（电力系统及其自动化专业论文）厂矿供配电网计算机辅助设计系统研究.pdf

a bs t r a c t t h ed e s i g n i n go ff a c t o r i e sa n dm i n e sd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sac o m p l e xp r o j e c t i n c l u d i n gt h ed e s i g n i n go fh i g h v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m l o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o n s y s t e ma n ds u b s t a t i o n i nw h i c hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa r ei n c l u d e d a n dan u m b e f o td r a w l n g sh a v et ob ep r o t r a c t e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f f a c t o r i e sa n dm i n e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m a n dp r e s e n t sap r o j e c tn l es y s t e m w h i c h c e n t e r sr o u n dp r o j e c td a t a b a s e a n di n c l u d e sv a r i o u sg r a p h i c sf i l e s t h ed a t ai ss h a r e d a m o n gt h e s ef i l e s b a s e do nt h ep r o j e c tf i l es y s t e m av i a b l em o d e lo fc a d s v s t e mi s e s t a b l i s h e d i nw h i c h g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm a pi sp r o t r a c t e d l o a dd a t ai sa d d e di n g r a p h i cm e t h o d a n dl o a d c a l c u l a t i o n s u b s t a t i o no p t i m i z a t i o nl o c a t i o n n e t w o r k t o p o j o g y c o n d u c t o rc r o s s s e c t i o n sa r ec o m p l e t e da tf i r s t a n dt h e n e l e c t r i c a lw i r i n 2 d l a g r a mi sp r o t r a c t e d i nw h i c ht h es e l e c t i o no fe q u i p m e n t a n dt h es t a t i s t i c so f e q u i p m e n ta r ec o n l p l e t e d b a s e do nt h ec h a r a c t e s t i c so ft h et r e en e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h eh i g hr a t i oo f r e s l s t a n c et o r e a c t a n c e p o w e rn o wa n ds h o n c i r c u i tc o u l db ec a l c u l a t e dw i t h o u t g e n e r a t l n gr e s l s t a n c eo ra d m i t t a n c em a t r i x a n dw h o s ep r o g r a mi sr e l a t i v e l ye a s y t h e i n i t i a ll o c a t i o n so fd i s t r i b u t i o ns t a t i o n sa r ec a l c u l a t e db yl o a d m o m e n tm e t h o d t h e n u s m ga u t o m a t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h ef i n a ll o c a t i o n sa r ef o u n d n e t w o r k t o p o l o g yi so p t i m i z e db yt h ep r i ma l g o r i t h m u s i n ge c o n o m i cc u r r e n td e n s i t ym e t h o d t h ec o n d u c t o rc r o s s s e c t i o n sa r es e l e c t e d w h i c ha r ec h e c k e d b ym a r g i n a lv o l t a g ec o s t m e t h o d t h et y p ea n dn u m b e ro ft r a n s f o r m e r s b r e a k e r sa n do t h e re q u i p m e n t a r e s e l e c t e da c c o r d i n gt oc e r t a i nr u l e s w h i c ha r ec o m p l e t e db yu s e r sw h o a r ea i d e db yt h e p r o g r a mw i t ht h ed a t a t h ep r o g r a mp r o v i d e se q u i p m e n ta n dm a t e r i a l ss t a t i s t i c so f w h o l ep r o je c t t h ec a ds y s t e mf o rf a c t o r i e sa n dm i n e sd i s t r i b u t i o n i sd e v e l o p e dw i t hv b c o m b i n i n gw i t hd a t a b a s et e c h n 0 1 0 9 y a n du s i n ga u t o c a d d e v e l o p e ds e c o n d a r i l ya s g r a p h i c ss y s t e m t h ep l a n n i n ga n dd e s i g no ff a c t o r i e sa n dm i n e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m g r a p h i c sr e n d e r i n g c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa r ei n t e g r a t e dt oc o m p l e t e i n t e l l i g e n t l y b yt h ec a ds y s t e m f i n a l l y t h ed e s i g np r o c e s sa n dr e s u l t so fad i s t r i b u t i o ns v s t e m t o rt h em i n i n g a r e a w h i c hu s i n gt h ec a ds y s t e m s h o w st h ef e a s i b i l i t va n d c o r r e c t n e s so ft h es y s t e mm o d e la n dp r o g r a m m i n g t h er e s u l ti s h e l p f u lt op l a n n i n g a n dd e s i g no ff a c t o r i e sa n dm i n e sd i s t r i b u t i o ns v s t e m u i 1 矿供配电网计算辅助设计系统研究 k e yw o r d s f a c t o r i e s a n dm i n e sd e s i g n d i s t r i b u t i o ns y s t e md e s i g n d i s t r i b u t i o n n e t w o r kc o m p u t i n g a u t o c a ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t l o c a t i o n a l l o c a t i o no f s u b s t a t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 缘 七 日期 硎年 月伽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 芗毖二飞 导师签名 i 丕撕 lz 譬狮媚 日期 训年j 月加日 日期 硎年上月加日 硕十学位论文 第1 章绪论 大量的现代化生产工厂正处于蓬勃建设之中 为其提供电能的供配电系统的 设计至关重要 很显然 采用传统的手工计算和手工绘图的方式在时间和效率上 难以满足快节奏的建设要求 计算机辅助设计 c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a d 是 近年来计算机应用技术发展最快的领域之一 广泛应用于机械 建筑 电气等行 业 以计算机辅助设计取代传统的手工设计 将计算机快速准确的数据 图形处 理能力和设计者的创造力 判断力有机结合起来 可缩短厂矿供配电系统的设计 周期 并优化其设计成果n 2 1 1 1c a d 技术概述 c a d 是工程技术人员以计算机为工具 对产品和工程进行设计 绘图 分析 和编写技术文档等设计活动的总称 1 工程c a d 软件在工程设计中已经成为不可 缺少的强有力工具 许多设计单位及科研院所都推出了各自的c a d 软件 涉及 各专业 一个好的c a d 软件必须有一个好的图形支撑系统 a u t o d e s k 公司开发 的a u t o c a d 系列软件一直是c a d 市场中的主流产品 并以其功能强 用户界面 友好及二次开发工具齐全等优点 成为使用最广泛的c a d 软件和二次开发平台 4 1 1 1a u t o c a d 绘图系统简介 a u t o c a d 是一个通用的 交互式的绘图软件包 它的作图功能很强 它不但 可以画直线 点 圆 弧 椭圆 矩形等基本图形 能进行缩放 移动 插入 复制操作 而且提供了可由简单图形构造一个标准图块 并可随意将图块插入到 所需图形中的功能 并能对图形进行着色 文字注释 尺寸标注等工作 在使用a u t o c a d 绘图时 可以使用系统提供的对象捕捉 对象捕捉追踪和 正交等工具 实现快速 精确地绘制 a u t o c a d 具有良好的用户界面 通过交互 菜单或命令行方式可以进行各种操作 它的多文档设计环境 让非计算机专业人 员也能很快地学会使用口3 1 1 2a u t o c a d 二次开发技术简介 a u t o c a d 具有开放式的体系结构 它的数据可与其它软件包 数据库及主要 计算机辅助设计系统交换 便于进行二次开发 从早期的a u t ol i s p a d s d c l 到现在流行的v i s u a ll i s p o b je c ta r x a u t o c a dr u n t i m ee x t e n d v b a v i s u a l b a s i cf o ra p p l i c a t i o n 等 均可十分方便地对a u t o c a d 进行二次开发h 1 a u t ol i s p 语言是由c o m m o nl i s p 语言的一个子集再增加了一些与图形处 j 矿供配电网计算辅助设计系统研究 理有关的特殊函数组成 并内嵌在a u t o c a d 之中 该语言灵活简洁 表达能力 强 通过定义函数实现各种功能 v i s u a ll i s p 在a u t ol i s p 所有功能基础上 提 供了面向对象的可视化集成开发环境 使编译 调试更加方便 功能更强 0 b i e c ta r x 是以c 为基础的面向对象开发环境及应用程序接口 具有面向 对象编程方式的数据可封装性 可继承性及多态性等特点 a r x 应用程序是一种 可共享a u t o c a d 地址空间和建立对a u t o c a d 直接函数调用的动态链接库 d l l 它与a u t o c a d 直接通信 运行效率高 a u t o c a da c t i v e xa u t o m a t i o n 技术提供了一种可从内部或外部操作控制 a u t o c a d 的机制 a c t i v e x 是由一系列的对象按一定的层次组成的一种对象结构 每一个对象代表a u t o c a d 中的一个明确的功能 比如画线 图块定义等 其绝 大部分功能均以方法和属性的方式封装在a c t i v e x 对象中 v b a 就是通过对其中 的方法 属性进行引用 从而达到对a u t o c a d 实现变成的目的 v b v i s u a lb a s i c 同样可以实现对a u t o c a da c t i v e x 对象的引用 v b 是一种 具有独立编程环境的面向对象的语言h 1 作为a u t o c a d 的开发工具 它具有可视 化的编程环境 可以轻松实现数据集成与共享 可与其它应用软件方便地进行交 互等优势 v b 还提供了丰富的系统函数 并能调用其它动态链接库 是一个强 大的开发工具 1 2 厂矿供配电系统设计概述 供配电系统设计应贯彻执行国家的技术经济政策 做到保障人身安全 供电 可靠 技术先进和经济合理 7 厂矿供配电系统是电力系统的电能用户 也是电 力系统的重要组成部分 它由总降压变电所 配电线路 车间变电所或建筑物变 电所和用电设备组成哺1 1 2 1 供配电系统的设计内容 供配电系统的设计是一项复杂的工程 它包括高压配电系统 低压配电系统 和变电所的设计 图1 1 所示为一个厂矿供配电系统的结构框图 总降压变电所是用户电能供给的枢纽哺1 它将3 5 1 1o k v 的系统电源电压降为 1 0 k v 高压配电电压 供给高压配电所 车间变电所或建筑物变电所和高压用电设 备 高压配电所集中接收总降压变电所输送过来的电能 再分配到附近各车间变 电所或建筑物变电所和高压用电设备 一般负荷分散 供电面积大的供配电系统 需设置高压配电所 配电线路分为6 1 0 k v 高压配电线路和3 8 0 2 2 0 v 低压配电线 路 高压配电线路将总降压变电所与高压配电所 车间变电所或建筑物变电所和 高压用电设备连接起来 低压配电线路将后者与低压用电设备连接 车间变电所 或建筑物变电所将6 1 0 k v 电压降为3 8 0 2 2 0 v 电压 供低压用电设备使用 用电 硕上学位论文 设备按用途可分为动力用电设备 电热用电设备和照明用电设备等 按电压等级 可分为高压和低压用电设备两种 对于具体的供配电系统 可能上述各个部分都 有 也有可能缺少其中一部分 这主要取决于电力负荷的大小 如大型企业通常 都设有总降压变电所 中小企业有的只设6 l o k v 变电所或配电所 低 压 用 电 设 备 高压配电所高压用电设备车间变电所 图1 1厂矿供配电系统结构框图 供配电系统的设计 存在着大量的制图和分析计算工作 从时间序列上 供 配电系统设计可分为两个阶段 扩大初步设计阶段和施工设计阶段 扩大初步设 计是供配电系统设计的主干 也是本文研究的主要对象 扩大初步设计的主要内 容和程序阳1 有 1 按照提供的负荷资料 计算各个供电点及整个系统的计算负荷 2 根据供配电系统所在的地质 环境条件及负荷统计结果 选择变配电 所的位置及所选用的变压器容量 台数 3 根据负荷等级和分布 选定系统电源 电压等级及供电方式 4 选择总降压变电所位置 变压器台数及容量 5 确定总降压变电所电气主结线和系统高压配电方案 6 选择高压电气设备及配电网络载流导体的截面 必要时进行短路条件 下动稳定及热稳定校验 7 设计变 配 电所的继电保护及自动化设备等二次系统 8 设计变电所和建筑物的防雷措施 接地方式及计算接地电阻 9 设计提高功率因数的无功补偿措施 1 0 变配电所详细设计 包括总体平面布置 所用电 控制及调度方式等 1 1 核算所需器材与总投资 初步设计需要形成的图表有 1 系统总体布置图 包括负荷分布 变配电所的位置及线路布局 2 系统单线接线图 3 变配电所平面布置图 4 变配电所负荷分配和总的负荷计算表 厂矿供配电剀计算辅助设计系统研究 5 主要材料设备表 1 2 2 供配电系统设计要求 做好供配电工作 对于促进工业生产 降低产品成本 实现生产自动化和工 业现代化有着十分重要的意义 对供配电的基本要求是 1 安全在电能的供应 分配和使用中 不应发生人身事故和设备事故 2 可靠应满足用电设备对供电可靠性的要求 3 优质应满足用电设备对电压和频率等供电质量的要求 4 经济供配电应尽量做到投资省 年运行费用低 尽可能减少有色金属 消耗量和电能损耗 提高电能利用率 应当指出 上述要求不但相互关联 而且往往互相制约和互相矛盾 因此 考虑满足上述要求时 必须全面考虑 统筹兼顾 1 3 厂矿供配电c a d 系统概述 1 3 1 供配电c a d 系统的特点 鉴于供配电系统设计的复杂性 与机械 建筑等行业相比 供配电c a d 有 其自身的特点 1 数据量大 供配电系统既有强电 也有继电保护 自动装置等弱电设施 通常有两到三 级电压 组成层次多 关系复杂 同时规划设计所涉及的内容繁多 因此供配电 c a d 须处理的数据量非常巨大 2 模型复杂 计算项目多 供配电系统的组成元件之间电磁联系紧密 既存在形体结构的拓扑连接 也 有内在电气量的状态方程约束 因此 供配电系统的网络和元件模型复杂 c a d 中分析计算项目多 算法复杂 常规的分析主要有 负荷统计与潮流计算 故障 分析与设备选型校验 可靠性与经济性分析等 上述分析计算均有较复杂的算法 计算规模随系统的大小 节点与支路数的多少 而不同 在规范化的设计中 供 配电c a d 要进行多方案的分析比较 每一方案均须进行上述计算 3 与数据库链接的高级图形功能 供配电c a d 要求图形与数据库同步链接 能够从图形中提取拓扑信息并进 行分析处理 1 3 2 供配电c a d 系统的发展现状 目前 可用于供配电c a d 的相关软件比较多 但多为针对某些方面的功能 模块阳 12 专门针对供配电系统c a d 开发的软件比较少 己知的仅有浩辰公司的 硕上学位论文 供配电系统集成设计软件 不过大部分的电气c a d 软件如天正电气 理正电气 都有供配电c a d 的功能 主要是面向建筑的供配电c a d 利达公司的s u p e r w o r k s 也提供了专门的工厂供配电c a d 版本 已有的这些商用供配电c a d 软 件存在着这样的特点 1 以二次开发实现 与a u t o c a d 兼容 这些供配电c a d 软件均是通过对成熟的通用工程c a d 软件进行二次开发得 到的 这是由于与另行开发图形系统相比 利用现有的c a d 软件具有开发周期 短 投入低 通用性强的特点 如天正电气 理正电气均建立在a u t o c a d 二次 开发的基础上 浩辰电气有a u t o c a d 二次开发版本 另一个版本也是以自有的 i c a d 软件二次开发为基础 德国a u c o t e c 公司的e n g i n e e r i n gb a s e 软件的二次 开发母体则为微软的v i s i o 由于a u t o c a d 在通用工程c a d 软件领域无可争议 的统治地位 上述软件均与a u t o c a d 兼容 软件界面及操作方式与a u t o c a d 风 格类似 i c a d 与e n g i n e e r i n gb a s e 也提供了d w g 文件格式 生成的文档能在 a u t o c a d 下打开 2 图形功能强大 绘图与计算分离 现有的供配电c a d 软件图形功能都十分强大 不但有种类齐全的电气绘图 工具条 还提供了大量的常用供配电图块 如标准的变电站一次系统图 平面配 置图等 是设计人员能便捷高效的绘制各种所需的供配电设计图 计算方面 也 提供了比较完备的计算模块 能完成供配电设计的各种计算 但是存在一个比较 大的不足之处是绘图与计算功能的分离 绘图时输入的数据不能自动导入计算程 序 这也正是本文研究的系统主要改进目标之一 3 模块功能独立 系统性不强 考虑到开拓市场的问题 现有的供配电c a d 软件均面向通用的电气设计 将供配电c a d 中各个功能都设计为独立的模块 模块之间互不通信关联 这样 处理虽然提高了软件的通用性 但也增加了设计人员的额外负担 如需要重复输 入数据 无法保证前后设计一致等 以供配电系统设计处理流程来进行c a d 是 本文研究的系统的指导思想之一 1 4 本文所做的工作 本文致力于采用面向对象技术 图形技术 优化决策技术 按照国家有关标 准n3 j 研制一个具有面向对象的 有图示化交互功能的高效智能的厂矿供配电 c a d 系统 以实现供配电系统的规划设计 图形绘制 数据计算的一体化 智能 化处理 从而极大地减轻设计人员的工作负担 提高工作效率 主要研究内容如 下 1 研究并建立厂矿供配电c a d 系统模型结构 厂矿供配电网计算辅助设计系统研究 2 研究厂矿供配电系统组成元件属性数据及图元结构数据的组织和关联 技术 建立各类图形元件库及工程图的生成技术 3 研究电气元件的图形实体与后台数据联动技术及一体化供配电技术 4 基于以上成果 研制实现以下专业设计功能的供配电系统c a d 软件 自动优化网架结构 变配电所变压器容量 台数 型号及主结线确定 无功补偿计算 供配电线路自动选型 功率分布及调压计算 变压器分接头选择 高低压电气设备辅助选型 短路计算及设备校验 硕上学位论文 第2 章厂矿供配电c a d 系统的数学模型 厂矿供配电c a d 系统完全模仿实际的供配电系统设计内容和流程 厂矿供 配电系统是整个厂矿设计的重要组成部分 其供配电设计的质量直接影响到工厂 的生产发展 它主要包括变配电所设计 配电线路设计和电气照明设计等 本章 主要讨论前面两项 2 1 变配电所设计的数学模型 厂矿总降压变电所或车间变电所 设计的内容都基本相同 它们包括 变配 电所负荷的计算和无功功率的补偿 变配电所所址的选择 变压器台数和容量 形式的确定 变配电所主接线方案的选择 进出线的选择 短路计算及开关设备 的选择等 2 1 1 负荷计算 计算负荷是供电设计计算的基本依据 计算负荷确定的是否正确合理 直接 影响到电器和导线电缆的选择是否经济合理 若计算负荷确定过大 将使电器和 导线电缆选得过大 造成投资和有色金属的浪费 若计算负荷确定过小 又将使 电气和导线电缆处于过负荷下运行 增加电能损耗 产生过热 导致绝缘过早老 化甚至烧毁 同样要造成损失 由此可见 正确确定计算负荷意义重大 目前负荷计算的主要方法有需要系数法 二项式系数法和利用系数法 此外 还有一些不常用的方法如单位产品耗电法 单位面积功率法 变值系数法等 二项式法考虑了数台大功率设备工作时对负荷影响的附加功率 计算结果往 往偏大 一般用于低压配电线路和配电箱的负荷计算 利用系数法以概率论为基 础 分析所有用电设备在工作时的功率迭加曲线而得到的参数为依据 通过利用 系数 平均利用系数 有效台数 最大系数等系数来确定计算负荷 计算结果比 较接近实际负荷 但计算方法复杂 有待进一步简化 需要系数法是世界各国均普遍采用的确定计算负荷的基本方法 简单方便 也是本文主要采用的方法 其基本公式n 4 1 如下 只 丝只 2 1 仇7 7 钇 q 只t a i l 伊 2 2 s 巧 研 2 3 j 矿供配电网计算辅助设计系统研究 驴击 4 式中 k 甲为设备组的同时系数 即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部容 量之比 k 为设备组的负荷系数 即设备组在最大负荷时的输出功率与运行的设 备容量之比 仇为设备组的平均效率 即设备组在最大负荷时的输出功率与取用 功率之比 7 7 耽 为配电线路的平均效率 即配电线路在最大负荷时的末端功率与 首端功率之比 为用电设备的额定容量 t a i l 妒为对应用电设备组c o s 缈的正切值 u 为额定电压 q 墨 l 分别为计算有功 计算无功 计算容量和计算 电流 从用电设备开始 朝电源方向逐级计算 最后求出用户总的计算负荷的方法 成为逐级计算法 其计算过程以图2 1 所示的供配电系统图为例 图2 1 确定计算负荷的供配电系统示意图阳1 1 供给单台用电设备的支线的计算负荷确定 图2 1 中1 点处 计算目的 用于选择其开关设备和导线截面 由于是给一台设备供电 故不存在同时系数 即k 1 又因为线路较短 线路效率可视为1 即刁毗 1 并且设备的最大运行方式一般可能达到额定状态 负荷系数可取为1 即k 1 故式 2 1 简化为式 2 5 即 p 只l 2 2 5 仉 q c l 只lt a n 妒 2 6 式中 为单台用电设备额定容量 刁 为单台用电设备额定效率 t a i l 缈为单台用 硕士学位论文 电设备的额定功率因数角的正切值 2 用电设备组计算负荷的确定 图2 1 中2 点处 计算目的 用来选择车间配电干线及干线上的电气设备 用电设备组指用电设备性质相同的一组设备 其计算负荷为 只2 髟 2 7 q 2 2t a i l 伊 2 8 式中 k d k z k l 仉 7 毗 为该设备组的需要系数 为该用电设备组容量总和 k w t a i l 缈为该用电设备组的功率因数角的正切值 3 车间干线或多组用电设备组的计算负荷确定 图2 1 中3 点处 如果该干线上有多组用电设备 各用电设备组的最大负荷不一定同时出现 所以负荷计算时要计入同时系数 按下式计算 3 k 勋 只2 2 9 q 3 k z 口 q 2 2 1 0 式中 k 劲为有功负荷的同时系数 0 8 5 0 9 5 k 砀为无功负荷的同时系数 0 9 0 9 7 配 为各组用电设备的有功计算负荷之和 q 为各组用电设备的 无功计算负荷之和 4 车间配电所或建筑物配电所低压母线的计算负荷确定 图2 1 中4 点处 计算目的 以此选择车间变电所的变压器容量 考虑每根干线上的最大负荷不一定同时出现 所以还要引入一个同时系数 计算公式如下 e 4 k 功配3 2 1 1 q 4 k 勋 q 3 2 1 2 式中 k 劲取0 9 o 9 5 k z g 取o 9 3 0 9 7 配3 为各干线上的有功计算负荷之和 q 为各干线上的无功计算负荷之和 5 车间配电所或建筑物配电所高压母线的计算负荷确定 图2 1 中5 点处 计 算目的 以此选择高压配电线及其上的电气设备 由于用户内部高压线路补偿 功率损耗不大 负荷计算时无需考虑 只需在 低压母线计算的基础上加上变压器的损耗即可 即 5 4 缉 2 13 q 5 q 4 缉 2 1 4 此时因为变压器尚未选出 故变压器损耗按下式估算 蝇 o 0 1 5 s 4 绋 0 0 6 s 4 式中 s 为变压器低压侧的视在计算负荷 6 总降压变电所低压侧计算负荷确定 图2 1 中6 点处 2 1 5 2 1 6 厂矿供配电嘲计算辅助设计系统研究 若总降压变电所到车间或建筑物的距离较长 应考虑线路的功率损耗 其功 率损耗由式 2 1 7 和式 2 1 8 计算 即 必呢 3 珐r 昵5 1 0 3 2 1 7 3 三x 耽5 1 0 3 2 1 8 式中 t 为高压配电线上的计算电流 r 昵 x 昵 分别为高压配电线的电阻和电 抗 总降压变电所低压侧的计算负荷即 只6 k 艺 5 a 2 1 9 q 6 k z 口 q 5 鳊 2 2 0 式中 有功 无功负荷的同时系数可取0 8 0 9 7 7 总降压变电所高压侧计算负荷确定 图2 1 中7 点处 把总降压变电所低压侧的计算负荷加上总变压器的损耗即可 变压器损耗公 式为式 2 1 5 和式 2 1 6 此时所得结果为用户的总计算负荷 即 只7 只6 罅 2 2 1 q 7 q 6 嶂 2 2 2 2 1 2 无功补偿 所有具有电感特性的用电设备都需要从供配电系统中吸收无功功率 导致功 率因数降低 功率因数太低将会给供配电系统带来电能损耗增加 电压损失增大 和供电设备利用率降低等不良影响 国家标准g b t 3 4 8 5 19 9 8 评价企业合理 用电技术导则 中规定 在企业最大负荷时的功率因数应不低于0 9 凡功率因 数未达到上述规定的 应在负荷侧合理装置集中与就地无功补偿设备 提高功率因数的方法很多 可分为两大类 即提高自然功率因数的方法和人 工补偿无功功率提高功率因数的方法 提高自然功率因数主要方法是 合理选择电动机的规格 型号 防止电动机 空载运行 保证电动机的检修质量 合理选择变压器的容量 及交流接触器节电 运行 人工补偿的方法通常有采用静电电容器 同步电动机或同步调相机 由于静 电电容器具有重量轻 安装方便 投资少 故障范围小 有功损耗小 易于维护 等优点 工矿企业中多采用安装静电电容器进行无功补偿 1 静电电容器补偿容量的计算 q c c t a i l 仇一t a i l 缈2 2 2 3 式中 既为无功补偿容量 k v a r 只为计算有功负荷 k w 仍 仍分别为补偿前 后的功率因数角 t a i l 仍一t a l l 缈 为补偿率 2 补偿电容器的数量 硕士学位论文 l 望量 2 2 4 q c n 式中 纵为单个电容器的额定容量 k v a r 刀的值应取相近偏大的整数 若为单 相电容器 还应取为3 的倍数 以便三相均衡分配 2 1 3 变电所优化选址 变电所选址的方法可分为两类n 引 一类是依据规划人员的经验预先给出配电 所的可能位置 进而借助于一些优化算法从待选位置中获得较优的结果 另一类 是通过算法的大范围搜索自动寻优得到 文献 1 6 提出一种考虑单位负荷距离成 本的迭代选址方法 它从任意给定的坐标出发 自动计算出最优位置 由于任意 给定的坐标导致迭代次数增多 增加了计算量 本文利用常用的负荷矩法为算法 提供初始计算坐标以减少迭代次数 1 变电所优化选址数学模型 变电所所址的选择应尽量接近负荷中心 以降低配电系统的电能损耗 电压 损耗和有色金属消耗量 配电所的地址优化目标是总的供电成本最小 决策变量 为配电所的坐标 在拥有m 个配电所 刀个负荷点的配电网中 供电成本为 朐疗c y y c 2 2 5 j r j r v 式中 c 为从配电所f 到负荷点 的供电成本 这里假设供电成本与负荷大小 输电距离成线性关系 且单个负荷只有一个 配电所供电 第f 个配电所向 个负荷点供电 拧 则有 c 口 缈j d l 2 2 6 式中 吩为单位负荷距离的成本 哆为负荷点 的功率 毛为变电所f 到负荷点 的直线距离 式 2 2 6 代入式 2 2 5 中得到 c 口 国 办 2 2 7 使式 2 2 7 分别对变电所的j y 偏微分为零得 筹 静嘶1 扩枷 2 2 8 筹 套喇圹 o 2 2 9 由式 2 2 8 和式 2 2 9 可得出变电所j 的新坐标为 矿供配电网计算辅助设计系统研究 o cj j xj d j l x f 2 二f 一 仪j j f d i l 2 3 0 o c j j y jf d i y 上l 一 2 3 1 y f2 二丁 一 lz o l a j j dq l 式 2 3 0 和式 2 3 1 即为变电所位置坐标的迭代方程 其初始位置由负 荷矩法提供 g m y 2 3 2 迭代过程中给出一个精度值 使新迭代出的位置与前一次计算的位置之差小 于精度值 以判断迭代是否结束 2 变电所选址实例 图2 2 所示为某厂矿配电网地理位置图 该配电网包括1 2 个负荷点 l d l l d l 2 2 个低压配电所 l t s l l t s 2 和1 个高压配电所 h t s l 其 中l t s l 为负荷点l d l l d 5 供电 l t s 2 为负荷点l d 6 l d l o 供电 h t s l 为负荷 点l d l l l d l 2 和低压配电所l t s l l t s 2 供电 负荷点 低压配电线路 图2 2 变电所的位置与配电网的网架结构 l t s l l t s 2 和h t s l 的位置均由计算后自动显示 由于l t s 2 和h t s l 的计 y 一 啪一 d p牛 卢 x 一 弘一 扛年 芦 硕上学位论文 算位置与l d 8 很接近 故将它们在图形中稍加移动以便能清楚分辨 表2 1 给出了采用负荷矩法 文献 1 6 中的直接迭代法以及本文的方法算出的 选址结果 从表中可以清楚看出 经过迭代确定的配电所位置使供电成本显著降 低 表中n 表示迭代次数 通过对比可知初始位置的给定对迭代次数有影响 所 以由负荷矩法给出初始位置可以明显限制迭代次数 表2 1 三种方法的选址结果 负荷矩法 直接迭代本文的方法 坐标 n 坐标 n 坐标n l t s l 9 4 2 11 5 2 0 1 2 3 9 11 2 7 2 2 1 2 3 9 11 2 7 1 5 l t s 2 1 8 11 9 7 7 0 18 9 8 11 2 0 l8 1 8 9 8 1 1 2 0 1 0 h t s l 1 7 6 l 7 8 2 0 1 8 9 6 1 l1 3 2 9 1 8 9 6 1l1 3 2 3 供电成本8 2 9 万元7 5 5 万元7 5 4 万元 2 1 4 变电所变压器的选择 1 变压器台数的选择 1 总变电所默认台数为2 分变配电所默认台数为1 2 当有一级负荷时 默认台数为2 3 季节或昼夜负荷变化大 宜采用经济运行方式的变电所 选择两台 4 确定变压器台数时应适当考虑负荷的发展 留有一定的余地 2 变压器容量的选择 1 变压器容量选择公式如下 在设计时 选择不小于计算量且最靠近的变 压器标准容量 舔 2 3 3 式中 口为容荷比 变压器额定容量与负载的比值 2 装单台变压器时 其额定容量s 应能满足全部用电设备计算负荷 并 考虑负荷发展应留有一定的裕量 容荷比为1 15 1 4 之间 3 装两台变压器时 单台变压器宜满足总计算负荷的6 0 7 0 的需要 所以单台容荷比为o 6 o 7 之间 一台变压器运行时应满足全部一 二级负荷s 2 的需要 即 s 1 2 2 3 4 3 变压器型号选择原则 1 默认采用低损耗节能型变压器s 9 系列 2 多尘或有腐蚀性气体的场所 选择密闭型或防腐型变压器 3 系统需要调压的 选用有载调压电力变压器 j 矿供配电网计算辅助设计系统研究 2 1 5 变电所主接线的选择 供配电系统变电所常用的主接线基本形式有线路一变压器组接线 单母线接 线和桥式接线三种类型 其中线路一变压器组接线比较简单 节约投资 适用于小容量三级负荷 小 型企业或非生产性用户 单母线接线供电可靠性较高 操作灵活 除母线故障或 检修外 可对用户连续供电 当单母线不分段时适用于对供电连续性要求不高的 三级负荷用户 或者有备用电源的二级负荷用户 当单母线分段时 适用于具有 两路电源进线的变电所 可对一 二级负荷供电 桥式接线的接线简单 经济 可靠性高 安全 灵活 对3 5 k v 及以上总降压变电所 有两路电源供电及两台 变压器时 一般采用这种接线方式 2 2 配电线路设计的数学模型 2 2 1 网架结构的确定 目前 网架规划的方法分为数学优化方法和启发式方法n 卜20 l 确定网架结构 的目的其实就是使负荷点从最经济的负荷点或配电所得到供电 例如 一个配电 所供电给两个负荷点 若并联连接比串联连接的线路长 则选后者 为减少线路敷设 负荷应从最近的配电所或负荷点引线 可利用最小生成树 算法中的p r i m 算法来优化网架结构心 考虑到实际布线中线路都是沿着道路敷设 在进行网架结构优化时两点之间 的路径长度采用折线长度表示 即 三 l x f x i i y f y l 2 3 5 式中j 为任意点的编号 算法的具体实现过程为 先将各负荷点按照到配电所的路径长度从小到大排 列 第一个负荷点应直接由配电所供电 第二个负荷点则先计算与第一个负荷点 的路径长度后 将其与到配电所的距离比较 选最小的点连接 第三个负荷点则 在配电所和前两个负荷点中选择路径长度最小的点连接 同理 此后的负荷点选 择距离自己路径长度最小的点连接 直到最后一个负荷点 如此便可以确定一个 合理的网架结构 图2 2 显示了采用该方法规划的网架结构 其中虚线为低压配电线路 加粗 实线为高压配电线路 2 2 2 导线截面的优化选择 合适的导线型号选择是配电网设计的核心问题之一心4 2 引 文献 2 4 提供了一 种配电网导线截面优化决策的综合算法 它根据配电网的特点 基于经济电流密 硕士学位论文 度的概念 提出了边际电压费用的新概念和一整套优化计算方法 但计算中需要 提供大量参数 使算法的可操作性降低 针对配电网设计中决策过程的特点 本 文对其进行简化以利于实际应用心扣27 i 1 导线截面优化选择的数学模型 配电网的年计算费用包括年电能损耗费用 年投资费用和折旧费用 目标函 数应为年计算费用最小 即 m 刀z c s b s 2 3 6 一 l 7 z 一 f lf l 式中 为导线数 s 为第f 条导线的截面积 e 为第f 条导线的年投资费用和 折旧费用 d 为第f 条导线的年电能损耗费用 年投资费用和折旧费用为 c f s 口 y 6 s j c 三f 2 3 7 式中 口为线路投资回收率 y 为线路折旧维修率 厶为导线f 的长度 6 和c 分 别为与线路截面无关部分和有关部分的单位造价 假设各负荷点的功率因数和最大负荷损耗小时数丁近似相等乜引 年电能损耗 为 口 踟 雩箬 祝 2 3 8 u n 式中 只 q u 分别为导线f 的有功功率 无功功率和额定电压 为可变电 价 n 为导线i 的电阻率 注意易与s 是一一对应的关系 约束条件为每条支路 首端至末端 的电压损耗不超出允许范围 辐射网中 的电压损耗为 u 尼 毕 厶 2 3 9 m u 式中 m 七 为第七条支路的导线集合 薯为电抗率 具体的算法是 先利用经济电流密度法求出导线截面的初始解 选出电压损 耗最大的支路作为主要支路 当主要支路的电压损耗不能满足电压约束时 则计 算出主要支路中各段导线的边际电压费用 利用动态规划法心们选出其中的部分导 线段来使边际电压费用之和最小 而电压损耗又满足电压约束 修正导线截面后 再选出电压损耗最大的支路做判断 直到电压损耗满足电压约束则结束计算 选出主要支路中的部分导线段来修正导线截面 其实质就是一个0 l 背包问 题 运用动态规划法可以使截面修正优化 上述算法将计算出理论优化导线截面 根据配电网技术导则 同一个电压级 别截面种类不宜超过三种 在实际应用中应予以校正 2 导线截面优化选择实例 厂矿供配电嘲计算辅助设计系统研究 采用该算法对图2 2 所示的配电网进行了导线截面优化选择 其中参数为 u 3 r 4 0 0 0 h 0 0 5 元 k w h 6 2 5 0 元 k m m m 2 口 0 1 2 y o 0 3 5 表2 2 给出了经济电流密度法选择的导线截面和采用边际电压费用法校验后的导 线截面 优化过程中对部分导线截面作出调整 满足了电压损耗约束 并且使年 计算费用明显降低 表2 2 优化选择导线截面的结果 经济电流密度法算 优化结果 节点1节点2 出的截面 m m 2 截面 m m 2 u l t s ll d 57 09 50 1 5 l d 5 l d 4 1 61 60 6 7 l d 4l d 3l ol oo 3 6 l d 5 l d 2 1 6 2 5 2 1 2 l d 2l d ll o1 60 2 l l t s 2l d 81 2 01 2 00 0 0 2 l d 8l d 73 53 50 6 5 l d 8l d 93 53 51 6 2 l d 8l d l 0 1 02 52 5 3 l d 9l d 61 61 61 0 1 h t s ll t s 29 59 50 0 0 3 l t s 2l t s l3 53 50 4 1 l t s 2l d l l2 52 51 1l l t s ll d l 21 6 1 6 o 4 9 年计算费用 万元 8 1 2 3 1 7 5 4 1 2 2 3 供配电系统的潮流计算 2 3 1 厂矿供配电系统的结构特点 为了较精确的计算电压损失和网络损失 供配电系统需要进行潮流计算 与 输电网相比 供配电网的网络结构有着明显的差异 其主要表现在 供配电网一 般采用闭环设计 开环运行 其结构呈辐射状 配电线的线径比输电线的小 导 致配电网的阻抗比 尺 x 较大 供配电网支路和节点较多 因此 针对输电网的传统潮流算法 如牛顿 拉夫逊法 高斯 赛德尔法 p q 分解法不再适