220 kV變電站主變規(guī)模優(yōu)化研究

陳 愷，林曉敏

(1.中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003；2.國網(wǎng)福州供電公司，福建 福州 350004)

1 概述

變電站優(yōu)化規(guī)劃屬于大規(guī)模組合優(yōu)化問題。在進行變電站規(guī)劃時，新建變電站的數(shù)量、地理位置、容量及供電范圍都是未知的，并且各個變量之間相互影響、相互制約。已有較多的文獻采用各種方法對變電站選址定容的優(yōu)化規(guī)劃進行了研究，。

本文擬規(guī)劃220 kV變電站單臺主變?nèi)萘窟x用120 MVA、180 MVA和240 MVA，變電站變壓器臺數(shù)取2～4臺，采用試探組合和ALA算法對規(guī)劃水平年進行變電站自動優(yōu)化規(guī)劃，對220 kV變電站主變規(guī)模及分布與負荷規(guī)模、負荷密度、110 kV出線形式、負荷增長量等因素的關(guān)系進行定量研究。

2 變電站優(yōu)化規(guī)劃模型

變電站的優(yōu)化規(guī)劃問題可以描述為：在規(guī)劃水平年負荷分布已知的情況下，以變電站的帶負荷能力為約束條件，以變電站和網(wǎng)絡(luò)近似最小的投資和年運行費用為目標函數(shù)，確定待建變電站的位置、容量和供電范圍。本文利用年費用模型進行變電站選址定容的優(yōu)化規(guī)劃；利用費用現(xiàn)值模型比較不同主變?nèi)萘康淖冸娬窘ㄔO(shè)方案，分析變電站規(guī)模與年均負荷增長量的關(guān)系。

2.1 年費用模型

該模型是將計算期的全部支出費用折算成等額年費用的模型，應(yīng)用該模型變電站優(yōu)化規(guī)劃問題可以用式(1)式描述。

(1)變電站容量約束條件

(2)供電半徑約束條件

(3)負荷約束條件

式中：n為新建變電站個數(shù)；CZ(Si)為第i個新建變電站投資費用；CU(Si)為第i個新建變電站年運行費用；Si為第i個變電站容量；r0為貼現(xiàn)率；m為變電站折舊年限；N為變電站個數(shù)之和(包括新建站、已有站)；β為單位長度線路投資費用；lij為變電站i與負荷點j之間線路長度；k為變電站低壓側(cè)線路折舊年限；α為線路網(wǎng)損折算系數(shù)；Wj為第j點負荷(有功功率)；e(Si) 為第i個變電站負載率；cosφ為功率因數(shù)；Ji為第i個變電站所供負荷的集合；J為全體負荷點的集合；Yi為供電半徑限制。

2.2 費用現(xiàn)值模型

本文只考慮變電站投資和運行費用。假設(shè)供電區(qū)基礎(chǔ)負荷為IMW，年均負荷增長量為QMW，可用式(2)描述。

式中：A為變電站一期投資一臺主變投資費用；A1為變電站新建一臺主變費用，當單臺主變?nèi)萘繛?20 MVA且i=4時，A1=A，其它情況均為擴建一臺主變的費用。n為規(guī)劃期限；r0為貼現(xiàn)率。

3 主變規(guī)模與負荷密度關(guān)系

3.1 參數(shù)選取

由于大容量主變單位容量造價較低，存在規(guī)模經(jīng)濟效益，結(jié)合實際選用的待選變電 站 規(guī) 模 為 2×120 MVA、2×180 MVA、2×240 MVA、3×180 MVA、3×240 MVA 和4×240 MVA等幾種情況。不同220 kV變電站投資見表1。

表1 220 kV變電站參考造價

無特殊說明，總負荷規(guī)模取1000 MW，考慮正方形供電區(qū)域，供電110 kV變電站按3×50 MVA，容載比取1.8，單個110 kV變電站負荷83.3 MW，110 kV變電站對稱分布，此時總個數(shù)為12個。

本文負荷密度ρ取5～30 MW/km2，并對低壓側(cè)供電110 kV變電站容量為3×31.5 MVA進行分析，此時110 kV變電容載比1.9，每個110 kV變電站負荷為50 MW，總個數(shù)為20個。

不同負荷點個數(shù)的負荷分布見圖1，每個負荷點均在每個小塊的幾何中心。

圖1 不同負荷點個數(shù)的負荷分布

其它參數(shù)：r0=8%，m=k=25，α1=0.5元/kWh，α2=0.132 ?/km，α3=3200 h，cosφ=0.94。架空線時，β=50萬元/km；電纜時，β=500萬元/km。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

不同負荷密度、110 kV變電站規(guī)模和出線架設(shè)方式優(yōu)化結(jié)果見表2，不同總負荷規(guī)模、不同110 kV變電站規(guī)模條件下，出現(xiàn)由變電站年費用決定的變電站較優(yōu)容量組合時的負荷密度見圖2，變電站較優(yōu)容量組合和理論上平均每個220 kV變電站容量比較見表3，變電站較優(yōu)容量組合位置見圖3，可見：

(1)110 kV架空出線時，5～30 MW負荷密度，變電站組合均為最小座數(shù)和最大容量；

(2)110 kV電纜出線時，線路對變電站的較優(yōu)容量組合影響較大。隨著負荷密度增大，變電站組合趨向于最小座數(shù)和最大容量，負荷密度小于20 MW/km2時，需適當增加變電站座數(shù)和減少單座變電站容量。

(3)隨著110 kV變電站容量增大，布點減少，220 kV變電站更趨向于大容量、少座數(shù)。

(4)隨著負荷密度增大，110 kV變電站容量大時，出現(xiàn)由變電站年費用決定的較優(yōu)容量組合的負荷密度較小。

(5)變電站容量趨向于相等、均勻分布，最優(yōu)位置位于負荷中心。

表2 不同負荷密度220 kV變電站優(yōu)化容量組合

表3 2個變電站的較優(yōu)容量組合和理論上平均每個220 kV變電站的容量

圖2 110 kV電纜出線下變電站年費用決定的變電站較優(yōu)容量組合時的負荷密度

圖3 1000 MW總負荷時變電站較優(yōu)容量組合位置

3.3 敏感性分析

前述均勻分布正方形供電區(qū)域記為方案一，對不同供電區(qū)形狀(方案二、三)和不均勻負荷密度(方案四)和大規(guī)模負荷(9680 MW，方案五)三種情況共四個方案進行變電容量優(yōu)化規(guī)劃 (圖 4)。

圖4 方案二～五負荷分布圖

(1)負荷分布越狹長，較優(yōu)容量組合的變電站個數(shù)越多。這是由于在220 kV變電站個數(shù)相等的條件下，供電區(qū)越狹長，110 kV出線長度越長，其對較優(yōu)容量組合的影響越大。110 kV變電站規(guī)模為3×31.5 MVA時，方案一～四較優(yōu)容量組合的變電站個數(shù)見表4。

表4 110 kV變電站規(guī)模為3×31.5 MVA時方案一～四較優(yōu)容量組合的變電站個數(shù)比較

(2)不同供電區(qū)形狀和大規(guī)模負荷時，優(yōu)化得出的變電站位置仍位于幾何中心；不同負荷密度時，優(yōu)化得出的變電站位置不是幾何中心，但仍位于負荷中心。方案四較優(yōu)容量組合位置見圖5。

圖5 方案四變電站的較優(yōu)容量組合位置示意圖

(3)負荷規(guī)模足夠大時，當負荷密度大于35 MW/km2，變電站規(guī)模應(yīng)選用4×240 MVA；小于10 MW/km2，應(yīng)選用規(guī)模小于3×240 MVA的變電站；在10～35 MW之間時選用3×240 MVA～4×240 MVA的變電站，負荷密度越大，越偏向于4×240 MVA。

4 供電范圍與負荷密度關(guān)系

4.1 參數(shù)選取

110 kV變電站規(guī)模取3×50 MVA，每個110 kV變電站負荷80 MW。其中，研究110 kV電纜出線長度時負荷規(guī)模取2000 MW；研究220 kV變電站站間距離時負荷規(guī)模取9680 MW。

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1 220 kV變電站110 kV電纜出線長度

在同一負荷密度下，隨著110 kV出線長度增大，雖然可以采用大容量變電站，減少變電站費用，但線路費用也相應(yīng)增加，110 kV出線長度大的方案有可能較差。經(jīng)計算，隨著負荷密度的增大，220 kV變電站的110 kV電纜出線較優(yōu)長度變短。當負荷密度大于10 MW/km2時，110 kV電纜出線不宜大于4 km，具體見圖6和表5。

圖6 不同負荷密度時220 kV變電站110 kV電纜出線最長長度

表5 不同負荷密度220 kV變電站110 kV電纜出線最長長度

4.2.2 220 kV變電站站間距離

(1)電纜出線：隨著負荷密度增加，220 kV變電站站間距離減小(包括最小值和最大值)，見表6。

表6 不同負荷密度時220 kV變電站站間距離

(2)架空出線：ρ≥5 MW/km2時，優(yōu)化得出的220 kV變電站規(guī)模均為18×960 MVA，220 kV變電站站間距離由最大變電站規(guī)模和負荷密度決定，ρ=5 MW/km2時220 kV變電站的站間距離見表7。

表7 110 kV架空出線時220 kV變電站站間距離

5 主變規(guī)模與年均負荷增長量關(guān)系

5.1 參數(shù)選取

假設(shè)初始年份投第一臺主變，220 kV容載比不低于1.8時；為便于比較，取供電區(qū)終期負荷規(guī)模L=400 MW，則終期需要220 kV變電站容量720 MVA；考慮單臺主變?nèi)萘緾S分別是120 MVA、180 MVA和240 MVA三個方案，則需要220 kV變電站容量組合分別為6×120 MVA、4×180 MVA和3×240 MVA，其中6×120 MVA按2座3×120 MVA變電站考慮。

本文取I=10 MW、20 MW、30 MW、40 MW和50 MW等5種情況，Q=10～20 MW，考慮220 kV變電站25年的運行費用。

5.2 計算結(jié)果分析

結(jié)果見圖7，當基礎(chǔ)負荷越大，負荷增長速度越快時，大容量變壓器經(jīng)濟上越有利，總費用現(xiàn)值最小值越集中于大容量的變電站組合方案。一般供電負荷年均增長17 MW以上時,無論初期負荷多大, 均應(yīng)選用240 MVA主變；如果負荷增長稍慢，則應(yīng)選用180 MVA主變；只有在負荷基數(shù)小，且負荷增長很慢的情況下，選用120 MVA主變才是經(jīng)濟的。由于采用120 MVA主變需要多建設(shè)220 kV變電站，如果考慮220 kV線路費用，則滿足選用120 MVA主變經(jīng)濟的條件將更難實現(xiàn)。

6 結(jié)論

根據(jù)220 kV變電站國內(nèi)外基本情況及本文優(yōu)化計算結(jié)果，考慮標準化建設(shè)需要，對變電站主變?nèi)萘考芭_數(shù)的選擇提出初步意見。

(1)在負荷規(guī)模大、發(fā)展快的地區(qū)，應(yīng)大力推廣應(yīng)用大容量主變、多臺數(shù)變電站，如4×240 MVA規(guī)模變電站。

(2)對負荷增長潛力較大的區(qū)域，可考慮規(guī)模為3×180 MVA或4×180 MVA的變電站。

(3)對于負荷規(guī)模不大，發(fā)展緩慢地區(qū)，可考慮采用120 MVA主變變電站，如農(nóng)村偏遠地區(qū)。

(4)在110 kV線路電纜化的城市電網(wǎng)中，應(yīng)根據(jù)城市規(guī)劃，預測其飽和負荷密度后，再對220 kV變電站規(guī)模、站間距離及其110 kV電纜出線長度進行優(yōu)化規(guī)劃。

(5)對需要建設(shè)220 kV變電站供電的孤立負荷區(qū)，如島嶼負荷，由于與區(qū)外聯(lián)絡(luò)困難、代價大，應(yīng)根據(jù)終期負荷規(guī)模和負荷增長速度，確定變電站規(guī)模。

圖7 400 MW負荷、不同基礎(chǔ)負荷、不同主變?nèi)萘康姆桨缚傎M用現(xiàn)值比較

(6)對于狹長形負荷區(qū)域，在變電總?cè)萘抗潭ǖ臈l件下，要考慮多布點的可行性。