基于电压制式的电网最优供电半径研究.pdf

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第38卷第l9期2010年l0月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_o1-38No.190ct.1.2010基于电压制式的电网最优供电半径研究柳占杰,许跃进(中国农业大学信息与电气_T-程学院,北京100083)摘要:供电半径是影响电网结构是否合理的重要参数。精确科学地构建电网结构模型是求解过程中首先要面临的问题。通过引入决策变量,在供电半径未知的情况下构建了电网结构规划模型,进而用供电半径及描述了电网的建设费用和损耗费用,最后以单位面积供电区域年费用目标函数,以电压允许偏差为约束条件求解最优供电半径。该方法解决了以往粗略地以供电半径代替线路长度及变电站个数表示不准确等问题,使模型更加合理,更加符合实际情况。关键词:供电半径;电网模型;合理结构;电能密度;年费用ResearchontheoptimalgridradiusbasedonstandardvoltageL1UZhan ̄ie,XUYue ̄in(Schooloflnform ̄ion&ElectricalEngineering.ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Thepowersupplyradiusistheimportantparametersaffectingifthepowerstructureisreasonable.Exactlyandscientificallybuildinggridstructureisthefirstproblemfacedintheprocess.Accordingtotheintroductionofdecisionvariablesinthispaper,programmingmodelofgridstructureisbuiltwhenthepowersupplyradiusisunknown,thenthepowersupplyradiusand五areusedtodescribetheconstructioncostsandlosscosts.Atlast,itputsforwardtheoptimalpowersupplyradiusbytakingasmallestcostofpowersupplyintheunitareaastheobjectivefunctionandvoltageoffsetasconstraints.Itsolvestheproblemsofusingradiusinsteadofthelengthoflinesroughlyanddescribingthenumbersofsubstationsinaccurately.Thismethodmakesthemodelmorereasonableandmoreinlinewiththeactualsituation.Keywords:powerradius;gridmodel;reasonablestructure;powerdensity;annualcost中图分类号:TM715文献标识码:A———文章编号:16743415(2010)190087050引言供电半径是指变电所或配电变压器供电范围的地理半径,电网的合理布局关键是变电所布局,这和变电所的供电半径直接相关。供电半径的大小直接影响电网变电所和线路的年费用,也影响电网的供电电压质量。供电半径并不是在满足电压条件下所能达到的最大供电距离。供电半径增加,变电所投资相对减少,但线路投资、线损增加,其年费用可能增加;供电半径减小,线路投资、线损减少,但变电所投资相对增加,其年费用也可能增加。所以,供电半径的大小,是一个在满足约束条件的综合优化问题【jJ。解决这个问题,可以求得电网的合“”—基金项目:国家十一五科技支撑计划项目(2O06BAJO4B06001)理供电半径。目前对电网合理供电半径的求解一般采用以单位供电面积年费用(包括变电站和线路等的建设费用和损耗费用)最小为目标函数,以基本技术要求(如电压允许偏差)为约束函数进行优化,求解不同负荷密度下的经济供电半径。文献[2】通过求解农村经济供电半径对三种供电模式的年费用进行比较,提出了农村电网应适当限制35kV电压等级的发展,并在负荷密度较高的地区进行20kV电压等级试点研究的建议。现实中的输配电网非常的复杂,在构建各项费用的过程中,由于无法对规划区域变电站的个数、位置及线路的出线情况做出准确的描述。因此目前的研究中都对电网结构模型做了一些简化处理。文献[3]结合东北地区的特殊情况,认为每个变电站均.88.电力系统保护与控制为六条回路(六角形)出线,且66kV线路长度为10kV线路供电半径的2倍。这些假设虽然很大程度上简化了问题,但同时也给结果带来了不小的误差。因此如何准确地建立电网结构模型,从而精确建立年费用最小目标函数具有很大的意义。1数据的处理与电能密度的引入1.1数据的采集与处理首先对所研究的区域进行数据采集。本研究是以冀南地区为背景,统计规划地区的供电面积、年用电量、最大负荷、各电压等级变电站容量、不同电压等级导线类型、各等级变电站不同容量的造价及各等级导线不同类型的造价等。将采集的数据进行回归拟合得到各级变电站容量与造价的对应函数关系以及各级线路造价与导线截面积的函数关系等。1.2电能密度的引入在规划设计中大多采用负荷功率在供电区域内均匀分布这一理论来进行研究。但是随着经济的快速发展,各地区负荷性质及负荷水平差异逐渐增大,便出现最大负荷同时率的问题。因此,应用统一负荷密度对整个网络进行规划设计存在着一定的局限性。而电能不具有同时率的问题,可以进行简单的叠加I4J。所以,在电网规划设计中应用电能密度进行分析,可以很好地避开最大负荷的同时率…问题,使各电压等级的电能密度值得以统,这样对各个电压等级的变电站均用相同的电能密度值(不计集中负荷时)进行变电站容量等的分析计算。可使得计算上更加准确、方便。鉴于此,本文中数学模型均是以电能密度为基础来进行推导和计算,式(1)是电能密度的表达公式。=iw:(1)式中:表示电能密度(kWh/km):W表示规划区域负荷消耗的电能(k);S表示规划区域面积(km。);表示规划区域最大负荷(kW);表示最大负荷利用小时数(h)。2电网结构模型的构建2.1电网结构模型的构建方法为了使本文所研究的各种供电方案具有较强的对比合理性,在尽可能结合实际的情况下提出了电网结构模型的构建条件。1)供电区域设计为圆形,变电站位于圆形区域的中心。电网主要采用放射式接线方式输电,不同区域的变电站出线条数不同,所以正六边形(六条出线)布局已不能准确反映实际的电网结构。本文采用变电站有,2条出线的近似圆形供电区,这种电网布局更接近实际。2)模型以220kV变电站为电源点,认为上一级电源容量充沛,规划区域电能按面积均匀分布。在输配电网络中,某~电压等级的电网是由上一电压等级变电站的二次侧出线与线路末端所连接的变电站组成,输配电网络就是由相互联系的不同电压等级的电网组成。因此构建电网结构的关键就是将变电站的供电区域进行合理的划分,明确上下两级变电站的个数及位置。现以一个220kV变电站的供电面积为规划区域、以220/110/10kV供电模式为例说明电网结构模型的构建方法,供电分区如图1所示。图1规划分区示意图Fig.1Planningareazoning如图1所示,220kV变电站供电区域被划分为一个圆形负荷区域A和若干环状负荷区域A1,…A,,,A,220kV变电站位于圆形区域中心,以辐射形式向外层110kV变电站输电。假定110kV和10kV线路的经济供电半径分别为局1o和R10,现定义为供电区域半径,表示该等级变电站覆盖的供电面积区域半径。图中所示220kV变电站供电区域半径220可以用经济供电半径表示为:RS220Rl10+R10柳占杰,等基于电压制式的电网最优供电半径研究.89一同理,110kV供电区域半径为:Rsl10=R10如图1所示,将半径为,,0的规划区域由外向…内进行划分,各环形负荷带A1,A,,,A的宽度均为2Rs10,110kV变电站布置在环形带的中心,这样圆形负荷区域A0最大半径为2110。可见变电站的个数和位置都是由上下两级供电区域半径决定的,但由于供电区域半径是优化变量,所以仍然无法对规划区域进行明确的划分,现以220/110kV变电等级为例,引入决策变量,,划分220kV供电区域示意图如图2。图2供电区域分区图Fig.2Figureofzoning如图2所示,,分别为A和A,环形区域的决策变量,当为1时表示该环形负荷带存在,当为0时,表示该环形负荷带不存在。圆形区域A的…半径w可以表示为Rw=。一2(十),从图中可以看出Rw的取值范围为0<R<2。整理后就可以得到供电区域半径之间的关系:l1o(2)[1+2)<Rs220<Rs110(2, ̄1+2+2)另外两个环形区域存在约束关系,当A,负荷带存在时A】负荷带一定存在;A1负荷带不存在时A,负荷带一定不存在。即当为1时必为1;当为0时必为0。用代数式表示决策变量的关系为:>一0.5同理可以引入决策变量对110/10kV变电等级进行同样的划分。2.2年费用构造方法衡量一个电力网建造的经济与否,常常采用建设费用投资和年运行费用投资两个经济指标。建设费用投资是指电力网在建造时一次付出的资金,年运行费用投资是指为维持网络正常运行每年电能损失的折价。本节在上文建立的电网结构模型的基础上分别构建建设费用投资和年运行费用投资。2.2.1建设费用投资构造方法1)变电设施规模与费用计算根据前文所述,变电设施费用主要和变电容量有关,变电站容量的选择直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除了依据容量基本原始资料外,还应根据电力系统的发展规划、输送功率大小以及电压等级等因素进行综合分析和合理选择。应用电能密度值及容载比可确定220kV供电区域内变电总容量为:一p兀20r¨ ̄B220一…max220式中,。表示容载比(kVA/kW)。220kV变电站存在10kV出线,所以供电区域中心相当于一个110kV变电站。因此220kV供电区域内110kV变电站个数为:‰=--一2B110㈩L)Sl10』max220式中,S。表示110kV变电站容量(kVA)。这样便可根据变电站容量与造价的关系得到110kV等级变电站的费用。其他等级变电站费用可采用相同方法计算。2)线路规模与费用计算电力线路的投资与导线截面直接相关。如果截面选择过大,将进一步增加电力线路的投资和有色金属的消耗量;而导线截面选择的过小,将使线路损耗增大,且电压损耗增大,致使网络中有些点的电压满足不了要求。因此电力线路导线截面的合理选择,对电网的经济运行、提高电能质量都是很重要的。应用经济电流密度确定每条进线正常运行方式下的经济输送功率为:P=43JSjUNcos(4)式中,S,表示导线截面(mm);J表示经济电流密度(A/mm);cos ̄ox表示线路的功率因数。由变电站的总有功功率和每回出线的输送功率可以确定变电站的出线条数:::;:(5)P ̄/3JS]UNaxCOS一9O-电力系统保护与控制式中,尸R表示变电站总有功功率(kw)。本文电网结构均按照辐射式网络进行布置。离电源点较近的变电站进线不仅承担本层负荷带变电站的负荷功率,还承担本层以外各负荷带的总负荷功率。圆形区域110kV线路即220kV变电站出线承担整个规戈0区域的供电面积,因此出线条数为:等(6)内环中的变电站承担本层负荷带负荷功率的同时还要向外环变电站送电,这样可以由内向外的依次确定每个环形负荷带出线条数,如A环形带110kV线路出线条数为:",:!±2:PⅡf尺22o一[尺s22o一2(+22)s1lo】)x/3JSiUNrmax220COS(Pl10其中,尸Bl和尸B2分别表示A1和A2环形带的有功功率。A,环形带的110kV线路只承担本层的负荷功率,因此出线条数为:一:!二!二(。0)’———————————————————————————————————————————,f一==一/Px/3JSjUNax220COS妒1l0由上文所述,110kV变电站位于环形负荷带的中心。因此环形带之间输电线路长度均为2Rsl10。模拟规划区内110kV线路的总长度为:Lllo=nl(Rs22o一(+2z2)RS11O)+2.2Rs110(9)这样便可根据单位长度线路造价与导线截面的关系求得供电区域内110kV等级的导线造价。其他等级线路造价可按相同方法计算。2.2.2年运行费用构造方法1)模型功率运行情况从模型10kV线路末端开始,考虑无功补偿及线路和变压器的有功、无功损耗情况,分别计算出变压器低压侧和线路末端的功率因数,依次递推到220kV变压器末端。模型功率运行情况如图3所示。图3功率运行情况图Fig.3Situationofpoweroperation应用电能密度和自然功率因数角表示10kV线路末端输出功率为:P+j0=10+1otan ̄p-(1+jtan)式中:10表示规划区域内10kV网有功总负荷(kW);表示自然功率因数角。10kV线路长短不一,因此不能简单地用单条线路损耗乘以线路条数来表示10kV输电线路损耗。由上文可知每条10kV线路输送功率及该等级线路长度,因此可以先求解单位长度线路的损耗,再乘以线路的总长度,这样便可以较为精确地表示线路损耗。每条10kV线路的末端功率为:o=P1o+jo=0+JPlotaJ1(10)式中,。表示每条10kV线路输送的有功功率(kW)。由式(10)可得单位长度10kV线路损耗为:10+・。:0j10…)1…310(no+jxlo)xl0在110kV变电站低压侧母线进行补偿量为QC110的无功补偿,得到110kV变压器低压侧功率因数角正切值为:=(12)式中:1o表示110kV变压器低压侧功率因数角;…表示规划区域内110kV网有功总负荷(kW)。由于变压器额定功率和变电容量的比值可以表示为:Ⅳ南¨13)由式(13)110kV变压器有功损耗和无功损耗分别为:『厂、2]nI+m【j}sy,加4△Q ̄TllO=川。+而uk%S? ̄o)式中:APoll0表示110kV变压器单位容量的空载损耗(kW/kVA);l1o表示110kV变压器单位容量的负载损耗(kw/l(vA);lo%表示空载电流,0的百分值;Uk%表示短路电压己,k的百分值。这样由变压器有功、无功损耗可以计算出110kV线路末端的功率因数角的正切值为:柳占杰,等基于电压制式的电网最优供电半径研究一9l-△ⅣⅣQ110+0Q1o+l10A ̄Tll0一l10Qc110Ⅳ110+01o+l10川。式中,仍】0表示110kV输电线路功率因数角。110kV线路和220kV变压器损耗情况可以采用相同方法计算。2)变电站的年运行费用变压器的损耗费用包括空载费用和负载费用。空载损费是按变压器实际投入电网运行的时间计算的。负载损耗费是变压器的最大负荷损失小时数与最大负荷时功率损耗的乘积【5】,计算每个变电站的年电能损耗费用公式为:『r、2]Ⅳll+【焘JI6L、一J式中,表示变压器的最大负荷损失小时数(h)。3)线路的年运行费用由上文计算出的各级线路的有功损耗可以计算线路电能损耗费用:=∑x(17)式中:表示该等级线路长度(km);x表示该等级线路的有功损耗(kw)。3供电半径优化模型”根据电网电压制式优化配置方案【6一,将建设投—资费用和损耗投资费用作为目标函数,以GB123251990规定的不同电压等级的电压允许偏差值为约束条件建立数学优化模型,在此基础上可以对各种电压等级组合进行经济供电半径的优化求解。3.1目标函数选用单位供电面积年费用作为目标函数。△NF=(KdZ+P)/兀聪220(18)式中:NF表示规划区域单位面积年费用(万元);表示投资等年值系数;Z表示建设投资费用(万元);表示电能损耗电价成本(万元/kWh);AP表示电能损耗量(kWh)。3.2约束函数以各电压等级允许的电压偏差在最大负荷和最小负荷时分别对各级线路的首端和末端进行约束l引。4结论策变量,构建了新的电网结构模型,并给出了具体的构建方法及设计步骤。变电站的个数是随着供电半径的变化而变化的,而线路的长度又随着变电站个数和位置的变化而变化。本研究方法解决了构建电网结构模型时无法确定变电站个数的问题并消除了简单的以供电半径代替线路长度所造成的误差,使得模型更接近实际,求得的供电半径更加科学。因此,该方法具有很强的实用价值,为今后供电半径求解及电压制式优化过程中构建电网结构规划模型提供了的帮助。参考文献[1]汤红卫.农村电网合理技术指标的研究[J].电网技术,2006,30(增):295.297.—TANGHongwei.Studyontechnologyparametersinruralpowernetwork[J].PowerSystemTechnology,—2006,30(S):295297.[2]罗红,薛慧.农村电网合理结构的研究[J].沈阳农业大学学报,2005,36(6):724.726.LUOHong,XUEHui.Reasonableframeworkofruralpowernetwork[J].JournalofShenyangAgriculturalUniversity,2005,36(6):724-726.[3]张秀然,孙国凯,杨涛.经济供电半径的实用计算方法及分析【J].沈阳农业大学学报,1998,29(3):—249251.ZHANGXiu.ran,SUNGuo.kai,YANGTao.Thepracticalcountme 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