直流配电电压等级的确定方法与流程

1.本发明涉及配电技术领域，具体涉及一种直流配电电压等级的确定方法。


背景技术：

2.更高的电压等级能够配送更大的功率至更远的距离，但供电半径受制于负荷密度及其电能质量要求，并随后者的上升而减小。另外，电压等级的升高对绝缘性能要求也随之增大，故障发生概率也增大。因此对供电半径和电气绝缘性能要求以及供电可靠性是影响电压等级的重要因素。在满足安全电流前提下，线路的供电能力与电压等级正相关。因此供电能力将影响电压等级的确定。
3.此外，投资经济型在建设直流配电网中也十分关键，采用不同电压等级对于新建直流配电网、交流配电网的直流化改造、直流设备等投资以及电能损耗费用等会产生不同的结果。
4.因此，如何合理地确定直流配电系统的电压等级是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述技术问题，提供了一种直流配电电压等级的确定方法，能够确定合理的直流配电电压等级。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种直流配电电压等级的确定方法，包括以下步骤：选取电压等级的多个基础值；根据所述多个基础值，采用几何均值原则确定初始电压等级序列；根据供电容量、电能质量和经济性对所述初始电压等级序列中的各个电压等级进行校核，以确定最终的电压等级序列。
8.如果所述初始电压等级序列中的某一电压等级的负荷矩大于同电压等级在交流配电中的负荷矩，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
9.如果所述初始电压等级序列中的某一电压等级在交直流变换情况下对应的调制比处于预设范围内，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
10.如果所述初始电压等级序列中的某一电压等级与相邻的更小的电压等级的比值不小于2，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
11.所述多个基础值包括48v、400v和1500v。
12.所述初始电压等级序列为1500v/750v/220v/48v。
13.本发明的有益效果：
14.本发明通过选取电压等级的多个基础值，并根据多个基础值，采用几何均值原则确定初始电压等级序列，以及根据供电容量、电能质量和经济性对初始电压等级序列中的各个电压等级进行校核，以确定最终的电压等级序列，由此，能够确定合理的直流配电电压等级。
附图说明
15.图1为本发明实施例的直流配电电压等级的确定方法的流程图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明实施例的直流配电电压等级的确定方法可用于确定建筑低压直流配电场景下的电压等级。
18.如图1所示，本发明实施例的直流配电电压等级的确定方法包括以下步骤：
19.s1，选取电压等级的多个基础值。
20.在建筑低压直流配电场景下，电压等级一般不超过1.5kv。结合目前直流供电的实际应用，在通信行业领域，48v和400v是使用最多的直流电压等级；海内外专家学者研究建议将0.38kv作为建筑供电系统直流电压等级；而1.5kv是已然存在于船舰供电系统中的直流电压等级；我国发布的《中低压直流配电网电压导则》中还包括了1000v、750v、600v、220v、110v等相关电压选值。
21.综合上述情况，确定建筑低压直流配电场景下电压等级的上限值为1.5kv，由于目前电子设备以48v适配的情况较多，而48v以下的电压会造成供电能力不足等问题，因此电压等级下限值取48v，对于中间值的选定，根据应用情况可选取400v作为初步值。因此，以48v、400v和1500v作为电压等级的三个基础值。
22.s2，根据多个基础值，采用几何均值原则确定初始电压等级序列。
23.在本发明的一个实施例中，几何均值原则所采用的计算公式如下：
[0024][0025]
其中，u
i-1
、ui、u
i+1
表示电压等级序列中依次相邻的电压值。
[0026]
将上述基础值400v和1500v代入式(1)，并将上述基础值48v和400v代入式(1)，可得到每两个基础值之间的电压等级。
[0027]
将400v和1500v代入式(1)，计算出的值为774.5。然而，考虑到750v已在城轨牵引系统中获得广泛应用，且其与1500v构成整数倍关系，750v又便于与我国低压配电三相交流电压380v衔接，其输送容量和距离均大于交流380v，而750v直流电又满足电动汽车充电需求，也是分布式光伏接入电网的优选电压值，因此将这一级电压等级修正为750v以满足实际需要。
[0028]
将48v和400v代入式(1)，计算出的值为138.6，是一个靠近140的值，然而140v难以适配现有的相关设备，在众多标准以及实际应用中也未曾出现，因此需对其进行进一步修正。可根据原始的基础值48v与上述新确定的750v代入式(1)，计算出的值为189.7，本发明实施例中将《中低压直流配电网电压导则》中的推荐值220v代替该计算结果。220v是作为现代工业厂矿中电力设备的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置等相关设备的供电电源，此外220v的电压等级同样满足分布式光伏并网的电压等级序列优选值。
[0029]
至此，形成了初始电压等级序列为1500v/750v/220v/48v。
[0030]
s3，根据供电容量、电能质量和经济性对初始电压等级序列中的各个电压等级进行校核，以确定最终的电压等级序列。
[0031]
在本发明的实施例中，上述步骤所确定的初始电压等级序列中的各个电压等级是否合理，需要考虑到其在实际应用时供电容量、电能质量和经济性是否满足要求，而供电容量需要与交流配电进行比较，电能质量和经济性涉及换流的情况，由于48v属于超低压配电，基本只存在直流环节，故无需进行校核。
[0032]
下面详细说明根据供电容量、电能质量和经济性进行校核的具体内容。
[0033]
(1)根据供电容量进行校核
[0034]
直流配电的原则之一便是直流配网的供电容量应不小于交流配网。配电系统的供电能力通常用负荷矩表示，即在一定电压等级下，满足供电质量要求的同时，尽可能向更远的地方传输更多的功率。因此，在本发明的一个实施例中，如果初始电压等级序列中的某一电压等级的负荷矩大于同电压等级在交流配电中的负荷矩，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
[0035]
在本发明的一个实施例中，负荷矩的计算实例如下：
[0036]
对于双极直流配电系统，直流线路产生的电压损耗和电压损耗百分数分别如式(2)和式(3)所示：
[0037][0038][0039]
结合式(2)和式(3)，可推出双极直流配电系统的负荷矩和电压损耗关系如下：
[0040][0041]
当线路以最大载流量i
max
供电、线路负载率为β时，双极直流系统的最大供电容量p
dcmax
和最大供电半径l
dcmax
计算如下：
[0042]
p
dcmax
＝2u
dcimax
β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0043][0044]
结合式(3)和式(6)可得双极直流配电系统满足电压损耗百分数约束条件下的供电容量与供电半径的关系：
[0045][0046]
上述各式中，p
dc
为双极直流配电系统的供电容量，l
dc
为双极直流配电系统的供电半径，u
dc
为双极直流配电系统线路的电压，r
0dc
为线路单位长度的直流电阻。
[0047]
交流线路负荷矩以及供电容量如下：
[0048]
[0049][0050]
根据上述各式，可通过负荷矩比来衡量交直流配电系统的负荷矩差异，其表达式如下：
[0051][0052]
式(8)～式(10)中，p
ac
为交流系统的供电容量，l
ac
为交流供电半径，r
0ac
为线路单位长度交流电阻，x0为线路单位长度交流电抗，u
ac
为线路所在电压等级的额定电压，为线路的功率因数角，i为线路上允许流过的电流。
[0053]
在本发明的一个具体实施例中，可取线路负载率为50％，功率因数取0.9，设置电压损耗为额定电压的7％，即电力电缆末端电压偏差允许范围为7％，取3％为直流线路电压损耗百分数进行负荷矩计算。架空线和电缆是配网中常见的两种导线类型，而建筑场景下无论是进行低压直流改造还是建设，在目前电力走廊紧张的情况下，采用电力电缆的方式较为常见。因此选用电力电缆相关线路参数进行负荷矩计算，其电气参数如表1所示。
[0054]
表1电缆线路直流电阻参考值(20℃条件下)
[0055][0056]
根据导体阻抗与温度间的关系可知，任意温度θ下的电阻r
θ
与r
20
存在如下的关系：
[0057]rθ
＝r
20
[1+α(θ-20)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0058]
式中，r
θ
为导体实际工作温度时的直流电阻值，r
20
为导体20℃条件下的直流电阻值，α为电阻温度系数，根据工程经验可取0.004，θ为导体实际工作温度。
[0059]
以校核750v为例，根据式(11)，可计算在直流电压等级750v(
±
375v)下导体工作温度为90℃时的负荷矩，其结果如表2所示。
[0060]
表2
[0061][0062]
为进一步说明低压直流配电在配电容量、距离上的优势，选取民用交流配电380v电压等级负荷矩进行对比计算。其中，交流负荷矩按功率因数0.9，单位电抗按0.078ω/km计算，结合上式可得结果如表3所示。
[0063]
表3
[0064]
截面积/mm2507095120150185240300负荷矩/(kw
·
km)3447637690106129149
[0065]
由表2和表3可知，电压等级越高，负荷矩越大，且负荷矩与电压成二次增长关系，提高电压等级可大幅度提高负荷矩。当低压直流采用+375v时，直流系统负荷矩与传统交流380v系统相当，但直流系统允许电压偏差更大，其适应性更强；当采用极间750v配电时，直流配电系统的负荷矩会得到明显提高。因此，从负荷矩角度进行校核可知，750v的电压等级在供电容量方面是较为合理的。
[0066]
(2)根据电能质量进行校核
[0067]
建筑低压直流配网经交流配电系统取电时需进行ac/dc换流，变流设备常采用电压源型换流器。对于电压源型换流器，交流相电压峰值与换流设备单极输出直流电压之比定义为调制比，根据大量的分析和实验，调制比处于0.7～0.95区间内时，换流器具有较好的电压利用率和谐波含量指标。
[0068]
因此，在本发明的一个实施例中，以调制比为衡量直流配电电能质量的指标，如果初始电压等级序列中的某一电压等级在交直流变换情况下对应的调制比处于预设范围内，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
[0069]
设交流配电系统线电压有效值为u
ac
，换流设备直流侧极间电压为u
dc
，换流器调制比为m，则有以下关系：
[0070][0071]
将不同的交直流电压等级代入式(12)，可得不同电压等级交直流变换情况下对应的调制比数据，其结果如表4所示。
[0072]
表4
[0073] 等级1等级2交流侧电压660v380v直流侧电压1500v750v调制比0.7180.827
[0074]
如表4所示，交直流变换环节主要集中在1500v和750v两个电压等级，而直流750v仅需要经交流市电380v即可实现调制比为0.827的电能变换，而对直流1500v的电压等级，交流电压等级660v侧实现电能变换下的调制比为0.718，即可在满足电能质量要求的情况下实现变换。由此可知，1500v和750v的电压等级满足电能变换的质量要求。
[0075]
(2)根据经济性进行校核
[0076]
在确定合理的直流配电网电压等级序列的过程中，需考虑电压等级级差过大对直流变压器、断路器等设备的设计、生产、运行提出更高要求，也可能会引起供电范围不能够有效重叠，线路出线增多，系统损耗增大等问题；级差过小则不能充分发挥各个电压等级的作用，同时也会产生供电范围大量重叠，增加变电次数，造成投资费用增加等问题。
[0077]
因此，本发明实施例采用“舍二求三”原则，对所选取的直流配电电压等级序列进行经济性分析。所谓“舍二求三”，即相邻两个直流电压等级之间的倍数应力争靠近或超过“3”，其各相邻直流电压等级之间倍数应不小于或等于“2”。换言之，如果初始电压等级序列中的某一电压等级与相邻的更小的电压等级的比值不小于2，则保留该电压等级，否则剔除该电压等级。
[0078]
按照上述原则对初始电压等级序列中的各个电压等级进行校核，其结果如表5所示。
[0079]
表5
[0080]
电压等级(v)与相邻下一电压等级的比值1500/75022203.41484.58
[0081]
由表5可知，初始电压等级序列中的各个电压等级均满足上述原则，均通过了经济性方面的校核。
[0082]
通过上述供电容量、电能质量和经济性三个方面的校核，确定最终的电压等级序列为1500v/750v/220v/48v。
[0083]
根据本发明实施例的直流配电电压等级的确定方法，通过选取电压等级的多个基础值，并根据多个基础值，采用几何均值原则确定初始电压等级序列，以及根据供电容量、电能质量和经济性对初始电压等级序列中的各个电压等级进行校核，以确定最终的电压等
级序列，由此，能够确定合理的直流配电电压等级。
[0084]
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0087]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0088]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0089]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0090]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。