考慮用戶行為及戶均容量優(yōu)化的配變?nèi)萘恳?guī)劃

王慶， 周名煜， 王承民， 劉涌， 李宏仲

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000； 2. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；3. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240； 4. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

考慮用戶行為及戶均容量優(yōu)化的配變?nèi)萘恳?guī)劃

王慶1， 周名煜2， 王承民2， 劉涌3， 李宏仲4

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000； 2. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；3. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240； 4. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

配電網(wǎng)是連接輸電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)鍵部分，而在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中，配電變壓器的規(guī)劃又是其中的關(guān)鍵。目前配變?nèi)萘康囊?guī)劃一般將重點(diǎn)放在負(fù)荷預(yù)測以及經(jīng)濟(jì)性上，缺乏對于用戶用電特性和戶均配變?nèi)萘康姆治觯@使得規(guī)劃結(jié)果可能不能滿足負(fù)荷需求。為解決上述問題，提出了一種考慮用戶行為及戶均容量優(yōu)化的配變?nèi)萘恳?guī)劃方法，從負(fù)荷特性、用戶數(shù)目以及負(fù)荷總量等方面分析用戶行為并計(jì)算出配變的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，并在對戶均配變?nèi)萘窟M(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對配變?nèi)萘窟M(jìn)行優(yōu)化，利用上述規(guī)劃方法對實(shí)際配電網(wǎng)的配變進(jìn)行規(guī)劃，算例結(jié)果證明了有效性和實(shí)用性。

配電網(wǎng)規(guī)劃；配變?nèi)萘恳?guī)劃；用戶行為；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間；戶均配變?nèi)萘?/p>

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶對電力的需求也不斷增大。配電變壓器作為電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的重要電氣元件，既是電壓變換的核心設(shè)備，又是用戶用電取電的關(guān)鍵部分，其建設(shè)、改造乃至運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性直接影響到整個(gè)電力部門的經(jīng)濟(jì)效益和廣大電力用戶的用電質(zhì)量，對其進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)可獲得巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，將需求側(cè)資源與配變?nèi)萘恳?guī)劃相結(jié)合，提高規(guī)劃項(xiàng)目評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與合理性，己經(jīng)成為近年來國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

配變?nèi)萘恳?guī)劃的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是負(fù)荷需求預(yù)測以及配變參數(shù)(主要指容量)的確定。傳統(tǒng)的負(fù)荷需求預(yù)測方法主要有單位指標(biāo)法和單位面積法[1-2]，隨著用戶規(guī)模的擴(kuò)大逐漸產(chǎn)生了一些新的負(fù)荷預(yù)測方法，其中最常用的是需要系數(shù)法[3-4]，該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了很好的效果，成為目前最常用的負(fù)荷預(yù)測方法。配變參數(shù)包括配變?nèi)萘亢蛿?shù)目等，通常在規(guī)劃中只需要確定配變?nèi)萘看笮〖纯?，文獻(xiàn)[5]借助配電容載比的概念對配變的容量和臺(tái)數(shù)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[6]根據(jù)配電線路的線路類型和接線方式確定了接入配變的容量上限，文獻(xiàn)[7]對現(xiàn)有的配電線路接入配變?nèi)萘康臉?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，從安全性角度給出了比較理想的接入標(biāo)準(zhǔn)。

配變?nèi)萘康奶嵘梢詽M足用戶的用電需求，但過高的配變?nèi)萘繒?huì)導(dǎo)致電力設(shè)備輕載甚至空載，造成電力部門及國家的投資浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益變差，因此，在滿足用戶需求的同時(shí)，應(yīng)盡可能使配變運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)。文獻(xiàn)[8]通過對配變的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行劃分來確定配變?nèi)萘?，文獻(xiàn)[9-10]分別以經(jīng)濟(jì)性最好和損耗最小為目標(biāo)針對區(qū)域農(nóng)村配電網(wǎng)進(jìn)行分析并相應(yīng)確定了配變?nèi)萘浚墨I(xiàn)[11]引入了總擁有費(fèi)用的概念來確定配變的經(jīng)濟(jì)容量，文獻(xiàn)[12]從配變的全壽命周期成本的角度對配變的經(jīng)濟(jì)容量進(jìn)行了分析。

目前除了負(fù)荷預(yù)測和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之外，配變?nèi)萘恳?guī)劃的研究也僅限于配變規(guī)劃建模[13]和計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃[14]等方面，而對于用戶的實(shí)際需求以及戶均配變?nèi)萘烤苌儆邢嚓P(guān)研究。本文在基于上述各方面研究的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮用戶行為及戶均容量優(yōu)化的配變?nèi)萘恳?guī)劃方法，從負(fù)荷特性、用戶數(shù)目以及負(fù)荷總量等方面全面分析規(guī)劃區(qū)域的用戶行為，通過計(jì)算經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間來確定配變的負(fù)載率，并在對戶均配變?nèi)萘窟M(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對配變?nèi)萘窟M(jìn)行優(yōu)化，最后利用上述規(guī)劃方法對某省的典型居民小區(qū)配變進(jìn)行規(guī)劃，通過實(shí)際算例證明了該方法的有效性和實(shí)用性。

1 基于用戶行為的負(fù)荷預(yù)測

本文中主要研究的用戶為居民用戶，因此用戶行為相應(yīng)的也主要指居民用戶的用電特性。

1)居民負(fù)荷特性分析

利用回歸分析法和平均值法對居民負(fù)荷特性進(jìn)行分析?；貧w分析法主要通過處理所獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定幾個(gè)特定變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系形式即建立回歸模型，并對回歸模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，來分析影響因素對預(yù)測對象的影響程度，可以借此求出設(shè)備的需用系數(shù)、同時(shí)率，并可用于負(fù)荷指標(biāo)的預(yù)測。平均值法是利用不同的方法來計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值從而得到需要的信息，中值法、 期望值法、 加權(quán)平均值法等方法均是平均值法，而在負(fù)荷特性分析中，平均值法作為常用方法，可用于計(jì)算負(fù)荷年均增長率、戶均最大負(fù)荷、負(fù)荷密度等負(fù)荷特性指標(biāo)。

2)居民用戶數(shù)預(yù)測

對于已建成或者有建設(shè)方案的居民區(qū)可以直接統(tǒng)計(jì)用戶數(shù)，而對于沒有建設(shè)方案或者未建設(shè)的居民區(qū)則需要進(jìn)行用戶數(shù)預(yù)測。通常可以采用基于控規(guī)的用戶數(shù)預(yù)測方法，根據(jù)城市的控規(guī)中各地塊的用地性質(zhì)、占地面積、容積率、建筑面積等詳細(xì)數(shù)據(jù)參數(shù)，參考現(xiàn)有相同區(qū)域或相似區(qū)域，對該居民區(qū)的用戶數(shù)進(jìn)行預(yù)測。計(jì)算得到用戶數(shù)Nres的具體公式如下：

(1)

式中Nres為用戶數(shù)；VR為容積率；SA為占地面積；SC為建筑面積；Sav為戶均面積。

3)居民負(fù)荷預(yù)測

常用的居民負(fù)荷預(yù)測方法有自然增長率法、綜合用電水平法、單位指標(biāo)法和需要系數(shù)法等，本文采用需要系數(shù)法來對居民負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。需要系數(shù)是在一定的條件下根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法得出的，它與用電設(shè)備的工作性質(zhì)、設(shè)備效率、設(shè)備數(shù)量、線路效率以及生產(chǎn)組織和工藝設(shè)計(jì)等諸多因素有關(guān)，可以將這些因素整合為一個(gè)用于計(jì)算的系數(shù)，即需要系數(shù)，有時(shí)也稱為需用系數(shù)。顯然，在不同地區(qū)、不同類型的建筑物內(nèi)，對于不同的用電設(shè)備組，用電負(fù)荷的需要系數(shù)也不相同。利用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測的計(jì)算公式如下：

Ppre=Kx×Ptot

(2)

式中Ppre為預(yù)測的負(fù)荷總量；Kx為需要系數(shù)，表示不同性質(zhì)的民宅對電器負(fù)荷的需要和同時(shí)使用的一個(gè)系數(shù)，與用電設(shè)備的工作性質(zhì)、使用效率、數(shù)量等因素有關(guān)，一般而言，當(dāng)用電設(shè)備組內(nèi)的設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，需要系數(shù)應(yīng)取較小值，反之則應(yīng)取較大值，設(shè)備使用率較高時(shí)，需要系數(shù)應(yīng)取較大值，反之則應(yīng)取較小值；Ptot為規(guī)劃區(qū)用電設(shè)備總?cè)萘俊?/p>

2 配變?nèi)萘窟x取與戶均容量優(yōu)化

根據(jù)《10 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50053-94)以及《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50053-2013)，在民用建筑中，當(dāng)建筑物中的負(fù)荷總量確定后，配電變壓器的容量可以利用下式計(jì)算：

(3)

式中S為配電變壓器的容量；Ppre為預(yù)測的負(fù)荷總量；β為變壓器的負(fù)載率；cosφav為補(bǔ)償后的平均功率因數(shù)。

由于負(fù)荷變化導(dǎo)致負(fù)載率變化，變壓器的損耗也隨之發(fā)生變化，如果要使變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，則必須使負(fù)荷變化區(qū)間的大部分或者全部處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間對應(yīng)的負(fù)載率變化范圍內(nèi)。變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及容量選取可參考變壓器的最佳負(fù)載系數(shù)：

(4)

式中β0為變壓器最佳負(fù)載系數(shù)；P0為變壓器空載損耗；Pk為變壓器短路損耗；KG為無功當(dāng)量，對于一級變壓器取0.02-0.04，二級變壓器取0.05-0.07，三級變壓器取0.08-0.1；I0為變壓器空載電流百分比；Uk為變壓器短路電壓百分比；S為變壓器的額定容量，單位為kVA。

但是在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器容量往往并不能按照最佳負(fù)載系數(shù)來選擇。在變壓器的運(yùn)行過程中，自身的有功、無功消耗均隨著負(fù)載的變化而發(fā)生非線性變化，而在該非線性曲線中始終存在一個(gè)損耗最低點(diǎn)，將此損耗最低點(diǎn)的負(fù)載系數(shù)稱為綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，選取該系數(shù)作為變壓器負(fù)載率的基準(zhǔn)，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中βJZ為綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)；T為統(tǒng)計(jì)周期總時(shí)間，單位為h；Ai為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)第i小時(shí)的用電量，單位為kWh。

配電變壓器的容量大致確定之后，需要從戶均配變?nèi)萘康慕嵌葘x取的配變?nèi)萘康暮侠硇赃M(jìn)行分析，并對配變?nèi)萘窟M(jìn)行一定程度的優(yōu)化。一般而言，配變?nèi)萘康膬?yōu)化遵循如下三個(gè)方面的原則：(1)協(xié)調(diào)性原則；(2)差異化原則；(3)經(jīng)濟(jì)性原則?；谏鲜鰩讉€(gè)方面對配變?nèi)萘窟M(jìn)行優(yōu)化，戶均配變?nèi)萘康挠?jì)算公式如下：

(6)

式中Sav為戶均配變?nèi)萘浚籒c為配變涉及的用戶數(shù)；cosφi為第i個(gè)用戶的功率因數(shù)，其中變電站10 kV側(cè)應(yīng)達(dá)到0.9及以上，容量達(dá)到100 kVA及以上的電力用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.9以上，農(nóng)業(yè)用戶的功率因數(shù)達(dá)到0.8及以上。

3 算例分析

以某省的典型居民小區(qū)為例進(jìn)行配變?nèi)萘糠治雠c規(guī)劃。

1)負(fù)荷特性分析

分別選取A、B、C類區(qū)域中的一個(gè)居民小區(qū)進(jìn)行負(fù)荷特性分析，采集A1、B1、C1三個(gè)小區(qū)的每小時(shí)負(fù)荷值，得到這三個(gè)小區(qū)的負(fù)荷特性指標(biāo)如表1所示。

從表1可以看出，這三個(gè)小區(qū)的戶均最大負(fù)荷、日平均負(fù)荷、日最小負(fù)荷率、日峰谷差、日峰谷差、日峰谷差率呈逐年上升趨勢，最大負(fù)荷利用小時(shí)基本成下降趨勢，說明居民最大負(fù)荷逐年上升，波谷與波峰差增大，這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率降低，如果不能夠合理配置配變?nèi)萘?，則會(huì)導(dǎo)致配變在最大負(fù)荷時(shí)可能會(huì)發(fā)生過載現(xiàn)象，但是假如配變?nèi)萘窟^大則會(huì)使得最小負(fù)荷時(shí)設(shè)備利用率低。

2)負(fù)荷預(yù)測

仍然以A1、B1、C1這三個(gè)小區(qū)為例進(jìn)行分析，使用方法為需要系數(shù)法，預(yù)測結(jié)果如表2所示。

3)配變?nèi)萘窟x取

利用負(fù)荷預(yù)測結(jié)果以及式(4)計(jì)算A1、B1、C1這三個(gè)小區(qū)的配變?nèi)萘恐担?jì)算結(jié)果如表3所示。

表1 典型居民小區(qū)的負(fù)荷特性指標(biāo)

表2 典型居民小區(qū)的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

表3 典型居民小區(qū)的配變?nèi)萘咳≈?/p>

4)戶均配變?nèi)萘績?yōu)化

利用式(7)計(jì)算優(yōu)化后的戶均配變?nèi)萘咳绫?所示。

表4 優(yōu)化后的戶均配變?nèi)萘?/p>

不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，負(fù)荷密度不同，負(fù)荷特性不同，戶均配變?nèi)萘恳膊煌?，A、B、C類供電區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，戶均配變?nèi)萘恳笤礁?。由?可見，利用本文所述的配變?nèi)萘恳?guī)劃方法，戶均配變?nèi)萘康玫搅藘?yōu)化，且能夠滿足一定時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷增長需求并實(shí)現(xiàn)配變的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，證明了本文所述配變規(guī)劃方法的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語

配變規(guī)劃是電力系統(tǒng)規(guī)劃中的重要部分，本文提出了考慮用戶行為的配變?nèi)萘恳?guī)劃方法，并在對戶均配變?nèi)萘窟M(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對配變?nèi)萘康膬?yōu)化，通過實(shí)例證明了所提出方法的有效性和實(shí)用性。目前戶均配變?nèi)萘坎o統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但明確的一點(diǎn)是針對不同的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，針對不同類型的供電區(qū)域，戶均配變?nèi)萘康臉?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該不同，且負(fù)荷需求越大的地區(qū)戶均配變?nèi)萘恳矐?yīng)越大。

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Planning of Distribution Transformer Capacity in Consideration of the User Behavior and Optimized Capacity Per User

Wang Qing1， Zhou Mingyu2， Wang Chengmin2，Liu Yong3，Li Hongzhong4

(1. State Grid Taian Power Supply Company, Taian Shandong 271000, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240,China;3. Shanghai Proinvent Information Technology Ltd.，Shanghai 200240,China;4. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090,China)

Distribution network is a key part of the connection between transmission network and users. In planning process of the distribution network, planning of the distribution transformer plays the key role. Current planning of distribution transformer capacity generally puts the key point on load prediction and economy with the lack of analysis on electricity characteristics and distribution transformer capacity per user which makes the planning results fail to meet the load demand. To solve these problems, we propose a planning method for distribution transformer capacity in consideration of the user behavior and optimized capacity per user. The user behavior is analyzed in terms of load characteristics, the number of users and the total load and the economic operation range of the distribution transformer is calculated and the distribution transformer capacity is optimized based on the analysis of the distribution transformer capacity per user. When the above method is applied to a planning of distribution transformers in a practical distribution network the result demonstrates the effectiveness and practicality of the method.

planning of distribution network；planning of distribution transformer capacity；user behavior；economical operation range；distribution transformer capacity per user

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.014

TM761

A

1000-3886(2016)06-0044-03

王慶(1980-)，男，山東泰安人，副高級工程師，本科，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究。

定稿日期: 2016-04-18