220 kV變電站主變規(guī)模優(yōu)化研究

陳 愷，林曉敏

(1.中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003；2.國(guó)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(jìn)行變電站規(guī)劃時(shí)，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(gè)變量之間相互影響、相互制約。已有較多的文獻(xiàn)采用各種方法對(duì)變電站選址定容的優(yōu)化規(guī)劃進(jìn)行了研究，。

本文擬規(guī)劃220 kV變電站單臺(tái)主變?nèi)萘窟x用120 MVA、180 MVA和240 MVA，變電站變壓器臺(tái)數(shù)取2～4臺(tái)，采用試探組合和ALA算法對(duì)規(guī)劃水平年進(jìn)行變電站自動(dòng)優(yōu)化規(guī)劃，對(duì)220 kV變電站主變規(guī)模及分布與負(fù)荷規(guī)模、負(fù)荷密度、110 kV出線形式、負(fù)荷增長(zhǎng)量等因素的關(guān)系進(jìn)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(fù)荷分布已知的情況下，以變電站的帶負(fù)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(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)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(fèi)用模型進(jìn)行變電站選址定容的優(yōu)化規(guī)劃；利用費(fèi)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(fù)荷增長(zhǎng)量的關(guān)系。

2.1 年費(fèi)用模型

該模型是將計(jì)算期的全部支出費(fèi)用折算成等額年費(fèi)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(fù)荷約束條件

式中：n為新建變電站個(gè)數(shù)；CZ(Si)為第i個(gè)新建變電站投資費(fèi)用；CU(Si)為第i個(gè)新建變電站年運(yùn)行費(fèi)用；Si為第i個(gè)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(gè)數(shù)之和(包括新建站、已有站)；β為單位長(zhǎng)度線路投資費(fèi)用；lij為變電站i與負(fù)荷點(diǎn)j之間線路長(zhǎng)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(diǎn)負(fù)荷(有功功率)；e(Si) 為第i個(gè)變電站負(fù)載率；cosφ為功率因數(shù)；Ji為第i個(gè)變電站所供負(fù)荷的集合；J為全體負(fù)荷點(diǎn)的集合；Yi為供電半徑限制。

2.2 費(fèi)用現(xiàn)值模型

本文只考慮變電站投資和運(yùn)行費(fèi)用。假設(shè)供電區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷為IMW，年均負(fù)荷增長(zhǎng)量為QMW，可用式(2)描述。

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

3 主變規(guī)模與負(fù)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(jià)較低，存在規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合實(shí)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(jià)

無特殊說明，總負(fù)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(gè)110 kV變電站負(fù)荷83.3 MW，110 kV變電站對(duì)稱分布，此時(shí)總個(gè)數(shù)為12個(gè)。

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

不同負(fù)荷點(diǎn)個(gè)數(shù)的負(fù)荷分布見圖1，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)均在每個(gè)小塊的幾何中心。

圖1 不同負(fù)荷點(diǎn)個(gè)數(shù)的負(fù)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(shí)，β=50萬元/km；電纜時(shí)，β=500萬元/km。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

不同負(fù)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(fù)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(fèi)用決定的變電站較優(yōu)容量組合時(shí)的負(fù)荷密度見圖2，變電站較優(yōu)容量組合和理論上平均每個(gè)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(shí)，5～30 MW負(fù)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(shí)，線路對(duì)變電站的較優(yōu)容量組合影響較大。隨著負(fù)荷密度增大，變電站組合趨向于最小座數(shù)和最大容量，負(fù)荷密度小于20 MW/km2時(shí)，需適當(dāng)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(diǎn)減少，220 kV變電站更趨向于大容量、少座數(shù)。

(4)隨著負(fù)荷密度增大，110 kV變電站容量大時(shí)，出現(xiàn)由變電站年費(fèi)用決定的較優(yōu)容量組合的負(fù)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(fù)荷中心。

表2 不同負(fù)荷密度220 kV變電站優(yōu)化容量組合

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

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

圖3 1000 MW總負(fù)荷時(shí)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(duì)不同供電區(qū)形狀(方案二、三)和不均勻負(fù)荷密度(方案四)和大規(guī)模負(fù)荷(9680 MW，方案五)三種情況共四個(gè)方案進(jìn)行變電容量?jī)?yōu)化規(guī)劃 (圖 4)。

圖4 方案二～五負(fù)荷分布圖

(1)負(fù)荷分布越狹長(zhǎng)，較優(yōu)容量組合的變電站個(gè)數(shù)越多。這是由于在220 kV變電站個(gè)數(shù)相等的條件下，供電區(qū)越狹長(zhǎng)，110 kV出線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其對(duì)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(shí)，方案一～四較優(yōu)容量組合的變電站個(gè)數(shù)見表4。

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

(2)不同供電區(qū)形狀和大規(guī)模負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化得出的變電站位置仍位于幾何中心；不同負(fù)荷密度時(shí)，優(yōu)化得出的變電站位置不是幾何中心，但仍位于負(fù)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(fù)荷規(guī)模足夠大時(shí)，當(dāng)負(fù)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(shí)選用3×240 MVA～4×240 MVA的變電站，負(fù)荷密度越大，越偏向于4×240 MVA。

4 供電范圍與負(fù)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(gè)110 kV變電站負(fù)荷80 MW。其中，研究110 kV電纜出線長(zhǎng)度時(shí)負(fù)荷規(guī)模取2000 MW；研究220 kV變電站站間距離時(shí)負(fù)荷規(guī)模取9680 MW。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 220 kV變電站110 kV電纜出線長(zhǎng)度

在同一負(fù)荷密度下，隨著110 kV出線長(zhǎng)度增大，雖然可以采用大容量變電站，減少變電站費(fèi)用，但線路費(fèi)用也相應(yīng)增加，110 kV出線長(zhǎng)度大的方案有可能較差。經(jīng)計(jì)算，隨著負(fù)荷密度的增大，220 kV變電站的110 kV電纜出線較優(yōu)長(zhǎng)度變短。當(dāng)負(fù)荷密度大于10 MW/km2時(shí)，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(fù)荷密度時(shí)220 kV變電站110 kV電纜出線最長(zhǎng)長(zhǎng)度

表5 不同負(fù)荷密度220 kV變電站110 kV電纜出線最長(zhǎng)長(zhǎng)度

4.2.2 220 kV變電站站間距離

(1)電纜出線：隨著負(fù)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(fù)荷密度時(shí)220 kV變電站站間距離

(2)架空出線：ρ≥5 MW/km2時(shí)，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(fù)荷密度決定，ρ=5 MW/km2時(shí)220 kV變電站的站間距離見表7。

表7 110 kV架空出線時(shí)220 kV變電站站間距離

5 主變規(guī)模與年均負(fù)荷增長(zhǎng)量關(guān)系

5.1 參數(shù)選取

假設(shè)初始年份投第一臺(tái)主變，220 kV容載比不低于1.8時(shí)；為便于比較，取供電區(qū)終期負(fù)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(tái)主變?nèi)萘緾S分別是120 MVA、180 MVA和240 MVA三個(gè)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(yùn)行費(fèi)用。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)果見圖7，當(dāng)基礎(chǔ)負(fù)荷越大，負(fù)荷增長(zhǎng)速度越快時(shí)，大容量變壓器經(jīng)濟(jì)上越有利，總費(fèi)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(fù)荷年均增長(zhǎng)17 MW以上時(shí),無論初期負(fù)荷多大, 均應(yīng)選用240 MVA主變；如果負(fù)荷增長(zhǎng)稍慢，則應(yīng)選用180 MVA主變；只有在負(fù)荷基數(shù)小，且負(fù)荷增長(zhǎng)很慢的情況下，選用120 MVA主變才是經(jīng)濟(jì)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(fèi)用，則滿足選用120 MVA主變經(jīng)濟(jì)的條件將更難實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

根據(jù)220 kV變電站國(guó)內(nèi)外基本情況及本文優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，考慮標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)需要，對(duì)變電站主變?nèi)萘考芭_(tái)數(shù)的選擇提出初步意見。

(1)在負(fù)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(tái)數(shù)變電站，如4×240 MVA規(guī)模變電站。

(2)對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)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(duì)于負(fù)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(yuǎn)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(yù)測(cè)其飽和負(fù)荷密度后，再對(duì)220 kV變電站規(guī)模、站間距離及其110 kV電纜出線長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。

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

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

(6)對(duì)于狹長(zhǎng)形負(fù)荷區(qū)域，在變電總?cè)萘抗潭ǖ臈l件下，要考慮多布點(diǎn)的可行性。