沈鑒， 章劍光， 楊劍峰， 陳佳明， 張旭陽(yáng)

(國(guó)家電網(wǎng)紹興電力局電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，浙江 紹興 312000)

0 引 言

為滿足人們對(duì)電力資源的需求[1]，加快了對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的建設(shè)，使城市配電網(wǎng)絡(luò)中的電網(wǎng)間隔資源越來(lái)越少。電網(wǎng)間隔更加緊密，當(dāng)前的結(jié)構(gòu)布局已無(wú)法滿足用戶(hù)的用電需求[2]，造成電網(wǎng)資源的大量浪費(fèi)。

為此，文獻(xiàn)[3]提出新建變電站、更換大容量主變的方式，能夠在短時(shí)間內(nèi)解決用戶(hù)需求問(wèn)題，但還是存在間隔資源緊張、供電時(shí)間短和電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]提出電荷網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶(hù)用電的需求量進(jìn)行電力資源的分配，用電多的用戶(hù)分配到的電力資源多，用電少的用戶(hù)分配到的資源更少，有效降低了配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的壓力，平衡了配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，同時(shí)仍然存在電網(wǎng)間隔資源緊缺、利用率不高的問(wèn)題。

針對(duì)上述研究存在的技術(shù)缺陷，本文對(duì)客戶(hù)區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線路優(yōu)化，應(yīng)用新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔，明確變電站供電區(qū)域和供電模式，減少了電力資源在線路傳輸過(guò)程中的浪費(fèi)，提高了電網(wǎng)間隔資源利用率[5]。

1 電網(wǎng)間隔資源利用率的優(yōu)化方案

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于以下3點(diǎn)。

(1) 對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)間隔資源利用率的過(guò)程進(jìn)行模塊化，根據(jù)客戶(hù)的用電需求進(jìn)行大致分析，結(jié)合客戶(hù)用電區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行改造，提高了電網(wǎng)間隔資源利用率。

(2) 建立了新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔，優(yōu)化了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高了組網(wǎng)利用率。

(3) 對(duì)改造后的區(qū)域采用統(tǒng)計(jì)線損的節(jié)能方法和數(shù)據(jù)挖掘的形式，構(gòu)建分區(qū)信息模型來(lái)計(jì)算提升的資源利用率。

1.1 基于客戶(hù)用電需求對(duì)電網(wǎng)間隔的優(yōu)化方案

圖1 優(yōu)化流程圖

對(duì)電網(wǎng)間隔進(jìn)行優(yōu)化大致分為三個(gè)步驟：對(duì)客戶(hù)用電區(qū)域的用電量進(jìn)行大致分析，用空間負(fù)荷密度法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)；根據(jù)客戶(hù)區(qū)域用電需求量進(jìn)行資源分配，明確變電站供區(qū)，改善供電模式結(jié)構(gòu)，提供開(kāi)閉所供區(qū)的供電模式；根據(jù)客戶(hù)所在區(qū)域的電網(wǎng)間隔，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電力資源分配和間隔資源進(jìn)行改造。優(yōu)化過(guò)程如圖1所示。

為了避免以多供少、以大供小造成電力資源浪費(fèi)的情況，先對(duì)客戶(hù)區(qū)域用電量進(jìn)行考察，根據(jù)區(qū)域環(huán)境和電網(wǎng)供電線路的實(shí)際情況，進(jìn)行區(qū)域負(fù)荷預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果明確變電站供區(qū)所屬問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化客戶(hù)區(qū)域的供電模式，對(duì)不合理線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，對(duì)資源利用率不高的線路進(jìn)行合并處理。充分利用客戶(hù)區(qū)域現(xiàn)有的電力設(shè)備，結(jié)合客戶(hù)區(qū)域特點(diǎn)，首先滿足客戶(hù)用電需求，確定供電模式，改進(jìn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性和提供更高負(fù)荷的能力，提高電力資源的利用率[6]。

1.2 新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔

新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔對(duì)比傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中獨(dú)立組網(wǎng)模式，合并了中間層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備，形成了環(huán)形的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)減少了多余的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量，優(yōu)化了電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用戶(hù)面下沉，協(xié)調(diào)了整體綜合規(guī)劃，整合了配電網(wǎng)絡(luò)的間隔資源，同時(shí)提高了電網(wǎng)間隔資源的利用率。新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔網(wǎng)絡(luò)分布圖如圖2所示。

圖2 新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔網(wǎng)絡(luò)分布圖

新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔網(wǎng)絡(luò)由中央交換機(jī)、交換機(jī)、通信控制器、網(wǎng)絡(luò)交換器和服務(wù)器組成。中央交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)縱向和橫向的集成，形成一個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)。智能終端在電網(wǎng)間隔中分布，實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量和保護(hù)單元在間隔層的集成，根據(jù)用戶(hù)的用電需求，控制電力資源在各網(wǎng)絡(luò)層面的輸出，有效提高了資源利用率。網(wǎng)絡(luò)交換器實(shí)現(xiàn)了中央交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的交互，與信息層通信，以及接收實(shí)時(shí)層的單向通信，確保信息層網(wǎng)絡(luò)安全[7]。

圖3 并線改造示意圖

1.3 根據(jù)客戶(hù)用電需求對(duì)電網(wǎng)線路進(jìn)行改造

針對(duì)電網(wǎng)間隔緊張、負(fù)荷壓力過(guò)大和電力資源利用率不高的問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)間隔資源使用的管理力度。電網(wǎng)線路的并線改造方案如圖3所示。

并線改造后對(duì)三條線路與變電站的連接增加了K(電力集成控制器)，實(shí)現(xiàn)變電站對(duì)線路中供電量的控制。根據(jù)上述改造方案，本文使用統(tǒng)計(jì)線損的節(jié)能計(jì)算方法。以客戶(hù)用電區(qū)域?yàn)橛?jì)算對(duì)象，通過(guò)計(jì)算改造前基準(zhǔn)期內(nèi)，以及改造后的統(tǒng)計(jì)期內(nèi)實(shí)際用電量、供電量和售電量，計(jì)算出改造前后的線損率，根據(jù)線損率的變化得到資源利用率。變電站提供能量為：

AG=AF+AWG+ASR-ASC

(1)

式中:AG為變電站提供給客戶(hù)區(qū)域的電荷能量;AF為變電站發(fā)電量;AWG為外購(gòu)電能;ASR為電網(wǎng)輸入電量;ASC為輸出電量?？蛻?hù)消耗電荷為：

(2)

式中:AS為客戶(hù)所在區(qū)域?qū)嶋H消耗的總電荷;AZDi為每個(gè)客戶(hù)單獨(dú)消耗的電荷量。計(jì)算出變電站提供給客戶(hù)區(qū)域的電荷能量和客戶(hù)所在區(qū)域?qū)嶋H消耗的總電荷，可得出線損率ΔA為：

(3)

由式(3)可知，線損率即為客戶(hù)區(qū)域內(nèi)單位供電量的電能損耗量。又因?yàn)椋?/p>

ΔAi=Q0×β1×Ti

(4)

式中：ΔAi為補(bǔ)償降損;Q0為補(bǔ)償容量;β1為變電站中集中補(bǔ)償無(wú)功電荷量;Ti為變電站中集中補(bǔ)償電容器運(yùn)行的工作時(shí)間。改造后的電網(wǎng)間隔資源利用率為：

ΔE=(ΔAJZ-ΔABG)×ΔAGJZ

(5)

式中:ΔE為改造后節(jié)省的電荷能量;ΔAJZ為基準(zhǔn)期線損率;ΔABG為改造后報(bào)告期線損率;ΔAGJZ為基準(zhǔn)期供電量。可以看出,減少了不必要的能量消耗，提高了電網(wǎng)間隔資源的利用率[8]。

圖4為負(fù)荷密集區(qū)域的分區(qū)供電改造方案。

圖4 分區(qū)供電改造示意圖

根據(jù)上述分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文采用數(shù)據(jù)挖掘的形式構(gòu)建分區(qū)信息模型，通過(guò)該模型能夠輸出不同區(qū)客戶(hù)用電的需求，以實(shí)現(xiàn)最佳資源利用率。假設(shè)輸入N種客戶(hù)用電需求信息，則用數(shù)據(jù)類(lèi)型向量表示，可以為：

A=[A1，A2，A3，…，Ao]

(6)

式中：A為客戶(hù)用電需求種類(lèi)；o為A的客戶(hù)用電需求種類(lèi)數(shù)。將信息A通過(guò)映射的方式，反饋到電網(wǎng)間隔資源利用率系統(tǒng)維度上，則存在非線性數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，用公式表示為：

φ(A)=[φ1(A)，φ2(A)，…，φn(A)]i

(7)

則二者之間的關(guān)系初始值可以為定義為：

Biφ(A)=0

(8)

式中:Bi為客戶(hù)用電需求種類(lèi)的權(quán)值向量。評(píng)估其權(quán)重，用客戶(hù)用電需求種類(lèi)分類(lèi)的步長(zhǎng)來(lái)衡量，如式(9)所示。

(9)

式中:B為某個(gè)區(qū)域客戶(hù)用電需求的分區(qū)信息模型常量權(quán)值。當(dāng)存在|B|=BiB時(shí)，則權(quán)重輸出最小，表示在一定的客戶(hù)用電需求情況下，優(yōu)化輸出值最小。當(dāng)優(yōu)化輸出值最大時(shí)[9]，可引用拉格朗日函數(shù)，如式(10)所示。

(10)

式中:p為分區(qū)信息模型中的客戶(hù)用電需求信息常量。分區(qū)信息模型中的常量權(quán)值函數(shù)可以通過(guò)式(11)表示。

(11)

式中：d為客戶(hù)用電需求信息類(lèi)型的系數(shù);a0為客戶(hù)用電需求的某一個(gè)種類(lèi)的常量權(quán)值。則有：

(12)

式中:ap為分區(qū)信息模型中客戶(hù)用電需求種類(lèi)數(shù)量的信息。存在以下關(guān)系式：

k(A,AP)=φ(A)φ(Ap)

(13)

式(13)反映了任意客戶(hù)用電需求信息情況下，不同需求信息之間的與電網(wǎng)間隔資源利用率分布之間的關(guān)系。則有：

(14)

在式(14)成立的情況下，能夠根據(jù)收到的客戶(hù)用電的需求數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最佳資源利用率。

圖5為對(duì)專(zhuān)線用戶(hù)的改造方案。

圖5 專(zhuān)線改造示意圖

專(zhuān)線改造后在1、2號(hào)樓的線路中增加了H(激勵(lì)變壓器)，對(duì)變電站中傳輸來(lái)的電壓脈沖進(jìn)行變換和隔離。在對(duì)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮公共配電網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)間隔，再根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置專(zhuān)線用戶(hù)的電網(wǎng)間隔。專(zhuān)線用戶(hù)的接入時(shí)，改造方案不能只依據(jù)報(bào)裝容量進(jìn)行優(yōu)化線路，根據(jù)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)的重要程度，結(jié)合各個(gè)用戶(hù)區(qū)域的總用電負(fù)荷，確定優(yōu)化方案，從變電站、環(huán)網(wǎng)單元和電纜箱的接入方式各層面進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)專(zhuān)線用戶(hù)的備用線路可考慮在公共線路上T接用于備用，或者多個(gè)專(zhuān)線線路可共用一個(gè)出線間隔。保證用戶(hù)用電可靠性的同時(shí)，還對(duì)電力故障搶修的時(shí)間有要求，使配電網(wǎng)絡(luò)線路的規(guī)劃更加科學(xué)規(guī)范[10]。

2 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文運(yùn)用新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔的有效性，需設(shè)計(jì)以下仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真環(huán)境選擇Windows10操作系統(tǒng)，IDE使用的是myEclipse 6.0版本，服務(wù)器端語(yǔ)言環(huán)境為jdk，客戶(hù)端使用flex。試驗(yàn)對(duì)象選取的是某地一樓盤(pán)，試驗(yàn)樣本為6～24 h內(nèi)客戶(hù)區(qū)域的各種數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本

先使用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的配電網(wǎng)絡(luò)中組網(wǎng)方式的電網(wǎng)間隔為試驗(yàn)對(duì)象提供電量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 用電負(fù)荷與時(shí)間的關(guān)系圖

通過(guò)觀察用電負(fù)荷與時(shí)間關(guān)系圖可知，12 ∶00和20 ∶00時(shí)間段是用電高峰期，最高用電負(fù)荷可達(dá)到372 kW。文獻(xiàn)[3]方法中運(yùn)用組網(wǎng)模式中的電網(wǎng)間隔，6 ∶00—8 ∶00可以基本滿足用戶(hù)的用電需求，9 ∶00—13 ∶00時(shí)，由于用戶(hù)的用電負(fù)荷迅速增大，文獻(xiàn)[3]方法提供的電量負(fù)荷過(guò)少，無(wú)法滿足用戶(hù)過(guò)多的電量需求，使部分用戶(hù)的日常用電需求得不到滿足。雖然文獻(xiàn)[3]方法提供的電量負(fù)荷也在持續(xù)增加，但用電高峰期時(shí)用電需求增長(zhǎng)過(guò)快，當(dāng)12 ∶00用電高峰期過(guò)了之后，提供電量負(fù)荷才剛好滿足用戶(hù)需求。到20 ∶00用電高峰時(shí)，提供用電負(fù)荷仍無(wú)法完全滿足用戶(hù)的用電需求，20 ∶00—24 ∶00時(shí)，用戶(hù)用電需求逐漸下降，而提供的用電負(fù)荷仍在上升，造成了電力資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[3]方法組網(wǎng)模式中的電網(wǎng)間隔，在用電高峰期提供電量負(fù)荷無(wú)法完全滿足用戶(hù)的用電需求，高峰期過(guò)了之后提供電量負(fù)荷又過(guò)大，造成電力資源的浪費(fèi)、資源利用率不高以及電網(wǎng)負(fù)載不平衡。文獻(xiàn)[4]方法提供電量負(fù)荷完全滿足用戶(hù)的需求，10 ∶00提供電量負(fù)荷達(dá)到最大，最高可到達(dá)385 kW。10 ∶00—22 ∶00提供電量負(fù)荷保持不變，滿足12 ∶00和20 ∶00時(shí)高峰期用戶(hù)的用電需求。22 ∶00高峰期過(guò)了之后，提供電量負(fù)荷開(kāi)始下降。文獻(xiàn)[4]方法的組網(wǎng)模式中的電網(wǎng)間隔，提供負(fù)載能力較強(qiáng)，但不隨用戶(hù)需求量的升降而變化，造成電力資源的浪費(fèi)、電網(wǎng)間隔資源利用率不高、電網(wǎng)負(fù)載壓力過(guò)大及持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

結(jié)合新型的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔，對(duì)電網(wǎng)線路進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 本文組網(wǎng)提供的電量負(fù)荷

由圖7可知，使用新型配電網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔提供電量負(fù)荷完全滿足用戶(hù)的用電需求。本文的組網(wǎng)模式與多個(gè)交換機(jī)和服務(wù)器共同連接，能夠?qū)崟r(shí)了解用戶(hù)的用電需求。對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)線路的優(yōu)化，減少了不必要的線路，減輕了電力資源在傳輸過(guò)程中的損失，提高了電網(wǎng)間隔資源利用率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出新型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)間隔，先對(duì)客戶(hù)用電區(qū)域進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，根據(jù)用電需求量進(jìn)行資源分配，結(jié)合用戶(hù)區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)電網(wǎng)間隔和電網(wǎng)線路進(jìn)行優(yōu)化改造，進(jìn)行并線或分區(qū)供電處理，明確供電區(qū)域，改善供電模式。由于本文電力組網(wǎng)結(jié)構(gòu)符合小區(qū)樓盤(pán)之間的配電網(wǎng)絡(luò)方式，適用于面積小用戶(hù)量大的供電需求。在其他場(chǎng)景中可能不適用，要根據(jù)用戶(hù)用電量的實(shí)際需求，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行電網(wǎng)間隔的優(yōu)化改造。