基于變電能力提升和電源接入質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雷翔勝，王興華

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080)

變電站建設(shè)工程是國家電網(wǎng)、城市規(guī)劃中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，對保障社會(huì)生產(chǎn)、百姓生活具有重大的影響。隨著用地指標(biāo)越發(fā)緊張、環(huán)評要求的提高，新建變電站址的選址越發(fā)困難，對于已建成區(qū)域，如果因?yàn)樨?fù)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(zhì)量，成為當(dāng)前我國變電站建設(shè)、改造工程中的重點(diǎn)研究方向。隨著未來分布式變電站建設(shè)工程的增多，傳統(tǒng)的電網(wǎng)變電環(huán)節(jié)將成為變電站建設(shè)工程的重點(diǎn)。因此，本文針對分布式變電站建設(shè)工程中提高變電能力以及電源接入質(zhì)量的方法、思路進(jìn)行總結(jié)，通過設(shè)計(jì)一種主變壓器站間聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，挖掘有限規(guī)模條件下變電站的變電和供電潛能，旨在為電網(wǎng)建設(shè)、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(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

變電站建設(shè)工程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)較為復(fù)雜的優(yōu)化問題，基于變電能力與電源接入質(zhì)量提升的變電站結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有典型的多目標(biāo)性、不確定性等特征見圖1。針對變電站建設(shè)工程優(yōu)化的特征，可分別通過多場景分析法、不確定信息數(shù)學(xué)建模規(guī)劃法以及數(shù)學(xué)優(yōu)化法等進(jìn)行分析和優(yōu)化。

圖1 變電站結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路Fig.1 Substation structure optimization ideas

鑒于變電站結(jié)構(gòu)優(yōu)化兼具多種特征，因此本文從結(jié)構(gòu)性角度出發(fā)，將變電站建設(shè)工程中變電能力與電源接入質(zhì)量提升的優(yōu)化任務(wù)定為兩方面：①分布式變電站站點(diǎn)的選擇與定容問題；②變電站主變電站間聯(lián)絡(luò)路徑與建設(shè)方案篩選問題。通過兩方面優(yōu)化，采用最低的建設(shè)成本(經(jīng)濟(jì)、時(shí)間)等，優(yōu)選最合理的變電站規(guī)劃建設(shè)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(zhì)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(wǎng)規(guī)劃范圍內(nèi)，變電站能夠滿足N-1準(zhǔn)則條件下整體配電網(wǎng)絡(luò)對用電載荷的最大供變電能力。變電站供變電能力(S)的強(qiáng)弱主要受兩方面影響：

=+

(1)

式中：表示分布式變電站整體站內(nèi)供電能力；表示變電站所處配電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)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(nèi)供電能力以及變電站所處配電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)移能力入手。一方面，可以從改變站內(nèi)主變配置，如分布式變電站中的主變壓器容量和臺(tái)數(shù)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(fù)荷轉(zhuǎn)移通道，利用分布式變電站中的下級電網(wǎng)轉(zhuǎn)帶故障主變的復(fù)合，進(jìn)而使分布式布局的變電站系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量負(fù)荷條件下滿足-1準(zhǔn)則。

1.3 電源接入質(zhì)量及提升

分布式變電站結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)增加變電站及配電網(wǎng)電源出力的不確定性，會(huì)給電網(wǎng)整體電源接入質(zhì)量如電壓諧波含量及電壓波動(dòng)等帶來一定的影響，可針對分布式電源接入中的電網(wǎng)電壓分布、潮流和功率等因素進(jìn)行針對性優(yōu)化。

1.4 整體優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

面向變電站建設(shè)工程中供電能力和電源接入質(zhì)量提升的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路見圖2。其中，第1步結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從整體視角對本次設(shè)計(jì)的分布式變電站布局進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建；第2步為循環(huán)漸進(jìn)方式對分布式變電站中主變壓器之間的聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置；第3步為將分布式變電站整體變電能力和電源接入質(zhì)量進(jìn)行分析，得到有化以后的變電站建設(shè)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖2 整體優(yōu)化設(shè)計(jì)思路Fig.2 Overall optimization design ideas

2 分布式變電站布局構(gòu)建

2.1 加權(quán)V圖變電站聯(lián)絡(luò)度的備選庫構(gòu)建

加權(quán)V圖(泰森多邊形)是一種較為常見的圖像生成技術(shù)。本文所開展的分布式變電站項(xiàng)目著眼于在選址困難區(qū)域，利用相隔不太遠(yuǎn)的二三處分散地塊，分布式布置110 kV變電站主設(shè)備，從而形成一個(gè)完整的變電站，并且從系統(tǒng)角度及運(yùn)維角度是一個(gè)完整的變電站。假設(shè)共布置個(gè)變電站主設(shè)備，則第個(gè)主設(shè)備中的相關(guān)信息采用有序數(shù)對進(jìn)行表示，其位置坐標(biāo)呈現(xiàn)為(，)，將變電站主設(shè)備的容量表示為，則第個(gè)主設(shè)備的變電主設(shè)備容量可呈現(xiàn)為，此時(shí)該主設(shè)備的有序數(shù)對可表示為(，，)。利用加權(quán)V圖(泰森多邊形)進(jìn)行各變電站主設(shè)備備選庫建設(shè)的流程見圖3。

圖3 變電站聯(lián)絡(luò)度的備選庫構(gòu)建流程Fig.3 Alternative library construction process of substation contact degree

2.2 變電站間聯(lián)絡(luò)約束距離計(jì)算

變電站建設(shè)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(yè)時(shí)用戶端或系統(tǒng)末端負(fù)荷電壓的質(zhì)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(fù)荷電壓值?；诖?，本文構(gòu)建了變電站間聯(lián)絡(luò)約束距離的計(jì)算框架，具體如圖4所示。

圖4 變電站間聯(lián)絡(luò)約束距離計(jì)算框架Fig.4 Calculation framework of connection constraint distance between substations

該框架充分考慮了線路負(fù)荷分布模型、線路類型等實(shí)際工程建設(shè)過程中最為常見的約束條件，能夠充分保證系統(tǒng)分析和計(jì)算結(jié)果貼近實(shí)際工程應(yīng)用，使計(jì)算結(jié)果更具工程實(shí)踐價(jià)值。

2.3 建立聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣

本文以110 kV變電站典型的3臺(tái)主變建設(shè)規(guī)模為例，選取3個(gè)子站這一難度較大的方案進(jìn)行具體研究，從問題著手，重點(diǎn)解決分布式變電站的建設(shè)、運(yùn)維困難，并從電氣接線、平面布置、設(shè)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(jià)、運(yùn)行維護(hù)等方面所帶來的不利影響。圖5所示為3臺(tái)主變建設(shè)規(guī)模聯(lián)絡(luò)度矩陣的構(gòu)建流程。

圖5 3臺(tái)主變建設(shè)規(guī)模聯(lián)絡(luò)度矩陣的構(gòu)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(lián)絡(luò)通道優(yōu)化設(shè)置

3.1 與傳統(tǒng)方式的比較

傳統(tǒng)的分布式變電站建設(shè)工程規(guī)劃多按照項(xiàng)目及建設(shè)規(guī)劃規(guī)定的負(fù)荷預(yù)測、變電站主變設(shè)備規(guī)劃等方式進(jìn)行。與本文所設(shè)計(jì)的分布式變電站布局構(gòu)建方法相比，存在一定的差距。例如，傳統(tǒng)的規(guī)劃流程需要對系統(tǒng)未來實(shí)際作業(yè)時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，在預(yù)測結(jié)果基礎(chǔ)上對分布式變電站中的主變設(shè)備容量、主變設(shè)備間距離等進(jìn)行規(guī)劃。預(yù)測結(jié)果對系統(tǒng)規(guī)劃影響巨大。然而，由于我國電網(wǎng)建設(shè)和設(shè)備更新速度較快，系統(tǒng)的負(fù)荷變化情況往往較大，一般的預(yù)測結(jié)果時(shí)效性及可持續(xù)性均無法得到保證。而本文所設(shè)計(jì)的變電站建設(shè)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，能夠針對主變建設(shè)規(guī)模聯(lián)絡(luò)度矩陣進(jìn)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(shè)計(jì)提供了較大的系統(tǒng)冗余，能夠根據(jù)變電站的最大變電能力進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，一定程度上擺脫了系統(tǒng)負(fù)荷對變電站設(shè)計(jì)的局限性。

此外，假設(shè)不同子站之間的10 kV母線不能通過架空導(dǎo)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(lián)，每根電纜間電流分布不均，將會(huì)產(chǎn)生很大的安全隱患。而通過加權(quán)V圖變電站聯(lián)絡(luò)度的備選庫構(gòu)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(shè)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(jìn)行計(jì)算，大大提升了工程整體設(shè)計(jì)效率。

3.2 主變聯(lián)絡(luò)通道優(yōu)化設(shè)置基本步驟

基于后退尋優(yōu)化進(jìn)行主變聯(lián)絡(luò)通道優(yōu)化設(shè)置基本步驟主要可分為五步：①根據(jù)前文所得變電站整體聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣，確定分布式變電站在既定的供電區(qū)域內(nèi)負(fù)荷作業(yè)的主變滿聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣；②確定分布式變電站兩兩變電站之間交叉聯(lián)絡(luò)通道的基本類型，并進(jìn)行一一刪減校驗(yàn)；③確定供電區(qū)域內(nèi)分布式變電站主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣及對角子矩陣；④建立后退尋優(yōu)化教研矩陣，確定計(jì)算和迭代過程；⑤確定最優(yōu)聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣，并在分布式變電站具體建設(shè)模型基礎(chǔ)上確定主變聯(lián)絡(luò)布局，分析各主變站間聯(lián)絡(luò)通道所需的理論聯(lián)絡(luò)容量值。

4 結(jié)語

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