王雅妮，鄭 濤，史艷剛

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

當(dāng)前關(guān)于配電網(wǎng)降損潛力評(píng)估方法的研究集中在評(píng)估某個(gè)單項(xiàng)降損措施的節(jié)能潛力，沒(méi)有考慮到各單個(gè)具體降損措施之間的耦合關(guān)系，沒(méi)有對(duì)比各降損組合措施的潛力大小，也沒(méi)有綜合考慮用節(jié)電量以外其他如投資回收期等經(jīng)濟(jì)收益指標(biāo)和電壓質(zhì)量等電網(wǎng)指標(biāo)，所以對(duì)于不同負(fù)荷密度下的供電區(qū)域并沒(méi)有普遍適用性，評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性也亟待提高。

文獻(xiàn)[1]提出了基于線損建?；谊P(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)的單因素節(jié)能潛力評(píng)估方法和基于配電線路抽樣分析并統(tǒng)計(jì)的綜合節(jié)能潛力評(píng)估方法，并建立以綜合節(jié)能效益最大為目標(biāo)的改造規(guī)劃數(shù)學(xué)模型；但是基于灰關(guān)聯(lián)的單因素評(píng)估方法不能從物理本質(zhì)上描述配電網(wǎng)線損影響因素對(duì)線損的影響，而基于抽樣統(tǒng)計(jì)的綜合節(jié)能潛力評(píng)估方法誤差較大。文獻(xiàn)[2]基于多層次模糊法從節(jié)電效果、電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟(jì)性方面評(píng)價(jià)節(jié)能潛力大小，但不同節(jié)能降損措施之間存在相互耦合關(guān)系，導(dǎo)致節(jié)電量計(jì)算不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[3]建立了一種綜合考慮配電網(wǎng)重構(gòu)、無(wú)功補(bǔ)償及變壓器損耗的配電網(wǎng)降損數(shù)學(xué)模型，并提出采用遺傳算法進(jìn)行求解，但是在數(shù)學(xué)模型中沒(méi)有考慮到經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)和投資收益。文獻(xiàn)[4]對(duì)東莞長(zhǎng)安配電網(wǎng)若干典型配電線路進(jìn)行了5個(gè)技術(shù)手段的分項(xiàng)節(jié)能潛力評(píng)估，提出了配電網(wǎng)微觀節(jié)能潛力評(píng)估的方法。文獻(xiàn)[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)推理能力，開(kāi)啟了利用線損影響因素預(yù)測(cè)理論線損率的新思路。文獻(xiàn)[6-8]通過(guò)建模確定了配電網(wǎng)線路、變壓器的最優(yōu)節(jié)能配置和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域，進(jìn)一步探索了配電網(wǎng)中各類(lèi)元件的節(jié)能潛力。文獻(xiàn)[9]通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)該地區(qū)未來(lái)節(jié)能潛力的發(fā)展，分析了配電網(wǎng)節(jié)能運(yùn)行電壓的選取原則，以及功率因數(shù)、供電量、負(fù)荷率等因素的變化對(duì)線損的影響。文獻(xiàn)[10]提出有限投資下的配電網(wǎng)多個(gè)改造項(xiàng)目組合優(yōu)化規(guī)劃方法，但規(guī)劃模型受算法限制難以應(yīng)用于較大規(guī)模的配電網(wǎng)。

配電網(wǎng)節(jié)能潛力評(píng)估是以降低配網(wǎng)線損率為目標(biāo)，從配電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行等角度來(lái)實(shí)施的系統(tǒng)工程。從國(guó)外案例可看出，配電網(wǎng)節(jié)能降損、改造升級(jí)能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益[11]。其難點(diǎn)在于，如何優(yōu)化整合多種改造措施，制定出高效的節(jié)能改造方案以實(shí)現(xiàn)有限改造資金的充分利用。

針對(duì)某區(qū)域配電網(wǎng)，為確定方便實(shí)施的降損措施、方案的優(yōu)劣，本文建立降損方案組合優(yōu)選決策模型，以降損措施綜合投資、損耗電量引起的直接和間接損失費(fèi)用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，將電壓偏差、支路傳輸功率(電流)、降損措施數(shù)量、損耗率及總投資限制作為約束條件，求解使綜合費(fèi)用最小的降損措施組合。算例驗(yàn)證本文數(shù)學(xué)模型的有效性。

1 降損方案優(yōu)選決策模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

為使配電網(wǎng)降損方案最優(yōu)，應(yīng)使降損措施綜合投資與損耗電量降低所取得的效益綜合最優(yōu)，因此，建立目標(biāo)函數(shù)以降損措施綜合投資(包括設(shè)備購(gòu)置、設(shè)備拆除、安裝或重建等綜合投資費(fèi)用)、損耗電量引起的直接損失費(fèi)用和間接損失費(fèi)用之和最小,即有

(1)

式中：Ci為降損措施綜合投資，萬(wàn)元；n為降損措施總數(shù)量；F1為損耗電量引起的直接費(fèi)用，指損耗電量引起的售電損失費(fèi)，萬(wàn)元；F2為損耗電量引起的間接費(fèi)用，指損耗電量引起的碳排放罰金，萬(wàn)元。

1) 降損措施綜合投資Ci。

(2)

2) 損耗電量引起的直接費(fèi)用F1。

損耗電量引起的直接費(fèi)用，即電能損失費(fèi)可計(jì)算為

F1=ΔWd1

(3)

式中：ΔW為電能損失，kW·h；d1為電價(jià)，一般取0.5元/(kW·h)。

3) 損耗電量引起的間接費(fèi)用F2。

損耗電量引起的間接費(fèi)用，即碳(CO2)排放罰金，可計(jì)算如下：

F2=ΔWf

(4)

式中f為單位發(fā)電量的碳(CO2)排放罰金。

f=ρQd2

(5)

式中：ρ為火電比重，我國(guó)約為65%；d2為碳排放罰金，非碳價(jià)，一般取0.2元/kg；Q為單位發(fā)電量所產(chǎn)生的碳(CO2)排放量，kg/(kW·h)。

(6)

式中：p為單位(每噸)燃料碳(CO2)排放量，每千克燃料煤產(chǎn)生CO2量取2.53 kg；q為單位(每噸)燃料的發(fā)熱量，每千克燃料煤的熱值約為26 789.12 kJ；η為電源的能量轉(zhuǎn)換率，取1 kW·h/(3 600 kJ)。

于是有

1.2 約束條件

1) 電壓偏差。

(7)

式中：Ui為節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓值，kV；UN為額定電壓，kV。

10 kV電壓等級(jí)允許電壓偏差約束為

0.4 kV電壓等級(jí)允許電壓偏差約束為

ΔU%≤±7%

2) 支路約束。

支路的實(shí)際傳輸容量應(yīng)不超過(guò)其最大傳輸容量，用傳輸電流表示為

Ij≤Ijmax

式中：Ij為支路的實(shí)際電流，A；Ijmax為支路允許通過(guò)的最大電流，A。

3) 降損措施數(shù)量約束。

n≤N

式中N為降損措施數(shù)量上限。

4) 總投資限制約束。

式中C為總投資上限，萬(wàn)元。

1.3 方案優(yōu)選策略

本文提出的計(jì)及低碳效益的配電網(wǎng)降損方案優(yōu)選模型，目的在于尋求綜合效益最優(yōu)的降損措施組合方案，其求解過(guò)程屬于組合優(yōu)化問(wèn)題。解決組合優(yōu)化問(wèn)題常用的方法有遺傳算法、自適應(yīng)遺傳算法、粒子群算法、禁忌搜索等。本文采用枚舉法對(duì)上述模型進(jìn)行求解，主要步驟如下：1)生成備選降損措施；2)產(chǎn)生備選降損方案；3)求解各降損方案的目標(biāo)函數(shù)值；4)對(duì)比得到最優(yōu)方案。

2 算例驗(yàn)證

本文以某縣級(jí)配電網(wǎng)1條10 kV線路為例，計(jì)劃節(jié)能改造總投資不超過(guò)500萬(wàn)元。其接線圖如圖1所示。

圖1 算例接線圖Fig.1 Wiring diagram in example

變壓器抄見(jiàn)電量以每個(gè)月為一個(gè)周期計(jì)數(shù)，因此功率=抄見(jiàn)電量/(30×24)。假設(shè)補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.85，可得到各變壓器的功率和負(fù)載率，從而得到待更換的變壓器費(fèi)用如表1所示。

表1S11各容量變壓器購(gòu)置費(fèi)用
Table1PurchasecostofS11transformerswithvariouscapacities

變壓器型號(hào)價(jià)格/(元·臺(tái)-1)變壓器型號(hào)價(jià)格/(元·臺(tái)-1)S11-8013800S11-50023015S11-20015000S11-63027015S11-31516015S11-80032515S11-40019015S11-125063415

假設(shè)變壓器安裝費(fèi)為購(gòu)置費(fèi)的30%，不同線路型號(hào)的架空線路，其綜合造價(jià)不同：LGJ-70為12萬(wàn)元/km；LGJ-95為13萬(wàn)元/km；LGJ-120為14萬(wàn)元/km；LGJ-150為17萬(wàn)元/km；LGJ-185為24萬(wàn)元/km。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備費(fèi)用：假設(shè)其購(gòu)買(mǎi)和安裝并聯(lián)電容器的價(jià)格為20元/kvar，假設(shè)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為t=4 000 h，設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)率為11%，折現(xiàn)率為4%，則目標(biāo)函數(shù)為

分析該線路供電區(qū)域電網(wǎng)現(xiàn)狀，可從如下幾方面考慮降損方案。為簡(jiǎn)化算例，選擇以下幾種具體降損措施作為備選參考：

1) 更換線路。線路1、2、11的型號(hào)從70更換為120。

2) 更換線路。15-23號(hào)線路截面積由95 mm2更換為120 mm2。

3) 更換變壓器。變壓器8重載，將變壓器8由S9-80換為S11-400型號(hào)。

4) 無(wú)功補(bǔ)償。假設(shè)補(bǔ)償前的電網(wǎng)功率因數(shù)為0.85，補(bǔ)償后的電網(wǎng)功率因數(shù)為0.9，共補(bǔ)償115.5 kvar，在10個(gè)負(fù)荷點(diǎn)分別補(bǔ)償11.55 kvar。

備選降損組合措施方案如表2所示。

表2 備選降損組合措施列表Table 2 List of optional loss reduction combination measures

注： 1表示采用該降損措施，0則表示不采用該措施。

各降損方案的計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，降損方案15計(jì)算結(jié)果最小，具有最好的綜合降損效益，因而選擇采用無(wú)功補(bǔ)償降損措施的規(guī)劃方案作為最優(yōu)方案。

表3 各降損方案費(fèi)用Table 3 Cost for loss reduction programs

3 結(jié)論

針對(duì)某區(qū)域配電網(wǎng)，為了確定上述方便實(shí)施的降損措施及方案的優(yōu)劣，本文建立了降損方案組合優(yōu)選決策模型：以降損措施綜合投資、損耗電量引起的直接和間接損失費(fèi)用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，將電壓偏差、支路傳輸功率(電流)、降損措施數(shù)量、損耗率以及總投資限制作為約束條件，求解使綜合費(fèi)用最小的降損措施組合。最后，算例驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性。