一种基于城乡一体化的农村电网布局优化方法

摘要

本发明提供了一种基于城乡一体化的农村电网布局优化方法，属于农村电网规划建设领域。构建了城乡一体化布局下的电网结构模型、以年费用最小为目标函数的经济供电半径及经济功率因数计算模型、电压等级序列经济技术指标优化模型等，系统完整地提出了电网结构模型的分层设计与构建方法，并给出了各电压等级序列的电网年费用优化模型。本方法是一种集规划与设计于一体的适用于城乡一体化电网规划设计方法。

主权项

1.一种基于城乡一体化的农村电网布局优化方法，其特征在于包括以下步骤： 一、构建电网结构模型 根据农村电网实际情况，对电网结构进行模型化设计，包括确定网架拓扑结构以及变电站个数、容量和输电线路长度，从而构建电网经济费用模型； 构建电网结构模型的基本假设条件包括： (1)各级变电站供电区域为圆形，变电站位于圆心，网络结构为辐射状，变电站的出线条数不受限制； (2)用电负荷分为集中负荷和均匀负荷两种形式，其中均匀负荷的用电量按供电区域面积均匀分布； (3)电网中线路的导线截面按经济电流密度选择； (4)以一个变电站的供电区域作为研究对象，将低压用户作为末端负荷点；电网每一级结构都会受到相邻级的影响，通常应包括输电网的电压级; 构建电网的经济费用模型方法包括： （1）集中负荷单独处理方法 假设Wa、Wb分别表示A电压等级和B电压等级集中负荷的用电量；Aa、Ab分别表示A电压等级和B电压等级变电站的供电面积； 在某一确定的电量密度下，以μa表示A电压等级网络的电量密度，则B电压等级网络的电量密度为： C电压等级网络的电量密度为： 对电网结构模型进行规划设计时，基于以上公式计算得出的相应电量密度； （2）变电站容量确定方法 依据假设条件，相同电压等级变电站的平均容量为： 式中： μ—电量密度，kWh/km²； K_p—容载比，kVA/kW； R_S—变电站的供电半径，km； T_max—最大负荷利用小时数，h； 变电站的平均容量在负荷情况和容载比确定的情况下由其供电面积的大小决定； （3）变电站个数确定方法 根据模型A级变电站个数为一个，A级以下各级变电站个数可由相邻电压等级的供电面积之比求得，其计算方法如下： 式中： N_本级—本级变电站的个数； N_上一级—上一级变电站的个数； A_上一级—上一级变电站的供电面积； A_本级—本级单个变电站的供电面积； 由上至下逐级计算，得到区域电网各电压等级变电站的个数，计算所得值为相应电压等级变电站个数的统计平均值； （4）输电线路长度确定方法 确定区域电网输电线路长度，应首先对圆形供电区域按照距离中心变电站的远近分层分区；供电区域可被划分为以最高一级变电站为中心的一个圆形负荷区域和若干环形负荷区域，以放射式接线方式直接向下一级变电站供电，下一级变电站均位于环形负荷带的中心，且环形的带宽正好等于下一级变电站供电半径的两倍，而中心圆形区域由中心变电站直接供电，其半径则小于等于下一级变电站供电半径的两倍；如果假设每个变电站仅需一条电源线，这样本级电网线路的长度就为本级变电站的个数与上下级变电站之间直线距离的乘积； 若R_S上一级/R_S本级=k，同时考虑实际线路路径并非直线，需要乘一个曲折系数q， 修正后单级电网的线路总长度计算方法如下： 式中： q—曲折系数，根据地形一般取1.2～1.4； N_上一级—上一级变电站的个数； R_S—单级电网变电站的供电半径，km； P_av—同一电压等级每条线路的平均传输功率，kW； J—经济电流密度，A/mm²； S_j—导线截面积，mm²； U_N—额定电压等级，kV； —线路末端的功率因数；二、经济费用模型构建 （1）变电站建设费用模型 变电站的建设投资费用包括固定投资和变动投资，其大小基本与变电容量呈线性关系，具体数学模型为： Z_B＝a+bS_B      (6) 式中： Z_B—单座变电站的造价，万元； a—固定投资系数； b—变动投资系数； S_B—单座变电站容量，MVA； （2）输电线路建设费用模型 线路的造价与多种因素相关，假设线路造价费用与导线截面积成正比关系，则单位长度线路的造价模型为： Z_X＝d+eS_J      (7) 式中： Z_X—单位长度线路造价，万元/km； d—固定投资系数； e—变动投资系数； S_J—线路截面积，mm²； （3）无功补偿设备建设费用模型 无功补偿考虑变电站集中补偿和配电变压器分散补偿两种方式；由无功负荷大小和所需达到的功率因数来决定投切容量；无功补偿设备的造价由它的补偿容量决定，公式为： Z_W＝k_bQ_C      (8) 式中： Z_W—无功补偿设备的造价，万元； k_b—补偿设备单位容量的综合造价，万元/kVar，取值为0.006； Q_C—变电站的无功补偿量，kVar； （4）单级电网建设总费用模型与管理维护费用模型 电网建设采用动态投资模型，则某一电压等级电网的建设投资为： Z＝K_d1N(Z_B+Z_W)+K_d2LZ_X      (9) 式中： Z—单级电网的建设投资总费用，万元； K_d1——变电站投资的等年值系数； K_d2—线路投资的等年值系数； N—单级电网的变电站个数，座； L—单级电网的线路总长，km； K_d1和K_d2均可由下式计算得到，只是n的取值不同： 式中： i—投资年收益率，通常取10%； n—投资收益年限，一般输电线路取25年，变电站取18年； 电网的管理维护费用按电网建设投资的一定比例提取，即为： Y=N(K_V1Z_B+K_V3Z_W)+K_V2LZ_X      (11) 式中： Y—单级电网的管理维护总费用，万元； K_V1—变电站的维修率； K_V2—线路的维修率； K_V3——无功补偿设备的维修率； （5）电网损耗费用模型 1）变电站损耗费用模型 变电站的损耗主要体现在变压器的有功损耗和无功损耗上，而其有功损耗又可分为空载损耗和负载损耗，空载、负载损耗与变电容量基本呈线性关系，即： ΔP0或ΔPk＝f+gX      (12) 式中： ΔP₀—变压器的空载损耗，kW； ΔP_k—变压器的负载损耗，kW； f、g—线性拟合参数； X—变压器的实际变电容量，MVA； 变电站的年损耗费用为有功损耗的电量与电价的乘积，具体表达公式为： F_B＝K_S(ΔP₀t_B+ΔP_kτ_B)      (13) 式中： K_S—计算电价； t_B—变压器年平均运行小时数，h； τ_B—变压器最大负荷损失小时数，h； 2）输电线路损耗费用模型 单位长度线路年损耗费用为： 式中: τ_X—线路的最大负荷损失小时数，h； ΔP_X—单位长度线路的有功损耗，kW； J—经济电流密度，A/mm²； S_j—导线截面积，mm²； r—单位长度线路的电阻值，Ω/km； 3）无功补偿设备的损耗费用模型 无功补偿设备的年损耗费用为： F_W＝K_SΔP_CQ_Ct_W      (15) 式中: ΔP_C—补偿装置单位容量有功损耗，kW/kVar，取0.003； t_W—补偿装置年运行小时数，h； 4）单级电网的总损耗费用模型 综合各损耗费用模型，得到单级电网的年总损耗费用如下： F＝N(F_B+F_W)+LF_X      (16) 式中: F—单级电网的年总损耗费用，万元； N—单级电网的变电站个数，座； L—单级电网的线路总长，km； 三、技术指标优化模型 各种电压等级序列方案的经济技术指标以单位供电面积年费用最小作为优化模型的目标函数，以供电半径和功率因数等技术指标作为优化变量； 优化模型的目标函数为： 式中： m—电网的分级数； —变压器低压侧的功率因数；R_S500—500kV变电站的供电半径，km； Z_i—单级电网的建设投资总费用，万元； Y_i—单级电网的管理维护总费用，万元； F_i—单级电网的年总损耗费用，万元； 根据以上电网结构模型设计、经济费用模型构建和技术指标优化模型的农村电网布局优化计算方法，从而实现城乡一体化的农村电网布局优化规划与设计。