智能电网的配电优化模型研究.docx

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智能电网的配电优化模型研究

智能电网的配电优化模型研究

摘要：

电力工业不仅是我国经济战略中的先行和重点行业，还是我国国民经济的基础，而电网规划也是不确定的一个多变量、多目标、多阶段、多约束的非线性混合整数规划问题。

因为火力发电、水力发电、风能发电的发电原理和优缺点不同，所以各种发电类型的发电成本也不一样，由于电网运输过程中存在电能的损耗，电能的损耗又与电能的运输距离有直接的关系，而本论文电网规划也主要是计算电能运输线路建设、线路运行费用以及各种类型的发电成本在满足经济性和充足性的前提下，对其作出合理的规划。

关键词：

电网损耗；电力调度；合理安排；问题研究

Abstract：

Thepowerindustryisnotonlytheleadingandkeyindustryinoureconomicstrategy,butalsothefoundationofournationaleconomy,andthepowergridplanningisalsoanuncertainmultivariable,multi-objective,multistageandmulticonstraintnonlinearmixedintegerprogrammingproblem.Becauseofthedifferentprinciplesandadvantagesanddisadvantagesofpowergeneration,hydroelectricandwindpowergeneration,thecostofvariousgenerationtypesisdifferent.Becauseofthelossofelectricenergyintheprocessofpowergridtransportation,thelossofelectricenergyhasadirectrelationshipwiththedistanceofelectricenergytransportation,andthepowergridplanningismainlythecalculationofelectricityinthispaper.Itcanmakereasonableplanningfortransportationlineconstruction,lineoperationcostandvarioustypesofpowergenerationcostunderthepremiseofsatisfyingeconomyandadequacy.

Keywords：

Thegridloss；Powerdispatching；Reasonablearrangement；Studies

1.引言

1.1研究背景

水力发电气三种能源构成了我们生活中不可缺少的生活资源，其中电在1603年英国科学家吉伯特（WilliamGilbert,1603-1640）提出这一概念以来，经过在400多年的发展。

电力已经应用于我么生活的方方面面。

发电种类主要包括火力，水力发电，核电、风力发电以及其他绿色环保电力。

在总的发电中，火力电所用比例最高，约为75.12%，其次是水力发电，因为水力发电的地理特殊性，所以水力发电量约为总的发电量的19.20%，最后是风力发电，由于风力发电是一个新兴的发电种类，技术还不成熟，而且我国风力场分布不均衡，所以风力发电约为5.59%。

而火力在整个国民经济的发展体系中，占据了很重要的地位。

火力发电技术发展较早，技术成熟，而且中国煤炭资源丰富，成本较低。

电力工业一直与中国工业经济的命脉相连。

电力行业作为电力行业不可缺少的组成部分，其能耗指标也呈下降趋势。

有关资料显示，我国因呈现能源在西经济在东的分布形式，每年仅在输送途中的消耗就超过1800亿Kw∙h，由于输电导线存在电阻，输电过程中会因为产生电热而造成能耗的损耗，每年在运输电的过程中的输送损耗相当于三峡大坝的发电总量。

1.2电力结构

根据中电联相关报道，2010年年底，全国装机容量9.66亿千瓦。

其中火力发电6.55亿千瓦，占67.79%；水力发电20606亿千瓦，占22.36%；风力发电2958亿千瓦，占3.06%。

核能发电1082万千瓦，占1.12%；其他生物质等发电344.2万千瓦，占0.36%，所以火力发电、水力发电、风力发电还是电力工业中的主力军，能源结构以火力发电为主，随着国家的进一步发展清洁能源，火力发电的比例将逐渐减小。

2.我国电力工业现状

2016年，我国供电整体轻松，电力产能达到61425亿千瓦时，相比去年增加了5.6%，2016年我国社会用电达到59198亿千瓦时。

相比去年增加了5.0％。

2016年，第一，二，三产业用电量及增长率如下表：

表2.1产业与年用电量表

年用电量（亿千瓦时）

同比增长率（%）

第一产业

1075

5.3

第二产业

42108

2.9

第三产业

7961

11.2

2.1电网损耗

基于我国工业与资源分布存在很大的差异，电网跨大区运行时电网损耗存在的原因之一，整个电力系统中，发电机、变压器、电网线路、调压设备等都会消耗一定的电能，每年这个庞大的电网系统总会消耗大量的电能，资料显示，如果在输电过程中下降2%的平均线耗率，那么每年就会降低86.73Kw∙h的电能损耗，这个数字相当恐怖，相当于1200MW装机量的发电站一年的发电总量。

也就是说我们在输电过程中的输电损耗是非常大的，如果我们能利用这些损耗的能源，那么这也是一笔不小的资源。

2.2线损

电网在电能运输过程中由于电流流过导线会产生热量造成电能的消损，在运输过程中产生的损耗，我们称为线损。

大多数电网电力负载（例如电机和变压器）属于感抗，必须提供相应的无功功率，这会增加由驱动器引起的线路功率损耗。

这种损耗是因为导体的电阻引起的，所以线损包含了固定损失和变动损失。

固定损失：

电气设备只要在电压下就能消耗电能，产生损失，并且损失不随着电压负荷变化而变化，只随外加电压的变化而变化。

但是外加电压的变化幅度通常不会很大，因此可以看做固定损失。

变动损失：

变动损失也成为可变损失，该损失和电流的平方成正比，即电流的增加就等于损失的增加。

2.3变压器损耗

空载损耗，短路损耗以及其他损耗的总和被称为变压器损耗。

变压器的损耗大体分为：

变压器中心产生的损耗；变压器导体中产生的损耗。

由于变压器运绕组直流电阻随着运行的温度变化而变化，因此变压器运行时损耗也随着运行温度变化而变化。

3优化模型的数据分析

3.1模型的数据分析

我们要研究水力、火力、风力发电的配电优化问题首先要知道三种发电资源的成本，其中优化模型中主要考虑了高压输电线路的建设和运行损耗、维修费用的成本，以及发电过程中各个发电站的发电成本，即设备运行成本、发电能耗损失成本、环境污染成本。

针对以上问题，我们作出假设：

①城市周围已经配套了火力发电厂、水力发电厂、风力发电厂；

②不考虑自然灾害对电路设施的损害；

③不考虑物价上涨对成本的改变；

④忽略线路建造过程中的时间成本。

3.2各种发电的成本计算

3.2.1火力发电

火力发电是利用煤炭的燃烧产生的热量来加热水，使得水变成水蒸气，利用水蒸气来推动发电机组来发电。

燃煤火力发电一般是指利用石油、煤炭和天然气等等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压的水蒸气，然后再由水蒸气来推动发电机组来发电的方式的总称，火力发电的过程中不仅消耗了石油、煤炭等不可再生能源，在其排放的各类污染物对环境生态也产生一定的影响。

也会影响生态的环境承载能力，而环境承载力是衡量人类社会经济活动与环境是否协调的重要指标，所谓既要金山银山，也要绿水青山。

目前不可再生资源的开采将枯竭，并且在利用这些化石燃料的工业进程中产生了大量的污染物。

表3.1火力发电环境污染成本表

常见污染物

环境直接损失（亿元）

4850

987

220

9810

环境成本（元/千瓦时）

0.1795

0.0366

0.1865

0.1065

图3-1环境损失表

燃煤火力发电完全燃烧成本

Ce=Ce（）+Ce（）+Ce（）+Ce（）

Ce=0.1795+0.0336+0.1865+0.1065

Ce=0.5091（元/千瓦时）

3.2.2风力发电

风力发电使用的是可再生的清洁能源——风能，由于风能和太阳能一样，具有无污染、可再生的特点，相对于火电、核电更加绿色环保，所以对风能的利用也提上了议程，而风力发电也是利用风车叶片旋转，将风能转化为机械能，利用旋转的叶片带动风车内置的发电机来发电，风能最为一种清洁的可再生能源，正在世界上形成一股热潮，越来越受到世界各国的重视。

2009年7月，国家发改委价格司发布《关于完善风力发电上网电价政策通知》，按风能资源状况和工程建设条件，将全国分为四类风资源区，由于风力发电整个过程不会产生环境污染，因此不计算环境成本，即（风力发电）=0，风力发电成本电价（风力发电）即可作为风力发电完全成本，成本如下图

表3.2风资源完全成本

风能各区成本电价（元/千瓦时）

风能各区占国土面积比例

风能完全成本（元/千瓦时）

风能丰富区

0.51

8%

0.5744

风能较丰富区

0.54

18%

风能可利用区

0.58

50%

风能贫乏区

0.61

24%

图3-2风资源比例

3.2.3水力发电

水力发电利用的水能在地里位置处于高处的势能，实现将水的重力势能转化为电能的一种发电方式。

其利用河流、湖泊等位于高处的具有较大的重力势能，在水流向下运动的过程中带动发电站中的水轮旋转，将势能转化为机械能，再将机械能带动发电机转动，这时机械能又转化为电能。

对水能利用最早的是水车出现，水车也是利用了水的势能而使得设备运转的。

水力发电站的建设成本与火力发电站的建设相比，很明显火力发电站的建设成本是相对较低的，水力发电站的建设不仅投资比较大，而且建设周期较长，但是论电站建成后的运行成本相比，由于水电站利用的是水的势能，是源源不断的，而火发电站用的是燃煤的燃烧，不仅有限，而且还需要开采、运输成本，而水力发电一旦投产，其运行成本就是基本只有人工与机组折旧两项。

所以水电站相比火电站来说也具有相当大的优势。

综和3.2.1—3.2.3可知表3.3

表3.3各类发电完全成本及距离

电力种类

每度电成本（元）

发电厂到城市的距离

火力发电

≈0.51

50km

水力发电

≈0.02

512km

风力发电

≈0.57

319km

注：

电厂到城市的距离是以重庆为坐标原点，计算最近的火力发电厂、水力发电厂、风力发电厂到重庆主城的距离。

其中水力发电站到主城距离长江三峡水力发电站到主城的距离。

4电网规划数学模型的构建

4.1问题提出

在已知的水力发电、火力发电、风力发电发电厂发电量及城市主要用电量情况下，在不考虑自然非抗力因素对电力设备的破坏损耗，同时假设变电站的扩建或新建时间、地点、容量都已经确定，来决定在规划内线路年费用最小。

4.2问题求解

我们在不考虑各种电站的建造成本的情况下，已知年最小费用为线路建造费用和线路的运行维护费用以及各种发电站的发电成本的总和。

在计算线路的建造费用和贴现费用中，我们假设线路建造总的投资费用为Z，线路的使用年限为n，贴现