社區配電 即時模型

你負責運行一台 500 kVA 變壓器及其低壓饋線,它們為 150 戶家庭及其電動車供電。過載會使絕緣過熱並迅速老化;長饋線會讓末端電壓下沉。每一步是 5 分鐘。

你會學到甚麼

模擬器

時間 0 min
繞組熱點溫度 59 °C · 變壓器負載率 42% · 饋線末端電壓 100.0% · 電動車充電功率 0 kW中壓供電✓ 59°42%500 kVAONAN⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂變壓器處電壓 100.9% → 饋線末端電壓 100.0% · 調壓器分接頭 0🚗 0 kW · 🌡 30.8 °C · 損耗 3.1 kW⊣⊢相鄰變壓器負載率 42%⏱ 14:00 · 未供電量 0 kWh
  • 變壓器熱點低於 110 °C
  • 熱點 110–120 °C(老化加快)
  • 熱點高於 120 °C
  • 電壓在範圍內的住戶
  • 電壓接近限值的住戶
  • 超出範圍或沒有供電
  • 風扇/電容器已投入
  • 約有三輛電動車在充電

控制項

風扇使冷卻容量提高約三分之一;同樣負載下油溫更低。

受管理的模式只適用於已加入該計劃的車主;其餘車主到家即充。

為饋線的一部分合上聯絡開關。相鄰饋線有自己的限值(120 %),而且長聯絡線會造成電壓降。

150 kvar 無功支撐:抬高末端電壓,並略微減小電流。

每升一檔,所有電壓升高 1.25 %;輕載時可能把首端電壓推到 +5 % 以上。

對熱水爐和冷氣機進行直接負荷控制:一個區塊削減 15 % 的住宅負荷,持續 60 分鐘,之後有 2 小時的閉鎖期讓它們恢復。被削減的電量有一半會在之後補回來。

指標

繞組熱點溫度
59°C
正常
變壓器負載率
42%
正常
最大電壓偏差
0.9%
正常
老化加速係數
0.00×
正常
頂層油溫53 °C
室外溫度30.8 °C
已消耗的絕緣壽命(等效小時)0.0 h
變壓器負荷202 kW
電動車充電功率0 kW
變壓器處電壓100.9 %
饋線末端電壓100.0 %
損耗3.1 kW
未供電量0 kWh
被控制切除的負荷0 kWh
電動車仍缺的電量0 %
相鄰變壓器負載率42 %
冷負荷拾取係數1.00 ×

趨勢

繞組熱點溫度: — °C1600

危機情景

第 1 級 · 熱浪傍晚的電動車高峯

熱浪下午:每家每戶的冷氣機都在運作,100 輛電動車將在 17:00 至 20:00 之間接入——疊加在晚間住宅負荷高峰之上。只有 70 % 的車主參加了智能充電。要安全撐到 07:00,既不令變壓器過熱,也不令它跳閘,而且不能靠切除負荷。

  • 熱點溫度始終不高於 110 °C
  • 已消耗絕緣壽命 ≤ 17 小時(不快於正常老化)
  • 沒有用戶停電
  • 切除負荷 ≤ 60 kWh

第 2 級 · 鄰線故障:接帶它的用戶

17:00,相鄰變壓器故障。它一半的住戶通過長聯絡電纜被切換到你饋線的末端。額外電流流經你整條線路:要讓每戶電壓保持在額定值的 ±5 % 之內(ANSI C84.1 A 類範圍),並避免自己的變壓器過載。

  • 所有電壓都在 ±5 % 之內(故障 10 分鐘後起算)
  • 沒有用戶停電
  • 熱點溫度始終不高於 120 °C
  • 切除負荷 ≤ 60 kWh

第 3 級 · 停電後的冷負荷拾取

一個寒冷晚上,長達六小時的停電在 18:00 結束。所有暖氣設備一直關着,所有電動車都在等着充電。當班組合上開關時,負荷會回到遠高於正常的水平——一旦失去負荷的多樣性,變壓器就會再次跳閘。要在不出現第二次停電的前提下恢復供電,把電壓維持在範圍內,並把削減量控制得很小。

  • 不發生第二次停電(未供電量 = 0)
  • 所有電壓都在 ±5 % 之內(恢復 10 分鐘後起算)
  • 切除負荷 ≤ 120 kWh
  • 所有電動車 07:00 前充滿(缺電 ≤ 2 %)
  • 開關合上後(由 18:05 起),變壓器負載率保持在 150 % 的繼電器啟動值以下

依據:數字背後的模型

模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。

居民用電需求遵循日負荷曲線並隨天氣變化;每輛電動車以 7.2 kW 充電直到充滿。
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]假設:負荷曲線、電動車數據、饋線阻抗、冷負荷參數和風扇容量均為一條通用郊區饋線的示意值,並非真實電網的數據。
頂層油溫升以指數規律趨近當前負荷對應的終值,時間常數為數小時。
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]
繞組熱點溫度高於油溫,並在幾分鐘內跟隨電流變化。
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]簡化:熱點溫升遵循單一指數(k21 = 1,時間常數 k22·τw)。IEC 60076-7 中雙項 f2(t) 在負荷突然階躍後出現的短暫過衝沒有建模,因此熱點讀數可能短時偏低幾開爾文。
冷卻檔位:風扇改變指數和負荷所參照的額定容量。
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]假設:負荷曲線、電動車數據、饋線阻抗、冷負荷參數和風扇容量均為一條通用郊區饋線的示意值,並非真實電網的數據。
絕緣老化速率,以 110 °C 為基準;大約每升高 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]
空載損耗加上隨電流平方增長的負載損耗。
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]
沿變壓器和饋線的近似電壓降。
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]假設:負荷曲線、電動車數據、饋線阻抗、冷負荷參數和風扇容量均為一條通用郊區饋線的示意值,並非真實電網的數據。
電壓標準規定的供電電壓範圍。
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]
保護:變壓器和相鄰饋線何時跳閘。
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]假設:30 分鐘過載整定、2.0 pu 瞬時元件和 140 °C 熱點跳閘均為示意整定值,依據 IEC 60076-7 對配電變壓器的限值(正常週期性負載 1.5 pu,短時應急 2.0 pu,熱點 140 °C)。真實保護使用熔斷器或繼電器曲線。
停電之後,恆溫類負荷會同時啓動;額外負荷按指數規律衰減。
M0 = 1 + 1.4·(1 − e^(−D/90 min)); CLPU(t) = 1 + (M0 − 1)·e^(−t/60 min)[8][1]假設:負荷曲線、電動車數據、饋線阻抗、冷負荷參數和風扇容量均為一條通用郊區饋線的示意值,並非真實電網的數據。
模型使用的其他常數。
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假設:負荷曲線、電動車數據、饋線阻抗、冷負荷參數和風扇容量均為一條通用郊區饋線的示意值,並非真實電網的數據。

隨機性:帶種子的 mulberry32 產生器;所用分布包括均勻分布、指數分布(反 CDF)、常態分布(Box–Muller)及泊松分布(Knuth)。種子會顯示出來,並可分享。

來源

  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

誰在從事這份工作

教育模型,不可用於實際營運決策。真實場地會按自己的設備及數據校準每一個常數。