靳冰潔,高 崇,梁 晨
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,廣州 510080;2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心,廣州 510663)
主變?nèi)萘窟x擇是電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中的重要決策問題,對保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行和提高電網(wǎng)的整體經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[1-3]?,F(xiàn)狀輸配網(wǎng)主變?nèi)萘颗渲弥饕嬖谝韵聠栴}:(1)現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計(jì)原則對變壓器容量選型的規(guī)定相對寬泛,實(shí)際執(zhí)行中往往傾向于選擇容量大臺數(shù)多的建設(shè)模式,導(dǎo)致部分地區(qū)變電容量與負(fù)荷發(fā)展水平不匹配;(2)調(diào)度運(yùn)行要求對主變?nèi)萘颗渲卯a(chǎn)生一定的影響,從風(fēng)險(xiǎn)管控的角度出發(fā),為控制單主變運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),通常規(guī)劃單主變的工程首期按照2臺主變建設(shè),增加了輸電工程投產(chǎn)初期的地區(qū)容載比;(3)工程建設(shè)要求對主變?nèi)萘颗渲卯a(chǎn)生一定的影響,為避免因變電工程頻繁擴(kuò)建而停電帶來的供電能力不足,輸變電工程首期投產(chǎn)規(guī)模要求通常考慮滿足未來若干年的負(fù)荷發(fā)展,在一定程度上將增加輸變電工程投產(chǎn)初期設(shè)備的冗余度。
目前國內(nèi)外關(guān)于變電站容量的規(guī)劃與優(yōu)化問題已有很多研究成果[4-11],其優(yōu)化對象多為變電站的經(jīng)濟(jì)性,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)多從初始投資和運(yùn)行費(fèi)用兩方面考慮。荊朝霞等[4]考慮上級電源容量規(guī)劃投資成本,建立了基于全壽命周期成本理論的配電變壓器容量優(yōu)化模型。黃磊等[5]建立了以規(guī)劃年單位負(fù)荷供電費(fèi)用為決策指標(biāo)的優(yōu)化模型,并對高負(fù)荷密度地區(qū)供電方案進(jìn)行對比。李燕青等[6]以變電站和網(wǎng)絡(luò)近似最小投資和年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù),確定變電站的數(shù)量、容量、位置以及變電站的供電范圍,并通過云優(yōu)化算法對模型求解,屬于通過智能算法解決變電站優(yōu)化問題的范疇。胡玉生等[7]以變電站個(gè)數(shù)作為決策變量,以含停電損失費(fèi)用的年總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),采用求極值法對模型求解,屬于通過傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法解決變電站優(yōu)化問題的范疇。以上文獻(xiàn)均未考慮負(fù)荷增長的動(dòng)態(tài)過程以及不同電壓等級之間構(gòu)網(wǎng)方案的選擇對變壓器容量經(jīng)濟(jì)選型帶來的影響,也未對電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行要求對主變供電能力的影響進(jìn)行深入分析。馮浩等[11]考慮負(fù)荷發(fā)展過程,提出一種基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性的變壓器容量階梯型配置方案,但其目的是指導(dǎo)城市變電站的初期規(guī)劃,并未形成考慮運(yùn)行方式、構(gòu)網(wǎng)模式、電壓層級匹配關(guān)系等多因素的系統(tǒng)化主變?nèi)萘績?yōu)化配置方法,其經(jīng)濟(jì)分析也較為簡化。
針對以上所述變電站容量配置面臨的問題及已有研究成果尚有待優(yōu)化的方面,本文提出一種多因素影響下的輸配網(wǎng)主變?nèi)萘繀f(xié)同優(yōu)化配置方法。通過梳理供電能力、負(fù)荷增長、負(fù)荷密度及供電半徑、接線形式等多方面因素對主變?nèi)萘颗渲玫挠绊?,建立多因素作用的耦合關(guān)系;在考慮規(guī)劃原則及調(diào)度運(yùn)行要求的前提下,通過對輸配網(wǎng)不同電壓等級接線方式的分層分析及其匹配模式的研究,建立主變?nèi)萘颗渲玫膮f(xié)同優(yōu)化模型。該方法從時(shí)間角度,考慮了負(fù)荷的發(fā)展趨勢及資金的時(shí)間價(jià)值,從空間角度,考慮了多種典型接線方式及其匹配模式,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了靈活的處理方法。
主變?nèi)萘颗渲猛ǔT诒WC電網(wǎng)安全運(yùn)行和供電可靠的前提下,考慮經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。在最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)相同的情況下,單位供電量供電成本最低等效于單位峰值負(fù)荷供電成本最低。為簡化計(jì)算,突出研究重點(diǎn),本文以單位負(fù)荷供電成本為目標(biāo)進(jìn)行研究方案比較,并提出優(yōu)化配置方案。
參考工程實(shí)際及相關(guān)準(zhǔn)則規(guī)范[12-14]要求,相同電壓等級的變壓器容量級別不宜過多,且同一變電站、同一電壓等級主變宜采用相同規(guī)格,變電站主變終期臺數(shù)一般選擇為3~4臺。其中,220 kV主變選擇220/110/10(kV)電壓等級的三繞組變壓器,單臺容量典型序列選擇為120 MVA、150 MVA、180 MVA、240 MVA,最終規(guī)模有3×120 MVA、3×150 MVA、3×180 MVA、3×240 MVA、4×180 MVA、4×240 MVA等6種方案。110 kV主變選擇110 kV/10(kV)電壓等級的雙繞組變壓器,單臺容量典型序列選擇為20 MVA、40 MVA、50 MVA、63 MVA,最終規(guī)模有3×20 MVA、3×40 MVA、3×50 MVA、3×63 MVA等4種方案。
本文按照飽和負(fù)荷選擇主變壓器最終規(guī)模,并考慮供電區(qū)域負(fù)荷由初期發(fā)展至飽和水平的過渡過程。此外,考慮變電站實(shí)際供電范圍多受道路及地形限制,且為便于分析計(jì)算,本文選取正方形或其他多邊形供電區(qū)域進(jìn)行研究。
本文主要考慮供電能力、負(fù)荷增長、負(fù)荷密度及供電半徑、接線形式等因素對主變?nèi)萘颗渲玫挠绊憽?/p>
按照本文所述原則及邊界條件,計(jì)算N-1原則下變電站終期供電能力公式如下:
式中:C0為N-1原則下變電站終期供電能力;k為主變過載能力系數(shù),依前文所述取值為1.3;N為變電站終期規(guī)模主變臺數(shù),依前文所述取值為3~4;T為單臺主變?nèi)萘?,依前文所述每個(gè)電壓等級單臺主變?nèi)萘啃蛄懈魅?個(gè)值,如表1所示。
表1 220 kV及110 kV變電站供電能力計(jì)算結(jié)果
考慮正方形供電區(qū)域下與相鄰最近的4座變電站之間互為備用,預(yù)留站間互備容量比例取值為25%,則變電站終期供電能力計(jì)算如下:
本文考慮變電站從初期發(fā)展到終期規(guī)模的動(dòng)態(tài)過程,并對變電站初期供電能力按照N-1原則和容載比原則兩種方式計(jì)算,其中N-1原則下計(jì)算方法與終期規(guī)模相同,容載比原則下計(jì)算如下:
式中:Ci為變電站初期供電能力;ni為變電站初期規(guī)模主變臺數(shù),考慮調(diào)度運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控,取值為2;r為容載比,220 kV時(shí)取1.9,110 kV時(shí)取2.2。
本文考慮6種220 kV變電站典型建設(shè)模式和4種110 kV變電站典型建設(shè)模式,其供電能力計(jì)算結(jié)果如表1所示。
考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控,負(fù)荷發(fā)展初期建設(shè)兩臺主變的情況較多,隨著負(fù)荷增長逐步擴(kuò)建至終期規(guī)模。初期按照容載比考慮變電站的供電能力留有一定裕度,當(dāng)負(fù)荷增長至主變N-1造成剩余主變超過載能力運(yùn)行時(shí),進(jìn)行主變擴(kuò)建直至最終規(guī)模。當(dāng)?shù)貐^(qū)高速發(fā)展、負(fù)荷增長較快時(shí),變電站從初期規(guī)模發(fā)展到終期規(guī)模的時(shí)間往往很短,為避免因變電工程頻繁擴(kuò)建而停電,對于負(fù)荷高速增長的地區(qū)建議一次建成終期規(guī)模。
變電站從初期至終期規(guī)模發(fā)展年限計(jì)算如下:
式中:Cn為N-1原則下初期規(guī)模變電站的供電能力;x為負(fù)荷平均增長率。
為簡化計(jì)算,終期4臺主變規(guī)模的變電站按直接擴(kuò)建至終期規(guī)模計(jì)算。不同電壓等級變電站從初期規(guī)模至終期規(guī)模發(fā)展年限計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 變電站從初期規(guī)模至終期規(guī)模發(fā)展年限
根據(jù)負(fù)荷密度高低,將供電區(qū)域大致分為城市中心區(qū)(負(fù)荷密度大于15 MW/km2)、市區(qū)或城鎮(zhèn)中心區(qū)(負(fù)荷密度介于6 MW/km2和15 MW/km2之間)、城鎮(zhèn)及縣區(qū)(負(fù)荷密度介于1 MW/km2和6 MW/km2之間)、鄉(xiāng)村(負(fù)荷密度介于0.1 MW/km2和1 MW/km2之間)以及偏遠(yuǎn)地區(qū)(負(fù)荷密度小于0.1 MW/km2)[12]。按照方形供電區(qū)域來考慮,供電半徑計(jì)算如下:
式中:ρ為負(fù)荷密度;cosφ為功率因數(shù),取值為0.98。
不同負(fù)荷密度下,220 kV變電站的供電半徑計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表可知,對于偏遠(yuǎn)地區(qū),4×240 MVA、4×180 MVA、3×240 MVA的建設(shè)規(guī)模下,220 kV變電站供電半徑過長,不作為推薦方案考慮。
表3 220 kV變電站的供電半徑計(jì)算結(jié)果km
目前220 kV電網(wǎng)在功能上逐步由輸電向配電轉(zhuǎn)化,部分地區(qū)已逐步實(shí)現(xiàn)以500 kV變電站為中心,分片供電的模式。正常方式下各分區(qū)相對獨(dú)立,相互之間具備線路檢修或方式調(diào)整情況下的支援能力。220 kV電網(wǎng)一般采用雙回路鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)或雙回路環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)供電,每一鏈或每一回路中220 kV變電站數(shù)量不宜超過4座。本文以雙回路鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為研究對象,同一鏈中的220 kV變電站由來自兩座500 kV變電站的電源供電。
考慮單座220 kV變電站供電4~8座110 kV變電站,通過拓?fù)浞治?,提出圖1所示110 kV布點(diǎn)方案。本文研究環(huán)網(wǎng)、鏈?zhǔn)?、T接、π接4種110 kV電網(wǎng)典型接線形式。在上述所提布點(diǎn)方案下,通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析及站點(diǎn)組合供電方案優(yōu)化,提出不同布點(diǎn)方案下110 kV電網(wǎng)典型接線圖,如圖2所示。
圖1 單座220 kV變電站供4~8座110 kV變電站布點(diǎn)方案
圖2 4~8布點(diǎn)方案下110 kV電網(wǎng)典型接線(部分)
前文已對多種影響因素進(jìn)行梳理,在此基礎(chǔ)上,對220 kV及110 kV電壓等級變電站及線路的容量匹配關(guān)系進(jìn)行分析,進(jìn)而計(jì)算各電壓等級輸變電建設(shè)規(guī)模,結(jié)合變電站從初期規(guī)模至終期規(guī)模發(fā)展年限及設(shè)備的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用,計(jì)算造價(jià)等年值,最終得到單位負(fù)荷供電成本,作為優(yōu)化輸配網(wǎng)主變?nèi)萘康膮⒖贾笜?biāo)。本文所提方法框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 多因素影響下的輸配網(wǎng)主變?nèi)萘繀f(xié)同優(yōu)化配置方法框架結(jié)構(gòu)
對220 kV及110 kV變電站容量進(jìn)行匹配,考慮每座220 kV變電站負(fù)載一部分10 kV直供負(fù)荷,則220 kV與110 kV變電容量匹配關(guān)系如下:
式中:Mnum表示與220 kV變電站匹配的110 kV變電站個(gè)數(shù);C220為220 kV變電站的供電能力;C110為110 kV變電站的供電能力;d為220 kV變電站10 kV直供負(fù)荷比例,本文取10%。
220 kV與110 kV變電容量匹配關(guān)系計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 220 kV與110 kV變電容量匹配關(guān)系
考慮一座220 kV變電站帶4~8座110 kV變電站為宜。如表4中,3×63配置的110 kV變電站不宜與3×240、3×180、3×150、3×120配置的220 kV變電站匹配,110 kV站點(diǎn)匹配個(gè)數(shù)過小。3×20配置的110 kV變電站不宜與4×240、4×180、3×240配置的220 kV變電站匹配,110 kV站點(diǎn)匹配個(gè)數(shù)過大。此外,4×240配置的220 kV變電站與3×50配置的110 kV變電站相匹配的個(gè)數(shù)介于6和7之間,從表4可以看出,該配置的吻合度相較其與3×63和3×40配置的110 kV變電站配合而言較差。綜上,本文選擇11種匹配模式進(jìn)行分析,如表4中括號數(shù)字所示。
本文考慮220 kV電網(wǎng)按照雙鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)構(gòu)網(wǎng),每回鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)串供4個(gè)220 kV站點(diǎn),220 kV電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行,每一回線路需至少能夠負(fù)載兩個(gè)220 kV變電站的負(fù)荷,以此計(jì)算220 kV線路容量。
不同110 kV電網(wǎng)接線形式對110 kV線路的載流能力要求不同,本文重點(diǎn)研究環(huán)網(wǎng)、鏈?zhǔn)?、T接、π接4種可靠性較高的典型接線形式,其推薦接線方案如圖2所示。根據(jù)圖2分析,環(huán)網(wǎng)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)均有串供2~3個(gè)站的可能性,同時(shí)考慮滿足線路N-1不過載的運(yùn)行要求,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析,得出110 kV線路容量匹配關(guān)系如表5所示。
表5 110 kV線路容量匹配關(guān)系
建設(shè)規(guī)模包括變電站規(guī)模和線路規(guī)模。其中,220 kV變電站規(guī)模根據(jù)總負(fù)荷及220 kV變電站供電能力計(jì)算,110 kV變電站規(guī)模根據(jù)表4及220 kV變電站規(guī)模計(jì)算。
對于220 kV線路規(guī)模,考慮220 kV變電站至其供電正方形區(qū)域頂點(diǎn)的距離為供電半徑,則鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)下平均每個(gè)220 kV變電站供電區(qū)域內(nèi)所需220 kV線路長度為,計(jì)及一定的曲折系數(shù)得到實(shí)際線路長度估值。
對于110 kV線路規(guī)模,不同接線形式有所區(qū)別,但均為供電半徑的倍數(shù)。設(shè)定為110 kV線路規(guī)模估算系數(shù),則110 kV線路規(guī)模計(jì)算如下:
式中:c為線路曲折系數(shù)。
根據(jù)圖1~2進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算,得到不同布點(diǎn)?及接線形式下110 kV線路規(guī)模估算系數(shù)如表6所示。
表6 110 kV線路規(guī)模估算系數(shù)
220 kV變電站的110 kV出線規(guī)模一般控制在12~14回,由于7~8個(gè)布點(diǎn)的雙電源三T接線以及8個(gè)布點(diǎn)的π式三T接線所需出線間隔數(shù)量較多,本文不作考慮。
本文以單位負(fù)荷供電成本作為優(yōu)化輸配網(wǎng)主變?nèi)萘康膮⒖贾笜?biāo),其計(jì)算如下:
式中:Eu為單位負(fù)荷供電成本;E*to為總投資等年值;Eop為年運(yùn)行損耗費(fèi)用;S為供電區(qū)域面積。
其中,E*to根據(jù)等效于期初的總投資費(fèi)用按照等年值法確定:
式中:y為電力工業(yè)年投資回報(bào)率;a為設(shè)備的使用年限。
其中,Eto包括等效于期初的變電總投資費(fèi)用和線路總投資費(fèi)用,即:
式中:Eso和Eto分別為變電和線路初期投資;Ele和Ele分別為變電和線路擴(kuò)建投資;h為變電站從初期規(guī)模至終期規(guī)模發(fā)展年限。
變電和線路投資根據(jù)建設(shè)規(guī)模及單價(jià)確定,變電和線路建設(shè)規(guī)模根據(jù)前文所述220 kV及110 kV容量匹配關(guān)系分析與建設(shè)規(guī)模計(jì)算方法確定。不考慮運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,年運(yùn)行損耗費(fèi)用Eop包含主變運(yùn)行損耗費(fèi)用和線路運(yùn)行損耗費(fèi)用,參考電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊[15]計(jì)算主變和線路的功率損耗,并由最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)及功率因數(shù)估算最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù),進(jìn)而計(jì)算全年電能損耗,結(jié)合電價(jià)因素,得到主變和線路的年運(yùn)行損耗費(fèi)用。
選擇100 km×100 km的地塊為研究對象,應(yīng)用本文所提協(xié)同優(yōu)化配置方法進(jìn)行主變?nèi)萘績?yōu)化,并得出一些趨勢性結(jié)論。設(shè)備參數(shù)選取參考油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[16],設(shè)備造價(jià)估算參考文獻(xiàn)[17]。輸電線路按照架空線進(jìn)行計(jì)算,220 kV和110 kV線路曲折系數(shù)分別取1.3和1.2。設(shè)備生命周期取30年,電力工業(yè)年投資回報(bào)率取8%。最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)取5 500 h,功率因數(shù)取0.98。平均電價(jià)取0.7元/(kW·h)。
圖4所示為年均負(fù)荷增長水平為3%時(shí),π接、T接、環(huán)網(wǎng)、鏈?zhǔn)?種典型110 kV接線形式下,不同容量配置方案單位負(fù)荷供電成本隨負(fù)荷密度的變化情況(圖例中括號外數(shù)字代表220 kV主變?nèi)萘?,括號?nèi)數(shù)字代表110 kV主變?nèi)萘浚峦?。由圖可以看出,不同接線方式下,相同負(fù)荷密度及容量配置方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有所區(qū)別,其主要原因在于接線方式不同導(dǎo)致線路規(guī)模(包括線路長度和輸送容量需求)的差異。因此,考慮接線方式對區(qū)域主變?nèi)萘颗渲玫挠绊懢哂袑?shí)際意義。此外,在負(fù)荷密度較低的地區(qū),供電半徑較大,輸電線路的建設(shè)和運(yùn)行成本都大幅上升,導(dǎo)致單位負(fù)荷供電成本居高不下,隨著負(fù)荷密度的增加,單位負(fù)荷供電成本逐漸下降。
圖4 4種典型接線形式下不同容量配置方案 單位負(fù)荷供電成本計(jì)算結(jié)果
圖5 所示為4種典型接線形式下,考慮年均負(fù)荷增長水平3%與不考慮負(fù)荷增長情況下單位負(fù)荷供電成本對比結(jié)果。由圖可看出,考慮負(fù)荷增長情況下,資金的時(shí)間價(jià)值對單位負(fù)荷供電成本產(chǎn)生影響,使其低于不考慮負(fù)荷增長的情況。這對優(yōu)化配置結(jié)果也帶來一些變化,如對于鄉(xiāng)村地區(qū),當(dāng)采用T接接線方式時(shí),若不考慮負(fù)荷增長,則推薦3×240(3×40)和3×240(3×50)配置方案,若考慮3%的年均負(fù)荷增長率,則推薦3×180(3×40)和3×240(3×50)配置方案。
圖5 考慮負(fù)荷增長與不考慮負(fù)荷增長情況 下單位負(fù)荷供電成本對比結(jié)果
表7所示為考慮年均負(fù)荷增長水平3%時(shí)不同接線方式下220 kV及110 kV主變?nèi)萘颗渲猛扑]結(jié)果。由表7可以看出,對于負(fù)荷密度大的地區(qū),如城市中心區(qū)、市區(qū)或城鎮(zhèn)中心區(qū),集約效益顯著,即大容量主變配置模式在相同可靠性要求下經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。因此,在大多數(shù)接線方式下,4×240(3×63)配置模式在高負(fù)荷密度地區(qū)做為推薦方案。在本文推薦的布點(diǎn)和接線方案下,單環(huán)網(wǎng)和不完全環(huán)網(wǎng)接線方式受限于110 kV線路極限輸送容量,選擇3×240(3×50)和3×240(3×40)配置模式做為高負(fù)荷密度地區(qū)的推薦方案。對于低密度城鎮(zhèn)及縣區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū),3×240(3×50)、3×240(3×40)和3×180(3×40)配置模式多作為推薦方案。對于負(fù)荷密度極低的偏遠(yuǎn)地區(qū),小容量配置模式在相同可靠性要求下經(jīng)濟(jì)性更優(yōu),且受限于供電半徑,更推薦3×120(3×20)等小容量配置模式做為最優(yōu)方案。
表7 220 kV及110 kV主變?nèi)萘颗渲猛扑]結(jié)果MVA
綜上,從經(jīng)濟(jì)性考慮,高負(fù)荷密度區(qū)域宜配置大容量變電站的趨勢相同,但主變?nèi)萘颗渲门c接線方式、負(fù)荷增速等因素相關(guān),具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮各種影響因素,協(xié)同優(yōu)化輸配網(wǎng)主變?nèi)萘颗渲茫岢霭踩?、可靠、?jīng)濟(jì)的配置方案。
本文提出一種多因素影響下的輸配網(wǎng)主變?nèi)萘繀f(xié)同優(yōu)化配置方法。該方法既考慮了負(fù)荷的發(fā)展趨勢及資金的時(shí)間價(jià)值,又考慮了多種典型接線方式及其匹配模式,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了靈活的處理方法。通過算例分析,對比了幾種典型110 kV構(gòu)網(wǎng)模式下不同容量配置方案的經(jīng)濟(jì)性以及是否考慮負(fù)荷發(fā)展動(dòng)態(tài)過程帶來的差異,進(jìn)一步闡明相關(guān)因素對容量配置帶來的影響,同時(shí)給出了不同情況下主變?nèi)萘颗渲猛扑]方案,驗(yàn)證了本文模型的合理性及適用性。