傅曉飛，廖天明，紀(jì)坤華

(國家電網(wǎng)公司上海市電力公司，上海 200120)

基于交叉聯(lián)合供電的多配電臺區(qū)網(wǎng)損優(yōu)化

傅曉飛，廖天明，紀(jì)坤華

(國家電網(wǎng)公司上海市電力公司，上海 200120)

低壓臺區(qū)配電變壓器存在冗余度高、整體利用率低等缺陷。為優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提高配電網(wǎng)設(shè)備利用效率，以多配電臺區(qū)網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)，各運(yùn)行條件為約束，建立一種基于交叉聯(lián)合供電運(yùn)行模式的網(wǎng)損優(yōu)化模型，并采用粒子群算法對其進(jìn)行求解。上海某實(shí)際配電網(wǎng)的算例分析表明，交叉聯(lián)合供電模式可以有效降低臺區(qū)網(wǎng)損，為社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

交叉聯(lián)合供電；多配電臺區(qū)；線損優(yōu)化

配電臺區(qū)管理主要是對臺區(qū)內(nèi)配電變壓器(以下簡稱“配變”)進(jìn)行管理。目前，我國低壓配電變壓器運(yùn)行的主要問題有兩點(diǎn)。第一，低壓配變?nèi)哂喽雀?，以上海為例，截?016年底，上海市電力公司10 kV公用配變投運(yùn)臺數(shù)達(dá)115 947臺。但對應(yīng)全網(wǎng)臺區(qū)全年平均負(fù)載率僅為25%左右，高峰期間臺區(qū)平均負(fù)載也僅達(dá)到60%。第二，低壓配變運(yùn)行損耗大。經(jīng)理論計(jì)算，上海配變空載損耗共計(jì)50 354 kW，占500 V～10 kV公用變壓器空載損耗的45.25%。按空載損耗測算上海公司所屬配變每月消耗電量約3 625萬kWh，年消耗電量達(dá)到43 500萬kWh。如何對配電臺區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃及提高配變運(yùn)行效率，成為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)節(jié)能高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)手段。

城市低壓配電網(wǎng)具有負(fù)荷密度大、用電量集中、供電可靠性要求高等特點(diǎn)，而部分老城區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)相對較薄弱、負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力較差等問題。實(shí)現(xiàn)配變低壓互聯(lián)可降低變壓器損耗，提高可靠性，其實(shí)現(xiàn)首要需解決變壓器負(fù)荷分配問題。目前的主要研究集中于建立負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑。文獻(xiàn)[1]和[2]以負(fù)荷切除量為目標(biāo)函數(shù)，以減少負(fù)荷轉(zhuǎn)移帶來的損失。文獻(xiàn)[3]和[4]從開關(guān)動作次數(shù)最少的角度對問題進(jìn)行研究，以增加低壓配變的使用壽命。文獻(xiàn)[5]和[6]以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)性角度對負(fù)荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行研究。但這些研究均只基于2臺變壓器，3臺及以上變壓器的優(yōu)化運(yùn)行還未見報道。

為提高低壓配變的利用效率并降低運(yùn)行網(wǎng)損，本文提出一種基于交叉互聯(lián)供電的多配電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行模式，并以多配電臺區(qū)網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)，各運(yùn)行條件為約束，建立一種基于交叉聯(lián)合供電運(yùn)行模式的網(wǎng)損優(yōu)化模型，通過求解該模型實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的節(jié)能高效運(yùn)行。

1 模型的建立

1.1 低壓配電臺區(qū)網(wǎng)格化

網(wǎng)格化，就是將選定供電區(qū)域按照劃分原則劃分為“網(wǎng)格”，使這些網(wǎng)格成為多臺區(qū)優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施的單元。通過分析網(wǎng)格內(nèi)的臺區(qū)負(fù)荷分布情況，確定低壓配電網(wǎng)臺區(qū)互聯(lián)方案。通常依據(jù)地區(qū)詳細(xì)規(guī)劃文件所提供的用地屬性、現(xiàn)有變電站布點(diǎn)及10 kV線路地理走向、負(fù)荷密度、片區(qū)分塊等資料為邊界條件，將供電區(qū)域劃分為供電網(wǎng)格，在滿足每個網(wǎng)格現(xiàn)狀負(fù)荷相對均衡的前提下還需滿足以下原則。

(1) 自然分界：網(wǎng)格不跨越寬闊道路、河流、山嶺、橋梁、巨大建筑等。

(2) 市政規(guī)劃：網(wǎng)格劃分與市政規(guī)劃分區(qū)分片相協(xié)調(diào)，盡量符合市政規(guī)劃要求。

(3) 現(xiàn)狀電網(wǎng)：根據(jù)現(xiàn)狀電網(wǎng)實(shí)際情況，因地制宜劃分網(wǎng)格，使網(wǎng)格化之后，低壓配電網(wǎng)臺區(qū)互聯(lián)工程量盡可能小。

(4) 用戶管理：一組接線的供電能力能滿足用戶需求時，盡量不出現(xiàn)用戶被網(wǎng)格切割。

(5) 供電距離：臺區(qū)供電范圍不能超越10 kV線路己形成典型接線區(qū)域范圍，臺區(qū)的低壓線路供電半徑原則上不宜超過300 m，因此網(wǎng)格的邊長要滿足供電距離的要求。

單個網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)如圖1所示，一個網(wǎng)格由10 kV主干線和若干配電臺區(qū)構(gòu)成，圖1中虛線框所含區(qū)域?yàn)榕_區(qū)單元。

圖1 單個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

分析每個網(wǎng)格中的臺區(qū)數(shù)量，只要某個臺區(qū)的主干線路分支落在網(wǎng)格中，即認(rèn)為該臺區(qū)在此網(wǎng)格內(nèi)。對于負(fù)荷，如果某一臺區(qū)變壓器負(fù)載率明顯大于50%，則考慮在線路中裝設(shè)一個分段開關(guān)，負(fù)載率小于50%則不用分段。

1.2 臺區(qū)互聯(lián)約束條件

利用“網(wǎng)格化”思想將選定供電區(qū)域按照劃分原則劃分為獨(dú)立的“網(wǎng)格”之后，網(wǎng)格內(nèi)臺區(qū)互聯(lián)方案的確定還需遵循以下幾個約束條件：

(1)互聯(lián)臺區(qū)的負(fù)載率要有高有低，方便臺區(qū)之間負(fù)荷的互轉(zhuǎn)，更好的體現(xiàn)優(yōu)化的效果。

(2)互聯(lián)臺區(qū)負(fù)載率在時間上要盡量互補(bǔ)，即在同一時間點(diǎn)上盡量保證彼此負(fù)荷率高低互補(bǔ)。

(3)臺區(qū)互聯(lián)后，單臺供電距離不能太長，因此臺區(qū)彼此之間距離不能太遠(yuǎn)，還可減少成本。

(4)互聯(lián)臺區(qū)負(fù)荷互轉(zhuǎn)后，線路的載流量不能越限。

(5)所選互聯(lián)臺區(qū)最好是同一段母線(10 kV)下的臺區(qū)，保證合環(huán)電流不越限。

1.2 臺區(qū)網(wǎng)損計(jì)算

1.2.1 配電變壓器損耗計(jì)算

配變的綜合功率損耗兩類：(1)空載損耗、負(fù)載損耗、空載電流無功損耗所引起的有功損耗；(2)負(fù)載時繞組漏抗漏磁無功損耗所引起的有功損耗，其中無功損耗對配變線損率的影響在0.001%～0.009%，可以忽略不計(jì)。由于配變的參數(shù)均為額定狀態(tài)下測定的，并且已根據(jù)變壓器絕緣材料的電壓等級折算成標(biāo)準(zhǔn)線圈溫度下?lián)Q算值，因此進(jìn)行變壓器損耗率計(jì)算時，應(yīng)當(dāng)不再考慮線圈溫度的影響。

配變的綜合功率損耗ΔPz可如式計(jì)算

ΔPz=P0+kTPkβ2

(1)

配變的綜合功率損耗ΔPz%計(jì)算公式如下：

(2)

式中P0——配變的空載損耗，kW；kT——負(fù)荷波動系數(shù)(負(fù)荷曲線形狀系數(shù)k的平方)；Pk——配變的額定負(fù)載功率損耗，kW；β——配變的負(fù)載系數(shù)；P1，Pz——配變的高、低壓側(cè)平均有功功率，kW；SN——配變的額定容量，kVA；cosφ——配變負(fù)荷側(cè)的平均功率因數(shù)。

1.2.2 臺區(qū)線損計(jì)算

低壓臺區(qū)是指某臺低壓配電變壓器供電的區(qū)域。臺區(qū)線損即配變低壓側(cè)與客戶電能表間配電設(shè)備的電能損耗。我國低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相線制式和導(dǎo)線種類較多。用電負(fù)荷分散且多變，三相不平衡現(xiàn)象普遍，并且受區(qū)域性、季節(jié)性和時間性影響呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，運(yùn)行數(shù)據(jù)較難收集，因此傳統(tǒng)的精確計(jì)算方法不具備可行性，只可采用近似計(jì)算的簡化方法。

目前，常用的低壓理論線損計(jì)算方法有均方根電流法、平均電流法、最大電流法、等值電阻法等，其中等值電阻法使用最為普遍，但由于其假設(shè)條件較多，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行情況與假設(shè)條件出現(xiàn)偏差時，理論線損計(jì)算不能真實(shí)反映電網(wǎng)運(yùn)行情況。本文中在深入了解和分析低壓臺區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行低壓臺區(qū)線損計(jì)算，總結(jié)出低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用前推回代法進(jìn)行理論線損計(jì)算，由于考慮了線制和電壓降對線路線損的影響，所以計(jì)算結(jié)果可信性高。

采用前推回代法進(jìn)行低壓臺區(qū)理論線損計(jì)算的流程圖如圖2所示。

圖2 理論線損計(jì)算流程圖

2 基于交叉聯(lián)合供電的多配電臺區(qū)線損優(yōu)化模型

本文建立目標(biāo)函數(shù)為臺區(qū)網(wǎng)損，包含若干運(yùn)行約束的多配電臺區(qū)網(wǎng)損優(yōu)化模型：

minΔPz% s.t.f(V，θ，u)=0

Vmin

(3)

式中 ΔPz%——式(3)中定義的低壓配電網(wǎng)網(wǎng)損，MW；f——潮流方程；V，θ——節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角；u——多配電交叉互聯(lián)運(yùn)行方案；Vmin，Vmax——節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束。

3 模型的求解

本文采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)[7]對1.4節(jié)中所提模型進(jìn)行求解。粒子群算法將每一個多配電交叉互聯(lián)運(yùn)行方案看做一個粒子，如ui，i=1，…，n，其中n為粒子種群規(guī)模。算法求解步驟如下：

步驟1：設(shè)定初始參數(shù)。設(shè)定粒子種群數(shù)目；全局迭代次數(shù)Ng，粒子單次最大移動距離Smax；

步驟2：隨機(jī)產(chǎn)生n只粒子作為初始粒子群P={u1，…，un}，任一粒子代表交叉互聯(lián)運(yùn)行方案；

步驟3：對每個粒子計(jì)算網(wǎng)損fobj=(ΔPz%)，并檢驗(yàn)式約束是否滿足，按約束是否滿足按式計(jì)算粒子適應(yīng)度

(4)

式中F0——固定參數(shù)，代表算法選擇壓力；a——懲罰因子。

步驟4：記錄群體內(nèi)所有粒子中最優(yōu)粒子對應(yīng)方案為Gbest，個體的最優(yōu)值對應(yīng)方案為Ibest，按式更新粒子，c1，c2分別代表全局和局部學(xué)習(xí)因子。

(5)

步驟5：檢驗(yàn)算法收斂條件是否滿足，是則算法停止，否則轉(zhuǎn)步驟3。

4 算例分析

本文以上海市南新五隊(duì)二—下南郵局—東錦園藝臺區(qū)作為研究對象，地理接線圖見圖3。

圖3 南新五隊(duì)二—下南郵局—東錦園藝臺區(qū)地理接線

4.1 低壓配電網(wǎng)網(wǎng)格化

如文中所述原則對配電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化后，所得3個配電臺區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4～圖6所示。

圖4 南新五隊(duì)二低壓配網(wǎng)臺區(qū)結(jié)構(gòu)圖

圖5 下南郵局低壓配網(wǎng)臺區(qū)結(jié)構(gòu)圖

圖6 東錦園藝低壓配網(wǎng)臺區(qū)結(jié)構(gòu)圖

4.2 臺區(qū)網(wǎng)損優(yōu)化結(jié)果

通過分析臺區(qū)地理接線圖，將3個臺區(qū)可以看做成近似三角形分布。其中3個臺區(qū)桿變?nèi)萘烤鶠?00MVA，南新五隊(duì)二臺區(qū)桿變月平均負(fù)載率為60%，下南郵局臺區(qū)桿變月平均負(fù)載率為18%，東錦園藝臺區(qū)桿變月平均負(fù)載率為12%，臺區(qū)桿變相互之間距離滿足要求。按照互聯(lián)原則，南新五隊(duì)二臺區(qū)變壓器負(fù)載率大于50%，在線路上裝設(shè)一個分段開關(guān)，盡量保證兩端負(fù)載平均分布。在3個臺區(qū)之間裝設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，進(jìn)行互聯(lián)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 低壓配網(wǎng)臺區(qū)分段聯(lián)絡(luò)示意圖

利用粒子群優(yōu)化算法對低壓臺區(qū)互聯(lián)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的互聯(lián)方案如下，南新五隊(duì)二分段開關(guān)打開，后半部分負(fù)荷接入東錦園藝，下南郵局不做變化。

互聯(lián)之前3個臺區(qū)的總損耗為28.465kW，互聯(lián)之后3個臺區(qū)總損耗為25.275kW，下降率達(dá)到11.2%。這證明交叉聯(lián)合供電模式對配電網(wǎng)網(wǎng)損優(yōu)化的作用。

另一方面，在增設(shè)分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)以后，臺區(qū)的供電可靠性得到提升。當(dāng)任意一臺變壓器發(fā)生故障或者檢修停運(yùn)是可將其臺區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他變壓器下，從而保證臺區(qū)供電。

5 結(jié)語

本文以多配電臺區(qū)網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)，各運(yùn)行條件為約束，建立一種基于交叉聯(lián)合供電運(yùn)行模式的網(wǎng)損優(yōu)化模型，并采用粒子群算法對其進(jìn)行求解。對上海市某實(shí)際配電網(wǎng)的分析證明所提模型的有效性，所得結(jié)論如下：

(1) 在低壓配電網(wǎng)中利用交叉聯(lián)合供電可以有效降低網(wǎng)絡(luò)損耗，優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行；

(2) 加裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)后，發(fā)生故障后可以通過轉(zhuǎn)移負(fù)荷提高配電網(wǎng)可靠性。

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(本文編輯：楊林青)

Line Loss Optimization of Multi-Distribution Transformer Bank Based on Interconnected Power Supply

FU Xiaofei, LIAO Tianming, JI Kunhua

(Shanghai Electric Power Company, State Grid, Shanghai 200120, China)

In order to increase the utilization ratios of the distribution transformer banks in low voltage distribution networks, an active line loss optimization model is proposed based on interconnected power supply, where the active line loss of multi-distribution transformer bank is set as the objective function, several operating conditions are set as contraints. At last, a particle swarm optimization is utilized to solve the proposed model. The analysis on a real distribution network in Shanghai demonstrates that the interconnected power supply mode can reduce the active power loss and bring enormous profits to the society.

interconnected power supply; multi-distribution transformer bank; line loss optimization

10.11973/dlyny201702003

傅曉飛(1980—)，男，從事變配電運(yùn)維檢修管理。

TM732

A

2095-1256(2017)02-0102-05

2017-02-07