陳思明

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000）

0 前言

降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益是目前電網(wǎng)面臨的重要問題，在傳輸過程中，約有4%-10%的電力能源因發(fā)熱、電暈等原因被消耗，其中，35kV 及以上電網(wǎng)消耗的電能約占2%-5%[1-5]。研究電網(wǎng)“節(jié)能降損”的技術(shù)措施，提出網(wǎng)損最小的優(yōu)化運(yùn)行方案，對(duì)電力部門實(shí)現(xiàn)“降損增效”目的具有重要的意義。某些水電資源極其豐富的地區(qū)，小水電的建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量迅速擴(kuò)大，總裝機(jī)容量已超過地區(qū)最大負(fù)荷，對(duì)電力部門節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要的影響[6]。而小水電多為徑流式，且一般處于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的山區(qū)，水電出力受氣候、降雨等因素的影響，在水電大發(fā)期，大量上網(wǎng)潮流使某些設(shè)備負(fù)載量大增，設(shè)備的重載運(yùn)行不但加大了電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，也使網(wǎng)損大幅增加[7]?？菟谒姵隽Φ?，近區(qū)負(fù)荷需從省網(wǎng)通道下網(wǎng)，傳輸距離長，消耗了大量無功。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變，受水電出力影響嚴(yán)重。

目前國內(nèi)外對(duì)各種降損措施做了大量研究，主要有：根據(jù)運(yùn)行方式的變化改變電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)潮流的優(yōu)化運(yùn)行；根據(jù)負(fù)荷變化合理安排變電站主變投、退方式，降低主變損耗；優(yōu)化無功潮流，實(shí)現(xiàn)無功功率的最短路徑傳輸；采用新材料、新技術(shù)等方案。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特征，利用最優(yōu)潮流OPF 求解功率優(yōu)化問題，綜合利用各種降損方案，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的重要手段[8-11]。本文根據(jù)多小水電地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)損最小為目的，采用遺傳算法求解電網(wǎng)最優(yōu)潮流，并提出了相應(yīng)的降損方案。

1 多小水電地區(qū)電網(wǎng)特性分析

1.1 電網(wǎng)運(yùn)行特性分析

圖1 某地區(qū)35 kV及以上電網(wǎng)地理接線圖

如圖1 所示為某地區(qū)35 kV 及以上電網(wǎng)地理接線圖，由圖1 可知，該地區(qū)電網(wǎng)以一座220 kV 省網(wǎng)變電站為中心，以110 kV 變電站為支撐進(jìn)行輻射。片區(qū)內(nèi)的水電資源主要集中在東部地區(qū)，而負(fù)荷中心則處于縣城及周邊的西部地區(qū)。每年3～8 月的豐水期，東部片區(qū)電網(wǎng)水電大發(fā)，電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)東電西送的特點(diǎn)，9～第二年2 月的枯水期期間，負(fù)荷主要經(jīng)220 kV省網(wǎng)通道下網(wǎng)供應(yīng)，呈現(xiàn)出西電東送的特點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)中，取暖和降溫負(fù)荷所占比重越來越突出，夏季天氣炎熱，空調(diào)降溫負(fù)荷增多，電網(wǎng)總體負(fù)荷水平增大，冬季天氣寒冷，降溫負(fù)荷增多，電網(wǎng)總體負(fù)荷水平增大，電網(wǎng)運(yùn)行存在夏季和冬季兩個(gè)大方式[12]。又因?yàn)閺搅魇叫∷娋哂姓{(diào)節(jié)能力差、受上游來水量影響嚴(yán)重的特點(diǎn)，存在豐水期和枯水期兩個(gè)極端的發(fā)電方式[13]。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式可以分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。圖2 為四種典型運(yùn)行方式的電網(wǎng)日負(fù)荷曲線對(duì)比。

圖2 四種典型運(yùn)行方式電網(wǎng)日負(fù)荷曲線對(duì)比

電網(wǎng)日負(fù)荷曲線受氣溫、降雨、節(jié)假日、大用戶生產(chǎn)方式等方面的影響，片區(qū)內(nèi)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)中，某鋼廠負(fù)荷所占比重較大，約為1/3，一般為晚上22 點(diǎn)至次日8 時(shí)開機(jī)生產(chǎn)，8 時(shí)之后停產(chǎn)。由圖2 可知，8 時(shí)后的負(fù)荷水平在豐水期大方式時(shí)最大，其次是枯水期大方式、枯水期小方式、豐水期小方式。豐水期境內(nèi)低壓側(cè)水電負(fù)荷可就地補(bǔ)償一部分負(fù)荷，豐水期小方式下的電網(wǎng)負(fù)荷水平要低于枯水期小方式。圖3為四種方式下典型日的水電出力曲線對(duì)比。

圖3 四種典型運(yùn)行方式下代表日的水電出力曲線對(duì)比

豐水期小方式一般出現(xiàn)在5、6 月份氣溫較為溫和、降雨最為豐富的時(shí)期，受氣候的影響，豐水期大方式下的降雨量，相對(duì)于小方式時(shí)有所減少。由圖3 可知，豐水期小方式下片區(qū)內(nèi)的水電出力最大，水電出力基本能夠在片區(qū)內(nèi)消耗，負(fù)荷低谷時(shí)段有負(fù)荷經(jīng)220 kV 變電站送入省網(wǎng)。因此，豐水期小方式下，水電出力達(dá)到極大值，網(wǎng)內(nèi)潮流方向呈現(xiàn)出東電西送的格局，潮流大、損耗大。豐水期大方式下，負(fù)荷水平有較大幅度的增長，水電出力相對(duì)降低，電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)出由220 kV 省網(wǎng)和東部水電密集區(qū)兩個(gè)源頭向負(fù)荷中心輸送的格局，網(wǎng)內(nèi)潮流相對(duì)減小，損耗可能降低?？菟谒姵隽θ曜畹停苡脩糌?fù)荷水平的影響，小方式時(shí)水電出力基本可以實(shí)現(xiàn)就地消耗，對(duì)省網(wǎng)的負(fù)荷需求較少，電網(wǎng)潮流規(guī)模小，損耗相對(duì)??；大方式時(shí)水電出力不足，對(duì)省網(wǎng)的負(fù)荷需求大，電網(wǎng)潮流規(guī)模增大，且呈現(xiàn)出西電東送的格局，損耗相應(yīng)增加。

圖4 繪制了不同程度降雨量下的降雨時(shí)小水電出力曲線圖，圖4 中降雨量為0 時(shí)的水電出力基本維持在2 MW 左右的水平，隨著降雨量的增長，水電出力也逐漸增長。文獻(xiàn)[14]對(duì)浙江某地區(qū)的小水電出力特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為徑流式小水電的出力曲線具有氣象相關(guān)性、時(shí)間滯后性、累計(jì)效應(yīng)的特征，當(dāng)該地區(qū)進(jìn)入持續(xù)且較強(qiáng)幅度的降雨階段時(shí)，水電站上游來水持續(xù)維持在較高的水平，水電出力相應(yīng)也維持在很高的水平，一旦降雨消失，上游來水減少，因徑流式小水電庫容量小使得出力迅速降低，最后逐漸恢復(fù)到不降雨時(shí)的水平。

圖4 不同降雨量下的小水電出力曲線對(duì)比

1.2 網(wǎng)損分析

為了分析不同運(yùn)行方式下多小水電電網(wǎng)網(wǎng)損特性，分別選取豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式四種典型方式下代表日的負(fù)荷數(shù)據(jù)為樣本，進(jìn)行潮流計(jì)算，四種典型方式下的網(wǎng)損率按從大到小排序依次是：豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式、枯水期大方式。豐水期小方式代表日下，地區(qū)小水電大發(fā)，發(fā)電量超過了地區(qū)用電量，大量水電上網(wǎng)占用了輸電通道，導(dǎo)致網(wǎng)損率最大，達(dá)到7.65%。網(wǎng)損結(jié)構(gòu)中，110 kV 和35 kV 線路損耗所占比例最大，合計(jì)超過85%，由于歷史原因，東部小水電35 kV 送出通道線徑普遍較小，水電大發(fā)期間線路重載運(yùn)行，損耗異常增大。豐水期大方式下，地區(qū)負(fù)荷有所增長，雖水電出力仍保持較高規(guī)模，但短距離消耗的比例有所增加，使得遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏坑兴鶞p少，變壓器損耗和線路損耗都有大幅降低?？菟谛》绞綍r(shí)，負(fù)荷和水電出力都達(dá)到全年的一個(gè)極小值，東部小水電出力的減少使得各條送出通道的載流量相對(duì)于豐水期大方式繼續(xù)減少，網(wǎng)損進(jìn)一步降低。枯水期大方式下，水電出力低，送出通道的載流量水平低，負(fù)荷中心的用電需求基本經(jīng)過220 kV 省網(wǎng)通道下網(wǎng)，此時(shí)，220 kV 主變銅損與110 kV 主變銅損都達(dá)到了全年的最大值，經(jīng)省網(wǎng)通道下網(wǎng)到負(fù)荷中心的輸送距離短，線路損耗小，網(wǎng)損率達(dá)到了全年的最低值。因此，多小水電地區(qū)電網(wǎng)在水電大發(fā)時(shí)，大量的水電出力使各條輸電通道重載運(yùn)行，損耗異常升高，應(yīng)采取相應(yīng)措施，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)降損增效的目的。

2 電網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

目前，國內(nèi)外對(duì)最優(yōu)潮流問題OPF 做了大量的研究，OPF 是指在滿足正常功率平衡及各種安全指標(biāo)的約束下，調(diào)整電力系統(tǒng)中各種控制設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)最小化的優(yōu)化過程[15]。本文以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立的目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型如下：

式中，PL為電網(wǎng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的網(wǎng)損計(jì)算值，主要包括線路損耗、主變空載損耗和負(fù)載損耗等。P、Q、V、θ的變化范圍必須滿足一定約束條件，以保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。首先，潮流約束方程如下：

各節(jié)點(diǎn)電壓限制和因徑流式小水電機(jī)組特性決定的功率因素限制，即：

2.2 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法采用遺傳算法，潮流求解使用潮流計(jì)算軟件。將220 kV 母線作為平衡節(jié)點(diǎn)，變電站主變低壓側(cè)斷路器和發(fā)電廠高壓側(cè)母線作為PQ 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行潮流計(jì)算。正常運(yùn)行方式下電網(wǎng)參數(shù)及潮流情況作為初值，調(diào)整不同參數(shù)，將計(jì)算所得結(jié)果與初值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，若初值結(jié)果最優(yōu)，則舍棄改變參數(shù)后的計(jì)算結(jié)果，再次改變參數(shù)，進(jìn)行循環(huán)比較；若改變參數(shù)后計(jì)算結(jié)果最優(yōu)，則舍棄初值計(jì)算結(jié)果，將改變參數(shù)后的計(jì)算結(jié)果作為最優(yōu)計(jì)算結(jié)果，再與下一次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，循環(huán)往復(fù)，得到最優(yōu)解。

3 降損方案研究

3.1 調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式

根據(jù)電源和負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化，將多小水電群地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。豐水期小方式下負(fù)荷中心的用電需求量相對(duì)較小，但小水電群出力大發(fā)補(bǔ)償了當(dāng)?shù)卮蟛糠重?fù)荷，甚至有部分負(fù)荷經(jīng)220 kV省網(wǎng)通道送入其它地區(qū)。

調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，盡量實(shí)現(xiàn)水電出力通過最短路徑實(shí)現(xiàn)消耗，避免遠(yuǎn)距離迂回送電。

將負(fù)荷從電源中心輸送至用戶需經(jīng)過一段距離，在傳輸過程中產(chǎn)生了損耗，傳輸路徑越短，損耗越低，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的最短路徑傳輸，是降低網(wǎng)損的重要措施。

圖5 某地區(qū)110 kV電網(wǎng)運(yùn)行方式簡圖

圖5 為根據(jù)圖1 繪制的電網(wǎng)運(yùn)行方式圖，東部小水電群可分為以110 kV 波水變?yōu)楹诵牡谋辈啃∷娙骸⒁?10 kV 分水嶺變?yōu)楹诵牡闹胁啃∷娙汉鸵?10 kV 高石頭變?yōu)楹诵牡哪喜啃∷娙?。竹坪、新區(qū)、焦嶺、團(tuán)山、秀水、杉杉、綠華、瓦家坳是電網(wǎng)內(nèi)的主要負(fù)荷中心。水電大發(fā)期間，北部波水變負(fù)荷經(jīng)竹波線、110 kV 竹坪變送入220 kV 焦嶺變，調(diào)整竹坪變電網(wǎng)運(yùn)行方式，使35 kV 三都變、周源山變、唐洞變負(fù)荷轉(zhuǎn)由竹坪供電，增大竹坪變的負(fù)荷水平，即可實(shí)現(xiàn)波水變上網(wǎng)負(fù)荷的就地消耗，降低了竹坪變- 焦竹線- 焦嶺110 kV 母線的潮流，使電網(wǎng)網(wǎng)損降低。中部分水嶺變負(fù)荷經(jīng)瓦分線-瓦家坳旁母-瓦新線并入新區(qū)變，使得分水嶺變的水電出力在新區(qū)變實(shí)現(xiàn)了消耗，避免了負(fù)荷從焦新線迂回送電至新區(qū)消耗。南部高石頭變負(fù)荷經(jīng)瓦涼線-瓦家坳變-秀瓦線-秀水變-團(tuán)秀線-團(tuán)山變-焦團(tuán)線并入焦嶺變，雖部分負(fù)荷于瓦家坳、秀水、團(tuán)山消耗，但水電大發(fā)期間，南部小水電群出力就地消耗了一部分后，仍有很大一部分負(fù)荷經(jīng)輸送通道送入焦嶺變，再經(jīng)其它路徑輸送至其它負(fù)荷中心。此時(shí)，若將南部水電群的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)至新區(qū)變并網(wǎng)，將實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損目標(biāo)。

3.2 合理安排主變投、退方式

電網(wǎng)的負(fù)荷水平受氣溫、降雨、節(jié)假日、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的影響，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，生活負(fù)荷中取暖和降溫負(fù)荷所占比例在不斷增大，而這兩部分負(fù)荷與氣溫具有很強(qiáng)的相關(guān)性[16]。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一年當(dāng)中的冬季寒冷時(shí)段和夏季高溫時(shí)段某些變電站負(fù)荷最重，即：大方式運(yùn)行；春季和秋季氣溫相對(duì)溫和的時(shí)段負(fù)荷相對(duì)較小，即小方式運(yùn)行。因此，一年內(nèi)變電站負(fù)荷的變化曲線為一雙峰曲線，含2個(gè)高峰時(shí)段和2 個(gè)低谷時(shí)段。當(dāng)負(fù)荷向高峰時(shí)段發(fā)展的適當(dāng)時(shí)間，投入備用變壓器，向低谷負(fù)荷時(shí)段發(fā)展的適當(dāng)時(shí)間，退出備用變壓器。該方案實(shí)施后，一個(gè)變電站一年內(nèi)主變因經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的投切次數(shù)變?yōu)? 次，操作頻次大大減少，有利于向全網(wǎng)推廣。

3.3 小水電無功出力優(yōu)化

將地區(qū)電網(wǎng)的小水電群按照地理位置合網(wǎng)點(diǎn)劃分為三個(gè)部分：北部水電群、中部水電群和南部水電群。北部小水電群出力傳輸至220 kV 焦嶺變，途中基本無大消納，可近似為純電源送出線路。很顯然，提高北部水電群小水電的功率因數(shù)將有利于降低網(wǎng)損和電站電壓。最佳的小水電運(yùn)行功率因數(shù)應(yīng)該接近1.0，但另一方面，考慮到機(jī)組的穩(wěn)定性，小水電應(yīng)該產(chǎn)生少量的無功功率，功率因素不可能達(dá)到1.0。與理論分析結(jié)果一致，純電源送出線路的小水電功率因素越高，網(wǎng)絡(luò)損耗越大，水電出力越大時(shí)，提高小水電機(jī)組的功率因素時(shí)，網(wǎng)絡(luò)損耗降低的效果越明顯。從采樣日北部電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的實(shí)際值來看，豐水期下水電機(jī)組的功率因素普遍較高，超過0.9，枯水期水電機(jī)組功率因素較低，低于0.85。豐水期上游來水充足，機(jī)組盡量多發(fā)有功以提升效益，枯水期上游來水減少，機(jī)組盡量多發(fā)無功以到達(dá)無功年度考核指標(biāo)。但因受機(jī)組穩(wěn)定性等因素的限制，小水電機(jī)組功率因素不可能達(dá)到1.0，豐水期水電大發(fā)時(shí)，無功功率過剩，大量無功的遠(yuǎn)距離傳輸，增大了網(wǎng)絡(luò)損耗[17]。因此，小水電并網(wǎng)點(diǎn)配置充足的電抗器補(bǔ)償設(shè)備，實(shí)現(xiàn)就地消納無功的目的，對(duì)降低網(wǎng)損有重要的意義。

3.4 用戶側(cè)無功補(bǔ)償

電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t是：分層分區(qū)、就地補(bǔ)償，煉鋼廠、水泥廠、煉硅廠等大型工業(yè)用戶，若本身無功補(bǔ)償容量不足，將向電網(wǎng)吸收大量無功，造成無功的遠(yuǎn)距離傳輸，增加了線路損耗，產(chǎn)生不利影響[21-22]。汛期水電大發(fā)的情況下，南部片區(qū)各水電機(jī)組向電網(wǎng)輸送了大量無功潮流，在億興鋼廠消耗一部分后，向上級(jí)電網(wǎng)輸送的無功潮流減少，有利于降低網(wǎng)絡(luò)損耗。但枯水期高石頭、涼亭坳周邊機(jī)組出力低，億興鋼廠生產(chǎn)所需無功從220 kV 焦嶺變得到補(bǔ)償，在輸送過程中增加了焦嶺220 kV 主變、焦團(tuán)線、團(tuán)秀線、秀瓦線的有功損耗。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）小水電眾多的地區(qū)電網(wǎng)，水電出力變化對(duì)運(yùn)行方式產(chǎn)生了重大影響，根據(jù)水電出力即負(fù)荷情況的變化特征，將該電網(wǎng)運(yùn)行方式分為豐水期小方式、豐水期大方式、枯水期小方式和枯水期大方式四種典型運(yùn)行方式。豐水期下若東部小水電大發(fā)，電網(wǎng)損耗將大幅增長，其中35 kV 及110 kV 線路損耗增幅較大。

2）根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式是降低網(wǎng)損的重要手段，調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式的目的主要是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功的最短路徑消耗和無功的優(yōu)化傳輸。汛期電網(wǎng)損耗異常的主要原因是35 kV 線路線徑小、負(fù)荷重，更換線徑大的導(dǎo)線是降低35 kV 線路損耗的最直接和有效的手段。

3）根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特征，提出了一種安排主變投、退方式的判據(jù)，一個(gè)變電站一年內(nèi)的操作次數(shù)最多僅有4 次，有利于向全網(wǎng)推廣。

4）對(duì)參數(shù)不對(duì)稱主變并列運(yùn)行、35 kV 系統(tǒng)三相電壓不平衡和用戶無功補(bǔ)償容量不足等造成附加線損的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改造措施。