【配电网规划】配电网N-1扩展规划研究（Matlab代码实现）

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💥1 概述

电网建设中,为了提升供电可靠性,通常要进行N-1校验分析。在配电网中N-1校验应用还不成熟,配电网中N-1的定义及算法都有待研究。基于实际配电网"闭环设计、开环运行"的特征,提出一种考虑N-1安全准则的配电网与分布式储能联合规划方法,可同时给出储能的选址定容、配电网的闭环规划、及开环运行方案。建立考虑N-1安全准则的联合规划模型。

实际配电系统通常在开环中运行，但设计为闭环，能够在紧急情况下进行负载转移。本文提出了N-1准则下的配电网扩容规划问题方法，提出了最优闭环投资和开环运营方案。为了减轻模型的计算负担，首先放宽N-1准则的约束，然后通过迭代添加绑定或联约束来解决问题。

配电网N-1扩展规划研究

一、配电网N-1准则的定义与核心要求

基本定义
N-1准则是电力系统安全运行的核心理念，要求配电网在任一元件（如线路、变压器、发电机等）发生故障或计划停运时，仍能维持稳定运行，不损失负荷，且其他元件不过载，电压和频率保持在允许范围内。其核心包含两层含义：
- 电网稳定性：确保故障后系统不崩溃、不解列；
- 用户连续供电：最大限度减少停电范围和恢复时间。
分级应用要求
根据电压等级和故障类型，N-1准则具体表现为：
- 高压配电网：单条线路或主变故障时，不损失负荷，允许通过转供恢复供电；
- 中压配电网：故障段隔离后，非故障段需维持供电，且电压质量和负载率满足要求；
- 低压配电网：允许短时停电，但需快速修复或切换至备用电源。
技术指标
- 容载比：反映变电设备裕度，需结合负荷增长动态调整；
- 联络率：中压线路有效联络率需达到100%，确保故障时快速转供。

二、N-1扩展规划的主要方法及技术路线

数学优化方法
- 混合整数规划（MILP/MISOCP）：以投资成本、运行费用最小化为目标，结合潮流约束、电压限制等条件建模。例如，采用二阶锥松弛技术处理非线性问题，提升求解效率；
- 机会约束优化：引入概率模型处理分布式电源（DG）和负荷的不确定性，避免极端场景导致的高投资成本。
启发式与智能算法
- 遗传算法（NSGA-II）：用于多目标优化，平衡经济性与可靠性，生成Pareto前沿解；
- Benders分解：将规划问题分解为主问题（投资决策）和子问题（运行校验），降低计算复杂度。
数据驱动技术
- 负荷聚类分析：通过改进高斯混合模型处理DG与负荷的时空分布特性，优化设备选址定容；
- 空调负荷潜力挖掘：基于用户行为数据评估需求响应能力，降低扩容需求。
新型技术融合
- 储能系统（ESS）联合规划：通过储能的灵活充放电补偿故障期间的功率缺额，减少线路扩容需求；
- 智能软开关（SOP）：动态调节潮流分布，提升网络冗余度。

三、N-1准则在扩展规划中的典型应用场景

变电站与主变规划
- 单台主变或单回进线故障时，需通过站内联络或相邻变电站转供负荷；
- 案例：浙江省岱山经济开发区要求至2025年全部变电站满足主变N-1准则。
分布式电源接入
- DG合理配置可提升故障期间的本地供电能力，例如光伏在日间故障时支撑负荷；
- 需校验DG并网后的反向潮流对保护装置的影响。
极端场景应对
- 考虑风电/光伏极限出力场景，优化储能容量配置以应对长时间停电；
- 案例：IEEE 25节点系统验证储能联合规划可降低总成本15%。
城市核心区电缆网络
- 采用双环网或网格结构设计，确保电缆故障时快速隔离并转供。

四、典型案例分析

国内案例
- 天津10kV配电网：通过标准化接线（如“三双”结构）提升联络率，实现N-1通过率100%；
- 江苏某园区：采用储能与配电网联合规划，减少线路投资20%，故障恢复时间缩短至30分钟内。
国际案例
- 越南电力系统：升级220kV线路以满足N-1准则，解决北部与中部电网的传输瓶颈；
- 塔吉克斯坦电网：基于N-1准则设计500kV输电走廊，支撑水电外送和跨境电力交易。
仿真验证
- IEEE测试系统：在16节点和25节点模型中，验证考虑电压约束的N-1规划可降低网损12%。

五、挑战与解决方案

挑战	解决方案
分布式能源高渗透	采用概率建模与鲁棒优化，预留备用容量；推广交直流混合配电网技术
负荷预测不确定性	融合多源数据（如GIS、用户用电行为），采用神经网络与蒙特卡洛模拟
经济性平衡难题	引入全寿命周期成本分析，优化储能与线路投资的协同效益
极端气候与故障叠加	构建“风电-负荷”联合极端场景库，强化N-1校验的鲁棒性
数字化水平不足	部署智能巡检系统（如无人机+AI），实现设备状态实时感知与故障预判

六、未来研究方向

多能互补系统：探索配电网与热力、燃气网络的协同规划，提升综合能效；
动态N-1准则：结合实时运行数据调整安全裕度，实现“自适应”规划；
政策协同机制：推动配电网规划纳入国土空间规划，保障廊道资源。

📚2 运行结果

2.1 IEEE16节点

不考虑考虑节点电压约束

考虑考虑节点电压约束

2.2 IEEE25节点

不考虑节点电压约束

考虑节点电压约束

部分代码：

function I_Matrix=Nodes_get_I(Nodes_Counts,Line_dat)
%% 此函数目的为读取18节点配网规划的数据，生成节点-支路关联矩阵 incidence matrix
%输入：Nodes_Counts——节点数,Line_dat——18节点配网规划数据，要求Nodes From 和Nodes To 在前列
%输出：A_Matrix为节支关联矩阵

%% 读取Line_dat中的数据
F_Bus=Line_dat(:,1);
T_Bus=Line_dat(:,2); %两端点
%% 建立节支关联矩阵A_Matrix，规则为：A_Matrix(F_Bus(i),T_Bus(i))=1
I_Matrix=zeros(Nodes_Counts,length(F_Bus));
for i=1:length(F_Bus)
I_Matrix(F_Bus(i),i)=1;
I_Matrix(T_Bus(i),i)=1;
end
end