王俊融， 歐家祥， 張俊瑋， 楊 婧， 宋 強， 鄧曉璐

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院， 貴州 貴陽 550002； 2.河海大學 能源與電氣學院， 江蘇 南京211100）

0 引言

目前，我國配電臺區(qū)存在著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、線路過載、電壓質(zhì)量低等一些普遍問題，這些問題會造成功率的大量損耗。 配電臺區(qū)中的電能損耗占到了整個電力系統(tǒng)電能損耗的60%以上[1]。 因此，有效降低配電臺區(qū)電能損耗意義重大。

當光伏發(fā)電等接入配電網(wǎng)后， 傳輸功率的大小和方向因網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生了變化， 導致配電網(wǎng)網(wǎng)損增大[2]。 一方面，由于存在大量的時空分布不均衡的單相負荷， 配電臺區(qū)的負荷經(jīng)過靜態(tài)平衡分配后，仍將存在較大的三相不平衡現(xiàn)象，造成了臺區(qū)供電質(zhì)量下降以及損耗增加[3]，[4]；另一方面，有些配電臺區(qū)運行電壓偏高，造成了某些負荷設備的無用功率消耗過多[5]。

針對配電臺區(qū)三相不平衡問題，文獻[6]通過構(gòu)建低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡優(yōu)化模型， 應用粒子群智能優(yōu)化算法尋求最優(yōu)的相序調(diào)整策略，為三相負荷調(diào)整方案提供決策支持， 但是沒有考慮三相不平衡度的時變性。 文獻[7]在線路上安裝一定數(shù)量的相間負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)， 將這部分負荷作為調(diào)節(jié)負荷， 主控單元采集臺區(qū)三相負荷情況并進行三相不平衡度分析， 根據(jù)相間負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)的相位及負荷情況給出最優(yōu)三相負荷轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)策略。 對于配電臺區(qū)運行電壓的控制問題，文獻[8]以優(yōu)化模型的目標函數(shù)為最小化配電網(wǎng)的網(wǎng)損，并以各個節(jié)點電壓的上下限和無功補償點補償容量的上下限為約束條件。 文獻[9]以網(wǎng)損最小、電壓偏移量最小為目標函數(shù)，得到Pareto 最優(yōu)解。文獻[10]提出了一種考慮配電網(wǎng)網(wǎng)損、電壓偏差以及電壓穩(wěn)定的多目標無功優(yōu)化模型, 并采用量子粒子群算法進行求解。 以上研究方法都只是針對降低網(wǎng)損。

本文針對目前配電臺區(qū)的主要運行特點，考慮了負荷不平衡度的時變性以及切換裝置布點對補償效果的影響，并針對降低負荷設備的無用功率消耗，研究了一種綜合節(jié)能降損控制策略。在三相功率平衡切換的基礎上，綜合調(diào)節(jié)變壓器分接頭和補償電容器的投切。 一方面，平衡三相電流，降低了損耗；另一方面，減少無用功率消耗，節(jié)約了能源。

1 綜合節(jié)能降損技術(shù)研究

1.1 三相平衡措施降低網(wǎng)損

本文首先通過分析運行狀態(tài)而進行動態(tài)平衡調(diào)整，確定切換裝置的布點位置。該技術(shù)提出了一種實用的配電臺區(qū)三相不平衡切換裝置的優(yōu)化布點方案，通過分析歷史數(shù)據(jù)，依次找出最靈敏的切換點，隔離該點以后繼續(xù)搜尋下一個最靈敏點，形成包含若干個動態(tài)切換點的整體布點優(yōu)化方案。隨后提出并研究了相應的動態(tài)平衡控制方法。 最終得到包含若干個動態(tài)切換點的整體布點優(yōu)化方案，以及相應的動態(tài)平衡控制方法，既考慮了負荷不平衡度的時變性， 又考慮了切換裝置布點對補償效果的影響。 該技術(shù)是從整體上對配電臺區(qū)下的A，B，C 三相進行平衡，而忽略每個節(jié)點下電力用戶的具體信息，最終達到整體三相平衡的效果，有效減小中線上的電流， 降低線路和變壓器的損耗，達到配電臺區(qū)降損的目的。

設定以下的目標方程：

其中：

式中：下標 1，2，3 分別為用電高峰、平峰、低谷時段；c1，c2，c3分別為高峰、平峰、低谷時段的影響比重權(quán)重；i 為負荷節(jié)點編號；n 為負荷節(jié)點總數(shù)；分別為用電高峰、平峰、低谷時段的每相功率與平均功率之差的平方和；P1ai，P2ai，P3ai分別為選點i 經(jīng)過切換裝置換相后在高峰、平峰、低谷時段的 A 相功率；P1bi，P2bi，P3bi分別為選點 i 經(jīng)過切換裝置換相后在高峰、 平峰、 低谷時段的B相功率；P1ci，P2ci，P3ci分別為選點 i 經(jīng)過切換裝置換相后在高峰、平峰、低谷時段的 C 相功率分別為選點i 在高峰、 平峰和低谷時段的平均功率。

1.2 優(yōu)化電壓降低無用功耗

優(yōu)化電壓控制的節(jié)能技術(shù)主要針對降低負荷設備的無用功率消耗。 該技術(shù)提出了一種綜合調(diào)節(jié)配電變壓器分接頭和補償電容器投切的方法，在保證電能質(zhì)量的前提下， 根據(jù)負荷特性進行最佳電壓控制，降低負荷設備的無用功率消耗。以大方式下的電壓標幺值偏差值為優(yōu)化目標， 尋找最佳無功補償電容配置點和容量、 變壓器分接頭位置。 通過該技術(shù)對配電臺區(qū)運行電壓進行優(yōu)化控制， 既不會對電力電子負荷設備和傳統(tǒng)負荷設備造成功率消耗的過多變化， 又能夠有效降低高耗能負荷設備的無用功率消耗， 從而達到配電臺區(qū)節(jié)能的目的。

其目標函數(shù)為

式中：Ui為每個節(jié)點的電壓標幺值；Uimin為每個節(jié)點的電壓下限標幺值， 可以根據(jù)每個節(jié)點的線路損耗特性和負荷靜態(tài)電壓特性的權(quán)重進行設置；△P0，△Pk，△PL分別為配電變壓器的鐵損變化值、銅損變化值、線路損耗變化值。

1.3 綜合節(jié)能降損技術(shù)

基于上述兩種技術(shù)，并結(jié)合兩種技術(shù)的特點，綜合節(jié)能降損技術(shù)的簡化流程如圖1 所示。 其總體流程如下：首先運用基于三相平衡的降損技術(shù)，得到切換裝置優(yōu)化布點方案以及分時段控制策略；在此基礎上進行動態(tài)操作，并以此時的配電臺區(qū)進行下一個計算， 根據(jù)基于最佳電壓控制的節(jié)能技術(shù)得到變壓器分接頭位置、 補償點位置及補償容量；最終給出包括切換裝置、調(diào)整變壓器分接頭位置以及補償電容器投切的動態(tài)控制策略。

圖1 綜合節(jié)能降損技術(shù)的簡化流程圖Fig.1 Simplified flow chart of comprehensive energy saving and loss reduction technology

2 仿真驗證

2.1 仿真平臺及仿真場景

本文根據(jù)某實際配電臺區(qū)的基場低壓圖繪制簡化的配電臺區(qū)節(jié)點示意圖， 由于某些節(jié)點上不能安裝設備，因此對這些節(jié)點進行了簡化合并，最終的單相簡化示意圖如圖2 所示。 基于MATLAB仿真平臺，采集并統(tǒng)計配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)，調(diào)用根據(jù)前述技術(shù)所編寫的程序， 對配電臺區(qū)進行仿真研究。

圖2 實際配電臺區(qū)單相簡化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of actual distribution network

2.2 采用三相平衡措施降低網(wǎng)損

本文取某日用電高峰時段的三相功率數(shù)據(jù)進行計算， 求解得到該時刻的優(yōu)化布點方案及其相應的動態(tài)控制策略，如表1 所示。

表1 選點編號及其控制方式Table 1 Point number and its control method

表中：保持 A 相不變，B 相和 C 相互換，控制方式為 1； 保持 B 相不變，A 相和 C 相互換, 控制方式為 2； 保持 C 相不變，A 相和 B 相互換，控制方式為3；順方向切換，即 A 相切換到B 相，B相切換到C 相，C 相切換到A 相， 控制方式為4；逆方向切換， 即C 相切換到B 相，B 相切換到A相，A 相切換到 C 相，控制方式為 5。 按照表1 對其進行仿真，得到切換前后各支路的三相電流，如圖3 所示。

圖3 高峰時段切換前后各支路電流Fig.3 Current of each branch before and after switching in peak period

從圖3 中可以看出， 切換前三相電流的數(shù)值差異較大，切換后三相電流基本相等。 切換前、后線路損耗分別為11.63 kW，11.25 kW。 通過切換操作，降低了線路和變壓器的功率損耗。

2.3 優(yōu)化電壓措施降低無用功耗

調(diào)整過三相功率的配電臺區(qū)已處于三相平衡運行狀態(tài)， 針對處于該狀態(tài)下的配電臺區(qū)數(shù)據(jù)進行計算， 得到此時變壓器分接頭的位置為UN-2×2.5%，高峰時段補償點位置及補償容量見表2。

表2 高峰時段補償點位置及補償容量Table 2 Location and capacity of compensation point in peak period

按照表2 進行仿真， 得到高峰時段控制前后的節(jié)點電壓，如圖4 所示。

圖4 高峰時段控制前后節(jié)點電壓Fig.4 Node voltage before and after peak period control

經(jīng)進一步計算，可以得到控制前后的網(wǎng)損、負荷功率以及節(jié)能量，如表3 所示。

表3 高峰時段控制前后的網(wǎng)損、功率及節(jié)能量Table 3 Network loss， power and energy saving before and after peak period control kW

從表中可以看出， 雖然控制后的網(wǎng)損有所增加，但是降低了更多的無用功率消耗。 總體而言，減少了配電臺區(qū)的功率消耗， 達到了配電臺區(qū)的節(jié)能效果。

2.4 綜合優(yōu)化效果

本文基于三相平衡的降損技術(shù)和最佳電壓控制的節(jié)能技術(shù)， 按照不同時刻所獲取的配電臺區(qū)數(shù)據(jù)，對其進行動態(tài)控制和仿真，驗證該綜合技術(shù)的節(jié)能降損效果。

選取圖2 實際配電臺區(qū)的 8：00-10：00 進行仿真驗證，并按照選點編號布置切換開關(guān)位置，每隔2 h 進行一次操作。 得到各個時刻切換開關(guān)位置、控制方式、變壓器分接頭位置、補償點位置及補償容量，分別如表4～6 所示。

表4 裝置布點編號及各時刻控制方式Table 4 Device layout number and control mode at each time

表5 各時刻分接頭位置及是否動作Table 5 Position and action of the taps at all times

表6 動作時刻補償位置及補償容量Table 6 Compensation position and compensation capacity

①8：00

此時變壓器分接頭位置如表5 所示， 各節(jié)點電壓處于有效負荷所需的電壓范圍內(nèi)， 因此不需要投切補償電容器。按照表4 進行切換操作，切換前后的各支路三相電流和控制前后的各節(jié)點電壓如圖5 所示。

圖5 8：00 切換前后的支路電流和節(jié)點電壓Fig.5 Branch current and node voltage before and after the switch at 8：00

②10：00

此時變壓器分接頭位置、 補償點位置及補償容量如表5 所示。按照表4 進行切換操作，切換前后的各支路三相電流和控制前后的各節(jié)點電壓如圖6 所示。

圖6 10：00 切換前后的支路電流和節(jié)點電壓Fig.6 Branch current and node voltage before and after the switch at 10：00

8：00 和 10：00 切換前后的線路損耗及功率消耗如表7 所示。

綜上， 配電臺區(qū)的節(jié)能降損綜合技術(shù)可以根據(jù)每個時刻采集的數(shù)據(jù)進行動態(tài)的三相功率切換和最佳電壓控制。通過仿真可以看出，該綜合技術(shù)既可以使各支路三相電流基本相等， 又可以在保證電壓質(zhì)量的前提下降低高耗能設備的運行電壓。雖然進行控制后線路損耗稍微有所增加，但是功率消耗減少的更為明顯， 總體來看降低了整個配電臺區(qū)的功率消耗。

表7 各時刻切換前后的線路損耗及功率消耗Table 7 Line loss and power consumption before and after switching kW

3 結(jié)論

本文對基于三相平衡的降損技術(shù)和基于最佳電壓控制的節(jié)能技術(shù)分別進行仿真， 驗證各自的降損效果與節(jié)能效果。 按照不同時刻對配電臺區(qū)進行綜合仿真， 證明了該綜合技術(shù)可以動態(tài)地進行三相功率切換和最佳電壓控制， 不僅使臺區(qū)達到三相平衡的運行狀態(tài)，減小了中線上的電流，降低了線路和變壓器的損耗， 而且在保證電壓質(zhì)量的前提下合理切換變壓器分接頭位置， 適當降低臺區(qū)下高耗能設備的運行電壓， 減少了無用功率消耗，達到了配電臺區(qū)節(jié)能降損的目的。