考慮供電能力的智能配電網(wǎng)節(jié)能動(dòng)態(tài)降損方法探析

陳朝陽， 陳麒宇

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司老河口市供電公司， 湖北 老河口 441800；2.國網(wǎng)襄陽供電公司變電運(yùn)檢分公司， 湖北 襄陽 441100）

0 引言

智能配電網(wǎng)是指利用先進(jìn)的通信、計(jì)算、控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)各種資源的智能調(diào)度、優(yōu)化配置和有效管理的電網(wǎng)系統(tǒng)[1]。然而，智能配電網(wǎng)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的負(fù)荷和運(yùn)行環(huán)境時(shí)，仍然存在能耗高、損耗大的問題。智能配電網(wǎng)節(jié)能動(dòng)態(tài)降損方法基于供電能力裕度，采用智能算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的節(jié)能降損，降低供電成本。

1 考慮供電能力的配電網(wǎng)節(jié)能動(dòng)態(tài)降損方法

1.1 智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度影響因素分析

為提高智能配電網(wǎng)的供電能力裕度，需分析其影響因素并制定節(jié)能動(dòng)態(tài)降損方法。

1.1.1 負(fù)載變化

智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度的影響因素有很多，例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載變化、電能質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等。其中，負(fù)載變化是影響智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度的重要因素之一。因?yàn)樨?fù)載變化會(huì)引起電網(wǎng)各種資源的變化，例如電壓、電流、功率等，從而對(duì)電網(wǎng)的供電能力裕度產(chǎn)生影響。

1.1.2 最大供電能力裕度

為確定智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度，需考慮各種因素的綜合作用。可通過模型仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法來確定智能配電網(wǎng)的最大供電能力裕度。例如，可采用基于概率分布函數(shù)的模型計(jì)算負(fù)載變化對(duì)智能配電網(wǎng)供電能力裕度的影響[2]。

1.1.3 降損約束條件

為實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的節(jié)能降損，需設(shè)置智能配電網(wǎng)的降損約束條件。約束條件包括最大線損、最大電壓偏差等。在設(shè)置這些約束條件時(shí)，需綜合考慮電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素。

1.1.4 智能算法選擇

為實(shí)施智能配電網(wǎng)節(jié)能降損動(dòng)態(tài)機(jī)制，可采用基于智能算法的方法。例如，采用遺傳算法、粒子群算法等智能算法來實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度和控制。這些算法可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電網(wǎng)的各種參數(shù)來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的節(jié)能降損，提高電網(wǎng)的供電能力裕度和運(yùn)行效率。

1.2 確定智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度

計(jì)算智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度的步驟[3]。

1.2.1 確定潮流計(jì)算模型

智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度的計(jì)算需要進(jìn)行潮流計(jì)算，需要確定潮流計(jì)算模型，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載模型、發(fā)電機(jī)模型等。

1.2.2 進(jìn)行潮流計(jì)算

根據(jù)潮流計(jì)算模型，進(jìn)行潮流計(jì)算，得到網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的電壓、相角等參數(shù)，以及各線路的潮流。

1.2.3 確定最大供電能力裕度

最大供電能力裕度是指系統(tǒng)中各元件（包括線路、變壓器等）在滿足一定的限制條件下，可以承受的最大負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷之比。最大供電能力裕度的計(jì)算需要滿足下列約束條件：

1）電壓限制：各節(jié)點(diǎn)電壓不能超過其允許的范圍；

2）線路限制：各線路潮流不能超過其額定容量；

3）變壓器限制：各變壓器容量不能超過其額定容量。

最大供電能力裕度的計(jì)算公式為：

式中：s為最大供電能力裕度；Pmax為系統(tǒng)的最大負(fù)荷；P為實(shí)際負(fù)荷。

1.2.4 確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

計(jì)算最大供電能力裕度時(shí)，需考慮優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確[4]。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括以下方面：

1）線損最小化：合理調(diào)整配電網(wǎng)中各線路的負(fù)載分配，使系統(tǒng)中線損最小化；

2）電壓平衡：保證系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓盡可能平衡；

3）變壓器利用率最大化：合理利用變壓器容量，使系統(tǒng)中變壓器利用率最大化。

1.2.5 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)以上分析，建立智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度優(yōu)化模型，并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。常用的優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等。通過不斷調(diào)整各元件的負(fù)載分配，得到最優(yōu)解，即智能配電網(wǎng)最大供電能力裕度的計(jì)算結(jié)果。

1.3 設(shè)置智能配電網(wǎng)降損約束條件

智能配電網(wǎng)的負(fù)荷可通過最大負(fù)荷、一般負(fù)荷和最小負(fù)荷來表征。設(shè)置智能配電網(wǎng)降損約束條件時(shí)，需考慮三種負(fù)荷的影響。

1.3.1 最大負(fù)荷約束條件

最大負(fù)荷指配電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)的負(fù)荷水平。智能配電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，需設(shè)置最大負(fù)荷約束條件，以確保配電網(wǎng)在峰值負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行。公式計(jì)算為：

式中：Pmax為整個(gè)電力系統(tǒng)最大負(fù)荷容量；n為電力系統(tǒng)中元件數(shù)量。

這個(gè)約束條件的目的是確保智能配電網(wǎng)在優(yōu)化降損的同時(shí)，不超過系統(tǒng)的最大負(fù)荷容量，避免因負(fù)荷過大導(dǎo)致的供電故障。

1.3.2 一般負(fù)荷約束條件

一般負(fù)荷是配電網(wǎng)在日常運(yùn)行過程中的負(fù)荷水平。智能配電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，需設(shè)置一般負(fù)荷約束條件，以確保配電網(wǎng)在日常負(fù)荷情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)算公式為：

式中：n為節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Pi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率；Pmax為最大負(fù)荷限制。

1.3.3 最小負(fù)荷約束條件

最小負(fù)荷指配電網(wǎng)在最小負(fù)荷情況下負(fù)荷水平。智能配電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，需設(shè)置最小負(fù)荷約束條件，以確保配電網(wǎng)在最小負(fù)荷情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)算公式為：

式中：Pmin為智能配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的最小負(fù)荷之和；Pimin為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小負(fù)荷。

1.3.4 負(fù)荷比重

三種負(fù)荷在配電網(wǎng)中的運(yùn)行時(shí)間段及比重因地域、季節(jié)等因素的不同而不同，需根據(jù)實(shí)際情況確定每種負(fù)荷在降損時(shí)間段內(nèi)的比重。一般情況下，最大負(fù)荷占比較小，一般負(fù)荷占比較大，最小負(fù)荷占比較小，例如最大負(fù)荷占比為5%，一般負(fù)荷占比為80%，最小負(fù)荷占比為15%。這些比例可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

1.4 實(shí)施智能配電網(wǎng)節(jié)能降損動(dòng)態(tài)機(jī)制

智能配電網(wǎng)的節(jié)能降損動(dòng)態(tài)機(jī)制包括了自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制、低壓電子快速開關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制和微機(jī)控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制[5]。

1.4.1 自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制

自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制是智能配電網(wǎng)節(jié)能降損動(dòng)態(tài)機(jī)制的一種實(shí)施方式。在自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制中，將配電網(wǎng)所能承受的電壓劃分為不同等級(jí)，分別設(shè)置不同比例的變壓器輸出。通過改進(jìn)措施適應(yīng)額定電壓條件下配電網(wǎng)長期運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)荷水平下配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)降損。通過自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)，進(jìn)而減少配電網(wǎng)中電壓波動(dòng)對(duì)降損效果的影響。此外，自耦變壓器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制還能夠有效降低配電網(wǎng)的電阻值，從而降低電網(wǎng)的損耗，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

1.4.2 低壓電子快速開關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制

當(dāng)前配電網(wǎng)中普遍使用的是額定高壓的電氣裝置，可利用其開關(guān)調(diào)節(jié)的方式，設(shè)計(jì)更適應(yīng)智能配電網(wǎng)降損的機(jī)制，以減少降損時(shí)并聯(lián)可控硅的產(chǎn)生。具體來說，通過對(duì)單個(gè)觸發(fā)裝置的交流開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將一級(jí)切換時(shí)間規(guī)定在0.086~0.125 s 范圍內(nèi)。在降損過程中，將雙向可控硅的使用通過單相開關(guān)控制電容裝置的通電作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電和放電時(shí)間的控制，能夠有效地降低智能配電網(wǎng)在降損過程中的能量損失。此外，還可以通過動(dòng)態(tài)切換的方式對(duì)電阻值進(jìn)行控制，以減少配電網(wǎng)運(yùn)行過程中電壓、電流的瞬時(shí)損失，避免變壓裝置使用時(shí)出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。這種機(jī)制能夠在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)減少不必要的能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)降損動(dòng)作的及時(shí)性。

1.4.3 微機(jī)控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制

微機(jī)控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)降損過程中各項(xiàng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和控制，達(dá)到最佳節(jié)能降損效果。在該機(jī)制中，采用DSO 芯片作為外圍電路的輔助工具，通過DSP 芯片提供的高速計(jì)算和精確控制能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的自動(dòng)化控制。同時(shí)，微機(jī)控制器還可以利用人工智能算法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更高效的降損效果。實(shí)際應(yīng)用中，微機(jī)控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制可根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)模和能承受的供電能力，自動(dòng)調(diào)節(jié)降損的時(shí)間和程度，并對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行過程中的異常情況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和處理，確保配電網(wǎng)的正常運(yùn)行和節(jié)能降損效果的最大化。

2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)算例

試驗(yàn)采用IEE-200-28 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)作為試驗(yàn)算例。該系統(tǒng)由28 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，包含4 個(gè)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)和4 個(gè)分布式電源。選擇其中一個(gè)分布式電源進(jìn)行研究和分析。該分布式電源的主要參數(shù)為：容量5.5 kW，電壓等級(jí)220 V，短路容量0.8 kA。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的仿真軟件為MATLAB Simulink，計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境為Intel Core i7 CPU 和16GB 內(nèi)存。試驗(yàn)的軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows 10 操作系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)方法

采用兩種降損方法進(jìn)行對(duì)比分析。第一種方法是傳統(tǒng)的降損方法，第二種方法是基于智能配電網(wǎng)的降損方法。比較兩種方法在不同負(fù)載條件下的降損效果。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析和討論

在本試驗(yàn)中，采用以下參數(shù)對(duì)比兩種降損方法的效果：

1）負(fù)載變化：在每個(gè)負(fù)載水平下，系統(tǒng)負(fù)載在5 s內(nèi)以10%的速率從初始值增加到最終值。

2）負(fù)載水平：系統(tǒng)的負(fù)載水平分別為20%、40%、60%和80%。

3）降損方法：傳統(tǒng)的降損方法和基于智能配電網(wǎng)的降損方法。

表1 列出了兩種方法在不同負(fù)載條件下的降損效果。

表1 兩種降損方法結(jié)果比較

根據(jù)表1，在不同負(fù)載條件下，智能配電網(wǎng)降損方法均比傳統(tǒng)降損方法具有更好的降損效果。在20%的負(fù)載水平下，智能配電網(wǎng)降損方法的降損效果比傳統(tǒng)降損方法高出1.9%。隨負(fù)載水平的增加，智能配電網(wǎng)降損方法的優(yōu)勢(shì)越明顯，在80%的負(fù)載水平下降損效果比傳統(tǒng)方法高出11.2%。此外，在負(fù)載水平為40%時(shí)，兩種降損方法的效果差異較小，智能配電網(wǎng)降損方法僅比傳統(tǒng)降損方法高出0.2%。這可能是由于負(fù)載水平處于中等水平，傳統(tǒng)降損方法已經(jīng)具有一定的優(yōu)化效果，而智能配電網(wǎng)降損方法的優(yōu)化效果并未完全發(fā)揮。

智能配電網(wǎng)降損方法在不同負(fù)載水平下均具有較好的降損效果，尤其在高負(fù)載水平下，優(yōu)勢(shì)更加明顯。這表明智能配電網(wǎng)降損方法可有效提高配電網(wǎng)的能源利用效率，減少能源損耗。

3 結(jié)論

提出了一種考慮供電能力的智能配電網(wǎng)節(jié)能動(dòng)態(tài)降損方法。該方法采用了智能感知技術(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)和負(fù)荷優(yōu)化控制技術(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)降損方法進(jìn)行對(duì)比分析。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)降損方法，該方法在不同負(fù)載水平下均能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的降損效果，并且能夠更好地保障配電網(wǎng)的供電能力。因此，該方法在實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行中具有較好的應(yīng)用前景。