城市新区电压层级方案适用性研究

吴 涛

(广东电网公司 湛江供电局,广东 湛江 524000)



城市新区电压层级方案适用性研究

吴 涛

(广东电网公司 湛江供电局,广东 湛江 524000)

为了解决中国城市新区电压层级选择问题,笔者以面积60 km2的区域电网为例,建立了城市新区变电站和电力网嵌套优化模型,得到了综合规划的变电站投资计算、中压电网投资估算、高压网架投资计算公式,对比分析了不同负荷密度和建设方案下电压层级方案的经济性指标。分析结果表明,通过对比220/110/10(20)kV和 220/20 kV的电压方案在不同设备配置方案和负荷密度下的总投资,区域负荷密度在12 MW/km2以上时宜采取20 kV作为中压电压等级,而简化110 kV电压等级的220/20 kV方案具有减少高压变电站数目的优点,在所有设备选型下投资均较好。

电力网络;电压方案选择;综合规划

目前,中国城市新区负荷密度增长过快,导致10 kV配电网供电能力逐渐出现了瓶颈。因此,在城市土地资源紧缺,重新建设供电线路成本过高的环境下,采用20 kV作为中压电压等级以及保留110 kV电压等级则成为电网规划的核心问题[1-4]。然而,分析对比不同电压序列方案的投资,以投资最小的电压序列作为区域电网建设方案[5-7],虽然是该电压序列的最优方案,但不一定是最好的方案,因为涉及到变电站选址和电力网架两方面问题,所以本文阐述了电网综合规划模型和算法,根据电网规划涉及变电站和网架两方面,提出综合考虑变电站选址和网架结构的数学模型和求解算法,解决了20 kV电压等级的合理性以及110 kV电压等级的适应性问题。

1 综合规划模型和算法

在确定城市新区后,本文综合考虑电网规划涉及到变电站选址和电力网架两方面,建立了变电站选址和电力网架的模型,以求解给定电压层级下满足负荷需求、投资最优的建设方案。

1.1 规划模型

在远期负荷密度已确定的前提下,为满足地区负荷需求和供电可靠性要求,同时考虑变电站供电能力,以变电站和电力网建设总成本最小为目标函数,得到了变电站站址和网络拓扑结构,其目标函数为

(1)

式中:F为总投资;f1为变电站建设费用;f2为电力网总投资,包括高压网架投资D1和中压网架投资D2。

1.2 优化算法

本文变电站和电网架构综合规划模型是一个嵌套优化模型,不同阶段采用不同的智能算法。

1.2.1 基本蚁群算法

基本蚁群算法是利用自然界蚂蚁寻找食物的特性来求解N维未知数问题的方法。蚁群算法涉及的因素:m为蚂蚁的总数量,n为旅行问题的城市数目,dij为城市i和j的距离,其中i,j∈(1,n)。蚂蚁的信息素τ(t)和启发期望值η(t)的计算表达式为

(2)

(3)

基本蚁群算法适合求解连续问题,模型中变电站寻址采用该算法。

1.2.2 离散二进制粒子群

Kennedy J和Eberhart R C在1997年首次提出该改进型粒子群算法,并使粒子群算法在计算机上广泛应用。位置向量的因子用0和1表示,速度向量不再表示粒子移动距离,而变为位置变化的概率。二进制编码算法的粒子更新的计算表达式为

(4)

离散二进制粒子群算法适合解决0、1规划问题,模型中变电站供电范围划分采取该算法。

1.2.3 顺序编码的粒子群算法

图1 粒子换位示意图

1.3 变电站投资计算

变电总容量由远期负荷和容载比决定。为简化计算,220 kV和110 kV容载比均取1.9。在既定新建区域、远期负荷密度已知情况下,测算高压变电站建设规模的计算表达式为

M=1.9×Pmax/Stp

(5)

式中:Pmax为新建地区远期负荷;Stp为单台主变额定容量;M为变压器总数量,如不能整除,结果向下取整加1。

(6)

式中,int()表示计算结果取整。

(7)

(8)

(9)

若式(5)～(9)若不能整除,结果可向下取整加1。

变电站建设投资费用f1的计算表达式为

(10)

1.4 中压电网投资估算

考虑到高压变电站容量约束,本文模型中引入罚函数G(x),中压网架优化目标函数为

minf=D2+G(x)

(11)

中压电网总建设成本D2为

(12)

式中:β1为中压电压等级单位线路成本;n为电站总和;I为变电站i送电的负荷归属集合;NLij表示变电站i到负荷点j的中压线路回数;lij表示变电站i到负荷点j的距离;J表示负荷分区集合;β2为单台配变价格;NTg为负荷分区g的配电变压器总数目;β3为单台开关(环网柜)价格;NKg为负荷分区g的开关(或环网柜)总数目;β4为跌落熔断器价格;NRg为负荷分区g的跌落熔断器总数目。

1.5 高压网架投资计算

采用1.2.3所述的算法优化高压网络,110 kV电力网架的优化函数为

(13)

220 kV电力网架的优化函数为

(14)

高压电力网架建设总投资D1的计算表达式为

(15)

(16)

(17)

2 城市新区电压层级方案比较及分析

假设新建区域面积为60 km2,负荷密度取值为6、12、18、24、48 MW/km2,待选电压方案取为220/110/中压(10、20)kV和220/20 kV方案。设备和线路按架空和电缆两种情况考虑。

方案1:220/110/中压(10、20)kV,均为架空线路,全为户外变电站。

方案2:220/110/中压(10、20)kV,中压采用电缆,220 kV和110 kV采用架空,全为户外变电站。

方案3:220/110/中压(10、20)kV,220 kV采用架空线路,其余采用电缆,220 kV为户外变电站,110 kV为户内变电站。

方案4:220/110/中压(10、20)kV,均为电缆,全为户内变电站。

基本蚁群算法的设置参数:初始信息素密度τi(0)取1,信息启发因子α取1,期望启发式因子β取1,挥发系数ρ取0.8,Q取2×106,种群的总数目m取50,迭代的总次数取300次。

离散二进制粒子群算法的参数:学习因子c1取1.8,学习因子c2取1.97,迭代的总次数取500次,种群的总数目N取50,单个粒子维数D取49。

顺序编码粒子群算法的参数:学习因子c1取1.92,c2取1.96,惯性权重w取0.7397,种群的总数目N取50,迭代的总次数取400次。

计算城市新区面积为60 km2在不同负荷密度、4种方案下的总投资如表1所示。随着单位负荷密度增加,3种电压方案建设总投资对比如图2～5所示。

从图2～5可以看出,随着负荷密度增大,4种方案的总投资均相应增加。负荷密度在12 MW/km2以下时,不同选型方案下3种电压层级电网投资相差不大,这说明低负荷密度城市新区中压配电网采用20 kV电压等级,或简化110 kV电压等级,对整体投资影响不大。随着负荷密度增大,采用10 kV的电压层级方案的经济劣势逐渐增大,采用20 kV的电压层级方案的经济性逐渐凸显。当负荷密度达到12 MW/km2以上时,中压配网电压等级宜选用20 kV。220/20 kV电压层级方案在所有选型方案中投资均较好,方案3经济优势最明显,可节省投资15%以上,其他设备方案下约节省投资3%～8%。

表1 各电压层级方案投资比较

图2 设备选型1下各电压层级投资比较

图3 设备选型2下各电压层级投资比较

图4 设备选型3下各电压层级投资比较

图5 设备选型4下各电压层级投资比较

3 结 论

1) 区域负荷密度在12 MW/km2及以上时,宜采取20 kV作为中压电压等级,而简化110 kV电压等级的220/20 kV方案具有减少高压变电站数目的优点,在所有设备选型下投资均较好。当220 kV采用架空网、110 kV和中压线路均采用电缆的方案时,经济优势最显著。

2) 若地区110 kV网架需要保留110 kV电压等级时,则采用220/110/20 kV供电方案经济性较好。

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(责任编辑 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。

吴 涛(1986—),男,硕士,从事电网调度工作。

TM711.1

A

2095-6843(2016)01-0034-04