20kV配电网规划基于负荷预测的研究

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  摘 要:中压配电网是城市配电网发展的基础,随着电力负荷的不断增长, 20kV取代10kV电压等级将成为配电网今后发展的方向。负荷预测是配电网规划的重要内容之一,基于指数平滑法的负荷预测建立的模型计算简便、需要存贮的数据少,通过近期的观察值能快速地计算出新的预测值,适用于近期负荷预测。本文通过对20kV新建工业园区配电网的负荷预测,对基于指数平滑法负荷预测在配电网规划的应用进行了初步探讨。
  关键词:电网规划;电力负荷;20kV中压配电网;负荷预测;指数平滑法
  引言
  随着近年来我国生产力的发展和人民生活水平的提高,电能的生产和消费已经渗透到了社会生活的各个方面。由于电力工业的发展水平对国民经济影响深远,并且对于一次能源的消耗和资金的投入也是相当巨大的,所以,对电力系统进行合理的规划不仅可以获得巨大的社会效益,同时也能够取得可观的经济效益。因此,对电力系统规划问题进行研究,有利于最大限度地提高规划的质量,具有重大的现实意义。
  城市电网的供电质量和供电的可靠性主要取决于中压配电网的结构,中压配电网是城市配电网发展的基础。
  对于配电网的规划,首先需要分析和研究未来负荷增长情况以及城市配电网的现状,进而设计一套系统扩建和改造的方案。在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情况下,对可能的各种接线形式、不同的线路数和不同的导线截面,以运行经济性为指标,选择最优或次优方案作为规划改造方案,使电力公司及其有关部门获得最大的利益。
  配电网规划的主要内容包括:负荷预测、变电站优化、配电网网架优化、配电网潮流计算、正常和故障状态下的可靠性分析等。
  本文参考国内外部分城市电网电压等级配置的现状和经验,依据GB/50239-1999《城市电力规划规范》和GB/50052-2009《供配电系统设计规范》。拟采用20kV作为本文所规划的新建工业园区配电网的电压等级,主要研究基于负荷预测的新建工业园区20kV配电网规划问题。
  1 配电网规划的主要内容
  配电网规划,是指基于负荷预测的结果,通过优化电网结构、最优化馈线选择,使各项参数符合约束条件的要求,并且确保配电网的可靠性与经济性都能满足的规划方案。配电网规划能够通过对配电网络结构的完善和对输变电设备的选择与改进,达到提高配电网供电能力,改善电能质量,降低电网损耗的目标,以适应经济的发展与负荷增长的速度,同时保证配电网供电能力适度超前于当前的电力需求。
  配电网规划的主要内容包括:现有电网的评估、负荷预测、变电站配置优化、输配电网络结构规划、无功优化、配电自动化系统的设计和经济性评价等。在配电网规划工作中,负荷预测占有很大的比重。对配电网进行科学的负荷预测,有助于合理制定用电计划、安排电网运行方式和机组检修计划、提高电力系统的经济效益和社会效益。随着近年来对预测方法的深入研究,负荷预测的准确程度得到了不断的提高,并且已成为电力系统现代化管理的重要内容。
  负荷预测大体包括两个方面的含义:1、对未来新增负荷量的预测;2、对现有负荷在今后一个时期用电量增长的预测。
  按时间长短可将电网负荷预测分为近期(3~5年)、中期(10年)、远期(15~20)三种。每种负荷预测适应于不同配电网规划的需要,有自己特定的适用范围,都是配电网负荷预测的重要组成部分。在制定规划的同时采用新观念和新方法是当前配电网发展形势的需要,以满足安全、效益、市场三个方面的要求。
  本文根据20kV新建工业园区配电网规划方案,基于该工业园区各负荷节点、各规划年供用电量和用电负荷,采用近期负荷预测的方法为配电网规划方案提供了相应的负荷增长预测,同时根据负荷预测的结果,对配电网规划方案进行可靠性分析,证明了工业园区配电网能够满足园区未来三年负荷增长的需求,同时表明该规划方案具有很强的可行性。
  2 、20kV电压等级在我国城市应用现状
  配电网是输电网与电力用户之间的桥梁,它的结构和变电层次配置的合理程度,将会影响到整个供电网络能否安全可靠、经济地运行。
  现阶段,我国电网的电压等级的划分如下:输电电压等级为500、330、220kV,高压配电电压等级为110、35kV,中压配电电压等级为20、10kV,低压配电电压等级为0.4kV。
  我国的中压配电网电压等级主要以10 kV为主。然而,随着日益旺盛的电能需求和快速增长且相对集中的负荷分布,各区域负荷密度增高,导致基于10 kV供电的局限性日渐突出,其主要表现在:10 kV变电站供电半径小,布点密度大,导致10 kV线路可输送容量较小,出线回路增多;设备负载较重,网损量增加,难以保障供电电压质量。
  与传统的10 kV中压配电网相比,采用20kV配电网在输电容量、线损率、电压质量、站点数量、线路通道等方面都具有明显的优势。在提高供电能力的同时,可以降低75 %的电力损耗。据测算,输送同等功率,20 kV供电线路的有色金属耗量可减少50%,节约建设投资约40%等,具有明显的环保效益。
  目前,世界上已知的有十多个国家将20kV电压等级作为中压配电网的标准电压。同时,20kV中压配电网已列入国际电工委员会标准,具有可以借鉴的技术经验。基于上述原因,提高现行中压配电网的电压等级是具有现实意义的。通过比较得出,220/110/10/0.4kV和220/110/35/0.4kV两种变电层次的配电网相比于220/110/20/0.4kV变电层次的配电网,采用后者配电网所获得的技术经济综合指标是最优的。
  本文拟以新建工业园区20kV中压配电网为例,对其进行基于指数平滑法的负荷预测,通过对预测结果的分析研究,讨论该园区配电网规划方案的可行性。
  3 负荷预测的方法与建模
  3.1负荷预测的方法
  负荷预测的方法非常多元化,它们有的从模型建立的出发点、研究内容的方向入手考虑,有的从数据的采集过程、样本容量的大小以及所适用的条件入手考虑。负荷预测的方法可分为非数学方法和数学方法两大类。其中,非数学方法主要是定性预测,多依赖于专家的经验,例如国际比较法、专家估计法等;对于数学方法则主要是定量预测,包括统计和智能预测。在数学方法中,统计预测是基于数学概率统计的方法,例如指数平滑法、趋势分析法和回归分析法等;智能预测是在预测领域里运用现代智能方法,例如灰色模型预测、模糊预测等。   从不同的研究角度出发,可以对负荷预测的各种方法进行如下分析:
  i)、从理论依据上讲,指数平滑法是一种曲线拟合法,对不同历史时期的数据加以不同的权值进行叠加,其适应性较强;趋势分析法和回归分析法从对数学概率统计规律的研究与总结上入手,适用于样本容量大,且未来的发展是当前结果的自然延伸的预测;灰色模型法的研究建立在对杂乱无章的观测数据进行数据整理从而得到一组有较强规律性的序列的基础上,它适用于在样本容量较小的情况下进行分析预测。
  ii)、从数据采集过程来讲,指数平滑法是对原始数据进行指数加权从而强化近期数据,弱化远期数据得到所预测的未来值;趋势分析法和回归分析法是采集原始数据直接建模;灰色系统理论是使用所生成的规律化数据序列进行建模。
  iii)、从所适应的时间长短来讲,适应于近期预测的有指数平滑法、灰色模型法;适应于中、长期预测的有回归分析法、趋势分析法等。其中,趋势分析法和回归分析法相对其他几种方法计算比较简单。
  由此可见,各种方法都有自己所适用的范围和规律,目前还没有统一的标准可以比较各种方法。
  3.2 基于指数平滑法的负荷预测模型
  指数平滑法是外推法中比较重要的类型,以这种方法建模,其模型结构较为简单、需要存贮的数据较少、计算过程较为简便,并且通过近期的观察值能够很快地计算出新的预测值。在电力负荷预测领域,指数平滑法中的线性模型和二次曲线模型应用较为普遍,并且指数平滑法既可以进行短期预测,也可以进行中长期负荷预测,从而这种方法的运用十分普遍。
  指数平滑法模型的建立主要取决于所选数据的各次平滑值,而平滑值的变化受到平滑权系数α大小的制约,因此平滑权系数α的取值在很大程度上可以影响负荷预测的准确度。在以往的研究工作中,基于α来确定目标函数时,对不同时间段的模型误差通常采用同等对待的方式。但在实践中,近期数据误差比远期数据误差对未来负荷预测精度的影响更大,因此在优选α时对模型误差应当采用分别对待的处理方式。
  指数平滑法的基本原理如下:
  其一般公式为:St=αyt+(1-α)St-1 . . . . . . . . . . 1
  式1中,St为第t周期的一次指数平滑值;yt为第t期的实际观察值;St-1为第t-1期的平滑值;α为平滑权系数,取值范围为0≤α≤1,如果α越接近1,则St的过去数据影响越小;相反,影响越大。
  将St-1=αyt-1+(1-α)St-2,St-2=αyt-1+(1-α)St-3,St-3=αyt-1+(1-α)St-4. . .代入公式1可得:
  St=αyt+α(1-α)yt-1+α(1-α)2yt-2+α(1-α)3yt-3+···+α(1-α)t-1y1+(1-α)tS0
  上述公式中各项系数和为:
  α+α(1-α)+α(1-α)2+········+α(1-α)t-1+(1-α)t=α{[1-(1-α)t]/[1-(1-α)]}+(1-α)t . . . . . . . . . . . . . . . . .2
  St是t期及以前各期观察值的指数加权平均数,离t期越远,各期数据的系数就越小,所对预测值产生的影响也越小。
  对于公式1,可变成:
  St=St-1+α(yt-St-1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
  从上式中可看出:指数平滑法在用于负荷预测时,新的预测值是根据本期的预测误差对本期的预测值作出修正得到的,即:新的预测值=前一预测值+α×前一预测值与实际值的误差。
  一次指数平滑处理后,对数据再作一次指数平滑处理就是二次指数平滑法,其计算公式为:
  Dt=αSt+(1-α)Dt-1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
  对线性平滑模型:yt=a+bt;
  其平滑系数计算公式为:
  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
  式中,St为一次指数的平滑值,Dt为二次指数的平滑值。
  4 算例分析
  本次规划以20kV新建工业园区配电网为例,对其进行基于指数平滑法的负荷预测。由于是规划中新建的区域,不存在现有负荷和线路的考虑,这样其远期网架结构便具有较强的适应性和灵活性,在出现新情况时能够有效地接纳其他供电模式。同时应当做到配电网与供电区域的建设发展相适应,符合远期发展的利益,在节省投资费用的同时留有一定供电能力的发展裕度,以满足规划期内园区负荷发展的需求。
  根据园区规划方案,该新建工业区内将配备2座110/20kV变电站,规划有32个负荷节点,其中可选出8个负荷节点作为本文负荷预测的参考节点,这8个负荷节点的地理位置示意图如图4-1所示。每个负荷节点拟采用双电源供电模式,即并联结构的双电源供电模式,其接线图如图4-2所示。
  图4-1 新建工业区8个重要负荷点地理位置示意图
  图4-2:双电源供电模式接线图
  通过对该新建区负荷预测前的资料收集工作,根据园区的整体发展规划,该区主要产业为第二产业,由密集型工业为主,并且依照拟落户于该园区工厂的类型与规模,参考GB/T15587-2008《工业企业能源管理导则》,估算出各节点两年内分季度用电量,并整理出该工业园区两年内分季度负荷功率
  估算数据。采用指数平滑法建立负荷预测模型,根据该8个节点在2年中各季度的负荷功率,对其进行三年的近期负荷预测,得出园区未来3年的负荷功率和用电量的预测结果,如表4-1、4-2所示:
  表4-1:工业园区3年负荷功率预测结果
  表4-2:工业园3年负荷用电量预测结果
  由表4-1、4-2所示的未来三年的负荷功率、用电量预测结果,可画出5年内8个节点分季度的负荷功率分布预测图,如图4-3-1~4-3-4所示。   图4-3-1节点1、2负荷功率分布预测图
  图4-3-2 节点3、4负荷功率分布预测图
  图4-3-3 节点5、6负荷功率分布预测图
  图4-3-4 节点7、8负荷功率分布预测图
  由上图可见,这8个负荷节点曲线均平滑稳定,在未来3年内的负荷功率增长都没有超出规划时负荷节点的容量,此次规划有效可行。
  5 结论
  对电力系统进行有效的负荷预测是配电网规划的重要工作,其准确性将会影响到配电网的规划质量。
  准确的负荷预测,有利于响应国家节能减排要求,降低电网运行成本,兼顾新建园区经济社会两方面效益;同时,也有利于形成网络结构严谨、供电能力强大、电能质量优越、可靠性高、调度灵活的配电网网架结构,为今后园区的发展提供可靠、安全的供电保障。
  在对20kV新建工业园区配电网进行规划的过程中,通过分析比较本文基于指数平滑法所得出的负荷预测数据,可以看出本文所描述的20kV新建工业园区配电网规划方案具有很强的可行性,其供电能力能够满足未来3年的负荷需求,保证了园区供电的可靠性。
  中压配电电压等级引入20kV,能有效提升供电系统的经济性、可靠性及安全性。但是,配电电压等级的选用涉及面广,影响深远,在具体实施前,还应做好充分的调查规划工作,以期在最大程度上发挥20kV电压等级的优势。
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  作者简介
  张蕾琼(1987-),女,浙江嘉兴人,汉族,在读研究生,主要研究方向为电力系统规划、运行及控制。
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