考慮居民用戶特征的居民小區(qū)配變?nèi)萘績?yōu)化研究

符 奧, 徐天賜, 王海江, 姜 南, 張鑫鈺

(1.國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司, 山東 日照 276800;2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

居民小區(qū)配電變壓器(以下簡稱“配變”)容量優(yōu)化的研究是地區(qū)配電網(wǎng)改造和建設(shè)中的重要部分,直接關(guān)系到居民區(qū)的供電可靠性和變壓器運行的經(jīng)濟效益問題。合理地配置配變?nèi)萘?不僅可以降低用電部門投資,減少配變不合理配置而產(chǎn)生的多余費用,而且可以有效地保證配變的經(jīng)濟運行。配變?nèi)萘窟x取時要考慮的兩個關(guān)鍵問題,就是居民負(fù)荷預(yù)測和配變參數(shù)的確定。傳統(tǒng)的居民負(fù)荷預(yù)測方法主要有需要系數(shù)法[1]、單位指標(biāo)法[2]、綜合用電水平法[3]等。隨著用戶規(guī)模的不斷增加以及用電設(shè)備的不斷增多,負(fù)荷密度法[4]在實際應(yīng)用中成果顯著,成為目前較為常用的負(fù)荷預(yù)測方法。配變參數(shù)的確定主要是指居民小區(qū)中配變的數(shù)量和容量的確定。文獻(xiàn)[5]通過從配變負(fù)載數(shù)據(jù)中提取出平均負(fù)載率、波動負(fù)載率和趨勢負(fù)載率3個判別配變經(jīng)濟運行的特征指標(biāo),采用改進K-medoids算法對其進行聚類分群處理,得出運行特征分析結(jié)果和運行方式優(yōu)化建議。文獻(xiàn)[6]基于農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷特性指標(biāo),分析了多種類型配變的全壽命周期成本,提出了配變?nèi)萘康呐渲梅椒ā?/p>

配變?nèi)萘康膬?yōu)化既可以滿足用戶日益增長的用電需求,也能減少配變?nèi)萘窟^大引起的輕載現(xiàn)象,減少國家的投資浪費,提高配變建設(shè)的經(jīng)濟效益。因此,配變運行時的經(jīng)濟性至關(guān)重要。文獻(xiàn)[7]基于配變負(fù)荷數(shù)據(jù)采集的完善程度,提出了一種考慮數(shù)據(jù)采集差異化的配變優(yōu)選方法;文獻(xiàn)[8]對配變的經(jīng)濟運行問題進行了分析。

目前,針對居民小區(qū)配變?nèi)萘績?yōu)化的研究大多未考慮到不同類型居民小區(qū)的用電特性和作出針對性的優(yōu)化。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮居民小區(qū)類型特性的配變?nèi)萘績?yōu)化方法。根據(jù)多種因素對居民小區(qū)進行分類,并針對小區(qū)的負(fù)荷特性采用不同的負(fù)荷預(yù)測方法,通過確定配變的經(jīng)濟運行上下限選擇配變的負(fù)載率。最后,利用上述方法對某市的居民小區(qū)配變?nèi)萘窟M行了優(yōu)化,以驗證該方法的有效性。

1 考慮用戶行為特征的負(fù)荷預(yù)測

1.1 居民小區(qū)負(fù)荷特性分析

通常來說,居民用戶的用電行為特征受到用電設(shè)備、居民收入、作息習(xí)慣等多種因素的影響[9],而且這些影響難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述,只有通過對大量歷史數(shù)據(jù)的觀察和總結(jié),才能找到它們之間存在的某些規(guī)律。本文通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和處理,找出負(fù)荷與影響因素之間的關(guān)系,確定各種因素對負(fù)荷的影響程度。

在負(fù)荷特性分析方面,文獻(xiàn)[10]總結(jié)了實際應(yīng)用中的負(fù)荷特性指標(biāo),將其分為描述類、比較類和曲線類3種。本文選取戶均最大負(fù)荷、日平均負(fù)荷、日負(fù)荷率、日峰谷差、日最大負(fù)荷利用小時數(shù)等指標(biāo)描述居民用戶的用電行為特征。

1.2 居民小區(qū)分類

由于居民小區(qū)所處的地理位置、投資水平、目標(biāo)人群等因素的影響,不同檔次居民小區(qū)的配套設(shè)施具有很大的差異性,因此各類型小區(qū)的用電設(shè)備和用電需求的差異非常大。為了對各類型小區(qū)的負(fù)荷特性進行準(zhǔn)確的分析,本文根據(jù)居民小區(qū)內(nèi)公共服務(wù)設(shè)施的配套情況,將其分為4類:A類小區(qū)為高檔住宅小區(qū),配套設(shè)施能夠滿足居民的生活、娛樂、精神等多方面的需求;B類小區(qū)為中檔住宅小區(qū),配套設(shè)施能夠基本滿足居民用戶的部分生活需求;C類小區(qū)為純住宅區(qū),只配建與基本居住有關(guān)的公用設(shè)施;D類小區(qū)為農(nóng)村居民住宅區(qū),公共服務(wù)設(shè)施一般較為缺乏。

1.3 居民小區(qū)負(fù)荷預(yù)測

目前,最常用的居民小區(qū)負(fù)荷預(yù)測方法主要有需要系數(shù)法、單位面積法、負(fù)荷密度法等。各類負(fù)荷預(yù)測方法都存在一定的局限性,只是對某一類型小區(qū)的負(fù)荷預(yù)測較為準(zhǔn)確。對于具有差異性的居民小區(qū)進行負(fù)荷預(yù)測時,應(yīng)選取不同的負(fù)荷預(yù)測方法。由于A～C類小區(qū)屬于城市居民區(qū),未來發(fā)展空間較小,負(fù)荷增長有限,而D類小區(qū)屬于農(nóng)村區(qū)域,未來發(fā)展空間較大。因此,本文對A～C類小區(qū)采用負(fù)荷密度法,對D類小區(qū)采用自然增長率法進行負(fù)荷預(yù)測。

2 配變經(jīng)濟運行區(qū)間

2.1 配變?nèi)萘坑嬎?/h3>

根據(jù)居民小區(qū)的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果,對配變?nèi)萘窟M行選取,計算公式為

(1)

式中:ST——變壓器的容量;

PL——居民區(qū)的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果;

β——變壓器的負(fù)載率;

cosφ——補償后的平均功率因數(shù)。

由式(1)可知,配變?nèi)萘康倪x擇主要受到負(fù)荷預(yù)測結(jié)果和負(fù)載率兩方面的影響。居民負(fù)荷的預(yù)測精度通過針對性地選取預(yù)測方法來保證,而變壓器的負(fù)載率取決于用戶的性質(zhì)、供電需求以及變壓器的經(jīng)濟運行等因素。

2.2 配變經(jīng)濟運行方式

配變的損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗是指變壓器在額定電壓下,鐵心內(nèi)因勵磁電流引起磁通周期性變化時產(chǎn)生的損耗,僅與變壓器的自身特性和運行電壓有關(guān),不隨負(fù)載發(fā)生變化[11]。負(fù)載損耗不僅與配變自身特性有關(guān),而且隨配變負(fù)載的增大而增大,因此變壓器損耗主要由負(fù)荷變化下的銅耗決定。

同一型號不同容量的SCB10變壓器配變負(fù)載損耗變化曲線如圖1所示。

圖1 同一型號不同容量的配變負(fù)載損耗變化曲線

由圖1可以看出,同一型號不同容量的配變負(fù)載損耗率與負(fù)載率的變化趨勢相同,均是先減小后增大,所以同一型號的配變經(jīng)濟運行區(qū)間也應(yīng)該相同。

不同型號同一容量的配變負(fù)載損耗變化曲線如圖2所示。

圖2 不同型號同一容量的配變負(fù)載損耗變化曲線

由圖2可以看出,負(fù)載率為40%～50%時,配變處于損耗最低、經(jīng)濟性最好的階段;負(fù)載率為20%～40%和50%～100%時,配變處于損耗較低、經(jīng)濟性較好的階段;負(fù)載率低于20%時,配變處于損耗較高、經(jīng)濟性較差的階段。非晶合金的配變負(fù)載率在20%～25%或低于20%或高于25%運行時,負(fù)載損耗會逐步增加,并且相同容量的非晶合金變壓器負(fù)載損耗率明顯低于普通變壓器。因此,在經(jīng)濟條件許可的地區(qū)可以推廣非晶合金變壓器。

配變運行區(qū)間劃分形式如圖3所示。

圖3 配變運行區(qū)間劃分

考慮變壓器的實際負(fù)載情況,其效率公式為

(2)

(3)

式中:ΔP——綜合損耗;

Poz——空載損耗;

Pkz——短路損耗;

Se——額定容量,kW;

η——變壓器的效率。

式(2)表明,當(dāng)cosφ為定值時,配變運行效率與負(fù)載數(shù)量具有明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系。取η對β求導(dǎo),其值為零時,得到最大效率時的負(fù)載系數(shù),即最佳負(fù)載系數(shù)為

(4)

式(4)表明:當(dāng)功率因數(shù)一定時,出現(xiàn)最高效率的負(fù)載率只與變壓器的綜合空載損耗及綜合短路損耗有關(guān);在此負(fù)載率下運行時,變壓器的效率最高[12],即配變損耗最小時,運行經(jīng)濟性達(dá)到最高。

根據(jù)不同小區(qū)類型的劃分標(biāo)準(zhǔn),配變經(jīng)濟運行區(qū)間的選取應(yīng)考慮以下因素。

(1) A類小區(qū)中一級、二級負(fù)荷出現(xiàn)的概率較大,因此首先要保證安全性要求,允許適當(dāng)過載,但不能出現(xiàn)長期輕載的現(xiàn)象。

(2) B類和C類小區(qū)首先要避免出現(xiàn)輕載現(xiàn)象,但在緊急情況下要滿足應(yīng)急照明等高等級負(fù)荷的運行。

(3) D類小區(qū)的負(fù)荷峰谷差較大,并且可能出現(xiàn)負(fù)荷長時間處于波谷的情況。因此,合理的變壓器負(fù)載率首先要滿足農(nóng)忙時居民的大量用電需求,并且留有一定的裕度空間適應(yīng)將來的負(fù)荷增長;其次,要減少變壓器低于臨界負(fù)荷率運行的時間,提高變壓器的經(jīng)濟效益。

考慮上述影響因素,各類型小區(qū)配變負(fù)載率選取值如表1所示。

表1 各類小區(qū)配變負(fù)載率取值

3 算例分析

選取某市的典型居民區(qū)為例,進行配變?nèi)萘績?yōu)化配置分析。

3.1 負(fù)荷特性分析

在A～C類小區(qū)中各選取一個典型小區(qū),分別以a,b,c表示,進行負(fù)荷特性分析,計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出,3個小區(qū)的戶均最大負(fù)荷、日平均負(fù)荷、日負(fù)荷率、日峰谷差4個指標(biāo)呈上升趨勢,a小區(qū)日最大負(fù)荷利用小時數(shù)逐年降低,而b小區(qū)和c小區(qū)在用戶數(shù)平穩(wěn)后日最大利用小時數(shù)也呈下降趨勢,這說明居民最大負(fù)荷逐年上升,導(dǎo)致負(fù)荷峰谷差大幅提高,使得變壓器的利用率降低。

表2 典型居民區(qū)負(fù)荷特性指標(biāo)

3.2 居民負(fù)荷預(yù)測

采用負(fù)荷密度法對3個小區(qū)2020年和2030年的負(fù)荷水平進行預(yù)測,結(jié)果如表3所示。

表3 居民小區(qū)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

3.3 配變?nèi)萘績?yōu)化

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果,計算3個居民小區(qū)優(yōu)化后的配變?nèi)萘?結(jié)果如表4所示。

表4 居民小區(qū)優(yōu)化配變?nèi)萘拷Y(jié)果 kW

住宅區(qū)的配套設(shè)施越完善,負(fù)荷類型就越復(fù)雜,更加難以合理配置配變?nèi)萘俊Ｒ虼?根據(jù)表4中的優(yōu)化結(jié)果進行配變?nèi)萘颗渲?既可以避免負(fù)荷增長引起的重載、過載現(xiàn)象,也可以避免輕載,確保變壓器在大部分時間內(nèi)均處于經(jīng)濟運行狀態(tài),證明了本文配變?nèi)萘績?yōu)化方法的有效性。

4 結(jié) 語

配變?nèi)萘康倪x取是保證居民小區(qū)電力供應(yīng)可靠性的重要部分。本文根據(jù)負(fù)荷密度等多種因素對居民小區(qū)進行了分類,并針對不同類型小區(qū)的特性采用不同的負(fù)荷預(yù)測方法,最終在考慮配變經(jīng)濟運行區(qū)間的基礎(chǔ)上,提出了考慮居民小區(qū)特性的配變?nèi)萘績?yōu)化方法,并通過實際算例證明了方法的有效性。