农村电网规划系统的主要功能

基于GIS的农村电网规划系统主要具有以下功能：

（1）基于GIS配电网现状分析与评估功能。通过对现有配电网的分析与计算，进行配电网络供电能力评估、安全性评估、可靠性评估、经济性评估、网络接线方式评估等；定量分析现有配电网络薄弱环节与存在主要问题。

（2）基于GIS空间负荷预测功能。空间负荷预测是配电网规划的基础，也是配电网规划系统最重要的功能模块之一。通过空间负荷预测，确定近、中、远期各小区（街区）的空间负荷（电量）的分布、用电特性、同时率等。

（3）110 kV（35kV）变电站布点优化功能。根据现有网络结构和空间负荷的分布，进行110 kV（35 kV）变电站布点优化，确定变电站最优位置、最佳容量、接入方式等。

（4）中压配电网络优化功能。通过对配电网拓扑分析、潮流计算、配电网络重构计算、可靠性分析计算、N-1校验等；进行配电网络优化，包括馈电线路优化、分段开关最优配置、无功优化、路径优化等。

（5）中压、低压配电网辅助设计功能。即供电小区设计方案优化。根据配电网总体规划，提出供电小区多个、可行设计方案，通过潮流（网损）计算、可靠性评估、投资效益分析等，确定最优设计方案。

（6）配电网系统计算分析功能：①潮流计算；②短路电流计算；③供电可靠性计算；④电压降（电压合格率）计算；　⑤投资效益评估计算；与GIS及其他应用软件接口与数据共享功能。实现基于GIS配电网络自动建模功能，实现GIS、MIS、SCADA等系统数据共享功能。

（7）系统的移植和二次开发方便灵活，用户不用编制程序，只要通过参数对系统进行配置，就能生成一套符合自己要求的应用系统，移植运行工作量小，缩短开发周期。

5.2.2.1　配电分析和计算公共模块

为方便配电网的分析和计算，为现状电网分析、规划方案评估、投资决策提供支持，本系统提供如下公共分析和计算模块：①潮流计算；②短路电流计算；③供电可靠性计算；④网络重构；⑤投资效益评估。

（1）潮流计算：提供两种算法：①针对配电网潮流的前推后代法；②基于补偿的配电网环网潮流算法。这两种算法均给出如下结果：①线路电流和功率；②重要节点电压、末端最低电压；③线路总网损和分支损耗。潮流计算结果单独放在一图层，并沿线沿点进行标注。潮流算法同样可应用于高压配电网。在本系统中，潮流计算主要用于现有网络的评估和规划方案的　优选。

（2）短路电流计算：中压配电网的短路电流计算考虑最大运行方式下的三相短路故障。短路电流取决于高压变电站的变压器阻抗和外网等值情况，功能相对较简单。计算结果分线路给出，对超过16kA的线路在GIS上给出特别显示。

（3）供电可靠性计算：计算采用故障枚举法。对每个元件的故障分析其停电范围、可转供的范围。计算结果包括：RS-3（平均供电可靠率）、SAIFI（平均停电持续频率）、SAIDA（平均停电持续时间）。计算结果用报表给出，并对可靠性较低的网络进行特别标注。

（4）网络重构：提供基于补偿法的配电网络重构软件。网络重构提供如下结果：①网络的最优分段点、最优运行方式；②最优的负荷转供策略和带负荷方案。网络重构对提出最优的现状电网的切改方案具有很强的辅助作用。对规划网络可作为内置程序辅助中压配电网的优化。

（5）投资效益评估：投资效益评估是对可行方案进行的经济评价，综合考虑投资和网损的情况。由于电网设计方案一般在收益上是一样的，即要以较高的可靠性满足用户的供电，因此，在进行可行方案比较时，仅需考虑投资情况。

在本系统中考虑投资一次投入、网损分年度产生，对所有产生的等值到现值。费用最小的方案为最优方案。方案比较采用最小费用法。

以上所有算法均采用成熟的、久经考验的算法，以确保系统的实用性。

5.2.2.2　基于GIS配电网现状分析和评估

配电网现状分析和评估包括如下功能：①安全性评估；　②可靠性评估；③经济性评估；④网络接线方式分析。

1. 安全性评估

安全性指标是反映配电网设备、元件和网络运行安全程度和裕度的重要指标，系统从统计角度和电网计算角度对配电网进行安全性分析和评估。

统计安全性评估包括：①主干长度分析；②主干线截面分析；③线路负载率情况分析；④配变平均负载率分析；⑤线路接装配变容量分析。

（1）主干长度分析：从GIS数据中自动提取或从配电线路参数表中得到现状线路的主干长度，分区统计线路的平均主干线长度（平均供电半径），给出线路长度分布图。在GIS中着重显示主干长度超过指定长度的线路。

（2）主干线截面分析：从配电线路参数表中得到现状线路的主干截面，分区统计给出线路截面分布图。在GIS中着重显示主干截面低于指定截面的线路。

（3）线路负载率情况分析：从SCADA中提取线路的最高负载，从线路限额电流表中得到最大限额电流，计算线路负载率。在GIS中着重显示线路负载率超过50%的线路。

（4）配变平均负载率分析：根据SCADA提供的最高负载和每条线路挂接的配变容量总和计算平均配变负载率，分区给出平均配变负载率的分布图。在GIS中着重平均负载率高于80%或低于20%的线路。

（5）线路装接配变容量分析：根据配电线路参数表提供的配电容量，分区给出配变容量超过10000kVA的线路，并着重显示。

计算安全性评估是以潮流计算结果为依据来进行评估的。潮流计算程序是本系统的内置功能，作为现状电网评估、网损计算和方案评价的主要工具。计算安全性评估包括如下功能：①配变负荷估计；②主干线和分支线潮流；③重要节点电压。

（1）配变负荷估计：根据SCADA提供的线路最大负荷和线路参数表提供的配变容量，按比例确定每台配电变压器在系统高峰负荷时的配变负载。有条件的地方可从负荷监控系统取得数据。

（2）主干线和分支线潮流：采用前推后代法计算配电主干线和分支线潮流，与线路参数表确定的最大限额电流进行比较。在GIS上着重显示过载线路和负载率高于50%的线路（N-1考虑）。

（3）重要节点电压：在潮流计算结果的基础上，着重显示节点电压超过或低于额定电压5%的配电变压器或环网单元。

2. 可靠性评估

可靠性评估主要从指标和可靠性计算上获得。从统计上衡量可靠性的指标有：①电缆化率和绝缘化率；②联络情况即负荷获取双电源甚至多电源的能力。

（1）电缆化率和绝缘化率：从线路参数表中统计计算电缆线路和绝缘线路占总线路的比例。一般来讲，电缆化率和绝缘化率越高，元件的可靠性就越高，从而有利于配电网可靠性的提高。

（2）获取双电源的能力：根据网络拓扑，计算线路获取双电源甚至多电源的能力，计算联络线路占总线路的比例。

计算可靠性是对可靠性的量化，评估更加准确，但比较复杂，需要更多的数据准备和录入，如不同型号导线、不同使用年限的设备故障率等。给出的可靠性指标有RS-3等。

3. 经济性评估

经济性评估主要是网损评估。中低压配电的损耗包括中压网网损、配变铜损和铁损、低压损耗。中压损耗可通过潮流计算获得，配变铁损为配变的空载损耗，铜损与配变负载率有关，这些数据可通过理论网损计算得到。低压损耗根据配电变压器的供电半径近似计算得到。本系统给出每条线的损耗和网损率，在GIS系统中着重显示网损率超过给定值的线路。

4. 网络接线分析

配电网规划和设计中一般推荐采用标准、规范、简单的接线方式。网络接线分析是对现状配电网采用接线方式的评价，以便找出复杂的、非规范的、调度不方便的接线。

在计算机上自动识别各种典型接线方式的难度比较大，本系统提供如下功能进行网络接线分析：①单电源供电、双电源供电和多电源供电的线路的比例，给出1～10个电源供电的线路的分布；②在GIS上着重显示供电电源大于四个的线路。

5. 薄弱环节和存在问题

在安全性、可靠性和经济性评价的基础上，对每条线路汇总存在的问题，找出主干长度过长、主干截面过小、线路负载率过高、电压降过大、损耗偏高、接线复杂的线路，列表显示，并在GIS上着重标注。

6. 综合评估指标

在安全性、可靠性和经济性评价的基础上，对每种指标给出一个权重，采用模糊数学和模糊多属性技术进行综合评判，对整个电网或分区给出综合评价指标。评价指标分为五级：很好、较好、一般、较差、很差。

5.2.2.3　基于GIS空间负荷预测

空间负荷预测是配电网规划的基础。空间负荷预测不仅要预测负荷增长的量、还要预测负荷增长的位置，GIS是空间负荷预测最好的平台。空间负荷预测最简单的方法是负荷密度法，复杂的有用地仿真法等。无论哪种空间负荷预测方法，都需要对现状电网的负荷密度和负荷用电特性进行充分的调查和　研究。(www.xing528.com)

电网空间负荷分析应包括负荷研究、负荷估计和终端用电设备分析等内容。与输电网不同，农村电网负荷量测少，仅限于变电站和少量专用变压器，但存在大量的用电量数据和用户信息。目前，我国农村电网自动化程度不高，对负荷数据的收集和分析等基础性的工作做得还很不够到位，很多地区的负荷预测报告是参考别的地区的负荷数据作出的。因此，加强空间负荷分析，特别是负荷估计和终端负荷预测方法的研究，在我国现阶段尤为重要。

馈线分析和自动规划需要不同层次和精度的负荷数据。馈线分析需要节点负荷数据，采用趋势法的空间预测需要供电区域负荷历史数据，而采用仿真法的空间预测和DSM仿真则需要终端设备负荷数据。根据负荷数据的详细程度，负荷数据可分为三种层次：①供电区域负荷；②节点负荷；③终端设备负荷。其中，终端设备负荷叠加形成节点负荷，节点负荷叠加形成供电区域负荷。各种应用程序所需负荷类型如表5-4所示。

表5-4　各种应用程序所需负荷类型

负荷研究和估计模块的目的是估计节点负荷，利用供电区域的供电信息对负荷进行合成和叠加可以得到供电区域负荷。估计出的节点负荷可用于馈线潮流计算等。负荷研究和估计在美国、英国、芬兰、挪威等国都是作为一项基础性的工作进行的。其做法是，将用户合理地分为用电特性相似的若干类，抽取一定数量的用户作1～2年的负荷记录，采用数理统计等方法对这些负荷研究数据进行分析，得到各类用户的典型负荷曲线及负荷数学模型。合理地运用这些曲线和模型就可以初步估计出节点负荷。

1. 负荷调查和分析

在GIS上选定供电区域，系统自动找出给该供电区域的供电线路，结合SCADA数据和线路参数表，估算出该区域的负荷密度。对典型用户如酒店、政府、商业、居民等分别计算占地负荷密度和建筑负荷密度。有条件的地方分区计算各类负荷的负荷密度。

根据SCADA数据，累加每条出线上的最大负荷，并根据变电站最高负荷计算出10kV线路和110kV变电站最大负荷的同时率。

根据估算的各分区最大负荷，计算分区间最大负荷的同时率。

有条件的地方，计算配变间的同时率以及低压用户和配变最高负荷间的同时率。

2. 负荷预测数据源

空间负荷预测数据主要有：①路网数据；②面积数据（占地面积和用地面积）；③规划数据：规划区人口、用地性质、绿化率、容积率、控制层高、用地平衡表等。

负荷预测数据来源分为自动和手工获取两种。路网数据和面积数据是可以自动提取的。规划数据需要人工输入，在规划前，规划人员需要仔细地研究市政规划报告和分区（小区）规划，从中提取规划的主要信息输入到空间负荷预测系统中。

3. 空间负荷预测

空间负荷预测采用两种方法：负荷密度法和用地仿真法。这两种方法预测的结果均可由专家或规划人员进行调整。

（1）负荷密度法：负荷密度法是最简单的、也是最直观的空间负荷预测方法，缺点是预测精度取决于规划人员的经验和判断。对不同的分区确定商业、居民、市政等类型确定占地负荷密度和建筑负荷密度，计算各分区的远景负荷（饱和负荷）。根据各分区的开发进度和饱和程度，确定规划中期的负荷。利用增长率法确定近期分年度负荷。

（2）用地仿真法：用地仿真法比较复杂，对数据的要求比较高，但预测过程比较科学，对规划人员的经验依赖也较小。本方法采用自上而下的预测法。首先，给定总量负荷预测，计算每个分区离市中心的距离、分区内主要道路的公里数、分区内商业面积的比例等指标，从而确定每个分区内商业、居民、市政等负荷分配系数，进而计算出分区负荷。小区负荷是分区负荷的进一步分配。用地仿真法可根据近、中、远期的总量负荷预测结果和市政规划预测出若干规划年限的负荷空间分布。

在GIS上对各规划年的负荷预测结果作专题图，用不同的颜色和点密度表示负荷密度的大小，并标示出各分区、小区的负荷预测结果。负荷预测结果保存在负荷图层中。

5.2.2.4　高压变电站布点优化

高压变电站布点优化是在空间负荷预测的基础上做出的，其目的是：根据现有的网络结构和负荷分布，确定变电站的最佳位置、最佳容量和最佳接入方式。高压变电站优化包括如下内容：①分区电力平衡；②变电站个数优化；③单台主变容量和变压器台数优化；④变电站位置优化；⑤变电站接入方式优化。

（1）分区电力平衡：根据分区负荷预测结果和现状电网的变电容量，进行分区电力平衡，确定区域内需要的变电容量。

（2）变电站个数优化：根据分区负荷密度确定变电站的最优供电半径和最优供电面积，从而计算得到分区的最优变电站个数。

（3）单台主变容量和变压器台数优化：根据分区电力平衡结果，确定每个变电站的最优容量配置，根据导则要求确定最优的单台主变容量和变压器台数。

（4）变电站位置优化：以变电站的最优供电半径为半径，对每个小区划圆，统计圆内的负荷。设变电站优化个数为N，对每个小区圈出的负荷进行排队，找出前N个小区。这N个小区就应该是负荷中心。根据变电站位于负荷中心的原则，规划中的变电站就应该落在这些小区内，规划人员可以对其进行调整。

（5）变电站接入方式优化：根据导则确定变电站的接入方式。若优化的变电站台数为两台，采用内桥接线，终端变采用线变组；若为三台主变，采用线变组。

所有的优化结果以报告的形式给出，系统提供编辑工具进行画图。

5.2.2.5　中压配电网优化

中压配电网优化包括两部分的内容：①对规划网络进行分析和评价；②网络和路径优化及建议。根据本项目的实用化原则，在现有阶段下实现配电网的自动布线是比较困难的，故不在本期实现。

1. 规划网络的分析和评价

采用系统内置的分析和评价程序对规划网络进行评估。分析和评价的算法有：拓扑分析、潮流计算、可靠性计算、N-1校验和配电网重构。

拓扑分析：拓扑分析是配电网分析和计算的基础，是在网络建模的基础上进行的。在本规划系统中提供如下功能：①突出显示整条馈线以及馈线上连接的设备；②突出显示馈线的供电范围和变电站的供电范围；③电源点跟踪，从指定的设备跟踪到变电站；④上、下游设备统计；⑤突出显示一个独立的供电环。

潮流计算、可靠性计算、N-1校验和配电网重构都可以在一个独立供电环的基础上进行。计算过程和方法同配电分析和计算公用模块一节。

2. 网络和路径优化

（1）变电站间优化路径：任意指定两个变电站，根据路网情况计算变电站间的最短路径。在排除最短路径的基础上，再计算次短路径，从而得到优化路径。优化路径需满足一定的条件：①长度不超过中压配电网的经济供电半径；②通道路径切实可行。

（2）路径最优馈线条数：对每条馈线通道统计两侧的负荷，计算需要的馈线数，提出最优的馈线条数以及每条馈线所带负荷。变电站间优化路径和最优馈线条数的确定为配电网规划提出了可行方案。

（3）配电网络优化：对上述提出的可行方案，采用逐步倒推法进行优化，得到技术上可行、经济上合理的配电优化网络。

（4）分段开关最优配置：分段开关最优配置采用优化算法，并与导则相结合。对每条馈线，计算总负荷，根据三分段还是四分段来确定每个分段的合理装机容量。分段开关最优配置主要适用于架空线路。

（5）无功补偿配置优化：无功补偿配置按照导则和优化方法确定。优化算法参考可研报告。也可按照负荷和分段情况来确定。

5.2.2.6　中、低压配电网辅助设计

中、低压配电网辅助设计是针对供电小区设计的优化系统。该系统在规划思路上有别于配电网规划，更偏重于辅助设计。具体区别如下：①小区规划一般有明确的建筑图纸或详细控制性规划，远景负荷预测比较明确；②有明确的设计原则，如低压供电半径、环网单元的供电范围等。

（1）供电小区设计的内容如下：①供电区域的划分；②近、中、远期负荷预测；③环网单元的容量、配变选型和供电范围；④接线方式优化；⑤供电方案评估。

（2）供电区域的划分：系统辅助规划人员依据如下原则确定供电区域：①低压线不跨越道路，不跨区供电；②低压供电半径控制在150～250m之间；③环网单元容量控制在3000kVA，开闭所控制在10000kVA。规划人员确定供电区域时，系统给出供电区域的面积，区域的重心点，低压最长供电半径等重要指标以辅助供电区域的划分。

（3）远期负荷预测：根据供电区域的建筑面积、占地面积和负荷类型，采用负荷密度法进行远景负荷预测。负荷预测的结果显示在供电区域的中心。

（4）环网单元和配变容量优化：根据负荷预测结果和供电分区的形状，确定环网单元和配变的容量和位置。具体确定办法依据不同地区的设计原则。环网单元的容量、位置等均可以标注在GIS上。

（5）接线方式优化：根据负荷预测结果（供电小区的总负荷），确定手拉手环网设计时需要的馈线数。若周边变电站可提供的出线数大于需要的馈线数，采用手拉手环网；否则，建议采用三电源拉手、三供一备、四电源号字形等接线方式。对于极端重要用户，可采用两供一备或一供一备模式。

（6）供电方案评估：对每种供电方案计算潮流、网损、电压降和可靠性。对可靠性设置一个阈值，如99.99%，低于阈值的方案被淘汰，高于阈值的方案则进行经济比较。方案比较采用等年值法，综合考虑投资和网损的费用，将其分别折现成现值，费用最小的入选。