李松蕊，楊志，陳國峰，陳 高，楊建蒙，萬豪

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 前言

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，我國環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，溫室氣體減排壓力巨大。近幾年來，我國遭遇了大范圍的霧霾天氣，特別是在冬季供暖期，部分北方城市達(dá)到重度污染，嚴(yán)重影響了人民群眾生產(chǎn)生活和生命健康。黨和政府高度重視節(jié)能減排工作，2013 年國務(wù)院頒布了《大氣污染防治行動計劃》，同年環(huán)境保護部、國家發(fā)改委等六部委頒布了《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細(xì)則》，明確提出了大氣污染治理方針和措施。目前，已初步明確2016—2017 年在京津冀區(qū)域開展煤改電工程。黨的十九大報告提出“積極參與全球環(huán)境治理，落實減排承諾”為全球生態(tài)安全做出貢獻(xiàn)。煤改電負(fù)荷的接入會對電網(wǎng)帶來負(fù)荷大幅且不均衡增長、電網(wǎng)峰谷差加大等影響。

文獻(xiàn)[1]總結(jié)和分析了京津冀燃煤污染治理方面的主要做法和成效，指出散煤治理工作中存在的一些制約問題。文獻(xiàn)[2]介紹小微企業(yè)煤改電的情況。文獻(xiàn)[3]以北方某地區(qū)的農(nóng)村配電網(wǎng)為例，提出了規(guī)劃與改造的基本思路和方法，給出了規(guī)劃電采暖的用電負(fù)荷和評價指標(biāo)。

配電網(wǎng)最大供電能力是指在配電網(wǎng)中任意設(shè)備均不過負(fù)荷條件下，網(wǎng)絡(luò)所能供應(yīng)的最大負(fù)荷。一般可從2 種角度來定義和評價配電網(wǎng)最大供電能力，一是“基于主變互聯(lián)、滿足N-1準(zhǔn)則和實際約束”的區(qū)域最大供電能力（total supply capability，TSC）[4-5]；另一是“基于當(dāng)前實際配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布”的最大負(fù)荷供應(yīng)能力（load supplying capability，LSC），下文均用LSC 代替表達(dá)。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)對配電網(wǎng)最大供電能力的研究主要集中在TSC 這一層面，并提出了具體求解的模型[6-8]及相關(guān)指標(biāo)的定義[6-7]，該層面的方法可以在負(fù)荷未知條件下計算滿足N-1 安全約束的配電網(wǎng)最大供電負(fù)荷，從整體上把握區(qū)域供電能力，但其對局部網(wǎng)絡(luò)（具體到每條饋線）最大供電能力的求解并不是基于現(xiàn)有負(fù)荷分布和實際配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不能真實反映最大供電能力大小。而LSC 是從負(fù)荷角度反應(yīng)配電網(wǎng)供電能力是否充足，可作為衡量網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)安全裕度的指標(biāo)，能確定性分析當(dāng)前局部網(wǎng)絡(luò)的最大供電能力，然后通過疊加得出該區(qū)域綜合最大供電能力。

本文利用LSC 瓶頸進行煤改電工程試點，研究在不改變原有網(wǎng)架的情況下，保證系統(tǒng)供電可靠性，計算可以再接入系統(tǒng)的最大負(fù)荷，利用其衡量煤改電改造的規(guī)模大小，此項研究對指導(dǎo)現(xiàn)有以燃煤取暖的居民區(qū)進行煤改電工程具有重要意義。

1 LSC計算

1.1 LSC概述

LSC 是指設(shè)備均不過載，各節(jié)點電壓均不越限的條件下網(wǎng)絡(luò)所供應(yīng)的最大負(fù)荷[8]。

常見求解LSC 方法有內(nèi)點法、嘗試法以及最大負(fù)荷倍數(shù)法等[9-14],但其精度不高。本文的LSC 模型引入文獻(xiàn)[13-14] 提出的改進的負(fù)荷倍數(shù)法。該方法計及了電壓和支路功率約束對LSC 的影響，由于結(jié)合了當(dāng)前實際配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷值，相對于其他模型比較精確。

1.2 LSC的模型

供電能力模型以LSC 為目標(biāo)函數(shù)，以節(jié)點電壓和支路功率為約束條件。本文利用變步長法求取配電網(wǎng)的LSC[12]。需要配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和各節(jié)點的負(fù)荷值等原始數(shù)據(jù)。

目標(biāo)函數(shù)：

式（1）中，LSCk為k時刻系統(tǒng)的最大負(fù)荷供應(yīng)能力，Load0ik為i節(jié)點k時刻的初始負(fù)荷；rik為i負(fù)荷節(jié)點k時刻增長倍數(shù)，n為負(fù)荷節(jié)點的數(shù)量。

約束條件包括：

電壓約束：

式（2）中Uik、Uik.min、Uik.max分別為i節(jié)點k時刻的電壓及上下限。

饋線功率約束：

式（3）中Bmn、Bmn.max分別為負(fù)荷節(jié)點m到負(fù)荷節(jié)點n饋線的潮流及饋線容量。

電源容量約束：

式（4）中S0為電源容量，B0m.max為電源0到負(fù)荷節(jié)點m的饋線容量，以本文IEEE 33 節(jié)點為基礎(chǔ)，則S0≥B01m.max。在本文中電源容量大于電源到負(fù)荷節(jié)點1 的饋線容量。

1.3 LSC的求解

LSC 求解過程由以下4 步構(gòu)成。

①輸入初始負(fù)荷，負(fù)荷增長倍數(shù)以及精度。

②對初始狀態(tài)進行潮流計算，判斷得到各節(jié)點饋線的潮流、電壓是否收斂。

③如果滿足約束，以初始負(fù)荷為基準(zhǔn)值，為各負(fù)荷節(jié)點增長倍數(shù)，考慮負(fù)荷增長。

④對③的負(fù)荷值進行潮流計算。若滿足條件，重復(fù)②至③步驟。若不滿足要求，則增長倍數(shù)減半。并重復(fù)②至③步驟；滿足精度要求時，得到該配電網(wǎng)的最大供電功率。

綜上所述，LSC 計算流程圖如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)LSC求解流程

1.4 負(fù)荷裕度分析

利用負(fù)荷裕度分析，根據(jù)冬季供暖期間典型日的日負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)，利用負(fù)荷裕度αk選擇哪個時刻為依據(jù)進行研究，αk的負(fù)荷裕度定義為：

式（5）中：煤改電前LSCk為k時刻的LSC，煤改電前Sk為k時刻為用電負(fù)荷值。

計算配電網(wǎng)各時刻的負(fù)荷裕度后，采用負(fù)荷裕度排序的方法來選擇負(fù)荷裕度最小的時刻點為依據(jù)進行煤改電工程改造。

1.5 煤改電最大負(fù)荷供應(yīng)能力瓶頸模型

煤改電最大負(fù)荷供應(yīng)能力瓶頸模型以負(fù)荷節(jié)點再接入有功功率Mi為變量，LSC 為約束條件，系統(tǒng)的用電負(fù)荷Sk為目標(biāo)函數(shù)。以此獲知煤改電配電網(wǎng)最大供應(yīng)能力的瓶頸。同時，需要考慮負(fù)荷自然增長率，在本文中，負(fù)荷采取按等比例等功率因數(shù)方式增長的方案。

目標(biāo)函數(shù)：

式（6）中，Sk為k時刻系統(tǒng)的用電負(fù)荷，Pik為i節(jié)點k時刻的有功功率；Qik為i節(jié)點k時刻無功功率；n為負(fù)荷節(jié)點的數(shù)量。Mi為i負(fù)荷節(jié)點煤改電工程接入系統(tǒng)的有功功率。

約束條件：

式（7）中變量與上述（6）中一致。式（8）中Pik0為煤改電前i節(jié)點k時刻的初始有功功率。a為負(fù)荷自然增長率，y為煤改電工程規(guī)劃年限。

2 指導(dǎo)煤改電工程選址和規(guī)模的步驟

利用本文思路指導(dǎo)煤改電的選址和規(guī)?；贚SC 計算方法，煤改電工程一般步驟（如圖2 所示）可概括如下：

圖2 煤改電工程流程

1）考慮用電負(fù)荷的自然增長率，進行負(fù)荷預(yù)測，計算配電網(wǎng)的用電負(fù)荷。

2）計算預(yù)測負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)的LSC。

3）計算預(yù)測負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷裕度。

4）選擇負(fù)荷裕度最小的時刻為依據(jù)進行研究，當(dāng)系統(tǒng)滿足最小負(fù)荷裕度時系統(tǒng)又接入系統(tǒng)的有功功率，根據(jù)有功功率決定煤改電工程的規(guī)模，進而選擇取暖器的類型。

3 算例分析

本文以IEEE 33 節(jié)點系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行仿真分析，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本算例仿真設(shè)計各負(fù)荷節(jié)點的冬季供暖典型日負(fù)荷曲線，節(jié)點0為電源節(jié)點，其余32 個節(jié)點為負(fù)荷節(jié)點。首先，對單一負(fù)荷節(jié)點進行煤改電工程改造，分析各個節(jié)點能夠接入的最大有功功率使LSC 達(dá)到瓶頸。隨后隨機對多個節(jié)點進行改造，同時LSC達(dá)到瓶頸，保證煤改電的規(guī)模最大化。

圖3 IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)

3.1 煤改電前系統(tǒng)的LSC和用電負(fù)荷

算例中系統(tǒng)33 節(jié)點煤改電前系統(tǒng)各時刻的用電負(fù)荷見表1。

表1 煤改電前系統(tǒng)各時刻的用電負(fù)荷

3.2 LSC、煤改電后預(yù)測用電負(fù)荷、LSC及負(fù)荷裕度的計算

以短期規(guī)劃5 年為期，系統(tǒng)的有功功率增長率為2%，算例中系統(tǒng)各負(fù)荷節(jié)點初始增長步長取1、e 取0.001，根據(jù)1.2 和1.5 中的求解方法，33 節(jié)點煤改電前系統(tǒng)預(yù)測各時刻的用電負(fù)荷和LSC 見表2 和表3。

表2 煤改電前系統(tǒng)預(yù)測各時刻的用電負(fù)荷

表3 煤改電后系統(tǒng)預(yù)測各時刻的LSC

經(jīng)過表2 數(shù)據(jù)對比12:00 和20:00 為用電高峰，凌晨3:00 為用電低谷。如圖4 所示12:00和20:00 的負(fù)荷裕度最小，凌晨3:00 負(fù)荷裕度最大。只要滿足用電高峰時的負(fù)荷裕度，則其他時刻的負(fù)荷裕度都會大于用電高峰時的負(fù)荷裕度，則不會出現(xiàn)電壓、功率越限情況。綜合考慮居民冬季取暖的實際情況，晚上為居民供暖用電高峰，因此選擇20：00 的數(shù)據(jù)為依據(jù)研究煤改電的工程改造規(guī)模。

圖4 煤改電后系統(tǒng)24h負(fù)荷裕度

3.3 單一負(fù)荷節(jié)點煤改電改造對LSC的研究

規(guī)劃以短期規(guī)劃5 年為期，當(dāng)LSC 達(dá)到瓶頸時，用電負(fù)荷與LSC 相等，根據(jù)2.2 中模型可以得到煤改電工程試點后每個負(fù)荷節(jié)點再接入負(fù)荷最大有功功率，如表4 所示。我們可以根據(jù)最大有功功率接入量來進行煤改電工程的規(guī)劃和改造。

表4 系統(tǒng)到達(dá)瓶頸時各節(jié)點的煤改電工程接入有功功率

3.4 隨機多個負(fù)荷節(jié)點煤改電工程改造對LSC的研究

根據(jù)某地區(qū)要求，需要改造負(fù)荷節(jié)點30、31 和32 同時進行煤改電工程試點。滿足電源容量、節(jié)點電壓和饋線容量等約束條件，使得3個負(fù)荷節(jié)點改造的有功功率之和最大，系統(tǒng)的用電負(fù)荷達(dá)到最大。此時3 個節(jié)點分別接入和248 kW、0 kW 和0 kW。此時系統(tǒng)的LSC 和用電負(fù)荷如圖5 所示。

圖5 30、31、32負(fù)荷節(jié)點煤改電用電負(fù)荷和LSC圖

4 結(jié)束語

本文中以IEEE 33 節(jié)點系統(tǒng)再接入有功功率為變量，LSC 為約束，用電負(fù)荷為目標(biāo)函數(shù)，依據(jù)求解的來制定煤改電工程規(guī)模的規(guī)劃方案。

本文的研究只是針對較少數(shù)量、隨機位置的負(fù)荷節(jié)點進行研究，但是在實際煤改電改造規(guī)劃中要響應(yīng)政府政策，還需要考慮負(fù)荷節(jié)點的重要性和眾多負(fù)荷節(jié)點的協(xié)同作用等條件。此時，變量的數(shù)目會增加，計算過程會更加復(fù)雜。在接下來的工作中，還需要從多方面考慮煤改電工程給系統(tǒng)帶來的影響，如煤改電工程試點位置的選取等。用電負(fù)荷提高的同時LSC 會下降，可以選擇在負(fù)荷側(cè)安裝分布式電源或者儲能裝置來提高LSC。