配电系统优化（精选10篇）
配电系统优化 篇1
前言
配电系统是城市现代化建设的重要基础设施, 随着改造后配电系统运行中暴露的问题越来越多, 配电系统的管理和运行人员需要挖掘更深层次的配电系统相关信息, 从经济性、安全性、供电可靠性、系统协调性、发展适应性等多方面掌握量化指标, 以实现不同地区配电系统间的横向量化比较、系统改造建设前后的纵向量化分析, 挖掘配电系统存在的技术瓶颈, 确定已建成配电系统的供电能力、满足未来负荷需求增长的能力、城市核心地区的抗大面积停电能力等等。
1 配电系统供电能力概述
配电系统的主要职能是将输电系统传输来的电能高效、可靠地分配给电力用户。为了使配电系统安全可靠地运行, 需要基于配电网络的拓扑结构, 结合运行约束, 对供电能力进行合理评估, 以在电网规划、设计和运行过程中进行相应控制, 避免出现超出供电能力运行的不安全状况。科学地计算评估配电系统的供电能力, 已成为当前配电网精细化评估与规划工作的关键一环, 对于优化网络结构、指导配电网的规划和运行, 具有重要意义[1]。
有关配电系统供电能力的研究, 传统上主要借鉴了输电网输电能力的概念, 基于配电网络结构, 在各负荷节点负载一定水平的负荷, 通过配电网潮流计算校核网络负载该负荷水平的能力, 以确定配电系统的供电能力, 具有优化问题中对于目标值试探性逼近和对约束条件后验试满足的典型特点。其分析方法一般比较繁琐, 在网络复杂情况下不一定能够得到准确的结果, 作为优化问题还容易陷入“NP”难境地, 不能快速找出网络的瓶颈设备, 且没有考虑配电网供电安全的“N-1”准则要求。同时, 常规的供电能力分析方法不能明确给出配电系统的最大供电能力、站内供电能力、网络供电转移能力等;对规划电网无法明确评判该电网满足负荷的能力, 不能很好地为配电系统的优化规划工作提供有效建议。
针对以上问题, 本文以联络单元为基本分析单位, 用解析的数学方法明确得到系统所能达到的最大供电能力以及各台主变的最大负载率, 确定系统现有的供电能力相对实际系统所带负荷的适应程度, 并通过对主变运行方式、接线模式的分析提炼影响系统供电能力水平的关键因素, 从而为现状配电网优化改造提供有效的建议。
2 配电系统供电能力分析方法
2.1 变电站站内供电能力
设研究区域内共有n座变电站, 将其分别编号为1, 2, …, n, 各变电站主变台数分别为N1, N2, …, Nn。根据定义, 变电站i的站内供电能力ci可表示为:
式中:i=1, 2, …, n, 表示第i座变电站;j=1, 2, …, Ni, 表示变电站i的j号主变;Ri, j为变电站i的j号主变的容量;k为主变短时允许过载系数, 根据一般电网调度操作规程规定, 可取为变电站i内的最大主变容量。公式成立的条件是当变电站站内最大容量主变停运时其负荷可以均匀分配给站内其余Ni-1台变压器, 这里假定变电站站内主接线方式能够保证上述条件成立。于是, 区域内变电站站内供电能力计算公式为:
若变电站的主变容量一致, 即Ri, 1=Ri, 2=…=Ri, Ni=Ri时, 有:
对应图1, c1=k R1, c2=k R2, c3=k R3, 于是C=k (R1+R2+R3) 。
2.2 配电系统最大供电能力
从整体来看, 如果变电站之间负荷转移通畅, 则电网的最大供电能力是所有设备中容量最大的主变停运情况下系统所具备的最大供负荷能力。假定最大单台容量主变出现在第M座变电站, m∈[1, n], 则电网最大供电能力可表示为:
等式右端表示对于这, z座变电站的整体, 当第m座变电站的最大容量主变故障停运时, 站内其余主变以短时允许过载系数k过载带负荷运行, 其他站的主变以满负荷运行。若变电站i的单台主变容量一致为Ri, 则有:
此时, 网络具备的转移能力即为系统最优的网络供电转移能力Lopt, 满足等式Smax=C+Lopt。
从资源利用的角度来看, 当上式成立时, 变电站的可供容量得到了最充分的利用, 网络综合供电能力达到最大, 可以认为此时的网络供电转移能力是最优的。
当k=1时, 上式可写为:
该公式表明, 若各站主变容量一致, 网络最优供电转移能力为扣除单台主变容量最大的变电站后其余各变电站各取一台变压器的容量之和;具体到两座站互联区域, 其最优负荷转移能力为最小的单台主变容量;对于三座变电站互联区域, 其最优负荷转移能力就是单台主变容量较小的两座变电站的单台主变容量之和。对应图1的最优负荷转移能力Lopt=R1+R2, 此时网络供电能力达到最大为:2R1+2R2+R3。
上述有关最大供电能力的结论主要从电源 (变电站) 满足用户负荷的宏观角度对配电系统的供电能力进行了分析, 实际上存在着配电网络负荷转移通畅和设备容量充足的假定。只有假定系统中各座变电站主变并列运行, 各座变电站之间都互相联络, 且联络线路极限传输容量足够大, 才能使得整个配电系统站间负荷转移畅通, 则能利用上述公式计算得到系统的最大供电能力。
3 供电能力分析的最优化方法
以图2为例, 说明基于联络单元求取式定义的系统供电能力的基本思路。
图2中各变电站以Si标识, 主变以Ti标识。为简洁, 图中仅对S1变电站给出了其全部联络关系情况。
首先给出变电站联络单元的定义说明:在图2中, 变电站S1与S2、S3、S4及S5存在直接联络关系, 在S1发生主变“N-1”故障, 即S1的最大容量主变故障时, 故障负荷能够由S1~S5共同分担转带, 因此称S1与S2、S3、S4及构成以变电站S1为中心的变电站联络单元, 同时称S1为该变电站联络单元的中心变电站, 基于这个联络单元可以分析出满足中心变电站 (S1) 主变“N-1”准则条件下各变电站能够达到的最大负载率;同理, 基于各变电站联络单元都可分析出满足其中心变电站主变“N-1”准则的变电站最大平均负载率。综合各变电站联络单元的分析结果可得到满足所有变电站主变“N-1”准则的最大平均负载率, 从而求得系统最大供电能力。
按照上述分析思路, 可进一步定义主变联络单元。如, 主变T1与T2、T3、T6、T7、T9、T11存在直接联络, T1故障时其负荷能够由其它主变共同分担, 因此称T1构成了以T1为中心的主变联络单元, 同时称T1为该联络单元的中心主变, 基于这个联络单元可以分析出满足中心主变 (T1) “N-1”准则条件下各台主变能够达到的最大负载率;同理, 基于各主变联络单元可分析出满足其中心主变“N-1”准则的主变最大负载率。综合可得满足所有主变“N-1”准则的主变最大负载率及系统最大供电能力。
需要说明的是, 对于低压侧单母分段接线的三主变变电站 (如图2中变电站S1) 来说, 虽然其1#主变与3#主变不直接相连, 但是由于现今的变电站自动化技术能够保证1#主变在故障情况下只经过很短的时间其负荷就被均匀转移至2#主变和3#主变, 因此, 考虑1#主变的负荷在站内经由2#主变再由3#主变转供属于一种特殊的一次转供。所以, 图2中以T1为中心的主变联络单元包含T3。
4 结语
总的来说, 加强配电系统供电能力的优化研究, 可为未来的配电系统规划和改造建设提供有针对性的依据, 进而提高系统建设和运行的经济性以及供电可靠性。同时对配电系统供电能力的优化分析也是全面提升配电系统建设、运行和管理水平的一项基础性工作。对于实际大规模配电系统, 管理者既要从整体上进行技术评价, 又要在关键点上得到细致的量化指标, 这样才能科学地获取完整、系统、宏观与微观兼顾的量化评价结果, 才能实现对电能的科学、合理的优化配置。
摘要：配电系统作为电力输送到用户的最后一环, 与用户的联系最为紧密, 对用户的影响也最为直接, 是保证供电质量、提高电网运行效率、创新用户服务的关键环节。本文结合配电系统供电能力的相关原理, 分析了优化供电能力的思路。
关键词：配电系统,供电能力,优化
参考文献
[1]李彩华.变压器并列运行概述[J].科技资讯, 2014 (21) .
配电系统优化 篇2
关键词序化理论;电力系统;配电网络
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)111-0123-01
于1992年由哈佛大学何毓琦教授提出,它是求解单目标复杂优化,问题的有效工具。对于单目标复杂优化问题,通常其解空间的结构较为复杂,解集大小一般随求解问题的规模呈指数级增长,需要大量的时间进行仿真计算,并且常常得不到满意解。而序优化理论在所求问题的目标函数复杂、计算量大且解空间的结构信息复杂的情况下,能够确保以足够高的概率求得足够好的解,有效地提高计算效率,较好地满足工程实际的需要,近年来在工程界得到了广泛应用并获得了理想的结果。
1序优化理论的基本概念及步骤
序优化理论是解决单目标复杂优化问题的有效工具,它具有如下的两个基本特点。1)用序比较来代替精确值比较,只注重比较解的优劣,而不在乎解之间具体差别多少。2)通过目标软化来放松优化目标,传统优化问题都是以寻找问题的最优解为目标,而序优化理论的指导思想是当精确求解问题最优解在计算量上不可行或者相当困难时,从工程实际的角度出发,以寻找足够满意解为目标进而减少搜索量及搜索难度。具体实现步骤如下:
①从解空间中按一定的原则随机抽取m个可行解构成整个解空间的表征集合,当整个解空间的大小不大于108次,m取1000即可满足要求。对于实际工程中的规划问题,该可行解即为一个可行的规划方案。②利用特定的选择规则对该表征集合中各个可行解进行快速粗糙评估,以排序后各可行解的序号为横坐标,其对应的目标函数值为纵坐标,近似确定该优化问题所属的Ordered Performance Curve类型(flat、U-shaped、Bell、neutral、steep型)。③在确定OPC的类型后,取排序后表征集合中的前s个可行解作为选定集合S,由公式2-4确定集合S的大小s。④对S集合中的所有可行解进行精确仿真求解,根据目标函数值的大小对S集合进行排序,选取目标值最好的前k个解作为仿真得到的真实足够好解。
2序优化理论在电力系统中的应用
序优化理论在工程界如通信、控制、机械制造等领域已经得到了广泛的应用,并获得了理想的结果,但在电力系统方面的应用仍处在初步阶段。目前该算法在电力系统中的应用主要集中在电力市场竞标策略、配电网供电故障恢复、最优潮流等方面。
现阶段,经济性依然是配电网络规划所追求的首要目标,总费用最小是较为常用的目标函数。由于货币的价值随时间有所改变,各种投资费用支付的时间不同,其取得的效益也不同,因此,进行经济比较时一般采用动态经济比较法,该方法的主要依据是基于货币的经济价值是随时间而改变的,各种费用的支付时间不同,发挥的效益也不同。最常用的为按复利计算投资费用值,即如果工程初期一次性投资为K,施工年限为n,投资回收率为r,那么折算至投产年的投资费用为:
(1)
我国电力工业推荐采用的方法为“最小年费用法”,将工程方案从开始施工到基建结束年份的投资,折算到基建结束年份,然后将折算后的总投资平均分摊到方案服务年限内的每一年,进行方案比较时,年费用最小的方案,相应的经济效益就越大,其计算公式如下:
(2)
线路的费用计算由综合投资费用、维护费用及运行费用构成,其中,投资及折旧费用均采用“现值转年值”法,转化为年费用,运行费用则是将线路年电能损耗转化为相应的经济值费用。线路年投资费用计算公式为:
(3)
式中:FL为线路的年投资费用;r为投资回收率,一般取0.08;n1为设备正常使用年限,一般架空线路取30年,电缆线路取40年;n2为施工年限;RL为投资费用。
本算例采用IEEE典型算例,由50个负荷节点、两个可扩展容量的原有变电站以及两个可新建变电站构成的10kV配电网系统。现有线路和备选线路参数选取如下:投资回收率
r=0.08,施工年限n=5年,年折旧率α=0.155,电价费用Ci=0.5元/KW.h,最大负荷利用小时数Tmax=3000h,功率因数为0.9,最大电压损耗百分数为8%,变电站容载比范围为1.25~2.45,权重因子λ1、λ2取0.5。1)编码形成初始解首先需要对各馈线进行编号,确定其首端节点和末端节点,对于线路的选择,采用的编码方式为二进制表示法,即每回线路只具有两种状态,“1”表示线路被选中,“0”表示线路不被选中。2)生成可行解集合利用图论中的最小生成树法,通过改进的深度优先策略搜索出一辐射状拓扑网络结构,通过前推回代法进行配电网潮流计算,满足约束条件的即可作为可行解,并加入到可行解集合中。3)确定表征集合大小从总的决策空间中随机抽取m=1000个满足约束条件的可行解组成表征集合空间。4)估计OPC曲线利用目标函数求出各可行解所对应的总费用目标值并对其进行排序,以排序后各可行解的序号为横坐标,其对应的经济费用值为纵坐标,得到相应的OPC曲线。
3小结
本文主要研究了电压等级为10kV的城市中压电网的规划,以配电网中变电站及馈线的投资费用、网络年维护折旧费用及运行费用之和为目标,引入序优化理论进行求解。
参考文献
[1]蓝毓俊.现代城市电网规划设计与建设改造.北京:中国电力出版社,2004.
[2]张李盈,范明天.配电网综合规划模型与算法的研究.中国电机工程学报,2004,24(6):59~64.
地铁低压配电系统设计优化探讨 篇3
地铁区间设备低压配电设计的过程中要从地铁环境着手, 依照地铁车站区间长度及区间内用电特征实施对应设置, 从而保证配电的有效性, 提升配电系统运行效益。我国地铁站区间长度多为1 km左右, 地铁中对低压要求较高, 需要配电设备能够保证在220/380 V配电标准中正常运行, 从而提升低压配电系统效益。区间设备配电设计的过程中人员要全面控制好车站变电电源及配电扥分界点, 要能够保证低压配电系统既能够满足配电需求, 又能够达到经济效益指标, 从而实现对地铁低压配电系统经济性的改善, 降低工程造价, 其具体配电设计内容如以下几点。
(1) 区间设备运行环境分析:在地铁低压配电系统中地铁区间设备运行负荷容量一般较小, 各项容量内容远远低于负荷状况, 系统设置与常规配电存在明显差异。该体系由于配电内容的限制在配置过程中可以同时安置多台风机和水泵, 运行过程中由现场需求进行合理选取。除此之外, 地铁低压配电系统区间设备在配置的过程中多通过电动机完成各项负荷需求, 其指标多为一级负荷指标, 电压负荷整体较低。这种电动机负荷状况下, 电动机起动电流明显高于常规起动电流, 有时甚至可以达到7倍以上, 从而导致配电系统安全性大大降低。
(2) 区间配电设计:设计过程中要首先对电动机起动符合进行配置。可以通过将给予电动机上级断路器瞬时脱扣器保证电流能够与系统安全电流一致, 达到对电流的控制和调节。上级断路器瞬时脱扣器可以将电动机起动电流控制在正常电流的2~3倍之间, 对系统安全状况提升具有至关重要的作用。其次, 设计过程中需要设计对应长距离配电系统。本次设计中要依照地铁低压配电系统指标将电压压降控制在5%左右, 通过电缆截面调整、单项接地设置、开端过流保护等完成电压调节, 提升长距离安全性。必要时还可以在长电路中加入辅助器件, 从而提升断路器在单相接地系统中跳闸的可靠性。再次, 要对电动机设备运行进行设计, 依照电动机负荷状况对电动机进行具体选择。当前地铁低压配电系统中多为多台电动机共同运转, 这种状况直接导致尖峰电流上升, 造成启动电流发生转变。该设计中要依照电流值对系统中电动机进行调整, 计算如下:
上述计算出的电流值需要保证Id≥1.2Im a x。
其中, Imax为一组电动负荷起动的尖峰电流;P为单台电动机负荷容量;cosφ为功率因数;Id为N台电动机配电上级断路器瞬间保护整定值。
计算出上述数值后电动机配置要依照其完成调整, 例如:当启动2台电动机时上级断路器瞬时脱扣器将电流控制在原有标准的9倍左右, 此时需要调整的定值为9倍额定计算电流值。
(3) 具体设备分析:地铁低压配电系统排水泵在设计的过程中需要依照排水泵具体工作状况完成。排水泵选取状况对水位变化影响不大, 调整过程中需要依照水位来确定启动方案。而射流风机在设计的过程中常通过BAS完成控制, 通过该内容达到启动命令。因此在设计的过程中人员需要对BAS系统电流进行对应设计, 要通过过流保护提升整定值, 提升系统安全性。
2 系统配电装置优化
地铁低压配电系统在设计的过程中需要依照地铁区间设计状况完成, 优化操作中人员要把握好区间设备配电状况, 依照独立区间设备配电内容实施对应调整、提升。
在对地铁区间电源进行优化时人员可以先从人防电源着手, 依照人防电源一级负荷特性将单电源装置转变为双电源切换系统, 从而提升电源使用质量。该电源优化的过程中要对人防专业接口连接位置进行合理选取, 一般确定为双电源切换箱进线开关上部分端口。双电源切换箱在配置的过程中需要由人防专业需求指标确定, 由该内容选取对应材料, 从而双电源切换箱应用的安全性。
在对地铁区间配电进行优化的过程中人员要做好对配电系统的安全保护, 要设置多项保护装置, 防止出现系统漏电导致的安全事故。人员要在双电源切换箱中设置对应断路器漏电保护装置, 在完成设置后实施漏电保护试验, 观察漏电保护效果。与此同时, 该漏电保护装置完成后人员还需要对双电源切换箱进行3级调换, 从而防止系统配电过程中可能出现的误动, 提升配电可靠性。
在对系统跳闸进行优化的过程中人员要对系统电流状况进行全面分析。当前地铁低压配电系统中漏电保护断路器电流Inb≥ILD。因此, 在优化过程中要控制好ILD的电流保护整定值。人员在低压配电优化中可以实施双电源切换保护, 通过双电源提升断路器跳闸的灵敏度, 改善系统断路保护效益。与此同时, 该装置还可以提升地铁低压运行效益, 对系统配电质量具有非常积极的意义。具体配电设计见图1。
除此之外, 地铁低压配电系统在优化的过程中还要控制好配电设备容量及电动机负荷过载元件选取两方面内容, 防止配电系统出现端子不匹配及过载无法制动保护等现象, 提升系统安全性和可靠性。
3 结语
低压配电系统作为地铁建设的重要内容, 对地铁安全运行具有非常积极的意义。在当前地铁低压配电系统设计的过程中人员要依照地铁配电指标实施对应设置, 要依照配电专业内容实施对应选取从而提升配电设计的有效性和合理性, 改善系统运行质量, 加速地铁配电建设进程。
参考文献
[1]郑姗姗.地铁低压配电自动化系统的应用与发展[J].赤峰学院学报:自然科学版, 2012 (18) :52-54.
[2]纪强.智能低压配电系统在地铁中的应用问题分析[J].科技创新与应用, 2014 (12) :283.
[3]武春.广州地铁嘉禾车辆段低压配电及照明设计研究与探讨[J].电子测试, 2013 (9) :119-120, 116.
配电系统优化 篇4
关键词：区域配电网；无功优化；设备监测；协调控制
中图分类号： TM714 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）28-182-2
0 引言
配电网是电力系统的重要组成部分之一，在电力系统的各环节中，配电网处于末端直接与用户相联系。对配网系统无功功率分布的忽视会导致大量无功功率在配网中流动，既增加了配电网有功损耗，又影响了电压质量，降低了配网运行效率。因而对于如何利用和配置无功资源进一步降低配网损耗，提高电压合格率，提高配网运行经济性的研究，无论是从运行实际还是从研究现状来看都表现出很强的迫切性。
目前，国内外在10kV配电网线路上无功补偿设备大多采用固定电容器组单点补偿方式或单双点柱上无功自动补偿方式，这些类型无功补偿装置大多选点根据经验，单组容量过大，补偿方式不合理、不精细、控制策略单一，设备运行状态无法监测。同时现有设备多为一体式结构，重量较重，偏远山区不好运输，人力抬不动，且需要再立电线杆，施工存在诸多困难[1]。
针对以上问题，研究10kV配网线路多点无功自动补偿装置，以及在线监测、控制优化、统筹管理系统具有重要的意义。一方面，使用多点分体式、集成化安装结构，以达到免维护，补偿更加精细及安装便捷的技术要求；另一方面使配网满足了一定约束，使各节点电压满足要求的同时降低线路的无功损耗，实现配网线路无功最优补偿，设备远程监控、经济运行的目标。
1 基于多点无功补偿技术的配电网无功优化系统
多点无功自动补偿系统与无功自动优化设备相配合的方式补偿线路无功是一种新型的配网无功补偿技术思路。
1.1 无功自动补偿装置
10kV线路无功自动补偿装置主要由控制器、并联电容器、真空接触器、电流互感器、电压互感器、避雷器、跌落式熔断器等组成。控制器智能控制器采集线路实时电压和电流，经过控制器运算处理，发出投切电容器指令，控制真空接触器分合，从而实现对电容器的自动投切。户外跌落式熔断器对装置进行短路保护，一旦装置内部有短路故障，熔断器立即熔断，防止装置故障扩大，避免对线路造成损害[2]。如图1所示，10kV线路无功自动补偿装置为分体式结构设计。其中电容器采用单杆架设的外置方式，方便设备的安装和维护工作。
1.2 分体式无功补偿设备开关电源单元
①研制适应与10kV线路的分体式无功补偿设备，并进行相关试验验证设备可靠性，以保证新增无功补偿设备能够很好地发挥其无功补偿功能，最大限度减少线路损耗[3]。
②分体式无功补偿设备开关电源是将投切开关和电源PT、保护CT集合于一个箱体内。该设计充分考虑电容器支路补偿方式及容量变化，可实现动静结合补偿方式。补偿容量可在50～600kvar范围内调整。这样的结构设计可以大大节省补偿箱体的空间及质量，便于运输及安装，可适应多种线路环境。开关电源结构如图2所示。
1.3 无功优化系统
基于多点无功自动补偿技术的无功优化系统是实现对区域配电网无功补偿设备从统一规划、合理布置、优化协调到统筹管理的多功能应用平台。它主要由系统主站、通信装置、无功设备规划与监控、优化控制等应用软件组成。系统首先通过计算线路潮流分布，对10kV线路无功补偿装置的安装点进行科学合理的规划，实现无功补偿装置在线路的多点分布。然后利用GPRS远程通信功能，在线监测多点无功补偿设备的运行状况，根据用户预先设定的系统优化目标，采用智能优化算法分析无功补偿设备最优投切方案，最后控制器通过“遥调、遥控”实现主站系统对无功补偿设备的协调控制，系统工作原理如图3所示。
2 典型案例
2.1 存在的问题
新疆某35kV变电站10kV线路上无功补偿装置原来为单点固定投切补偿，存在无功补偿不精细，灵活性低、布局不合理等问题，由于多种原因有几台无功补偿设备已经退出运行，且用户对目前投入运行的设备状态无法实时掌握。
2.2 解决方案
该升级改造项目新增1套多点无功自动补偿后台系统安装于项目10kV线路所属变电站主控室，并具备“四遥”功能。系统首先利用多点无功自动补偿系统对10kV线路上原有设备及预备新增的无功自动补偿装置进行统筹规划与合理分配，以实现最大程度上的无功就地补偿，然后通过对已安装设备进行实时监测和优化协调，以实现对10kV线路无功自动补偿装置的协调控制。
2.3 实施效果
该项目的实施后提高了10kV线路功率因数，大大降低线路损耗，并提高了该线路无功补偿的自动化运行水平。
2.4 研究展望
首先，要加强电网电能质量监测系统建设，提高特殊负荷电能质量问题的可监控性；其次就是完善电网电能质量控制技术，对各类电能质量控制装置进行协调优化控制，使其具有自诊断、自愈功能，实现全网电能质量优化。
3 结论
当前我国电力系统自动化水平的发展与日俱进，为适应快速发展变化的配电网，本文所研究的基于多点无功自动补偿技术的无功优化系统是经过大量实践总结的宝贵的经验，是响应新一轮农网升级改造和城镇配电网建设的重要一步，有利于实现配电网节能降损、优质经济运行。
参 考 文 献
[1] 彭明智，刘永强，赵富强.风电电能质量监测系统的设计与应用[J].低压电器，2010（07）.
[2] 胡文锦，武志刚，张尧，钟庆.风电场电能质量分析与评估[J].电力系统及其自动化学报，2009（04）.
配电系统优化 篇5
海洋石油161是我国首座插销式液压自升降生产储油外输装置, 隶属于中海油能源发展股份有限公司。是为解决渤海湾浅海海域边际小型油田“蜜蜂式采油”开发问题而研制的插销式四桩腿液压升降自升式采油装置, 设计寿命为25年。海洋石油161主体采用长60米、宽35米的箱体结构, 主要由机械甲板、轮机动力、工艺处理、液压升降和直升机平台等系统组成, 适用于最大年产量20万立方米、水深5米至30米的泥沙质海底海域或相似海域的小油气田油气生产作业, 具有原油生产处理、储存和外输等功能。该装置在一个边际油田开采完毕后, 可迁航至其他目的油田继续使用。
海洋石油161原主电站是由2台1200KW蒸汽轮机和1台1200KW柴油发电机组成, 一台500KW应急发电机满足应急状态下的供电要求。优化后的电站由2台1350KW原油发电机和1台1000KW燃气内燃机发电机组成, 一台500KW应急发电机满足应急状态下的供电要求, 并做为“黑启动”工况下的恢复主电站的供电机组。因主机的更换需对原配电系统进行改造, 本次改造本着最大程度利旧的原则, 尽量减少改造工作量、缩短改造周期、节约改造费用的目的展开。
2.0电站改造前后新旧配电系统概述
2.1原电站配电系统主要设备概述 (3)
原电站共有3台1200KW主发电机, 1台500KW应急发电机。主配电系统分为三个负载段即A段、B段、C段, 由三个发电机主进线开关连接即ACB01 ACB02 ACB03, 由两个母联开关连接即ACB04 ACB05。ACB01 ACB02 ACB03的开关额定电压为400V, 额定电流为2500A, 短路电流容量为65KA RMS 1S。母联开关额定电压为400V, 额定电流为3200A, 短路电流容量为45KA RMS 1S。母排额定电压为400V, 额定电流为3200A, 短路电流容量为50KA RMS 1S。应急配电系统为E段, 额定电压为400V, 额定电流为1250A, 短路电流容量为50KA RMS 1S。应急机主进线开关额定电压为400V, 额定电流为1000A。原电站中的应急机组不具备黑启动能力, 主电站失电后由主柴油机 (3#主机) 恢复正常供电。且应急机组因没有与主机的同期并车点, 无法实现不断电条件下的应急机定期带载测试功能。
2.2优化后的新电站概述 (1)
优化后的新电站由2台1350KW原油发电机组和1台1000KW天然气发电机组组成。主配电系统由原来的A、B、C 3段增加了D段-主机辅机盘负载段。新电站的原油机和天然气发电机不具备自启动能力, 新增加的主机辅机盘主要是主机的辅机负载, 即在主电站失电后由应急机供电, 满足主机的黑启动要求。同时增加与主机的同期并车点, 实现了不断电条件下的应急机定期带载测试功能。主配电系统主要是更换了2台额定容量为3200A的主开关和2台短路电流容量为50KA RMS 1S的母联开关。下图是优化后的主配电系统单线图 (示意图) 。
3.0为适用新电站原配电系统存在的主要问题及相应的分析
3.1存在的主要问题
1) 两个原油发电机额定功率为1350KW, 原发电机的主进线开关额定容量为2500A, 短路电流容量为65KA RMS 1S, 不满足使用要求。
2) 原油发电机机组额定电流为2436A, 按照开关容量选择要求应选高于2436A级别的开关。
3) 原系统母联开关ACB04 ACB05短路容量为40KA RMS 1S, 低于母排短路容量, 不满足使用要求。
4) 原油发电机不具备自启动能力, 需在平台失电的情况下由应急机给原油机辅机盘供电, 启动原油发电机。
5) 应急机额定功率为500KW, 由于需在应急机状态下既要给应急盘供电又要满足原油机辅机盘的供电要求, 所以需重新核算黑启动工况下的负荷容量, 看应急机的容量是否满足应急状态下使用要求。
6) 原电站失电后主要由备用柴油机恢复主电站的供电, 应急机没有安装综保装置, 原电站应急机与主电站没有同期装置, 平台失电恢复供电后需再次给应急盘断电再由主机供电。
3.2对存在问题的分析
1) 对于新电站的主进线开关及母联开关按照规范要求选择合适的开关即可。
2) 对于应急机没有综保装置, 按照规范要求只需增加发电机逆功率保护装置即可。
3) 关于主机辅机盘在负载段中的位置的问题。在与原油发电机及天然气发电机厂家的沟通中, 确认主机辅机主要包括原油机的―原油分油机2台、滑油分油机2台、启动空压机2台、预润滑油泵2台、缸套水预加热装置2台、燃油循环泵2台、燃油增压泵2台。天然气发电机的―预润滑油泵1台、缸套水加热器一台、发电机淡水循环泵1台 (要求发电机防护等级为IP44, 中冷水冷却) 。因为涉及到的开关比较多, 原低压盘的正常段和应急段的备用开关容量不满足使用要求。通过与设计的沟通, 确定单独在低压盘中配置一个MCC D段满足主机辅机盘的功能要求。
4) 关于电站改造后应急机的容量 (500KW) 问题。经过与发电机厂家及设计的沟通, 平台失电后必须启动的设备为―启动空压机 (10KW) 、燃油增压泵 (10KW) 、燃油循环泵 (10KW) 、缸套水预加热装置 (25KW) 、预润滑油泵 (15KW) 、海水提升泵 (130KW) 、空压机 (30KW) 、应急照明 (约40KW) 、应急电伴热 (约100KW) , 启动总功率约370KW, 容量满足正常使用要求。
5) 新电站辅机设备如燃油供给撬块在主电站启动后不允许失电, 这就需要辅机段的开关需和应急机具备同期互锁装置。也就是在图2中设计的ACB06和ACB09的同期互锁功能。
6) 原电站应急机不具备平台要求的定期带载测试要求 (如需应急机带载测试, 需手动断开应急段连接正常段的母联开关, 然后才能启动应急机供电给应急盘) , 经过与设计方及低压盘厂家沟通, 采取加装ACB08与ACB06的同期互锁功能。 (见图2)
4.0新电站配电系统改造的主要内容
1) 新增抽屉式MTE32N-5.0开关2台, Icu/Ics Icw=65KA (替换原固定式MTE25N) ;
2) 原固定式母联开关短路能力不能满足修改后的电气要求, 现更换为抽屉式开关2台:MTE32-HA, Icw/Ics/Icu=55KA;
3) 新增1台配电盘用于安装ACB09和ACB07开关 (ACB09开关为原G1或G2拆下的开关) ;
4) 新增MCC辅机盘2屏, 每屏内安装新增负载及备用开关各11路, 柜体形式为抽屉式。
5) 应急机增加逆功率保护装置一套及通过改变开关控制原理, 实现应急机的黑启动功能及定期带载测试功能。 (ACB06与ACB09同期互锁实现黑启动功能, ACB06与ACB08同期互锁实现应急机定期带载测试功能)
5.0结束语
通过与设计及发电机厂家的沟通, 经过对配电系统的改造。有效解决了主开关、母联开关容量、短路电流容量, 应急机保护、同期互锁功能、定期带载测试功能、黑启动功能等问题, 保证了改造后的平台低压配电系统安全、稳定地运行。同时通过对原系统的改造相比更换新设备节约大概30%的费用并有效缩短了改造周期。
参考文献
【1】海洋石油工程设计指南第三册;
【2】钢质海船入级规范第四分册中国船级社2009人民交通出版社;
配电系统优化 篇6
随着国家投入数千亿巨资进行城乡电网建设和改造, 使城乡电网的网架步入了一个新的水平。改造后的电网能否更科学、更合理、运行更经济, 给人们带来更多思考。电网的改造与建设是一项长期的任务。因此, 及时地分析和归纳网改期间的教训和经验是非常必要的。这有助于“开发与节约并重”, 多供少损的能源方针落到实处, 更有助于城乡电网科学、合理、稳步地建设和发展。随着网改高潮接近尾声, 电力企业的目标开始注重“三率”问题, 即供电可靠率、电压合格率、电能损失率。针对电力企业而言, 都希望供电可靠率高、电压合格率高、电能损失率低, 这两高一低是电力企业在相当一段时间内追求的永恒的课题[1]。本文主要探讨一下与电压合格率、功率损失率有关的农村配电网无功优化问题。
1 无功与无功补偿
电力系统中由于变压器、电动机等主要电气设备都以电磁感应原理工作为特点, 存在着从电网吸收和释放功率的交换工程, 这个功就是无功[2]。那么这些设备没有无功行不行呢?因为无论是变压器还是电动机都需要激磁电流来建立激磁电势和电压, 才能使设备正常运行, 就像打水没有水桶没法运水是一个道理的。
电网中的无功电源包括同步发电机、同步调相机、输电线路的充电功率、静止补偿器和并联电容器等。并联电容器主要用途是补偿电力网中感性负载需要的无功, 对电源而言它是一个容性负载, 对用电设备而言它是一个无功补偿电源。并联电容器由于具有设备简单、单位容量费用低、安装和维护方便、本身损耗低、节电效果显著等优点, 在配电网中得到广泛的应用[3]。
2 无功补偿与电压损失和功率损失的关系。
2.1 无功补偿对电压损失的影响[4]
补偿后电压损失减少值为
从式中可见电容补偿后线路电压损失减少值与补偿的容量成正比, 所以说无功补偿可以改善电压质量, 在某种程度上起到了调压的作用。
2.2 无功补偿对功率损失的影响[5]
补偿后功率损失减少值为
以功率因数表示功率损失为
补偿后功率损失下降率为
3 窟窿台变电所范家线10k V线路补偿前后分析
3.1 范家线10k V配电线路潮流分布简化图
窟窿台变电所范家线10k V配电线路基本参数情况及补偿前运行参数情况如表1所示。
配电网络简化方法如下:
1) 确定需要计算分析的干线。
2) 以干线为主线, 确定分支线路的有功、无功潮流分布。以范家线补偿前后的数据为例。
3) 主干线66号分支点的有功、无功潮流见图1:
4) 依此类推, 计算出每个之路的有功、无功, 如图2所示。
3.2 补偿前后功率损耗及电压损耗的分析
1) 补偿前有功损耗和电压降计算
依此类推
依此类推
2) 补偿后有功损耗和电压降计算 (将最佳补偿容量549kvar分成三组;第一组在66号杆, 容量为219kvar;第二组在57号杆, 容量为219kvar;第三组在16号杆, 容量为111kvar。)
同理可得计算结果如下:
3) 补偿前后有功损失和电压降分析
补偿后比补偿前功率损耗下降率为:
补偿后比补偿前电压损失率减少值为:
通过窟窿台变电所范家线补偿前、后分析可知:由计算得补偿前系统输送至线路的有功, 无功;补偿后有功, 无功, 补偿前后有功基本相同, 而补偿后系统向线路输送的无功大大减少, 因此使得功率损失下降达66.3%, 电压损失率下降值为49.7%, 可见无功补偿具有明显的节能效果和改善电压的作用。
4 无功补偿点对功率损耗及电压降分布的影响
网络图如图3所示。为了分析问题的方便忽略变压器绕组的电压降和功率损耗。补偿前线路电压降和功率损耗分别表示为
4.1 补偿点设在线路首端的情况
通过分析可知:无功补偿点设在10k V线路首端时, 10k V线路的电压损耗和功率损耗并没有改变, 而只是变电所10k V母线以上的变压器和66k V线路上的电压损耗和功率损耗得到了改善[6]。如图4a所示。
4.2 补偿点设在10k V线路末端的情况
分析可知, 无功补偿点设在10k V线路末端, 不仅变压器、66k V线路电压损耗及功率损耗得到了改善, 更重要的10k V整个线路损耗也都发生了变化, 特别是10k V线路末端电压有显著的提高。
4.3 补偿点不同电压损耗曲线的比较 (见图4)
5 农村电网无功电源布点的实用方法【10】
1) 随电机布点 (随机补偿) ;
2) 随变压器同台布点 (随器补偿) ;
3) 沿线路分散布点;
4) 变电所集中补偿。
6 结束语
农村电网降损节能措施有许多种方式, 通过网改设备更新以后, 从技术角度使网络降损节能经济运行, 首要的措施就是无功补偿, 特别是针对农村电网电压质量低、负荷分散、负载率低、空载损耗大, 自然功率因数低的现状, 实施无功补偿是最实效的办法。因为无功补偿技术比较成熟、施工简便、投资少、效益快, 具有良好的社会和企业内部的双层效益。
参考文献
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配电系统优化 篇7
近年来,随着配电网规模的逐渐扩大,电缆线路在供电网中的使用量越来越大,很多配电系统都选择消弧线圈并/串联电阻的派生接地形式运行[1⁃2]。在配电网发生故障的情况下,必须及时定位故障位置,并做出对应的措施[3]。因此,设计一种配电网接地故障定位系统具有重要意义,已经成为相关学者研究的重点课题,受到越来越广泛的关注[4⁃5]。
目前研究配电网接地故障定位的方法有很多,但均存在一定的弊端。其中,文献[6]设计了一种基于行波法的配电网接地故障定位系统,利用行波传输特性对配电网故障位置进行定位,但该系统存在易受过渡电阻与分支数量干扰的弊端。文献[7]设计了一种基于直流法的配电网接地故障定位系统,但该系统需登杆检测,检测过程较麻烦;文献[8]设计了一种基于故障指示器法的配电网接地故障定位系统,该系统对配电网短路故障的定位效果较好,但对小电流接地系统故障定位则容易出现误差;文献[9]设计了一种基于信号注入法的配电网接地故障定位系统,该系统需安装信号注入设备,成本相对较大,对瞬时故障的定位效果不佳;文献[10]提出一种基于零序电流比幅法的配电网接地故障定位系统,该系统受系统运行方式、过渡电阻等因素的影响,可能会造成定位精度低下。
为了解决上述问题,本文设计了一种配电网接地故障定位系统。分析了所设计配电网接地故障定位系统的运行原理;通过Visual C++中API(Application Pro⁃gramming Interface,应用程序编程接口)函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层;给出后台软件控制流程,设计了配电网接地故障定位系统软件;给出配电网接地故障定位系统中的部分C语言代码。实验结果表明,所设计配电网接地故障定位系统具有很强的实用性和可靠性。
1 配电网接地故障定位系统设计原理
配电网接地故障定位系统结构如图1 所示,其工作的基本思想如下:通过测量电磁场的传感器得到配电网故障电压和电流信息,经信号调理电路后,传入A/D转换器,将经模数转换后的信号传输给处理单元,处理单元将经处理后的信息和该节点的地址信息利用无线GPRS通信模块传输至故障自动定位系统主站,从而实现配电网接地故障的准确定位。分析图1 可知,本文设计的配电网接地故障定位系统主要由处理模块、无线收发模块、海量存储模块、GPRS模块等构成。
新一代配电网接地故障定位系统,将MSP430 系列单片机作为处理模块的核心,MSP430 系列单片机为16 位单片机,具有强大的处理能力。依据本文系统的设计要求,并且考虑到RAM空间要求、A/D精度要求等,本文选择MSP430F1610 型单片机,完成对信号的处理后,将结果利用DMA保存至单片机的RAM中。海量存储模块主要负责保存故障后的数据,对配电网故障进行判断后,如果确定是故障,则将数据存储至海量存储器中,本文系统将FM25L256 作为存储器扩展,FM25L256 是RAMTRON公司生产的,其采用SPI总线控制,不仅操作简单,而且占用硬件资源少,适用于高可靠场合信息存储。无线收发模块主要负责小区域内系统模块间的通信,将数据处理结果传输给中心故障指示器,从而实现模糊运算。当发生故障时,无线模块被激活;当正常运行时,无线模块处于休眠状态;依据上述分析本文选择n RF905 无线收发芯片。GPRS模块主要负责将故障信息传输给监控中心,在配电网出现故障时,单片机控制GPRS模块传输故障信息到监控中心,指出故障所处区段和故障类型,以便于维修人员及时做出相应的处理。
2配电网接地故障定位过程的设计与实现
2.1 零序有功电流判据
配电网发生接地故障时各保护装置测得的零序基波电流的相量如图2 所示。
图2 中:0为零序基波电压;0L,NF用于描述非故障路线路的零序电,相位超前090°;0L,F为故障路径线路区段的零序电流,因为有功分量的影响,其相位超前0超过90°。通过式(1)可获取不同段线路测得的零序电流中的有功分量:
其中:I0用于描述0L,NF或0L,F的幅;θ 用于描述0L,NF或0L,F与0的相位差。故障路径中零序电流的有功分量方向和规定的正方向相反,因此,式(1)的值为负值,引入一个合理的阈值I0_set,AC,从而判断配电网某线路是否为故障路径的线路。
2.2 配电网接地故障区段定位判据
假设变压器到负载的方向是正方向,将保护装置作为配电网的节点,对配电网的n条线路和首端保护装置进行编号。通过通信功能将零序电流信息依据式(2)描述的规则构建电网结构信息矩阵:
式中:i用于描述节点的编号;j用于描述线路编号;i,j ∈{1,2,⋯,n} ,建立故障特征行向量:
式中:
再计算式(5):
获取行向量:
获取F1j= 1 ,则j就是故障所处线路的编号。
3 配电网接地故障定位系统软件设计
3.1 软件开发系统模型
本文依据Visual C++中API函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层:综合应用层、数据管理层及数据采集层,详细结构如图3 所示,后台软件控制流程图如图4 所示。
数据采集层以GSM通信形式接入现场终端,其主要包括通信接入设备与通信协议解析软件等,主要负责对数据进行初步处理以及监测通信质量等。数据管理层主要包括数据库服务器、数据存储器以及数据库管理软件等,用于对数据的进一步存储和处理,构建配电网故障定位系统数据平台,在综合应用层开发了多个功能模块,以达到配电网故障定位系统的应用需求,使故障监控更加简洁。
3.2 代码设计
本文设计的配电网接地故障定位系统可在Matlab环境下进行仿真,部分C语言代码如下:
4 仿真实验分析
为了验证本文设计的配电网接地故障定位系统的有效性,需要进行相关的实验分析。本文将A相故障作为研究对象,在短路条件不同的情况下,将基于行波法的配电网接地故障定位系统作为对比,对两种系统的测距结果进行了分析,详细结果如表1 所示。
从表1 可以看出,在电阻和故障初相角相同的情况下,随着故障距离的增加,两种系统的测距结果与实际测距结果的差距均越来越大,但与基于行波法的配电网接地故障系统相比,本文系统的误差增加幅度明显较低,而且一直低于基于行波法的配电网接地故障系统,说明本文系统具有很高的定位精度。
为了进一步验证本文系统的实用性,分别采用本文系统和基于行波法的配电网接地故障系统进行7 次实验,对两种系统所需时间进行对比,得到的结果如图5所示。
从图5 可以看出,上述进行的7 次实验中,采用本文系统所需的时间明显低于基于行波法的配电网接地故障系统;而且本文系统的时间曲线相对平稳,说明本文系统具有很高的稳定性,验证了本文系统的性能。
5 结语
本文设计并实现了一种高精度配电网接地故障定位系统,该系统主要由处理模块、无线收发模块、海量存储模块、GPRS模块等构成,分析了所设计配电网接地故障定位系统的运行原理,通过Visual C++中API函数与数据库开发了配电网故障定位系统的三个功能层,给出后台软件控制流程,设计了配电网接地故障定位系统软件,给出配电网接地故障定位系统中的部分C语言代码。实验结果表明,所设计配电网接地故障定位系统具有很强的实用性和可靠性。
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配电系统优化 篇8
分布式电源 (distributed generator, DG) 尤其是可再生能源 (renewable energy source, RES) 以其安装方便、绿色环保、控制灵活等特征[1]在世界范围内得到越来越广泛的关注和应用。与此同时, 主动配电网 (active distribution network, ADN) 技术的发展及实施[2,3,4]给分布式能源的高渗透并网创造了条件, 是智能配电网未来发展的趋势所在, 用以解决当前日益严重的能源短缺和环境污染等问题[5]。储能系统 (energy storage system, ESS) 凭借其快速功率调节以及兼具供蓄能力的特征, 在平滑间歇式能源功率波动、削峰填谷、改善电压质量[6]以及提供备用电源方面都发挥出了巨大的作用[7,8], 是主动配电网实现对广泛接入的分布式能源灵活调节以及网络优化运行的关键所在, 其配置将直接影响到主动配电网对于分布式能源主动管理的能力以及网络运行的经济性。
基于上述背景, 本文将重点研究主动配电网中储能系统的优化配置问题, 以发挥储能系统对于主动配电网的最大支撑作用。目前, 分布式电源在配电网的选址定容已经成为业界的一个研究热点[9,10,11,12], 很多学者对于分布式电源在配电网的优化配置进行了深入研究并取得了大量的技术成果[13,14,15,16], 但很少专门涉及针对储能系统的选址定容研究, 尤其是在主动配电网背景下的优化配置。例如文献[13]应用遗传算法优化分布式电源的位置和容量, 综合考虑了分布式电源对配电网潮流和线路负载能力的影响。文献[14]采用机会约束方法来解决分布式电源的选址和定容中出现的不确定性因素所引起的风险。文献[15]在分布式电源单个容量、个数和位置不确定的情况下, 建立了多目标优化模型, 并将多目标函数归一化, 采用改进自适应遗传算法优化分布式电源的位置和容量, 得到分布式电源接入后的最优规划方案。文献[16]在不考虑负荷新增节点的情况下, 采用自适应变异的粒子群算法对配电网中的分布式电源选址和定容进行了优化。但是上述研究都未对储能系统作特殊化分析, 也仅仅是在目前被动式配电网结构上进行分布式电源的优化配置。
本文在前人研究的基础上, 具体分析储能系统的供蓄特性对于主动配电网的支撑作用, 并提出主动配电网储能系统的多目标优化配置模型及其求解方法, 以实现储能系统对于主动配电网支撑作用的综合最优。
1 储能系统对于主动配电网的支撑作用分析
大量分布式能源的接入给主动配电网的协调优化运行带来了极大挑战, 尤其是间歇性可再生能源输出功率的波动性和随机性, 更加大了主动配电网运行人员的工作难度。除了传统的运行方式即联络开关的调整之外, 主动配电网运行人员更应该借助于储能系统的功率灵活可调, 实现与分布式能源的功率输出相协调, 优化网络运行状况并改善电能质量等。
总体而言, 储能系统对于主动配电网的支撑作用可以从以下3个方面来描述。
1) 削峰填谷, 改善负荷特性
储能系统通过在负荷低谷时充电, 负荷高峰时放电达到降低峰谷差, 改善馈线总体负荷特性的目的。若以Pavg表示馈线全天的平均负荷, Pgap表示馈线全天负荷的峰谷差, Pc表示负荷低谷时刻 (负荷值小于平均值) 储能系统的充电功率, Pd表示负荷高峰时刻 (负荷值大于平均值) 储能系统的放电功率, 则在规划态下, 储能系统接入馈线后的峰谷差Pgap′可以由相似形方法来确定。
所谓相似形方法就是假设储能系统的充放电功率由负荷与平均负荷的偏差曲线以及储能系统的总容量来确定, 以确保储能作用后馈线的负荷特性与原有的负荷特性曲线相似。
假设理想削峰能量, 其中j∈{t|Pt≥Pavg}, ΔT表示负荷曲线的时间间隔, 则对于任一时刻t, 储能系统总的功率输出可以确定如下。
若t时刻馈线负荷大于其平均负荷, 则该时刻储能系统放电, 放电功率如下:
式中:E为储能系统的总能量。
若t时刻馈线负荷小于其平均负荷, 则该时刻储能系统充电, 充电功率如下:
综合式 (1) 和式 (2) , 储能系统接入后馈线的峰谷差Pgap′的值可以计算如下:
储能系统接入后馈线负荷峰谷差的改善程度可以表示如下:
由式 (4) 可知, 储能系统接入的总能量越大, 其削峰填谷的作用越明显, 馈线的峰谷差改善程度也越大, 当储能系统接入的总能量超过馈线的理想削峰能量时, 可以使得馈线峰谷差为零。
2) 提高电压质量
储能系统的引入可以有效抑制分布式能源的功率波动和不规则启停对于配电网供电电压质量的影响, 提升网络的电压水平。
为了定量反映储能系统对于网络电压水平的提升作用, 提出了能反映节点电压质量的节点电压指标Ivp-i以及能反映馈线综合电压水平的馈线电压指标Ivf, 分别如式 (5) 和式 (6) 所示。
式中:Vi为第i个节点的电压幅值;Vn为节点电压额定值;Vmax和Vmin分别为节点电压上下限值;Pi为第i个节点的注入功率;M为馈线的节点数。
由式 (5) 分析可得, Ivp-i作为第i个节点的电压指标, 不仅能反映其偏离额定电压的程度, 还能表征该节点对于整个馈线电压水平的影响程度。节点电压指标Ivp-i的值越小, 则说明该节点偏离额定电压的程度越大, 该节点对于整个馈线电压水平的影响越小;若Ivp-i为负值, 则说明该节点电压越限;由式 (6) 可知, Ivf值反映的是整体馈线的综合电压水平, Ivf值越大, 表明馈线的整体电压水平越好, Ivf的最大值为1, 此时, 馈线所有节点的电压都等于其额定电压值。
当储能系统引入馈线时, 可以在电压越下限值时, 发出功率, 提升每个节点的电压幅值, 使其更加接近Vn, 从而提高Ivf值;同理, 当电压越上限值时, 可以吸收功率, 降低越限点的电压, 同样可以提高Ivf值。
3) 提供功率主动调节能力
储能系统兼具充电和放电能力, 并且包含一定的存储能量, 其旋转备用的范围很广, 包括正的发电调节能力和负的充电调节能力, 因而可以赋予主动配电网灵活的功率主动调节能力, 是系统运行主动性的体现。但储能系统赋予主动配电网的这种功率主动调节能力一方面受到储能系统自身的能量限制, 另一方面也受网络潮流 (包括节点电压和支路电流) 的约束, 因而与储能系统的接入位置息息相关。
储能系统给主动配电网提供的功率主动调节能力需要从放电和充电两个方面进行描述, 即储能系统的最大供电能力和最大蓄电能力。储能系统能够提供给主动配电网的最大供电能力是指在满足网络潮流约束和自身容量约束条件下, 所能够发出的最大功率, 从含义上可以认为是主动配电网的最大正调节能力P+。同理, 储能系统所能提供的最大蓄电能力是指在满足网络潮流约束和自身容量约束条件下, 所能够吸收的最大功率, 从含义上可认为是主动配电网的最大负调节能力P-。
主动配电网的最大正调节能力P+可以表示如下:
式中:Pi+为第i个储能系统的放电功率;Pdmax为储能系统放电功率的上限值, 当储能系统荷电状态 (state of charge, SOC) 值达到其下限值的时候, Pdmax=0, 其他时候Pdmax的值为储能逆变器的容量限制值;g (Pi+) ≤0为要确保储能系统在放电的过程中, 满足网络的不等式约束, 包括支路潮流不等式约束和节点电压不等式约束, 这里主要是考虑节点电压越上限的因素。
主动配电网的最大负调节能力P-可以表示如下:
式中:Pi-为第i个储能系统的充电功率;Pcmax为储能系统充电功率的上限值, 当储能系统SOC值达到其上限值的时候, Pcmax=0, 其他时候Pcmax的值就是储能逆变器的容量限制值;g (Pi-) ≤0为要确保储能系统在充电的过程中, 满足网络的不等式约束, 包括支路潮流不等式约束和节点电压不等式约束, 这里主要是考虑节点电压越下限的因素。
2 主动配电网储能系统多目标优化配置模型
主动配电网的储能系统优化配置既要考虑削峰填谷的效益, 也要计及电压综合质量和功率主动调节能力, 根据第1节内容的分析, 主动配电网的储能系统优化配置可以归纳为一个多目标优化模型, 如式 (9) 所示。
式 (9) 中f1是用于表征储能系统带来的削峰填谷效益的目标值, 根据式 (4) , 可令f1=ΔPgap。f2是用于表征储能系统提高电压质量的目标值, 可以用馈线综合电压指标Ivf表示, 即令f2=Ivf。当用于研究储能优化配置时, f2的计算应选择最大运行方式作为计算场景。f3是用于表征储能系统提供的主动配电网正调节能力的目标值, 可以用主动配电网的最大正调节能力P+表示, 即令f3=P+。f4是用于表征储能系统提供的主动配电网负调节能力的目标值, 可以用主动配电网的最大负调节能力P-表示, 即令f4=P-。当用于研究储能优化配置时, f3和f4的计算应选择分布式能源出力最大时刻作为计算场景。
主动配电网中储能系统的优化配置在求解计算过程中除了要满足功率平衡以及地理位置等限制之外, 还存在如下几个特殊的约束条件。
1) 目前的储能系统生产厂家, 特别是电池储能系统一般都是采用模块化的设计和封装, 因此每个储能单元的容量值必须是离散的。
2) 为了保证主动配电网对于间歇性能源的完整消纳, 储能系统的总容量值应该不小于间歇性能源的容量之和减去馈线的最小负荷值。
3) 为了不对主动配电网的运行带来很大影响, 每个节点配置的储能单元容量值不应超过其允许值。
4) 为了不对上级电网造成大的冲击以及考虑到储能系统的建设及安装成本, 储能系统的总容量值应该不大于上级变压器容量的25%。
由式 (4) 分析可知, 储能系统的总容量值越大, 则其降低峰谷差的效益越明显, 一般来说储能系统允许接入的总容量值小于理想削峰能量值S, 所以可以将目标f1转换为约束条件, 以确保储能系统的削峰填谷效益最大化。转换后的主动配电网储能系统多目标优化配置模型如式 (10) 所示。
式中:xi为第i个安装节点配置的储能单元容量值;k取整数;E0为储能单体模块的容量;Pi-max为第i个安装节点允许配置的最大容量;PItr-DGs为间歇性可再生能源的总容量;Pl-min为馈线的最小负荷;Pmax为储能系统允许接入的最大总容量值;g (xi) =0表示的是功率平衡的等式约束。
3 求解策略
由于粒子群优化 (PSO) 算法[17]具有全局搜索能力强、计算速度快等优点, 针对上述多目标优化问题, 本文采用基于PSO算法的带权极小模理想点法[18]进行求解, 该方法一方面可以避免求解多目标规划问题复杂的Pareto前端曲面, 简化了问题求解的复杂度, 另一方面, 权重的不同设置可以为不同需求的规划者提供灵活的方案。其求解流程如图1所示, Gen为迭代次数。
本文采用带权极小模理想点法来进行多个子目标的组合, 其组合后的单目标函数如下:
式中:“*”表示理想点;λ2, λ3, λ4分别表示目标f2, f3, f4的权重值。
此外, 各个子目标的权重必须满足关系:λ2+λ3+λ4=1。
通过式 (11) 带权极小模理想点构造的单目标一方面可以表达出解的各个目标值距离理想点目标值 (f2*, f3*, f4*) 的偏差, 反映出解的质量, 另一方面灵活的权重系数调节可以得到符合不同决策偏好的最优解。此外, 式 (11) 表示的多个子目标组合函数还能够很好地解决各个子目标量纲不一致, 难以统一的问题。由于储能系统的优化配置问题本质上是一个整数规划问题, 因此要对PSO算法的位置更新
公式改进如下:
式中:xik和xik+1分别为第i个位置分量的第k次和第k+1次的值;vik为第i个速度分量的第k次的值;floor (·) 为向下取整函数。
此外, 为了在优化计算过程中, 保证粒子群的运动轨迹不受容量越限粒子的影响, 容量越限的粒子将不参与历史最优个体和全局最优个体的计算。
4 算例分析
由于目前还没有标准的主动配电网规划算例, 本文选用了文献[19]算例中的一条馈线作为主动配电网储能系统优化配置的研究对象, 并以其说明所研究模型和方法的有效性, 算例系统如图2所示。
如图2所示, 本文用于主动配电网储能系统优化配置的算例是一条含3个可再生发电单元的21节点馈线, 其中3个可再生发电单元的参数配置如表1所示, 馈线的线路阻抗参数如表2所示。
馈线的负荷最大运行方式发生在20:00, 此时光伏发电出力为0, 风力发电出力为135kW;馈线的可再生能源最大出力运行方式发生在14:00, 此时光伏发电出力为500 kW, 风力发电出力为210kW。
根据前文所述的约束条件, 储能系统的总容量限制不得低于1.5 MW·h, 也不高于2.5 MW·h, 以100kW·h作为单体模块, 单个接入点的总容量不超过500kW·h。
PSO算法的参数如下:群体大小N=30, 学习因子c1=c2=2;最大速度Vmax=6;惯性权重系数ω=ωmax-gωmax/Iter, 其中最大惯性系数ωmax=1, g为迭代的当前代数, Iter为最大迭代次数, 这样可以使得开始优化时加大全局搜索范围, 而在后期以更加精细的搜索加快收敛速度。根据前文的内容, 在保证储能系统接入的总容量为2.5 MW·h的前提下, 其馈线峰谷差由原来的1.779 MW降低为0.842 MW, 馈线的峰谷差可以得到较大的缓解。此外, 为了说明本文所提的基于极小模理想点构造组合目标, 求解多目标优化问题策略的灵活性及有效性, 针对不同的权重组合分别进行了优化计算, 计算结果见表3, 其中N/A表示没有权重系数配置。
表3中最优配置方案括号中第1个数值表示的是安装的节点位置, 第2个数值表示的是储能容量与单体容量的倍数, 例如 (A14, 5) 表示的是在A14节点安装500kW·h容量的储能系统。由表3的数据可以看出, 接入储能系统后网络的电压质量以及功率调节能力都有了很大的提升和改善, 但各个目标的影响程度不同, 在保证储能系统接入的总容量为2.5 MW·h的前提下, 负调节能力受储能配置的影响最大, 馈线电压质量次之, 正调节能力最小, 这是由馈线负荷的总体分布特性以及分布式能源的接入规模决定的。当馈线总体接入的分布式能源容量较小时, 其总体电压水平偏低, 储能系统基本都能以最大功率输出, 从而使馈线获取较大的功率正调节能力, 但当储能系统充电时由于受到电压的约束限制, 因此不同的储能系统接入方案获取的功率负调节能力出入较大。从表3的数据还可以分析得出, 若要最大化提升网络的电压质量, 则储能系统的最佳位置应该在电压薄弱点, 如表3中第2行数据所示的节点A8, A14, A16, A18, A21。若要获取最大的功率正调节能力, 则储能系统应该安置在负荷最大点最佳, 如表3中第3行数据所示的节点A4, A10, A12, A18, A19。若要获取最大的功率负调节能力, 则储能系统的最佳安置点应该选择在母线电源或者分布式能源的就近节点, 如表3中第4行数据所示的节点A1, A2, A6, A16, A21。此外, 表3中的第5行至7行数据显示, 所提的基于带权极小模理想点构造函数的求解策略可以在不需要求解Pareto前端曲面的情况下, 灵活地解决多目标优化中各个子目标难以妥协的问题, 通过配置不同的权重方案, 可以获得不同偏好的满意解。例如, 以方案6和方案7为例, 若要想获取更优的馈线电压质量, 则可以将该目标的权重值λ2设置得较大些 (0.6) , 此时馈线电压指标高达0.945, 但功率负调节能力只有1.140 MW;而方案7更偏好获取较大的功率负调节能力, 则可以将权重值λ4设置较大些 (0.6) 。通过这种方式可以赋予主动配电网的储能优化配置以极大的灵活性。
5 结语
主动配电网对于可再生能源的宽泛接入及高度渗透在很大程度上依赖于储能系统的合理分布以及灵活控制。本文着重研究了主动配电网背景下的储能系统优化配置, 以提高削峰填谷能力、改善电压质量以及提供馈线功率主动调节能力作为其优化目标, 建立了相应的多目标优化配置模型, 并对每个优化目标在储能规划态下的量化计算进行了阐述说明。针对所研究的主动配电网储能系统多目标优化模型, 提出了基于改进PSO算法的极小模理想点求解方法, 通过算例的分析验证了所提模型及求解方法的有效性及灵活性。但是, 本文所研究的储能系统优化配置一方面只是从对于配电网的支撑作用进行优化, 没有考虑到其建设和运行成本, 另一方面是对于网架以及其他分布式能源配置已经确定情况下的扩展规划, 后续还要对储能系统和其他分布式能源的协调规划作进一步的研究。
摘要：储能系统在平滑间歇式能源功率波动、削峰填谷、改善电压质量以及提供灵活的功率调节等方面都发挥了巨大的作用。主动配电网能否实现对间歇性可再生能源进行完整消纳以及网络优化运行, 在很大程度上依赖于主动配电网的储能系统配置是否合理。文中从削峰填谷能力、电压质量以及功率主动调节能力3个方面建立主动配电网储能系统的多目标优化配置模型, 并使用带权极小模理想点法求解该多目标优化问题, 避免求解多目标规划问题复杂的Pareto前端曲面, 简化了问题求解的复杂度。最后, 通过算例验证了所提模型及其求解方法的有效性。
配电网无功补偿优化规划 篇9
关键词：遗传算法；无功规划优化；配电网
并联电容器组是主要的配电网无功补偿设备，将电容器组的安装容量安装位置以及补偿点的个数科学合理地确定下来，可以确保实现提升电压质量和降低网损的目的。配电系统具有较大的负荷分散性，再加上具有较多的带补偿点和较长的供电半径，因此在无功配置方面具有较为独特的地方。为此，本文分析并介绍了基于遗传算法的配电网无功补偿优化规划。
1 配电网无功补偿优化方法概述
配电网无功补偿的灵敏度分析法可以将几个具有较高灵敏度的节点选择出来作为待补偿点，从而使解空间得以减小，然而该方法在实际上往往是同1条支路相邻的几个节点具有较高的灵敏度，而且一般只有一个节点在这几个节点中属于真正的高灵敏度的节点，该节点也会影响到其他节点的灵敏度。与此同时，灵敏度分析法又很难将补偿点的个数确定下来。如果以节点无功裕度值大小为根据将补偿点确定下来，这种方法也存在着很难将补偿点个数确定下来的问题。也有采用N点分散补偿的方法，这种方法利用等面积判据以及等长度判据为根据将补偿点的容量和个数等确定下来，然而这种方法需要保证负荷数据的精确性，从而对各负荷点峰值无功电流进行计算，但是配电网一般都具有实时数据不足的问题，因此在具体实施的时候这种方法存在着较大的困难。为此，在本次研究中将无功电流损耗最小的算法提了出来，这种方法可以将补偿点补偿容量、补偿点的个数和位置等确定下来，这样就能够使解空间的维数得以有效减少，随后再通过对改进的遗传算法的利用就能够将无功规划优化的解得出[1]。
2 无功规划优化的数学模型分析
2.1 无功规划优化的目标函数分析 以配电网的实际情况为根据采用罚函数的方式处理状态变量的约束条件，从而将与遗传算法相适合的无功优化目标函数构造出来，其中主要包括无功补偿装置设备年等值费用、系统有功网损年等值费用以及节点电压越限罚函数。
Fmin=KcQci+Ckf+Nc+CeTlPLass+KVΔV
在该公式中，投资单位容量电容器的费用用Kc来表示，节点i无功补偿容量用元/kvar，Qci来表示，电容器无功补偿点集合用 kvar，NQ来表示，电容器在每个节点的固定安装费用用Ckf来表示；无功补偿点的个数用Nc来表示，电能单价用Ce来表示，年最大负荷损耗时间用Tl来表示，最大负荷方式下的有功网损用ΔP来表示，节点电压越限罚因子用KV来表示。
2.2 无功规划优化的数学模型求解 以配电网无功规划优化的特点为根据，本文选择了遗传算法。在进行配电网无功优化的时候遗传算法可以这样描述：利用目标函数在电力系统环境下评价各种条件约束的初始潮流，淘汰掉其中具有较低评价值的，只有具有较高评价值的才可以向下一代遗传自己的特征，这样就能够不断的趋向于优化。所以如何能够以配电网无功优化的问题为根据编码变量，并且将终止判据确定下来、对适应度函数进行设计以及开展遗传操作，这是解决配电网无功规划优化的非常重要的问题[2]。
2.2.1 编码方式。按组对无功补偿进行投切，为了使控制变量的个数和染色体的长度相等，可以使用十进制编码的方式。假设一个电容器节点有6组可投切，那么要对投切的电容器组数进行表示，就可以选择0至6中的任何一个整数。该节点不投切电容器则可以用数字0来表示。
2.2.2 设计适应度函数。可以使用目标函数还表示配电网的无功规划优化。在对配电网的无功优化进行计算时可以使用遗传算法。对目标函数进行转化可以得到适应度函数。最小化问题可以通过目标函数进行求解，因此需要转换目标函数。
2.2.3 遗传算法的选择。在遗传操作中，对遗传算法进行选择是非常重要的。如果没有选择合适的算子，就会使子代和父代具有接近的相似度，从而对种群的多样性造成破坏。这样的后果就是进化停滞，从而出现早熟的现象，对算法的全局寻优能力造成了严重的影响。因此要对各种选择方法进行深入的研究。本文选择的是基于轮盘赌的非线性排序法作为配电网无功运行优化的选择方法。使用基于轮盘赌的非线性排序法，先要对每个个体的适应度函数值进行计算，再从大到小的排列各个个体的适应度值，从而以排列的顺序为依据来对个体进行选择。
2.2.4 变异和交叉算子。使用固定的变异率和交叉率来进行简单的遗传算法是不符合适应性搜索过程和遗传算法动态的。这就需要在简单遗传算法中选择自适应的变异率和交叉率。在保障自适应遗传算法的群多样性的前提下，还要对遗传算法的收敛能力进行保障，从而使遗传算法的优化能力得到提高[3]。
2.2.5 终止判据。在不改变最优个体的适应度以及使用最大进化代数maxgen的基础上，结合最小保留代数来作为终止判据。如果在连续代内，最优值没有找到其他的解法来代替，那么就将其作为求解问题的最优解来结束计算。假设以一定的遗传代数限定为范围，没有解能够满足最优个体的最小保留代数，那么就将次优解输出，结束计算。这是为了尽量控制因素控制准则中存在的缺陷，使进化收敛的速度得到提高。
3 结语
目标函数中以经济技术的综合效益为最大，包括节点电压质量、无功补偿设备投资和配电网电能损耗等等。针对配电网的无功规划优化进行建模。该方法还要对补偿点的位置和个数进行确定，并与改进的遗传算法相结合，来对电容器的容量进行优化。总体而言，该算法具有较高的实用性和有效性，能够使初始种群的无效解减少，并有效地解决了遗传算法中存在的欺骗和早熟等问题。这样一来，配电网的无功规划优化的效率和精度也能够得到进一步的提高，从而有效地对配电网的无功规划进行优化。
参考文献：
[1]李峰，张勇军，张豪，杨银国，管霖，许亮.无功电压调控失配风险评估及其系统开发[J].华南理工大学学报（自然科学版），2013（05）.
[2]李世伟，葛珉昊，金育斌.小水电集中上网对电网的影响分析[J].中国农村水利水电，2012（08）.
配电系统优化 篇10
1 电力系统建设现状
海拉尔油田已基本建成完善的供配电系统, 目前已建成燃气发电站2座, 总容量5800k W, 110k V变电所3座, 由双回线路供电, 110k V线路2回, 总长度289km, 35k V变电所4座, 35k V线路6回, 总长度127k m, 10k V配电线路26回, 总长度569.1k m。目前各变电所均处于中、低负荷状态, 可满足未来几年油田开发用电需求。
2 10k V配电系统存在问题及原因分析
2.1 线路冗余
海拉尔油田电力系统随着油田开发不断深入而建设, 由于油田开发形势的发展, 油藏复杂、注水效果差等原因导致采油井关、停、转注、转提捞井增多, 导致原本合理的线路出现冗余。海拉尔油田目前有15km线路处于空置状态, 这些变压器及线路的空置不仅造成资产的闲置更造成电力系统能源的损耗。
2.2 线路负荷不平衡
由于不断建设, 部分线路分支逐渐变多, 所带油井、集油阀组、注水阀组等不断增加, 负荷不断增加。同时有些线路随着油井关停等逐渐增多, 负荷越来越轻。
2.3 部分线路故障率偏高、供电可靠性差
海拉尔油田各变电所配电系统以干线式供电方式为主, 加之海拉尔油田恶劣的自然气候条件, 导致供电可靠性较差, 故障停电时间长, 停电影响范围大。配电线路故障集中表现为:
(1) 避雷器故障8次, 占故障总数的20.5%;
(2) 过渡线夹故障13次, 占故障总数的33.3%;
(3) 绝缘子故障8次, 占故障总数的20.5%。
2.4 部分线路功率因数低
目前海拉尔油田26条10k V线路中, 有4条线路为功率因数在0.9以上, 9条线路功率因数在0.7-0.9之间, 13条线路功率因数小于0.7。
3 实施的对策
3.1 线路冗余对策
将目前存在的无负荷线路以及关停不生产井变压器及线路拆除, 拆除以后的线路可以用在配电线路环网建设等降低其它投资, 以贝中变电所站外1#5912线7#分支带为例, 该分支由于与贝中变电所站外4#5922线并行, 存在冗余, 可以将7#分支优化, 将水源井负荷转接至站外4#线。改造后可以降低1#线负荷。
3.2 负荷不平衡
综合考虑各配电线路走向、各线路负荷、线路故障及所带油井生产情况, 初步打算在贝中变3#5913线与贝中变5#5923线进行线路负荷平衡改造。贝中变站外3#线分支多、带油井多且带油井区块为贝中作业区主力产油区块, 贝中变站外5#5923线分支少, 目前所带油井开井数较少, 且与站外3#线距离较近, 因此考虑将站外3#线部分线路转接到站外5#线, 以提高主力产油区快供电的可靠性, 及平衡线路负荷。
3.3 线路故障
针对故障中集中暴露的问题, 采取专门的对策, 减少故障的发生, 采取的主要措施如下:
(1) 更换避雷器, 将避雷器由原先的YH5WST-17/50型更换为HY5WST-17/50TL型。带脱离器的避雷器能很好的解决电流热积累导致避雷器故障的问题, 可防止爆炸, 避免带病运行扩大事故, 同时脱离器动作后可以形成明显可见的断点, 使得故障易于发现, 减少故障查找时间。
(2) 更换过渡线夹, 将现用过渡线夹更换为爆炸焊接型铜铝过渡线夹, 爆炸焊工艺是工件整个面经过爆炸焊接成形, 爆炸焊工艺大大地改善了用电设备的连接性能, 减少了停电事故, 大大提高了线路运行的可靠性。
(3) 针对绝缘子易损坏的情况, 将原线路使用的P-15T针式绝缘子更换为PSQ-15T柱式绝缘子。PSQ-15T式绝缘子的优点在于铁柄距瓶顶距离大, 即使有裂缝也不会发生击穿。
(4) 安装线路故障指示器, 当线路出现故障时指示器动作, 并可根据光线强弱自动转换显示方式, 白天翻牌显示, 晚上发光显示。巡线人员可以通过观察指示器的显示状态迅速确定故障位置, 节省巡线时间, 进而缩短停电时间, 提高油田生产时率。
3.4 线路功率因数低
针对目前功率因数仍然过低的线路, 可以采取线路集中补偿的办法。依据线路运行负荷, 在各采油线路上安装无功补偿装置, 可以先在功率因数小于0.8以下的线路上安装无功功率补偿装置, 预计安装容量4698kvar。
3.5 线路环网建设, 提高供电可靠性
根据现有条件, 在较少投资的情况下, 进行线路环网建设, 以提高供电可靠性。对目前各变电所所带各回配电出线走向及、负荷及故障情况进行综合分析, 在相对位置合适, 环路改造成本低的线路进行配电网环路改造, 以达到低成本提高供电可靠性的目的。
4 结论与建议
(1) 随着开发的深入, 海拉尔油田配电线路的适应性不断变化, 应该根据不同的开发形势及时调整以适应油田开发。
(2) 冗余线路的优化与配电网环路建设可以有机结合起来, 既可以达到线路优化降低电耗, 又可以建成配电环路以提高供电可靠性。
(3) 目前配电线路的故障原因主要由避雷器、绝缘子、过渡线夹等引起, 除了继续寻找适合海拉尔油田电力现状的设备以降低故障的发生外, 完备的故障监测系统、快速的故障处理及恢复也是保证油田生产时率的重要因素。
(4) 电力系统无功补偿是电力系统安全经济运行的重要部分, 通过无功补偿不仅能改善电网功率因数和电压质量, 而且可以使无功负荷就地平衡, 降低电费支出, 为油田带来良好的经济效益。
摘要：海拉尔油田由于油藏复杂、注水效果差, 关、停、转注及转提捞井不断增多, 已建配电线路出现冗余及负荷不平衡的矛盾。草原风沙大, 冬夏季温差大, 部分线路线杆、金具、绝缘子等损坏, 故障率偏高, 供电可靠性差。部分线路功率因数低, 谐波水平不达标。通过线路功率平衡改造, 电网环路建设, 配电线路线杆、金具、绝缘子改进, 故障监测系统建设等综合优化措施, 实现安全可靠供电。
关键词：配电系统,线路冗余,负荷不均,故障率
参考文献
[1]龙世清.氧化锌避雷器防爆探讨.建筑电气.2003.22:10-13