城市新區(qū)電壓層級(jí)方案適用性研究

吳 濤

(廣東電網(wǎng)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(jí)方案適用性研究

吳 濤

(廣東電網(wǎng)公司 湛江供電局,廣東 湛江 524000)

為了解決中國(guó)城市新區(qū)電壓層級(jí)選擇問(wèn)題,筆者以面積60 km2的區(qū)域電網(wǎng)為例,建立了城市新區(qū)變電站和電力網(wǎng)嵌套優(yōu)化模型,得到了綜合規(guī)劃的變電站投資計(jì)算、中壓電網(wǎng)投資估算、高壓網(wǎng)架投資計(jì)算公式,對(duì)比分析了不同負(fù)荷密度和建設(shè)方案下電壓層級(jí)方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。分析結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)比220/110/10(20)kV和 220/20 kV的電壓方案在不同設(shè)備配置方案和負(fù)荷密度下的總投資,區(qū)域負(fù)荷密度在12 MW/km2以上時(shí)宜采取20 kV作為中壓電壓等級(jí),而簡(jiǎn)化110 kV電壓等級(jí)的220/20 kV方案具有減少高壓變電站數(shù)目的優(yōu)點(diǎn),在所有設(shè)備選型下投資均較好。

電力網(wǎng)絡(luò);電壓方案選擇;綜合規(guī)劃

目前,中國(guó)城市新區(qū)負(fù)荷密度增長(zhǎng)過(guò)快,導(dǎo)致10 kV配電網(wǎng)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(shè)供電線路成本過(guò)高的環(huán)境下,采用20 kV作為中壓電壓等級(jí)以及保留110 kV電壓等級(jí)則成為電網(wǎng)規(guī)劃的核心問(wèn)題[1-4]。然而,分析對(duì)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(wǎng)建設(shè)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?yàn)樯婕暗阶冸娬具x址和電力網(wǎng)架兩方面問(wèn)題,所以本文闡述了電網(wǎng)綜合規(guī)劃模型和算法,根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃涉及變電站和網(wǎng)架兩方面,提出綜合考慮變電站選址和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和求解算法,解決了20 kV電壓等級(jí)的合理性以及110 kV電壓等級(jí)的適應(yīng)性問(wèn)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(wǎng)規(guī)劃涉及到變電站選址和電力網(wǎng)架兩方面,建立了變電站選址和電力網(wǎng)架的模型,以求解給定電壓層級(jí)下滿(mǎn)足負(fù)荷需求、投資最優(yōu)的建設(shè)方案。

1.1 規(guī)劃模型

在遠(yuǎn)期負(fù)荷密度已確定的前提下,為滿(mǎn)足地區(qū)負(fù)荷需求和供電可靠性要求,同時(shí)考慮變電站供電能力,以變電站和電力網(wǎng)建設(shè)總成本最小為目標(biāo)函數(shù),得到了變電站站址和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中:F為總投資;f1為變電站建設(shè)費(fèi)用;f2為電力網(wǎng)總投資,包括高壓網(wǎng)架投資D1和中壓網(wǎng)架投資D2。

1.2 優(yōu)化算法

本文變電站和電網(wǎng)架構(gòu)綜合規(guī)劃模型是一個(gè)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(lái)求解N維未知數(shù)問(wèn)題的方法。蟻群算法涉及的因素:m為螞蟻的總數(shù)量,n為旅行問(wèn)題的城市數(shù)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(jì)算表達(dá)式為

(2)

(3)

基本蟻群算法適合求解連續(xù)問(wèn)題,模型中變電站尋址采用該算法。

1.2.2 離散二進(jìn)制粒子群

Kennedy J和Eberhart R C在1997年首次提出該改進(jìn)型粒子群算法,并使粒子群算法在計(jì)算機(jī)上廣泛應(yīng)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(dòng)距離,而變?yōu)槲恢米兓母怕?。二進(jìn)制編碼算法的粒子更新的計(jì)算表達(dá)式為

(4)

離散二進(jìn)制粒子群算法適合解決0、1規(guī)劃問(wèn)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(jì)算

變電總?cè)萘坑蛇h(yuǎn)期負(fù)荷和容載比決定。為簡(jiǎn)化計(jì)算,220 kV和110 kV容載比均取1.9。在既定新建區(qū)域、遠(yuǎn)期負(fù)荷密度已知情況下,測(cè)算高壓變電站建設(shè)規(guī)模的計(jì)算表達(dá)式為

M=1.9×Pmax/Stp

(5)

式中:Pmax為新建地區(qū)遠(yuǎn)期負(fù)荷;Stp為單臺(tái)主變額定容量;M為變壓器總數(shù)量,如不能整除,結(jié)果向下取整加1。

(6)

式中,int()表示計(jì)算結(jié)果取整。

(7)

(8)

(9)

若式(5)～(9)若不能整除,結(jié)果可向下取整加1。

變電站建設(shè)投資費(fèi)用f1的計(jì)算表達(dá)式為

(10)

1.4 中壓電網(wǎng)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(shù)G(x),中壓網(wǎng)架優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

minf=D2+G(x)

(11)

中壓電網(wǎng)總建設(shè)成本D2為

(12)

式中:β1為中壓電壓等級(jí)單位線路成本;n為電站總和;I為變電站i送電的負(fù)荷歸屬集合;NLij表示變電站i到負(fù)荷點(diǎn)j的中壓線路回?cái)?shù);lij表示變電站i到負(fù)荷點(diǎn)j的距離;J表示負(fù)荷分區(qū)集合;β2為單臺(tái)配變價(jià)格;NTg為負(fù)荷分區(qū)g的配電變壓器總數(shù)目;β3為單臺(tái)開(kāi)關(guān)(環(huán)網(wǎng)柜)價(jià)格;NKg為負(fù)荷分區(qū)g的開(kāi)關(guān)(或環(huán)網(wǎng)柜)總數(shù)目;β4為跌落熔斷器價(jià)格;NRg為負(fù)荷分區(qū)g的跌落熔斷器總數(shù)目。

1.5 高壓網(wǎng)架投資計(jì)算

采用1.2.3所述的算法優(yōu)化高壓網(wǎng)絡(luò),110 kV電力網(wǎng)架的優(yōu)化函數(shù)為

(13)

220 kV電力網(wǎng)架的優(yōu)化函數(shù)為

(14)

高壓電力網(wǎng)架建設(shè)總投資D1的計(jì)算表達(dá)式為

(15)

(16)

(17)

2 城市新區(qū)電壓層級(jí)方案比較及分析

假設(shè)新建區(qū)域面積為60 km2,負(fù)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(shè)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(hù)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(hù)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(hù)外變電站,110 kV為戶(hù)內(nèi)變電站。

方案4:220/110/中壓(10、20)kV,均為電纜,全為戶(hù)內(nèi)變電站。

基本蟻群算法的設(shè)置參數(shù):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(shù)ρ取0.8,Q取2×106,種群的總數(shù)目m取50,迭代的總次數(shù)取300次。

離散二進(jìn)制粒子群算法的參數(shù):學(xué)習(xí)因子c1取1.8,學(xué)習(xí)因子c2取1.97,迭代的總次數(shù)取500次,種群的總數(shù)目N取50,單個(gè)粒子維數(shù)D取49。

順序編碼粒子群算法的參數(shù):學(xué)習(xí)因子c1取1.92,c2取1.96,慣性權(quán)重w取0.7397,種群的總數(shù)目N取50,迭代的總次數(shù)取400次。

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

從圖2～5可以看出,隨著負(fù)荷密度增大,4種方案的總投資均相應(yīng)增加。負(fù)荷密度在12 MW/km2以下時(shí),不同選型方案下3種電壓層級(jí)電網(wǎng)投資相差不大,這說(shuō)明低負(fù)荷密度城市新區(qū)中壓配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級(jí),或簡(jiǎn)化110 kV電壓等級(jí),對(duì)整體投資影響不大。隨著負(fù)荷密度增大,采用10 kV的電壓層級(jí)方案的經(jīng)濟(jì)劣勢(shì)逐漸增大,采用20 kV的電壓層級(jí)方案的經(jīng)濟(jì)性逐漸凸顯。當(dāng)負(fù)荷密度達(dá)到12 MW/km2以上時(shí),中壓配網(wǎng)電壓等級(jí)宜選用20 kV。220/20 kV電壓層級(jí)方案在所有選型方案中投資均較好,方案3經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)最明顯,可節(jié)省投資15%以上,其他設(shè)備方案下約節(jié)省投資3%～8%。

表1 各電壓層級(jí)方案投資比較

圖2 設(shè)備選型1下各電壓層級(jí)投資比較

圖3 設(shè)備選型2下各電壓層級(jí)投資比較

圖4 設(shè)備選型3下各電壓層級(jí)投資比較

圖5 設(shè)備選型4下各電壓層級(jí)投資比較

3 結(jié) 論

1) 區(qū)域負(fù)荷密度在12 MW/km2及以上時(shí),宜采取20 kV作為中壓電壓等級(jí),而簡(jiǎn)化110 kV電壓等級(jí)的220/20 kV方案具有減少高壓變電站數(shù)目的優(yōu)點(diǎn),在所有設(shè)備選型下投資均較好。當(dāng)220 kV采用架空網(wǎng)、110 kV和中壓線路均采用電纜的方案時(shí),經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)最顯著。

2) 若地區(qū)110 kV網(wǎng)架需要保留110 kV電壓等級(jí)時(shí),則采用220/110/20 kV供電方案經(jīng)濟(jì)性較好。

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(責(zé)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(wǎng)調(diào)度工作。

TM711.1

A

2095-6843(2016)01-0034-04