朱 慧 周 艷 吳文龍 戚思源

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區(qū)供電分公司）

0 引言

設(shè)備、線(xiàn)路均會(huì)使電力能源傳輸過(guò)程出現(xiàn)損耗，大多衡量能源消耗情況的指標(biāo)，均使用線(xiàn)損率。含分布式電源的配電網(wǎng)線(xiàn)損率類(lèi)型包括可變損耗、固定損耗和其他損耗，類(lèi)型較多，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響大。本案例使用線(xiàn)損計(jì)算方法，通過(guò)降損優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)節(jié)能降耗的基本目標(biāo)，確保電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的線(xiàn)損最優(yōu)化。

1 含DG配網(wǎng)線(xiàn)損計(jì)算

1.1 元件損耗計(jì)算

分布式電源接入元件損耗包括變壓器、線(xiàn)路及電容器等相關(guān)器件。本案例中出線(xiàn)變壓器數(shù)量較多，有功損耗類(lèi)型包括鐵損和銅損，是電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中電壓和電流變化所產(chǎn)生的損耗。鐵損量與變壓器得到型號(hào)有關(guān)，根據(jù)廠家出具的相關(guān)報(bào)告，能夠了解最終損耗量，具體鐵損計(jì)算公式如下：

式中，A為電量總和，P為空載運(yùn)行損耗?？勺儞p耗計(jì)算公式如下：

式中，P為1短路損耗，Ie為額定電流，Ip為負(fù)荷電流，F(xiàn)為損失因數(shù)。

電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，電容器會(huì)產(chǎn)生損耗，其損耗值受到電容器容量影響，最終導(dǎo)致含DG 配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的線(xiàn)損發(fā)生變化，具體損耗計(jì)算公式如下：

Qc為無(wú)功補(bǔ)償容量，tanθ為介損正切值。

1.2 潮流計(jì)算

由于含DG 配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)線(xiàn)的電阻數(shù)值通常較大，使用潮流計(jì)算方法過(guò)程中可以忽略電阻對(duì)損耗產(chǎn)生的影響。分布式結(jié)構(gòu)線(xiàn)路分支比較多，為避免計(jì)算過(guò)程中的誤差問(wèn)題，使用推回代法進(jìn)行計(jì)算。本案例在潮流計(jì)算中考慮到饋電線(xiàn)路的輻射狀態(tài)，功率負(fù)荷包括節(jié)點(diǎn)負(fù)荷以及支路功率，考慮到節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，在計(jì)算系統(tǒng)連接過(guò)程中線(xiàn)路的損耗功率時(shí)，應(yīng)采取下述公式前推：

式中，Q為節(jié)點(diǎn)內(nèi)的功率，Qk為功率損耗。

電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，電流經(jīng)過(guò)輸電線(xiàn)路時(shí)，采用潮流計(jì)算方法能夠得到有功損耗值和無(wú)功損耗值。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的阻抗值以及電壓幅值等，能夠確定網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布。本案例使用前推回代法計(jì)算，采用迭代算法完成功率損耗的潮流計(jì)算，具體流程如下：

第一步，電壓賦初始值，確定電壓額定值，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓。

第二步，進(jìn)行功率前推計(jì)算，計(jì)算含DG 配網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)功率。

第三步，使用回代計(jì)算方法，確定具體功率分布狀態(tài)的同時(shí)，沿著電網(wǎng)饋線(xiàn)提取電壓值，完成回代過(guò)程。

第四步，對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，以確保迭代計(jì)算結(jié)果最終滿(mǎn)足精度要求，迭代計(jì)算結(jié)束后，如果不滿(mǎn)足要求，重復(fù)第二步，直至迭代計(jì)算最終結(jié)果滿(mǎn)足要求［1］。

1.3 線(xiàn)損計(jì)算

線(xiàn)損計(jì)算基于配網(wǎng)潮流實(shí)現(xiàn)，根據(jù)配網(wǎng)運(yùn)行預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算負(fù)荷狀態(tài)下配網(wǎng)的有功損耗。計(jì)算過(guò)程中考慮到線(xiàn)路結(jié)構(gòu)運(yùn)行的復(fù)雜性，需要對(duì)整個(gè)配網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷情況以及出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行整個(gè)全網(wǎng)線(xiàn)損的計(jì)算。因此，導(dǎo)線(xiàn)及配變的損耗計(jì)算也尤為重要。本案例在使用推回代法迭代計(jì)算的同時(shí)，不斷通過(guò)前推、回代的迭代計(jì)算方式，根據(jù)電壓、電阻計(jì)算電流，最終輸出有功損耗結(jié)果。在計(jì)算過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器裝置和智能控制系統(tǒng)可以得出，根節(jié)點(diǎn)的電壓在人機(jī)交互界面內(nèi)顯示，使用可變損耗計(jì)算公式，最終計(jì)算結(jié)果，結(jié)合配變系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的固定損耗，能夠得到全網(wǎng)的最終損耗數(shù)值。本案例考了DG 接入后對(duì)線(xiàn)損所產(chǎn)生的影響，結(jié)合DG 出力預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行線(xiàn)損計(jì)算，為優(yōu)化模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

2 含DG配網(wǎng)線(xiàn)損最優(yōu)技術(shù)應(yīng)用

2.1 效益最大化模型

效益最大化模型考慮到配網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)，重新優(yōu)化線(xiàn)路走向。通常情況下，采用減少導(dǎo)線(xiàn)電阻的方式降低損耗，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)損最優(yōu)，在配網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中使用小線(xiàn)徑導(dǎo)線(xiàn)，并同時(shí)增加截面積方式降低損耗。目標(biāo)函數(shù)考慮到線(xiàn)損最優(yōu)配置所投入的成本，以節(jié)能為目標(biāo)降低損耗，具體目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，L為凈效益，La為損耗最優(yōu)收益，Lb為維護(hù)成本，Lc為更換成本，Ld為變壓器更新成本。考慮到含DG 配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中峰谷電價(jià)損耗情況，根據(jù)不同時(shí)段的峰谷性質(zhì)確定潮流計(jì)算中所應(yīng)采取的數(shù)值。在確定線(xiàn)損最優(yōu)技術(shù)應(yīng)用的成本條件后，確定配網(wǎng)線(xiàn)損最優(yōu)的約束條件。在DG 電網(wǎng)成本效益和節(jié)能效益最大化模型中，使用的潮流約束公式如下：

式中，i、j分別為配網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，P為功率，Gij電導(dǎo)相角差，Bij為電納相角差，θij為電壓相角差。U為電壓數(shù)值。在效益最大化模型中，對(duì)含DG配網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，使用潮流約束公式計(jì)算，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行解釋。在計(jì)算過(guò)程中，同時(shí)需要采用容量約束、電壓約束等方法，確定配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中安裝設(shè)備容量限值及配置線(xiàn)路的允許流量限制，將其作為模型解釋的基礎(chǔ)數(shù)值。

2.2 遺傳算法模型求解

遺傳算法最早出現(xiàn)在1975 年，通過(guò)二進(jìn)制編碼模擬基因組的方式建立模型。本案例研究基于傳統(tǒng)的遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，在編碼方式上，考慮到線(xiàn)損最優(yōu)過(guò)程中線(xiàn)路、元件重新配置后的變化，并將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電容器考慮到模型之中，兼顧多種情況建立編碼。本案例中，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為10 個(gè)，分布式電源接入量為兩個(gè)，分別為風(fēng)電和光電，變電站為10kv，建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型后，在遺傳操作上考慮結(jié)構(gòu)的非對(duì)角線(xiàn)元素和對(duì)角線(xiàn)元素。具體遺傳算法應(yīng)用包括四個(gè)步驟。

第一步，選擇操作。確定目標(biāo)函數(shù)內(nèi)的適度值，保留模型中的優(yōu)質(zhì)基因，替換劣質(zhì)基因。

第二步，交叉操作。采取交叉方式對(duì)應(yīng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)損降低措施，利用拓?fù)潢P(guān)系重構(gòu)，處理變異操作關(guān)系。根據(jù)個(gè)體交叉概率值，在基因內(nèi)部自交叉。

第三步，變異操作。針對(duì)數(shù)值不為0 的元素，采取變異操作，得到優(yōu)化后的個(gè)體適應(yīng)度值。

第四步，迭代計(jì)算。設(shè)置迭代終止條件，確定迭代次數(shù)，計(jì)算平均值差，確保其在0.05%以?xún)?nèi)。

完成遺傳操作后，會(huì)產(chǎn)生新的基因，對(duì)不符合含DG 配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基因剔除和修復(fù)之后，進(jìn)行遺傳計(jì)算。首先，將參數(shù)初始化，并根據(jù)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)生成編碼矩陣，確定迭代次數(shù)后，開(kāi)始遺傳操作，將無(wú)效基因修復(fù)后，計(jì)算適度值。最后，根據(jù)負(fù)荷和出力數(shù)據(jù)，采取潮流計(jì)算的方法，確定最終適應(yīng)度值，并判斷是否滿(mǎn)足迭代終止條件，輸出線(xiàn)損優(yōu)化結(jié)果［2］。

2.3 蒙特卡羅模擬結(jié)果

本案例將線(xiàn)損較高含DG 區(qū)域的配電網(wǎng)作為研究對(duì)象，變電站供電參數(shù)為110kV，為周邊的城鎮(zhèn)供電。線(xiàn)路為架空+混合+電纜等，共計(jì)存在負(fù)荷點(diǎn)數(shù)量60 個(gè)，包括光電站數(shù)量2 個(gè)和風(fēng)電站數(shù)量3 個(gè)。具體線(xiàn)路的分布式電源接入情況如下：

表1 分布式電源接入情況表

在線(xiàn)損最優(yōu)模型構(gòu)建過(guò)程中，根據(jù)往年的功率及負(fù)荷情況，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，計(jì)算測(cè)值、殘差等，具體2019 年至2022 年的功率預(yù)測(cè)結(jié)果及殘差計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 有功功率預(yù)測(cè)及殘差計(jì)算結(jié)果（kW）

由表2 可知，在預(yù)測(cè)配網(wǎng)負(fù)荷以及輸出蒙特卡羅模擬結(jié)果的過(guò)程中，殘差值變化大，殘差率變化較小。建立殘差序列后得出殘差絕對(duì)值，最終結(jié)果為0.58，結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果得到2022 年最大有功功率為592.4kW。同時(shí)，使用上述方法，能夠確定未來(lái)數(shù)年內(nèi)的負(fù)荷結(jié)果，采用概率分布的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)最終的模擬輸出結(jié)果，能夠得到風(fēng)電輸出功率及光伏發(fā)電輸出功率，并確定不同季節(jié)、不同時(shí)段內(nèi)的功率序列變化。最終輸出結(jié)果能夠應(yīng)用到潮流計(jì)算之中［3］。

2.4 配網(wǎng)線(xiàn)損優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)模擬輸出結(jié)果，使用遺傳算法迭代求解，以配網(wǎng)線(xiàn)損最優(yōu)為目標(biāo)。根據(jù)輸出結(jié)果，在線(xiàn)損最優(yōu)化模型中，應(yīng)采用增加線(xiàn)路或者拆除線(xiàn)路的方式，更換現(xiàn)有配變的節(jié)點(diǎn)，方能夠?qū)崿F(xiàn)線(xiàn)損的最優(yōu)化。首先，將靠近變電站的導(dǎo)線(xiàn)更換為規(guī)格更大的配電線(xiàn)路，且改變?cè)镜膶?dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度。原本YJV22-3*300型號(hào)的配電線(xiàn)路更換為YJV22-3*400 型號(hào)的導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為325m，其他配網(wǎng)內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)也進(jìn)行規(guī)格優(yōu)化。優(yōu)化信號(hào)之后導(dǎo)線(xiàn)的電阻值降低，電力能源傳輸距離降低，使得線(xiàn)損也有所降低，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的線(xiàn)損最優(yōu)。新增配電線(xiàn)路數(shù)量也比較多，根據(jù)迭代計(jì)算結(jié)果，新增大量配電線(xiàn)路型號(hào)，并改變了原本的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度。且光伏和風(fēng)電分布式電源的補(bǔ)償容量也進(jìn)一步確定，其中，光電1 號(hào)補(bǔ)償容量為1500kvar、光電2 號(hào)補(bǔ)償容量為1800kvar，風(fēng)電1 號(hào)、風(fēng)電2 號(hào)、風(fēng)電3號(hào)補(bǔ)償容量分別為2000kvar、1500kvar、1600kvar。考慮到未來(lái)供電過(guò)程中，分布式電源接入后電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷增長(zhǎng)的實(shí)際情況，需要將原本配變?nèi)萘枯^小的變壓器更換為容量更大的變壓器，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)線(xiàn)損最優(yōu)控制目標(biāo)。因此，本案例利用遺傳算法和DG 出力預(yù)測(cè)的方式，改進(jìn)了求解模型，根據(jù)模型的輸出結(jié)果確定了含DG配網(wǎng)線(xiàn)損最優(yōu)的技術(shù)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本案例建立效益最大化優(yōu)化模型及遺傳算法模型，根據(jù)蒙特卡羅模擬輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)損耗的最優(yōu)化。該模型應(yīng)用具備降低線(xiàn)損率的目的，且電網(wǎng)能夠根據(jù)負(fù)荷和出力變化，模擬電網(wǎng)潮流，計(jì)算含分布式電源配網(wǎng)運(yùn)行的有功損耗，減少出力波動(dòng)、電流變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，使得線(xiàn)損計(jì)算和控制精度得到保障。