變電站容量與間隔資源的配電網(wǎng)協(xié)調規(guī)劃分析

賀興安孫 潔戈 君

(國家電網(wǎng)銀川供電公司,寧夏 銀川 750000)

0 引言

變電站容量和間隔資源分配直接影響到電力系統(tǒng)出線情況和網(wǎng)架的結構形態(tài),提高對電網(wǎng)間隔的使用效率和管理可以有效提高電力系統(tǒng)的運行效率[1]。因此變電站容量和間隔資源分配是配電網(wǎng)電力系統(tǒng)規(guī)劃的重點研究對象。為了更好的保障電力系統(tǒng)的供應,在現(xiàn)有變電站的基礎上對有限電網(wǎng)間隔資源進行合理分配,實現(xiàn)科學規(guī)劃電網(wǎng)間隔和提高供電可靠性的目的。

目前,電力企業(yè)常用的變電站地址和容量設計大多根據(jù)歷史電力負荷數(shù)據(jù),利用數(shù)學模型進行優(yōu)化求解。但負荷數(shù)據(jù)時間跨度過大,難以滿足負荷變化要求,不能達到最優(yōu)配置。已有較多文獻研究配電網(wǎng)規(guī)劃和間隔資源優(yōu)化問題,文獻[2]在負重系數(shù)的基礎上提出了基于協(xié)調因子的電力系統(tǒng)協(xié)調規(guī)劃模型;文獻[3]針對嵌入式微電網(wǎng)提出了規(guī)劃和調度方法。文獻[4]針對電力系統(tǒng)出現(xiàn)間隔短缺的問題,提出了提高出線間隔利用率的方法。文獻[5]對不同接線方式進行了分析,并對不同接線方式進行可靠性分析。文獻[6]對電網(wǎng)配電間隔分配現(xiàn)狀進行了分析,并對常用間隔優(yōu)化方法進行了介紹。文獻[7]針對間隔資源不足的問題,從設備角度提出了提高間隔利用率的方法,缺乏負荷和間隔資源之間的關聯(lián)分析。但目前研究大多針對接線設備,沒有對電網(wǎng)間隔及其負荷集群的分配進行研究[8]。

針對上述問題,文中以變電站間隔的供電能力和供電半徑為基礎,提出了基于分層模型和二進制粒子群算法的變電站容量與間隔的資源協(xié)調規(guī)劃方法,通過整合變電站間隔資源同時提高變電站容量利用率,提升變電站的運行效益進而實現(xiàn)各變電站內間隔資源的優(yōu)化。

1 相關技術指標

1.1 使用/負載比系數(shù)

在電力系統(tǒng)中,變電站穩(wěn)定運行的負荷范圍在80%以內,而變電站間隔的使用率可以接近理論值,達到最優(yōu)利用率[9]。因此,在負荷允許的情況下將定義變電站使用/負載比,并將其控制在1.4～1.7之內,公式如下

變電站使用/負載比在1.4～1.7之內時狀態(tài)最佳,當使用/負載比超過上限時,會出現(xiàn)10 kV側負荷較小,間隔利用率低的情況,造成資源浪費;當使用/負載比低于下限時,10 kV 間隔的使用率較小,主變壓器利用效率偏低。

1.2 目標函數(shù)

目標函數(shù)f(x)為某一變量與相關因素的相關性的表示形式,是設計變量的函數(shù)。建立目標函數(shù)的過程就是尋找設計變量與目標關系的過程,目標函數(shù)和設計變量的關系可用曲線、曲面或超曲面表示。

對變電站和負荷供電半徑范圍進行矩陣化表示,定義AM為n×n階矩陣,矩陣中1區(qū)域內負荷節(jié)點,0為區(qū)域外負荷節(jié)點。nload為供電節(jié)點數(shù)量[nsub1,…,nsubm]為各變電站現(xiàn)有的間隔數(shù)量。電力系統(tǒng)中線路、負載和出現(xiàn)間隔的關系如圖1所示。

圖1 變電站與間隔關系

2 配電網(wǎng)協(xié)調規(guī)劃算法方案

為了提高電力系統(tǒng)的規(guī)劃效果,將電力系統(tǒng)進行分層拆解。

(1)首先根據(jù)變電站的地理位置和供電范圍,對其區(qū)域內的用電負荷進行劃分。若負荷可由多個變電站進行供電,則按照利用率優(yōu)先均衡原則進行劃分,從而得到變電站所示負荷集群。圖2為外層規(guī)劃。

圖2 外層規(guī)劃

目標函數(shù)為

(2)針對單個變電站,依據(jù)間隔的容量,以空閑間隔數(shù)量最多為目標對負荷與各間隔的關聯(lián)關系進行決策。圖3為內層規(guī)劃。

圖3 內層規(guī)劃

目標函數(shù)為

粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是源于模擬鳥群捕食行為的群體智能優(yōu)化算法。通過個體信息的共享實現(xiàn)最優(yōu)解的獲得,用于解決非線性復雜優(yōu)化問題。粒子的速度和位置更新公式如下所示

式中:ω為慣性因子;k為代次數(shù)分別為個體在第k次的d維度更新速度和位置;c1和c2為加速常數(shù),一般取正數(shù);random1和random2為(0～1)中的隨機數(shù)。

二進制粒子群算法是在此基礎上進行改進,其速度分量vm={vm1,vm2,…,vmd},位置分量xm={xm1,xm2,…,xmd}。然后進行適應度計算,并根據(jù)迭代獲取最優(yōu)解和全局極值Pid與Pgd

式中:粒子維度d=1,2,D;種群規(guī)模m=1,2,n;n為迭代次數(shù);默認學習因子e1、e2均為2;r1、r2為0～1之間的任意數(shù)值;慣性權重ωn是一個非負值;rand()是區(qū)間[0,1]內均勻分布的任意數(shù)值。算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程示意

3 應用情況及效果

3.1 應用情況

分析某區(qū)域2017年區(qū)域變電站容量與間隔資源使用情況如圖5所示。

圖5 變電站容量與間隔資源使用情況

由圖5可知,2017年該地區(qū)變電站容量與間隔資源利用情況最合理的變電站僅有12座,其余變電站存在如下問題。

(1)過半數(shù)量的變電站匹配系數(shù)超過1.7,需要對間隔資源進行整合,以提高間隔資源的利用率。

(2)20%數(shù)量的變電站匹配系數(shù)低于1.4,存在容量利用率低的問題,因此需要增加負荷,并根據(jù)新加入負荷均衡負荷和間隔使用率。

試驗選取區(qū)域內包含5個變電站、負荷節(jié)點25個,間隔數(shù)量23個。變電站的可用容量和間隔容量如表1所示。

表1 變電站容量

經(jīng)過優(yōu)化求解,對變電站負荷進行調整,1號變電站(24MW負荷)、2號變電站(36MW負荷)、3號變電站(19MW負荷)、4號變站點(37MW負荷)、5號變電站(18MW負荷)負載率均在55%以上;1號變電站、3號變電站、4號變站點、5號變電站均空閑2個間隔。

3.2 負荷現(xiàn)狀分析

根據(jù)區(qū)域電力系統(tǒng)的特點對變電站容量與間隔資源進行協(xié)調規(guī)劃,可有效提高電力系統(tǒng)的用電效率,針對負荷現(xiàn)狀進行如下調整。

(1)摸排專用線路使用現(xiàn)狀。對每個專線用戶的使用情況進行了解,對現(xiàn)有資源進行整合提高利用效率。針對寫字樓公用線路使用容量低于30%的用戶和長期負載率較低的普通用戶,在保障電力穩(wěn)定供應的前提下通過合并間隔柜或者改接至新建的方式,釋放變電站間隔,優(yōu)化配網(wǎng)資源使用效率。

(2)對集中供電區(qū)域以開閉所供電方式進行供電。對新寫字樓或商業(yè)用戶對其用電負荷進行評估,按照單個開閉所7～8 MW 進行供電。

(3)減少負荷較少的單間隔、單電源用戶數(shù)量,對其進行環(huán)網(wǎng)供電改造。

(4)對新增用戶用電負荷決定是否分配單間隔,進而控制專線用戶的數(shù)量。

3.3 效果分析

文中提出的變電站容量與間隔資源的協(xié)調規(guī)劃方案,改造方案和規(guī)劃效果如下所示。

(1)節(jié)約資金。區(qū)域內變電站間隔已用盡,新接入用戶難以分配到間隔資源,若不進行間隔資源優(yōu)化,則需要進行變電站擴建才能滿足用戶的需求。利用文中提出的規(guī)劃方案可以有效提高間隔利用率,釋放多個間隔,節(jié)約1座110 kV 變電站的擴建資金。

(2)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。改造后單輻射線路均與其他線路形成聯(lián)絡接線,大大提高了樓盤、商業(yè)等用戶的供電可靠性。

(3)提出了間隔資源分配原則。根據(jù)容量的實際使用效率對線路進行改造,整合間隔資源。在樓宇或商業(yè)街等密集型負荷區(qū)域,根據(jù)負荷預測結果、供需系數(shù)等數(shù)據(jù)對用戶進行區(qū)分,采用開閉所供電模式對10 MW 以下負荷進行分區(qū)供電。

4 結論

為了進一步提高電力系統(tǒng)的用電效率,在未來工作中應進行以下改進。

(1)為了提高電力系統(tǒng)的用電效率,在新增用戶接入時需要認真執(zhí)行相應流程和規(guī)定,按照用戶的負荷容量進行資源劃分。

(2)對每個專線用戶的使用情況進行了解,發(fā)現(xiàn)在潛在的安全隱患,合理規(guī)劃電力系統(tǒng)的建設方向、優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)架構和現(xiàn)有間隔使用效率。

(3)通過提供額外備用電源提高用戶的用電可靠性和穩(wěn)定性,進而實現(xiàn)用戶的專線資源公網(wǎng)化,實現(xiàn)間隔資源的高效利用和架構的均衡發(fā)展。