加速微电网开发：低压配电网设计、优化与技术经济评估的自动化工作流

《Energies》：Accelerating Mini-Grid Development: An Automated Workflow for Design, Optimization, and Techno-Economic Assessment of Low-Voltage Distribution Networks Ombuki Mogaka, Nathan G. Johnson, Gary Morris, James Nelson, Abdulrahman Alsanad, Vladmir Abdelnour and Elena Van Hove

　　

本研究提出了一种完全自动化的工作流，该工作流整合地理空间特征提取、配电网拓扑布局、导线选型、基于混合整数线性规划（MILP）的相位平衡优化、非线性交流（AC）潮流验证以及系统成本核算，旨在为新建微电网站点生成快速且符合标准的技术经济设计方案。研究人员在62个农村站点展示了该方法的可行性，以确认其在大规模农村电气化规划中的实用性。研究评估了单相、三相和混合型低压配置的设计方案。当设计约束放宽时，单相网络实现了最低的中位电压降（约0.8%）和技术损耗（约0.6%）；然而，在现实的电压降和载流量限制下，合规性依赖于导线超大尺寸，导致利用率低下（中位负载<20%）且成本显著升高。少于一半的站点满足并联导线的施工可行性限制，且单相设计通常比多相替代方案贵3–4倍。多相布局在显著降低成本的同时提供了可比的技术性能。相位平衡优化将电压降降低了15–20%，电流不平衡度降低了约50%，从而实现损耗降低和负载容纳能力的提升。总体而言，研究结果表明，自动化低压网络设计可以替代手工绘图，以可扩展的数据驱动工作流降低软成本，同时改善技术性能、可施工性和投资就绪度。

该论文发表于《Energies》期刊，旨在解决微电网低压配电网设计中的关键瓶颈问题。实现普遍电力接入需要加速分散式解决方案的部署，而世界银行估计微电网将为约三分之二的未通电人口提供最低成本的电气化策略，涉及约4.9亿人口和超过1270亿美元的投资。然而，项目实施受到项目开发周期低效、投资者信心不足和监管不确定性等因素的阻碍。现有技术设计实践中，发电资产选择和规模优化已有成熟工具，但配电网规划（包括网络拓扑和导线选型）常被视为次要问题，采用传统方法进行松散整合且未优化，导致设计选择（如馈线布局、导线尺寸和相位分配）对资本成本和技术可行性影响重大，却依赖断开的绘图和电子表格计算反复迭代，耗时且易出错。低压配电网是小地理分散农村社区供电的最经济可行和技术适宜方案，主要存在单相、三相和混合型三种放射状配置，各有其初始投资成本、设备可用性、可靠性和运维方面的权衡。确保高电能质量对低压网络的可靠高效运行至关重要，相位平衡是关键考量因素，不良相位平衡会增加中性线电流、电压偏差和导线发热。尽管低压网络设计至关重要，但现有设计仍依赖设计人员经验和启发式方法的手动流程，导致次优设计和成本估算不准，增加财务不确定性并延缓项目部署，推高了详细工程、现场评估和手动绘图等软成本。已有研究在高层面规划、离散组件优化和算法优化等方面取得进展，但多分散于独立工具，缺乏单一流成工作流。本研究开发的计算框架实现了从地理空间布局提取到标准合规导线选型、相位平衡、非线性AC验证和技术经济成本核算的端到端自动化，为微电网的可扩展、具成本效益开发提供支持。

该研究的主要关键技术方法包括：（1）基于地理信息系统和有向网络图构建的地理空间处理与网络布局生成，从电力设施、电杆、线路等空间数据层构建放射状网络拓扑；（2）层级电压降策略驱动的迭代导线选型算法，结合电压降和热极限校核，并集成基于负载增长因子的远期需求规划；（3）基于线性化LinDistFlow的MILP相位平衡优化，以最小化相位电流不平衡为目标，采用固定点迭代与二分搜索求取最小可行不平衡度；（4）使用OpenDSS进行的全非线性AC潮流验证，确保电压、载流量和损耗指标符合标准；（5）技术经济成本模型，基于导线材料成本推算总体资本支出，涵盖土建安装、保护计量和软成本等预算项目。研究样本为斐济62个独立岛屿社区的未电气化村落，采用地下XLPE绝缘电缆系统，遵循澳大利亚/新西兰标准。

研究结果部分涵盖以下方面：

**技术合规站点分析**。自动化工作流在各配置中均实现高合规率（89%–95%），单相最高（95%），三相次之（92%），混合型略低（89%–90%）。单相设计凭借电压驱动型超大尺寸实现最低中位电压降（~0.8%）和技术损耗（~0.6%），但导致导线利用率极低（中位负载约15%）；三相和混合型电压降范围约0.9%–5.0%，中位损耗1.5%–1.7%，利用率31%–36%。优化对三相设计合规性影响较小，但使混合型中位电压降从2.5%降至2.1%（改善约16%）。经济分析显示单相设计中位总资本支出526,000美元，为三相（129,800美元）的4倍、混合型（160,400美元）的3倍，成本层级主要由导线材料差异驱动。

**物理可行性站点分析**。在51个共同技术合规站点中增设并联导线不超过3根/相的施工约束后，仅43%单相设计满足可行性，而多相设计达98%。22个全配置可行站点的技术性能层级保持不变：单相电压降0.8%、损耗0.6%、利用率13.7%，多相电压降2.1%–2.6%、损耗1.6%–1.7%、利用率32.1%–34.0%。经济方面单相中位成本210,000美元仍显著高于三相（54,000美元）和混合型（70,200美元），验证多相配置在真实施工约束下的成本韧性。

**选定示例站点分析**。以峰值需求62.5 kW、162个计量结构的大型岛屿社区为例，单相设计总成本3,758,554美元，较三相（864,940美元）和混合型（870,238美元）高逾278%，而电压降（0.71% vs 2.97%/1.98%）和损耗（0.71% vs 1.37%/1.08%）的改善幅度在5%合规限值内不构成成本合理性。MILP优化使混合型设计源流电流不平衡因子从12.31%降至0.58%（降幅95.29%），电压不平衡因子同步降低95.30%，有功损耗降低9.26%，最低电压从0.9802 p.u.提升至0.9855 p.u.，相位-中性点电压曲线更为平坦对称。

**相位平衡结果**。在技术合规混合型站点中，优化使源流电流不平衡因子中位从12.3%降至6.7%（降幅45.5%），且离散度收窄，表明求解器在多样网络布局中一致降低了残余中性线电流。

**讨论与结论**。该研究建立的自动化工作流将地理空间建模、导线选型、MILP相位平衡优化和AC潮流验证整合为统一流程，直接应对了行业实践中手工绘图、电子表格校核和迭代修订的碎片化问题，减少了软成本和人为错误，提高了设计可复现性和投资决策透明度。研究确认：单相网络在技术约束放宽时电气性能最优，但在现实约束下依赖超大尺寸和并联导线导致施工可行性和经济性劣化；三相网络在所有62个站点中均为最稳健且成本最低的配置；混合型网络经优化后相位平衡显著改善，为馈线拓扑不规则场景提供灵活性但成本不及三相优势。将施工可行性筛选嵌入自动化流程，确保设计既技术合规又物理可实现。研究结论部分指出，该工作流为大规模农村电气化规划提供了可靠且可扩展的低压网络设计基础，其标准化透明的方法使工程师能够在统一分析环境中一致地评估多配置选项，减少人工投入并提升设计决策有效性。未来可扩展至架空和混合配置、地理空间路由优化、低压-中压协调、分布式能源资源集成、时序潮流分析及低压直流网络等领域。