考虑用户行为及户均容量优化的配变容量规划

王庆， 周名煜， 王承民， 刘涌， 李宏仲

(1. 国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000； 2. 上海交通大学 电气工程系，上海 200240；3. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240； 4. 上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

考虑用户行为及户均容量优化的配变容量规划

王庆1， 周名煜2， 王承民2， 刘涌3， 李宏仲4

(1. 国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000； 2. 上海交通大学 电气工程系，上海 200240；3. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240； 4. 上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

配电网是连接输电网和用户之间的关键部分，而在配电网规划过程中，配电变压器的规划又是其中的关键。目前配变容量的规划一般将重点放在负荷预测以及经济性上，缺乏对于用户用电特性和户均配变容量的分析，这使得规划结果可能不能满足负荷需求。为解决上述问题，提出了一种考虑用户行为及户均容量优化的配变容量规划方法，从负荷特性、用户数目以及负荷总量等方面分析用户行为并计算出配变的经济运行区间，并在对户均配变容量进行分析的基础上对配变容量进行优化，利用上述规划方法对实际配电网的配变进行规划，算例结果证明了有效性和实用性。

配电网规划；配变容量规划；用户行为；经济运行区间；户均配变容量

0 引 言

随着社会经济的快速发展，用户对电力的需求也不断增大。配电变压器作为电力系统中广泛应用的重要电气元件，既是电压变换的核心设备，又是用户用电取电的关键部分，其建设、改造乃至运行的经济性和安全性直接影响到整个电力部门的经济效益和广大电力用户的用电质量，对其进行科学的规划和设计可获得巨大的社会和经济效益。因此，将需求侧资源与配变容量规划相结合，提高规划项目评价结果的科学性与合理性，己经成为近年来国内外相关领域的研究重点。

配变容量规划的两个关键环节是负荷需求预测以及配变参数(主要指容量)的确定。传统的负荷需求预测方法主要有单位指标法和单位面积法[1-2]，随着用户规模的扩大逐渐产生了一些新的负荷预测方法，其中最常用的是需要系数法[3-4]，该方法在实际工程应用中取得了很好的效果，成为目前最常用的负荷预测方法。配变参数包括配变容量和数目等，通常在规划中只需要确定配变容量大小即可，文献[5]借助配电容载比的概念对配变的容量和台数进行了分析，文献[6]根据配电线路的线路类型和接线方式确定了接入配变的容量上限，文献[7]对现有的配电线路接入配变容量的标准进行了分析，从安全性角度给出了比较理想的接入标准。

配变容量的提升可以满足用户的用电需求，但过高的配变容量会导致电力设备轻载甚至空载，造成电力部门及国家的投资浪费，经济效益变差，因此，在满足用户需求的同时，应尽可能使配变运行在经济区间内。文献[8]通过对配变的经济运行区间进行划分来确定配变容量，文献[9-10]分别以经济性最好和损耗最小为目标针对区域农村配电网进行分析并相应确定了配变容量，文献[11]引入了总拥有费用的概念来确定配变的经济容量，文献[12]从配变的全寿命周期成本的角度对配变的经济容量进行了分析。

目前除了负荷预测和经济运行之外，配变容量规划的研究也仅限于配变规划建模[13]和计算机辅助规划[14]等方面，而对于用户的实际需求以及户均配变容量均很少有相关研究。本文在基于上述各方面研究的基础上，提出了一种考虑用户行为及户均容量优化的配变容量规划方法，从负荷特性、用户数目以及负荷总量等方面全面分析规划区域的用户行为，通过计算经济运行区间来确定配变的负载率，并在对户均配变容量进行分析的基础上对配变容量进行优化，最后利用上述规划方法对某省的典型居民小区配变进行规划，通过实际算例证明了该方法的有效性和实用性。

1 基于用户行为的负荷预测

本文中主要研究的用户为居民用户，因此用户行为相应的也主要指居民用户的用电特性。

1)居民负荷特性分析

利用回归分析法和平均值法对居民负荷特性进行分析。回归分析法主要通过处理所获得的统计数据，确定几个特定变量之间的数学关系形式即建立回归模型，并对回归模型的参数进行估计和统计检验，来分析影响因素对预测对象的影响程度，可以借此求出设备的需用系数、同时率，并可用于负荷指标的预测。平均值法是利用不同的方法来计算数据的平均值从而得到需要的信息，中值法、 期望值法、 加权平均值法等方法均是平均值法，而在负荷特性分析中，平均值法作为常用方法，可用于计算负荷年均增长率、户均最大负荷、负荷密度等负荷特性指标。

2)居民用户数预测

对于已建成或者有建设方案的居民区可以直接统计用户数，而对于没有建设方案或者未建设的居民区则需要进行用户数预测。通常可以采用基于控规的用户数预测方法，根据城市的控规中各地块的用地性质、占地面积、容积率、建筑面积等详细数据参数，参考现有相同区域或相似区域，对该居民区的用户数进行预测。计算得到用户数Nres的具体公式如下：

(1)

式中Nres为用户数；VR为容积率；SA为占地面积；SC为建筑面积；Sav为户均面积。

3)居民负荷预测

常用的居民负荷预测方法有自然增长率法、综合用电水平法、单位指标法和需要系数法等，本文采用需要系数法来对居民负荷进行预测。需要系数是在一定的条件下根据统计方法得出的，它与用电设备的工作性质、设备效率、设备数量、线路效率以及生产组织和工艺设计等诸多因素有关，可以将这些因素整合为一个用于计算的系数，即需要系数，有时也称为需用系数。显然，在不同地区、不同类型的建筑物内，对于不同的用电设备组，用电负荷的需要系数也不相同。利用需要系数法进行负荷预测的计算公式如下：

Ppre=Kx×Ptot

(2)

式中Ppre为预测的负荷总量；Kx为需要系数，表示不同性质的民宅对电器负荷的需要和同时使用的一个系数，与用电设备的工作性质、使用效率、数量等因素有关，一般而言，当用电设备组内的设备数量较多时，需要系数应取较小值，反之则应取较大值，设备使用率较高时，需要系数应取较大值，反之则应取较小值；Ptot为规划区用电设备总容量。

2 配变容量选取与户均容量优化

根据《10 kV及以下变电所设计规范》(GB50053-94)以及《20kV及以下变电所设计规范》(GB50053-2013)，在民用建筑中，当建筑物中的负荷总量确定后，配电变压器的容量可以利用下式计算：

(3)

式中S为配电变压器的容量；Ppre为预测的负荷总量；β为变压器的负载率；cosφav为补偿后的平均功率因数。

由于负荷变化导致负载率变化，变压器的损耗也随之发生变化，如果要使变压器处于经济运行区间内，则必须使负荷变化区间的大部分或者全部处于经济运行区间对应的负载率变化范围内。变压器的经济运行及容量选取可参考变压器的最佳负载系数：

(4)

式中β0为变压器最佳负载系数；P0为变压器空载损耗；Pk为变压器短路损耗；KG为无功当量，对于一级变压器取0.02-0.04，二级变压器取0.05-0.07，三级变压器取0.08-0.1；I0为变压器空载电流百分比；Uk为变压器短路电压百分比；S为变压器的额定容量，单位为kVA。

但是在实际运行中，变压器容量往往并不能按照最佳负载系数来选择。在变压器的运行过程中，自身的有功、无功消耗均随着负载的变化而发生非线性变化，而在该非线性曲线中始终存在一个损耗最低点，将此损耗最低点的负载系数称为综合功率经济负载系数，选取该系数作为变压器负载率的基准，其计算公式如下：

(5)

式中βJZ为综合功率经济负载系数；T为统计周期总时间，单位为h；Ai为统计周期内第i小时的用电量，单位为kWh。

配电变压器的容量大致确定之后，需要从户均配变容量的角度对选取的配变容量的合理性进行分析，并对配变容量进行一定程度的优化。一般而言，配变容量的优化遵循如下三个方面的原则：(1)协调性原则；(2)差异化原则；(3)经济性原则。基于上述几个方面对配变容量进行优化，户均配变容量的计算公式如下：

(6)

式中Sav为户均配变容量；Nc为配变涉及的用户数；cosφi为第i个用户的功率因数，其中变电站10 kV侧应达到0.9及以上，容量达到100 kVA及以上的电力用户的功率因数应达到0.9以上，农业用户的功率因数达到0.8及以上。

3 算例分析

以某省的典型居民小区为例进行配变容量分析与规划。

1)负荷特性分析

分别选取A、B、C类区域中的一个居民小区进行负荷特性分析，采集A1、B1、C1三个小区的每小时负荷值，得到这三个小区的负荷特性指标如表1所示。

从表1可以看出，这三个小区的户均最大负荷、日平均负荷、日最小负荷率、日峰谷差、日峰谷差、日峰谷差率呈逐年上升趋势，最大负荷利用小时基本成下降趋势，说明居民最大负荷逐年上升，波谷与波峰差增大，这样会导致设备利用率降低，如果不能够合理配置配变容量，则会导致配变在最大负荷时可能会发生过载现象，但是假如配变容量过大则会使得最小负荷时设备利用率低。

2)负荷预测

仍然以A1、B1、C1这三个小区为例进行分析，使用方法为需要系数法，预测结果如表2所示。

3)配变容量选取

利用负荷预测结果以及式(4)计算A1、B1、C1这三个小区的配变容量值，计算结果如表3所示。

表1 典型居民小区的负荷特性指标

表2 典型居民小区的负荷预测结果

表3 典型居民小区的配变容量取值

4)户均配变容量优化

利用式(7)计算优化后的户均配变容量如表4所示。

表4 优化后的户均配变容量

不同区域经济发展程度不同，负荷密度不同，负荷特性不同，户均配变容量也不同，A、B、C类供电区域的经济发展水平越高，户均配变容量要求越高。由表4可见，利用本文所述的配变容量规划方法，户均配变容量得到了优化，且能够满足一定时间内的负荷增长需求并实现配变的经济运行，证明了本文所述配变规划方法的有效性和实用性。

4 结束语

配变规划是电力系统规划中的重要部分，本文提出了考虑用户行为的配变容量规划方法，并在对户均配变容量进行分析计算的基础上实现了对配变容量的优化，通过实例证明了所提出方法的有效性和实用性。目前户均配变容量并无统一标准，但明确的一点是针对不同的区域经济发展水平，针对不同类型的供电区域，户均配变容量的标准应该不同，且负荷需求越大的地区户均配变容量也应越大。

[1] 马振东，王录．住宅小区配变容量的合理选择[J]．农村电气化，2003,25(5)：14-15．

[2] 郝晓晓．住宅小区用电负荷及配变容量的测算[J]．华北电力技术，2011,41(8)：16-18，26．[3] 邢建旭．基于需要系数法的住宅小区配变容量配置[J]．浙江电力，2004,126(2)：47-50．

[4] 刘胜利，吴韬，刘海峰．基于用户负荷需求的配变台区容量设计[J]．大众用电，2014,30(3)：26-27．

[5] 向婷婷．低压配电网规划方法研究[D]．重庆：重庆大学，2012．

[6] 吴丹．城市中压馈线装接配变容量限额分析[J]．上海电力，2010,23(Z1)：297-298．

[7] 乐欢，王主丁，吴建宾，等．中压馈线装接配变容量的探讨[J]．华东电力，2009，37(4)：586-588．

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[13] 杨江．中压配电网规划模型研究[D]．南昌：南昌大学，2009．

[14] 马占海．居住区配变容量配置的计算机辅助计算[J]．电子技术，2009,47(12)：61-63．

Planning of Distribution Transformer Capacity in Consideration of the User Behavior and Optimized Capacity Per User

Wang Qing1， Zhou Mingyu2， Wang Chengmin2，Liu Yong3，Li Hongzhong4

(1. State Grid Taian Power Supply Company, Taian Shandong 271000, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240,China;3. Shanghai Proinvent Information Technology Ltd.，Shanghai 200240,China;4. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090,China)

Distribution network is a key part of the connection between transmission network and users. In planning process of the distribution network, planning of the distribution transformer plays the key role. Current planning of distribution transformer capacity generally puts the key point on load prediction and economy with the lack of analysis on electricity characteristics and distribution transformer capacity per user which makes the planning results fail to meet the load demand. To solve these problems, we propose a planning method for distribution transformer capacity in consideration of the user behavior and optimized capacity per user. The user behavior is analyzed in terms of load characteristics, the number of users and the total load and the economic operation range of the distribution transformer is calculated and the distribution transformer capacity is optimized based on the analysis of the distribution transformer capacity per user. When the above method is applied to a planning of distribution transformers in a practical distribution network the result demonstrates the effectiveness and practicality of the method.

planning of distribution network；planning of distribution transformer capacity；user behavior；economical operation range；distribution transformer capacity per user

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.014

TM761

A

1000-3886(2016)06-0044-03

王庆(1980-)，男，山东泰安人，副高级工程师，本科，主要从事电网规划研究。

定稿日期: 2016-04-18