基于變電能力提升和電源接入質量的優化設計

雷翔勝，王興華

(廣東電網有限責任公司 電網規劃研究中心，廣東 廣州 510080)

變電站建設工程是國家電網、城市規劃中的基礎設施建設工程，對保障社會生產、百姓生活具有重大的影響。隨著用地指標越發緊張、環評要求的提高，新建變電站址的選址越發困難，對于已建成區域，如果因為負荷密度的增加等原因還需新建一處變電站的，選址困難更是顯著增加。因此，在有限的土地資源下條件下盡可能提升變電站的變電能力和電源接入質量，成為當前我國變電站建設、改造工程中的重點研究方向。隨著未來分布式變電站建設工程的增多，傳統的電網變電環節將成為變電站建設工程的重點。因此，本文針對分布式變電站建設工程中提高變電能力以及電源接入質量的方法、思路進行總結，通過設計一種主變壓器站間聯絡結構優化方法，挖掘有限規模條件下變電站的變電和供電潛能，旨在為電網建設、分布式變電站工程施工等提供借鑒。

1 概述

1.1 一般變電站結構優化思路

變電站建設工程中的結構優化是一個較為復雜的優化問題，基于變電能力與電源接入質量提升的變電站結構優化具有典型的多目標性、不確定性等特征見圖1。針對變電站建設工程優化的特征，可分別通過多場景分析法、不確定信息數學建模規劃法以及數學優化法等進行分析和優化。

圖1 變電站結構優化思路Fig.1 Substation structure optimization ideas

鑒于變電站結構優化兼具多種特征，因此本文從結構性角度出發，將變電站建設工程中變電能力與電源接入質量提升的優化任務定為兩方面：①分布式變電站站點的選擇與定容問題；②變電站主變電站間聯絡路徑與建設方案篩選問題。通過兩方面優化，采用最低的建設成本(經濟、時間)等，優選最合理的變電站規劃建設方案，在最低的綜合成本條件下獲得最佳的變電能力、最高電源接入質量。

1.2 變電能力及提升

變電站變電能力指的是在某一固定的電網規劃范圍內，變電站能夠滿足N-1準則條件下整體配電網絡對用電載荷的最大供變電能力。變電站供變電能力(S)的強弱主要受兩方面影響：

=+

(1)

式中：表示分布式變電站整體站內供電能力；表示變電站所處配電網供電轉移能力。因此，變電站變電能力的提升主要可從提升分布式變電站整體站內供電能力以及變電站所處配電網供電轉移能力入手。一方面，可以從改變站內主變配置，如分布式變電站中的主變壓器容量和臺數等增加分布式變電站整體供電能力；另一方面可以通過增加分布式變電站主變壓器之間的負荷轉移通道，利用分布式變電站中的下級電網轉帶故障主變的復合，進而使分布式布局的變電站系統能夠在電網中產生大量負荷條件下滿足-1準則。

1.3 電源接入質量及提升

分布式變電站結構在一定程度上會增加變電站及配電網電源出力的不確定性，會給電網整體電源接入質量如電壓諧波含量及電壓波動等帶來一定的影響，可針對分布式電源接入中的電網電壓分布、潮流和功率等因素進行針對性優化。

1.4 整體優化設計思路

面向變電站建設工程中供電能力和電源接入質量提升的結構優化設計思路見圖2。其中，第1步結構優化主要從整體視角對本次設計的分布式變電站布局進行結構搭建；第2步為循環漸進方式對分布式變電站中主變壓器之間的聯絡通道進行優化設置；第3步為將分布式變電站整體變電能力和電源接入質量進行分析，得到有化以后的變電站建設工程優化設計結果。

圖2 整體優化設計思路Fig.2 Overall optimization design ideas

2 分布式變電站布局構建

2.1 加權V圖變電站聯絡度的備選庫構建

加權V圖(泰森多邊形)是一種較為常見的圖像生成技術。本文所開展的分布式變電站項目著眼于在選址困難區域，利用相隔不太遠的二三處分散地塊，分布式布置110 kV變電站主設備，從而形成一個完整的變電站，并且從系統角度及運維角度是一個完整的變電站。假設共布置個變電站主設備，則第個主設備中的相關信息采用有序數對進行表示，其位置坐標呈現為(，)，將變電站主設備的容量表示為，則第個主設備的變電主設備容量可呈現為，此時該主設備的有序數對可表示為(，，)。利用加權V圖(泰森多邊形)進行各變電站主設備備選庫建設的流程見圖3。

圖3 變電站聯絡度的備選庫構建流程Fig.3 Alternative library construction process of substation contact degree

2.2 變電站間聯絡約束距離計算

變電站建設過程中提升變電能力的重要途徑之一，在于保證線路間符合作業時用戶端或系統末端負荷電壓的質量。變電站間約束距離的長度，需要通過一定的控制，使其不致因長度過長影響末端負荷電壓值。基于此，本文構建了變電站間聯絡約束距離的計算框架，具體如圖4所示。

圖4 變電站間聯絡約束距離計算框架Fig.4 Calculation framework of connection constraint distance between substations

該框架充分考慮了線路負荷分布模型、線路類型等實際工程建設過程中最為常見的約束條件，能夠充分保證系統分析和計算結果貼近實際工程應用，使計算結果更具工程實踐價值。

2.3 建立聯絡關系矩陣

本文以110 kV變電站典型的3臺主變建設規模為例，選取3個子站這一難度較大的方案進行具體研究，從問題著手，重點解決分布式變電站的建設、運維困難，并從電氣接線、平面布置、設備選型、通信方案等方面具體研究，并分析分布式變電站在工程造價、運行維護等方面所帶來的不利影響。圖5所示為3臺主變建設規模聯絡度矩陣的構建流程。

圖5 3臺主變建設規模聯絡度矩陣的構建流程Fig.5 The construction process of the contact degree matrix of the construction scale of the three main transformers

3 主變聯絡通道優化設置

3.1 與傳統方式的比較

傳統的分布式變電站建設工程規劃多按照項目及建設規劃規定的負荷預測、變電站主變設備規劃等方式進行。與本文所設計的分布式變電站布局構建方法相比，存在一定的差距。例如，傳統的規劃流程需要對系統未來實際作業時的系統負荷進行預測，在預測結果基礎上對分布式變電站中的主變設備容量、主變設備間距離等進行規劃。預測結果對系統規劃影響巨大。然而，由于我國電網建設和設備更新速度較快，系統的負荷變化情況往往較大，一般的預測結果時效性及可持續性均無法得到保證。而本文所設計的變電站建設工程優化設計思路，能夠針對主變建設規模聯絡度矩陣進行變電站容量和的變電站間的平面距離的測定，一定程度上為變電站設計提供了較大的系統冗余，能夠根據變電站的最大變電能力進行整體布局設計，一定程度上擺脫了系統負荷對變電站設計的局限性。

此外，假設不同子站之間的10 kV母線不能通過架空導線、裸銅排來連接，而若采用電纜連接，則每相需要多根電纜并聯，每根電纜間電流分布不均，將會產生很大的安全隱患。而通過加權V圖變電站聯絡度的備選庫構建分析，采用全絕緣澆注母線來連接10 kV分段回路，并研究沿電纜溝敷設的問題和處理辦法。能夠確定不同子站間的10 kV母線連接方式，不再需要分別進行計算，大大提升了工程整體設計效率。

3.2 主變聯絡通道優化設置基本步驟

基于后退尋優化進行主變聯絡通道優化設置基本步驟主要可分為五步：①根據前文所得變電站整體聯絡關系矩陣，確定分布式變電站在既定的供電區域內負荷作業的主變滿聯絡關系矩陣；②確定分布式變電站兩兩變電站之間交叉聯絡通道的基本類型，并進行一一刪減校驗；③確定供電區域內分布式變電站主變聯絡關系矩陣及對角子矩陣；④建立后退尋優化教研矩陣，確定計算和迭代過程；⑤確定最優聯絡關系矩陣，并在分布式變電站具體建設模型基礎上確定主變聯絡布局，分析各主變站間聯絡通道所需的理論聯絡容量值。

4 結語

對分布式變電站建設過程中提高變電能力和電源接入質量的優化方法進行分析。本研究項目成熟后，可對珠三角區域，尤其是城市用地緊張區域、成熟社區新增負荷較大的區域(比如電動充電功率大增)，沒有完整的建設變電站的區域，則利用幾塊分隔的地塊建設一個完整的變電站，保證各分布式主變裝置變電能力的同時解決負荷增長的需求。