不同類型供電區(qū)域間典型供電模式過渡方案研究

楊 卓，王利利，楊 博，關(guān)朝杰，程子霞

(1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南 鄭州450052；2.三門峽電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 河南 三門峽472000；3.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

不同類型供電區(qū)域間典型供電模式過渡方案研究

楊 卓1，王利利1，楊 博2，關(guān)朝杰1，程子霞3

(1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南 鄭州450052；2.三門峽電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 河南 三門峽472000；3.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

結(jié)合不同類型供電區(qū)域(A+、A、B、C、D、E)典型供電模式的組成特點(diǎn)，根據(jù)供電區(qū)域未來的發(fā)展定位，研究配電網(wǎng)供電模式的建設(shè)改造問題.首先提出改進(jìn)的“最小單位負(fù)荷年費(fèi)用法”——規(guī)劃年最小費(fèi)用法，制定不同類型供電區(qū)域間典型供電模式升級(jí)的過渡方案；然后利用改進(jìn)的計(jì)算方法對過渡方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，并綜合分析各種方案；最后計(jì)算得到最佳過渡路徑.

典型供電模式；供電區(qū)域；過渡路徑；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，長期以來國內(nèi)對配電網(wǎng)的研究和實(shí)踐主要集中在接線模式方面.文獻(xiàn)[1-5]對幾種常見的接線模式進(jìn)行可靠性、供電能力的比較，探討配電網(wǎng)接線模式的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素,對不同接線模式進(jìn)行評估.這些研究為配電網(wǎng)的優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及規(guī)劃提供了有益的參考.但接線模式僅體現(xiàn)了本級(jí)線路間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，無法體現(xiàn)電網(wǎng)在不同區(qū)域和不同負(fù)荷密度[6-7]條件下配電網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu).目前，隨著負(fù)荷密度的增加及便于智能化管理的需要，采用標(biāo)準(zhǔn)化的供電模式來構(gòu)筑高水平的配電網(wǎng)[8-9].構(gòu)建適合我國特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化供電模式以指導(dǎo)配電網(wǎng)的規(guī)劃和改造，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前已有大量研究供電模式的文章，文獻(xiàn)[10-11]用“最小單位負(fù)荷費(fèi)用法”對各種供電模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較,介紹中壓配電網(wǎng)供電模式過渡的基本思路和原則.文獻(xiàn)[12]提出根據(jù)變電站的新增站點(diǎn)擴(kuò)展不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的方法，給出供電模式的擴(kuò)展方式.上述文獻(xiàn)對供電模式的優(yōu)劣性進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，也考慮供電模式的過渡問題，但未對過渡問題深入分析和討論.

筆者根據(jù)供電區(qū)域未來的發(fā)展定位，考慮配電網(wǎng)向高可靠性和高設(shè)備利用率升級(jí)過渡的特點(diǎn)，研究供電模式最佳過渡方案.以我國某地區(qū)配電網(wǎng)為例，利用改進(jìn)的“最小單位負(fù)荷年費(fèi)用法” ——規(guī)劃年最小費(fèi)用法進(jìn)行過渡方案經(jīng)濟(jì)性比較，綜合分析各種方案，從中選出最佳過渡路線.以此指導(dǎo)配網(wǎng)規(guī)劃，減少電力建設(shè)投資浪費(fèi).

1 過渡方案研究

1.1 供電模式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展方向

電網(wǎng)建設(shè)一般可分為初期、過渡期和完善期三個(gè)階段，不同階段劃分的主要依據(jù)是地區(qū)負(fù)荷密度、負(fù)荷增長速度、以及網(wǎng)架情況.圖1,2為110～35 kV、10 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡示意圖.在電網(wǎng)建設(shè)的過程中，可依據(jù)圖1、圖2在規(guī)劃中設(shè)計(jì)好的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展方向，研究供電模式過渡方案.

圖1 110～35 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡Fig.1 110～35 kV power grid structure transition

圖2 10 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡

Fig.2 10 kV power grid structure transition

1.2 典型供電模式的過渡

隨著供電區(qū)域內(nèi)用戶對供電可靠性要求的提高和負(fù)荷增長，當(dāng)該供電區(qū)域內(nèi)的供電模式不適應(yīng)用戶需求時(shí)，需要對供電模式進(jìn)行升級(jí)改造，通過不斷升級(jí)改造使其達(dá)到該地區(qū)的目標(biāo)供電模式.

供電模式升級(jí)的方向是，較低級(jí)供電區(qū)域的配電網(wǎng)供電模式經(jīng)過負(fù)荷的不斷發(fā)展過渡到更高級(jí)的供電區(qū)域典型供電模式,如圖3所示.

圖3 供電模式低級(jí)向高級(jí)升級(jí)示意圖Fig.3 Power supply mode upgrade schematic

不同類型供電區(qū)域間供電模式的過渡有：相鄰級(jí)別的過渡、跨級(jí)別的過渡.在實(shí)際配電網(wǎng)建設(shè)時(shí)，考慮到變電站土建、線路走廊等一次性建成的條件限制，跨兩級(jí)及以上級(jí)別的過渡方案理論上是不可能出現(xiàn)的.相鄰級(jí)別的過渡只需各電壓等級(jí)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)符合過渡方向即可直接過渡，不存在需要比較過渡方案來尋找最佳過渡路徑的問題，所以跨一個(gè)級(jí)別的最佳過渡方案研究最具有實(shí)際意義.

2 供電模式經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 計(jì)算方法

供電方案經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的基本方法是對供電模式的各種過渡方案利用“最小單位負(fù)荷年費(fèi)用法”判定其經(jīng)濟(jì)性好壞[2-3].

通過對某供電區(qū)域多種過渡方案的比較，研究其由現(xiàn)狀模式發(fā)展到目標(biāo)供電模式的最佳過渡方案.由于針對的是同一地區(qū)，所以比較時(shí)不需要考慮負(fù)荷密度的問題；且在配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，現(xiàn)狀模式發(fā)展到目標(biāo)供電模式是隨著負(fù)荷需求的增長而過渡的，是一個(gè)過程.因此，提出采用改進(jìn)的“最小單位負(fù)荷年費(fèi)用法”——規(guī)劃年最小費(fèi)用法，對過渡方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算.此方法利用不同過渡方案都是針對同一供電區(qū)域發(fā)展的這一特點(diǎn)，避免了供電模式發(fā)展中負(fù)荷密度不斷變化這一復(fù)雜問題的計(jì)算，使計(jì)算思路更清晰明確.

計(jì)算時(shí)首先需要對確定的供電區(qū)域計(jì)算出高壓變電站、高壓線路和中壓線路的投資費(fèi)用,同時(shí)考慮線路損耗和變壓器損耗等運(yùn)行費(fèi)用,然后按“現(xiàn)值轉(zhuǎn)年值”法，轉(zhuǎn)化為高壓變電站年費(fèi)用值、高壓線路和中壓線路年費(fèi)用值,三者相加乘以規(guī)劃年就可以得到配電網(wǎng)規(guī)劃年的總費(fèi)用值，如圖4所示.

圖4 供電方案經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法Fig.4 Power supply mode economy method

2.2 計(jì)算公式

計(jì)算中引用的主要計(jì)算模型如下：

C=(SZU+LHZU+LZU)·N.

(1)

式中：C為規(guī)劃年最小年費(fèi)用；N為規(guī)劃年；SZU為高壓變電站年總費(fèi)用，且有

(2)

LHZU為高壓線路年總費(fèi)用，且有

(3)

LZU為中壓線路年總費(fèi)用，且有

(4)

式中：SZ、LHZ、LZ分別為高壓變電站、高壓線路、中壓線路綜合投資費(fèi)用；SU、LHU、LU分別為高壓變電站、高壓線路、中壓線路運(yùn)行費(fèi)用.

注意：當(dāng)各項(xiàng)費(fèi)用值不是十分明確時(shí)，年運(yùn)行費(fèi)用可按綜合投資的百分率進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

(7)

式中：β為年運(yùn)行費(fèi)用占綜合投資的百分率,%.

3 案例分析

3.1 不同類型供電區(qū)域間的最佳過渡路徑

本案例給出適合我國某地區(qū)發(fā)展的3種類型供電區(qū)域的典型供電模式B-3、A-3和A+-4，假設(shè)B-3是該地區(qū)的現(xiàn)狀典型供電模式，A+-4是該地區(qū)的目標(biāo)典型供電模式.每種典型供電模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在國網(wǎng)發(fā)展策劃部編制的《配電網(wǎng)典型供電模式》報(bào)告中均可找到.

比較3種典型供電模式，高壓110 kV的網(wǎng)架都為單鏈結(jié)構(gòu)，符合110～35 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡；中壓網(wǎng)架也同樣符合網(wǎng)架過渡方向.案例又為跨級(jí)過渡，這種情況下的過渡可分為直接過渡和逐步過渡兩種方案如表1所示.

表1 過渡方案

采用規(guī)劃年最小費(fèi)用法對過渡方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)，所需設(shè)備造價(jià)和技術(shù)參數(shù)，以及計(jì)算公式中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 線路綜合投資造價(jià)

3.2 經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果與分析

通過比較供電模式的數(shù)據(jù)參數(shù)，可知高壓變電站和高壓配電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)都相同，在過渡方案經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)只需考慮中壓配電網(wǎng)即可.對于確定的供電區(qū)域，利用規(guī)劃年最小費(fèi)用法計(jì)算線路單位長度綜合投資費(fèi)用.計(jì)算每種供電模式中壓配電網(wǎng)單位綜合造價(jià)結(jié)果，如表3所示.

考慮到不同供電設(shè)施的經(jīng)濟(jì)使用年限不同，采用“等年值法”，將費(fèi)用現(xiàn)值折算為使用年限內(nèi)的年費(fèi)用.

表3 供電模式中壓配電網(wǎng)單位綜合造價(jià)

(8)

式中：Ct為平均分布在n年內(nèi)的年費(fèi)用；Z為投資費(fèi)用；n為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)使用年限；r0為折現(xiàn)率，現(xiàn)階段取0.1；β取10%.

查表可知電纜線路經(jīng)濟(jì)使用年限40a、架空線路30a，由此計(jì)算各自的折算率η.

(9)

當(dāng)n=40，η=0.102 3；n=30，η=0.106 1.

根據(jù)折算率，利用現(xiàn)值折算公式即可計(jì)算現(xiàn)值折算綜合單位造價(jià)，如表4所示.

再采用規(guī)劃年最小費(fèi)用法計(jì)算各過渡方案的規(guī)劃年最小費(fèi)用.假設(shè)規(guī)劃年N=40 a，x表示B-3升級(jí)到A-3后運(yùn)行x年后，再升級(jí)到A+-4運(yùn)行N-x年，該地區(qū)的負(fù)荷密度與升級(jí)后的典型供電模式相匹配.按照2.2中的計(jì)算公式，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知，B-3升級(jí)到A-3后運(yùn)行x年中的x取不同的值，在規(guī)劃年內(nèi)所需的最小費(fèi)用也不同.只有當(dāng)x=0時(shí)，這時(shí)方案2與方案1相同，方案2所需的最小費(fèi)用最大.對于方案2來說，x必須大于0，且隨著x的增大過渡方案2的費(fèi)用不斷減小.據(jù)此可推測，對于其他地區(qū)的典型供電模式過渡，當(dāng)需計(jì)算變壓器和高壓線路的費(fèi)用時(shí)，也遵循隨著x的增大而所需最小費(fèi)用不斷減小的規(guī)律.所以可以得出，對于跨一個(gè)級(jí)別的過渡研究來說，最佳的過渡路線是逐步過渡.

表4 過渡方案經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果

圖5 N=40 a，x取不同值時(shí)兩種方案的最小費(fèi)用Fig.5 N=40 a, minimum cost of different schemes according to x

4 結(jié)論

筆者研究的跨級(jí)過渡只針對跨一個(gè)級(jí)別的過渡方案.通過案例分析可知，最佳的過渡路線是逐步過渡；規(guī)劃年最小費(fèi)用法避開了負(fù)荷密度不斷變化這一復(fù)雜問題的計(jì)算，使計(jì)算思路更清晰明確.此研究不僅是指導(dǎo)我國配電網(wǎng)建設(shè)改造工程的重要依據(jù)，還是減少電力建設(shè)投資造成巨大浪費(fèi)的重要前提.

[1] 程一鳴,趙志輝,王天華. 城市110kV高壓配電網(wǎng)接線方式研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(2):113-115.

[2] 葛少云,郭明星,王成山,等. 城市高壓配電網(wǎng)接線

模式比較研究[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2004, 24(2):33-37.

[3] 潘鋒,周敏,汪利華. 城市高、中壓配電網(wǎng)接線模式的綜合評價(jià)方法[J]. 華東電力, 2009, 37(1):129-131.

[4] 姚莉娜,張軍利,劉華,等. 城市中壓配電網(wǎng)典型接線方式分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2006, 26(7):26-29.

[5] 王巍. 城市配電網(wǎng)接線模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析研究[D].北京：華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,2008.

[6] 蔣建東,張豪杰,王靜.基于HHT的電力負(fù)荷組合預(yù)測模型研究與應(yīng)用[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015, 36(4):1-5.

[7] 趙國生,牛貞貞,劉永光,等. 基于自適應(yīng)模糊C均值聚類算法的電力負(fù)荷特性分類[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015, 36(6):56-60.

[8] KHATOR S K, LEUNG L C. Power distribution planning:A review of models and issues[ J].IEEE trans on power systems, 1997, 12(3):1151-1159 .

[9] LIN W M, YANG C D, TSAY M T. Distribution system planning with evolutionary programming and a reliability cost model[J]. IEEE proceedings online，2000(7): 336-341.

[10]傅穎.基于接線模式的高中壓配電網(wǎng)供電模式的研究[D].天津：天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 2009.

[11]熊振東,程鵬. 中壓配電網(wǎng)供電方案經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2010, 22(1):150-155.

[12]林韓,陳彬,吳涵,等. 面向遠(yuǎn)景目標(biāo)網(wǎng)架的中壓配電網(wǎng)供電模型[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011,23(6):116-120.

Research on Power Supply Scheme of the Typical Power Supply Mode in Different Types Power Supply Areas

YANG Zhuo1, WANG Lili1, YANG Bo2, GUAN Chaojie1, CHENG Zixia3

(1.Electric Power Economic Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450052,China; 2.Sanmenxia Electric Power Design Co., Ltd.,Sanmenxia 472000, China; 3 School of Electric Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

The construction and transformation of power supply modes were explored researched according to the composition of the typical power supply mode in different power supply areas(A+, A, B, C, D, E ) as well as future development orientation. The “smallest unit of planning year” adapted from “smallest unit of load method”, was proposed at first, to make the transition program for the updating of typical power supply mode in different power supply area. Then transition schemes were economically compared and comprehensively analyzed using modified method of calculation. At last, the optimal transition path was selected to determine its development course of power supply mode by calculating.

the typical power supply mode; power supply area; the optimal transition path; economy

2016-05-30；

2016-07-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407163)

程子霞(1974— )，女，河南焦作人，鄭州大學(xué)講師，博士，主要從事高電壓絕緣方面的研究和教學(xué)工作，E-mail:chzx@zzu.edu.cn.

1671-6833(2017)03-0054-04

TM 726

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.008