農村電網經濟供電半徑和經濟功率因數的研究

秦榛

摘 要：目前，中國農村正處于一個電氣化的時代，農村電網的用電量和用電的負荷也隨著用戶的增加而劇增，現在實行的電氣設備已經不能夠滿足村民的需要。因此，該文對怎樣選取一個更優化的農村電網進行了研究，并提出了新的方法。這種方法是以國家規定的農村電網建設為約束，確定了電壓的允許偏差數值，把單位供電的面積年費用（經濟指標）最小作為目標函數，分別在最小負荷和最大負荷的情況下，建立以電壓等級供電的半徑大小為優化變量的模型。通過對該方法的應用不僅考慮了技術經濟因素，同時能夠符合現下農村電網的實際狀況，有利于農村電網的改造和發展。

關鍵詞：經濟供電半徑 優化模型 經濟功率因數 農村電網

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0086-01

在規劃設計和使用管理農村電網的時候，要充分考慮供電半徑、功率因素這兩個經濟技術指標，這兩個指標對電能損耗、電網的經濟運行、電壓質量、電網的結構這些方面都有著十分重要的影響。現在許多學者都在研究怎樣合理的確定功率因素值和供電半徑，讓電網運營成本達到最小。本文在以往對功率因素和供電半徑的研究基礎上，把設備另外的三個因素考慮進來作為目標函數，這三個因素包括電能損耗費用、維護運行費用和一開始對電網的建設投資，在滿足國家對電壓允許偏差值的有關規定下，來分析供電半徑和功率因素在何時使得單位供電面積年費用最小，從而使供電成本最經濟。

1 電網模型的構建

1.1 數據的搜集

在調研統計的基礎上得到了本文的基礎數據。作者搜集了變壓器臺數、導線型號、最大負荷、最大負荷利用率、各地區電網供電的面積、容量不同的變電站的投資等資料。在采集了各種數據后，對這些數據進行了回歸擬合，獲得了不同等級變電站容量和造價的函數關系，線路投資造價和截面積的函數關系等一系列的有關函數。

1.2 原則

堅持下列基本原則：（1）按照供電的面積，對負荷均勻的分布；（2）將農村電網設計為圓形區域，把變電站設置在圓心，成輻射狀；（3）把變電站和變電站出線單獨設為一個單元，計算到中壓配電網；（4）電網中的線路導線的截面積都要按照經濟電流密度選取。

1.3 基本思想

本文選取的數學模型是以單位的供電面積年費用為目標函數的，公式表達如下：

fa+fb+fc=min（fo）

其中fo表示的是目標函數，單位是萬元/每千米的平方；fa表示的是單位的供電面積的維護費用；fb表示單位供電的面積的設備投資造價的費用；fc表示單位供電的面積在電能損失方面的費用，單位均與fo相同。

fa=kaz；fb=kbz

kc=i（1+i）n/（1+i）n-1

其中z為建設總投資；ka為設備維修率；kb為投資的等年值系數；i是年投資收益率；n表示投資的收益年限。

2 模型的建立

2.1 線路的投資

通常情況下來說，截面積與單位長度線路的全部投資造價是呈現線性相關的，接下來把單位長度的線路投資近似的表示為下列式子：

Zm=d+eSj

式子中的d表示與導線的截面積沒有關系的部分，單位是萬元/每千米；e表示與導線的截面積有關系的部分費用，單位是萬元/km*mm2；Sj表示的是導線的截面積，這個數據是由統計而得到的，單位mm2。

假設變電站有n條回出線：

n=Sb/Smax

出線總造價為：

Zm=（d+eSj）nL

單位供電面積線路的造價是：

[Zm]=Zm/S=B3αL；B3=KP（d+eSj）/√3JSjUn

其中KP為容比載；J是線路的電流的密度，單位A/mm2；Un是表示線路電壓的額定值，千伏為單位。

因此由最后一個式子，我們可以看出，在負荷密度不變的基礎上，單位的面積線路的投資造價是供電半徑的函數。

2.2 變電站的投資

在一定的區域內，變電站的總造價可以表示為：

Zx=g+hSx

式子中的g表示與變電站的容量沒有關系的部分，單位是萬元；h表示與變電站的容量有關系的部分費用，單位是萬元/KVA；Sx表示的是變電站的容量，這個數據是由統計而得到的，單位mm2。

單位變電站供電面積是：

[Zx]=Zx/S=B1/L2+B2α；B1=g/3.14；B2=hKP

從上一個表達式，可以看出，在符合密度一定的時候，單位供電面積在變電站上投資數額是與供電半徑成二次相關的函數關系。

3 建立電壓偏差約束模型

根據我國規定的電壓允許偏差數值（不同等級的電壓數值不同），該文對電網運行時最大負荷和最小負荷時線路的不同端點進行了約束，約束了電壓允許偏差值。本文是針對農村電網通常使用的供電方式作為例子，供電方式為110/35/10 kV，借此來解釋電壓偏差約束模型的。

最小負荷的時候，分別對0.4 kV與10 kV的線路首端進行了電壓偏差約束。

最大負荷的時候，分別對10 kV，35 kV，0.4 kV線路的末端處進行電壓偏差約束。

4 優化模型

本文選擇了罰函數發對優化模型的求解，而不是平常使用的非線性有約束最優化問題的求解方式。求解這一類型的問題時，罰函數法也是具備一定的代表性。在求解的過程中，罰因子取的數值的變化也會影響目標函數最優解的變化，結果會收斂在原始問題的最優解上面。外點法、內點法、混合型點法是如今最常使用的三種方法。

因此，能求出不同的供電等級和不同的負荷下，功率因素和供電半徑的數值。當單位面積供電年費用達到最小時，相應得到的功率因素和供電的半徑就是所求的數值，此時，電網的用電及投資成本是最為經濟的。

5 結語

現下我國使用的農村電網采用的方式，其經濟性是最低的，電能的損耗嚴重，因此急需對我國農村電網形式進行整改，減少變電站的層次，簡化電壓的等級。我國農村電網目前的供電半徑較大，應參考模型計算得出的數值，恰當地對供電半徑進行調整，從而使農村電網的結構合理化。本文依據一系列的方法建立了最優模型，所計算出的結果能有效地幫助農村電網的建立和整改，使得其更加符合經濟適用性的原則。

參考文獻

[1] 趙飛，許躍進，王寧.農村電網經濟供電半徑和經濟功率因數的研究[J].電力科學與工程，2011（12）：8-11.

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