CN105046368A - 一种变电站主变容量和最优站址选取的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，属于电力行业配电网规划技术领域，本发明变电站站址选取方法是根据地区负荷情况、负荷分布、地理位置等因素选择最优的变电站站址，变电站容量确定方法是根据负荷分布及未来发展情况，考虑投资费用等条件，选择确定变电站主变容量。本发明从实际情况出发，对负荷进行预测，依据负荷预测情况以及环境地理因素等实际情况，结合变电站布置原则，综合考虑变电站规划方案的初始投资成本、运行成本、维护成本等因素，考虑容载比等相关约束条件，确定最优的变电站容量和站址；该方法考虑的配电网变电站选址定容规划的实际因素更加全面，使得规划方案更加接近实际情况，方法更合理，实用性更强。

Description

一种变电站主变容量和最优站址选取的方法

技术领域

本发明属于电力行业配电网规划技术领域，具体涉及一种变电站主变容量和最优站址选取的方法。

背景技术

高压配电变电站对于整个电网的供电安全和供电质量起着极其重要的作用。确定高压变电站的位置和容量既要考虑负荷的分别情况，又要考虑整个电网的结构。

国内外已有许多关于优化配电变电站站址和容量的研究成果，这些研究或是基于专家提出的水平年候选站址，或是基于平均负荷分布假设。文献(1)将变电站优化问题分为两个子问题，即平面定位问题和组合优化问题，并提出了一套在不需要指定水平年候选站址的情况下自动搜索35kV及以上配电变电站的站址、站容和供电范围的优化技术，并已获得广泛应用。但其采用试探组合算法求解变电站优化规划的组合优化问题，对大规模问题计算时间较长，且试探技术可能漏掉最优解。文献(2)在文献(1)研究的基础上，提出了更加完善的考虑线路投资影响的优化模型，并采用了三角连续分割算法求解变电站优化规划的组合优化问题，但三角连续分割算法在求解目标函数非凸的优化问题时也可能漏掉最优解。

注：文献(1)DaiHongwei,YuYixin,HuangChunhuaetal.Optimalplanningofdistributionsubstationlocationsandsizess-modelandalgorithm[J].ElectricalPower&EnergySystems,1996,18(6):353-357。

文献(2)张崇见，余贻鑫，严雪飞。中压配电变压器优化规划[J]。电力系统自动化，1999，23(1)：27-30。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，该方法综合考虑变电站规划方案的初始投资成本、运行成本、维护成本，以及地理信息和电气信息的约束条件，建立了变电站址定容规划的数学模型，使得规划方案在顾及各项约束条件时满足经济最优，并兼顾可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，包括变电站站址选择方法和变电站容量确定方法，其中：

变电站站址选择方法如下：根据规划地区电网的负荷预测结果，采用递归法计算变电站站址在规划地区的最优几何位置，具体位置确定考虑实际地理位置因素；

所述递归法包括以下步骤：

1)对规划区域进行区块划分，并预测每个区块的负荷预测值，并以区块的几何中心点作为负荷中心点，

2)将负荷预测值相近的邻近区块的负荷中心点进行两两连线，将连线中心点作为两区块总负荷的中心点，

3)对经过一级变换之后的两区块总负荷的中心点，再按步骤2)规则进行二级变换，以此类推，直至规划区域的所有负荷集中到1或2个负荷中心点，该负荷中心点即为理论最优几何位置；

变电站容量确定方法如下：根据负荷分布及未来发展情况，以变电站建设、运行总成本最小为目标，建立目标函数模型，并对该函数的单台变压器容量进行一阶求导，令求导结果等于零，从而推导出变电站容量，该函数表达式是：

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$

其中：C_b＝a_b0+(a_b+b_bΔS)M

$C_l^H=(a_l^H+b_l^{H}L)M$

$C_l^L=(a_l^L+b_l^{L}l)MN$

$F_w=r_b{C}_b+r_l^H{C}_l^H+r_l^L{C}_l^L$

上述表达式中，minPVC是最小变电站建设、运行总成本，C_b是变电站投资成本，是进线投资成本，是出线投资成本，M是变压器台数，ΔS是单台变压器容量，a_b0是变电站建设的固定成本，a_b是单台变压器的固定成本，b_b是与变压器容量相关的成本系数，l是供电半径，进线平均长度L＝βl，系数β为曲折系数，取β＝2，是每条进线的固定成本，是单位长度进线投资成本，N是每台变压器的出线条数，是每条出线的固定成本，是单位长度出线投资成本，F_b是变电站运行费用，F_l是线路运行费用，F_w是设备维护费用，σ是负荷密度，ω是电价，ΔP_d是变压器负载损耗，是变压器功率因数；τ是最大负荷利用小时数，P₀是变压器空载损耗，T是变压器运行时间，是进线电压等级，r^H是进线单位等效电阻，是进线功率因数，出线电压等级，r^L是出线单位等效电阻，出线功率因数，r_b是变电站维护率，是进线维护率，是出线维护率，A是规划区域面积，(P/F，i，n)是现值系数，其中，i为贴现率，n为规划期年数；

求导结果：

令minPVC′＝0，求取其中A₀＝ωΔP_dπ²σ²τ，

λ＝(P/F，i，n)。

进一步的，负荷预测采用两个等级负荷预测，第一等级为空间负荷预测法，第二等级为各类趋势性负荷预测法，对于新型城镇负荷预测采用空间负荷预测法，对已经形成规模且远期用电性质不会产生变化的区域，采用历史增长率法、弹性系数法进行负荷预测；对已有规划但尚未有用户入驻的区域采用空间负荷预测法进行负荷预测。

进一步的，上述函数：

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$ 需要满足“M-1”条件和容载比约束，所述“M-1”条件是指当其中一台变压器因故障退出运行时，其余变压器承担全部负荷而不过载，此时变压器容量和台数应满足下式：

式中k为变压器短时允许过载率；

k值有两种定义方式，一种是根据变压器绝缘老化定理，允许变压器短时间过负荷而不会影响变压器的使用寿命，此时k＝1.3；一种是根据变电所中任一台变压器因故障停运时，剩余变压器承担全部负荷而不过载来定义，此时k＝1；

容载比R_s满足R_smin≤R_s≤R_smax,其中R_smin、R_smax,分别为110kV配电网容载比的最小值和最大值。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明从实际情况出发，对负荷进行预测，依据负荷预测情况以及环境地理因素等实际情况，结合变电站布置原则，综合考虑变电站规划方案的初始投资成本、运行成本、维护成本等因素，考虑容载比等相关约束条件，确定最优的变电站容量和站址；该方法考虑的配电网变电站选址定容规划的实际因素更加全面，使得规划方案更加接近实际情况，方法更合理，实用性更强。

附图说明

图1是本发明递归法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明包括变电站站址选择方法和变电站容量确定方法，其中：

变电站站址选择方法如下：根据规划地区电网的负荷预测结果，采用递归法计算变电站站址在规划地区的最优几何位置，具体位置确定考虑实际地理位置因素，具体如下。

一、负荷预测

1、负荷类型

作为城镇化新阶段的产物，新型城镇与以往城镇在负荷类别上并无本质性的区别，但在与供电能力息息相关的负荷结构、最大负荷发生时刻上有着本质区别，因此，在传统的负荷分类的基础上，按可靠性要求的不同和负荷变动特性，对新型城镇的负荷进行层次划分。

不管是新型城镇还是复合型城镇，通常的负荷类型都可分为以下四个层级。四种负荷层级在可靠性要求和负荷变动特性上都有着显著区别。

(1)工业负荷。工业负荷是指以电为原动力，或以电冶炼、熔焊、电解的一切工业生产。工业负荷本身基础很大，而且几班连续生产，所以这类负荷变动较小。工业负荷一般可是为受天气影响较小的负荷，但是在高温季节，工业负荷也应该考虑为降温所必须的消耗的电能。

(2)市政和商业用电负荷。市政、商业负荷主要是指从事城镇管理、商业经营或围绕商业的其他一些服务行业，如餐饮好、娱乐部门等提供照明、动力、空调等用电负荷。它的特点是用电增长平稳，具有季节性并且易受天气变化的影响。商业负荷在电力系统每天高峰负荷中影响是相当大的。

(3)居民用电负荷。居民用地负荷是指以居民家庭为单位的用电负荷。随着生活水平的不断提高，居民生活用电也在增长。居民用电在一天内变化比较大。白天和深夜用电量很少，而每天晚上八点左右的用电量比较大。此外，居民用电每个季节用电量也有变化。在辽宁这种北方地区，冬季寒冷，采暖设备时生活用电负荷大大增加。

(4)其他负荷。含绿地等用电负荷等，负荷无明显季节性特点。

四类负荷在单一型产业城镇和复合型城镇中占比的不同，决定了两种城镇的层级负荷特性的区别。

2、负荷预测方法选定

新型城镇由农村或郊区城镇发展而来，由于各地电网的差距，仍有很多地区农村电网没有建立起数据库，根本没有历史负荷数据。此外由于新型城镇建设很多用地均有农业用地转换而来，原负荷数据亦无参照性。因此，增长率法，弹性系数法，回归分析法均不能用来进行预测，而空间负荷预测方法就不存在这样的问题。

空间负荷预测法具备以下四个优点：

1、对于新开发区域，本来没有历史负荷数据，因此不能用趋势法进行预测，而利用空间负荷预测法就不存在这个问题；

2、由于电网中经常出现的负荷转移的问题也会对常规负荷预测方法的结果产生很大的影响，空间负荷预测法不受它影响；

3、常规负荷预测方法很难考虑到小区用地性质改变的负荷发展情况，而空间负荷预测法可较容易做到；

4、空间负荷预测法得到的结果不仅有将来的负荷值，还有这些负荷在地理上的分布情况，这对于城市电网规划有很大好处。

鉴于空间负荷预测法的四大优势，负荷预测采用两个等级负荷预测，第一等级为空间负荷预测法，第二等级为各类趋势性负荷预测法，对于新型城镇负荷预测首推采用空间负荷预测法，其次考虑其它趋势性负荷预测方法，对已经形成规模且远期用电性质不会产生变化的区域，可以采用历史增长率法、弹性系数法进行负荷预测；对已有规划但尚未有用户入驻的区域可采用空间负荷预测法进行负荷预测。负荷预测结果可采用人均综合用电量指标法进行校核。

二、变电站站址布置

1、布置原则

高压站站址选择应遵循以下原则：

(1)变配电站设计应节约用地，合理选用小型化、环保型设备，充分利用空间，精心布置，力求减少占地面积和建筑面积。位于中心城区的变、配电站宜与建筑物相结合并与周围环境相协调。

(2)变电站的选址须符合地区总体规划，尽可能靠近负荷中心，以提高电力输送能力，降低线损。

(3)遵循空间就近原则，高压站点间可与邻近电源形成单联络结构

2、站址布置方法

变电站的选址须符合地区总体规划，尽可能靠近负荷中心，因此可借助于递归法，以计算得到变电站最优几何位置，实际建设时应在该中心点附近选取合适位置建设。

此方法的核心思路为：根据各个区块的负荷中心点进行两两变换合并，经多级变换后将区域内所有负荷集中到一个几何中心点，则自该点到达各个区块的供电线路空间距离长度为最优。

4)将负荷预测值相近的邻近区块的负荷中心点进行两两连线，将连线中心点作为两区块总负荷的中心点，

对经过一级变换之后的两区块总负荷的中心点，再按步骤2)规则进行二级变换，以此类推，直至规划区域的所有负荷集中到1或2个负荷中心点，该负荷中心点即为理论最优几何位置；

递归法具体步骤如下：

(1)根据控制响应规划图(对规划区域进行区块划分)计算各个区块实际负荷预测结果(预测每个区块的负荷预测值)。

(2)将每个区块的负荷预测值以“X*2MW”模式标定在其几何中心点，即以该区块的几何中心点作为负荷中心点。

(3)将负荷预测值相近的邻近区块的负荷中心点进行两两连线(首次变换)，在连线中心点标记两区块的负荷预测值之和，将连线中心点作为两区块总负荷的中心点。

(4)参照步骤(3)对规划区域内所有区块进行首次两两连线，取中心点标记负荷预测值之和，其中负荷值较高的区块先行隔离处理，等待与负荷值接近的邻近区块进行两两连线(进行过首次变换后的区块)。

(5)以此类推，对首次变换的结果进行二次、三次变换，直至最终区域内所有负荷集中到1到2个负荷中心点。

(6)则该1到2个中心点为预计新建高压站点的空间地理位置，中心点所标示值为需满足的变电站容量最小值。

(7)实际建设位置应参照当地地理情况在标示的中心点周围选定，实际变电站容量应大于中心点标示值，并满足“M-1”要求。

变电站容量确定方法如下：根据负荷分布及未来发展情况，以变电站建设、运行总成本最小为目标，建立目标函数模型，并对该函数的单台变压器容量进行一阶求导，令求导结果等于零，从而推导出变电站容量，具体如下。

1、目标函数模型

建立的优化模型以变电站建设运行总成本最小为目标，并满足“M-1”条件和容载比约束，优化参数为变压器供电半径。变电站建设运行总成本包括配电网建设投资成本和每年的运行费用；配电网投资成本主要由变电站投资成本(变电站主体建设成本以及变压器投资成本)、进线投资成本以及出线投资成本组成；运行费用则由变压器运行费用、线路运行费用和设备维护费组成；这六项成本构成了目标函数的基础。

(1)配电网投资成本计算

配网建设投资总成本为

$C=C_b+C_l^H+C_l^L$

式中C_b——变电站投资成本，万元；——进线投资成本，万元；——出线投资成本，万元。

变电站投资成本

变压器的台数为M，单台变压器容量为ΔS，则单个变电站的投资成本为：

C_b＝a_b0+(a_b+b_bΔS)M

式中a_b0——变电站建设的固定成本，包括变电站本体及其他设备投资成本，万元；a_b——单台变压器的固定成本，主要体现了进出线间隔的费用，万元；b_b——与变压器容量相关的成本系数。

由上式可知，当变压器台数确定时，变电站的投资成本是单台容量的线性函数。变压器的容量越大，其投资成本也越高。

进线投资成本

变电站供电半径为l，进线平均长度L＝βl，系数β为曲折系数；若不考虑接线模式对进线长度的影响，可取β＝2，则进线投资成本为：

$C_l^H=(a_l^H+b_l^{H}L)M$

式中——每条进线的固定成本，万元；——单位长度进线投资成本，万元/km。

可见，进线的投资成本是其长度的线性函数。每条进线固定成本一般与线路走廊和进线间隔密切相关，而变动成本则由每条进线承担的负荷、截面积、材料等因素决定。

出线投资成本

假设每台变压器的出线为N条，出线长度即为供电半径l，出线投资成本为：

$C_l^L=(a_l^L+b_l^{L}l)MN$

式中——每条出线的固定成本，万元；——单位长度出线投资成本，万元/km。

可见，出线投资成本与进线投资成本类似，也是其长度的线性函数。一般与线路走廊等因素密切相关，则取决于每条出线承担的负荷、截面积、材料等因素。

(2)配电网运行成本计算

配网的年运行费用为

F＝F_b+F_l+F_w

式中F_b——变电站运行费用，万元；F_l——线路运行费用，万元；F_w——设备维护费用，万元。

变电站运行费用

变电站供电区域内的负荷密度为σ，每台变压器承担负荷每条进线承担负荷每条出线承担负荷

变压器运行时的电能损耗包括负载损耗与空载损耗，对应的实际运行费用分别为：

负载损耗

式中ω——电价，元；ΔP_d——变压器负载损耗，kW；——变压器功率因数；τ——最大负荷利用小时数。

空载损耗

F₀＝MP₀T

式中P₀——变压器空载损耗，kW；T——变压器运行的时间，这里取一年，即T＝8760h。

所以，变压器总运行费用

F_b＝F_K+F₀

线路运行费用

这里的线路运行费用即进出线损耗所产生的费用，它由进出线的电流密度、单位电阻等因素决定。

进线运行费用

式中——进线电压等级；r^H——进线单位等效电阻；——进线功率因数。上述运行费用简化为

出线运行费用

式中——出线电压等级；r^L——出线单位等效电阻；——出线功率因数。所以，线路总的运行费用为

$F_l=F_l^H+F_l^L$

(3)设备维护费

设备维护费为配网运行费用中的固定费用，一般取投资成本的某一比例，表示为：

$F_w=r_b{C}_b+r_l^H{C}_l^H+r_l^L{C}_l^L$

式中C_b、——变电站及进出线投资成本，万元；r_b、——变电站及进出线维护率。

2、优化模型

(1)目标函数

由于规划期内配网运营的收入流取决于规划区域实际负荷需求，与变压器的容量、台数和供电半径均无关，且期末固定资产残值为零，故将最小化总成本作为优化目标；实际目标函数为所有投资成本与运行费用的现值。

设目标规划区域的面积为A，则区域内变电所数量为

规划总成本的现值为

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$

式中i为贴现率(此处可取电力工业平均收益率)；n为规划期年数；(P/F,i,n)为现值系数，计算如下

$(P/F,i,n)=\frac{{(1+i)}^n-1}{i{(1+i)}^{n-1}}$

(2)约束条件

目标函数需要满足以下约束条件：

1.“M-1”约束：即当其中一台变压器因故障退出运行时，其余变压器承担全部负荷而不过载，此时变压器容量和台数应满足下式：

式中k为变压器短时允许过载率。

k值有两种定义方式，一种是根据变压器绝缘老化定理，允许变压器短时间(一般为2小时)过负荷而不会影响变压器的使用寿命，此时k＝1.3；一种是根据变电所中任一台变压器因故障停运时，剩余变压器承担全部负荷而不过载来定义，此时k＝1。

2.容载比约束：容载比

$R_s=\frac{M\mathrm{\Δ}S}{{\mathrm{\πl}}^2\mathrm{\σ}}$

容载比要求满足

R_smin≤R_s≤R_smax

式中R_smin、R_smax分别为110kV配电网容载比的最小值和最大值。10kV配电网的容载比范围可取1.8～2.2。

(3)总模型及求解

综上，完整的优化模型为：

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$

s.t.是约束条件的英语缩写；

对上述目标函数的单台主变容量ΔS一阶求导，并令求导结果等于零，推导出单台主变容量ΔS，进而确定变电站容量。

求导结果：

令minPVC′＝0，求得其中A₀＝ωΔP_dπ²σ²τ，

λ＝(P/F，i，n)。

Claims (3)

1.一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，包括变电站站址选择方法和变电站容量确定方法，其特征在于：

变电站站址选择方法如下：根据规划地区电网的负荷预测结果，采用递归法计算变电站站址在规划地区的最优几何位置，具体位置确定考虑实际地理位置因素；

所述递归法包括以下步骤：

1)对规划区域进行区块划分，并预测每个区块的负荷预测值，并以区块的几何中心点作为负荷中心点，

2)将负荷预测值相近的邻近区块的负荷中心点进行两两连线，将连线中心点作为两区块总负荷的中心点，

3)对经过一级变换之后的两区块总负荷的中心点，再按步骤2)规则进行二级变换，以此类推，直至规划区域的所有负荷集中到1或2个负荷中心点，该负荷中心点即为理论最优几何位置；

变电站容量确定方法如下：根据负荷分布及未来发展情况，以变电站建设、运行总成本最小为目标，建立目标函数模型，并对该函数的单台变压器容量进行一阶求导，令求导结果等于零，从而推导出变电站容量，该函数表达式是：

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$

其中：C_b＝a_b0+(a_b+b_bΔS)M

$C_l^H=(a_l^H+b_l^{H}L)M$

$C_l^L=(a_l^L+b_l^{L}l)MN$

$F_w=r_b{C}_b+r_l^H{C}_l^H+r_l^L{C}_l^L$

上述表达式中，minPVC是最小变电站建设、运行总成本，C_b是变电站投资成本，是进线投资成本，是出线投资成本，M是变压器台数，ΔS是单台变压器容量，a_b0是变电站建设的固定成本，a_b是单台变压器的固定成本，b_b是与变压器容量相关的成本系数，l是供电半径，进线平均长度L＝βl，系数β为曲折系数，取β＝2，是每条进线的固定成本，是单位长度进线投资成本，N是每台变压器的出线条数，是每条出线的固定成本，是单位长度出线投资成本，F_b是变电站运行费用，F_l是线路运行费用，F_w是设备维护费用，σ是负荷密度，ω是电价，ΔP_d是变压器负载损耗，是变压器功率因数；τ是最大负荷利用小时数，P₀是变压器空载损耗，T是变压器运行时间，是进线电压等级，r^H是进线单位等效电阻，是进线功率因数，出线电压等级，r^L是出线单位等效电阻，出线功率因数，r_b是变电站维护率，是进线维护率，是出线维护率，A是规划区域面积，(P/F，i，n)是现值系数，其中，i为贴现率，n为规划期年数；

求导结果：

令minPVC′＝0，求取其中A₀＝ωΔP_dπ²σ²τ，λ＝(P/F，i，n)。

2.根据权利要求1所述的一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，其特征在于负荷预测采用两个等级负荷预测，第一等级为空间负荷预测法，第二等级为各类趋势性负荷预测法，对于新型城镇负荷预测采用空间负荷预测法，对已经形成规模且远期用电性质不会产生变化的区域，采用历史增长率法、弹性系数法进行负荷预测；对已有规划但尚未有用户入驻的区域采用空间负荷预测法进行负荷预测。

3.根据权利要求1所述的一种变电站主变容量和最优站址选取的方法，其特征在于函数：

$\min PVC=\frac{A}{{\mathrm{\πl}}^2}\[C_b+C_l^H+C_l^L+\left(F_b+F_l+F_w\right)\left(P/F,i,n\right)\]$ 需要满足“M-1”条件和容载比约束，所述“M-1”条件是指当其中一台变压器因故障退出运行时，其余变压器承担全部负荷而不过载，此时变压器容量和台数应满足下式：

式中k为变压器短时允许过载率；

k值有两种定义方式，一种是根据变压器绝缘老化定理，允许变压器短时间过负荷而不会影响变压器的使用寿命，此时k＝1.3；一种是根据变电所中任一台变压器因故障停运时，剩余变压器承担全部负荷而不过载来定义，此时k＝1；

容载比R_s满足R_smin≤R_s≤R_smax,其中R_smin、R_smax,分别为110kV配电网容载比的最小值和最大值。