基于交叉聯合供電的多配電臺區網損優化

傅曉飛，廖天明，紀坤華

(國家電網公司上海市電力公司，上海 200120)

基于交叉聯合供電的多配電臺區網損優化

傅曉飛，廖天明，紀坤華

(國家電網公司上海市電力公司，上海 200120)

低壓臺區配電變壓器存在冗余度高、整體利用率低等缺陷。為優化配電網運行經濟性，提高配電網設備利用效率，以多配電臺區網損為目標函數，各運行條件為約束，建立一種基于交叉聯合供電運行模式的網損優化模型，并采用粒子群算法對其進行求解。上海某實際配電網的算例分析表明，交叉聯合供電模式可以有效降低臺區網損，為社會帶來巨大的經濟效益。

交叉聯合供電；多配電臺區；線損優化

配電臺區管理主要是對臺區內配電變壓器(以下簡稱“配變”)進行管理。目前，我國低壓配電變壓器運行的主要問題有兩點。第一，低壓配變冗余度高，以上海為例，截止2016年底，上海市電力公司10 kV公用配變投運臺數達115 947臺。但對應全網臺區全年平均負載率僅為25%左右，高峰期間臺區平均負載也僅達到60%。第二，低壓配變運行損耗大。經理論計算，上海配變空載損耗共計50 354 kW，占500 V～10 kV公用變壓器空載損耗的45.25%。按空載損耗測算上海公司所屬配變每月消耗電量約3 625萬kWh，年消耗電量達到43 500萬kWh。如何對配電臺區進行合理規劃及提高配變運行效率，成為了實現配電網節能高效運行的關鍵技術手段。

城市低壓配電網具有負荷密度大、用電量集中、供電可靠性要求高等特點，而部分老城區的配電網絡相對較薄弱、負荷轉供能力較差等問題。實現配變低壓互聯可降低變壓器損耗，提高可靠性，其實現首要需解決變壓器負荷分配問題。目前的主要研究集中于建立負荷轉移路徑。文獻[1]和[2]以負荷切除量為目標函數，以減少負荷轉移帶來的損失。文獻[3]和[4]從開關動作次數最少的角度對問題進行研究，以增加低壓配變的使用壽命。文獻[5]和[6]以網損最小為目標，從經濟性角度對負荷轉移進行研究。但這些研究均只基于2臺變壓器，3臺及以上變壓器的優化運行還未見報道。

為提高低壓配變的利用效率并降低運行網損，本文提出一種基于交叉互聯供電的多配電網聯合運行模式，并以多配電臺區網損為目標函數，各運行條件為約束，建立一種基于交叉聯合供電運行模式的網損優化模型，通過求解該模型實現配電網的節能高效運行。

1 模型的建立

1.1 低壓配電臺區網格化

網格化，就是將選定供電區域按照劃分原則劃分為“網格”，使這些網格成為多臺區優化項目實施的單元。通過分析網格內的臺區負荷分布情況，確定低壓配電網臺區互聯方案。通常依據地區詳細規劃文件所提供的用地屬性、現有變電站布點及10 kV線路地理走向、負荷密度、片區分塊等資料為邊界條件，將供電區域劃分為供電網格，在滿足每個網格現狀負荷相對均衡的前提下還需滿足以下原則。

(1) 自然分界：網格不跨越寬闊道路、河流、山嶺、橋梁、巨大建筑等。

(2) 市政規劃：網格劃分與市政規劃分區分片相協調，盡量符合市政規劃要求。

(3) 現狀電網：根據現狀電網實際情況，因地制宜劃分網格，使網格化之后，低壓配電網臺區互聯工程量盡可能小。

(4) 用戶管理：一組接線的供電能力能滿足用戶需求時，盡量不出現用戶被網格切割。

(5) 供電距離：臺區供電范圍不能超越10 kV線路己形成典型接線區域范圍，臺區的低壓線路供電半徑原則上不宜超過300 m，因此網格的邊長要滿足供電距離的要求。

單個網格的結構如圖1所示，一個網格由10 kV主干線和若干配電臺區構成，圖1中虛線框所含區域為臺區單元。

圖1 單個網格結構

分析每個網格中的臺區數量，只要某個臺區的主干線路分支落在網格中，即認為該臺區在此網格內。對于負荷，如果某一臺區變壓器負載率明顯大于50%，則考慮在線路中裝設一個分段開關，負載率小于50%則不用分段。

1.2 臺區互聯約束條件

利用“網格化”思想將選定供電區域按照劃分原則劃分為獨立的“網格”之后，網格內臺區互聯方案的確定還需遵循以下幾個約束條件：

(1)互聯臺區的負載率要有高有低，方便臺區之間負荷的互轉，更好的體現優化的效果。

(2)互聯臺區負載率在時間上要盡量互補，即在同一時間點上盡量保證彼此負荷率高低互補。

(3)臺區互聯后，單臺供電距離不能太長，因此臺區彼此之間距離不能太遠，還可減少成本。

(4)互聯臺區負荷互轉后，線路的載流量不能越限。

(5)所選互聯臺區最好是同一段母線(10 kV)下的臺區，保證合環電流不越限。

1.2 臺區網損計算

1.2.1 配電變壓器損耗計算

配變的綜合功率損耗兩類：(1)空載損耗、負載損耗、空載電流無功損耗所引起的有功損耗；(2)負載時繞組漏抗漏磁無功損耗所引起的有功損耗，其中無功損耗對配變線損率的影響在0.001%～0.009%，可以忽略不計。由于配變的參數均為額定狀態下測定的，并且已根據變壓器絕緣材料的電壓等級折算成標準線圈溫度下換算值，因此進行變壓器損耗率計算時，應當不再考慮線圈溫度的影響。

配變的綜合功率損耗ΔPz可如式計算

ΔPz=P0+kTPkβ2

(1)

配變的綜合功率損耗ΔPz%計算公式如下：

(2)

式中P0——配變的空載損耗，kW；kT——負荷波動系數(負荷曲線形狀系數k的平方)；Pk——配變的額定負載功率損耗，kW；β——配變的負載系數；P1，Pz——配變的高、低壓側平均有功功率，kW；SN——配變的額定容量，kVA；cosφ——配變負荷側的平均功率因數。

1.2.2 臺區線損計算

低壓臺區是指某臺低壓配電變壓器供電的區域。臺區線損即配變低壓側與客戶電能表間配電設備的電能損耗。我國低壓配電網結構比較復雜，相線制式和導線種類較多。用電負荷分散且多變，三相不平衡現象普遍，并且受區域性、季節性和時間性影響呈現出不同的特點，運行數據較難收集，因此傳統的精確計算方法不具備可行性，只可采用近似計算的簡化方法。

目前，常用的低壓理論線損計算方法有均方根電流法、平均電流法、最大電流法、等值電阻法等，其中等值電阻法使用最為普遍，但由于其假設條件較多，當實際運行情況與假設條件出現偏差時，理論線損計算不能真實反映電網運行情況。本文中在深入了解和分析低壓臺區相關數據的基礎上進行低壓臺區線損計算，總結出低壓配電網的結構特點，并采用前推回代法進行理論線損計算，由于考慮了線制和電壓降對線路線損的影響，所以計算結果可信性高。

采用前推回代法進行低壓臺區理論線損計算的流程圖如圖2所示。

圖2 理論線損計算流程圖

2 基于交叉聯合供電的多配電臺區線損優化模型

本文建立目標函數為臺區網損，包含若干運行約束的多配電臺區網損優化模型：

minΔPz% s.t.f(V，θ，u)=0

Vmin

(3)

式中 ΔPz%——式(3)中定義的低壓配電網網損，MW；f——潮流方程；V，θ——節點電壓幅值和相角；u——多配電交叉互聯運行方案；Vmin，Vmax——節點電壓上下限約束。

3 模型的求解

本文采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)[7]對1.4節中所提模型進行求解。粒子群算法將每一個多配電交叉互聯運行方案看做一個粒子，如ui，i=1，…，n，其中n為粒子種群規模。算法求解步驟如下：

步驟1：設定初始參數。設定粒子種群數目；全局迭代次數Ng，粒子單次最大移動距離Smax；

步驟2：隨機產生n只粒子作為初始粒子群P={u1，…，un}，任一粒子代表交叉互聯運行方案；

步驟3：對每個粒子計算網損fobj=(ΔPz%)，并檢驗式約束是否滿足，按約束是否滿足按式計算粒子適應度

(4)

式中F0——固定參數，代表算法選擇壓力；a——懲罰因子。

步驟4：記錄群體內所有粒子中最優粒子對應方案為Gbest，個體的最優值對應方案為Ibest，按式更新粒子，c1，c2分別代表全局和局部學習因子。

(5)

步驟5：檢驗算法收斂條件是否滿足，是則算法停止，否則轉步驟3。

4 算例分析

本文以上海市南新五隊二—下南郵局—東錦園藝臺區作為研究對象，地理接線圖見圖3。

圖3 南新五隊二—下南郵局—東錦園藝臺區地理接線

4.1 低壓配電網網格化

如文中所述原則對配電網進行網格化后，所得3個配電臺區的結構示意圖如圖4～圖6所示。

圖4 南新五隊二低壓配網臺區結構圖

圖5 下南郵局低壓配網臺區結構圖

圖6 東錦園藝低壓配網臺區結構圖

4.2 臺區網損優化結果

通過分析臺區地理接線圖，將3個臺區可以看做成近似三角形分布。其中3個臺區桿變容量均為400MVA，南新五隊二臺區桿變月平均負載率為60%，下南郵局臺區桿變月平均負載率為18%，東錦園藝臺區桿變月平均負載率為12%，臺區桿變相互之間距離滿足要求。按照互聯原則，南新五隊二臺區變壓器負載率大于50%，在線路上裝設一個分段開關，盡量保證兩端負載平均分布。在3個臺區之間裝設聯絡開關，進行互聯，結構如圖7所示。

圖7 低壓配網臺區分段聯絡示意圖

利用粒子群優化算法對低壓臺區互聯進行優化，得到最優的互聯方案如下，南新五隊二分段開關打開，后半部分負荷接入東錦園藝，下南郵局不做變化。

互聯之前3個臺區的總損耗為28.465kW，互聯之后3個臺區總損耗為25.275kW，下降率達到11.2%。這證明交叉聯合供電模式對配電網網損優化的作用。

另一方面，在增設分段聯絡開關以后，臺區的供電可靠性得到提升。當任意一臺變壓器發生故障或者檢修停運是可將其臺區負荷轉移到其他變壓器下，從而保證臺區供電。

5 結語

本文以多配電臺區網損為目標函數，各運行條件為約束，建立一種基于交叉聯合供電運行模式的網損優化模型，并采用粒子群算法對其進行求解。對上海市某實際配電網的分析證明所提模型的有效性，所得結論如下：

(1) 在低壓配電網中利用交叉聯合供電可以有效降低網絡損耗，優化配電網運行；

(2) 加裝聯絡開關后，發生故障后可以通過轉移負荷提高配電網可靠性。

[1] 李軒, 郭力萍, 孫騫,等. 含微網的配電網負荷轉移方案可靠性評估指標體系研究[J]. 現代電力, 2016, 33(5):37-44.

LIXuan,GUOLiping,SUNQian,etal.Studyonreliabilityevaluationindicessystemofloadtransfercapacityfordistributionnetworkwithmicrogrid[J]．ModernElectricPower，2016，33(5)：37-44．

[2]白新雷, 郭力萍, 王凱. 基于多目標優化的配電網負荷轉移路徑研究[J]. 電網與清潔能源, 2013, 29(12):11-15.

BAIXinlei,GUOLiping,WANGKai.Researchondistributionnetworkloadtransferringpathbasedonmulti-objectiveoptimization[J]．PowerSystemAndCleanEnergy，2013，29 (12)：11-15．

[3]趙登福, 劉昱, 夏道止. 考慮開關動作次數約束的配電網無功電壓控制方法的研究[J]. 西安交通大學學報, 2003, 37(8):783-786.

ZHAODengfu,LIUYu,XIADaozhi.Reactivepower/voltagecontrolofdistributionsystemconsideringtheconstraintofthemaximumallowablenumberofswitchingoperations[J].JournalofXi'anJiaotongUniversity,2003,37(8):783-786.

[4]肖清明, 張建民, 馮躍龍,等. 一種智能型用戶分界負荷開關的作用原理和其在銀川配電網中的應用[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(6):81-83.

[5]丁心海, 羅毅芳. 配電網線損理論計算的實用方法——改進迭代法[J]. 電網技術, 2000, 24(1):39-42.

DING Xinhai, LUO Yifang, LIU Wei, et al. A new practical method for calculating line loss of distribution network—improved iteration method[J]. Power System Technology,2000,24(1):39-42.

[6]辛開遠, 楊玉華, 陳富. 計算配電網線損的GA與BP結合的新方法[J]. 中國電機工程學報, 2002, 22(2):79-82.

XIN Kaiyuan, YANG Yuhua, CHEN Fu. An advanced algorithm based on combination of GA with BP to energy loss of distribution system[J]．Proceedings of the CSEE，2002，22(2)：79-82．

[7]呂振肅, 侯志榮. 自適應變異的粒子群優化算法[J]. 電子學報, 2004, 32(3):416-420.

LV Zhenshu, HOU Zhirong. Particle swarm optimization with adaptive mutation[J]．Acta Electronica Sinica，2004. 32(3)：416-420．

(本文編輯：楊林青)

Line Loss Optimization of Multi-Distribution Transformer Bank Based on Interconnected Power Supply

FU Xiaofei, LIAO Tianming, JI Kunhua

(Shanghai Electric Power Company, State Grid, Shanghai 200120, China)

In order to increase the utilization ratios of the distribution transformer banks in low voltage distribution networks, an active line loss optimization model is proposed based on interconnected power supply, where the active line loss of multi-distribution transformer bank is set as the objective function, several operating conditions are set as contraints. At last, a particle swarm optimization is utilized to solve the proposed model. The analysis on a real distribution network in Shanghai demonstrates that the interconnected power supply mode can reduce the active power loss and bring enormous profits to the society.

interconnected power supply; multi-distribution transformer bank; line loss optimization

10.11973/dlyny201702003

傅曉飛(1980—)，男，從事變配電運維檢修管理。

TM732

A

2095-1256(2017)02-0102-05

2017-02-07