变电站容量与间隔资源的配电网协调规划分析

贺兴安孙 洁戈 君

(国家电网银川供电公司,宁夏 银川 750000)

0 引言

变电站容量和间隔资源分配直接影响到电力系统出线情况和网架的结构形态,提高对电网间隔的使用效率和管理可以有效提高电力系统的运行效率[1]。因此变电站容量和间隔资源分配是配电网电力系统规划的重点研究对象。为了更好的保障电力系统的供应,在现有变电站的基础上对有限电网间隔资源进行合理分配,实现科学规划电网间隔和提高供电可靠性的目的。

目前,电力企业常用的变电站地址和容量设计大多根据历史电力负荷数据,利用数学模型进行优化求解。但负荷数据时间跨度过大,难以满足负荷变化要求,不能达到最优配置。已有较多文献研究配电网规划和间隔资源优化问题,文献[2]在负重系数的基础上提出了基于协调因子的电力系统协调规划模型;文献[3]针对嵌入式微电网提出了规划和调度方法。文献[4]针对电力系统出现间隔短缺的问题,提出了提高出线间隔利用率的方法。文献[5]对不同接线方式进行了分析,并对不同接线方式进行可靠性分析。文献[6]对电网配电间隔分配现状进行了分析,并对常用间隔优化方法进行了介绍。文献[7]针对间隔资源不足的问题,从设备角度提出了提高间隔利用率的方法,缺乏负荷和间隔资源之间的关联分析。但目前研究大多针对接线设备,没有对电网间隔及其负荷集群的分配进行研究[8]。

针对上述问题,文中以变电站间隔的供电能力和供电半径为基础,提出了基于分层模型和二进制粒子群算法的变电站容量与间隔的资源协调规划方法,通过整合变电站间隔资源同时提高变电站容量利用率,提升变电站的运行效益进而实现各变电站内间隔资源的优化。

1 相关技术指标

1.1 使用/负载比系数

在电力系统中,变电站稳定运行的负荷范围在80%以内,而变电站间隔的使用率可以接近理论值,达到最优利用率[9]。因此,在负荷允许的情况下将定义变电站使用/负载比,并将其控制在1.4～1.7之内,公式如下

变电站使用/负载比在1.4～1.7之内时状态最佳,当使用/负载比超过上限时,会出现10 kV侧负荷较小,间隔利用率低的情况,造成资源浪费;当使用/负载比低于下限时,10 kV 间隔的使用率较小,主变压器利用效率偏低。

1.2 目标函数

目标函数f(x)为某一变量与相关因素的相关性的表示形式,是设计变量的函数。建立目标函数的过程就是寻找设计变量与目标关系的过程,目标函数和设计变量的关系可用曲线、曲面或超曲面表示。

对变电站和负荷供电半径范围进行矩阵化表示,定义AM为n×n阶矩阵,矩阵中1区域内负荷节点,0为区域外负荷节点。nload为供电节点数量[nsub1,…,nsubm]为各变电站现有的间隔数量。电力系统中线路、负载和出现间隔的关系如图1所示。

图1 变电站与间隔关系

2 配电网协调规划算法方案

为了提高电力系统的规划效果,将电力系统进行分层拆解。

(1)首先根据变电站的地理位置和供电范围,对其区域内的用电负荷进行划分。若负荷可由多个变电站进行供电,则按照利用率优先均衡原则进行划分,从而得到变电站所示负荷集群。图2为外层规划。

图2 外层规划

目标函数为

(2)针对单个变电站,依据间隔的容量,以空闲间隔数量最多为目标对负荷与各间隔的关联关系进行决策。图3为内层规划。

图3 内层规划

目标函数为

粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是源于模拟鸟群捕食行为的群体智能优化算法。通过个体信息的共享实现最优解的获得,用于解决非线性复杂优化问题。粒子的速度和位置更新公式如下所示

式中:ω为惯性因子;k为代次数分别为个体在第k次的d维度更新速度和位置;c1和c2为加速常数,一般取正数;random1和random2为(0～1)中的随机数。

二进制粒子群算法是在此基础上进行改进,其速度分量vm={vm1,vm2,…,vmd},位置分量xm={xm1,xm2,…,xmd}。然后进行适应度计算,并根据迭代获取最优解和全局极值Pid与Pgd

式中:粒子维度d=1,2,D;种群规模m=1,2,n;n为迭代次数;默认学习因子e1、e2均为2;r1、r2为0～1之间的任意数值;惯性权重ωn是一个非负值;rand()是区间[0,1]内均匀分布的任意数值。算法流程如图4所示。

图4 算法流程示意

3 应用情况及效果

3.1 应用情况

分析某区域2017年区域变电站容量与间隔资源使用情况如图5所示。

图5 变电站容量与间隔资源使用情况

由图5可知,2017年该地区变电站容量与间隔资源利用情况最合理的变电站仅有12座,其余变电站存在如下问题。

(1)过半数量的变电站匹配系数超过1.7,需要对间隔资源进行整合,以提高间隔资源的利用率。

(2)20%数量的变电站匹配系数低于1.4,存在容量利用率低的问题,因此需要增加负荷,并根据新加入负荷均衡负荷和间隔使用率。

试验选取区域内包含5个变电站、负荷节点25个,间隔数量23个。变电站的可用容量和间隔容量如表1所示。

表1 变电站容量

经过优化求解,对变电站负荷进行调整,1号变电站(24MW负荷)、2号变电站(36MW负荷)、3号变电站(19MW负荷)、4号变站点(37MW负荷)、5号变电站(18MW负荷)负载率均在55%以上;1号变电站、3号变电站、4号变站点、5号变电站均空闲2个间隔。

3.2 负荷现状分析

根据区域电力系统的特点对变电站容量与间隔资源进行协调规划,可有效提高电力系统的用电效率,针对负荷现状进行如下调整。

(1)摸排专用线路使用现状。对每个专线用户的使用情况进行了解,对现有资源进行整合提高利用效率。针对写字楼公用线路使用容量低于30%的用户和长期负载率较低的普通用户,在保障电力稳定供应的前提下通过合并间隔柜或者改接至新建的方式,释放变电站间隔,优化配网资源使用效率。

(2)对集中供电区域以开闭所供电方式进行供电。对新写字楼或商业用户对其用电负荷进行评估,按照单个开闭所7～8 MW 进行供电。

(3)减少负荷较少的单间隔、单电源用户数量,对其进行环网供电改造。

(4)对新增用户用电负荷决定是否分配单间隔,进而控制专线用户的数量。

3.3 效果分析

文中提出的变电站容量与间隔资源的协调规划方案,改造方案和规划效果如下所示。

(1)节约资金。区域内变电站间隔已用尽,新接入用户难以分配到间隔资源,若不进行间隔资源优化,则需要进行变电站扩建才能满足用户的需求。利用文中提出的规划方案可以有效提高间隔利用率,释放多个间隔,节约1座110 kV 变电站的扩建资金。

(2)提高电力系统稳定性。改造后单辐射线路均与其他线路形成联络接线,大大提高了楼盘、商业等用户的供电可靠性。

(3)提出了间隔资源分配原则。根据容量的实际使用效率对线路进行改造,整合间隔资源。在楼宇或商业街等密集型负荷区域,根据负荷预测结果、供需系数等数据对用户进行区分,采用开闭所供电模式对10 MW 以下负荷进行分区供电。

4 结论

为了进一步提高电力系统的用电效率,在未来工作中应进行以下改进。

(1)为了提高电力系统的用电效率,在新增用户接入时需要认真执行相应流程和规定,按照用户的负荷容量进行资源划分。

(2)对每个专线用户的使用情况进行了解,发现在潜在的安全隐患,合理规划电力系统的建设方向、优化区域电网架构和现有间隔使用效率。

(3)通过提供额外备用电源提高用户的用电可靠性和稳定性,进而实现用户的专线资源公网化,实现间隔资源的高效利用和架构的均衡发展。