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user: 2. 基于负荷特性的两级变压模式规划方法 文献 [ 4 ] 中所提的两级变压模式如图1所示：设置10/U m /0.4 kV、Δ/Δ/Y形联结的三绕组配电变压器，高压侧接10 kV电源进线，低压侧额定电压0.4 kV，其经低压母线直接接到近距离负荷片区。中压侧额定电压为补充电压等级U m ，经电缆或架空线接至远距离负荷片区，再由U m /0.4 kV降压变压器降压供用户使用，形成两级变压(U m kV和0.4 kV)配电模式。其中U m /0.4 kV降压变压器可采用铁芯式、非晶合金或电力电子等类型的变压器，0.4 kV出线侧可添加无功补偿装置，以改善电能质量、功率因数等 [ 4 ] 。根据我国设备标准电压 [ 2 ] 要求，大于0.4 kV、小于10 kV的系统标称电压等级有0.66 kV、1 kV、3 kV和6 kV。为方便设备选型并提高设备的利用率，需遵循相邻电压等级不宜小于两倍的原则 [ 8 ] 来确定补充电压等级U m 。 图1. 采用三绕组配电变压器的两级变压模式 2.1. 两级变压模式配电台区供电半径的选取 文献 [ 4 ] 中的配电电压选择方法仅考虑了配电变压器保持位置不变情况下对负荷片区采用两级变压模式改造方案中的经济电压，但未考虑负荷密度不均匀时配电变压器位置的合理性，也未考虑不同负荷片区的负荷特性。当星云状或是卫星式负荷采用两级变压模式时，其孤立的远距离负荷片区可能具有农业负荷的季节性、地区性、利用小时少、负荷密度和功率因数低特征，也可能具有工业负荷的负荷曲线平缓性或是差距巨大的特性。在这种情况下，就需要找到一种能兼顾各方面需求的最优配电电压选择方法。 供电半径是指从配电变压器所处位置直至其能成功供电的最远的负荷点之间的线路的距离，供电半径指供电线路物理距离，而不是空间距离。供电半径与线缆横截面积以及负载率关系如下： (1) 式中 为与 相对应的经济电流密度； 为线路额定电压； 为第k台变压器固定损耗；K为变压器总台数； 为负荷功率； 为线路等效功率因素； 为线缆实施传输容量； 为线缆最大传输能力； 为输电线截面积；μ为线缆的负载率；ρ为线缆电阻率；l为供电半径。 供电半径取决于电压等级和用户终端密集度的影响，越高电压等级对应相对较大的供电半径，终端越多用户电力负载则对应相对较小的供电半径。同种电压等级输电中，电压跌落情况小则供电半径就大，相比较来说在同一电压等级下，城市或工业区的供电半径要比郊区的供电半径小。也可能存在处于配电变压器供电范围内但是由于负荷片区负载率过大而不能很好保证其电压质量、供电可靠性的情况。一般0.4 kV配电台区的供电半径可视为负荷片区到配电变压器的距离，400 m以内可视作近距离负荷。 2.2. 网络的损耗 配电网的线路参数而言，110 kV线路的X/R比值基本上保持在2~3，但对于低压10 kV线路而言X/R < 1的情况比较普遍，整个配电网的损耗而言，无功损耗是远远大于有功损耗的，且无功损耗主要集中在配电网络变压器上，绝大多数的负荷站点的变压器无功损耗占总损耗的比例超过70%。按阻抗表示可分析将图1转化为图2，虚线标示出的地方分别为三绕组配电变压器和降压变压器，不同的负荷与配电变压器之间的线路阻抗不同，电感值很小可以忽略电压变化的垂直分量不计。 根据文献 [ 9 ] [ 10 ] ，变压器的参数一般指其等值电路中的电阻R T 、电抗X T 、电导G T 、电纳B T 以及变压器的变比。在给定短路损耗 、短路电压 、空载损耗 、空载电流 的情况下，对双绕组变压器可得如下计算。 (2) (3) (4) (5) (6) 其中 为变压器三相额定容量； 为其额定线电压； 为铜耗； 为其额定电压百分数，其容量很大的时候可近似认为 ； 为空载损耗。三绕组变压器的电导G T 、电纳B T 计算公式与两绕组变压器相同，电阻R T 和电抗X T 参数计算公式如下所示： (7) (8) 其中： 图2. 配电台区等效电路 (9) 不同三绕组变压器的容量比不同，若高压侧/中压侧/低压侧容量比为100/50/50，制造商提供的短路损耗数据是一对绕组中容量较小一方达到它本身额定电流即 时的值，则有： (10) 三绕组降压配电变压器的低压绕组最靠近铁芯，中压绕组居中，高压绕组在最外层，故高压绕组和低压绕组之间的漏抗最大，即两者之间的短路电压 最大。 (11) 双绕组变压器的有功损耗 计算式为： (12) 式中，P d 0 为双绕组变压器的空载损耗，有铁芯磁滞损耗和涡流损耗引起，也称为固定损耗；P k 为短路损耗，与负载侧电流平方有关，又称可变损耗；β为变压器负载率，等于变压器负载侧电流I 2 和负载侧额定电流I 2N 之比确定；P 1 为负载侧有功功率；S N 为变压器额定容量；cosφ同式为负载的功率因数。 三绕组变压器的综合功率损耗 ： (13) (14) 式中，P t 0 为三绕组变压器的空载损耗；β 1 、β 2 、β 3 分别为三绕组变压器高、中、低压侧的负载系数；P k 1 、P k 2 、P k 3 分为变压器高、中、低侧的短路综合损耗；I 1，2，3 表示变压器高、中、低压侧的负载电流大小；I 1N，2N，3N 表示变压器高、中、低压侧的的定电流；P 1，2，3 为变压器高、中、低压侧的有功功率。S 1N，2N，3N 表示变压器高、中、低压侧额定容量；cosφ 1，2，3 分别为变压器高、中、低压侧的功率因数。 kV电压线缆上的损耗 的计算方法如下： (15) 式中α为所供负荷因三相不平衡引起的线损增加率；K为所供负荷的形状系数； 所供负荷在供电线缆上的平均电流；ρ为所供负荷供电线缆的单位电阻率；L为所供负荷供电线缆的长度。 假设变压器无功补偿理想， kV降压变压器的损耗 的计算方法如下： (16) 式中 为 kV降压变压器的空载损耗； 为 kV降压变压器的短路损耗；β为 kV降压变压器的负载系数。 对同一确定位置和大小的负荷供电，0.4 kV线缆上的损耗 计算方法与式(16)中的线缆损耗计算方法相同。特殊的，若不改变供电线缆的线径，则0.4 kV线缆上的损耗 算法如下： (17) 式中k为增加的配电电压等级 kV与0.4 kV的比值；对同一负荷供电时，若线径不变、供电距离也不变，则电压升高k倍，有功损耗降为0.4 kV供电时的 倍。 对同一配电台区，当配电变压器位置和容量确定，负荷情况也确定时，假设台区内一台配电变压器接有n个负荷，则负荷全部采用0.4 kV直配电方式时的损耗等于10/0.4 kV配电变压器损耗加上n条配线的线路损耗，有： (18) 若采用双电压配电方式对这些负荷供电，距离较远的m个负荷采用补充电压等级U m kV供电，距离较近的n-m个负荷仍采用0.4 kV电压直配电，此时台区内的功率损耗由10/U m /0.4 kV三绕组配电变压器损耗、m条U m kV配电线路损耗、n-m条0.4 kV配电线路损耗和m个U m /0.4 kV降压变压器损耗共同组成： (19) 对同一配电台区，当0.4 kV直配电方式的损耗ΔP 1 大于双电压配电方式的损耗ΔP 2 时，两级变压配电方式才具有节能降损的可行意义，即： (20) 将式(18)和式(19)代入式(20)，得到： (21) 由式(21)可知，对m个远距离负荷供电，当采用U m kV配电比0.4 kV配电节约的线损大于采用三绕组变压器和增设降压变压器增加的损耗时，采用双电压配电方式能够有效降低配电损耗，具有可行性。 配电网的电压损失百分比(电压降百分比)ΔU%的一般计算式为： (22) 由于低压配电网采用的导线截面积普遍较小，几何间距也比较小，所以一般情况下导线的电阻远大于电抗，即 ，因此可以略去电抗部分，式(22)可以简化为： (23) 2.3. 配电方式与电压选择 原有的电压选择方法并未考虑负荷性质进行选择，其选择的平均电流、平均功率均未考虑负荷量与其功率可能随时间变化的可能性，故本文将采取结合用户地理位置、季节、用电量、占时比、质心概念的电压选择方法，并着眼于用户的电量需求，以可靠性最优检验。 此处设定比较指标： (24) (25) 对于使用较有季节性特征的负荷而言， 为第i个负荷片区年设备使用天数 与全年使用时间T的使用率，T取365，闰年取366； 为第i个负荷片区的季节性负荷占全部负荷 的比值。针对季节性负荷的具体流程如下(图3)。 Step 1：确定需要进行规划的配电台区以及其中的负荷片区数m与第j个负荷片区的用户数 。以配电变压器所处位置为坐标原点，将每一个负荷片区的n i 个用户记录三维空间位置N i (x i ，y i )，并将各位置也即各用户的用电量e i 、最大负荷功率 并做积以 表示，上述三项同时较大则表示该用户的用电需求，并以 表征不同位置用户的对电量的需求程度，将其记录于三维集合Ω中，共有m个集合。对于面积不大的负荷片区可直接以负荷片区为单位记录位置并将各片区的总用电量、最大负荷功率做积表示。对于面积不大的负荷片区可直接以负荷片区为单位记录位置并将各片区的总用电量、最大负荷功率做积表示。 图3. 方案选择流程 (26) Step 2：由于方差是最能描述数据离散程度的量，故先计算各片区每个用户 的均值 ，再计算整个配电台区的用电情况均值 和方差 ，通过离散系数 来反映用电贡献在平均水平以上的和平均水平以下的。通常负荷片区的划分都是等面积的，故可通过离散系数 判断出个负荷片区 的水平差距，离散系数大则说明负荷密度不均。取 为基准， 则视为负荷密度均匀。若负荷密度均匀则直接进入步骤4。 (27) Step 3：若负荷密度不均，对于距离较远而负荷密度较大的配电台区，类比质心的定义，根据式(4)将不同位置上用户用电份额表征出来，将各片区总体耗电情况等效在用电中心 处。评估原配电变压器的位置是否靠近用电量多的负荷片区，对于距离远而负荷密度大的负荷片区取其用电中心作为安装降压变压器的位置，对近距离负荷则将其供电半径视为配电变压器至其用电中心处的距离。 (28) Step 4：由于该方案的目标主要是改善远距离用户的电能质量，以及降低整个网络的损耗，但由于不同负荷片区的负荷特性不同、其用电需求也不同。根据负荷曲线可以判断负荷是否为季节性负荷，若有季节性负荷，一般其比例可知，当其比例为 时，则需要分季节对其损耗进行分类考虑并加权。由于夏秋两季常为用电高峰，故通常以此时的负荷作为规划的参考。在将对于不同配电台区的全部配电方式损耗情况罗列出后，本文提出对季节性负荷的数据样本可用以下公式计算： (29) 其中 为第i种配电方式在夏秋高峰期中的平均损耗； 为第i种配电方式在该负荷片区其余负荷在春冬中的平均损耗，以此来选择效果较好的配置方式。 Step 5：若无季节性负荷则视作普通负荷，按照公式计算直配电方式与两级变压模式下的配电台区损耗。 Step 6：以约束条件进行校核，并得出结论。 以下式作为目标函数，即选取总网络损耗最小的配置方式，若10/0.4 kV直配电方式损耗小则选取此种方式；若采取10/U m /0.4 kVs两级变压模式下时配电台区的总损耗小，则选取双电压配电方式。 (30) 以供电可靠性和电压偏离作为约束条件： 所选配电方式的供电可靠率不应低于规定的限制，可用RS-3指标(供电可靠率)表征配电方式的供电可靠性： (31) 式中，R 1 是规划配电方式的RS-3指标；T s 为统计总时间；T off 为系统电源不足的停电时间；R 1N 为规定的RS-3指标下限。 我国20 kV以下三相系统允许电压偏差不能超过标准电压的±7% [ 11 ] ，故根据式(23)有： (32)