李家橋,王國幫,張明樂,范津津,劉晟源,林振智
(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省杭州市 310027;2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司長興縣供電公司,浙江省長興縣 313100;3. 浙江省長興電氣工程有限公司,浙江省長興縣 313100)
隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,低壓配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)逐漸復(fù)雜化的趨勢[1]。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,覆蓋用戶范圍廣、類型多,并且存在大量單相用戶,易出現(xiàn)三相用電負(fù)荷不平衡的現(xiàn)象。此外,居民用電設(shè)備種類更趨于多元化,分布式能源大量接入使得低壓臺區(qū)的三相不平衡現(xiàn)象更加嚴(yán)重[2-4]。三相不平衡對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有較大影響,主要體現(xiàn)在以下5 個方面[5-7]:1)引起配電變壓器損耗增加;2)導(dǎo)致線路損耗增加;3)造成配電變壓器溫升,影響其出力和壽命;4)增加重載線路負(fù)荷,擴大安全隱患;5)影響通信設(shè)備穩(wěn)定性。因此,亟須降低配電臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡度,提高配電臺區(qū)經(jīng)濟運行水平和供電電壓質(zhì)量。
針對低壓配電臺區(qū)出現(xiàn)的三相不平衡問題,目前,主要有人工換相治理和使用無功補償裝置治理兩類方法。人工換相治理是在三相不平衡現(xiàn)象發(fā)生后,根據(jù)從業(yè)人員的知識和經(jīng)驗,對用戶相位進(jìn)行人工調(diào)整[8-9]。這種方法比較消耗人力,也無法根據(jù)實際情況進(jìn)行負(fù)載的在線切換,治理效果無法保證。附加無功補償裝置治理的基本思路是將靜止無功補償器等構(gòu)成的補償網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載結(jié)合起來,通過不對稱的補償網(wǎng)絡(luò)對不平衡的負(fù)載進(jìn)行無功補償,實現(xiàn)三相負(fù)載的平衡[10-12]。這類方法一般只能對配電變壓器端的三相不平衡進(jìn)行治理,不能在根本上緩解三相不平衡現(xiàn)象[13]。隨著低壓負(fù)荷自動換相裝置的投入使用,可以通過用戶負(fù)荷相位在線切換實現(xiàn)三相不平衡的治理。文獻(xiàn)[14]從硬軟件協(xié)同的角度出發(fā),設(shè)計了一種智能換相控制系統(tǒng),對相位切換裝置進(jìn)行智能控制。文獻(xiàn)[15]提出了一種緩解三相不平衡的無縫切換裝置模型,并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[16]在對用戶相位進(jìn)行辨識的基礎(chǔ)上,對其相位進(jìn)行重新優(yōu)化分配,以緩解低壓臺區(qū)的三相不平衡情況。綜上所述,現(xiàn)有研究均是對裝置的硬件結(jié)構(gòu)或者裝置部署之后的切換控制策略進(jìn)行研究,沒有考慮換相裝置安裝與運行帶來的成本,也沒有對換相裝置最優(yōu)安裝位置與容量進(jìn)行規(guī)劃。因此,亟須研究合理的換相裝置配置策略以實現(xiàn)三相不平衡的有效治理。
在此背景下,本文首先分析了基于低壓負(fù)荷自動換相進(jìn)行低壓臺區(qū)三相不平衡治理的原理,并對參與三相不平衡治理的用戶進(jìn)行類別劃分。在此基礎(chǔ)上,對換相裝置配置成本進(jìn)行分析,建立了面向臺區(qū)三相不平衡治理的臺區(qū)用戶低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃(siting and sizing planning,SSP)模型。該模型以最小化換相裝置系統(tǒng)建設(shè)成本與各場景總運行費用之和為目標(biāo)函數(shù),以確定裝置最優(yōu)安裝位置與容量,實現(xiàn)對臺區(qū)三相不平衡的有效治理。
低壓負(fù)荷自動換相裝置一般應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)中,基于等電壓切換的原則,通過其內(nèi)部電力電子器件的動作,實現(xiàn)相位的切換,其原理可簡化為一個單刀三擲開關(guān),如圖1 所示。圖中:UA、UB、UC分別為A、B、C 三相的電壓幅值;Iuser為流經(jīng)用戶的電流幅值。在等電壓切換條件下,切換前后各相電壓有效值未發(fā)生改變,即UA=UB=UC。在實際中,可以利用低壓負(fù)荷自動換相裝置對低壓用戶相位進(jìn)行帶載切換,從而,在不斷電的前提下實現(xiàn)相位的切換[17],即電流Iuser在切換前后不發(fā)生改變。因此,可以基于電流數(shù)據(jù)和基于電流的三相不平衡度評價指標(biāo)進(jìn)行換相裝置選址規(guī)劃和換相裝置切換控制策略優(yōu)化。
圖1 用戶相位切換原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of user phase switching principle
為便于分析,本文對三相四線制的低壓臺區(qū)中參與三相不平衡治理的用戶進(jìn)行如下劃分:
1)三相用戶。三相用戶本身無法參與三相不平衡治理,也無法布置自動換相裝置,但是其運行數(shù)據(jù)仍參與臺區(qū)三相不平衡度的計算。
2)單相重要用戶。在低壓臺區(qū)中,有一些用戶(例如醫(yī)院、政府部門)具有很高的供電優(yōu)先級,不應(yīng)承載頻繁的相位切換帶來的風(fēng)險。
3)單相關(guān)聯(lián)用戶。在低壓臺區(qū)中,為方便管理,一些用戶(例如同一建筑物相同樓層的用戶)的相位一般是保持一致的。
4)單相普通用戶。此類用戶可進(jìn)行換相裝置的安裝且不受其他用戶的約束。
5)匯流節(jié)點。中國的低壓配電網(wǎng)在實際運行中一般呈現(xiàn)輻射狀[18],通常把輻射型網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點視作匯流節(jié)點[19]。在根節(jié)點處布置換相裝置,可以實現(xiàn)對與之相連的葉節(jié)點的用戶相位進(jìn)行批量切換,從而減少安裝換相裝置的數(shù)量。
文獻(xiàn)[20]對三相不平衡度做了如下定義:三相不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度,用電壓、電流負(fù)序基波分量與正序基波分量的方均根值的百分比表示[20]。在對稱的三相四線制系統(tǒng)中,三相不平衡度可以用各相電流和三相電流平均值表示[21],表達(dá)式為:
單相用戶隨機的用電負(fù)荷是造成臺區(qū)三相不平衡的主要原因[22]。因此,應(yīng)用換相裝置進(jìn)行三相不平衡治理的原理是對單相用戶的相位進(jìn)行實時切換,以保證各時段的三相電流不平衡度不越限?;谝陨嫌脩艄?jié)點劃分,可在匯流節(jié)點處或用戶處安裝低壓負(fù)荷自動換相裝置,并通過控制終端進(jìn)行在線實時切換,如圖2 所示。
圖2 自動換相裝置安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of installed position of automatic phase commutation devices
一方面,考慮經(jīng)濟因素,換相裝置的安裝數(shù)量不是無限制的;另一方面,低壓臺區(qū)用戶不同的負(fù)荷特征使其對三相不平衡現(xiàn)象的影響不同,當(dāng)換相裝置安裝在負(fù)荷波動較大的用戶時,換相裝置的實時切換對三相不平衡的治理效果更好。因此,需要對換相裝置進(jìn)行合理的選址規(guī)劃。本文通過構(gòu)建整數(shù)二次規(guī)劃模型,確定換相裝置的最優(yōu)安裝位置與容量。
對于三相四線制的低壓配電系統(tǒng)中的單相用戶,控制其相位的換相裝置安裝位置應(yīng)位于匯流節(jié)點處,匯流節(jié)點集合表示為:
式中:Λr為從屬于第r個匯流節(jié)點的用戶集合,r∈{1,2,…,M},M為可以進(jìn)行安裝的匯流節(jié)點數(shù)量;n為配電臺區(qū)單相用戶的編號;N為配電臺區(qū)單相用戶總數(shù)。
基于匯流節(jié)點集合,定義換相裝置選址矩陣L為:
式中:lr=1 表示在節(jié)點r處安裝換相裝置,lr=0 表示不在節(jié)點r處設(shè)置換相裝置。換相裝置選址矩陣L反映了各匯流節(jié)點換相裝置的安裝情況。
在實際臺區(qū)中,各用戶有不同的用電習(xí)慣,體現(xiàn)為各用戶負(fù)荷曲線之間的差異與用戶自身負(fù)荷曲線的規(guī)律性。在選址規(guī)劃中,應(yīng)全面考慮用戶用電的各種情況,但是直接將用戶的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為選址規(guī)劃的依據(jù)既耗費時間,又缺乏代表性。因此,本文基于K-means 聚類算法對臺區(qū)負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類,得到各用戶典型負(fù)荷曲線,生成低壓臺區(qū)典型運行場景。在此基礎(chǔ)上,對低壓負(fù)荷自動換相裝置選址進(jìn)行規(guī)劃。
對于裝有低壓負(fù)荷自動換相裝置的配電臺區(qū),可以通過換相裝置的動作實現(xiàn)用戶相位的切換。在三相不平衡現(xiàn)象發(fā)生后,由控制終端根據(jù)生成的換相裝置切換策略,可以通過無線通信或電力線載波等方式將換相指令傳遞給各換相裝置。
定義場景i中時刻t的用戶相位矩陣At,i為:
低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型以年度綜合成本最小化為目標(biāo)。在規(guī)劃過程中,一方面要追求降低臺區(qū)三相不平衡度,以實現(xiàn)三相不平衡的有效治理;另一方面出于成本考慮,需要對設(shè)備安裝數(shù)量與裝置動作次數(shù)加以限制。因此,低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)為最小化換相裝置系統(tǒng)建設(shè)成本與各場景總運行費用之和C,表達(dá)式為:
式中:Cnew為新建換相裝置成本;Closs為功率損耗成本;Cswl為換相裝置損耗成本;Cma為換相裝置維護(hù)成本;Cunb為負(fù)荷三相不平衡導(dǎo)致的其他成本。
1)新建裝置成本
新建的低壓負(fù)荷自動換相裝置系統(tǒng),包含控制終端和相位切換裝置2 個部分。對于一個低壓配電臺區(qū),一般配置一個終端和若干個換相裝置,二者通過電力線載波或無線方式進(jìn)行通信,由終端生成控制指令,并下發(fā)給各匯流節(jié)點處的換相裝置。同時,換相裝置的額定電流有不同規(guī)格可供選擇,換相裝置的成本隨著其額定電流的增大而升高。新建低壓負(fù)荷自動換相裝置系統(tǒng)所需的固定成本和可變成本為:
式中:ct為換相裝置控制終端成本及其他固定成本;cω,d為ω型換相裝置的購買與安裝成本,ω∈ΩT,ΩT為換相裝置型號集合;Nω,s為ω型換相裝置的安裝個數(shù);dr為貼現(xiàn)率;w為規(guī)劃年限。
2)功率損耗成本
三相負(fù)荷不平衡會造成低壓配電臺區(qū)線路損耗、變壓器損耗等升高,嚴(yán)重時,甚至數(shù)倍于平衡狀態(tài)[23],導(dǎo)致臺區(qū)運行成本的上升。線路損耗會隨著臺區(qū)電流不平衡現(xiàn)象的加劇而增加,且與三相電流平方和呈正相關(guān),因此,本文用電流的二次方項表示三相不平衡帶來的功率損耗成本,表達(dá)式為:
式中:cL為功率損耗成本系數(shù),表征單日功率損耗成本;IXtotal,t,i為場景i下在時刻t流經(jīng)X相的總電流;rX為X相的阻抗參數(shù);Nsce為場景個數(shù);Δt為測量的時間間隔。
3)換相裝置損耗成本
低壓負(fù)荷自動換相裝置作為電力電子裝置,其在運行過程中自身也存在損耗,一方面換相裝置數(shù)量的增加會導(dǎo)致整個系統(tǒng)損耗的增加;另一方面流經(jīng)換相裝置電流的增大會導(dǎo)致單個換相裝置損耗的增加。因此,換相裝置損耗成本表達(dá)式為:
式中:cs為裝置損耗成本系數(shù),表征單日換相裝置功率損耗成本;rω為ω型換相裝置等值電阻;In,t,i為用戶n在場景i下時刻t的電流。
4)換相裝置維護(hù)成本
目前,自動換相裝置仍存在耐久性不高等問題。因此,需要額外的維護(hù)成本,該成本與裝置額定電流有關(guān),裝置額定電流越高,其維護(hù)成本越高。因此,換相裝置維護(hù)成本表達(dá)式為:式中:cm為換相裝置維護(hù)成本系數(shù),表示換相裝置年維護(hù)成本;Iω,max,dev為ω型換相裝置的額定電流。
5)負(fù)荷三相不平衡導(dǎo)致的其他成本
除造成線路損耗升高外,三相負(fù)荷不平衡還會引起儀表故障、考核不過關(guān)等問題,造成成本的增加。因此,負(fù)荷三相不平衡導(dǎo)致的其他成本表達(dá)式為:
式中:cu為成本系數(shù),表征單日三相不平衡造成的其他成本增加;γi為場景i下單日三相不平衡度之和,其表達(dá)式如式(11)所示。
式中:γt,i為場景i下時刻t的臺區(qū)三相不平衡度。
1)用戶安裝約束
低壓負(fù)荷自動換相裝置具有可帶載切換、對用戶無沖擊等優(yōu)良特點。理論上,臺區(qū)內(nèi)所有節(jié)點均可安裝換相裝置,但實際中,有些類型的用戶(例如裝有高精密儀器的用戶)可能不愿意安裝。因此,本文假設(shè)部分節(jié)點可以安裝,將不適宜安裝的節(jié)點表示為重要用戶節(jié)點集合,其所在的匯流節(jié)點不應(yīng)設(shè)置換相裝置,在實際中可通過調(diào)研決定。該約束條件為:
式中:ΩU表示不適宜安裝換相裝置用戶節(jié)點集合。
2)裝置安裝數(shù)量約束
目標(biāo)函數(shù)中的新建換相裝置成本Cnew根據(jù)安裝的裝置數(shù)量進(jìn)行計算。裝置安裝數(shù)量受換相裝置選址矩陣L約束,在數(shù)值上等于矩陣L中不為0 的元素的個數(shù)Ns,該約束條件表達(dá)式為:
3)換相裝置額定電流約束
對于樹狀的配電網(wǎng)絡(luò)可通過在匯流節(jié)點處安裝換相裝置,對其下的所有低壓用戶相位進(jìn)行統(tǒng)一控制,但是由于裝置中電力電子器件的限制,其控制的用戶數(shù)量不能無限制地增加。對任意一臺裝置,其控制的用戶各時刻的電流有效值之和不能超過額定值。因此,該約束條件表達(dá)式為:
式中:Imax,n為用戶n的最大電流。
4)單相用戶相位0-1 約束
相位矩陣A內(nèi)元素均為0-1 變量,且對于單相用戶,其對應(yīng)的相位矩陣列向量只有一個元素為1,該約束條件表達(dá)式為:
5)換相裝置配置約束
對于未配置換相裝置的節(jié)點,在三相不平衡治理的過程中其相位無法改變,并且在第r個匯流節(jié)點處安裝換相裝置時,從屬于該節(jié)點的單相用戶節(jié)點相位保持一致,該約束條件表達(dá)式為:
6)線路安全性約束
在進(jìn)行三相不平衡治理的過程中,應(yīng)保持三相電流不越限,始終低于線路容許的最大電流,同時治理過程中應(yīng)確保節(jié)點電壓不越限。該約束條件表達(dá)式為:
綜上所述,本文建立了低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型,以運行與規(guī)劃總成本最小化為目標(biāo)。該模型為混合整數(shù)二次規(guī)劃模型,在求解時,可采用商業(yè)優(yōu)化包Gurobi 對模型進(jìn)行求解,保證求解的可行性[24]。
本文基于某76 節(jié)點低壓臺區(qū)系統(tǒng)對低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析。該系統(tǒng)包含單相用戶節(jié)點76 個,其中,A 相用戶為29 戶,B相用戶為24 戶,C 相用戶為23 戶,臺區(qū)線路容量為150 kV·A,線路阻抗參數(shù)如附錄A 表A1 所示,其拓?fù)鋱D如圖A1 所示。規(guī)劃模型中,設(shè)待選換相裝置有2 種型號,裝置額定電流與價格如表A2 所示,裝置使用壽命為 10 年。 功率損耗成本為0.35 元/(kW·h),貼現(xiàn)率為8%,三相不平衡造成的其他單位成本為1 萬元。匯流節(jié)點集合Λr設(shè)定如表A3 所示。
為說明本文所提出的規(guī)劃策略的優(yōu)越性,將基于本文策略與未治理、人工相序優(yōu)化(artificial phase sequence optimization,ASPO)法[8]、電流均值法(average current method,ACM)[16]進(jìn)行比較?;诒疚奶岢龅囊?guī)劃策略得到如圖3 所示的低壓臺區(qū)自動換相裝置選址定容方案。圖中:藍(lán)色矩形代表低壓負(fù)荷自動換相裝置,紅色節(jié)點代表受換相裝置控制的低壓用戶,其相位會隨著換相裝置的動作而改變。配置換相裝置的匯流節(jié)點及其所控制的單相用戶見附錄A 表A4。基于電流均值法得到的臺區(qū)換相裝置選址方案如圖A2 所示。
圖3 低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃結(jié)果Fig.3 Results of siting and sizing planning of automatic phase commutation devices for low-voltage load
各種方法下的系統(tǒng)規(guī)劃與運行總成本如表1 所示??梢钥闯觯疚姆椒娠@著降低低壓臺區(qū)規(guī)劃與運行總成本。相比于不使用換相裝置的人工相序優(yōu)化法,采用本文方法進(jìn)行的選址定容規(guī)劃額外增加了換相裝置安裝與運行維護(hù)成本,但是功率損耗成本與三相不平衡成本降低,因而總成本更低。相比于基于電流均值法進(jìn)行換相裝置選址規(guī)劃,本文方法由于考慮了換相裝置的切換時序以及臺區(qū)拓?fù)?,更能發(fā)揮換相裝置的作用,三相不平衡治理效果更好,系統(tǒng)運行的總成本更低。
表1 不同方法下的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址規(guī)劃結(jié)果比較Table 1 Comparison of siting and sizing planning results of automatic phase commutation devices for low-voltage load with different methods
基于規(guī)劃模型確定的換相裝置選址方案,分析低壓負(fù)荷自動換相裝置日內(nèi)切換控制策略的三相不平衡治理效果。流經(jīng)配電變壓器的三相電流有效值以及采用不同方法進(jìn)行治理后的三相不平衡度曲線如圖4 所示??梢钥闯?,待治理臺區(qū)存在比較嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象,而本文提出的換相裝置日內(nèi)切換控制策略可以將臺區(qū)電流三相不平衡度限制在設(shè)定閾值之內(nèi)。由于各低壓用戶用電習(xí)慣不同,臺區(qū)在不同時刻的三相不平衡情況不同,在臺區(qū)三相電流值波動較小時,本文方法與其他方法均可實現(xiàn)臺區(qū)三相不平衡的有效治理,但是當(dāng)三相電流值出現(xiàn)較大波動(如圖4(a)所示的第3 日電流曲線)時,基于本文方法進(jìn)行治理的臺區(qū),其三相不平衡度更低。綜上所述,本文提出的低壓負(fù)荷自動換相裝置日內(nèi)切換控制策略由于考慮了各個時段電流隨時間的變化情況,實現(xiàn)了三相不平衡的實時治理。
圖4 不同治理方法下的三相不平衡度Fig.4 Three-phase unbalance degree with different mitigation methods
在有分布式光伏接入的低壓臺區(qū)中,臺區(qū)內(nèi)用戶負(fù)荷變化更加頻繁,使臺區(qū)的三相不平衡問題加劇[25]。為驗證本文模型在有分布式光伏接入的低壓臺區(qū)三相不平衡治理上的有效性,本文對附錄A圖A1 所示的低壓臺區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行修改,在節(jié)點7、15、35、46、56、63 增加分布式光伏接入,并選取大發(fā)和小發(fā)2 種光伏出力場景進(jìn)行算例分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知,經(jīng)過治理,在2 種光伏出力場景下的臺區(qū)各時刻三相不平衡度均低于1%,與未配置分布式光伏場景下的三相不平衡度基本相同。因此,對于有分布式光伏接入的臺區(qū),本文方法仍然適用,仍可實現(xiàn)三相不平衡的有效治理。
圖5 分布式光伏接入場景下的三相不平衡度Fig.5 Three-phase unbalance degree in distributed photovoltaic access scenarios
為分析本文建立的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型對換相裝置成本、三相不平衡成本等參數(shù)變化的敏感程度,本節(jié)對規(guī)劃結(jié)果與規(guī)劃參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究,表2 和表3 分別給出了三相不平衡單位成本和裝置成本取不同值時求解模型得到的裝置安裝數(shù)量與系統(tǒng)成本構(gòu)成??梢钥闯觯S著三相不平衡單位成本的增加,規(guī)劃結(jié)果中的裝置數(shù)量逐漸增加,同時功率損耗成本降低,三相不平衡治理效果變好。而隨著裝置成本的增加,規(guī)劃結(jié)果中的裝置數(shù)量逐漸降低,同時三相不平衡治理效果變差。
表2 不同三相不平衡單位成本下的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃結(jié)果比較Table 2 Comparison of siting and sizing planning results of automatic phase commutation devices for low-voltage load with different three-phase unbalance unit costs
表3 不同裝置成本下的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃結(jié)果比較Table 3 Comparison of siting and sizing planning results of automatic phase commutation devices for low-voltage load with different device costs
本文提出了一種面向臺區(qū)三相不平衡治理的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型,建立以換相裝置系統(tǒng)建設(shè)成本與各場景總運行費用之和最小化為目標(biāo)的低壓負(fù)荷自動換相裝置選址定容規(guī)劃模型,以確定裝置最優(yōu)安裝位置與容量。算例分析表明,相比于其他方法,本文所提模型一方面可以節(jié)約換相裝置安裝數(shù)量,另一方面具有更好的三相不平衡治理效果。此外,不同規(guī)劃參數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果靈敏度分析表明,隨著三相不平衡單位成本的增加,換相裝置的數(shù)量隨之增加,三相不平衡治理效果變好,而隨著裝置成本的增加,規(guī)劃結(jié)果中的裝置數(shù)量逐漸降低,三相不平衡治理效果變差。
然而,本文所提方法也存在一定的局限性和改進(jìn)空間:本文所提方法只適用于配電變壓器僅有一回出線、各用戶接入相位與網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系已知、不考慮采取無功補償措施的低壓臺區(qū),而實際現(xiàn)場中可能出現(xiàn)會情況更為復(fù)雜的臺區(qū),有待未來進(jìn)一步研究。
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