計(jì)及小水電接入的配電網(wǎng)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化治理研究

賀柱， 柴良明， 吳楚， 鄭仕濤

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局， 云南,瑞麗 678600；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司德宏供電局， 云南，德宏 678400)

0 引言

由于配電網(wǎng)線路在山區(qū)架設(shè)困難，變電站分布稀少，輸電母線更換周期較長(zhǎng)，因此往往采用小水電接入的方式實(shí)現(xiàn)電力資源的輸送，而眾多小水電并入電網(wǎng)容易造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓質(zhì)量無(wú)法得到保證，為改善這種情況，對(duì)此類電網(wǎng)進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化，從而提出本研究。

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研，對(duì)接入小水電的配電區(qū)域收集數(shù)據(jù)，通過(guò)探討各電力部門電能質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，在此基礎(chǔ)上研究出多種技術(shù)方案：文獻(xiàn)[1]通過(guò)設(shè)計(jì)三角形負(fù)荷分布模型，對(duì)小水電接入系統(tǒng)進(jìn)行合理化分布，使電網(wǎng)區(qū)域穩(wěn)定，通過(guò)粒子群算法設(shè)定小水電接入?yún)?shù)，減小接入時(shí)的電網(wǎng)波動(dòng)，但這種方法需要精確計(jì)算每個(gè)接入口的數(shù)據(jù)參數(shù)，技術(shù)要求過(guò)高，不具有普遍適用性；文獻(xiàn)[2]利用原始對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法解決電網(wǎng)電力非線性故障，通過(guò)多級(jí)協(xié)調(diào)方式控制配電網(wǎng)接入小水電時(shí)電力資源調(diào)控，一定程度上提高電壓質(zhì)量，但這種方法對(duì)輸電母線壓力較大，容易受到線路限制，不利于山區(qū)小水電接入配電網(wǎng)。

鑒于上述電壓質(zhì)量治理技術(shù)存在的不足之處，本研究根據(jù)收錄數(shù)據(jù)探討，在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，重新規(guī)劃方式，設(shè)計(jì)出小水電電壓管理系統(tǒng)，并針對(duì)電力輸送方案對(duì)配電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用GSO技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)功能進(jìn)行治理規(guī)劃，采用MPEC算法對(duì)接入小水電之后電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證電力輸送的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

1 小水電接入的配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)

本文根據(jù)接入的小水電對(duì)電網(wǎng)造成的影響進(jìn)行分析，通過(guò)建立優(yōu)化管理系統(tǒng)對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，減小電網(wǎng)波動(dòng)，使輸配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)新在于：

(1) 在配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中增加小水電控制方式，通過(guò)加強(qiáng)系統(tǒng)控制力度減弱小水電并入時(shí)的電網(wǎng)波動(dòng)，并對(duì)小水電配電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用最優(yōu)輸電線路，使兩端壓降達(dá)到最小。

(2) 提出GSO電壓治理方案，將小水電輸送的電壓進(jìn)行合理分配，在原有電壓治理方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，使配電網(wǎng)供給電能效率更快。

(3) 利用MPEC算法對(duì)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)小水電與配電網(wǎng)之間的平衡，達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和提高電壓輸送質(zhì)量的目的。

配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)的建立使小水電接入方式更為合理，為后續(xù)電力的輸送提供可靠保障，對(duì)電網(wǎng)電壓的控制具有重要作用，同時(shí)提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，解決小水電接入導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)的問題[5]。配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力，而接入小水電之后容易引起系統(tǒng)失穩(wěn)，小水電系統(tǒng)主要用于通電困難區(qū)域，具有發(fā)電容量小，建設(shè)條件簡(jiǎn)單，輸送電能靈活的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)采集的配電網(wǎng)和小水電數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合分析兩者之間的關(guān)系，使小水電系統(tǒng)接入點(diǎn)設(shè)置更為合理，避免造成電網(wǎng)擾動(dòng)。小水電系統(tǒng)接入之后，管理系統(tǒng)通過(guò)GSO電壓治理方案合理化利用小水電發(fā)電資源，將電能質(zhì)量輸送到電力用戶，并對(duì)用戶反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，而建立的電壓治理方案結(jié)果需要進(jìn)行驗(yàn)證，保證治理方案的可靠性。治理方案的建立依托于MPEC優(yōu)化算法，通過(guò)算法的配電預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化線路和參數(shù)設(shè)定完成方案的確定。優(yōu)化算法建立的數(shù)學(xué)模型根據(jù)小水電接入規(guī)模進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證，同時(shí)算法計(jì)算結(jié)果通過(guò)微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)小水電接入配電網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小水電接入電網(wǎng)電壓質(zhì)量的提升，對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)電力建設(shè)具有重要意義，建立的治理方案規(guī)劃了小水電最佳接入點(diǎn)，增加了電網(wǎng)規(guī)模，使電壓質(zhì)量得到提升。采用的算法建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)小水電運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，保證小水電電能運(yùn)輸水平，達(dá)到電網(wǎng)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化治理的目的[7]。

2 配電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸電線路對(duì)小水電接入配電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響較大，為改善電壓輸送線路，本文在原有配電線路的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，使兩端線路壓降到最低，以此提高電壓輸電質(zhì)量。配電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的配電線路設(shè)計(jì)圖

配電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)增加電能質(zhì)量?jī)?yōu)化裝置來(lái)完成，電路原理遵循橋式電路在電網(wǎng)上的應(yīng)用，主要裝置為電抗器和自換相電路，通過(guò)控制變壓器兩側(cè)相位和幅值，達(dá)到控制電流的目的，通過(guò)把握輸電線路的飽和狀態(tài)使電路輸送電流達(dá)到最大值，進(jìn)而完成小水電的電能優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)換流器將電路輸送電壓轉(zhuǎn)換到電容中，然后滿足用戶負(fù)荷需求，既能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)輸送的電流進(jìn)行控制，又可避免電網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的頻率波動(dòng)，利用各支路電感快速響應(yīng)配電網(wǎng)中負(fù)荷的變化，使變壓器初始相位角為1，則輸出的負(fù)載電流為小水電站優(yōu)化的響應(yīng)電流，通過(guò)系統(tǒng)自帶的無(wú)功補(bǔ)償裝置完成線路補(bǔ)償過(guò)程，起到穩(wěn)定電壓源的目的[8]。

在配電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中加裝了動(dòng)態(tài)跟蹤裝置，既能夠監(jiān)測(cè)無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)變換又可以維持線路運(yùn)行的穩(wěn)定，起到電網(wǎng)平衡的作用。由于發(fā)電站為小水電發(fā)電方式，因此所設(shè)計(jì)配電線路特點(diǎn)具備安裝靈活、響應(yīng)速度快、補(bǔ)償過(guò)程短的特點(diǎn)，能夠根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。

3 GSO電壓治理方案

配電網(wǎng)系統(tǒng)中接入小水電發(fā)電方式增加了電網(wǎng)治理的壓力，本文采用GSO治理方案提高電壓治理力度，通過(guò)研究小水電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用GSO方案實(shí)行精確治理措施，由此得到GSO電壓治理方案如圖3所示。

圖3 GSO電壓治理方案圖

根據(jù)優(yōu)化后的配電網(wǎng)實(shí)際輸電線路進(jìn)行分析，根據(jù)測(cè)量電網(wǎng)輸送電壓數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)波動(dòng)的補(bǔ)償切換，使電網(wǎng)輸電能夠模式化運(yùn)行。模型輸出數(shù)據(jù)通過(guò)控制中心處理，在接入點(diǎn)設(shè)立操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)。控制中心根據(jù)分析的模型數(shù)據(jù)對(duì)小水電接入方式進(jìn)行更正，通過(guò)電能質(zhì)量分析和優(yōu)化算法設(shè)計(jì)制定出最優(yōu)治理方案運(yùn)行策略。對(duì)小水電的電能質(zhì)量分析主要通過(guò)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化、電能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)功特性補(bǔ)償完成[9]。

GSO電壓治理方案對(duì)小水電接入電網(wǎng)進(jìn)行精確控制，有利于山區(qū)電網(wǎng)的快速通電，使電網(wǎng)電壓得到保證，整個(gè)治理方案既能夠檢測(cè)小水電接入點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，又對(duì)其運(yùn)行模式進(jìn)行修正，通過(guò)設(shè)定的電能質(zhì)量參數(shù)使電網(wǎng)運(yùn)行具有了新的標(biāo)準(zhǔn)。

4 MPEC優(yōu)化算法

平衡約束數(shù)學(xué)規(guī)劃(MPEC)優(yōu)化算法原理是通過(guò)建立無(wú)功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行規(guī)劃，計(jì)算出其產(chǎn)生的約束條件，使電網(wǎng)中運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到最大平衡度。然后根據(jù)平衡之后用戶使用情況進(jìn)行記錄，將記錄數(shù)據(jù)反饋到GSO修正系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量的優(yōu)化。

小水電接入系統(tǒng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息選取具有一定規(guī)律，通過(guò)曲線推導(dǎo)結(jié)果，然后進(jìn)行平衡規(guī)劃處理，使電網(wǎng)達(dá)到最大化電力輸出，數(shù)據(jù)形態(tài)下的關(guān)系式為

(1)

式中，Plosst表示小水電輸出功率最小值，Um表示線路傳輸中允許通過(guò)電壓額定，Qg表示小水電發(fā)電過(guò)程所做有用功，Tk表示配電網(wǎng)發(fā)電周期，Qc表示小水電輸電中做到無(wú)用功。

小水電接入配電網(wǎng)之后，由于增加了電網(wǎng)發(fā)電容量，因此產(chǎn)生的約束條件同樣會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)推算小水電廠功率平衡條件，即：

(2)

其中，Pi,t表示常規(guī)配電網(wǎng)功率值，Ui,t表示配電站并入的小水電電壓，Gij表示幅值變化，θij,t表示并網(wǎng)后輸電線需滿足的相角條件，Bij表示電網(wǎng)平衡因數(shù)。

為改善小水電并入時(shí)導(dǎo)致的電壓質(zhì)量變化，對(duì)各點(diǎn)線路規(guī)劃計(jì)算，其約束條件滿足：

Ul,t,min≤Ul,t≤Ul,t,max,l∈ND

(3)

其中，Ul,t,min表示小水電接入點(diǎn)允許電壓最小值，Ul,t表示接入點(diǎn)通過(guò)電壓標(biāo)準(zhǔn)，Ul,t,max表示接入點(diǎn)額定電壓閾值。

針對(duì)小水電站接入電網(wǎng)波動(dòng)量，對(duì)其恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間變量進(jìn)行計(jì)算[10]，由此得到時(shí)間約束條件為

(4)

其中，Tk,t+1表示一次運(yùn)行周期內(nèi)電網(wǎng)穩(wěn)定時(shí)間，Tk,t表示電網(wǎng)初始穩(wěn)定時(shí)間范圍，Yk表示電網(wǎng)允許停電標(biāo)準(zhǔn)條件。

為維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)其通過(guò)最大電流進(jìn)行約束，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)推算得到電流限制條件為

|Iij|≤Imax,{ij}∈NL

(5)

式中，Iij表示配送電流實(shí)際計(jì)算值，Imax表示配電網(wǎng)控制下的最大電流值。

通過(guò)上述小水電接入電網(wǎng)產(chǎn)生的約束條件建立MPEC數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上尋得最優(yōu)解[11]。

(6)

通過(guò)MPEC數(shù)學(xué)模型運(yùn)算小水電接入電網(wǎng)電能變化，規(guī)劃出電網(wǎng)與用戶之間的電力平衡條件為

(7)

通過(guò)模型運(yùn)算數(shù)據(jù)與平衡的電能輸送量，制定出最優(yōu)電壓治理數(shù)據(jù)量表示為

(8)

根據(jù)MPEC建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)尋優(yōu)，通過(guò)最優(yōu)電能關(guān)系平衡電網(wǎng)與用戶之間的供需關(guān)系，從而制定最佳治理方案，完成配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的提升。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究以接入小水電站配電網(wǎng)地區(qū)為研究對(duì)象，將其數(shù)據(jù)利用多種軟件進(jìn)行電網(wǎng)環(huán)境仿真，并在此仿真環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)設(shè)立系統(tǒng)為Win 10 X86系統(tǒng)，采用CPU內(nèi)存為64 GB+256 GB，應(yīng)用因特網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[12]。此次試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置：小水電配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集精度為95%，電纜承受電壓為50 kV，環(huán)境捕捉能力為80%，仿真環(huán)境對(duì)比度為120∶1，算法計(jì)算誤差不超過(guò)2.0%，并網(wǎng)方式采用開環(huán)并網(wǎng)方式。實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本設(shè)計(jì)試驗(yàn)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)小水電配網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)，利用電路仿真軟件PS CAD實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬，并在計(jì)算機(jī)中編寫算法程序和建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，匯總數(shù)據(jù)表進(jìn)行探討分析，并將探討數(shù)據(jù)結(jié)論輸入到計(jì)算機(jī)中，最終顯示電壓質(zhì)量測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電壓質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)接入的小水電治理方案配電網(wǎng)負(fù)荷量為7 500 kVA，輸電線路最大承受電壓為10.50 kV，設(shè)備功率損耗為195.7 kW，試驗(yàn)網(wǎng)損率為3.15%；文獻(xiàn)[1]采用的三角形分布接入方法配電網(wǎng)負(fù)荷量為5 550 kVA，輸電線路最大承受電壓為6.31 kV，設(shè)備功率損耗為285.4 kW，試驗(yàn)網(wǎng)損率為6.48%；文獻(xiàn)[2]提出的多級(jí)協(xié)調(diào)優(yōu)化方案配電網(wǎng)負(fù)荷量為5 200 kVA，輸電線路最大承受電壓為7.08 kV，設(shè)備功率損耗為282.3 kW，試驗(yàn)網(wǎng)損率為7.26%。

將各優(yōu)化方案電網(wǎng)最大輸出電壓輸入到曲線仿真軟件中，分析3者之間的關(guān)系，從而對(duì)比顯示出本研究的優(yōu)越性，得到電網(wǎng)最大輸電電壓曲線對(duì)比曲線如圖4所示。

分析圖4中3種電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本方案配電網(wǎng)最大輸電電壓在運(yùn)行40 s時(shí)達(dá)到最大，之后維持在10.50 kV，0～40 s平均增速為0.26 kV/s；文獻(xiàn)[1]采用的三角分布方式電網(wǎng)最大輸電電壓在運(yùn)行30 s時(shí)達(dá)到最大，之后維持在6.31 kV，0～30 s平均增速為0.21 kV/s；文獻(xiàn)[2]采用的多級(jí)協(xié)調(diào)模式電網(wǎng)最大輸電電壓在運(yùn)行50 s時(shí)達(dá)到最大，之后維持在7.08 kV，0～50 s平均增速為0.14 kV/s。由此看出本研究電壓治理方案優(yōu)化效果更為突出。

圖4 電網(wǎng)最大輸電電壓對(duì)比

通過(guò)計(jì)算各自優(yōu)化方案的網(wǎng)損率進(jìn)一步完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行仿真，得到網(wǎng)損率仿真曲線如圖5所示。

圖5 小水電接入網(wǎng)損率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)治理方案根據(jù)小水電發(fā)電量的不同網(wǎng)損率有所變化，本研究最大網(wǎng)損率為3.15%，整體損耗較少；文獻(xiàn)[1]最大網(wǎng)損率為6.48%；文獻(xiàn)[2]最大網(wǎng)損率為7.26%。明顯看出本研究方案對(duì)于配電網(wǎng)損耗更少，性能較為優(yōu)越。

綜上所述，本研究對(duì)配電網(wǎng)電壓的優(yōu)化治理效果更為明顯，能夠最大限度避免小水電接入造成的電網(wǎng)影響，運(yùn)行過(guò)程造成的網(wǎng)損率最小，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，體現(xiàn)了本設(shè)計(jì)方案的可行性。

6 總結(jié)

本文對(duì)小水電接入配電網(wǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)方案提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，并對(duì)其輸電線路進(jìn)行優(yōu)化，主要技術(shù)研究如下。

(1) 設(shè)計(jì)出配電網(wǎng)管理系統(tǒng)，并將小水接入電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合控制，對(duì)小水電配電線路進(jìn)行優(yōu)化，使電網(wǎng)電壓運(yùn)輸距離最短，增加輸電效率。

(2) 采用GSO電壓治理方案，合理分配小水電輸電量，使配電網(wǎng)輸電電壓達(dá)到最大，增加電網(wǎng)輸電能力。

(3) 利用MPEC算法推算出配電網(wǎng)電力約束條件，并在此基礎(chǔ)上平衡電力用戶與小水電的關(guān)系，使電網(wǎng)電壓質(zhì)量滿足需求，達(dá)到電網(wǎng)電壓治理優(yōu)化的目的。

通過(guò)仿真小水電輸電環(huán)境實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)表和仿真對(duì)比圖分析，發(fā)現(xiàn)本文優(yōu)化治理方案對(duì)小水電接入電網(wǎng)電壓輸電能力更高，網(wǎng)損率更低，滿足電力用戶需求。但是本研究在實(shí)驗(yàn)過(guò)程仍存在問題，小水電接入瞬間導(dǎo)致的電網(wǎng)波動(dòng)無(wú)法解決，架空線路損壞容易導(dǎo)致電網(wǎng)輸電電壓降低等問題仍待解決。