吳 濤

(廣東電網公司 湛江供電局,廣東 湛江 524000)

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城市新區(qū)電壓層級方案適用性研究

吳 濤

(廣東電網公司 湛江供電局,廣東 湛江 524000)

為了解決中國城市新區(qū)電壓層級選擇問題,筆者以面積60 km2的區(qū)域電網為例,建立了城市新區(qū)變電站和電力網嵌套優(yōu)化模型,得到了綜合規(guī)劃的變電站投資計算、中壓電網投資估算、高壓網架投資計算公式,對比分析了不同負荷密度和建設方案下電壓層級方案的經濟性指標。分析結果表明,通過對比220/110/10(20)kV和 220/20 kV的電壓方案在不同設備配置方案和負荷密度下的總投資,區(qū)域負荷密度在12 MW/km2以上時宜采取20 kV作為中壓電壓等級,而簡化110 kV電壓等級的220/20 kV方案具有減少高壓變電站數目的優(yōu)點,在所有設備選型下投資均較好。

電力網絡;電壓方案選擇;綜合規(guī)劃

目前,中國城市新區(qū)負荷密度增長過快,導致10 kV配電網供電能力逐漸出現(xiàn)了瓶頸。因此,在城市土地資源緊缺,重新建設供電線路成本過高的環(huán)境下,采用20 kV作為中壓電壓等級以及保留110 kV電壓等級則成為電網規(guī)劃的核心問題[1-4]。然而,分析對比不同電壓序列方案的投資,以投資最小的電壓序列作為區(qū)域電網建設方案[5-7],雖然是該電壓序列的最優(yōu)方案,但不一定是最好的方案,因為涉及到變電站選址和電力網架兩方面問題,所以本文闡述了電網綜合規(guī)劃模型和算法,根據電網規(guī)劃涉及變電站和網架兩方面,提出綜合考慮變電站選址和網架結構的數學模型和求解算法,解決了20 kV電壓等級的合理性以及110 kV電壓等級的適應性問題。

1 綜合規(guī)劃模型和算法

在確定城市新區(qū)后,本文綜合考慮電網規(guī)劃涉及到變電站選址和電力網架兩方面,建立了變電站選址和電力網架的模型,以求解給定電壓層級下滿足負荷需求、投資最優(yōu)的建設方案。

1.1 規(guī)劃模型

在遠期負荷密度已確定的前提下,為滿足地區(qū)負荷需求和供電可靠性要求,同時考慮變電站供電能力,以變電站和電力網建設總成本最小為目標函數,得到了變電站站址和網絡拓撲結構,其目標函數為

(1)

式中:F為總投資;f1為變電站建設費用;f2為電力網總投資,包括高壓網架投資D1和中壓網架投資D2。

1.2 優(yōu)化算法

本文變電站和電網架構綜合規(guī)劃模型是一個嵌套優(yōu)化模型,不同階段采用不同的智能算法。

1.2.1 基本蟻群算法

基本蟻群算法是利用自然界螞蟻尋找食物的特性來求解N維未知數問題的方法。蟻群算法涉及的因素:m為螞蟻的總數量,n為旅行問題的城市數目,dij為城市i和j的距離,其中i,j∈(1,n)。螞蟻的信息素τ(t)和啟發(fā)期望值η(t)的計算表達式為

(2)

(3)

基本蟻群算法適合求解連續(xù)問題,模型中變電站尋址采用該算法。

1.2.2 離散二進制粒子群

Kennedy J和Eberhart R C在1997年首次提出該改進型粒子群算法,并使粒子群算法在計算機上廣泛應用。位置向量的因子用0和1表示,速度向量不再表示粒子移動距離,而變?yōu)槲恢米兓母怕?。二進制編碼算法的粒子更新的計算表達式為

(4)

離散二進制粒子群算法適合解決0、1規(guī)劃問題,模型中變電站供電范圍劃分采取該算法。

1.2.3 順序編碼的粒子群算法

圖1 粒子換位示意圖

1.3 變電站投資計算

變電總容量由遠期負荷和容載比決定。為簡化計算,220 kV和110 kV容載比均取1.9。在既定新建區(qū)域、遠期負荷密度已知情況下,測算高壓變電站建設規(guī)模的計算表達式為

M=1.9×Pmax/Stp

(5)

式中:Pmax為新建地區(qū)遠期負荷;Stp為單臺主變額定容量;M為變壓器總數量,如不能整除,結果向下取整加1。

(6)

式中,int()表示計算結果取整。

(7)

(8)

(9)

若式(5)～(9)若不能整除,結果可向下取整加1。

變電站建設投資費用f1的計算表達式為

(10)

1.4 中壓電網投資估算

考慮到高壓變電站容量約束,本文模型中引入罰函數G(x),中壓網架優(yōu)化目標函數為

minf=D2+G(x)

(11)

中壓電網總建設成本D2為

(12)

式中:β1為中壓電壓等級單位線路成本;n為電站總和;I為變電站i送電的負荷歸屬集合;NLij表示變電站i到負荷點j的中壓線路回數;lij表示變電站i到負荷點j的距離;J表示負荷分區(qū)集合;β2為單臺配變價格;NTg為負荷分區(qū)g的配電變壓器總數目;β3為單臺開關(環(huán)網柜)價格;NKg為負荷分區(qū)g的開關(或環(huán)網柜)總數目;β4為跌落熔斷器價格;NRg為負荷分區(qū)g的跌落熔斷器總數目。

1.5 高壓網架投資計算

采用1.2.3所述的算法優(yōu)化高壓網絡,110 kV電力網架的優(yōu)化函數為

(13)

220 kV電力網架的優(yōu)化函數為

(14)

高壓電力網架建設總投資D1的計算表達式為

(15)

(16)

(17)

2 城市新區(qū)電壓層級方案比較及分析

假設新建區(qū)域面積為60 km2,負荷密度取值為6、12、18、24、48 MW/km2,待選電壓方案取為220/110/中壓(10、20)kV和220/20 kV方案。設備和線路按架空和電纜兩種情況考慮。

方案1:220/110/中壓(10、20)kV,均為架空線路,全為戶外變電站。

方案2:220/110/中壓(10、20)kV,中壓采用電纜,220 kV和110 kV采用架空,全為戶外變電站。

方案3:220/110/中壓(10、20)kV,220 kV采用架空線路,其余采用電纜,220 kV為戶外變電站,110 kV為戶內變電站。

方案4:220/110/中壓(10、20)kV,均為電纜,全為戶內變電站。

基本蟻群算法的設置參數:初始信息素密度τi(0)取1,信息啟發(fā)因子α取1,期望啟發(fā)式因子β取1,揮發(fā)系數ρ取0.8,Q取2×106,種群的總數目m取50,迭代的總次數取300次。

離散二進制粒子群算法的參數:學習因子c1取1.8,學習因子c2取1.97,迭代的總次數取500次,種群的總數目N取50,單個粒子維數D取49。

順序編碼粒子群算法的參數:學習因子c1取1.92,c2取1.96,慣性權重w取0.7397,種群的總數目N取50,迭代的總次數取400次。

計算城市新區(qū)面積為60 km2在不同負荷密度、4種方案下的總投資如表1所示。隨著單位負荷密度增加,3種電壓方案建設總投資對比如圖2～5所示。

從圖2～5可以看出,隨著負荷密度增大,4種方案的總投資均相應增加。負荷密度在12 MW/km2以下時,不同選型方案下3種電壓層級電網投資相差不大,這說明低負荷密度城市新區(qū)中壓配電網采用20 kV電壓等級,或簡化110 kV電壓等級,對整體投資影響不大。隨著負荷密度增大,采用10 kV的電壓層級方案的經濟劣勢逐漸增大,采用20 kV的電壓層級方案的經濟性逐漸凸顯。當負荷密度達到12 MW/km2以上時,中壓配網電壓等級宜選用20 kV。220/20 kV電壓層級方案在所有選型方案中投資均較好,方案3經濟優(yōu)勢最明顯,可節(jié)省投資15%以上,其他設備方案下約節(jié)省投資3%～8%。

表1 各電壓層級方案投資比較

圖2 設備選型1下各電壓層級投資比較

圖3 設備選型2下各電壓層級投資比較

圖4 設備選型3下各電壓層級投資比較

圖5 設備選型4下各電壓層級投資比較

3 結 論

1) 區(qū)域負荷密度在12 MW/km2及以上時,宜采取20 kV作為中壓電壓等級,而簡化110 kV電壓等級的220/20 kV方案具有減少高壓變電站數目的優(yōu)點,在所有設備選型下投資均較好。當220 kV采用架空網、110 kV和中壓線路均采用電纜的方案時,經濟優(yōu)勢最顯著。

2) 若地區(qū)110 kV網架需要保留110 kV電壓等級時,則采用220/110/20 kV供電方案經濟性較好。

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(責任編輯 侯世春)

Applicability study on voltage levels for new urban district

WU Tao

(Zhanjiang Electric Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Zhanjiang 524000, China)

In order to solve the problems in voltage levels selection for new urban district in China, the author established, taking the regional power network with the area of 60 km2as the example, the nested optimization model of substations and power network in new urban district, worked out the calculation formula of substation investment, estimation of medium voltage power network investment and high voltage power grid under comprehensive planning, and compared and analyzed the economy index of voltage levels schemes under different load density and construction scheme. By comparing the total investment of the two scheme, 220/110/10(20)kV and 220/20 kV, under different equipment layout and load density, the result shows that 20 kV should be taken as the medium voltage level when the regional load density is above 12 MW/km2, while the simplified 110 kV voltage which can reduce the number of high voltage substation works well with all types of equipments.

electric power network; selection of voltage scheme; comprehensive planning

2015-07-25。

吳 濤(1986—),男,碩士,從事電網調度工作。

TM711.1

A

2095-6843(2016)01-0034-04