（电力系统及其自动化专业论文）配电系统规划中的线路选型及经济性分析.pdf

a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c eo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m w i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ee l e c t r i c i t yq u a l i t yo re v e nd e s t r o yt h eu s e r s r e q u i r e m e n t s b e i n ga l li m p o r t a n ts t e pi nd i s t r i b u t i o ns y s t e mp 】a l l ，t h ec h o i c eo f l i n et y p e w i l la f f e c t t h ew h o l ed i s t r i b u t i o ns y s t e m s oi ti sn e c e s s a r yt of i n da l le f f e c t i v ew a yt os e l e c tl i n e - t y p ea n d r e a c ht h e o p t i m i z a t i o ni ne c o n o m y f i r s t l y ，o v e r h e a dl i n e sa n dc a b l el i n e sa r ec o m p a r e da f t e rd i s c u s s i n gt h el i n e c o n n e c t i o nm o d ei nt h i sp a p e r b ya n a l y z i n gt h e i rc h a r a c t e r s ，t h ep r i n c i p l ea b o u tl i n e t y p es e l e c t i o ni ss u m m a r i z e d s e c o n d l y ，t h ee c o n o m i c so fl i n e si si n t r o d u c e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec a b l e l i n e s ，t h em e t h o do f d r a w i n gl o a d - c o s tc u r v ei sp r o p o s e d b ys t u d y i n gt h el o a d c o s t c u r v e si nd i f f e r e n ts e c t i o n s , t h ee c o n o m y - l o a da r e ai sg a i n e d t h i sp a p e rs u m m a r i z e s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t a n c ea n dt h e v o l t a g ed r o pa n dp u t sf o r w a r d t h ec o n c e p to f e c o n o m i c a ll o a dr e a c h f i n a l l y ，b a s e do n a b o v e t h e o r ya n a l y s i s ，t h r e em e t h o d s a r ep r o p o s e df o rt h el i n e t y p es e l e c t i o na n de c o n o m i c a la n a l y s i s t h ef i r s tm e t h o di sc a l l e de q u a l e c o n o m i c a l r a n g e m e t h o d t h es e c o n di sc a l l e d o p e r a t i o n - c o m p a r e - m e t h o d i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt h et w om e t h o d ss h o wg o o dr e s u l t s t h et h i r dm e t h o di sc a l l e do p e r a t i o n - p l a n m e t h o d i tc a n b e p r o v e dt h a tt h eo p e r a t i o n - p l a n - m e t h o di st h eb e s ti ne c o n o m i c o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：l o a d c o s tc u r v e ，e c o n o m i c a ll o a dr e a c h ，as e to f l i n et y p e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得歪生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字e t 期：年月日 签字日期：年月日 第一章引言 1 1 课题背景和意义 第一章引言 配电网作为电力系统中的重要组成部分，其网络的优劣将直接影响供电的 安全性、可靠性、运行及投资的经济性、电力供需平衡以及供电质量等，进而可 能导致用户不断增长的用电需求无法得到满足。因此，从全局出发，规划出具有 最优工作方式、能最大限度满足用户需求的配电系统就成为配电网规划的重要目 的之一。 配电系统是一个非常复杂的系统，从物理构成来看，它主要由不同变比 ( 3 5 k v 1 0 k v 、l l o k v l o k v 等) 的变压器、不同型号和不同截面的配电线路等 一次设备和电流互感器、电压互感器、继电保护装置等二次设备构成，其中一次 侧需要根据用户的用电需求和配电网络安全可靠运行的要求形成了不同的网络 接线模式，而在其中，导线作为主要的电能传输介质，对电能质量( 如传输容量、 电压水平) 有着非常重要的影响，因此，导线的选择就成为配电网规划的重要问 题之一。 目前，从国内外配电网规划的研究文献【卜1 1 1 来看，对配电网规划的研究主要 集中在负荷预测、变电站选址定容、网络接线模式分析、配电网络优化、配电网 可靠性分析等几个方面，对配电网导线选择的研究分析还不够深入，缺乏指导导 线集选择和进行经济性分析的有效方法。因此，有必要从配电系统的全局出发， 深入研究配电线路选型的原则、方法和步骤，并对其进行经济性分析和比较，使 得选择出的导线集能够与整个配电系统的运行相协调，进而提高配电网的安全性 与可靠性、运行及投资的经济性以及供电的质量，提高用户的满意度。 1 2 导线选择简介 电力系统中的导线种类繁多、规格不一，在配电网络中常常存在因导线截 面选择不合适而造成材料的浪费、电气设备的损坏或者使导线过热而引起火灾等 事故。因此，如何正确选择导线截面是配电网络规划工作的一个非常重要的课题。 第一章弓亩 下面根据负荷情况介绍一下导线截面选择一般步骤： 1 确定用电负荷 用电负荷就是用电户的用电设各在某一时刻实际取用的功率总和。在交流 电路中，电功率包含有功功率和无功功率两部分，电压和电流共轭的乘积就是视 在功率。由于在正常工作状况下系统的电压一般保持稳定，所以用电负荷可近似 认为与用电设备通过的负荷电流成正比，因此可用负荷电流去描述用电负荷。用 户总用电设备在最大负荷状态下流过的电流称为最大负荷电流。一般在配电网规 划过程中，负荷的确定主要通过负荷预测来进行。 2 导线选择 导线的材质有铜、铝、铝合金等，导线按结构可分为单股绞线、多股绞线 和复合材料多股绞线。无论采用何种导线，在选择导线时首先要考虑的是在最大 负荷情况下，保证导线始终通过允许电流而不过熟；第二导线要满足在风、雪、 冰等外力载荷情况下不致发生断线事故；第三要满足保护条件，保证所装设的保 护装置或熔断器能对导线起到保护作用：第四要满足线路电压降的要求，使线路 末端电压不致过低。 上述步骤主要是从用户的角度出发分析了导线选择的基本原理，下面进一 步介绍从配电系统的角度出发需注意的问题。 为了适应不同的输配电环境，在进行配电网规划之初，首先要依照配电系 统所处的环境来决定选择的导线类型。导线的敷设方式可以分为架空线、电缆两 大类，对于环境要求较高的城市，一般采用电缆进行输电，而对于环境要求不高 的广大农村，考虑其经济性，现阶段一般采用架空线输电。为适应不同的环境要 求，电缆的敷设方式还可以细分为直埋、电缆沟和电缆排管等。有些环境，如大 跨距、恶劣天气等特殊场合，标准导线如果无法正常工作或者无法满足电力系统 安全性和可靠性的要求，则需要进行特殊的导线设计，以适应特殊环境的要求。 在一个实际的电力系统规划设计过程中，一般会有几种到十几种截面的导 线作为备选。除了考虑环境的影响因素外，还要考虑其电气性能 m ，则可将( m n ) 种导线改为第五步所选导线中截面稍大的导 线，则可得到的方案数为c 。m 一- 。n ，因为最大截面的导线一般不再升级，故 方案数为“从m 1 种导线中升级m - n 种导线”的组合数； 第七步，查负荷费用曲线，找出每一段导线在给定负荷下、升级前后 的年度费用； 第八步，差额比较各种方案的经济性，即现方案与原方案的费用差额； 第九步，确定最优方案，找出费用最低的方案为最优方案。 5 4 运筹规划法 对于电力系统配电网规划导线选择而言，等分法和运筹比较法适用于规模 较小的配电系统；而对规模较大的配电网而言，这两种方法效率相对较低。因此， 下面介绍一种规划方法一运筹规划法，用该方法对导线集选择进行数学分析，并 通过计算机求解。 问题描述： 设在电力系统配电网规划中存在m 条需要进行导线选择的线路，每条线路 所带负荷为l 。，l 2 ，工。，可供选择的导线集为d = d l ，d ：，见) ( n q ) ，q 指系统配电网规划中允许采用q 种导线作为标准线路，该导线集中每条导线所允 许的最大负荷l o 。= 如，一，岛2 一，l 。一) ，需要从中选择出q 种导线应用此 配电网，使其经济性达到最优。 建立目标函数： m i n z = l e n ，( 巧) ( 5 1 ) 第五章导线集的选择方法 式( 5 1 ) 中，卜表示i n 条线路的总费用开销 l e n 。第f 段线路的长度 c 0 为第j 种导线的单位长度造价 x ，为辅助变量，当第j 种导线在线路中被选中时为l ，否则， x j 2 0 瓦为辅助变量，当第i s t 线路选中第j 种导线时为1 ，否则， 瓦2 0 ( 5 - 1 ) 式的含义是：每段线路所选择的导线的单位长度造价与这段线路的 长度之积构成了这段线路的费用开销，将m 段线路的开销求和，即整个配电网 的总费用开销。规划目的是使得配电网的总开销达到最低，但式( 5 1 ) 的解是 在满足一定的约束条件下形成的，约束条件如下所示： x ，= g ( 5 2 ) j = l 式( 5 - 2 ) 的含义是指在导线集中选择出的导线种类总数为q 。 乃= 1 v f _ 1 , 2 m( 5 3 ) 一 式( 5 - 3 ) 表示对于每一段线路而言，只能选择出一种导线。 除了以上两个约束条件外，还需要增加导线负荷约束，即选择的导线所能 传输的最大负荷应大于该段线路的负荷n 同时，对于辅助变量和巧，当= 0 时，必有乃= 0 。 综上所述，我们可以得出导线集选择的一般规划模型： m i n z = 慨( 乃) z ，= g j l l z ，乃= l ，v i = 1 2 堋( 5 4 ) 弓= o ，靴。 t 。，v i = l ，2 m ，w = 1 , 2 h 乃= o ，若一= 0 ，v i = 1 , 2 n ，w = 1 , 2 h 下面结合一个简单的算例，说明一下利用上述模型选择导线型号的过程。 苎至皇墨垡叁堕垄墨查茔 仍以图5 - 3 所示配电系统为例，与( 5 - - 4 ) 对应的具体模型为： 商n z ：1 。n 。互，+ 2 窆一正+ 2 主x j 五，+ j = lj = l j l 2 x x x j + l x c 口x x 码 约束条件为： i = 4 l ： 弓= l ，v i = 1 ，2 ，m l 1 1 i 乃= o ，若三i 一，g i 1 , 2 。m ，w 1 , 2 玎 m = o ，教j = o ，v i = l ，2 m ，w 1 , 2 聆 其中，m = 5 ，n - - 6 此例中，经过分析，可以得出： a m 段：4 6 m w ，从导线集中可供选择的导线为y j v - 3 0 0 m n 段：3 1 m w ，可供选择的导线为y j v - 1 8 5 ，y j v - 3 0 0 n p 段：2 4 m w ，可供选择的导线为y j v - 1 2 0 ，y j v - 1 8 5 ，y j v - 3 0 0 p q 段：1 6 m w ，可供选择的导线为y j v - 7 0 ，y j v - 1 2 0 ，y j v - 1 8 5 ，y j v - 3 0 0 ， q b 段：0 5 m w ，可供选择的导线为y j v - 2 5 ，y j v - 3 5 ，y j v - 7 0 ，y j v - 1 2 0 ， y 一1 8 5 ，y 二3 0 0 因此，对于各段中的x j 、乃，可以确定如下： a m 段：玩= 1 ，瓦= 1 m n 段：存在也= 1 ，正，= 1 ，或者k = 1 ，砭= 1 n p 段：存在丑= 1 ，互。= 1 ，或者墨；1 ，五，= 1 ，或者瓦= l ，& = 1 p q 段：存在蜀= 1 ，= 1 ，或者鼻。- - - 1 ，= 1 ，或者x 5 = 1 ，五5 = 1 ，或者 x 6 = 1 ，五6 2 1 q b 段：存在置= 1 ，瓦。= l ，或者五= l ，瓦2 = 1 ，或者置= 1 ，t 5 3 = 1 ，或者托= 1 瓦。= 1 ，或者五= 1 ，瓦，= 1 ，或者x 。= 1 ，氏= 1 由第一个约束条件x j = 4 和最小值日标，可以得到 第五章导线集的选择方法 a m 段：x 6 = 1 ，瓦- - - 1 m n 段：五= 1 ，2 1 n p 段：x s = l ，瓦5 2 1 p q 段：托= 1 ，2 l q b 段：五= 1 ，正i 2 l 从而线路的选择结果为 a m - y j 、，- 3 0 0 m n - y j v 二18 5 n p ：y j v 二1 8 5 p q ：y j v - 7 0 q b ：y j v - 2 5 可以看出，该方法与等分法和运筹比较法选择的结果相同，但该结果是通 过严格的数学解析而得，因此该方法在理论上是最优的方法。该模型属于非线性 规划，其求解方法可采用运筹学方法，通过计算机编程予以实现。 5 5 小结 本章综合第三章的负荷费用曲线、第四章的经济负荷供电距离的原理，提 出了导线集的选择原则，并提出了导线集选择的定性方法一等分法；然后从运筹 学的角度出发，提出了导线集的另外一种选择方法一运筹比较法。 等分法从定性的角度出发，提出了导线集选择要根据负荷费用曲线，选择 出较优的方案，运筹比较法则通过定量计算，得到导线选择的导线集，因此，运 筹比较法得到的方案也是较优的。最后，本文还提出了一种理论上最优的导线集 选择方法一运筹规划方法。 第六章结论 第六章结论 本文从配电网规划的全局出发，针对配电网规划过程中导线选择的问题进 行研究，分析了配电网接线模式，研究了负荷一费用曲线，并讨论了供电距离和 经济负荷的关系，进而提出了导线集选择的方法。本文所完成的工作具体如下： 1 分析了电缆与架空线的优缺点，比较了三角形和星形的接线模式，并指出三 相供电与单相供电的特点，在研究导线选择和输电线路结构的基础上，给出 了导线选择的原则； 2 从电缆和架空线两个方面对配电网规划过程中的线路选择进行了经济性分 析，研究了负荷一费用曲线，并对不同截面导线的负荷一费用曲线进行比较， 从而得出了导线的经济负荷区； 3 在对配电网规划过程中线路选择的经济负荷区分析的基础上，深入研究了线 路电压降和供电距离的关系，并讨论了经济负荷供电距离，认为经济负荷供 电距离能够较好的反映线路电压降和供电距离的关系： 4 在上述理论分析的基础上，提出了导线集的定性选择方法一等分法，认为该 方法能够给出较优的导线集；此外，本文从运筹学的角度出发，提出了导线 集的定量选择方法一运筹比较法，并通过算例予以验证；结果表明，运筹比 较法所选择的导线集也能够给出较好的结果。最后，本文还提出了一种理论 上最优的导线集选择方法一运筹规划方法。 参考文献 参考文献 【1 】韩祯祥等，电力系统分析，杭州：浙江大学出版社，1 9 9 3 2 】牛辉、程浩忠等，电网扩展规划的可靠性和经济性研究综述，电力系统自动化，2 0 0 0 ， 2 4 ( 1 ) 【3 石立宝，徐国禹，基于自适应进化规划的电网多目标优化运行，中国电机工程学报，2 0 0 0 ， 2 0 ( 8 ) 4 】陈章潮，顾洁，配电网规划及自动化，电力系统自动化，1 9 9 5 ，1 9 ( 儿) 5 i t w b e r r i e ，e l e c t r i c i t ye c o n o m i e s a n d p l a n n i n g p e t e rp e r e g i n t i sl t d l o n d o n 1 9 9 2 【6 i f s e h w a p p e ，e ta 1 ，s p o tp r i c i n go f e l e c t r i c i t y k l u w e rp r e s s ，c a m b r i d g e ，m a ，1 9 8 8 【7 w h k e r s t i n g ，“f e e d e ra n a l y s i s ”c h a p t e r6 o f i e e ed i s t r i b u t i o np l a n n i n gt u t o r i a l ，i e e et e x t 9 2w h o3 6 1 6p w r i n s t i t u t eo f e l e e t r i e a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s n e w y o r k , 1 9 9 2 【8 】t g o n e n ，e l e c t r i cp o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e me n g i n e e d n g ，m c g r a w h i l l ，n e wy o u k ，1 9 8 6 【9 】j j g r a i n g e ra n d w d s t e v e n s o n p o w e rs y s t e ma n a l y s i s ，m c g r a w h u i , n e wy o r k , 1 9 9 4 1 0 o a oy a h , t of o r w a r d c h i n ap o w e ri n d u s t r yw i mg r e a to p p o r t u n i t ya n de x p e c t a t i o nt ot h e 2 1 “c e n t u r y ，a d d r e s so nt h ec i g r e 3 7t h e s e s s i o n ，1 9 9 8 ( 3 ) 1 1 】余贻鑫，段刚，城市电网规划的认知性质与方法，电力系统自动化，2 0 0 1 。2 5 ( 2 ) 1 2 甘应爱，田丰，运筹学，清华大学出版社，1 9 9 0 【1 3 】贾先知，架空线送电线路大跨越导线的选择，电力电缆，1 9 9 0 1 4 】门汉文崔国璋译，电力电缆及电线，中国电力出版社。1 9 9 8 ； 【1 5 罗俊华，陈守直，3 5 k v 及以下x l p e 电力电缆试验方法的研究，电网技术，2 0 0 0 ，2 4 ( 1 2 ) 1 6 邹军，袁建生，地下通信电缆外套金属管道与附近铺设屏蔽线屏蔽效果的比较，电网技 术，2 0 0 0 ，2 4 ( 4 ) 1 7 蔡丹宙，江斌，交联电缆绝缘热线诊断的一些问题，电网技术，1 9 9 7 ，2 1 ( 9 ) 1 8 张式训，张洪明，大容量地下输电技术分析，电网技术，1 9 9 6 ，2 0 ( 6 ) 1 9 杨云锦，论工业企业架空导线的经济电流密度，电网技术，1 9 9 7 ，2 1 ( 9 ) 2 0 张永立，多相架空输电线路综述，电网技术，1 9 9 5