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摘要：随着电力体制改革进程的不断推进和深化，增量配电市场逐步放开，关于增量配电网的规划在国内尚属初步研究和发展阶段，面临着诸多问题和挑战。为实现增量配电网更好的建设及运行，本文对园区级增量配电网规划趋势的经济性影响因素进行了研究。首先考虑增量配电网建设及运营的经济性，建立了全生命周期成本模型，其次引入遗传算法通过设置进化终点的方式求取最优解。最后在Matlab中建立了IEEE 33节点配电系统模型，算例结果表明，分布式电源和需求响应对增量配电网规划具有积极影响，将二者纳入规划更有利于提高增量配电网的环保性和经济性。
关键词：增量配电网规划;经济性影响因素;全生命周期成本模型;分布式电源接入;需求响应
0 引言
增量配电网是我国电力体制改革的一项重要内容，随着电改进程的不断推进，增量配电网从概念提出、到改革试点落地、再到试点区域的试运营，国内增量配电网历经了初步的探索和发展[1]，从目前增量配电试点项目来看，增量配电网改革试点项目的目标区域基本以新的工业园区、高新产业园区和经济技术开发区等区域型电网为主[2]，因此本文主要对园区级规模的增量配电网规划进行探究。
增量配电网规划在国内尚属起步阶段，随着增量配售电业务改革的逐步推进和深化，增量配电网规划也需相应的适应性发展，其中，新能源、分布式电源（Distributed Generation，DG）和需求响应（Demand Response，DR）均对增量配电网的规划提出了更高的要求[3-5]，增量配网规划在技术发展和业务要求上均面临着挑战。
首先在技术发展上，随着DG渗透率的不断提高，增量配网的结构必然产生新的变化[6-8]，当中低压配电网接入DG、储能设备、电动汽车后，网络潮流由单向变为双向，配网结构变的复杂;其次在业务需求上，新电改中的一项重要内容是：“积极开展电力需求侧管理和能效管理”[9]，该指导思想积极推动了国内需求响应的研究和实践，也在一定程度上造成了用户用电行为的改变，最终对增量配电网规划产生影响。
针对上述问题，本文结合国内外相关研究和实践情况，分析了园区级增量配电网规划趋势的经济性影响因素，重点研究了DG接入和DR实施对增量配电网规划的影响。
1 增量配电网规划趋势的经济性影响因素分析
1.1 分布式电源接入
DG接入是未来配电网规划须纳入考虑的一项关键因素，也是未来微电网、能源互联网发展的主要内容之一，DG接入比例的变化对增量配电网同样会产生重要影响[10-11]。本文以分布式光伏为例，从技术和经济两个角度研究DG对增量配电网规划造成的影响。
为了从经济角度分析DG接入对增量配电网规划产生的影响，本文建立了DG接入下的增量配电网全生命周期成本模型。全生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是五角大楼于二十世纪六十年代提出的一项费用分析技术[12]，最早运用于美国军事经费分析研究，由于该项技术具有较强的实用性，因此后来在其它领域也得到了运用。配网规划及建设的全生命周期成本是指在考虑资金时间价值的条件下，项目在全部生命周期内所发生的与其有关的所有成本[13]。当项目主体不同时，项目工程周期必然存在区别。一般情况下当配电网工程项目已难以满足负荷需求时，不会考虑废弃已有配电网，而是选择升级改造该配网，故配网工程项目的全生命周期通常分为项目建设和项目运维两个主要阶段，在这两个阶段中的成本大致包括建设成本、运行成本和故障损失成本。
建设成本主要是指在目标增量配电网建设区域的变电站建造成本（包括设备购置、安装及调试费用等）、线路成本和DG的接入成本，DG的接入成本通常随电源安装容量的提升而增加;运行成本主要是指增量配电网在运行过程中的检修、维护和损耗成本，以及从主网购电的成本，其中购电成本用单价和电量表示，DG的运行成本基于发电量计算;由于故障损失成本与配网运行可靠性、负荷情况变化等多项因素有关，同时近年来随着配网自动化（Distribution Automation，DA）技术的快速发展，故障产生率及损失都得到了大幅降低，因此本文假设每年的故障损失成本为常数，在此不作深入讨论。
此外，增量配电网接入DG具有降低线损、改善电压分布的节能减排效益，随着系统DG渗透率不断提高，其节能减排效益日渐凸显，因此本文将节能减排效益作为重要的收益项纳入考虑。
目标函数为最小全生命周期成本，约束条件为功率平衡约束、电网径向度约束、电流约束、节点电压上下限约束、功率范围约束、DG发电量约束。
1.2 需求响应实施
考虑系统低谷时对电力用户的激励措施以及高峰时对用户的限制措施，将DR费用分为高峰期限制用户减少用电量的补偿费用和低谷期引导用户提高用电量的措施费用，因此表达式可表示为：
（2）
式中， ——激励负荷点i增加负荷需求的单位措施费用（元/kWh）;
——由于需求响应措施负荷点i所增加的负荷（kWh）;
——补偿负荷i的负荷限制的单位补偿费用（元/kWh）;
——负荷点i的缺负荷功率（kW）;
——负荷限制时间（h）。
将式（1）与式（2）结合，加入DR约束得出新的优化模型，即实施DR后增加的负荷功率、缺负荷功率需在上下限范围内。
2 模型求解
本文通过引入遗传算法（Genetic Algorithm，GA）来求解优化模型，遗傳算法是一种通过模拟自然进化进程搜索最优解的算法，因其具有效率高、利于全局择优的优势，在电网规划运行方向应用广泛。图1为遗传算法求解流程图，其流程基于自然进化的优胜劣汰法则，最终可得到适应度更好的最优种群。
具体方法是根据优胜劣汰的自然法则，将初代种群进行遗传和演化以产生更优的近似解，即计算每一代个体的适应度，根据适应度选择最优情况实施遗传算子的复制、交叉和变异，进行下一代的遗传和演化;最后将得到的种群中以二进制表示的最优个体进行十进制解码，得出最优解。本文在模型的求解过程中，为了使目标函数达到最优，不设置收敛阈值，而是通过设置进化终点的方式。例如，设置进化100代后算法停止，比较历代个体的适应度以得到最优解。 3 算例分析
3.1 算例数据
本文建立了IEEE 33节点配电系统模型，利用Matlab进行求解。系统总的有功功率为
3.715MW，无功功率为2.3MVar，年用电量为5.45GWh，设定除电源点S外，其余所有节点均可配置DG。
假设系统中DG的接入比例为28.6%，建设成本为9100元/kW，运行成本为0.09元/kWh，该配电网向主网购电电价为0.455元/kWh，系統年最大负荷损失小时数为4200h，单位污染物排放量为0.36吨/kWh，年故障损失成本为平均电价的50倍，贴现率为4%。
根据现有模型，首先设定每个节点的DG容量为 ，种群大小为100，最大代数为200，DG容量的范围为0～200kW，数值精确到个位。利用公式（1），结合每个节点的预估容量，确定基因编码长度，计算出 ，即各节点对应的染色体编码为8位，每个个体染色体总长度为256位;其次采用复制、交叉和编译遗传算子，得到子代个体，利用轮盘赌算法选择新生个体组成下一代种群，综合成本函数取相反数作为适应度评价函数。在迭代次数达到1000次时，比较1000代种群中各个体的适应度，选择适应度最高的个体，采用式（3）进行解码。
3.2 算例结果
利用Matlab求解得出模型优化结果，如图3所示，种群在第21代得出最优解，其结果如表1所示。
由模型优化结果得到最小全生命周期内的各项成本值如表2所示。
从表2接入DG与不接入DG两种情景下的成本对比可以得出，虽然DG接入存在建设成本，但其向主网购电成本、配电网损耗成本、污染物排放成本均小于无DG接入的情况，总成本也低于DG不接入的情况，因此增量配电网建设时将DG纳入规划更具经济性和环保性。
设定低谷期引导用户的单位负荷增加的激励费用为0.1元/kWh，高峰期限制用户减少用电量的补偿费用为0.2元/kWh，对DR优化模型进行求解。
由模型优化结果得到实施DR后的最小全生命周期内的各项成本值如表4所示。
从表4可以看出，对于有DG接入的增量配电网，实施DR后，DG容量降低使得各项成本下降，因此对于含DG的增量配电网，在规划时纳入DR能够降低全生命周期成本。
4 结语
本文以增量配电网最小全生命周期成本为目标函数，以功率、电流、电压等电气约束作为约束条件，建立了电力体制改革下的增量配电网LCC模型，引入了GA算法通过设置进化终点的方式得到模型最优解，分析了DG接入和实施DR的经济性影响，最后在Matlab中建立了IEEE 33节点模型进行了仿真验证，算例分析得出到了如下结论与建议：
（1）DG接入增量配电网会对网络稳定造成一定冲击，但DG接入后其向主网购电成本、配电网损耗成本、污染物排放成本均有所减少，总成本得到了降低，因此接入DG对提高增量配电网建设及运行的经济性有积极影响，增量配电网规划将DG纳入考虑更具经济性和环保性。
（2）对于有DG接入的增量配电网，在满足负荷要求的前提下，实施DR可降低系统DG的安装容量，DG容量降低使得各项成本下降，因此对于含DG的增量配电网，在规划时纳入DR能够降低全生命周期成本，DR的良好经济性符合电网供需双向互动的新趋势，兼容DR技术的智能配电网是未来增量配电网规划发展的重要形态。
参考文献
[1] 钱佳佳. 增量配电网投资风险与规划研究[D].浙江大学，2019.
[2] 王程.工业园区建设增量配电网的可行性分析[J].科技创新与应用，2019（22）：61-62.
[3] 王琛. 考虑分布式发电不确定性对配电网规划影响的研究[D].东南大学，2017.
[4] Khanbabapour S， Golshan M E H. Synchronous DG Planning for Simultaneous Improvement of Technical， Overcurrent， and Timely Anti-Islanding Protection Indices of the Network to Preserve Protection Coordination[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2017， 32（1）：474-483.
[5] 张光亚， 赵莉莉， 边小军，等. 考虑供需互动和分布式电源运行特性的主动配电网网架规划[J]. 智慧电力， 2018， v.46;No.296（6）：87-93.
[6] 杨文丽. 计及可靠性评估的中压配电网规划方案比选[J]. 电力工程技术， 2018（2）：13-19.
[7] 杨楠，董邦天，黄禹，李宏圣，叶迪，刘颂凯，张磊.考虑不确定性和多主体博弈的增量配电网源网荷协同规划方法[J].中国电机工程学报，2019，39（09）：2689-2702.
[8] Nahman J， Peri? D. Path-set based optimal planning of new urban distribution networks[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2017， 85：42-49.
[9] 赵学会， 王克峰， 梁骏，等. 考虑多能互补的合肥空港经济技术示范区增量配电网规划[J]. 电工技术， 2018， No.471（9）：40-43.
[10] 杨龙.基于增量配电网的规划设计——以张家川县中部工业集中区配电网规划设计为例[J].南方农机，2019，50（12）：246-247.
[11] Amjady N， Attarha A， Dehghan S， et al. Adaptive Robust Expansion Planning for a Distribution Network With DERs[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2018， 33（2）：1698-1715.
[12] 张耀东. 基于全寿命周期成本的增量配电价格测算[J]. 水力发电， 2018（4）：52-56.
[13] 徐玉琴， 刘杨， 谢庆. 基于全寿命周期成本的配电网无功规划研究[J]. 电力系统保护与控制， 2018， 46（11）：30-36.
关键词：增量配电网规划;经济性影响因素;全生命周期成本模型;分布式电源接入;需求响应
0 引言
增量配电网是我国电力体制改革的一项重要内容，随着电改进程的不断推进，增量配电网从概念提出、到改革试点落地、再到试点区域的试运营，国内增量配电网历经了初步的探索和发展[1]，从目前增量配电试点项目来看，增量配电网改革试点项目的目标区域基本以新的工业园区、高新产业园区和经济技术开发区等区域型电网为主[2]，因此本文主要对园区级规模的增量配电网规划进行探究。
增量配电网规划在国内尚属起步阶段，随着增量配售电业务改革的逐步推进和深化，增量配电网规划也需相应的适应性发展，其中，新能源、分布式电源（Distributed Generation，DG）和需求响应（Demand Response，DR）均对增量配电网的规划提出了更高的要求[3-5]，增量配网规划在技术发展和业务要求上均面临着挑战。
首先在技术发展上，随着DG渗透率的不断提高，增量配网的结构必然产生新的变化[6-8]，当中低压配电网接入DG、储能设备、电动汽车后，网络潮流由单向变为双向，配网结构变的复杂;其次在业务需求上，新电改中的一项重要内容是：“积极开展电力需求侧管理和能效管理”[9]，该指导思想积极推动了国内需求响应的研究和实践，也在一定程度上造成了用户用电行为的改变，最终对增量配电网规划产生影响。
针对上述问题，本文结合国内外相关研究和实践情况，分析了园区级增量配电网规划趋势的经济性影响因素，重点研究了DG接入和DR实施对增量配电网规划的影响。
1 增量配电网规划趋势的经济性影响因素分析
1.1 分布式电源接入
DG接入是未来配电网规划须纳入考虑的一项关键因素，也是未来微电网、能源互联网发展的主要内容之一，DG接入比例的变化对增量配电网同样会产生重要影响[10-11]。本文以分布式光伏为例，从技术和经济两个角度研究DG对增量配电网规划造成的影响。
为了从经济角度分析DG接入对增量配电网规划产生的影响，本文建立了DG接入下的增量配电网全生命周期成本模型。全生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是五角大楼于二十世纪六十年代提出的一项费用分析技术[12]，最早运用于美国军事经费分析研究，由于该项技术具有较强的实用性，因此后来在其它领域也得到了运用。配网规划及建设的全生命周期成本是指在考虑资金时间价值的条件下，项目在全部生命周期内所发生的与其有关的所有成本[13]。当项目主体不同时，项目工程周期必然存在区别。一般情况下当配电网工程项目已难以满足负荷需求时，不会考虑废弃已有配电网，而是选择升级改造该配网，故配网工程项目的全生命周期通常分为项目建设和项目运维两个主要阶段，在这两个阶段中的成本大致包括建设成本、运行成本和故障损失成本。
建设成本主要是指在目标增量配电网建设区域的变电站建造成本（包括设备购置、安装及调试费用等）、线路成本和DG的接入成本，DG的接入成本通常随电源安装容量的提升而增加;运行成本主要是指增量配电网在运行过程中的检修、维护和损耗成本，以及从主网购电的成本，其中购电成本用单价和电量表示，DG的运行成本基于发电量计算;由于故障损失成本与配网运行可靠性、负荷情况变化等多项因素有关，同时近年来随着配网自动化（Distribution Automation，DA）技术的快速发展，故障产生率及损失都得到了大幅降低，因此本文假设每年的故障损失成本为常数，在此不作深入讨论。
此外，增量配电网接入DG具有降低线损、改善电压分布的节能减排效益，随着系统DG渗透率不断提高，其节能减排效益日渐凸显，因此本文将节能减排效益作为重要的收益项纳入考虑。
目标函数为最小全生命周期成本，约束条件为功率平衡约束、电网径向度约束、电流约束、节点电压上下限约束、功率范围约束、DG发电量约束。
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考虑系统低谷时对电力用户的激励措施以及高峰时对用户的限制措施，将DR费用分为高峰期限制用户减少用电量的补偿费用和低谷期引导用户提高用电量的措施费用，因此表达式可表示为：
（2）
式中， ——激励负荷点i增加负荷需求的单位措施费用（元/kWh）;
——由于需求响应措施负荷点i所增加的负荷（kWh）;
——补偿负荷i的负荷限制的单位补偿费用（元/kWh）;
——负荷点i的缺负荷功率（kW）;
——负荷限制时间（h）。
将式（1）与式（2）结合，加入DR约束得出新的优化模型，即实施DR后增加的负荷功率、缺负荷功率需在上下限范围内。
2 模型求解
本文通过引入遗传算法（Genetic Algorithm，GA）来求解优化模型，遗傳算法是一种通过模拟自然进化进程搜索最优解的算法，因其具有效率高、利于全局择优的优势，在电网规划运行方向应用广泛。图1为遗传算法求解流程图，其流程基于自然进化的优胜劣汰法则，最终可得到适应度更好的最优种群。
具体方法是根据优胜劣汰的自然法则，将初代种群进行遗传和演化以产生更优的近似解，即计算每一代个体的适应度，根据适应度选择最优情况实施遗传算子的复制、交叉和变异，进行下一代的遗传和演化;最后将得到的种群中以二进制表示的最优个体进行十进制解码，得出最优解。本文在模型的求解过程中，为了使目标函数达到最优，不设置收敛阈值，而是通过设置进化终点的方式。例如，设置进化100代后算法停止，比较历代个体的适应度以得到最优解。 3 算例分析
3.1 算例数据
本文建立了IEEE 33节点配电系统模型，利用Matlab进行求解。系统总的有功功率为
3.715MW，无功功率为2.3MVar，年用电量为5.45GWh，设定除电源点S外，其余所有节点均可配置DG。
假设系统中DG的接入比例为28.6%，建设成本为9100元/kW，运行成本为0.09元/kWh，该配电网向主网购电电价为0.455元/kWh，系統年最大负荷损失小时数为4200h，单位污染物排放量为0.36吨/kWh，年故障损失成本为平均电价的50倍，贴现率为4%。
根据现有模型，首先设定每个节点的DG容量为 ，种群大小为100，最大代数为200，DG容量的范围为0～200kW，数值精确到个位。利用公式（1），结合每个节点的预估容量，确定基因编码长度，计算出 ，即各节点对应的染色体编码为8位，每个个体染色体总长度为256位;其次采用复制、交叉和编译遗传算子，得到子代个体，利用轮盘赌算法选择新生个体组成下一代种群，综合成本函数取相反数作为适应度评价函数。在迭代次数达到1000次时，比较1000代种群中各个体的适应度，选择适应度最高的个体，采用式（3）进行解码。
3.2 算例结果
利用Matlab求解得出模型优化结果，如图3所示，种群在第21代得出最优解，其结果如表1所示。
由模型优化结果得到最小全生命周期内的各项成本值如表2所示。
从表2接入DG与不接入DG两种情景下的成本对比可以得出，虽然DG接入存在建设成本，但其向主网购电成本、配电网损耗成本、污染物排放成本均小于无DG接入的情况，总成本也低于DG不接入的情况，因此增量配电网建设时将DG纳入规划更具经济性和环保性。
设定低谷期引导用户的单位负荷增加的激励费用为0.1元/kWh，高峰期限制用户减少用电量的补偿费用为0.2元/kWh，对DR优化模型进行求解。
由模型优化结果得到实施DR后的最小全生命周期内的各项成本值如表4所示。
从表4可以看出，对于有DG接入的增量配电网，实施DR后，DG容量降低使得各项成本下降，因此对于含DG的增量配电网，在规划时纳入DR能够降低全生命周期成本。
4 结语
本文以增量配电网最小全生命周期成本为目标函数，以功率、电流、电压等电气约束作为约束条件，建立了电力体制改革下的增量配电网LCC模型，引入了GA算法通过设置进化终点的方式得到模型最优解，分析了DG接入和实施DR的经济性影响，最后在Matlab中建立了IEEE 33节点模型进行了仿真验证，算例分析得出到了如下结论与建议：
（1）DG接入增量配电网会对网络稳定造成一定冲击，但DG接入后其向主网购电成本、配电网损耗成本、污染物排放成本均有所减少，总成本得到了降低，因此接入DG对提高增量配电网建设及运行的经济性有积极影响，增量配电网规划将DG纳入考虑更具经济性和环保性。
（2）对于有DG接入的增量配电网，在满足负荷要求的前提下，实施DR可降低系统DG的安装容量，DG容量降低使得各项成本下降，因此对于含DG的增量配电网，在规划时纳入DR能够降低全生命周期成本，DR的良好经济性符合电网供需双向互动的新趋势，兼容DR技术的智能配电网是未来增量配电网规划发展的重要形态。
参考文献
[1] 钱佳佳. 增量配电网投资风险与规划研究[D].浙江大学，2019.
[2] 王程.工业园区建设增量配电网的可行性分析[J].科技创新与应用，2019（22）：61-62.
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[5] 张光亚， 赵莉莉， 边小军，等. 考虑供需互动和分布式电源运行特性的主动配电网网架规划[J]. 智慧电力， 2018， v.46;No.296（6）：87-93.
[6] 杨文丽. 计及可靠性评估的中压配电网规划方案比选[J]. 电力工程技术， 2018（2）：13-19.
[7] 杨楠，董邦天，黄禹，李宏圣，叶迪，刘颂凯，张磊.考虑不确定性和多主体博弈的增量配电网源网荷协同规划方法[J].中国电机工程学报，2019，39（09）：2689-2702.
[8] Nahman J， Peri? D. Path-set based optimal planning of new urban distribution networks[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2017， 85：42-49.
[9] 赵学会， 王克峰， 梁骏，等. 考虑多能互补的合肥空港经济技术示范区增量配电网规划[J]. 电工技术， 2018， No.471（9）：40-43.
[10] 杨龙.基于增量配电网的规划设计——以张家川县中部工业集中区配电网规划设计为例[J].南方农机，2019，50（12）：246-247.
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