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      基于LCC的配電網(wǎng)電壓偏差治理措施的優(yōu)化

      2014-09-25 07:17:42劉開培龔漢陽
      電力自動(dòng)化設(shè)備 2014年1期
      關(guān)鍵詞:饋線導(dǎo)線偏差

      楊 潔,劉開培,龔漢陽,樂 健

      (武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

      0 引言

      隨著建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村工作的深入展開、家電下鄉(xiāng)政策的進(jìn)一步落實(shí)以及我國(guó)城市化水平的不斷提升,城鄉(xiāng)居民用戶對(duì)于供電質(zhì)量的要求也逐步提高。但由于歷史原因,我國(guó)配電系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)發(fā)電、輸變電系統(tǒng)較為落后,“重發(fā)輕供不管用”的問題仍然存在,導(dǎo)致城市及農(nóng)村配電網(wǎng)電能質(zhì)量差、供電可靠性低等問題較為突出,其中尤以配電網(wǎng)電壓偏差最為嚴(yán)重,危害最大。因此,如何在有限的投資約束下提高投資的效率,盡可能解決配電網(wǎng)現(xiàn)階段以及中遠(yuǎn)期的電壓偏差問題,已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和電力運(yùn)行部門實(shí)際生產(chǎn)過程中亟待解決的關(guān)鍵問題[1-2]。

      目前常用的配電網(wǎng)供電電壓偏差改善措施主要有以下幾種。

      a.無功補(bǔ)償技術(shù),以并聯(lián)電容器應(yīng)用最為普遍。

      b.合理選擇導(dǎo)線截面。導(dǎo)線截面過小,成本固然降低,但線損增大,易發(fā)生電壓偏差過大的問題。

      c.串聯(lián)電壓補(bǔ)償技術(shù)。該方式可靠性高、響應(yīng)速度快,但價(jià)格較為昂貴,不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

      d.調(diào)整變壓器分接頭。該方法投入最小,但一般難以兼顧最大、最小負(fù)荷時(shí)對(duì)供電電壓的需求。

      e.縮短供電半徑。此方式適用于供電半徑較長(zhǎng)的饋線,但一般引入已有的電源點(diǎn)將受到地理?xiàng)l件的限制,而新增電源點(diǎn)投資相對(duì)較大。

      現(xiàn)階段電力企業(yè)解決城鄉(xiāng)配電網(wǎng)電壓偏差問題的方式,大部分仍是憑經(jīng)驗(yàn)、粗放式的增加設(shè)備投資。對(duì)于方案的效果以及經(jīng)濟(jì)性,卻少有系統(tǒng)化、精細(xì)化的評(píng)估,更多的只是根據(jù)設(shè)備成本及人工成本大致估算出的預(yù)算。該方式顯然忽略了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、日常維護(hù)等多種因素造成的追加投資。目前國(guó)內(nèi)鮮有文獻(xiàn)對(duì)該問題進(jìn)行過深入研究。國(guó)外由于配電網(wǎng)架穩(wěn)定可靠等原因,更是少有研究對(duì)該問題進(jìn)行深入探討。

      電力設(shè)備全壽命周期成本(LCC)是指電力設(shè)備從設(shè)計(jì)到退役的整個(gè)期間需要的費(fèi)用總和,它往往數(shù)倍于設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用。LCC具有如下顯著特點(diǎn):費(fèi)用并不只是發(fā)生在投資初期,而是按時(shí)序發(fā)生在整個(gè)壽命周期內(nèi)。對(duì)于配網(wǎng)電壓偏差改善方案這個(gè)特定對(duì)象,采用全壽命周期理論可以有效評(píng)估其總體費(fèi)用,分析費(fèi)用在壽命周期中的分布,并以此為依據(jù)制定相關(guān)優(yōu)化措施。

      本文以LCC理論為基礎(chǔ),提出一種配電網(wǎng)電壓偏差治理措施的優(yōu)化方法。首先介紹該方法的流程,根據(jù)LCC理論構(gòu)建配電網(wǎng)改造的成本分解模型,利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建常用電壓偏差改善措施的LCC費(fèi)用計(jì)算模型。最后以某10 kV饋線為例,根據(jù)本文提出的策略,對(duì)其電壓偏差情況進(jìn)行了仿真評(píng)估,根據(jù)各種改造措施的LCC,制定出了優(yōu)化的電壓偏差改善措施方案。

      1 治理措施優(yōu)化方法的流程

      本文提出的基于LCC的電壓偏差治理措施優(yōu)化方法的流程如圖1所示。

      圖1 本文所提電壓偏差治理流程Fig.1 Flowchart of proposed method for voltage deviation management

      該方法主要包括如下幾個(gè)步驟:

      a.根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)接線方式、運(yùn)行方式、設(shè)備參數(shù)、負(fù)荷情況等信息,利用PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,評(píng)估目標(biāo)系統(tǒng)各負(fù)荷點(diǎn)電壓偏差情況;

      b.根據(jù)評(píng)估結(jié)果,分析造成目標(biāo)系統(tǒng)電壓偏差的主要原因,根據(jù)常用改善措施制定治理方案,再次利用仿真計(jì)算分析各種治理措施的技術(shù)可行性和合理性;

      c.根據(jù)LCC理論,構(gòu)建各技術(shù)可行治理方案的LCC分解計(jì)算模型,以此為基礎(chǔ)對(duì)各治理方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估;

      d.根據(jù)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性綜合性評(píng)估結(jié)果,制定出目標(biāo)系統(tǒng)電壓偏差治理的優(yōu)化方案。

      2 配電工程改造的LCC分解模型

      圖2為應(yīng)用于配電網(wǎng)工程改造的LCC分解模 型[3-6]。

      圖2 LCC分解模型Fig.2 LCC decomposition model

      總的LCC可分解為:

      其中,CI為一次投資資本,主要指設(shè)備的購(gòu)買與安裝費(fèi)用;CO為運(yùn)行損耗成本,對(duì)不同的設(shè)備有所不同,對(duì)于導(dǎo)線而言包括電阻損耗以及電暈損耗,而對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施,則不存在損耗問題;CM為運(yùn)行維護(hù)成本,包含設(shè)備的日常維護(hù)、維修費(fèi)用;CD為退役成本,包含設(shè)備的退役施工以及殘值回收,部分設(shè)備不存在殘值回收。

      2.1 一次投資成本

      一次投資成本包括各種設(shè)備購(gòu)買和安裝過程中涉及到的各種費(fèi)用[7-10]。配電網(wǎng)一次設(shè)備投資主要包括:配電變壓器、電桿及其配件、導(dǎo)線等。對(duì)于某個(gè)配電網(wǎng)工程改造,一次投資成本的計(jì)算公式為:

      其中,n為新增或更換變壓器的數(shù)量,m為需要增設(shè)電桿的工程數(shù)量,h為新增線路的條數(shù),z為新增電容器的臺(tái)數(shù);S對(duì)于變壓器為新增的或更換的變壓器容量,對(duì)于電桿為其數(shù)量,對(duì)于導(dǎo)線為其長(zhǎng)度,對(duì)于電容器為其容量;下標(biāo)T、P、L、C分別代表配電變壓器、電桿、裸導(dǎo)線/絕緣導(dǎo)線、電容器;P為設(shè)備單價(jià);A為某對(duì)象由于附件購(gòu)置而需要在該對(duì)象原值上增加的百分比,對(duì)不同設(shè)備有所不同,即使是同類設(shè)備,安裝方式不同該值也有所區(qū)別,例如,桿上配電變壓器與墻上安裝的費(fèi)用有所差異;D為施工難度系數(shù),主要與地形或所處區(qū)域特征有關(guān),如城市還是農(nóng)村,平原還是山區(qū)。參考配電線路典型設(shè)計(jì)中的取值,常用配電設(shè)備成本如表1所示,施工難度系數(shù)如表2所示。

      表1 典型配電設(shè)備購(gòu)置成本Tab.1 Typical purchase cost of distribution devices

      表2 施工難度系數(shù)Tab.2 Difficulty degree of project implementation

      2.2 運(yùn)行損耗成本

      運(yùn)行損耗對(duì)于配電網(wǎng)而言主要是線損,主要采用基于潮流的網(wǎng)損快速分析計(jì)算[11-17]。當(dāng)采用直角坐標(biāo)時(shí),依據(jù)潮流方程,某一時(shí)刻的線損能表達(dá)成電力系統(tǒng)狀態(tài)變量x(電壓實(shí)部和虛部構(gòu)成的列向量)的二次型。對(duì)應(yīng)某一潮流狀態(tài)x0,線損功率可表達(dá)為:

      其中,β(x0)為 z0下線損對(duì)因變量的靈敏度向量,β(x0)=為誤差矩陣,該矩陣僅與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及初始潮流因變量矩陣z0(節(jié)點(diǎn)注入)有關(guān);Δx為狀態(tài)變量的偏差向量,Δx=x-x0,由保留非線性潮流計(jì)算概念,有等式 z-z(x0)=JΔx+z(Δx)的關(guān)系,當(dāng) Δx非常小時(shí),若忽略二階項(xiàng) z(Δx),且 Δz=z-z(x0)已知時(shí),也可根據(jù)Δz=JΔx這一近似快速求解Δx。

      根據(jù)式(3),對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)注入量z0的潮流狀態(tài)x0,線損即為 Ploss(z)=βT(x0)x0,也確定了 β=β(x0)的向量以及誤差矩陣E=E(x0)。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變時(shí),在相同運(yùn)行方式期間,對(duì)應(yīng)任何情形下的因變量z,以及與初始因變量z0的偏差項(xiàng)Δz=z-z(x0),由直角坐標(biāo)下潮流計(jì)算方程可知:

      其中,J為對(duì)應(yīng)x=x0時(shí)的雅可比矩陣。

      因此在x0下,對(duì)應(yīng)因變量z的變化,通過式(4)迭代,可快速求出系統(tǒng)狀態(tài)的變化。當(dāng)然,考慮到系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下,因變量變化引起狀態(tài)量的變化并不顯著,即 Δx很小和 z(Δx)≈0,則也可由 Δz直接根據(jù)式(5)求得Δx,也不會(huì)引起大的誤差。

      因此通過某一狀態(tài)的潮流,因變量的任何變化,都可準(zhǔn)確或近似地計(jì)算對(duì)應(yīng)因變量變化的線損功率。

      2.3 運(yùn)行維護(hù)成本

      運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用涵蓋的范圍較廣,主要包括以下幾個(gè)部分:運(yùn)行維護(hù)人員的工資;運(yùn)行維護(hù)的工具費(fèi)用;備品、備件的管理和維護(hù)費(fèi)用;車輛及辦公費(fèi)用;故障搶修費(fèi)用。

      由于目前財(cái)務(wù)管理的精密程度無法達(dá)到LCC分析的要求,因此,將所有的維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行均攤,得到大致維護(hù)費(fèi)用如下:

      其中,CMt為某一電壓等級(jí)配電網(wǎng)每年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用;lt為該電壓等級(jí)配電網(wǎng)線路的總長(zhǎng)度;t為電壓等級(jí)。在計(jì)算中,需要按照電壓等級(jí)進(jìn)行均攤及計(jì)算。

      2.4 退役成本

      退役成本在目前的管理中往往受到忽視??紤]到配電網(wǎng)的實(shí)際情況,配電變壓器、電桿及裸導(dǎo)線/絕緣導(dǎo)線在一定條件下可以回收其價(jià)值。退役成本的計(jì)算公式為:

      其中,Ya為各設(shè)備的平均使用壽命。

      需要說明的是:由于電桿、電線、配變、電容器等均可二次回收利用,但必須是完整的才引入計(jì)算,并且隨著使用年份的增加呈遞減趨勢(shì)計(jì)算其價(jià)值;附件同樣按照運(yùn)行年份計(jì)算其殘值;拆除工程的施工費(fèi)用與正式施工的費(fèi)用設(shè)定為相同。

      3 電壓偏差改善措施的成本分解模型構(gòu)建

      由于串聯(lián)電壓補(bǔ)償設(shè)備較為昂貴且適用范圍小,而重新規(guī)劃電源點(diǎn)、縮短供電半徑較為復(fù)雜且花費(fèi)大,因此城鄉(xiāng)配電網(wǎng)電壓偏差治理措施主要采用并聯(lián)電容器、合理選擇導(dǎo)線截面以及調(diào)節(jié)變壓器分接頭。

      根據(jù)第2節(jié)的LCC分解模型,對(duì)以上3種改善措施的LCC模型進(jìn)行分解計(jì)算。

      3.1 采用并聯(lián)電容器的成本計(jì)算

      對(duì)于10 kV線路,可采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償,通過降低無功電流來提高供電電壓。但一般情況下,無功補(bǔ)償電容宜安裝于臺(tái)區(qū)低壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償,或者安裝于某個(gè)功率因數(shù)較低的用戶處進(jìn)行就地補(bǔ)償。

      其一次投資成本為:

      其中,SC為并聯(lián)電容器容量(kvar);取單價(jià) 20 元/kvar。

      運(yùn)行損耗成本:并聯(lián)電容器正常運(yùn)行過程中僅存在很小的有功損耗,因此對(duì)并聯(lián)電容補(bǔ)償方法而言可取為0。

      運(yùn)行維護(hù)成本:不單獨(dú)計(jì)算,對(duì)并聯(lián)電容器取為0。

      退役成本:取一次投資成本的2%。

      3.2 更換導(dǎo)線截面的成本模型

      一次投資成本為:

      其中,L為更換的導(dǎo)線長(zhǎng)度(km),PL為導(dǎo)線的單價(jià)(元/km);Pnum和 Pprice分別為需更換的電桿數(shù)量(基)和單價(jià)(元/基);140%和115%分別為計(jì)入附件投資和施工費(fèi)用的系數(shù)。

      運(yùn)行損耗成本:由于饋線結(jié)構(gòu)復(fù)雜且負(fù)荷波動(dòng)性較大,準(zhǔn)確計(jì)算出線路損耗非常困難且不必要。本文采用以下簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算起始年運(yùn)行成本:

      其中,d為全部更換的導(dǎo)線總段數(shù);Ik為由第k段導(dǎo)線后全部配變額定容量和額定電壓計(jì)算得到的該段導(dǎo)線的額定電流(A);η為線路平均負(fù)載率;rk為第k段導(dǎo)線的電阻率(Ω/km);Lk為第k段導(dǎo)線的長(zhǎng)度(km);T為每年的總小時(shí)數(shù)(h);P為單位有功電價(jià)(元/(kW·h))。計(jì)算時(shí)需考慮年通貨膨脹率和貸款利率,對(duì)各年運(yùn)行成本進(jìn)行等年值折算。按服役年限20 a計(jì)算,平均年通貨膨脹率為3%,年利率為7%,電費(fèi)為 0.3元/(kW·h)??傔\(yùn)行損耗成本計(jì)算公式為:

      運(yùn)行維護(hù)成本:運(yùn)行維護(hù)成本采用經(jīng)驗(yàn)公式,即10 kV饋線每km的年平均維護(hù)成本為3000元。起始年的全壽命周期計(jì)算得到的運(yùn)行維護(hù)成本為:

      總運(yùn)行維護(hù)成本同樣需要將以后各年的運(yùn)行維護(hù)成本根據(jù)上述方法進(jìn)行等年值折算后相加。

      退役成本:取一次投資成本的2%。

      3.3 調(diào)節(jié)變壓器分接頭的成本模型

      對(duì)于改變變壓器分接頭而言,基本不存在新增投資的問題,可能帶來的主要損失是將增加變壓器的維護(hù)成本,本項(xiàng)目未對(duì)該方案進(jìn)行LCC的分析,認(rèn)為其成本基本為0。

      4 應(yīng)用實(shí)例

      4.1 目標(biāo)系統(tǒng)概況

      本文的應(yīng)用對(duì)象為某地35kV變電站的1條10kV饋線,其接線如圖3所示。

      圖3 10 kV饋線接線圖Fig.3 Connection diagram of a 10 kV feeder

      該10 kV饋線共有11段架空線路,各條線路類型及其長(zhǎng)度如表3所示。線路負(fù)荷、各負(fù)荷變壓器類型、容量及負(fù)載率如表4所示。

      4.2 目標(biāo)系統(tǒng)電壓偏差評(píng)估及結(jié)果分析

      首先采用PSCAD仿真軟件,通過仿真計(jì)算得到該10 kV饋線在額定負(fù)荷以及正常負(fù)載率情況下的電壓偏差情況,結(jié)果如表5所示。可以看出,該饋線電壓偏差問題隨著線路的延伸而不斷惡化,線路最末端的打石場(chǎng)供電電壓偏差情況最為嚴(yán)重。

      表3 10 kV饋線線路參數(shù)Tab.3 Line parameters of a 10 kV feeder

      表4 10 kV饋線各負(fù)荷統(tǒng)計(jì)Tab.4 Loads of a 10 kV feeder

      表5 南林線電壓偏差評(píng)估結(jié)果Tab.5 Evaluated voltage deviation of Nanlin line

      通過分析該線路的線路分布及負(fù)荷情況,可知造成供電電壓偏差的主要原因包括:變電站離負(fù)荷點(diǎn)偏遠(yuǎn),供電半徑較大,線路偏長(zhǎng);萬伊鈦廠、打石場(chǎng)等負(fù)荷較重。

      4.3 初步改造方案及其技術(shù)性評(píng)估

      根據(jù)電壓偏差評(píng)估結(jié)果及原因分析,結(jié)合其自身線路、負(fù)荷情況,本文為其制定3種改造方案。方案1是將該饋線所有主干線路換成LGJ-150導(dǎo)線,以減小線路電壓損耗;方案2是采取集中補(bǔ)償?shù)姆绞剑鲈O(shè)0.3 Mvar的無功設(shè)備;方案3是將饋線入口變壓器分接頭的檔位上調(diào)一級(jí)。

      利用PSCAD軟件對(duì)以上3種改善方案展開技術(shù)性評(píng)估,電壓偏差改善結(jié)果如表6所示??梢钥闯觯桨?對(duì)于解決電壓偏差問題效果最佳,方案2次之,方案3最差。

      4.4 各改造方案經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

      結(jié)合3節(jié)中各改造方案的成本分解模型,對(duì)基于LCC的各種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[18-19],結(jié)果見表7(由3.3節(jié)可知,方案3成本為0,故未在表中示出)。可看出方案1較方案2和方案3的花費(fèi)巨大。從經(jīng)濟(jì)性角度而言,方案3最好,方案2次之,方案1最差。

      表6 南林線電壓偏差治理方案Tab.6 Schemes of voltage deviation management for Nanlin line

      表7 電壓偏差治理方案的LCC比較Tab.7 Comparison of LCC among voltage deviation management schemes 萬元

      4.5 治理方案的優(yōu)化

      根據(jù)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果,最終得出了該10 kV饋線適用的電壓偏差改善措施及其排序:以方案3的經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性最為適中,宜優(yōu)先選取;方案1的技術(shù)性最好,而經(jīng)濟(jì)性最差,但方案1在改善電壓偏差的同時(shí)也有提高線路供電可靠性等其他效果,因此宜將經(jīng)濟(jì)條件與供電可靠性、電壓偏差結(jié)合考慮,以決定選擇主線換徑或者無功補(bǔ)償。

      最終,該10 kV饋線電壓偏差治理的方案確定為優(yōu)先選擇變壓器分接頭檔位上調(diào)一級(jí),并在變壓器二次側(cè)加設(shè)無功補(bǔ)償電容器。

      5 結(jié)論

      本文以LCC理論為基礎(chǔ),提出一套治理配電網(wǎng)電壓偏差的優(yōu)化方法。該方法首先確定出技術(shù)性可行的電壓偏差治理方案;其次基于LCC理論,計(jì)算得出各治理方案的LCC,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估;最終根據(jù)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性分析確定出最為合理的電壓偏差治理方案。以某10 kV饋線為例,說明了該方法的具體實(shí)現(xiàn)。本文方法的原理簡(jiǎn)單,方案制定兼顧了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性,為提高供電部門制定配電網(wǎng)改造方案的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性提供了可靠的決策依據(jù)。

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