農(nóng)村電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供電半徑和經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)的研究

秦榛

摘 要：目前，中國(guó)農(nóng)村正處于一個(gè)電氣化的時(shí)代，農(nóng)村電網(wǎng)的用電量和用電的負(fù)荷也隨著用戶的增加而劇增，現(xiàn)在實(shí)行的電氣設(shè)備已經(jīng)不能夠滿足村民的需要。因此，該文對(duì)怎樣選取一個(gè)更優(yōu)化的農(nóng)村電網(wǎng)進(jìn)行了研究，并提出了新的方法。這種方法是以國(guó)家規(guī)定的農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)為約束，確定了電壓的允許偏差數(shù)值，把單位供電的面積年費(fèi)用（經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）最小作為目標(biāo)函數(shù)，分別在最小負(fù)荷和最大負(fù)荷的情況下，建立以電壓等級(jí)供電的半徑大小為優(yōu)化變量的模型。通過(guò)對(duì)該方法的應(yīng)用不僅考慮了技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，同時(shí)能夠符合現(xiàn)下農(nóng)村電網(wǎng)的實(shí)際狀況，有利于農(nóng)村電網(wǎng)的改造和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)供電半徑 優(yōu)化模型 經(jīng)濟(jì)功率因數(shù) 農(nóng)村電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（a）-0086-01

在規(guī)劃設(shè)計(jì)和使用管理農(nóng)村電網(wǎng)的時(shí)候，要充分考慮供電半徑、功率因素這兩個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)電能損耗、電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電壓質(zhì)量、電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)這些方面都有著十分重要的影響。現(xiàn)在許多學(xué)者都在研究怎樣合理的確定功率因素值和供電半徑，讓電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本達(dá)到最小。本文在以往對(duì)功率因素和供電半徑的研究基礎(chǔ)上，把設(shè)備另外的三個(gè)因素考慮進(jìn)來(lái)作為目標(biāo)函數(shù)，這三個(gè)因素包括電能損耗費(fèi)用、維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用和一開(kāi)始對(duì)電網(wǎng)的建設(shè)投資，在滿足國(guó)家對(duì)電壓允許偏差值的有關(guān)規(guī)定下，來(lái)分析供電半徑和功率因素在何時(shí)使得單位供電面積年費(fèi)用最小，從而使供電成本最經(jīng)濟(jì)。

1 電網(wǎng)模型的構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)的搜集

在調(diào)研統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得到了本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作者搜集了變壓器臺(tái)數(shù)、導(dǎo)線型號(hào)、最大負(fù)荷、最大負(fù)荷利用率、各地區(qū)電網(wǎng)供電的面積、容量不同的變電站的投資等資料。在采集了各種數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸擬合，獲得了不同等級(jí)變電站容量和造價(jià)的函數(shù)關(guān)系，線路投資造價(jià)和截面積的函數(shù)關(guān)系等一系列的有關(guān)函數(shù)。

1.2 原則

堅(jiān)持下列基本原則：（1）按照供電的面積，對(duì)負(fù)荷均勻的分布；（2）將農(nóng)村電網(wǎng)設(shè)計(jì)為圓形區(qū)域，把變電站設(shè)置在圓心，成輻射狀；（3）把變電站和變電站出線單獨(dú)設(shè)為一個(gè)單元，計(jì)算到中壓配電網(wǎng)；（4）電網(wǎng)中的線路導(dǎo)線的截面積都要按照經(jīng)濟(jì)電流密度選取。

1.3 基本思想

本文選取的數(shù)學(xué)模型是以單位的供電面積年費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的，公式表達(dá)如下：

fa+fb+fc=min（fo）

其中fo表示的是目標(biāo)函數(shù)，單位是萬(wàn)元/每千米的平方；fa表示的是單位的供電面積的維護(hù)費(fèi)用；fb表示單位供電的面積的設(shè)備投資造價(jià)的費(fèi)用；fc表示單位供電的面積在電能損失方面的費(fèi)用，單位均與fo相同。

fa=kaz；fb=kbz

kc=i（1+i）n/（1+i）n-1

其中z為建設(shè)總投資；ka為設(shè)備維修率；kb為投資的等年值系數(shù)；i是年投資收益率；n表示投資的收益年限。

2 模型的建立

2.1 線路的投資

通常情況下來(lái)說(shuō)，截面積與單位長(zhǎng)度線路的全部投資造價(jià)是呈現(xiàn)線性相關(guān)的，接下來(lái)把單位長(zhǎng)度的線路投資近似的表示為下列式子：

Zm=d+eSj

式子中的d表示與導(dǎo)線的截面積沒(méi)有關(guān)系的部分，單位是萬(wàn)元/每千米；e表示與導(dǎo)線的截面積有關(guān)系的部分費(fèi)用，單位是萬(wàn)元/km*mm2；Sj表示的是導(dǎo)線的截面積，這個(gè)數(shù)據(jù)是由統(tǒng)計(jì)而得到的，單位mm2。

假設(shè)變電站有n條回出線：

n=Sb/Smax

出線總造價(jià)為：

Zm=（d+eSj）nL

單位供電面積線路的造價(jià)是：

[Zm]=Zm/S=B3αL；B3=KP（d+eSj）/√3JSjUn

其中KP為容比載；J是線路的電流的密度，單位A/mm2；Un是表示線路電壓的額定值，千伏為單位。

因此由最后一個(gè)式子，我們可以看出，在負(fù)荷密度不變的基礎(chǔ)上，單位的面積線路的投資造價(jià)是供電半徑的函數(shù)。

2.2 變電站的投資

在一定的區(qū)域內(nèi)，變電站的總造價(jià)可以表示為：

Zx=g+hSx

式子中的g表示與變電站的容量沒(méi)有關(guān)系的部分，單位是萬(wàn)元；h表示與變電站的容量有關(guān)系的部分費(fèi)用，單位是萬(wàn)元/KVA；Sx表示的是變電站的容量，這個(gè)數(shù)據(jù)是由統(tǒng)計(jì)而得到的，單位mm2。

單位變電站供電面積是：

[Zx]=Zx/S=B1/L2+B2α；B1=g/3.14；B2=hKP

從上一個(gè)表達(dá)式，可以看出，在符合密度一定的時(shí)候，單位供電面積在變電站上投資數(shù)額是與供電半徑成二次相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。

3 建立電壓偏差約束模型

根據(jù)我國(guó)規(guī)定的電壓允許偏差數(shù)值（不同等級(jí)的電壓數(shù)值不同），該文對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時(shí)線路的不同端點(diǎn)進(jìn)行了約束，約束了電壓允許偏差值。本文是針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)通常使用的供電方式作為例子，供電方式為110/35/10 kV，借此來(lái)解釋電壓偏差約束模型的。

最小負(fù)荷的時(shí)候，分別對(duì)0.4 kV與10 kV的線路首端進(jìn)行了電壓偏差約束。

最大負(fù)荷的時(shí)候，分別對(duì)10 kV，35 kV，0.4 kV線路的末端處進(jìn)行電壓偏差約束。

4 優(yōu)化模型

本文選擇了罰函數(shù)發(fā)對(duì)優(yōu)化模型的求解，而不是平常使用的非線性有約束最優(yōu)化問(wèn)題的求解方式。求解這一類型的問(wèn)題時(shí)，罰函數(shù)法也是具備一定的代表性。在求解的過(guò)程中，罰因子取的數(shù)值的變化也會(huì)影響目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的變化，結(jié)果會(huì)收斂在原始問(wèn)題的最優(yōu)解上面。外點(diǎn)法、內(nèi)點(diǎn)法、混合型點(diǎn)法是如今最常使用的三種方法。

因此，能求出不同的供電等級(jí)和不同的負(fù)荷下，功率因素和供電半徑的數(shù)值。當(dāng)單位面積供電年費(fèi)用達(dá)到最小時(shí)，相應(yīng)得到的功率因素和供電的半徑就是所求的數(shù)值，此時(shí)，電網(wǎng)的用電及投資成本是最為經(jīng)濟(jì)的。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)下我國(guó)使用的農(nóng)村電網(wǎng)采用的方式，其經(jīng)濟(jì)性是最低的，電能的損耗嚴(yán)重，因此急需對(duì)我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)形式進(jìn)行整改，減少變電站的層次，簡(jiǎn)化電壓的等級(jí)。我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)目前的供電半徑較大，應(yīng)參考模型計(jì)算得出的數(shù)值，恰當(dāng)?shù)貙?duì)供電半徑進(jìn)行調(diào)整，從而使農(nóng)村電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)合理化。本文依據(jù)一系列的方法建立了最優(yōu)模型，所計(jì)算出的結(jié)果能有效地幫助農(nóng)村電網(wǎng)的建立和整改，使得其更加符合經(jīng)濟(jì)適用性的原則。

參考文獻(xiàn)

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