符 奥, 徐天赐, 王海江, 姜 南, 张鑫钰

(1.国网山东省电力公司日照供电公司, 山东 日照 276800;2.上海电力学院, 上海 200090)

居民小区配电变压器(以下简称“配变”)容量优化的研究是地区配电网改造和建设中的重要部分,直接关系到居民区的供电可靠性和变压器运行的经济效益问题。合理地配置配变容量,不仅可以降低用电部门投资,减少配变不合理配置而产生的多余费用,而且可以有效地保证配变的经济运行。配变容量选取时要考虑的两个关键问题,就是居民负荷预测和配变参数的确定。传统的居民负荷预测方法主要有需要系数法[1]、单位指标法[2]、综合用电水平法[3]等。随着用户规模的不断增加以及用电设备的不断增多,负荷密度法[4]在实际应用中成果显著,成为目前较为常用的负荷预测方法。配变参数的确定主要是指居民小区中配变的数量和容量的确定。文献[5]通过从配变负载数据中提取出平均负载率、波动负载率和趋势负载率3个判别配变经济运行的特征指标,采用改进K-medoids算法对其进行聚类分群处理,得出运行特征分析结果和运行方式优化建议。文献[6]基于农网负荷特性指标,分析了多种类型配变的全寿命周期成本,提出了配变容量的配置方法。

配变容量的优化既可以满足用户日益增长的用电需求,也能减少配变容量过大引起的轻载现象,减少国家的投资浪费,提高配变建设的经济效益。因此,配变运行时的经济性至关重要。文献[7]基于配变负荷数据采集的完善程度,提出了一种考虑数据采集差异化的配变优选方法;文献[8]对配变的经济运行问题进行了分析。

目前,针对居民小区配变容量优化的研究大多未考虑到不同类型居民小区的用电特性和作出针对性的优化。本文在上述研究的基础上,提出了一种考虑居民小区类型特性的配变容量优化方法。根据多种因素对居民小区进行分类,并针对小区的负荷特性采用不同的负荷预测方法,通过确定配变的经济运行上下限选择配变的负载率。最后,利用上述方法对某市的居民小区配变容量进行了优化,以验证该方法的有效性。

1 考虑用户行为特征的负荷预测

1.1 居民小区负荷特性分析

通常来说,居民用户的用电行为特征受到用电设备、居民收入、作息习惯等多种因素的影响[9],而且这些影响难以用准确的数学表达式来描述,只有通过对大量历史数据的观察和总结,才能找到它们之间存在的某些规律。本文通过对历史数据的统计分析和处理,找出负荷与影响因素之间的关系,确定各种因素对负荷的影响程度。

在负荷特性分析方面,文献[10]总结了实际应用中的负荷特性指标,将其分为描述类、比较类和曲线类3种。本文选取户均最大负荷、日平均负荷、日负荷率、日峰谷差、日最大负荷利用小时数等指标描述居民用户的用电行为特征。

1.2 居民小区分类

由于居民小区所处的地理位置、投资水平、目标人群等因素的影响,不同档次居民小区的配套设施具有很大的差异性,因此各类型小区的用电设备和用电需求的差异非常大。为了对各类型小区的负荷特性进行准确的分析,本文根据居民小区内公共服务设施的配套情况,将其分为4类:A类小区为高档住宅小区,配套设施能够满足居民的生活、娱乐、精神等多方面的需求;B类小区为中档住宅小区,配套设施能够基本满足居民用户的部分生活需求;C类小区为纯住宅区,只配建与基本居住有关的公用设施;D类小区为农村居民住宅区,公共服务设施一般较为缺乏。

1.3 居民小区负荷预测

目前,最常用的居民小区负荷预测方法主要有需要系数法、单位面积法、负荷密度法等。各类负荷预测方法都存在一定的局限性,只是对某一类型小区的负荷预测较为准确。对于具有差异性的居民小区进行负荷预测时,应选取不同的负荷预测方法。由于A～C类小区属于城市居民区,未来发展空间较小,负荷增长有限,而D类小区属于农村区域,未来发展空间较大。因此,本文对A～C类小区采用负荷密度法,对D类小区采用自然增长率法进行负荷预测。

2 配变经济运行区间

2.1 配变容量计算

根据居民小区的负荷预测结果,对配变容量进行选取,计算公式为

(1)

式中:ST——变压器的容量;

PL——居民区的负荷预测结果;

β——变压器的负载率;

cosφ——补偿后的平均功率因数。

由式(1)可知,配变容量的选择主要受到负荷预测结果和负载率两方面的影响。居民负荷的预测精度通过针对性地选取预测方法来保证,而变压器的负载率取决于用户的性质、供电需求以及变压器的经济运行等因素。

2.2 配变经济运行方式

配变的损耗包括空载损耗和负载损耗。空载损耗是指变压器在额定电压下,铁心内因励磁电流引起磁通周期性变化时产生的损耗,仅与变压器的自身特性和运行电压有关,不随负载发生变化[11]。负载损耗不仅与配变自身特性有关,而且随配变负载的增大而增大,因此变压器损耗主要由负荷变化下的铜耗决定。

同一型号不同容量的SCB10变压器配变负载损耗变化曲线如图1所示。

图1 同一型号不同容量的配变负载损耗变化曲线

由图1可以看出,同一型号不同容量的配变负载损耗率与负载率的变化趋势相同,均是先减小后增大,所以同一型号的配变经济运行区间也应该相同。

不同型号同一容量的配变负载损耗变化曲线如图2所示。

图2 不同型号同一容量的配变负载损耗变化曲线

由图2可以看出,负载率为40%～50%时,配变处于损耗最低、经济性最好的阶段;负载率为20%～40%和50%～100%时,配变处于损耗较低、经济性较好的阶段;负载率低于20%时,配变处于损耗较高、经济性较差的阶段。非晶合金的配变负载率在20%～25%或低于20%或高于25%运行时,负载损耗会逐步增加,并且相同容量的非晶合金变压器负载损耗率明显低于普通变压器。因此,在经济条件许可的地区可以推广非晶合金变压器。

配变运行区间划分形式如图3所示。

图3 配变运行区间划分

考虑变压器的实际负载情况,其效率公式为

(2)

(3)

式中:ΔP——综合损耗;

Poz——空载损耗;

Pkz——短路损耗;

Se——额定容量,kW;

η——变压器的效率。

式(2)表明,当cosφ为定值时,配变运行效率与负载数量具有明显的数学关系。取η对β求导,其值为零时,得到最大效率时的负载系数,即最佳负载系数为

(4)

式(4)表明:当功率因数一定时,出现最高效率的负载率只与变压器的综合空载损耗及综合短路损耗有关;在此负载率下运行时,变压器的效率最高[12],即配变损耗最小时,运行经济性达到最高。

根据不同小区类型的划分标准,配变经济运行区间的选取应考虑以下因素。

(1) A类小区中一级、二级负荷出现的概率较大,因此首先要保证安全性要求,允许适当过载,但不能出现长期轻载的现象。

(2) B类和C类小区首先要避免出现轻载现象,但在紧急情况下要满足应急照明等高等级负荷的运行。

(3) D类小区的负荷峰谷差较大,并且可能出现负荷长时间处于波谷的情况。因此,合理的变压器负载率首先要满足农忙时居民的大量用电需求,并且留有一定的裕度空间适应将来的负荷增长;其次,要减少变压器低于临界负荷率运行的时间,提高变压器的经济效益。

考虑上述影响因素,各类型小区配变负载率选取值如表1所示。

表1 各类小区配变负载率取值

3 算例分析

选取某市的典型居民区为例,进行配变容量优化配置分析。

3.1 负荷特性分析

在A～C类小区中各选取一个典型小区,分别以a,b,c表示,进行负荷特性分析,计算结果如表2所示。

由表2可以看出,3个小区的户均最大负荷、日平均负荷、日负荷率、日峰谷差4个指标呈上升趋势,a小区日最大负荷利用小时数逐年降低,而b小区和c小区在用户数平稳后日最大利用小时数也呈下降趋势,这说明居民最大负荷逐年上升,导致负荷峰谷差大幅提高,使得变压器的利用率降低。

表2 典型居民区负荷特性指标

3.2 居民负荷预测

采用负荷密度法对3个小区2020年和2030年的负荷水平进行预测,结果如表3所示。

表3 居民小区负荷预测结果

3.3 配变容量优化

根据负荷预测结果,计算3个居民小区优化后的配变容量,结果如表4所示。

表4 居民小区优化配变容量结果 kW

住宅区的配套设施越完善,负荷类型就越复杂,更加难以合理配置配变容量。因此,根据表4中的优化结果进行配变容量配置,既可以避免负荷增长引起的重载、过载现象,也可以避免轻载,确保变压器在大部分时间内均处于经济运行状态,证明了本文配变容量优化方法的有效性。

4 结 语

配变容量的选取是保证居民小区电力供应可靠性的重要部分。本文根据负荷密度等多种因素对居民小区进行了分类,并针对不同类型小区的特性采用不同的负荷预测方法,最终在考虑配变经济运行区间的基础上,提出了考虑居民小区特性的配变容量优化方法,并通过实际算例证明了方法的有效性。