一种计及变压器油温的配电网负荷转供方法

1.本发明涉及电力系统运维技术领域。


背景技术：

2.按照城市电网负荷的长期高速增长的态势，且受某些因素影响导致输变电设备无法按 时计划检修等因素，变压器设备的绝缘强度不断老化，再加上部分地区出现持续高温天气， 造成220kv枢纽变电站的供电能力将受到变压器容量和顶层油温不超限的双重限制，直接 导致大幅降低了110kv城区电网的供电承载能力。为保障大电网安全，避免发生因设备超 限出现大面积停电事件，这对现代城市电网的负荷精准调控提出了严峻的挑战。
3.通过制定配套的管理措施，应用多元化的监测分析手段，一旦220kv变压器顶层或者 热点油温越上限，运维人员立即在变电站端采取喷水、放冰块等降温措施抑制变压器油温 持续增长。通过这种方式，利用不同220kv变压器的降温能力，消除或者减轻220kv枢纽 变电站供电容量“卡脖子”现象。其应用效益包含：一方面，可在负荷高峰期避免输变电 设备关键断面、电网元件超稳定限额运行，降低大电网的运行风险；另一方面，全面盘活 变压器容量的富余灵活性资源，有助于从全局角度超前进行全网负荷优化分配，最大程度 保证用户可靠用电，确保完成保安全、保供电、保民生的工作目标。
4.目前，对针对变压器温度的相关建模方法，国内外许多学者忽视了电网紧急调度中须 权衡变压器利用率提升和油温上升的关系。如果遇到单个变压器顶层油温或热点油温出现 越限，国内外学者则采用了需求侧响应、切负荷、负荷转移等方法进行建模。这些研究均 是以单个变压器为建模对象，而不是以整个受端城市电网为研究对象。综上所述，现有研 究成果无法同时兼顾城市电网承载容量不够、变压器温度高的双重挑战。


技术实现要素：

5.针对上述技术的不足，本发明提供了一种计及变压器油温的配电网负荷转供方法，解决 如何兼顾保障电网承载容量与变压器温度不越限的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种计及变压器油温的配电网负荷转供方法，包括 以下步骤：
7.配电网中包括低电压等级变电站与高电压等级变电站，低电压等级变电站的负荷由高 电压等级变电站供电；
8.根据配电网的拓扑结构建立负荷转供优化模型，所述负荷转供优化模型包括目标函数、 系统运行约束以及变压器油温约束；
9.根据所述负荷转供优化模型，将低电压等级变电站的负荷转供至另一高电压等级变电 站供电。
10.进一步的，所述负荷转供优化模型为混合整数规划模型，采用混合整数规划工具包中 的cplex工具包求解。
11.进一步的，对高电压等级变电站的变压器油温约束进行线性化，得到线性化的变
压器 油温约束：
[0012][0013]
式中，为t+1时刻的变压器热点油温；为t+1时刻的变压器顶层油温；为 t时刻的变压器热点油温；为t时刻的变压器顶层油温；t时刻到t+1时刻为一个负荷转 供优化周期；为t时刻的变压器负荷变化量；sn为变压器的额定容量；为冷源温 度的变化量，为环境温度变化量，为环境温度变化量，为变压器 顶层温度的变化量，θ
hs_max
为变压器热点油温上限值θ
to_max
为变压器顶 层油温上限值；
[0014]
ω1、ω2均为线性化系数：
[0015][0016]
式中，c1＝-h(2r
oth-r
bt
)/(2r
ath
)，h为热点温度温度系数，r
oth
为变压器油侧的等值热 阻，r
ath
为变压器空气侧的等值热阻，r
bt
为常规的强迫油循环方式下不同温度绝缘油相混 合对应的热阻，强迫油循环导向冷却方式下，内部油温分布均匀，此时认为r
bt
＝0； c2＝1-c1；δt为时刻t和时刻t+1之间引入的离散化时间区间，实际上代表了一个负荷转 供优化周期；
[0017]
式中，ke＝2k
t
pkm(p0+(k
t
)2pk)
m-1
；p0变压器的空载损耗；pk为变压器的短路损耗；m 为变压器油指数；k
t
为t时刻变压器的负荷系数；
[0018]
式中，ηo＝r
oth
/(r
oth
+r
ath
)；r
oth
为变压器油侧的等值热阻；r
ath
为变压器空气侧的等值热 阻；
[0019]
式中，a为时刻t的常数矩阵：
[0020]
式中，d1、d2、d3的表达式如下：
[0021]
[0022]
式中，r
ir
为热阻；ca为外部冷源相对于环境的热容；c
th
为变压器的等值热容。
[0023]
进一步的，按如下方式对高电压等级变电站的变压器油温约束进行线性化：
[0024]
分别建立自然温度下和计及人工强制性降温措施下的变压器顶层油温和热点油温的 理论模型；
[0025]
采用热电类比法建立所述理论模型的等效热模型；
[0026]
采用扰动法对所述等效热模型进行线性化处理，并采用隐性梯形法进行离散化，取离 散化时间区间δt，然后采用改进欧拉法对t时刻的环境温度的变化量和变压器顶层油 温的变化量进行预测，得到的预测模型；
[0027]
在一个负荷转供优化周期δt内，人工强制性降温的冷源温度的变化量忽略不计， 即并将代入所述预测模型中，得到关于变压器热点油温 和变压器顶层油温的变化量的线性化预测模型；
[0028]
将所述关于变压器热点油温和变压器顶层油温的变化量的线性化预测模型 进行改写，从而得到所述线性化的变压器油温约束。
[0029]
进一步的，所述配电网为110kv变电站，所述高电压等级变电站为220kv变电站；
[0030]
以负荷转供过程中110kv线路开关的总动作次数最少为目标，建立单个负荷转供优化 周期内目标函数：
[0031][0032]
式中，s
jt
为第t时刻遥信采集的110kv线路开关j的状态，0表示开关是拉开状态，1表示 开关是运行状态；s
jt+1
为第t+1时刻遥信采集的110kv线路开关j的状态；ns表示总的 110kv线路开关个数。
[0033]
进一步的，所述系统运行约束包括：
[0034]
110kv线路开关状态须满足110kv电网的有功平衡约束；
[0035]
110kv变电站直供接线方式和串供接线方式需满足辐射型约束条件；
[0036]
220kv变电站内所有变压器允许传输的最大有功功率约束；
[0037]
220kv变压器在t时刻和t+1时刻之间的转供负荷约束。
[0038]
进一步的，110kv线路开关状态须满足110kv电网的有功平衡约束：
[0039]
对于110kv变电站直供接线方式，有功功率平衡方程为：
[0040][0041]
对于110kv变电站串供接线方式，有功功率平衡方程为：
[0042][0043]
式中，为t时刻220kva1站的主变下网量；为t时刻220kva1站的主变下网 量；为t时刻遥信采集的110kv线路开关i的状态；第t时刻遥信采集的110kv线路 开关
j的状态；为t时刻遥信采集的110kv线路开关k的状态；l
t
为t时刻有功功率平 衡方程对应的线性系数矩阵；b
t
为t时刻有功功率平衡方程对应的负荷系数；为t时刻110kvc站的负荷量；为t时刻110kvd站的负荷量。
[0044]
进一步的，110kv变电站直供接线方式和串供接线方式需满足辐射型约束条件：
[0045]
对于110kv变电站直供接线方式：
[0046]
对于110kv变电站串供接线方式：
[0047]
式中，为t时刻遥信采集的110kv线路开关i的状态；第t时刻遥信采集的110kv 线路开关j的状态；为t时刻遥信采集的110kv线路开关k的状态。
[0048]
进一步的，220kv变电站内所有变压器允许传输的最大有功功率约束：
[0049][0050]
式中，为t+1时刻第i个220kv站主变的下网有功功率；n
s,i
为第i个220kv变电 站内变压器个数；n
s,i
·sn,i
为第i个220kv变电站内所有变压器允许传输的最大有功功率； n
t
为220kv变电站个数；t为所有时刻值的集合；为t+1时刻220kv变电站i对应有 功功率平衡方程的线性系数行向量，s
t+1
为t+1时刻的开关状态列向量，为t+1时刻 220kv变电站i对应有功功率平衡方程的负荷系数。
[0051]
进一步的，220kv变压器在t时刻和t+1时刻之间的转供负荷约束：
[0052][0053]
式中，为220kv变压器在t时刻和t+1时刻之间的转供负荷；l
t+1
为t+1时刻有功 功率平衡方程对应的线性系数矩阵；δs
t
为t时刻和t+1时刻之间开关状态变化量，b
t+1
为 t+1时刻对应有功功率平衡方程的负荷系数。
[0054]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
[0055]
1、现有技术中忽视了电网承载容量与变压器油温的矛盾关系：随着负荷的升高，需要 提高电网承载容量，提高电网承载容量就要求单个高电压等级的变压器接入，单个高电压 等级的变压器输出功率越高，变压器油温越高，容易导致过载；但是，如果不将低电压等 级变电张的负荷转供至单个高电压等级的变压器，就不能提高电网承载容量，无法满足负 荷需求。本发明在负荷转供过程中，考虑到了高电压等级变电站的变压器油温约束，并且 根据配电网的整个拓扑结构建立负荷转供优化模型，达到如下效果：例如在某台220kv变 压器温度过高时，将这台变压器的110kv负荷转移到另一台220kv变压器上，那么就能降 低原220kv变压器的温度，同时，由于模型中有温度约束，那么根据本发明的负荷转供优 化模型计算出来的最优方案来转移负荷后，所有变压器的温度都能在安全范围内。
[0056]
2、本发明的负荷转供优化模型为混合整数规划模型，采用混合整数规划工具包中的 cplex工具包求解，能够在秒级内进行求解，具备在线程序化计算优势，对量化城市电网 的承载能力具有重要指导意义。
[0057]
3、本发明的负荷转供优化方法能够在城市电网负荷高峰期，灵活地重构高压配电网运 行方式转供重载的220kv枢纽变电站负荷，最大程度保证用户可靠用电，缓解高峰负荷期 间的电力供需矛盾。
[0058]
4、本发明的负荷转供优化方法能够确保整个负荷转供过程中，不会引起任意高电压等 级的变压器顶层油温和热点油温越限，能够保证枢纽高电压等级的变压器的承载能力在安 全的范围之内，同时也对保障整个城市电网输变电设备安全运行具有重要意义。
附图说明
[0059]
图1为等效热模型；
[0060]
图2为人工降温措施下简化模型；
[0061]
图3为负荷转供优化周期t与变压器温度采样周期δτ的关系图；
[0062]
图4为110kv变电站直供接线方式图；
[0063]
图5为110kv变电站串供接线方式。
具体实施方式
[0064]
本发明所提供的一种计及变压器油温的配电网负荷转供方法，包括以下步骤：
[0065]
配电网中包括低电压等级变电站与高电压等级变电站，低电压等级变电站的负荷由高 电压等级变电站供电；根据配电网的拓扑结构建立负荷转供优化模型，所述负荷转供优化 模型包括目标函数、系统运行约束以及变压器油温约束；根据所述负荷转供优化模型，将 低电压等级变电站的负荷转供至另一高电压等级变电站供电。
[0066]
本具体实施方式以低电压等级变电站为110kv变电站，高电压等级变电站为220kv变 电站为例，进行说明。但是本发明所提供的计及变压器油温的配电网负荷转供方法，适用 于任意高、低电压等级之间的负荷转供。
[0067]
为了更好体现本发明的发明目的、技术方案与有益效果，下面结合附图对具体实施方 式进行说明。
[0068]
一)建立高电压等级变电站的变压器油温约束
[0069]
步骤1：建立220kv变压器顶层油温与环境之间的“电-热”耦合微分方程，即分别建 立自然温度下和计及人工强制性降温措施下的变压器顶层油温和热点油温的理论模型。下 面以强迫油循环油浸式220kv变压器为建模对象，给出其变压器热模型如图1和图2所 示。在图1中不同的热阻与传热方式、绝缘油及空气热参数和变压器结构等相关，将变压 器油侧和空气侧热阻合并后，采用热电类比法可建立强迫油循环风冷变压器的等效热模型， 可得图2简化模型。变压器绕组热源由电流源q
t
等值，包括绕组、铁心和杂散损耗；c
th
为 变压器内绝缘油、绕组和油箱等组成的等值热容，r
on
、r
of
为变压器热量传递至绝缘油的自 然换流和强迫换流热阻；r
bt
为常规的强迫油循环方式下不同温度绝缘油相混合对应的热阻， 而强迫油循环导向冷却方式下，泵口的冷油在一定压力下送入线圈、线饼和铁心的油道， 内部油温分布更加均匀，此时近似认为r
bt
＝0；r
dr
为散热器向周围空气传热的辐射热阻， r
an
和r
af
为风冷散热中空气自然对流、强迫对流的热阻。
[0070]
根据gb/t1094.7-2008和iec 60076-7导则可知变压器的热源为与空载损耗、短路损 耗和负荷系数相关的函数q
t
＝(p0+k2pk)m。将其代入图1简化等值模型，可根据前述和
得变压器平均绕温底层油温和顶层油温的微分方程为：
[0071][0072]
式中，c
th
、r
oth
、r
ath
、p0、pk和m由变压器设计参数决定，且r
oth
和r
ath
还分别与油泵和 风扇的台数、额定功率有关。
[0073]
对于人工强制性降温措施，其简化热模型如图2所示，人工强制性降温的冷源温度θ
it
和环境温度之间的差为温差，主要由热阻r
ir
和外部冷源相对于环境的热容ca决定。因 此，列写环境温度的微分方程为：
[0074][0075]
根据iec 60076-7导则，220kv变压器热点温度是关于和的经验函数，即
[0076][0077]
式中，h指的热点温度温度系数，h＝1.3。
[0078]
步骤2：在步骤1的基础上，实现220kv变压器顶层油温和热点油温微分方程的线性 化推导，形成变压器顶层油温和热点油温线性约束。在时刻t，采用扰动法对式(2)和式(3) 进行线性化处理。220kv变压器热点油温和顶层油温的变化量和进一步可得
[0079][0080][0081]
式中，ηo＝r
oth
/(r
oth
+r
ath
)，ke＝2k
t
pkm(p0+(k
t
)2pk)
m-1
，a和b为时刻t的常数矩阵，即
[0082]
[0083]
采用隐性梯形法对式(4)进行离散化，取离散化时间区间δt，则和可根据改进欧 拉法得到，结果见式(8)。该方法包含一个预测步长和一个校正步长。首先，在预测步长中， 可得到预测和
[0084][0085]
然后，代入式(7)预测的和进入校正步长，则推出时刻t的和为：
[0086][0087]
需要注意的是，在时刻t和时刻t+1之间引入离散化时间区间δt，实际上表示了一个 负荷转供优化周期。在实际中，变压器温度的热时间常数普遍大于变压器温度采集装置的 采样周期δτ。这些与时间相关的参数关系如图3所示，在图中每一个绿色正方体表示1个 采样周期δτ。在一个负荷转供优化周期δt内，可忽略，即下面将下面将和式(7)代入式(8)，得到：
[0088][0089]
式中，c1＝-h(2r
oth-r
bt
)/(2r
ath
)，c2＝1-c1，常数矩阵a由式(6)获得；d1,d2,d3可以写成式 (10)，ω1,ω2可以由式(11)计算得到。
[0090][0091][0092]
由此，将式(9)改写可得到220kv变压器顶层油温和热点油温的线性约束，即
[0093]
[0094]
二)结合线性化的变压器油温约束建立负荷转供优化模型
[0095]
根据城市高压配电网转供方程，建立考虑220kv变压器顶层油温和热点油温限制的城 市高压配电网负荷转供优化模型，在110kv线路开关动作次数最小的工况下给出计及 220kv变压器顶层油温和热点油温限制约束下的高压配电网转供方案。当第t个时段110kv 电网方式调整时，应考虑110kv线路开关的总动作次数最少，故在单个负荷转供优化周期 内的控制目标表示如下
[0096][0097]
式中：s
jt
为第t时刻遥信采集的110kv线路开关j的状态，0表示开关是拉开状态，1表示 开关是运行状态；s
jt+1
为第t+1时刻遥信采集的110kv线路开关j的状态；ns表示总的 110kv线路开关个数。
[0098]
在负荷转供优化周期δt内，假设负荷大小几乎保持不变，则当时刻t的负荷转供优化 任务执行完以后，高压配电网的110kv线路开关状态须满足110kv电网的有功平衡约束。 设表示时段t时第i个220kv站主变的下网有功功率，n
s,i
为第i个220kv变电站内变 压器个数；n
s,i
·sn,i
为第i个220kv变电站内所有变压器允许传输的最大有功功率，n
t
为 220kv变电站个数。
[0099][0100][0101]
式中：和分别指时刻t高压配电网转供方程的负荷系数，其中i表示第i个变电站； 可通过两个典型接线方程获取。图4和5分别给出了110kv变电站直供 接线方式和串供接线方式。对图4中110kv变电站直供接线方式，可得其有功功率平衡方 程为
[0102][0103]
对于110kv串供接线方式，可得其功率平衡方程为
[0104][0105]
由于110kv高压配电网的辐射型运行特性,110kv变电站直供接线方式和串供接线方式需 满足辐射型约束条件，即
[0106]
直供:
[0107]
串供:
[0108]
根据式(14a)，220kv变压器在时刻t和t+1之间的转供负荷大小为
[0109][0110]
综上所述，基于混合整数规划的负荷转供优化模型在单个负荷转供优化周期δt内，以目标 函数式(13)和系统运行约束条件(14)～(18)以及220kv变压器顶层油温和热点油温线性约束 式(12)组成了考虑220kv变压器顶层油温和热点油温限制的高压配电网负
荷转供优化模型， 并采用混合整数规划工具包cplex进行求解。