220 kV变电站主变规模优化研究

陈 恺，林晓敏

(1.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003；2.国网福州供电公司，福建 福州 350004)

1 概述

变电站优化规划属于大规模组合优化问题。在进行变电站规划时，新建变电站的数量、地理位置、容量及供电范围都是未知的，并且各个变量之间相互影响、相互制约。已有较多的文献采用各种方法对变电站选址定容的优化规划进行了研究，。

本文拟规划220 kV变电站单台主变容量选用120 MVA、180 MVA和240 MVA，变电站变压器台数取2～4台，采用试探组合和ALA算法对规划水平年进行变电站自动优化规划，对220 kV变电站主变规模及分布与负荷规模、负荷密度、110 kV出线形式、负荷增长量等因素的关系进行定量研究。

2 变电站优化规划模型

变电站的优化规划问题可以描述为：在规划水平年负荷分布已知的情况下，以变电站的带负荷能力为约束条件，以变电站和网络近似最小的投资和年运行费用为目标函数，确定待建变电站的位置、容量和供电范围。本文利用年费用模型进行变电站选址定容的优化规划；利用费用现值模型比较不同主变容量的变电站建设方案，分析变电站规模与年均负荷增长量的关系。

2.1 年费用模型

该模型是将计算期的全部支出费用折算成等额年费用的模型，应用该模型变电站优化规划问题可以用式(1)式描述。

(1)变电站容量约束条件

(2)供电半径约束条件

(3)负荷约束条件

式中：n为新建变电站个数；CZ(Si)为第i个新建变电站投资费用；CU(Si)为第i个新建变电站年运行费用；Si为第i个变电站容量；r0为贴现率；m为变电站折旧年限；N为变电站个数之和(包括新建站、已有站)；β为单位长度线路投资费用；lij为变电站i与负荷点j之间线路长度；k为变电站低压侧线路折旧年限；α为线路网损折算系数；Wj为第j点负荷(有功功率)；e(Si) 为第i个变电站负载率；cosφ为功率因数；Ji为第i个变电站所供负荷的集合；J为全体负荷点的集合；Yi为供电半径限制。

2.2 费用现值模型

本文只考虑变电站投资和运行费用。假设供电区基础负荷为IMW，年均负荷增长量为QMW，可用式(2)描述。

式中：A为变电站一期投资一台主变投资费用；A1为变电站新建一台主变费用，当单台主变容量为120 MVA且i=4时，A1=A，其它情况均为扩建一台主变的费用。n为规划期限；r0为贴现率。

3 主变规模与负荷密度关系

3.1 参数选取

由于大容量主变单位容量造价较低，存在规模经济效益，结合实际选用的待选变电 站 规 模 为 2×120 MVA、2×180 MVA、2×240 MVA、3×180 MVA、3×240 MVA 和4×240 MVA等几种情况。不同220 kV变电站投资见表1。

表1 220 kV变电站参考造价

无特殊说明，总负荷规模取1000 MW，考虑正方形供电区域，供电110 kV变电站按3×50 MVA，容载比取1.8，单个110 kV变电站负荷83.3 MW，110 kV变电站对称分布，此时总个数为12个。

本文负荷密度ρ取5～30 MW/km2，并对低压侧供电110 kV变电站容量为3×31.5 MVA进行分析，此时110 kV变电容载比1.9，每个110 kV变电站负荷为50 MW，总个数为20个。

不同负荷点个数的负荷分布见图1，每个负荷点均在每个小块的几何中心。

图1 不同负荷点个数的负荷分布

其它参数：r0=8%，m=k=25，α1=0.5元/kWh，α2=0.132 Ω/km，α3=3200 h，cosφ=0.94。架空线时，β=50万元/km；电缆时，β=500万元/km。

3.2 优化结果分析

不同负荷密度、110 kV变电站规模和出线架设方式优化结果见表2，不同总负荷规模、不同110 kV变电站规模条件下，出现由变电站年费用决定的变电站较优容量组合时的负荷密度见图2，变电站较优容量组合和理论上平均每个220 kV变电站容量比较见表3，变电站较优容量组合位置见图3，可见：

(1)110 kV架空出线时，5～30 MW负荷密度，变电站组合均为最小座数和最大容量；

(2)110 kV电缆出线时，线路对变电站的较优容量组合影响较大。随着负荷密度增大，变电站组合趋向于最小座数和最大容量，负荷密度小于20 MW/km2时，需适当增加变电站座数和减少单座变电站容量。

(3)随着110 kV变电站容量增大，布点减少，220 kV变电站更趋向于大容量、少座数。

(4)随着负荷密度增大，110 kV变电站容量大时，出现由变电站年费用决定的较优容量组合的负荷密度较小。

(5)变电站容量趋向于相等、均匀分布，最优位置位于负荷中心。

表2 不同负荷密度220 kV变电站优化容量组合

表3 2个变电站的较优容量组合和理论上平均每个220 kV变电站的容量

图2 110 kV电缆出线下变电站年费用决定的变电站较优容量组合时的负荷密度

图3 1000 MW总负荷时变电站较优容量组合位置

3.3 敏感性分析

前述均匀分布正方形供电区域记为方案一，对不同供电区形状(方案二、三)和不均匀负荷密度(方案四)和大规模负荷(9680 MW，方案五)三种情况共四个方案进行变电容量优化规划 (图 4)。

图4 方案二～五负荷分布图

(1)负荷分布越狭长，较优容量组合的变电站个数越多。这是由于在220 kV变电站个数相等的条件下，供电区越狭长，110 kV出线长度越长，其对较优容量组合的影响越大。110 kV变电站规模为3×31.5 MVA时，方案一～四较优容量组合的变电站个数见表4。

表4 110 kV变电站规模为3×31.5 MVA时方案一～四较优容量组合的变电站个数比较

(2)不同供电区形状和大规模负荷时，优化得出的变电站位置仍位于几何中心；不同负荷密度时，优化得出的变电站位置不是几何中心，但仍位于负荷中心。方案四较优容量组合位置见图5。

图5 方案四变电站的较优容量组合位置示意图

(3)负荷规模足够大时，当负荷密度大于35 MW/km2，变电站规模应选用4×240 MVA；小于10 MW/km2，应选用规模小于3×240 MVA的变电站；在10～35 MW之间时选用3×240 MVA～4×240 MVA的变电站，负荷密度越大，越偏向于4×240 MVA。

4 供电范围与负荷密度关系

4.1 参数选取

110 kV变电站规模取3×50 MVA，每个110 kV变电站负荷80 MW。其中，研究110 kV电缆出线长度时负荷规模取2000 MW；研究220 kV变电站站间距离时负荷规模取9680 MW。

4.2 计算结果分析

4.2.1 220 kV变电站110 kV电缆出线长度

在同一负荷密度下，随着110 kV出线长度增大，虽然可以采用大容量变电站，减少变电站费用，但线路费用也相应增加，110 kV出线长度大的方案有可能较差。经计算，随着负荷密度的增大，220 kV变电站的110 kV电缆出线较优长度变短。当负荷密度大于10 MW/km2时，110 kV电缆出线不宜大于4 km，具体见图6和表5。

图6 不同负荷密度时220 kV变电站110 kV电缆出线最长长度

表5 不同负荷密度220 kV变电站110 kV电缆出线最长长度

4.2.2 220 kV变电站站间距离

(1)电缆出线：随着负荷密度增加，220 kV变电站站间距离减小(包括最小值和最大值)，见表6。

表6 不同负荷密度时220 kV变电站站间距离

(2)架空出线：ρ≥5 MW/km2时，优化得出的220 kV变电站规模均为18×960 MVA，220 kV变电站站间距离由最大变电站规模和负荷密度决定，ρ=5 MW/km2时220 kV变电站的站间距离见表7。

表7 110 kV架空出线时220 kV变电站站间距离

5 主变规模与年均负荷增长量关系

5.1 参数选取

假设初始年份投第一台主变，220 kV容载比不低于1.8时；为便于比较，取供电区终期负荷规模L=400 MW，则终期需要220 kV变电站容量720 MVA；考虑单台主变容量CS分别是120 MVA、180 MVA和240 MVA三个方案，则需要220 kV变电站容量组合分别为6×120 MVA、4×180 MVA和3×240 MVA，其中6×120 MVA按2座3×120 MVA变电站考虑。

本文取I=10 MW、20 MW、30 MW、40 MW和50 MW等5种情况，Q=10～20 MW，考虑220 kV变电站25年的运行费用。

5.2 计算结果分析

结果见图7，当基础负荷越大，负荷增长速度越快时，大容量变压器经济上越有利，总费用现值最小值越集中于大容量的变电站组合方案。一般供电负荷年均增长17 MW以上时,无论初期负荷多大, 均应选用240 MVA主变；如果负荷增长稍慢，则应选用180 MVA主变；只有在负荷基数小，且负荷增长很慢的情况下，选用120 MVA主变才是经济的。由于采用120 MVA主变需要多建设220 kV变电站，如果考虑220 kV线路费用，则满足选用120 MVA主变经济的条件将更难实现。

6 结论

根据220 kV变电站国内外基本情况及本文优化计算结果，考虑标准化建设需要，对变电站主变容量及台数的选择提出初步意见。

(1)在负荷规模大、发展快的地区，应大力推广应用大容量主变、多台数变电站，如4×240 MVA规模变电站。

(2)对负荷增长潜力较大的区域，可考虑规模为3×180 MVA或4×180 MVA的变电站。

(3)对于负荷规模不大，发展缓慢地区，可考虑采用120 MVA主变变电站，如农村偏远地区。

(4)在110 kV线路电缆化的城市电网中，应根据城市规划，预测其饱和负荷密度后，再对220 kV变电站规模、站间距离及其110 kV电缆出线长度进行优化规划。

(5)对需要建设220 kV变电站供电的孤立负荷区，如岛屿负荷，由于与区外联络困难、代价大，应根据终期负荷规模和负荷增长速度，确定变电站规模。

图7 400 MW负荷、不同基础负荷、不同主变容量的方案总费用现值比较

(6)对于狭长形负荷区域，在变电总容量固定的条件下，要考虑多布点的可行性。