負(fù)荷預(yù)測和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變電站位置及容量的決定，不僅僅要分析負(fù)荷的分布狀態(tài)，還需要分析電網(wǎng)完整的框架結(jié)構(gòu)。變電站的總體規(guī)劃需滿足一下幾個條件：在配網(wǎng)現(xiàn)狀、電源和負(fù)荷變化趨勢確定的情況下，需保證用戶的用電舒適度，來制定以后的變電站如何發(fā)展，又安全還能保持經(jīng)濟(jì)合理[14-16]。電網(wǎng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃與當(dāng)前社會的進(jìn)步不能分割，因此對整個電網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)不是一朝一夕就可以解決，而是需要一個很長時間的考慮與研究，在什么樣的位置來建設(shè)變電站需考慮的環(huán)境與客觀原因非常多.
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1.2  變電站規(guī)劃理論的發(fā)展現(xiàn)狀 
變電站優(yōu)化規(guī)劃屬于復(fù)雜的多目標(biāo)與變量的大型非線性設(shè)計(jì)，其中還牽扯到許多組合優(yōu)化與平面定位等多個研究。雖然在整個過程當(dāng)中擁有許多不一樣的求解模型，但一般所使用的解決方法還是啟發(fā)式優(yōu)化，智能優(yōu)化與數(shù)學(xué)式優(yōu)化等。對變電規(guī)劃進(jìn)行求解的研究開始在 1974 年，在這一年 E. Masud[21]發(fā)現(xiàn)得到配網(wǎng)規(guī)劃兩種不同階段的模型，運(yùn)用線性整數(shù)規(guī)劃形式對變電站的容量與位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣一來，就讓變電站增容時間與規(guī)模的問題得到了改善。 Crawford 和 Holt[22]將目標(biāo)函數(shù)定位最小的負(fù)荷矩，運(yùn)輸問題作為最根本的求解手段。文獻(xiàn)[23]向有關(guān)學(xué)者展示了一個線性規(guī)劃模型，，它的具體求解方法即為配電系統(tǒng)規(guī)劃。同時還運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)特征，增加了循環(huán)迭代的速度。Thompson and Wall[24]在確定變電站位置之一問題上主要使用了分支界定優(yōu)化技術(shù)，經(jīng)過固定費(fèi)用模型選取站址。該方法考慮了主干線網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷分布不均勻等因素。D.L.Sun 等[25]介紹一個相關(guān)的規(guī)劃技術(shù)，該技術(shù)主要是運(yùn)用固定分支定界的算法對輻射狀饋線與變電站站址進(jìn)行分析與計(jì)算，但往往容易忽視網(wǎng)損對網(wǎng)絡(luò)選擇與變電站產(chǎn)生的作用。文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[25]不能解決大規(guī)模的工程實(shí)際問題。文獻(xiàn)[22]~[25]中的規(guī)劃模型沒有考慮時間特性，因此，這些模型也僅僅適用于靜態(tài)規(guī)劃。文獻(xiàn)[26]以一種全面的混合 0-1 線性規(guī)劃形式給出配電網(wǎng)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[21]、[24]、[26]~[29]的作者試圖利用混合整數(shù)規(guī)劃方法來解決變電站規(guī)劃問題。EI-Kady[30]提出了一種優(yōu)化線路位置與變電站的修改手段。同時 Hindi and Brameller[31]等相關(guān)研究者也對固定費(fèi)用公式做了簡單的闡述。 Tang[32]主要運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方式來對其進(jìn)行優(yōu)化。  Salama[33]和 Temraz 兩位學(xué)者對配電變電站中的位置、大小、時間等問題進(jìn)行了建模。文獻(xiàn)[34]提出一種在多約束條件下的變電站站址分層優(yōu)化方法。實(shí)際上，早在 1984 年平面定位問題就已被證明為 NP-hard 問題[35]，因此，啟發(fā)式優(yōu)化方法不免是求解這類問題的有效途徑。 
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第二章  變電站全生命周期成本模型 

變電站項(xiàng)目具有周期長、耗資大等特點(diǎn)，在進(jìn)行選址定容的工作時，應(yīng)充分考慮到變電站項(xiàng)目從設(shè)計(jì)建站到報(bào)廢的全生命周期的成本，從全局出發(fā)才能有效控制變電站項(xiàng)目的成本。因此，本章在分析了影響變電站規(guī)劃的全生命周期成本因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了變電站規(guī)劃全壽命周期指標(biāo)體系，通過采用改進(jìn)密切值法對指標(biāo)體系的綜合評價(jià)，確定間接成本因子，建立了基于全生命周期成本管理的變電站規(guī)劃成本模型。該成本模型為變電站規(guī)劃工作提供了決策依據(jù)。 

2.1  變電站成本的主要構(gòu)成 
在變電站的選址以及定容問題當(dāng)中，成本是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，涉及到變電站的基礎(chǔ)投資以及進(jìn)出線路的投資，對變電站的綜合投資最小作為變電站的最終規(guī)劃目標(biāo)[93-96]。變電站從建設(shè)到報(bào)廢整個價(jià)值過程中的成本包含投建前期的基礎(chǔ)建設(shè)投資，變電站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用以及報(bào)廢價(jià)值。站址優(yōu)選所需的成本則應(yīng)包括新建變電站的成本和低壓出線的成本。因此，變電站從建設(shè)到報(bào)廢整個價(jià)值過程中的成本則應(yīng)包括新投入建設(shè)變電站和低壓出線這兩部分各自的基礎(chǔ)建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和報(bào)廢價(jià)值。在建設(shè)一個新型的變電站時，必然會投資，其中里面的基礎(chǔ)投資主要有規(guī)劃費(fèi)用、籌備費(fèi)用、預(yù)算費(fèi)用、一次性費(fèi)用與規(guī)劃費(fèi)用這五種費(fèi)用。在整個工程的前期籌備費(fèi)用即變電站建設(shè)工程前期籌備所需要的花費(fèi)，包含對工程可行性的調(diào)研、工程所用土地的預(yù)審、對環(huán)境承載能力的評估、有關(guān)勞動環(huán)境安全衛(wèi)生狀況的評價(jià)、發(fā)生地震等重大災(zāi)害情況的評價(jià)、制定防止水土流失問題發(fā)生的措施、對于礦物資源所在地址被占用程度的評估、文物寶藏的探測等產(chǎn)生的花費(fèi)，以及本工程中的相關(guān)工作全部的設(shè)計(jì)咨詢費(fèi)與文件評審費(fèi)等等，在這之中還包括資料費(fèi)與人工費(fèi)。 上述所說的勘察費(fèi)用主要是具有一定從業(yè)資格的勘察組織被該項(xiàng)目的法人進(jìn)行邀請，在對整個工程進(jìn)行勘察使所發(fā)生的全部費(fèi)用與設(shè)計(jì)有關(guān)勘察有關(guān)文件所話費(fèi)的費(fèi)用。變電站工程項(xiàng)目的預(yù)算費(fèi)用是由包含建筑工程費(fèi)、設(shè)備購置費(fèi)、安裝工程費(fèi)與其他費(fèi)用之和的靜態(tài)費(fèi)用和動態(tài)費(fèi)用組成。 變電站建設(shè)的設(shè)計(jì)包含繪圖和相關(guān)文件的制造費(fèi)、概預(yù)算書、規(guī)劃設(shè)計(jì)費(fèi)用等相關(guān)費(fèi)用，是根據(jù)工程項(xiàng)目建議書和委托要求或可行性研究報(bào)告的費(fèi)用預(yù)估由相關(guān)設(shè)計(jì)單位來完成。 低壓出線的前期基礎(chǔ)費(fèi)用主要是由單位長度上線路建設(shè)費(fèi)用和線路建設(shè)總長度確定的新建變電站出線的投資。 
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2.2  變電站全生命周期指標(biāo)體系 
建造成本是變電站建造中不得不需要重視到的問題，可以說它是整個規(guī)劃中最為重要的部分。本文將考察變電站的各種建造情況，以及相關(guān)的建造標(biāo)準(zhǔn)，并且了解到各種對建造產(chǎn)生影響的內(nèi)容，形成一個具體的標(biāo)準(zhǔn)體系，以此來總結(jié)這些因素產(chǎn)生的緣由，然后進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容來制定一個更加完善的指標(biāo)方案，為整個建造過程提供最佳的建筑方案。通過對各種研究目標(biāo)的考量，還要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，來構(gòu)建一套全面的指標(biāo)系統(tǒng)。通常將多種指標(biāo)進(jìn)行橫向的綜合，來形成一個水平的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，這種方式大多運(yùn)用于相對來說較為基本的評價(jià)性內(nèi)容。除此之外，還有一種垂直式的等級系統(tǒng)，就是一種將各種指標(biāo)按照一定的程度進(jìn)行縱向排列而形成的體系，通常在復(fù)雜的問題中會使用這種方式。這種方式可以更加全面客觀的分析出重要的層次關(guān)系，并且能夠簡化一些關(guān)系的復(fù)雜程度。[96-101]。 建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)必須具備以下幾點(diǎn)，才能更好的將其中的指標(biāo)關(guān)系直觀的反射出來，并且讓整個系統(tǒng)能夠更加簡化，便于使用。 
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第三章  基于加權(quán) Voronoi 圖與全生命周期成本的變電站規(guī)劃 .... 30 
3.1  變電站規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型 ..... 30 
3.2  基于加權(quán) Voronoi 圖的變電站規(guī)劃 ....... 31
3.3  基于改進(jìn) K-means 聚類算法的初始站址優(yōu)化 .... 37
3.4  由現(xiàn)狀年到目標(biāo)年過渡的中間年規(guī)劃 ......... 42
3.5  算例分析 ........ 46
3.6  本章小結(jié) ........ 52 
第四章  變電站與站間聯(lián)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化研究 .... 54 
4.1  變電站與站間聯(lián)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化的思路與模型 ........ 54
4.2  配電系統(tǒng)的供電能力計(jì)算 ........ 58
4.3  變電站與站間聯(lián)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化方法 .......... 60
4.4  算例分析 ........ 68 
4.5  本章小結(jié) ........ 74 
第五章  考慮分布式電源置信容量評估的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法 .... 75 
5.1  引言 ......... 75 
5.2  含分布式電源發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評估 .......... 76
5.3  分布式電源的置信容量評估方法 .... 84
5.4  考慮分布式電源置信容量評估的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法 .......... 94 
5.5  算例分析 ........ 96 
5.6  本章小結(jié) ...... 100 

第五章  考慮分布式電源置信容量評估的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法 

針對未來規(guī)劃區(qū)域面臨大規(guī)模分布式電源接入的情況，提出了一種基于分布式電源置信容量評估的有源配電網(wǎng)變電站選址定容方法。首先，從可靠性的角度出發(fā)，綜合考慮變電站主變故障及 DG 出力的時序特性，根據(jù)分布式電源接入前后可靠性指標(biāo)不變的原則，引入了一種 DG置信容量評估方法，結(jié)合加權(quán) Voronoi 圖算法，提出了一種含分布式電源的變電站優(yōu)化方法。最后通過實(shí)際算例的對比分析，說明了本方法的科學(xué)性和實(shí)用性。相關(guān)結(jié)論可為含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃具有指導(dǎo)意思。 

5.1  引言 

隨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，世界各國清潔能源作為未來能源發(fā)展戰(zhàn)略，可持續(xù)發(fā)展和利用。和風(fēng)能和太陽能資源的開發(fā)和利用是他們最有效的支持。豐富的太陽能資源，小地域的限制，整潔的環(huán)境;取之不盡，用之不竭的風(fēng)能資源。利用太陽能和風(fēng)力發(fā)電可以減少環(huán)境污染，節(jié)省煤炭，石油等常規(guī)能源[136]。風(fēng)能和太陽能資源具有分散性的特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電主要集中在分布式發(fā)電并網(wǎng)，由于分布式能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)的形式，一般不考慮他們的能力值，但隨著新的能源的大規(guī)模分布式電源的快速發(fā)展要與分銷網(wǎng)絡(luò)連接，如果你仍然無視自己的能力的價(jià)值，必然導(dǎo)致浪費(fèi)變電站投資，降低設(shè)備的利用率。定位和尺寸的理論和深入研究的方法后，因此，大量分布式電源加入網(wǎng)絡(luò)的分析與探索擁有關(guān)鍵的意義。 當(dāng)前，以前所使用的變電規(guī)劃原則已經(jīng)開始形成的比較完善，但以許多高滲透率與大規(guī)模的分布式電源的角度來看，將其接入配電網(wǎng)后對變電站選址定容影響的研究很少[137-138]。當(dāng)前所以擁有的有關(guān)文獻(xiàn)中，對分布式電源的配電規(guī)劃的分析與探索一般表現(xiàn)在分布式電源在配電網(wǎng)當(dāng)中所處的位置、擴(kuò)展規(guī)劃與容量規(guī)劃等許多方面，在整個電網(wǎng)規(guī)劃過程當(dāng)中變電站協(xié)同綜合優(yōu)化規(guī)劃與分布電源研究較少。文獻(xiàn)[139]運(yùn)用了一般所使用的可變性權(quán)重中的自適應(yīng)粒子群方式對整個模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，同時對不同的分布式電源的配電規(guī)劃做了大量細(xì)致的研究與分析；在文獻(xiàn)[140]中，完成了可變權(quán)重分布式電源定容與選址優(yōu)化的新型模型，同時使用已經(jīng)修改后的多種群遺傳算法對整個模型進(jìn)行求解，上述所說的相關(guān)算法與模型都是之前學(xué)者已經(jīng)提出；在文獻(xiàn)[141]中，其主要以分布式電源概念為前提，得到，如果要完成更好的智能電網(wǎng)，以后的配電網(wǎng)一定要自由的去接納分布式電源，之后再對 DG接入配電網(wǎng)這一現(xiàn)象的優(yōu)劣進(jìn)行分析，同時詳細(xì)解答其對配電網(wǎng)所產(chǎn)生的作用，最后將其做一個簡單的總結(jié)，同時在整個研究過程當(dāng)中，其對 DG 的配電規(guī)劃給出了幾個相關(guān)的意見，所以最后所得出的有關(guān)結(jié)論擁有比其他條件更好的理論意義；在文獻(xiàn)[142]中，其主要是根據(jù)之前研究者的相關(guān)結(jié)論，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用年持續(xù)負(fù)荷曲線與平均容量成本完善配網(wǎng)擴(kuò)容容量分配方式與可中斷負(fù)荷等，進(jìn)而對 DG 的選址定容工作進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化；文獻(xiàn)[143]在計(jì)及規(guī)劃區(qū)域內(nèi)已有的分布式電源容量及位置的基礎(chǔ)上，建立約束條件，利用粒子群算法對規(guī)劃區(qū)域的變電站位置進(jìn)行優(yōu)化，但作者只是在費(fèi)用模型上做了優(yōu)化，并未提出有效的變電站選址方案；文獻(xiàn)[144]建立了考慮分布式電源的變電站全壽命周期成本模型，同時運(yùn)用改進(jìn)粒子群的有關(guān)計(jì)算方法來將該模型解出，但文章并沒有考慮分布式電源出力的時序特性。

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總結(jié) 

變電站規(guī)劃是連接電力規(guī)劃中電力電量平衡計(jì)算與配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃的中間環(huán)節(jié)，是配電系統(tǒng)在仔細(xì)規(guī)劃過程當(dāng)中的一個頗為重要的選題，這個選題當(dāng)中的有關(guān)結(jié)論會為整個配電規(guī)劃工作提供具有指導(dǎo)性的建議，具有強(qiáng)烈的實(shí)際工程需求。在傳統(tǒng)的變電站規(guī)劃中，人們往往只注重變電站負(fù)載率滿足主變“N-1”原則及變電站供電范圍約束，忽視了變電站站間聯(lián)絡(luò)及分布式電源接入對變電站規(guī)劃的影響，從而導(dǎo)致變電站規(guī)劃容量過高，造成投資的浪費(fèi)。 針對上述問題，本文基于變電站全生命周期成本模型，深入研究了變電站站間聯(lián)絡(luò)優(yōu)化理論與分布式電源置信容量評估理論，并將其與變電站規(guī)劃理論相結(jié)合，得到了一套考慮供電能力提升和分布式電源接入的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法。本文的研究成果能夠提高變壓器設(shè)備利用率，降低變電站項(xiàng)目成本，最終達(dá)到提升電網(wǎng)投資效益的目的。本研究的主要工作如下： 
1.  建立變電站的過程其所耗費(fèi)的時間非常的長，且資金也非常巨大，在整個的選址定容相關(guān)工作之中應(yīng)該要將變電站在設(shè)計(jì)到報(bào)廢中的全部有關(guān)成本都充分分析，從一個整體的角度去管理變電站建設(shè)的成本。因此，本文在分析了影響變電站規(guī)劃的全生命周期成本因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了變電站規(guī)劃間接成本指標(biāo)體系，采用改進(jìn)密切值法對指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價(jià)，確定間接成本因子；將變電站直接成本與間接成本因子相結(jié)合，建立了變電站全生命周期成本模型。該模型綜合考慮了變電站建設(shè)，運(yùn)行維護(hù)及報(bào)廢三個階段的成本構(gòu)成，能夠全面、合理地評估不同變電站規(guī)劃方案的費(fèi)用。本理論為后續(xù)章節(jié)提供了優(yōu)化目標(biāo)，是本文工作的決策依據(jù)。 
2.  基于加權(quán) Voronoi 圖算法確定變電站站址及其供電范圍，并利用第二章介紹的變電站全生命周期成本對各方案進(jìn)行成本對比，選出成本最低的方案作為最終的規(guī)劃方案，并在此基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)：(1)提出了孤立負(fù)荷點(diǎn)及孤立變電站的處理方法；(2)提出了基于改進(jìn) K-means 算法的初始站址優(yōu)化方法，結(jié)合基于加權(quán) Voronoi圖算法的變電站規(guī)劃方法，驗(yàn)證了此方法的有效性。(3)以 5 年為一個階段，基于目標(biāo)年變電站優(yōu)化結(jié)果回推中間年的規(guī)劃方案。最終得到了由現(xiàn)狀年到目標(biāo)年的全階段規(guī)劃方案，更加貼近工程實(shí)際，完善了變電站規(guī)劃的工作。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：119131