基于配電網最大負荷供應能力進行煤改電分析

李松蕊，楊志，陳國峰，陳 高，楊建蒙，萬豪

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 前言

隨著我國工業化、城鎮化的深入推進，能源資源消耗持續增加，我國環境污染日趨嚴重，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，部分北方城市達到重度污染，嚴重影響了人民群眾生產生活和生命健康。黨和政府高度重視節能減排工作，2013 年國務院頒布了《大氣污染防治行動計劃》，同年環境保護部、國家發改委等六部委頒布了《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》，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 年在京津冀區域開展煤改電工程。黨的十九大報告提出“積極參與全球環境治理，落實減排承諾”為全球生態安全做出貢獻。煤改電負荷的接入會對電網帶來負荷大幅且不均衡增長、電網峰谷差加大等影響。

文獻[1]總結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[2]介紹小微企業煤改電的情況。文獻[3]以北方某地區的農村配電網為例，提出了規劃與改造的基本思路和方法，給出了規劃電采暖的用電負荷和評價指標。

配電網最大供電能力是指在配電網中任意設備均不過負荷條件下，網絡所能供應的最大負荷。一般可從2 種角度來定義和評價配電網最大供電能力，一是“基于主變互聯、滿足N-1準則和實際約束”的區域最大供電能力（total supply capability，TSC）[4-5]；另一是“基于當前實際配電網結構和負荷分布”的最大負荷供應能力（load supplying capability，LSC），下文均用LSC 代替表達。目前，大多數文獻對配電網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]及相關指標的定義[6-7]，該層面的方法可以在負荷未知條件下計算滿足N-1 安全約束的配電網最大供電負荷，從整體上把握區域供電能力，但其對局部網絡（具體到每條饋線）最大供電能力的求解并不是基于現有負荷分布和實際配電網結構，不能真實反映最大供電能力大小。而LSC 是從負荷角度反應配電網供電能力是否充足，可作為衡量網絡靜態安全裕度的指標，能確定性分析當前局部網絡的最大供電能力，然后通過疊加得出該區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架的情況下，保證系統供電可靠性，計算可以再接入系統的最大負荷，利用其衡量煤改電改造的規模大小，此項研究對指導現有以燃煤取暖的居民區進行煤改電工程具有重要意義。

1 LSC計算

1.1 LSC概述

LSC 是指設備均不過載，各節點電壓均不越限的條件下網絡所供應的最大負荷[8]。

常見求解LSC 方法有內點法、嘗試法以及最大負荷倍數法等[9-14],但其精度不高。本文的LSC 模型引入文獻[13-14] 提出的改進的負荷倍數法。該方法計及了電壓和支路功率約束對LSC 的影響，由于結合了當前實際配電網結構和負荷值，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 為目標函數，以節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的LSC[12]。需要配電網的結構和各節點的負荷值等原始數據。

目標函數：

式（1）中，LSCk為k時刻系統的最大負荷供應能力，Load0ik為i節點k時刻的初始負荷；rik為i負荷節點k時刻增長倍數，n為負荷節點的數量。

約束條件包括：

電壓約束：

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

饋線功率約束：

式（3）中Bmn、Bmn.max分別為負荷節點m到負荷節點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到負荷節點m的饋線容量，以本文IEEE 33 節點為基礎，則S0≥B01m.max。在本文中電源容量大于電源到負荷節點1 的饋線容量。

1.3 LSC的求解

LSC 求解過程由以下4 步構成。

①輸入初始負荷，負荷增長倍數以及精度。

②對初始狀態進行潮流計算，判斷得到各節點饋線的潮流、電壓是否收斂。

③如果滿足約束，以初始負荷為基準值，為各負荷節點增長倍數，考慮負荷增長。

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

綜上所述，LSC 計算流程圖如圖1 所示。

圖1 配電網LSC求解流程

1.4 負荷裕度分析

利用負荷裕度分析，根據冬季供暖期間典型日的日負荷曲線數據，利用負荷裕度αk選擇哪個時刻為依據進行研究，αk的負荷裕度定義為：

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

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

1.5 煤改電最大負荷供應能力瓶頸模型

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

目標函數：

式（6）中，Sk為k時刻系統的用電負荷，Pik為i節點k時刻的有功功率；Qik為i節點k時刻無功功率；n為負荷節點的數量。Mi為i負荷節點煤改電工程接入系統的有功功率。

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節點k時刻的初始有功功率。a為負荷自然增長率，y為煤改電工程規劃年限。

2 指導煤改電工程選址和規模的步驟

利用本文思路指導煤改電的選址和規模基于LSC 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）考慮用電負荷的自然增長率，進行負荷預測，計算配電網的用電負荷。

2）計算預測負荷網絡的LSC。

3）計算預測負荷網絡的負荷裕度。

4）選擇負荷裕度最小的時刻為依據進行研究，當系統滿足最小負荷裕度時系統又接入系統的有功功率，根據有功功率決定煤改電工程的規模，進而選擇取暖器的類型。

3 算例分析

本文以IEEE 33 節點系統為基礎進行仿真分析，電網結構如圖3 所示。本算例仿真設計各負荷節點的冬季供暖典型日負荷曲線，節點0為電源節點，其余32 個節點為負荷節點。首先，對單一負荷節點進行煤改電工程改造，分析各個節點能夠接入的最大有功功率使LSC 達到瓶頸。隨后隨機對多個節點進行改造，同時LSC達到瓶頸，保證煤改電的規模最大化。

圖3 IEEE 33節點系統

3.1 煤改電前系統的LSC和用電負荷

算例中系統33 節點煤改電前系統各時刻的用電負荷見表1。

表1 煤改電前系統各時刻的用電負荷

3.2 LSC、煤改電后預測用電負荷、LSC及負荷裕度的計算

以短期規劃5 年為期，系統的有功功率增長率為2%，算例中系統各負荷節點初始增長步長取1、e 取0.001，根據1.2 和1.5 中的求解方法，33 節點煤改電前系統預測各時刻的用電負荷和LSC 見表2 和表3。

表2 煤改電前系統預測各時刻的用電負荷

表3 煤改電后系統預測各時刻的LSC

經過表2 數據對比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 的負荷裕度最小，凌晨3:00 負荷裕度最大。只要滿足用電高峰時的負荷裕度，則其他時刻的負荷裕度都會大于用電高峰時的負荷裕度，則不會出現電壓、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 的數據為依據研究煤改電的工程改造規模。

圖4 煤改電后系統24h負荷裕度

3.3 單一負荷節點煤改電改造對LSC的研究

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

表4 系統到達瓶頸時各節點的煤改電工程接入有功功率

3.4 隨機多個負荷節點煤改電工程改造對LSC的研究

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

圖5 30、31、32負荷節點煤改電用電負荷和LSC圖

4 結束語

本文中以IEEE 33 節點系統再接入有功功率為變量，LSC 為約束，用電負荷為目標函數，依據求解的來制定煤改電工程規模的規劃方案。

本文的研究只是針對較少數量、隨機位置的負荷節點進行研究，但是在實際煤改電改造規劃中要響應政府政策，還需要考慮負荷節點的重要性和眾多負荷節點的協同作用等條件。此時，變量的數目會增加，計算過程會更加復雜。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帶來的影響，如煤改電工程試點位置的選取等。用電負荷提高的同時LSC 會下降，可以選擇在負荷側安裝分布式電源或者儲能裝置來提高LSC。