多分布式電源接入高壓配電網的無功返網量優化調節方法

田 野，彭權威，雷 超，廖彥潔

（1．國網成都供電公司，四川 成都610000；2．國網天府新區供電公司，四川 成都610000）

0 引 言

在春節、國慶節等節日長假期間，110 kV高壓配電網供電量大幅下降，110 kV整體呈輕載狀態；同時110 kV城市電網內電纜線路較多，其充電功率是相同長度的110 kV架空線路的15～20倍［1］。這兩方面原因導致整個110 kV高壓配電網會向上級220 kV電網返送大量無功功率。為了避免無功返送造成的上級電網調壓困難，省調會對各個地調所轄所有220 kV變電站主變高壓側的無功返送總量進行考核。在無功返送量較大的極端情況下，地調會考慮采取切除無功返送較多的110 kV備用空充線路，以犧牲110 kV電網運行可靠性的方式，減少總的無功返網。

目前，小型水電廠、垃圾發電廠、風電發電和光伏發電等中小型分布式電源（DG）已大量滲透到110 kV高壓配電網中［2－4］。在電網處于輕載時，這些電源能夠吸收電網內過剩的無功功率，比如垃圾發電廠具有進相運行的能力，風電和光伏的電力電子接口裝置具有吸收無功的能力［4，5］。但是，地調還僅僅是采取投入220 kV站電抗器的方式減少無功返網總量，還未充分發揮大量DG吸收無功的能力。為此，如何通過電抗器和大量DG的潮流調節方式，減少節假日期間無功返網總量，盡量達到無功分層分區平衡狀態，對滿足無功返送的考核指標和保障電網運行可靠性具有重要的指導意義。

本文從基于無功補償分層分區平衡的潮流調節角度出發，提出一種以無功返網量最小為目標的多分布式電源接入高壓配電網無功優化調節方法。所建模型包含多個分布式電源的高壓配電網無功分區平衡子模型。在具體在實現過程中，所建模型充分考慮了省調對無功返送總量的考核要求，優先對含多個分布式電源的高壓配電網無功分區平衡進行調節，采用了免疫遺傳算法對這兩個子模型進行求解。

1 多分布式電源接入高壓配電網的無功分區平衡調節

在各分區無功平衡的調節過程中，若分區Ai內存在多個分布式電源，并且分布式電源具備可吸收和發出無功的能力，則無功分區平衡的控制目標應優先考慮減少電源側110 kV線路返送無功量ΔQl，然后才是降低分區內有功網損Ploss。不同分區之間的分布式電源無功調節順序，應從首端節點電氣距離最遠的分區依次到電氣距離最近的分區。因此，分區Ai對應的具體無功平衡調節模型為：

式中，nG為分區 Ai內的 DG 個數；PG，i和 QG，i分別為分區Ai內 DG 節點i的有功和無功出力，PD，i和QD，i分別為分區Ai內節點i的有功和無功負荷，Pi和Qi分別為分區Ai內節點i的注入有功和無功，Nb為系統節點個數；QG為分區Ai內DG輸出或者吸收無功，和分別為分區Ai內DG的無功出力最大值和最小值為分區Ai內DG源的機端電壓，和分別為分區Ai內DG的機端電壓最大值和最小值；Ui表示負荷節點i的電壓幅值，U和U分別表示電壓最大值和最小值，npq表示負荷節點。

2 所建模型的計算步驟

本文免疫遺傳算法IGA是將所求解問題的目標函數對應為抗原，將問題的解對應為免疫系統產生的抗體，由抗體和抗原之間的親和度計算公式來評價不同抗體的優劣。通過一系列遺傳操作及親和度計算，找出抗體種群中和抗原之間的親和度最大的抗體，即為問題的解。在所建高壓配電網無功返網量最小的優化調節模型中，抗體變量為110 kV電網中DG機端電壓、220 kV變電站電抗器、220 kV電網內主變檔位和接入220 kV電網的發電廠機端電壓。同時，考慮到110 kV高壓配電網分區內部電源對區域內負荷節點電壓的強耦合控制。本文選用電源分區與短路阻抗距離的無功分區方法，實現高壓配電網的無功控制分區。具體計算步驟如下：

（1）采用電源分區與短路阻抗距離的無功分區方法，對含多個DG的110 kV高壓配電網進行無功分區；

（2）按照無功的分層平衡，在不影響10 kV電壓越下限的前提下，調節220 kV和110 kV主變檔位至合理范圍后，采取切除220 kV站和110 kV站無功補償電容器的方式進行無功調節；

（3）按照無功的分區平衡，求解含分布式電源的高壓配電網無功分區平衡調節模型；

（4）在保證220 kV站10 kV母線不發生越下限情況下，采取投入站端電抗器的方式進行無功調節；

（5）調節結束。

3 算例分析

基于本文提出的上述減小無功返送的調節方法和Matlab R2012a軟件，對2016年春節期間成都某地區的實際110 kV高壓配電網進行了仿真分析。下面介紹算例結果及仿真分析。成都某地區實際110 kV電網，有6座110 kV變電站，1座220 kV變電站，全網總共有23個節點。按照電源分區與短路阻抗距離的無功分區方法，110 kV高壓配電網全網共分為2個無功控制分區1和分區2。所有變電站主變均為有載調壓，110 kV站和220 kV站均安裝無功補償電容器，220 kV站端還安裝電抗器。全網內共接入3處分布式電源，分別是光伏電站、風電場和垃圾發電廠，具體見表1。本文設定基準功率為100 kVA，基準電壓為220 kV、110 kV和10 kV，220 kV RD 站的高壓側節點1為平衡節點，具體接線方式見圖1所示。

本實際算例的負荷數據來自于2016年春節期間2月11日凌晨03點15分的SCADA采集值。在仿真中，220 kV、110 kV的電壓安全變化范圍為標稱電壓的＋7%和0%之間，即1．0～1．07 p．u．之間；假設省調考核地調所轄220 kV RD站和XJD站關口的無功返送總量不能超過0．15 p．u．。為簡化問題，假設所有調壓設備都是連續調節。

圖1 成都某地區實際110 kV23節點高壓配電網

表1 分布式電源參數 （單位p．u．）

本文采用的免疫遺傳算法抗體總數設定為40，變異概率為0．15，選擇概率為0．5，免疫遺傳進化最大代數為100代，對本文所建模型進行了求解。下面從多個DG的無功分區平衡調節和省地AVC系統聯調調節兩個角度，對減少110 kV高壓配電網無功返送的效果進行了仿真分析。在完成全網的無功分層平衡調節后，對全網按照分區由遠至近的順序，優先對分區2進行無功平衡調節，其次再對分區1進行無功平衡調節。具體調節過程見表2。表中，全網有功網損僅包含本文所研究的110 kV高壓配電網。

表2 多個DG的無功分區平衡調節結果（單位p．u．）

從表2可見，從兩個分區的無功平衡優化調節手段來看，分區1內節點13所接的光伏電站和節點19所接的風電場均在吸收110 kV高壓配電網網內的過剩無功，使得返送至220 kV RD站中壓側節點2的無功總量減少至0．18p．u．；分區2內節點8所接入垃圾發電廠采用進相運行方式吸收分區內的過剩無功，減少了節點4向節點3返送的無功總量。

從兩個分區的無功平衡調節先后來看，分區2優先于分區1進行無功平衡優化調節，在減少末端電網的無功返送量后，再對靠近220 kV電源電氣距離較近的分區2調節其無功平衡，最終可實現減少分區1和2內的無功返網總量。由于全網負荷較輕，在優化調節前，110 kV高壓配電網有功網損為0．08p．u．，而在優化調節后，其有功網損為0．04p．u．，低于優化前的全網有功網損值。優化前，110 kV高壓配電網通過220 kV RD站向220 kV電網返送大量無功，其電網運行的經濟效益比較低；但在優化調節后，采取DG吸收無功的方式，減少了220 kV RD站向220 kV返網的無功總量，盡量使得無功滿足分層分區平衡，降低了電網運行的損耗。

4 結 論

本文提出一種含多分布式電源的高壓配電網無功返網量最小的優化調節方法。本文所建模型包含多個分布式電源的高壓配電網無功分區平衡子模型，在具體實現過程中，所建模型充分考慮了省調對無功返送總量的考核要求，優先對含多個分布式電源的高壓配電網無功分區平衡進行調節。本文的無功返網量最小的優化調節方法以高壓配電網內的分布式電源為調節對象，合理的減輕了輕載狀態下電纜線路的無功返送問題。