基于春節(jié)負(fù)荷預(yù)測的配電變壓器調(diào)換策略

蔡建逸，雷金勇，高永鍵，白浩

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭515000；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663)

0 引言

春節(jié)前后期間由于人口臨時性流動，導(dǎo)致部分地區(qū)或片區(qū)負(fù)荷在一段時間內(nèi)發(fā)生突增的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致配電變壓器可能短期發(fā)生重過載運(yùn)行的情況[1]，而平時這些配電變壓器(以下簡稱為“配變”)容量是能夠滿足負(fù)荷要求，因此供電局采取調(diào)換變壓器(增容)的應(yīng)急手段解決，目前主要通過人工根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，預(yù)測可能發(fā)生重過載的變壓器，并根據(jù)當(dāng)局現(xiàn)有的庫存和重過載變壓器，制定一套應(yīng)急調(diào)換方案，以解決變壓器其重過載運(yùn)行風(fēng)險。現(xiàn)有方法是通過人工采集、對比、排列數(shù)據(jù)后制定，數(shù)據(jù)計算不夠科學(xué)，預(yù)測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)偏差較大[2]，而且調(diào)換策略沒有統(tǒng)籌考慮，無法實現(xiàn)資源最優(yōu)化分配，部分配電變壓器輪換后依然過載運(yùn)行。本文根據(jù)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)及規(guī)律，建立春節(jié)期間的短期負(fù)荷預(yù)測模型，結(jié)合庫存和在運(yùn)配變的數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌資源，采用比對、階梯、迭代等方法，在重過載配變之間輪換、重過載與庫存配變互換、重過載與輕載配變互換、立項解決重過載配變等4種方式進(jìn)行調(diào)換，并建立調(diào)換策略目標(biāo)值計算公式，求得目標(biāo)值及對應(yīng)的高、中、低方案，并根據(jù)調(diào)換效率、停電指標(biāo)、資源利用率等綜合得出最優(yōu)的調(diào)換方案，解決目前人工計算數(shù)據(jù)的偏差，實施效果不明顯以及無法實現(xiàn)資源最優(yōu)化分配的問題。

1 配變春節(jié)負(fù)荷預(yù)測

在電力系統(tǒng)短期負(fù)荷預(yù)測中，主流的負(fù)荷預(yù)測算法包括回歸預(yù)測法、時間序列法[3]、指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本研究方向是預(yù)測短期未來某一段時間內(nèi)配變是否過載，判斷其未來是否超出重過載范圍，適應(yīng)春節(jié)運(yùn)行的配變應(yīng)急調(diào)換策略，因此，預(yù)測負(fù)荷是為了判斷配變需不需要調(diào)換，以及調(diào)換后是否過載。綜合論證各預(yù)測模型的優(yōu)缺點，得出時間序列法和指數(shù)平滑法滿足春節(jié)配變負(fù)荷預(yù)測的精確度和實用性。

1.1 數(shù)據(jù)獲取與分析

為排除特殊因素引起的負(fù)荷波動，使總體數(shù)據(jù)符合春節(jié)實際情況。對于平均負(fù)荷、最高負(fù)荷空缺的數(shù)據(jù)，采用插入值法[5]，用該配變當(dāng)月或鄰近月的平均負(fù)荷插入[6]。對于異常數(shù)據(jù)(指零值、負(fù)荷年增比超過±200%)采用剔除法，將涉及配變的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

通過配變數(shù)據(jù)分析，因春節(jié)(每年1—2月)受傳統(tǒng)節(jié)日、地域、用戶類型因素影響，農(nóng)村、居民配變因人口流入而負(fù)荷多呈現(xiàn)大幅上升，城區(qū)、工商業(yè)配變因人口流出多呈現(xiàn)大幅下降，且受政策、天氣因素影響較小，因此其最高負(fù)荷集中在春節(jié)前后，具有明顯規(guī)律特征[7]。通過配變數(shù)據(jù)顯示，每年11月份配變負(fù)荷波動較小，可通過式(2)測算臺區(qū)每年11月平均負(fù)荷合理增速，進(jìn)而預(yù)測第2年春節(jié)(1—2月)負(fù)荷趨勢，見式(3)，有一定的參考價值。

1.2 數(shù)據(jù)計算

以某區(qū)域2014—2018年配變數(shù)據(jù)作測算依據(jù)，以2019年春節(jié)(1—2月)實際數(shù)據(jù)作為驗證預(yù)測命中率(預(yù)測命中率指被預(yù)測重過載配變數(shù)量在實際重過載配變占比)。

配變負(fù)載率η計算如式(1)所示。

(1)

式中：P為配變有功負(fù)荷：cosΦ為功率因數(shù)，取0.95。

配變負(fù)荷合理增速α如式(2)所示。

(2)

式中：ηn、η0分別為目標(biāo)和初始平均負(fù)載率；i為持續(xù)年限。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，節(jié)水灌溉技術(shù)向精細(xì)化和自動化發(fā)展。通過信息化技術(shù)，可以更好的實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水管理，通過輸配水系統(tǒng)采用高標(biāo)準(zhǔn)的量測設(shè)備，能夠及時掌握灌溉區(qū)情況，然后通過計算機(jī)處理，實現(xiàn)科學(xué)配水的效果。土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)采用各種土壤墑情監(jiān)測儀器，結(jié)合作物需水規(guī)律，科學(xué)制定灌溉計劃，從而更好的提升水資源利用率。

配變負(fù)荷增長規(guī)律公式為：

(3)

式中：η2017平均、η2018平均分別為配變2017年11月平均負(fù)載率與配變2018年11月平均負(fù)載率；η2018最大為2018年1—2月最高負(fù)載率。

將2014—2018年7 050臺公用配變平均負(fù)荷數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)得每臺配變負(fù)荷合理增速α。當(dāng)α≥0時，預(yù)測2019年1—2月負(fù)荷合理走勢上升，當(dāng)α<0時，預(yù)測2019年1—2月配變負(fù)荷合理走勢下降。根據(jù)歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)，η2018最大≥60%的配變發(fā)生重過載概率較高，因此篩選η2018最大≥60%的配變，將代入式(3)，得出預(yù)測2019年1—2月最大負(fù)載率η2019最大。其余配變不作為預(yù)重過載配變。如表1所示，當(dāng)α≥0時，預(yù)測命中率約75%～80%，當(dāng)α<0時，預(yù)測變命中率約60%～65%。為提高負(fù)荷預(yù)測命中率和提高配變調(diào)換策略效率，可重點選擇α≥0的配變進(jìn)行預(yù)測。

表1 2019年春節(jié)(1—2月)配變重過載數(shù)據(jù)Tab.1 Heavy overload data of distribution transformer in the Spring Festival of 2019 (January and February)

1.3 數(shù)據(jù)篩選

設(shè)當(dāng)前庫存配變集合為M、預(yù)測重過載(η2019≥80%)配變集合為N，當(dāng)前輕載(η2019<20%)配變集合為O，將N納入調(diào)換策略模型的調(diào)換對象。將M、O納入調(diào)換策略模型中的備換對象。

2 配變調(diào)換策略模型

2.1 調(diào)換策略目標(biāo)

調(diào)換策略為解決春節(jié)期間配變重過載運(yùn)行而提出的應(yīng)急手段，一般在當(dāng)年12月至第2年春節(jié)前2周(約一個半月)完成，時間較短。基于以上條件，調(diào)換策略主要目標(biāo)：1)調(diào)換所有預(yù)測重過載配變，使η2019<80%；2)最大化地在短時間內(nèi)完成預(yù)測重過載配變調(diào)換；3)考慮綜合停電指標(biāo)，以最少停電次數(shù)和調(diào)換次數(shù)完成(以更換一臺配變算作停電1次和調(diào)換1次)；4)減少輕載配變，使20%≤η2019<80%。 調(diào)換策略主要分為重過載配變之間輪換、重過載與庫存配變互換、重過載與輕載配變互換、立項解決重過載配變等4種方式[8]，分別以A、B、C、D代替。

2.2 調(diào)換策略目標(biāo)值量化

第1步：運(yùn)用數(shù)據(jù)比對及排序法。將預(yù)測重過載配變、輕載配變、庫存配變分別排序，重過載配變按照容量大至小排序，若容量相同，按η2019較高的優(yōu)先排序；輕載配變按照容量小至大排序，若容量相同，按η2019較低的優(yōu)先排序；庫存配變按照容量小至大排序，若容量相同，按η2019較低的優(yōu)先排序；得出排列公式如式(4)—(6)所示。

N：N1>N2>N3>N4…

(4)

O：O1

(5)

M：M1

(6)

第2步：設(shè)調(diào)換策略目標(biāo)值為Y，其計算公式如式(7)所示。

(7)

調(diào)換完成率計算公式如式(8)所示。

(8)

式中CNABC為通過ABC方式調(diào)換的重過載配變數(shù)量，R值越大代表越優(yōu)化，因D方式調(diào)換時間最慢，應(yīng)最大化將重過載配變數(shù)量納入A、B、C方式調(diào)換，因此R值越大代表越能滿足式(2)要求。

配變調(diào)換停電率如式(9)所示。

(9)

式中C′O為已互換的輕載配變數(shù)量。總停電次數(shù)為重過載配變和互換的輕載配變的數(shù)量和，因此(1-S)值越大代表越優(yōu)化，越能滿足式(3)最少停電次數(shù)要求。考慮供電企業(yè)停電指標(biāo)的重要性，在式(7)中的(1-S)乘以2倍的權(quán)重系數(shù)，有利于提高目標(biāo)值的準(zhǔn)確性。

輕載配變利用率T如式(10)所示。

(10)

式中：CO為輕載配變數(shù)量，因重過載與輕載配變互換后，輕載側(cè)屬于減容，重過載側(cè)屬于增容，調(diào)換后負(fù)載率能夠接近于20%～80%范圍，利用率相當(dāng)于提升，因此T值越大代表越能滿足式(4)要求。

2.3 重過載與庫存配變互換(B方式)

采集已根據(jù)式(4)排序的重過載配變集合N和公式(6)排序的庫存配變集合M，運(yùn)用階梯法[9]，判斷重過載配變能否和庫存配變互換。如圖1所示，首先將集合N排序第一的配變?yōu)榛A(chǔ)，按集合M排序，逐一模擬互換集合M每一臺配變，先判斷兩者是否同為干式或油式類型[10]，若是則模擬互換后重過載臺區(qū)負(fù)載率，執(zhí)行式(1)，η<80%可互換，并按模擬互換后結(jié)果更新庫存配變及排序，否則不可替換。接著再重復(fù)上述原理，運(yùn)用“階梯法”，直至所有的重過載配變集合N被逐一提取和模擬互換庫存配變，最后輸出無法互換的重過載配變集合z，按照式(4)排序并輸出[11 - 12]。

圖1 重過載與庫存配變互換(B方式)流程圖Fig.1 Flow chart of switching (mode B) between heavy overload and inventory distribution transformer

2.4 重過載與輕載配變互換(C方式)

采集已根據(jù)式(4)排序的重過載配變集合N和式(5)排序的輕載配變集合O，運(yùn)用階梯法，判斷重過載配變能否和輕配變互換。如圖2所示，首先將集合N排序第一的配變?yōu)榛A(chǔ)，按集合O排序，逐一模擬互換集合O每一臺配變，先判斷兩者是否同為干式或油式類型，若是模擬互換后輕載和重過載臺區(qū)負(fù)載率，執(zhí)行式(1)，重過載臺區(qū)η<80%可互換，并按模擬互換后結(jié)果更新輕載配變(η<80%)及排序，否則不可替換。接著再重復(fù)上述原理，直至所有的重過載配變集合N被逐一提取并模擬互換輕載配變，最后輸出無法互換的重過載配變集合z，按照式(4)排序并輸出。

圖2 重過載與輕載配變互換(C方式)流程圖Fig.2 Flow chart of switching (mode C) between heavy overload and light load distribution transformer

2.5 重過載配變之間輪換(A方式)

采集已根據(jù)式(4)排序的重過載配變集合N，運(yùn)用階梯法模擬配變之間的輪換，根據(jù)排序，首先預(yù)設(shè)排序第一的配變已通過B或C或D方式被更換，則該舊配變被騰出。如圖3所示，設(shè)x為騰出的舊配變，根據(jù)式(4)排序，“階梯式”地逐一模擬輪換，每次先判斷兩者是否同為干式或油式類型，若是模擬輪換后重過載臺區(qū)負(fù)載率，執(zhí)行式(1)，η<80%可替換，否則不可替換。以大換中，以中換小直至全部配變模擬輪換完畢，最后騰出一個舊變壓器x轉(zhuǎn)入庫存，輸出無法被輪換的配變集合z，按照式(4)排序并輸出。

2.6 配變調(diào)換方式最優(yōu)排序

圖3 重過載配變之間輪換(A方式)流程圖Fig.3 Flow chart of rotation (mode A) between heavy overload distribution transformers

3 算例

根據(jù)春節(jié)負(fù)荷預(yù)測模型，以某地市局公用配變(表1數(shù)據(jù))為例，通過預(yù)測2019年春節(jié)(1—2月)預(yù)測重過載配變530臺。根據(jù)當(dāng)時已知庫存配變數(shù)量282臺，已知輕載配變366臺，代入調(diào)換策略模型，理論計算其最優(yōu)調(diào)換策略，并以2019年1—2月實際數(shù)據(jù)驗證調(diào)換效果。

圖4 配變調(diào)換方式排序算法Fig.4 Sorting algorithm of distribution transformer switching mode

表2 調(diào)換策略輸出結(jié)果Tab.2 Output results of switching strategies

根據(jù)表2結(jié)果，B-A-C-D、B-C-A-D方式排序的調(diào)換策略目標(biāo)值Y較高，納入調(diào)換策略高方案，其綜合評估最優(yōu)化，其中推薦采用高方案Y值最高的B-A-C-D排序。其他4種方式排序Y值較低，納入中、低方案。根據(jù)表3結(jié)果，6種方案調(diào)換配變有效率K1超過90%，K2超過80%，K3基本超過90%，均達(dá)到調(diào)換效果。而高方案調(diào)換輕載配變數(shù)量和總停電次數(shù)相對均衡，而中、低方案則調(diào)換輕載配變數(shù)量和總停電數(shù)量較多。若重點考慮輕載配變利用率指標(biāo)，或忽略綜合停電指標(biāo)，可以選擇中方案，若考慮實際可操作性而忽略綜合停電和配變利用率指標(biāo)，也可選擇中低方案。

表3 調(diào)換策略效果Tab.3 Results of switching strategies

4 結(jié)語

春節(jié)期間部分配變負(fù)荷突增，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確地預(yù)測重過載配變并制定可靠的應(yīng)急調(diào)換方案，有利于提升配變運(yùn)行安全性以及利用率。本文基于春節(jié)負(fù)荷預(yù)測模型，建立了配變調(diào)換策略算法，制定一套最優(yōu)化配變應(yīng)急調(diào)換方案，有效緩解春節(jié)期間配變重過載運(yùn)行問題，有效解決配變輕載和提高庫存利用率，有效提高供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。