社区配电 实时模型

你负责运行一台 500 kVA 变压器及其低压馈线,它们为 150 户家庭及其电动汽车供电。过载会使绝缘过热并迅速老化;长馈线会让末端电压下沉。每一步是 5 分钟。

你将学到什么

模拟器

时间 0 min
绕组热点温度 59 °C · 变压器负载率 42% · 馈线末端电压 100.0% · 电动汽车充电功率 0 kW中压供电✓ 59°42%500 kVAONAN⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂变压器处电压 100.9% → 馈线末端电压 100.0% · 调压器分接头 0🚗 0 kW · 🌡 30.8 °C · 损耗 3.1 kW⊣⊢相邻变压器负载率 42%⏱ 14:00 · 未供电量 0 kWh
  • 变压器热点低于 110 °C
  • 热点 110–120 °C(老化加快)
  • 热点高于 120 °C
  • 电压在范围内的住户
  • 电压接近限值的住户
  • 超出范围或没有供电
  • 风扇/电容器已投入
  • 约有三辆电动汽车在充电

控制

风扇使冷却容量提高约三分之一;同样负载下油温更低。

受管理的模式只适用于已加入该计划的车主;其余车主到家即充。

为馈线的一部分合上联络开关。相邻馈线有自己的限值(120 %),而且长联络线会造成电压降。

150 kvar 无功支撑:抬高末端电压,并略微减小电流。

每升一档,所有电压升高 1.25 %;轻载时可能把首端电压推到 +5 % 以上。

对热水器和空调进行直接负荷控制:一个块削减 15 % 的居民负荷,持续 60 分钟,之后有 2 小时的闭锁期供它们恢复。被削减的电量有一半会在之后补回来。

指标

绕组热点温度
59°C
正常
变压器负载率
42%
正常
最大电压偏差
0.9%
正常
老化加速系数
0.00×
正常
顶层油温53 °C
室外温度30.8 °C
已消耗的绝缘寿命(等效小时)0.0 h
变压器负荷202 kW
电动汽车充电功率0 kW
变压器处电压100.9 %
馈线末端电压100.0 %
损耗3.1 kW
未供电量0 kWh
被控制切除的负荷0 kWh
电动汽车仍缺的电量0 %
相邻变压器负载率42 %
冷负荷拾取系数1.00 ×

趋势

绕组热点温度: — °C1600

危机场景

第 1 级 · 热浪傍晚的电动汽车高峰

热浪下午:每家每户的空调都在运转,100 辆电动汽车将在 17:00 到 20:00 之间接入——叠加在晚间居民负荷高峰之上。只有 70 % 的车主加入了有序充电。要平安撑到 07:00,既不让变压器过热,也不让它跳闸,还不能靠切负荷。

  • 热点温度始终不高于 110 °C
  • 已消耗绝缘寿命 ≤ 17 小时(不快于正常老化)
  • 没有用户停电
  • 切除负荷 ≤ 60 kWh

第 2 级 · 邻线故障:接带它的用户

17:00,相邻变压器故障。它一半的住户通过长联络电缆被切换到你馈线的末端。额外电流流经你整条线路:要让每户电压保持在额定值的 ±5 % 之内(ANSI C84.1 A 类范围),并避免自己的变压器过载。

  • 所有电压都在 ±5 % 之内(故障 10 分钟后起算)
  • 没有用户停电
  • 热点温度始终不高于 120 °C
  • 切除负荷 ≤ 60 kWh

第 3 级 · 停电后的冷负荷拾取

一个寒冷夜晚,长达六小时的停电在 18:00 结束。所有取暖设备一直关着,所有电动汽车都在等着充电。当班组合上开关时,负荷会回到远高于正常的水平——一旦失去负荷的多样性,变压器就会再次跳闸。要在不发生第二次停电的前提下恢复供电,把电压保持在范围内,并把削减量控制得很小。

  • 不发生第二次停电(未供电量 = 0)
  • 所有电压都在 ±5 % 之内(恢复 10 分钟后起算)
  • 切除负荷 ≤ 120 kWh
  • 所有电动汽车 07:00 前充满(缺电 ≤ 2 %)
  • 开关合闸后(自 18:05 起),变压器负载率保持在 150 % 的继电器启动值以下

依据:数字背后的模型

模拟器使用的每一个关系式及其来源。标注为假设的常数是示意性校准值。

居民用电需求遵循日负荷曲线并随天气变化;每辆电动汽车以 7.2 kW 充电直到充满。
P_homes = 150 × 2.0 kW × shape(h) × [1 + 0.025·max(0, θa−24) + 0.02·max(0, 15−θa)] × CLPU(t); P_EV = Σ 7.2 kW while plugged and not full[9]假设:负荷曲线、电动汽车数据、馈线阻抗、冷负荷参数和风扇容量均为一条通用郊区馈线的示意值,并非真实电网的数据。
顶层油温升以指数规律趋近当前负荷对应的终值,时间常数为数小时。
Δθ_TO,U = 55 K · [(K²R+1)/(R+1)]ⁿ; Δθ_TO ← Δθ_TO,U + (Δθ_TO − Δθ_TO,U)·e^(−Δt/τ_TO), τ_TO = 180 min (ONAN) / 150 min (ONAF); R = P_k/P₀ at the rating K is referred to: 5 (ONAN), 5 × 1.33² ≈ 8.8 (ONAF)[1][2]
绕组热点温度高于油温,并在几分钟内跟随电流变化。
Δθ_H,U = 25 K · K^(2m); Δθ_H ← Δθ_H,U + (Δθ_H − Δθ_H,U)·e^(−Δt/(k22·τw)), k22·τw = 8 min; θ_H = θ_A + Δθ_TO + Δθ_H[1][2]简化:热点温升遵循单一指数(k21 = 1,时间常数 k22·τw)。IEC 60076-7 中双项 f2(t) 在负荷突然阶跃后出现的短暂过冲没有建模,因此热点读数可能短时偏低几开尔文。
冷却档位:风扇改变指数和负荷所参照的额定容量。
ONAN n = 0.8, m = 0.8; ONAF n = 0.9, m = 0.8 (IEEE C57.91), with K and R referred to the ONAF rating (1.33 × ONAN, R ≈ 8.8)[1][3]假设:负荷曲线、电动汽车数据、馈线阻抗、冷负荷参数和风扇容量均为一条通用郊区馈线的示意值,并非真实电网的数据。
绝缘老化速率,以 110 °C 为基准;大约每升高 6–7 K 就翻一倍。
F_AA = exp(15000/383 − 15000/(θ_H + 273)); aged hours = Σ F_AA·Δt; F_EQA = Σ F_AA·Δt / Σ Δt; normal life 180 000 h[1][3][2]
空载损耗加上随电流平方增长的负载损耗。
P_loss = P₀ + P_k·K² + r_f·S_b·(|s_d|²/3 + Re(s_d·s_p*) + |s_p|²) + r_tie·S_b·|s_tie|², s_d = distributed load, s_p = far-end block (incl. capacitor); P₀ = 1 kW, P_k = 5 kW[7][2]
沿变压器和馈线的近似电压降。
ΔV ≈ p·r + q·x (pu); distributed load drops ½ of the lumped value; capacitor Q_c raises V by Q_c·x; V_src = 1.02 + 0.02·(0.5 − shape) + tap × 1.25 %[7]假设:负荷曲线、电动汽车数据、馈线阻抗、冷负荷参数和风扇容量均为一条通用郊区馈线的示意值,并非真实电网的数据。
电压标准规定的供电电压范围。
target |V − 1| ≤ 5 % (ANSI C84.1 Range A); Range B −8.3 % / +5.8 %; EN 50160: ±10 % for 95 % of 10-min means[4][5][6]
保护:变压器和相邻馈线何时跳闸。
trip if K ≥ 1.5 for 30 min (accumulated), K ≥ 2.0 at once, or θ_H ≥ 140 °C; neighbour trips if K_B ≥ 1.2 for 30 min; re-energised after 60 min[2]假设:30 分钟过载整定、2.0 pu 瞬时元件和 140 °C 热点跳闸均为示意整定值,依据 IEC 60076-7 对配电变压器的限值(正常周期性负载 1.5 pu,短时应急 2.0 pu,热点 140 °C)。真实保护使用熔断器或继电器曲线。
停电之后,恒温类负荷会同时启动;额外负荷按指数规律衰减。
M0 = 1 + 1.4·(1 − e^(−D/90 min)); CLPU(t) = 1 + (M0 − 1)·e^(−t/60 min)[8][1]假设:负荷曲线、电动汽车数据、馈线阻抗、冷负荷参数和风扇容量均为一条通用郊区馈线的示意值,并非真实电网的数据。
模型使用的其他常数。
500 kVA transformer, 30 °C rated ambient (55 K oil + 25 K gradient → 110 °C) · 60 EVs, 6–20 kWh need, arrival ≈ N(18:30, 1 h), depart 07:00 · curtailed charging 3.6 kW · transformer r = 1 %, x = 4 %; feeder r = 4 %, x = 2 %; tie r = 10 %, x = 4 % (500 kVA base) · neighbour 400 kVA, 120 homes, transfer ≤ 40 % · capacitor 150 kvar · tap ±4 × 1.25 % · shedding one 15 % block for 60 min, 120 min lockout, 50 % payback · fans 0.4 kW · ±3 % load noise, ±5 % daily scale假设:负荷曲线、电动汽车数据、馈线阻抗、冷负荷参数和风扇容量均为一条通用郊区馈线的示意值,并非真实电网的数据。

随机性:带种子的 mulberry32 生成器;所用分布包括均匀分布、指数分布(逆 CDF)、正态分布(Box–Muller)和泊松分布(Knuth)。种子会显示出来,并且可以分享。

来源

  1. IEEE Std C57.91-2011 — IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators (clause 5 ageing, clause 7 temperature, Annex on cold-load pickup) — IEEE, 2011
  2. IEC 60076-7:2018 — Power transformers, Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers — IEC, 2018
  3. Comparison of Loading Guide Standards (IEEE C57.91 and IEC 60076-7): ageing equations, exponents n/m by cooling mode, 180 000 h normal life — IEEE PES Transformers Committee, C57.91 working group
  4. ANSI C84.1 — Electric Power Systems and Equipment: Voltage Ratings (60 Hz); Range A service voltage ±5 % (114–126 V on 120 V), Range B 110–127 V — NEMA / ANSI (summarised in USDA Rural Utilities Service guidance), 2020
  5. EN 50160:2022 — Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks, clause 4 low-voltage supply characteristics (clause 4 is not in the free preview, which ends at the scope) — CENELEC, CLC/TC 8X (official preview of the English text via the Slovak national standards body ÚNMS SR, STN EN 50160:2023), 2022
  6. A. Klajn, M. Bątkiewicz-Pantuła — Application Note: Standard EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks (LV supply voltage variations: Un ± 10 % for 95 % of the 10-min mean rms values of each week) — European Copper Institute / Leonardo ENERGY, Publication No. Cu0147, 2013
  7. W. H. Kersting — Distribution System Modeling and Analysis (approximate voltage drop, uniformly distributed load, line losses) — CRC Press, 2017
  8. C. Hachmann et al. — Cold load pickup model parameters based on measurements in distribution systems (exponential decay model, CLPU factors ≈ 1.9–2.8) — IET Generation, Transmission & Distribution 13(23), 2019
  9. SAE J1772 — Electric Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler (AC Level 2 charging, e.g. 32 A × 240 V ≈ 7.7 kW) — SAE International, 2017

谁在从事这份工作

教育模型,不可用于实际运营决策。真实站点会根据自己的设备和数据校准每一个常数。