适应季节性负荷的配电变压器与台区线路协调规划方法

刘晨苗, 刘宗歧, 刘明华, 刘文霞, 全少理

刘晨苗, 刘宗歧, 刘明华, 等. 适应季节性负荷的配电变压器与台区线路协调规划方法[J]. 现代电力, 2020, 37(3): 255-262. DOI: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0414
引用本文: 刘晨苗, 刘宗歧, 刘明华, 等. 适应季节性负荷的配电变压器与台区线路协调规划方法[J]. 现代电力, 2020, 37(3): 255-262. DOI: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0414
LIU Chenmiao, LIU Zongqi, LIU Minghua, et al. Coordinated Planning Method of Distribution Transformer and Distribution Line for Seasonal Load[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(3): 255-262. DOI: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0414
Citation: LIU Chenmiao, LIU Zongqi, LIU Minghua, et al. Coordinated Planning Method of Distribution Transformer and Distribution Line for Seasonal Load[J]. Modern Electric Power, 2020, 37(3): 255-262. DOI: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2019.0414

适应季节性负荷的配电变压器与台区线路协调规划方法

详细信息
    作者简介:

    刘晨苗(1992),女,硕士研究生,研究方向为电力系统配电网规划,E-mail:1183763759@qq.com

    刘宗歧(1963),男,教授,硕士生导师,华北电力大学图书馆馆长,研究方向为电力系统运行与控制、图书情报,E-mail:lzq@ncepu.edu.cn

  • 中图分类号: TM72

Coordinated Planning Method of Distribution Transformer and Distribution Line for Seasonal Load

  • 摘要: 为改善农村煤改电地区设备利用效率低的问题,并兼顾供电可靠性,提出一种适应季节性负荷的配电变压器与台区线路优化规划方法。主要思路是建立配变间低压联络线,根据季节性负荷特点,通过联络线开关状态变化,转换运行方式,使部分配变低负荷季节退出运行。以综合费用最小为目标构建配电变压器网络双层规划模型,上层采用Voronoi法规划配电变压器,下层采用Prim算法规划低压供电线路,并结合遗传算法进行优化求解。最后,通过对典型供电区域进行配变规划验证了该方法的可行性,并且能够降低配变损耗,提高供电的可靠性和经济性。
    Abstract: Taking into account power supply reliability, this paper proposed an optimal planning method adapting to seasonal load for distribution transformer network in order to improve equipment utilization efficiency in rural coal-to-electricity conversion areas. The main idea was firstly to establish low-voltage tie-line between distribution transformers, and according to seasonal load characteristics, some distribution transformers could withdraw from operation in low-load season by switching the tie-line operation state and mode. In this method, a bi-level programming model of distribution transformer network was constructed to minimize the overall cost. Voronoi method was used to plan the distribution transformer at the upper level; Prim algorithm was used to plan the low-voltage power supply line at the lower level, and genetic algorithm was used to seek the optimal solution. Finally, the feasibility of the method was verified by the distribution planning of typical power supply areas, and it can reduce the distribution transformer loss and improve the reliability and economy of power supply.
  • 近年来,为促进农村发展,国家提出了美丽乡村计划[1],并先后实施加快小城镇电网改造升级、井井通电、户户通电、村村通动力电等多项农网专项工程以及煤改电供暖工程[2]。由于农业灌溉和电供暖等负荷[3]具有很强的季节性,并网运行后大大降低了设备利用率,供电经济性显著下降。为此,利用负荷互补性和运行灵活性,研究提高配电变压器网络运行效率的方法并优化规划[4-6],对支持供电企业可持续发展具有重要意义。

    针对含高比例季节性负荷区域,提高供电经济性的规划方法,主要有优化配电变压器配置和采用有载调容配电变压器2种方法。文献[7]考虑不同变压器类型过载能力的差异,建立了计及负荷增长风险的配电变压器全寿命周期成本模型,并提出配电变压器设备类型和容量的优化规划方法;文献[8]通过分析有载调容变压器的经济运行方式和临界经济容量,给出了有载调容配变的经济运行策略和安全运行策略;文献[9]针对农村电网提出了一种自适应负荷型配电变压器,可在不切断负荷的情况下,根据负荷的实际情况,实现变压器额定容量运行方式的自动切换;文献[10]根据有载调容配电变压器和常规配变的损耗关系以及全年视在功率,提出有载调容配变更换判据,然后基于有载调容配变更换成本效益分析,提出了一种电能替代下的城市配电网有载调容配变规划方法。综上所述,优化配电变压器配置只能适当降低供电的投资成本[11-12],变压器损耗依然很大。而采用有载调容配变存在设备造价较高[13]、档位调节不灵活致使损耗减少有限、变压器设备检修和故障将引起负荷停电等几个问题,限制了其广泛应用。

    在运行规划相结合方面,文献[14]在考虑主动配电网灵活运行的网架结构的基础上,建立主动配电网扩展规划双层模型。文献[15]建立了ADN中计及网络重构的DG鲁棒优化模型。综上所述,考虑配电网重构进行主动配电网规划,能够提高配电网运行经济性,为配电变压器规划提供了新思路。因此,为提高农村煤改电地区设备利用效率,降低损耗,兼顾供电可靠性,本文提出一种适应季节性负荷的配电变压器网络优化规划方法。建立配变间低压联络线,根据季节性负荷特点,通过联络线开关状态变化,转换运行方式,使部分配变低负荷季节退出运行,同时解决了故障负荷转移的问题,提高农村电网的可靠性。该方法分2个阶段对配电变压器网络进行双层规划:第一阶段进行变压器容量位置的规划、并采用Voronoi图法形成供电范围以及生成适应考虑季节性运行方式转换的变压器低压侧联络线;第二阶段根据prim算法优化低压供电网络;然后进行全年的模拟运行仿真,通过全寿命周期成本最小获取最优方案。该方法为煤改电地区电网的发展提供了新的思路,有利于降低空载损耗,提高供电可靠性和经济性,并对推进企业、维持可持续发展具有重要意义。

    配电变压器网络规划总费用包括配电变压器、低压线路和变压器低压联络线的投资费用以及包含维护和损耗的运维费用,考虑资金的时间价值,总费用计算公式如下:

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {\min C = \alpha {C_{{\rm{IV}}}} + {C_{{\rm{OPE}}}}}\\ & {\alpha = \frac{\tau }{{1 - {{(1 + \tau )}^{ - {T_{\rm{P}}}}}}}}\\ & {{C_{{\rm{IV}}}} = {C_{\rm{T}}} + {C_{{\rm{CON}}}} + {C_{{\rm{LL}}}}} \end{aligned}} \right. $$ (1)

    式中:CIV为系统建设投资成本;COPE为运行维护成本;τ为银行利率;TP为全寿命周期;α为设备等值年系数;CT为配电变压器建设成本;CCON为配电变压器之间的联络线建设成本;CLL为低压线路建设成本,由下层模型计算。

    投资费用各组成部分的计算公式如下:

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {{C_{\rm{T}}} = \sum\limits_{i = 1}^{{N_{\rm{T}}}} {{C_{{{\rm{T}}{\_i}}}}} }\\ & {{C_{{\rm{CON}}}} = \sum\limits_{a= 1}^{{N_{{\rm{CON}}}}} {{C_{{\rm{CO}}{{\rm{N}}{\_a}}}}} = \sum\limits_{a= 1}^{{N_{{\rm{CON}}}}} {{L_{{\rm{CO}}{{\rm{N}}{\_a}}}}} {P_{{\rm{CO}}{{\rm{N}}{\_a}}}}} \end{aligned}} \right. $$ (2)

    式中:NTNCON分别为待选配电变压器和联络线总数;CT_i为第i个配电变压器建设投资成本,与配电变压器型号和容量有关;CCON_a为第a条联络线的建设投资成本;LCON_a为第a条联络线长度;PCON_a为第a条联络线单位长度建设投资成本。

    根据《农村电力网规划设计导则》规定,配电变压器容量应根据农村电力发展计划选定,一般按5年考虑,具体计算公式为

    $$\left\{ {\begin{aligned} & {{S_{\rm{H}}} = {R_{\rm{S}}}{P_{\rm{H}}}}\\ & {{R_{\rm{S}}} = \frac{{{K_1}{K_3}}}{{\cos \varphi {K_2}}}} \end{aligned}} \right. $$ (3)

    式中:SH为配电变压器在计划年限内(5年)所需容量;RS为容载比;PH为当年的用电负荷;K1为负荷分散系数;K2为配电变压器经济负荷率;K3为电力负荷发展系数;cosφ为功率因数。

    基于上层配电变压器规划方案和联络线规划方案以及下层返回的低压线路规划方案进行模拟仿真,计算系统维护成本和系统损耗成本,具体公式为

    $$ {C_{{\rm{OPE}}}} = {C_{\rm{M}}} + {C_{\rm{L}}} $$ (4)

    式中:COPE为运行维护成本;CM为系统维护成本;CL为系统损耗成本。

    运行维护费用的各组成部分的计算如下:

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {{C_{\rm{M}}} = \sum\limits_{i = 1}^{{N_{\rm{T}}}} {{C_{{\rm{MT\_}}i}}} + \sum\limits_{c = 1}^{{N_{{\rm{LL}}}}} {{C_{{\rm{MLL\_}}c}}} + \sum\limits_{a = 1}^{{N_{{\rm{CON}}}}} {{C_{{\rm{MCON\_}}a}}} }\\ & {{C_{\rm{L}}} = {C_{{\rm{LT}}}} + {C_{{\rm{LL}}}} + {C_{{\rm{LCON}}}}} \end{aligned}} \right. $$ (5)

    式中:CMT_i为第i个配电变压器的维护成本;CMLL_c为第c条低压线路的维护成本;CMCON_a为第a条联络线的维护成本;CLT为配电变压器的损耗成本;CLL为低压线路的损耗成本;CLCON为联络线的损耗成本。系统损耗成本的各组成部分的计算公式如下:

    配电变压器的损耗成本CLT

    $$ \left\{ {\begin{aligned} &{{C_{{\rm{LT}}}} = \sum\limits_{i = 1}^{{N_{\rm{T}}}} {{p_{\rm{s}}}} {W_{{\rm{LT\_}}i}}}\\ &{{W_{{\rm{LT\_}}i}} = \int_0^{{{\rm{T}}_{{\rm{LT\_}}i}}} {P_{{\rm{LT\_}}i}^t} {\rm{d}}t}\\ &{P_{{\rm{LT\_}}i}^j = {P_{0{\rm{\_}}i}} + {\beta ^2}{P_{{\rm{K\_}}i}}}\\ &{\beta = {{\left( {\frac{{{S_i}}}{{{S_{{\rm{N}}i}}}}} \right)}^2}} \end{aligned}} \right. $$ (6)

    式中:WLT_i为第i个配电变压器的电能损耗;ps为系统电价;PLT_it为第t时刻第i个配电变压器的有功功率损耗;T LT_i为 有功功率损耗数值是P LT_it的持续时间;P0_i为第i个配电变压器的空载综合功率损耗;PK_i为第i个配电变压器的额定负载综合功率损耗;β为配电变压器的负载率系数;Si为第i个配电变压器输出的视在功率;SNi为第i个配电变压器额定容量。

    低压线路的损耗成本CLL

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {{C_{{\rm{LL}}}} = \sum\limits_{c = 1}^{{N_{{\rm{LL}}}}} {{p_s}} {W_{{\rm{LLL\_}}c}}}\\ & {{W_{{\rm{LLL\_}}c}} = \int_0^{{\rm{T}}_{{\rm{LLL\_}}c}^t} {P_{{\rm{LLL\_}}c}^t} {\rm{d}}t}\\ & {P_{{\rm{LLL\_}}c}^t = {{\left( {I_{{\rm{LLL\_}}c}^t} \right)}^2}{R_{{\rm{LL\_}}c}}} \end{aligned}} \right. $$ (7)

    式中:WLLL_c为第c条低压线路的电能损耗;ps为系统电价;PLLL_ct为第t时刻第c条低压线路的有功功率损耗;T LLL_ct为 有功功率损耗数值是P LLL_ct的持续时间;ILLL_ct为第t时刻第c条低压线路的电流;RLL_c为第c条低压线路的电阻。

    联络线的损耗成本CLCON

    $$ \left\{ {\begin{aligned} &{{C_{{\rm{LCON}}}} = \sum\limits_{a= 1}^{{N_{{\rm{CON}}}}} {{p_s}} {W_{{\rm{LCON\_}}a}}}\\ &{{W_{{\rm{LCON\_}}a}} = \int_0^{{\rm{T}}_{{\rm{LCON\_}}a}^t} {P_{{\rm{LCON\_}}a}^t} {\rm{d}}t}\\ & {P_{{\rm{LCON\_}}a}^t = {{\left( {I_{{\rm{LCON\_}}a}^t} \right)}^2}{R_{{\rm{CON\_}}a}}} \end{aligned}} \right. $$ (8)

    式中:WLCON_a为第a条联络线的电能损耗;ps为系统电价;PLCON_at为第t时刻第a条联络线的有功功率损耗;T LCON_at为 有功功率损耗数值是 P LCON_at的持续时间;ILCON_at为第t时刻第a条联络线的电流;RLCON_a为第a条联络线的电阻。

    本文考虑了不同运行方案下配电变压器负载率约束,功率平衡约束、节点电压约束和线路传输功率约束:

    1)配变负载率约束。

    主要分为3部分:①每个小负荷季节配变容量须在对应负荷点所需配变容量范围内;②每个大负荷季节配变容量须在对应负荷点所需配变容量范围内;③小负荷季节配变容量占总配变容量占比与小负荷季节所需配变容量占大负荷季节所需配变容量占比相近。具体如下:

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{Hm}}i{\rm{\_}}d}}} \times (1 - 20\% ) \le {S_{{\rm{m}}i}} \le \sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{Hm}}i{\rm{\_}}d}}} \times }\\ & {\;\;\;\;\;\;(1 + 20\% )}\\ & {\frac{{\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{Hm}}i{\rm{\_}}d}}} }}{{\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{HX}}i{\rm{\_}}d}}} }} \times (1 - 20\% ) \le \frac{{{S_{mj}}}}{{\sum\limits_{i = 1}^{{N_j}} {{S_{j{\rm{\_}}i}}} }} \le \frac{{\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{Hm}}i{\rm{\_}}d}}} }}{{\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{HX}}i{\rm{\_}}d}}} }} \times }\\ & {\;\;\;\;\;\;(1 + 20\% )}\\ & {\sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{HX}}i{\rm{\_}}d}}} \times (1 - 20\% ) \le {S_{{\rm{X}}i}} \le \sum\limits_{d = 1}^{{N_i}} {{S_{{\rm{HX}}i{\rm{\_}}d}} \times } }\\ & {\;\;\;\;\;\;(1 + 20\% )} \end{aligned}} \right. $$ (9)

    式中:Ni为第i个配变分配负荷点总数;SHmi_d为小负荷季节第d个负荷点所需配变容量;Smi为小负荷季节第i个配变的额定容量;SHXi_d为大负荷季节第d个负荷点所需配变容量;SXi为大负荷季节第i个配变的额定容量;Smj为第j个配变组中小负荷季节运行配变的额定容量;Nj为第j个配变组配变个数;Sj_i为第j个配变组的第i个配变的额定容量。

    2)功率平衡约束。

    $$ \sum\limits_{e = 1}^{{{\rm{N}}_{{\rm{node}}}}} {P_e^t} + \sum\limits_{e = 1}^{{N_{\rm{T}}}} {P_{{\rm{LT\_}}e}^t} + \sum\limits_{e = 1}^{{N_{{\rm{LL}}}}} {P_{{\rm{LL\_}}e}^t} + \sum\limits_{e = 1}^{{N_{{\rm{CON}}}}} {P_{{\rm{LCON\_}}e}^t} = P_{\rm{Z}}^t $$ (10)

    式中:Pet为第t时刻第e个节点负荷值;Nnode为节点总数;PZt为大电网输送的有功功率值。

    3)节点电压约束。

    $$ U_e^{\min } \le {U_e} \le U_e^{\max } $$ (11)

    式中:Ue为第e个节点的电压值;Uemax为第e个节点的允许电压最大值;Uemin为第e个节点的允许电压最小值。

    4)线路传输功率约束。

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {0 \le {P_{{\rm{LL\_}}c}} \le P_{{\rm{LL\_}}c}^{\max }}\\ & {0 \le {P_{{\rm{CON\_}}a}} \le P_{{\rm{CON\_}}a}^{\max }} \end{aligned}} \right. $$ (12)

    式中:PLL_cmax为第c条低压线路的最大允许功率值;PLL_c为第c条低压线路的有功功率值;PCON_a为第a条联络线的有功功率值;PCON_amax为第a条联络线的最大允许功率值。

    划分配变供电区域通常采用就近原则,由于负荷点分布不均,会造成配变负载率差异较大。为此本文采用加权Voronoi图法为配变划分供电区域,在传统Voronoi图法基础上加入系数αf反应中心点qf即配电变压器的供电能力,通过多次迭代优化中心点系数,达到合理分配供电区域的目的,具体操作流程如下:

    步骤1系数初始化。令αf=1 (f=1,2,3,…,n)并初次分配供电区域。

    步骤2系数更新。由第k次划分的供电区域得到各配变负荷总量Pi(k),结合配变容量Si,计算负载率,调整各配变的系数重新划分供电区域。如果负载率较低,则需要减小对应配变的系数αi,以划分更多的负荷,因此,第k+1次迭代的系数计算方式如下:

    $$ {\alpha _i}(k+ 1) = \sqrt {{P_i}(k)/{S_i}} $$ (13)

    步骤3判断。重复步骤2,直至各配变负载率满足要求或达到终止迭代次数。

    在配变坐标容量和供电范围已知的基础上,建立低压联络线。根据季节性负荷的特点,确定小负荷季节需要退出运行的配变,并建立其与运行配变之间的联络线,同时将需要退出运行的配变的负荷转移至运行配变,完成低压联络线规划,具体流程如下:

    步骤1选择小负荷季节运行配变。基于配变容量地址和供电范围方案以及小负荷季节所需配变容量,在满足式(9)的基础上,选择小负荷季节运行配变。

    步骤2配变分配。将需要退出运行配变的负荷,在满足式(9)的基础上,以就近原则分配至运行配变。

    步骤3判断。重复步骤1和步骤2,直至达到终止迭代次数,并选出联络线建设成本最小的规划方案。

    在上层模型生成的配变和联络线规划方案的基础上,采用Prim算法生成多组低压线路规划方案,以建设成本最低求解最优方案:

    $$ \min {C_{{\rm{LL}}}} = \sum\limits_{c = 1}^{{N_{{\rm{LL}}}}} {{C_{{\rm{LL\_}}c}}} = \sum\limits_{c = 1}^{{N_{{\rm{LL}}}}} {{l_{{\rm{LL\_}}c}}} {p_{{\rm{LL\_}}c}} $$ (14)

    式中:CLL为低压线路建设成本;CLL_c为第c条低压线路的建设投资成本;lLL_c为第i条低压线路长度;pLL_c为第c条低压线路单位长度建设投资成本。

    低压配电网络生成通常采用枚举法,即列举出所有低压配电网规划方案进行求解比较,最终得出总建设投资成本最小的规划方案,计算量大且不易操作。Prim(普里姆)算法,能够实现寻找最小生成树,该生成树不仅包含全部节点,而且全部支路的系数之和最小。对低压线路进行规划过程中,配变和负荷点等同于最小生成树中的节点,且配变与负荷点的备选规划路线等同于最小生成树中的支路,系数等同于每条低压线路的总成本,通过反复生成最小生成树得到多组低压线路规划方案,具体操作流程如下:

    步骤1参数初始化。定义顶点集合QQnew和边集合Bnew,具体公式如下:

    $$ \left\{ {\begin{aligned} & {Q = \left\{ {\left( {{x_i},{y_i}} \right)|i = 1,2, \cdots ,n_i} \right\}}\\ & {{Q_{{\rm{new }}}} = \left\{ {\left( {{x_1},{y_1}} \right)} \right\}}\\ & {{B_{{\rm{new }}}} = \{ \} } \end{aligned}} \right. $$ (15)

    式中:(x1y1)为任意配电变压器的横纵坐标;(xiyi)且i=2,3,…,ni为该配电变压器供电范围内负荷点的横纵坐标;n–1为该配电变压器供电范围内负荷点个数;Bnew为空集合。

    步骤2低压线路规划。选取长度最小的边 (g1, g2),其中g1Qnew,而g2$ \notin $Qnewg2Q,如果有超过一条符合上述要求的边即存在建设总成本相等的线路,可以从中任意选择。

    步骤3参数更新。把b2储存至Qnew中,把 (g1, g2)储存至Qnew中。

    步骤4条件判断。重复步骤2和步骤3,直至Qnew=Q

    步骤5结果输出。最小生成树即低压线路规划方案通过QnewBnew描述,并输出集合QnewBnew

    遗传算法是一种基于仿生学的计算算法,以其简单、快速、鲁棒性好等特点广泛用于实参数优化问题,在非线性和不可微的连续空间问题上优于其他进化方法,其基本思想是:从某一随机产生的初始种群开始,以一定的操作规则按照变异、交叉、选择的流程不断迭代计算,并根据个体的适应值,优胜劣汰,引导搜索过程向最优解逼近。

    适应季节性负荷的配电变压器网络优化规划总流程如图1所示。

    图  1  配电变压器网络优化规划流程图
    Figure  1.  Flowchart of distribution transformer network planning optimization

    为验证本文规划方法的有效性,算例在MATLAB R2014a平台上对某典型D类供电区域进行配电变压器网络优化规划。仿真时间设定为一年,等值年系数定为0.08。

    该D类供电区域属于农村电网,总面积约为375亩,共141户常住居民,居民较为分散,冬季负荷预测结果为847.692 kW,春夏秋季负荷预测结果为96.162 kW。根据居民的分散程度将5~10户居民划分为一个负荷点,该D类供电区域共划分为19个负荷点。

    配电变压器容量估算方法如式(3)所示,相关参数根据《农村电力网规划设计导则》规定并结合该D类供电区域负荷情况选取,农村低压电力网负荷分散系数K1为1.1,配电变压器经济负荷率K2为0.6~0.7,电力负荷发展系数K3为1.3~1.5,功率因数cosϕ为0.8。

    《配电网规划设计技术导则》[16]规定:①农村低压电力网单台配电变压器容量不宜超过630 kVA;②低压电力网供电半径应低于500 m;③农村低压电力网内三相电压允许偏差为额定电压的±7%;④铝绞线、架空绝缘电线的最小截面为16 mm2。基于上述规定并结合该D类供电区域负荷情况本算例选LGJ-35型号导线。该地区D类供电区域电价为0.525元/kWh,线路折线系数取1.1,遗传算法中,计划规划配电变压器个数最大值为12,每个配电变压器包括容量、横坐标和纵坐标3个参数,因此染色体长度为36,种群规模为100,最终迭代次数为100,交叉因子为0.7,变异因子为0.3。

    通过算例仿真,优化迭代76代得到最优方案,新建配变个数、容量、地址和运行方案以及低压线路和联络线建设条数和个数情况如表1所示,网架规划如图2所示,冬季运行方案如图3所示,春夏秋运行方案如图4所示。

    表  1  配电变压器网络规划方案表
    Table  1.  Distribution Transformer Network Planning Schemes
    编号 1 2 3 4 5 各项费用/万元
    容量/kVA 315 400 400 315 200 29.388
    横坐标 114 224 343 338 322
    纵坐标 212 319 177 400 130
    春夏秋季是否运行
    低压线路长度/m(个数/条) 190.9(4) 173(5) 339.8(5) 120(3) 140.8(2) 32.406
    联络线长度/m (个数/条) 691(4) 1.733
    总费用 63.527
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    图  2  某D类配电变压器网络优化规划方案图
    Figure  2.  Optimal planning of a class D distribution transformer network
    图  3  某D类配电变压器网络冬季运行图
    Figure  3.  Winter operational diagram of a class D distribution transformer network
    图  4  某D类配电变压器网络春夏秋季运行图
    Figure  4.  Spring, summer and autumn operational diagram of a class D distribution transformer network

    表1可知,为了满足负荷需求,共建设5个配电变压器、19条低压线路以及4条联络线。由于该D类供电区域电供暖负荷较多,春夏秋三季负荷只有冬季负荷的11.3%,因此冬季采用大负荷运行方案,即将配电变压器低压侧联络线开关断开,具体运行效率和平均损耗如表2,冬季大负荷运行方案网架结构如图3所示。

    表  2  冬季配电变压器运行情况参数表
    Table  2.  Parameters of distribution transformer operation in winter
    编号 容量/kVA 负荷/kW 运行效率/% 空载损耗/W 负载损耗/W
    1 315 162.324 69.68 480 1 243.82
    2 400 228.456 77.23 560 2 119.36
    3 200 108.216 73.16 340 928.95
    4 315 156.312 67.10 480 1 358.02
    5 400 192.384 65.03 560 1 502.92
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    该D类供电区域春夏秋三季采用小负荷运行方案,即合上配电变压器低压侧联络线开关,将不在小负荷运行方案中的配电变压器即1号、2号、4号和5号配变退出运行,具体运行效率和平均损耗如表3所示,春夏秋三季小负荷运行方案网架结构如图4所示。

    表  3  春夏秋季配电变压器运行情况参数表
    Table  3.  Parameters of distribution transformer operation in spring, summer and Autumn
    编号 容量/kVA 负荷/kW 运行效率/% 空载损耗/W 负载损耗/W
    3 200 96.162 66.12 340 758.554
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    不同季节不同网架结构,小负荷季节将冗余的配电变压器退出运行,可以优化网架结构,降低空载损耗,提高电网设备利用率,有利于配电网的经济运行。随着农村经济的不断发展,农村配电网供电负荷峰谷差将持续增加,考虑季节性负荷的配电变压器网络优化规划的优势将更加明显。

    为了说明本文方法的优越性,分别基于常规配电变压器采用传统规划方法布局和基于有载调容配电变压器采用文献[10]的规划方法布局,方案结果如下。

    表4所示,灵活切换方案与传统方案相比年总费用降低了3.5%,在小负荷季节将冗余的配电变压器退出运行,降低了25%配变损耗,极大地减少了运行成本。与采用有载调容配电变压器方案相比年总费用降低了1.5%,由于有载调容配电变压器造价较高,配变建设费用要比灵活切换方案多出了6.8%。因此,灵活切换方案可以优化网架结构,降低空载损耗,提高电网设备利用率,降低供电成本,提高企业经济效益。

    表  4  方案建设费用明细对比表
    Table  4.  Detailed comparisons of construction costs between different schemes
    费用名称 单位 灵活切换方案 调容配变器方案 传统方案
    配电变压器 万元 2.351 2.51 2.351
    联络线 万元 0.139 0 0
    低压线路 万元 2.592 2.592 2.592
    配变损耗冬季 万元 0.940 8 0.940 8 0.980 8
    配变损耗春夏秋季 万元 0.152 2 0.223 2 0.512 2
    线路损耗 0.128 0.128 0.128
    总费用 万元 6.175 6.266 6.396
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    通过对灵活切换方案的分析,可以得出该方案的适应性与季节性负荷的的大小、持续时间以及负荷密度有关。在算例基础上依次改变上述参数的大小,进行多次模拟仿真,得到灵活切换方案在该算例背景下,3个参数分别对应的适应性边界条件为:季节性负荷为418.155 kW,即为原季节性负荷的0.56倍,季节性负荷持续时间为181天,负荷密度为原负荷密度0.53倍,即以季节性负荷参数为例,当季节性负荷大于418.155 kW,即大于原季节性负荷的0.56倍,其他参数不变的情况下,灵活切换方案适用于该地区,即在该地区采用灵活切换方案进行规划,可以提高运行经济性。

    针对含高比例季节性负荷区域,本文提出了适应季节性负荷的配电变压器网络优化规划方法,建立配变间低压联络线,通过联络线开关状态变化,转换运行方式,使部分配变低负荷季节退出运行。该方法以综合费用最小为目标构建配电变压器网络双层规划模型,并结合遗传算法、Voronoi和Prim算法进行求解。算例结果表明,该方法为煤改电地区电网的发展提供了新的思路,有利于降低空载损耗,达到了提高供电可靠性和经济性双重目的,并对推进企业、维持可持续发展具有重要的意义。

  • 图  1   配电变压器网络优化规划流程图

    Figure  1.   Flowchart of distribution transformer network planning optimization

    图  2   某D类配电变压器网络优化规划方案图

    Figure  2.   Optimal planning of a class D distribution transformer network

    图  3   某D类配电变压器网络冬季运行图

    Figure  3.   Winter operational diagram of a class D distribution transformer network

    图  4   某D类配电变压器网络春夏秋季运行图

    Figure  4.   Spring, summer and autumn operational diagram of a class D distribution transformer network

    表  1   配电变压器网络规划方案表

    Table  1   Distribution Transformer Network Planning Schemes

    编号 1 2 3 4 5 各项费用/万元
    容量/kVA 315 400 400 315 200 29.388
    横坐标 114 224 343 338 322
    纵坐标 212 319 177 400 130
    春夏秋季是否运行
    低压线路长度/m(个数/条) 190.9(4) 173(5) 339.8(5) 120(3) 140.8(2) 32.406
    联络线长度/m (个数/条) 691(4) 1.733
    总费用 63.527
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    表  2   冬季配电变压器运行情况参数表

    Table  2   Parameters of distribution transformer operation in winter

    编号 容量/kVA 负荷/kW 运行效率/% 空载损耗/W 负载损耗/W
    1 315 162.324 69.68 480 1 243.82
    2 400 228.456 77.23 560 2 119.36
    3 200 108.216 73.16 340 928.95
    4 315 156.312 67.10 480 1 358.02
    5 400 192.384 65.03 560 1 502.92
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    表  3   春夏秋季配电变压器运行情况参数表

    Table  3   Parameters of distribution transformer operation in spring, summer and Autumn

    编号 容量/kVA 负荷/kW 运行效率/% 空载损耗/W 负载损耗/W
    3 200 96.162 66.12 340 758.554
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    表  4   方案建设费用明细对比表

    Table  4   Detailed comparisons of construction costs between different schemes

    费用名称 单位 灵活切换方案 调容配变器方案 传统方案
    配电变压器 万元 2.351 2.51 2.351
    联络线 万元 0.139 0 0
    低压线路 万元 2.592 2.592 2.592
    配变损耗冬季 万元 0.940 8 0.940 8 0.980 8
    配变损耗春夏秋季 万元 0.152 2 0.223 2 0.512 2
    线路损耗 0.128 0.128 0.128
    总费用 万元 6.175 6.266 6.396
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-12
  • 网络出版日期:  2020-06-21
  • 发布日期:  2020-05-31

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