考虑供电能力提升和分布式电源接入的变电站优化规划

发布时间：2016-09-21 07:22

第一章  绪论 

变电站规划与以后设计区域电网的网络结构、运行经济性、空间布局、供电可靠性与电网投资之间有着密切且直接的联系，是配电系统精细化规划需求环境中的另外一个关键的问题，研究学者对其所做的研究与探索都会对配电系统规划带来非常重要的作用，这些研究也拥有一定的实践需要。本章开始会简单描述变电站规划的研究现状。然后，分析变电站规划工作存在的问题和挑战。在此基础上，对本文大致内容做一个简单的叙述。其后，还会将本论文的结构做一个简单的概括。 

1.1  变电站规划问题概述
在电力网络当中与使用者最为靠近的即为配电网这一部分，将配电网作一个更加科学的规划与设计，能够使电网建设工作之中的电网运行安全性与电网建设合理性得到充分的保障，进而使整个电网的质量得到增强。配电网规划开始要按照规划时间内网络的状态与负荷预测这些因素，选择较为合适的设计方案，该方案不仅仅要保证安全供电与负荷增长的原则，还要让费用不超过本身规划。在整个配电网的规划过程中的主要内容包括：负荷分布与符合预测、各级电压配网规划方案、变电站规划方案与电网现状研究分析，各级电压城网无功电源的配置方案等。其中，变电站规划在配电网规划中起承上启下的作用，对居民，工厂，商场等的正常供电起着重要的保障作用，是电网安全、可靠运行的基础[4-6]。变电站规划首要要保证供电质量与负荷需要，其次在按照当前城市电网现状与负荷增长状态等因素确定变电站的位置、容量、供电范围，它是城市电网规划中介于电力负荷预测和网络结构优化之间的关键环节。变电站位置及容量的决定，不仅仅要分析负荷的分布状态，还需要分析电网完整的框架结构。变电站的总体规划需满足一下几个条件：在配网现状、电源和负荷变化趋势确定的情况下，需保证用户的用电舒适度，来制定以后的变电站如何发展，又安全还能保持经济合理[14-16]。电网的设计与规划与当前社会的进步不能分割，因此对整个电网的规划与设计不是一朝一夕就可以解决，而是需要一个很长时间的考虑与研究，在什么样的位置来建设变电站需考虑的环境与客观原因非常多.
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1.2  变电站规划理论的发展现状 
变电站优化规划属于复杂的多目标与变量的大型非线性设计，其中还牵扯到许多组合优化与平面定位等多个研究。虽然在整个过程当中拥有许多不一样的求解模型，但一般所使用的解决方法还是启发式优化，智能优化与数学式优化等。对变电规划进行求解的研究开始在 1974 年，在这一年 E. Masud[21]发现得到配网规划两种不同阶段的模型，运用线性整数规划形式对变电站的容量与位置进行优化设计，这样一来，就让变电站增容时间与规模的问题得到了改善。 Crawford 和 Holt[22]将目标函数定位最小的负荷矩，运输问题作为最根本的求解手段。文献[23]向有关学者展示了一个线性规划模型，，它的具体求解方法即为配电系统规划。同时还运用了网络中的相关特征，增加了循环迭代的速度。Thompson and Wall[24]在确定变电站位置之一问题上主要使用了分支界定优化技术，经过固定费用模型选取站址。该方法考虑了主干线网络和负荷分布不均匀等因素。D.L.Sun 等[25]介绍一个相关的规划技术，该技术主要是运用固定分支定界的算法对辐射状馈线与变电站站址进行分析与计算，但往往容易忽视网损对网络选择与变电站产生的作用。文献[24]和文献[25]不能解决大规模的工程实际问题。文献[22]~[25]中的规划模型没有考虑时间特性，因此，这些模型也仅仅适用于静态规划。文献[26]以一种全面的混合 0-1 线性规划形式给出配电网规划模型。文献[21]、[24]、[26]~[29]的作者试图利用混合整数规划方法来解决变电站规划问题。EI-Kady[30]提出了一种优化线路位置与变电站的修改手段。同时 Hindi and Brameller[31]等相关研究者也对固定费用公式做了简单的阐述。 Tang[32]主要运用了网络规划的方式来对其进行优化。  Salama[33]和 Temraz 两位学者对配电变电站中的位置、大小、时间等问题进行了建模。文献[34]提出一种在多约束条件下的变电站站址分层优化方法。实际上，早在 1984 年平面定位问题就已被证明为 NP-hard 问题[35]，因此，启发式优化方法不免是求解这类问题的有效途径。 
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第二章  变电站全生命周期成本模型 

变电站项目具有周期长、耗资大等特点，在进行选址定容的工作时，应充分考虑到变电站项目从设计建站到报废的全生命周期的成本，从全局出发才能有效控制变电站项目的成本。因此，本章在分析了影响变电站规划的全生命周期成本因素的基础上，构建了变电站规划全寿命周期指标体系，通过采用改进密切值法对指标体系的综合评价，确定间接成本因子，建立了基于全生命周期成本管理的变电站规划成本模型。该成本模型为变电站规划工作提供了决策依据。 

2.1  变电站成本的主要构成 
在变电站的选址以及定容问题当中，成本是需要重点考虑的内容，涉及到变电站的基础投资以及进出线路的投资，对变电站的综合投资最小作为变电站的最终规划目标[93-96]。变电站从建设到报废整个价值过程中的成本包含投建前期的基础建设投资，变电站运行维护费用以及报废价值。站址优选所需的成本则应包括新建变电站的成本和低压出线的成本。因此，变电站从建设到报废整个价值过程中的成本则应包括新投入建设变电站和低压出线这两部分各自的基础建设投资、运行维护费用和报废价值。在建设一个新型的变电站时，必然会投资，其中里面的基础投资主要有规划费用、筹备费用、预算费用、一次性费用与规划费用这五种费用。在整个工程的前期筹备费用即变电站建设工程前期筹备所需要的花费，包含对工程可行性的调研、工程所用土地的预审、对环境承载能力的评估、有关劳动环境安全卫生状况的评价、发生地震等重大灾害情况的评价、制定防止水土流失问题发生的措施、对于矿物资源所在地址被占用程度的评估、文物宝藏的探测等产生的花费，以及本工程中的相关工作全部的设计咨询费与文件评审费等等，在这之中还包括资料费与人工费。 上述所说的勘察费用主要是具有一定从业资格的勘察组织被该项目的法人进行邀请，在对整个工程进行勘察使所发生的全部费用与设计有关勘察有关文件所话费的费用。变电站工程项目的预算费用是由包含建筑工程费、设备购置费、安装工程费与其他费用之和的静态费用和动态费用组成。 变电站建设的设计包含绘图和相关文件的制造费、概预算书、规划设计费用等相关费用，是根据工程项目建议书和委托要求或可行性研究报告的费用预估由相关设计单位来完成。 低压出线的前期基础费用主要是由单位长度上线路建设费用和线路建设总长度确定的新建变电站出线的投资。 
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2.2  变电站全生命周期指标体系 
建造成本是变电站建造中不得不需要重视到的问题，可以说它是整个规划中最为重要的部分。本文将考察变电站的各种建造情况，以及相关的建造标准，并且了解到各种对建造产生影响的内容，形成一个具体的标准体系，以此来总结这些因素产生的缘由，然后进行合理的数据分析等内容来制定一个更加完善的指标方案，为整个建造过程提供最佳的建筑方案。通过对各种研究目标的考量，还要严格按照相关规则标准，来构建一套全面的指标系统。通常将多种指标进行横向的综合，来形成一个水平的标准系统，这种方式大多运用于相对来说较为基本的评价性内容。除此之外，还有一种垂直式的等级系统，就是一种将各种指标按照一定的程度进行纵向排列而形成的体系，通常在复杂的问题中会使用这种方式。这种方式可以更加全面客观的分析出重要的层次关系，并且能够简化一些关系的复杂程度。[96-101]。 建立相应的标准系统必须具备以下几点，才能更好的将其中的指标关系直观的反射出来，并且让整个系统能够更加简化，便于使用。 
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第三章  基于加权 Voronoi 图与全生命周期成本的变电站规划 .... 30 
3.1  变电站规划的数学模型 ..... 30 
3.2  基于加权 Voronoi 图的变电站规划 ....... 31
3.3  基于改进 K-means 聚类算法的初始站址优化 .... 37
3.4  由现状年到目标年过渡的中间年规划 ......... 42
3.5  算例分析 ........ 46
3.6  本章小结 ........ 52 
第四章  变电站与站间联络联合优化研究 .... 54 
4.1  变电站与站间联络联合优化的思路与模型 ........ 54
4.2  配电系统的供电能力计算 ........ 58
4.3  变电站与站间联络联合优化方法 .......... 60
4.4  算例分析 ........ 68 
4.5  本章小结 ........ 74 
第五章  考虑分布式电源置信容量评估的变电站优化规划方法 .... 75 
5.1  引言 ......... 75 
5.2  含分布式电源发电系统的可靠性评估 .......... 76
5.3  分布式电源的置信容量评估方法 .... 84
5.4  考虑分布式电源置信容量评估的变电站优化规划方法 .......... 94 
5.5  算例分析 ........ 96 
5.6  本章小结 ...... 100 

第五章  考虑分布式电源置信容量评估的变电站优化规划方法 

针对未来规划区域面临大规模分布式电源接入的情况，提出了一种基于分布式电源置信容量评估的有源配电网变电站选址定容方法。首先，从可靠性的角度出发，综合考虑变电站主变故障及 DG 出力的时序特性，根据分布式电源接入前后可靠性指标不变的原则，引入了一种 DG置信容量评估方法，结合加权 Voronoi 图算法，提出了一种含分布式电源的变电站优化方法。最后通过实际算例的对比分析，说明了本方法的科学性和实用性。相关结论可为含分布式电源的配电网规划具有指导意思。 

5.1  引言 

随着日益严重的能源危机和环境污染问题，世界各国清洁能源作为未来能源发展战略，可持续发展和利用。和风能和太阳能资源的开发和利用是他们最有效的支持。丰富的太阳能资源，小地域的限制，整洁的环境;取之不尽，用之不竭的风能资源。利用太阳能和风力发电可以减少环境污染，节省煤炭，石油等常规能源[136]。风能和太阳能资源具有分散性的特点，风机和光伏发电主要集中在分布式发电并网，由于分布式能源发电具有间歇性和不稳定性的特点的形式，一般不考虑他们的能力值，但随着新的能源的大规模分布式电源的快速发展要与分销网络连接，如果你仍然无视自己的能力的价值，必然导致浪费变电站投资，降低设备的利用率。定位和尺寸的理论和深入研究的方法后，因此，大量分布式电源加入网络的分析与探索拥有关键的意义。 当前，以前所使用的变电规划原则已经开始形成的比较完善，但以许多高渗透率与大规模的分布式电源的角度来看，将其接入配电网后对变电站选址定容影响的研究很少[137-138]。当前所以拥有的有关文献中，对分布式电源的配电规划的分析与探索一般表现在分布式电源在配电网当中所处的位置、扩展规划与容量规划等许多方面，在整个电网规划过程当中变电站协同综合优化规划与分布电源研究较少。文献[139]运用了一般所使用的可变性权重中的自适应粒子群方式对整个模型进行相关计算，同时对不同的分布式电源的配电规划做了大量细致的研究与分析；在文献[140]中，完成了可变权重分布式电源定容与选址优化的新型模型，同时使用已经修改后的多种群遗传算法对整个模型进行求解，上述所说的相关算法与模型都是之前学者已经提出；在文献[141]中，其主要以分布式电源概念为前提，得到，如果要完成更好的智能电网，以后的配电网一定要自由的去接纳分布式电源，之后再对 DG接入配电网这一现象的优劣进行分析，同时详细解答其对配电网所产生的作用，最后将其做一个简单的总结，同时在整个研究过程当中，其对 DG 的配电规划给出了几个相关的意见，所以最后所得出的有关结论拥有比其他条件更好的理论意义；在文献[142]中，其主要是根据之前研究者的相关结论，发现运用年持续负荷曲线与平均容量成本完善配网扩容容量分配方式与可中断负荷等，进而对 DG 的选址定容工作进行相关优化；文献[143]在计及规划区域内已有的分布式电源容量及位置的基础上，建立约束条件，利用粒子群算法对规划区域的变电站位置进行优化，但作者只是在费用模型上做了优化，并未提出有效的变电站选址方案；文献[144]建立了考虑分布式电源的变电站全寿命周期成本模型，同时运用改进粒子群的有关计算方法来将该模型解出，但文章并没有考虑分布式电源出力的时序特性。

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总结 

变电站规划是连接电力规划中电力电量平衡计算与配电网网架结构规划的中间环节，是配电系统在仔细规划过程当中的一个颇为重要的选题，这个选题当中的有关结论会为整个配电规划工作提供具有指导性的建议，具有强烈的实际工程需求。在传统的变电站规划中，人们往往只注重变电站负载率满足主变“N-1”原则及变电站供电范围约束，忽视了变电站站间联络及分布式电源接入对变电站规划的影响，从而导致变电站规划容量过高，造成投资的浪费。 针对上述问题，本文基于变电站全生命周期成本模型，深入研究了变电站站间联络优化理论与分布式电源置信容量评估理论，并将其与变电站规划理论相结合，得到了一套考虑供电能力提升和分布式电源接入的变电站优化规划方法。本文的研究成果能够提高变压器设备利用率，降低变电站项目成本，最终达到提升电网投资效益的目的。本研究的主要工作如下： 
1.  建立变电站的过程其所耗费的时间非常的长，且资金也非常巨大，在整个的选址定容相关工作之中应该要将变电站在设计到报废中的全部有关成本都充分分析，从一个整体的角度去管理变电站建设的成本。因此，本文在分析了影响变电站规划的全生命周期成本因素的基础上，构建了变电站规划间接成本指标体系，采用改进密切值法对指标体系进行综合评价，确定间接成本因子；将变电站直接成本与间接成本因子相结合，建立了变电站全生命周期成本模型。该模型综合考虑了变电站建设，运行维护及报废三个阶段的成本构成，能够全面、合理地评估不同变电站规划方案的费用。本理论为后续章节提供了优化目标，是本文工作的决策依据。 
2.  基于加权 Voronoi 图算法确定变电站站址及其供电范围，并利用第二章介绍的变电站全生命周期成本对各方案进行成本对比，选出成本最低的方案作为最终的规划方案，并在此基础上做了以下改进：(1)提出了孤立负荷点及孤立变电站的处理方法；(2)提出了基于改进 K-means 算法的初始站址优化方法，结合基于加权 Voronoi图算法的变电站规划方法，验证了此方法的有效性。(3)以 5 年为一个阶段，基于目标年变电站优化结果回推中间年的规划方案。最终得到了由现状年到目标年的全阶段规划方案，更加贴近工程实际，完善了变电站规划的工作。
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参考文献(略)

本文编号：119131