基于变电能力提升和电源接入质量的优化设计

雷翔胜，王兴华

(广东电网有限责任公司 电网规划研究中心，广东 广州 510080)

变电站建设工程是国家电网、城市规划中的基础设施建设工程，对保障社会生产、百姓生活具有重大的影响。随着用地指标越发紧张、环评要求的提高，新建变电站址的选址越发困难，对于已建成区域，如果因为负荷密度的增加等原因还需新建一处变电站的，选址困难更是显著增加。因此，在有限的土地资源下条件下尽可能提升变电站的变电能力和电源接入质量，成为当前我国变电站建设、改造工程中的重点研究方向。随着未来分布式变电站建设工程的增多，传统的电网变电环节将成为变电站建设工程的重点。因此，本文针对分布式变电站建设工程中提高变电能力以及电源接入质量的方法、思路进行总结，通过设计一种主变压器站间联络结构优化方法，挖掘有限规模条件下变电站的变电和供电潜能，旨在为电网建设、分布式变电站工程施工等提供借鉴。

1 概述

1.1 一般变电站结构优化思路

变电站建设工程中的结构优化是一个较为复杂的优化问题，基于变电能力与电源接入质量提升的变电站结构优化具有典型的多目标性、不确定性等特征见图1。针对变电站建设工程优化的特征，可分别通过多场景分析法、不确定信息数学建模规划法以及数学优化法等进行分析和优化。

图1 变电站结构优化思路Fig.1 Substation structure optimization ideas

鉴于变电站结构优化兼具多种特征，因此本文从结构性角度出发，将变电站建设工程中变电能力与电源接入质量提升的优化任务定为两方面：①分布式变电站站点的选择与定容问题；②变电站主变电站间联络路径与建设方案筛选问题。通过两方面优化，采用最低的建设成本(经济、时间)等，优选最合理的变电站规划建设方案，在最低的综合成本条件下获得最佳的变电能力、最高电源接入质量。

1.2 变电能力及提升

变电站变电能力指的是在某一固定的电网规划范围内，变电站能够满足N-1准则条件下整体配电网络对用电载荷的最大供变电能力。变电站供变电能力(S)的强弱主要受两方面影响：

=+

(1)

式中：表示分布式变电站整体站内供电能力；表示变电站所处配电网供电转移能力。因此，变电站变电能力的提升主要可从提升分布式变电站整体站内供电能力以及变电站所处配电网供电转移能力入手。一方面，可以从改变站内主变配置，如分布式变电站中的主变压器容量和台数等增加分布式变电站整体供电能力；另一方面可以通过增加分布式变电站主变压器之间的负荷转移通道，利用分布式变电站中的下级电网转带故障主变的复合，进而使分布式布局的变电站系统能够在电网中产生大量负荷条件下满足-1准则。

1.3 电源接入质量及提升

分布式变电站结构在一定程度上会增加变电站及配电网电源出力的不确定性，会给电网整体电源接入质量如电压谐波含量及电压波动等带来一定的影响，可针对分布式电源接入中的电网电压分布、潮流和功率等因素进行针对性优化。

1.4 整体优化设计思路

面向变电站建设工程中供电能力和电源接入质量提升的结构优化设计思路见图2。其中，第1步结构优化主要从整体视角对本次设计的分布式变电站布局进行结构搭建；第2步为循环渐进方式对分布式变电站中主变压器之间的联络通道进行优化设置；第3步为将分布式变电站整体变电能力和电源接入质量进行分析，得到有化以后的变电站建设工程优化设计结果。

图2 整体优化设计思路Fig.2 Overall optimization design ideas

2 分布式变电站布局构建

2.1 加权V图变电站联络度的备选库构建

加权V图(泰森多边形)是一种较为常见的图像生成技术。本文所开展的分布式变电站项目着眼于在选址困难区域，利用相隔不太远的二三处分散地块，分布式布置110 kV变电站主设备，从而形成一个完整的变电站，并且从系统角度及运维角度是一个完整的变电站。假设共布置个变电站主设备，则第个主设备中的相关信息采用有序数对进行表示，其位置坐标呈现为(，)，将变电站主设备的容量表示为，则第个主设备的变电主设备容量可呈现为，此时该主设备的有序数对可表示为(，，)。利用加权V图(泰森多边形)进行各变电站主设备备选库建设的流程见图3。

图3 变电站联络度的备选库构建流程Fig.3 Alternative library construction process of substation contact degree

2.2 变电站间联络约束距离计算

变电站建设过程中提升变电能力的重要途径之一，在于保证线路间符合作业时用户端或系统末端负荷电压的质量。变电站间约束距离的长度，需要通过一定的控制，使其不致因长度过长影响末端负荷电压值。基于此，本文构建了变电站间联络约束距离的计算框架，具体如图4所示。

图4 变电站间联络约束距离计算框架Fig.4 Calculation framework of connection constraint distance between substations

该框架充分考虑了线路负荷分布模型、线路类型等实际工程建设过程中最为常见的约束条件，能够充分保证系统分析和计算结果贴近实际工程应用，使计算结果更具工程实践价值。

2.3 建立联络关系矩阵

本文以110 kV变电站典型的3台主变建设规模为例，选取3个子站这一难度较大的方案进行具体研究，从问题着手，重点解决分布式变电站的建设、运维困难，并从电气接线、平面布置、设备选型、通信方案等方面具体研究，并分析分布式变电站在工程造价、运行维护等方面所带来的不利影响。图5所示为3台主变建设规模联络度矩阵的构建流程。

图5 3台主变建设规模联络度矩阵的构建流程Fig.5 The construction process of the contact degree matrix of the construction scale of the three main transformers

3 主变联络通道优化设置

3.1 与传统方式的比较

传统的分布式变电站建设工程规划多按照项目及建设规划规定的负荷预测、变电站主变设备规划等方式进行。与本文所设计的分布式变电站布局构建方法相比，存在一定的差距。例如，传统的规划流程需要对系统未来实际作业时的系统负荷进行预测，在预测结果基础上对分布式变电站中的主变设备容量、主变设备间距离等进行规划。预测结果对系统规划影响巨大。然而，由于我国电网建设和设备更新速度较快，系统的负荷变化情况往往较大，一般的预测结果时效性及可持续性均无法得到保证。而本文所设计的变电站建设工程优化设计思路，能够针对主变建设规模联络度矩阵进行变电站容量和的变电站间的平面距离的测定，一定程度上为变电站设计提供了较大的系统冗余，能够根据变电站的最大变电能力进行整体布局设计，一定程度上摆脱了系统负荷对变电站设计的局限性。

此外，假设不同子站之间的10 kV母线不能通过架空导线、裸铜排来连接，而若采用电缆连接，则每相需要多根电缆并联，每根电缆间电流分布不均，将会产生很大的安全隐患。而通过加权V图变电站联络度的备选库构建分析，采用全绝缘浇注母线来连接10 kV分段回路，并研究沿电缆沟敷设的问题和处理办法。能够确定不同子站间的10 kV母线连接方式，不再需要分别进行计算，大大提升了工程整体设计效率。

3.2 主变联络通道优化设置基本步骤

基于后退寻优化进行主变联络通道优化设置基本步骤主要可分为五步：①根据前文所得变电站整体联络关系矩阵，确定分布式变电站在既定的供电区域内负荷作业的主变满联络关系矩阵；②确定分布式变电站两两变电站之间交叉联络通道的基本类型，并进行一一删减校验；③确定供电区域内分布式变电站主变联络关系矩阵及对角子矩阵；④建立后退寻优化教研矩阵，确定计算和迭代过程；⑤确定最优联络关系矩阵，并在分布式变电站具体建设模型基础上确定主变联络布局，分析各主变站间联络通道所需的理论联络容量值。

4 结语

对分布式变电站建设过程中提高变电能力和电源接入质量的优化方法进行分析。本研究项目成熟后，可对珠三角区域，尤其是城市用地紧张区域、成熟社区新增负荷较大的区域(比如电动充电功率大增)，没有完整的建设变电站的区域，则利用几块分隔的地块建设一个完整的变电站，保证各分布式主变装置变电能力的同时解决负荷增长的需求。