基于分布式電源接入的低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)模型抗損研究

劉金亮，宋文樂，黃 慶，王立宗，董成哲

(1.國(guó)網(wǎng)滄州供電公司，河北 滄州 061000；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司滄州 供電分公司，河北 滄州061001；3.北京新源綠網(wǎng)節(jié)能科技有限公司，北京101100)

0 引言

線損管理一直是供電領(lǐng)域中的重點(diǎn)工作之一，其對(duì)供電行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著直接的影響。隨著供電規(guī)模的不斷擴(kuò)大的提高，低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)模型線損管理逐漸受到越來越多的關(guān)注[1]。

線損是指電力傳輸過程中所產(chǎn)生的有功電能損失。電能從發(fā)電站輸送到用戶端的過程需要經(jīng)過不同的輸變電元件，這一過程難免會(huì)造成一定的電能損失。一方面，電網(wǎng)中各個(gè)元件存在電阻和電抗，另一方面，電能在交換過程中需要一定的勵(lì)磁功率，從而造成電能損失[2]。除此之外，電力設(shè)備泄露、計(jì)量設(shè)備偏差和人為誤差等原因也會(huì)造成電能損耗。同時(shí)，由于低壓臺(tái)區(qū)數(shù)量較多、缺乏高效的技術(shù)手段、管理工作相對(duì)落后，導(dǎo)致低壓臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)線路節(jié)點(diǎn)損耗較大。

目前，分布式電源接入方式以其形式靈活、便捷可靠等特點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用。分布式電源一般采用自發(fā)自用模式，可以實(shí)現(xiàn)功率的就地消納，繼而通過減少功率傳輸而減少配網(wǎng)的電能損耗。

因此，為有效減少低壓臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)線路的節(jié)點(diǎn)損耗，基于分布式電源接入方式，設(shè)計(jì)了一種低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損模型。

1 低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷矩計(jì)算

負(fù)荷矩代表某一電壓損失條件下電力負(fù)荷與線路長(zhǎng)度的乘積，線路的電壓降落與線路的負(fù)荷矩成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，只能夠獲取少數(shù)節(jié)點(diǎn)的電壓值，所以能夠提供計(jì)算的線路電壓值[3]較少，甚至存在不能獲得的情況，因此為了反映電壓值與線路負(fù)荷矩的關(guān)系，重新對(duì)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷矩進(jìn)行定義。

在不考慮用戶功率[4]的情況下，每條線路的線路負(fù)荷矩為

(1)

gj為流過j線路的負(fù)荷；d為電網(wǎng)線路距離。

低壓配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖1所示。

假設(shè)h代表電網(wǎng)j線路中i節(jié)點(diǎn)與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間線路上的所有節(jié)點(diǎn)結(jié)合(i為圖1中的1,2,3,4,5,6,7,8)，則電網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷矩為

(2)

p為電網(wǎng)線路的功率分布參數(shù)。

圖1 低壓配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

依據(jù)上述過程可知，負(fù)荷矩累積一段時(shí)間后，線路上的負(fù)荷矩[5]也會(huì)隨之增加，從而增加節(jié)點(diǎn)負(fù)荷矩。并且節(jié)點(diǎn)負(fù)荷矩越大節(jié)點(diǎn)電壓越低，因此將電網(wǎng)中線路負(fù)荷矩對(duì)電壓的影響看做負(fù)荷矩對(duì)電壓的影響，是影響臺(tái)區(qū)配網(wǎng)損耗的直接因素[6]。

2 分布式電源接入下的綜合線損率確定

在接入分布式電源后，由于接入系統(tǒng)的差異會(huì)產(chǎn)生電量倒送的情況，即負(fù)荷會(huì)倒送會(huì)配電端。若電網(wǎng)難以完全消化負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷也會(huì)進(jìn)一步倒送[7]。因此需要從始端向末端計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，其計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 電壓計(jì)算流程

在上述節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算完成基礎(chǔ)上，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，將供電量與實(shí)際供電量之間的差值定義為統(tǒng)計(jì)線損[8]，其計(jì)算公式表示為

(3)

Ah代表線損電量，即供給電量與銷售電量的差值；Δa為線損率。

在此基礎(chǔ)上，分析低壓臺(tái)區(qū)線損構(gòu)成與分類，如圖3所示。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電網(wǎng)中的等值電阻將低壓臺(tái)區(qū)部分的電網(wǎng)從源端到尾端、從主干線到分支線劃分為若干計(jì)算點(diǎn)[9]，從而確定低壓臺(tái)區(qū)綜合線損率，為低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損提供基礎(chǔ)依據(jù)，過程為

圖3 低壓臺(tái)區(qū)線損構(gòu)成與分類

(4)

e為實(shí)際抄表參數(shù)；y為某一供電階段的抄表電量和；w為某一計(jì)算線段的結(jié)構(gòu)常數(shù)。

3 低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損

依據(jù)上述過程構(gòu)建低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損模型。低壓臺(tái)區(qū)線損管理部分模型框架如圖4所示。

圖4 低壓臺(tái)區(qū)管理部分架構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，選擇合適的導(dǎo)線截面[10-11]。計(jì)算導(dǎo)線電阻與導(dǎo)線截面積之間的關(guān)系，即

(5)

P為電網(wǎng)中導(dǎo)線的電阻率；Y為電網(wǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)度；s為導(dǎo)線截面積；t為電阻參數(shù)。

假設(shè)電網(wǎng)元件中電阻為Q，通過該元件的電流為I，當(dāng)電流通過元件時(shí)產(chǎn)生的損耗為

(6)

一般情況下，電網(wǎng)中產(chǎn)生的損失通常在主干線上，需要合理調(diào)整運(yùn)行電壓[12-13]。因此，利用調(diào)相機(jī)等手段對(duì)電壓調(diào)整，從而達(dá)到降損需求。電網(wǎng)電壓與線損之間的關(guān)系為

(7)

V為臺(tái)區(qū)配網(wǎng)額定電壓；α為電壓提高百分比。

根據(jù)上述計(jì)算，提高能夠降低電網(wǎng)中的功率損失率[14]。在實(shí)際運(yùn)行中，可適當(dāng)?shù)奶岣唠妷航档途€損率，從而達(dá)到抗損目的，還能夠增加輸配電的能力。

為進(jìn)一步提高低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)的抗損能力，還需要對(duì)電網(wǎng)升級(jí)改造。目前，一些地區(qū)的電網(wǎng)相對(duì)落后，一些基本設(shè)施較為陳舊，在長(zhǎng)期運(yùn)行下，計(jì)量本身的損耗和計(jì)量本身計(jì)量誤差都較大，因此需要根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)抗損。同時(shí)，在同一臺(tái)區(qū)，根據(jù)實(shí)際計(jì)算與往年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算時(shí)按照統(tǒng)計(jì)后的值進(jìn)行相應(yīng)分配避免電流過大造成浪費(fèi)。對(duì)于線損計(jì)算而言，電網(wǎng)在電能傳輸過程中也會(huì)造成有功損耗，并且會(huì)影響電能質(zhì)量[15]，所以在低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)模型抗損中需對(duì)變壓器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，減少電能傳輸過程中的損耗。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為檢測(cè)基于分布式電源接入的低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損模型的應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。通過對(duì)比負(fù)荷、電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)，判斷抗損模型的有效性。并以電壓偏差為檢驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)比本文模型、計(jì)及DG隨機(jī)性的配網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化及抗損模型(傳統(tǒng)模型1)、基于改進(jìn)和聲搜索算法的配電網(wǎng)抗損優(yōu)化模型(傳統(tǒng)模型2)的有效性。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某低壓臺(tái)區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，臺(tái)區(qū)中設(shè)有2臺(tái)變壓器(容量均為1 500 MVA)，其余的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)區(qū)輸變電設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)，其運(yùn)行過程如圖5所示。

根據(jù)變電站實(shí)際情況完成建模。實(shí)驗(yàn)采用RS485通信接口電能表獲取數(shù)字電能表，并利用于GPRS通信實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在獲取實(shí)驗(yàn)信息后，通過采集器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理，之后發(fā)送到管理系統(tǒng)中，并在仿真平臺(tái)中完成對(duì)實(shí)際電量統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

圖5 MATLAB運(yùn)行過程

實(shí)驗(yàn)信息傳輸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)信息傳輸結(jié)構(gòu)

傳輸結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，一部分是源端進(jìn)入變壓器的統(tǒng)計(jì)電量，另一部分為變壓器負(fù)載用戶的統(tǒng)計(jì)變量。源端數(shù)據(jù)直接通過GPRS通信，負(fù)載用戶端采用采集器收集固定范圍內(nèi)的用戶用電數(shù)據(jù)，然后將采集完成的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取110 kV、220 kV、500 kV 3條配電線路，分別編號(hào)為A、B、C，將線路尖峰負(fù)荷與電壓值作為對(duì)比對(duì)象，分別使用不同抗損模型對(duì)上述2個(gè)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，以該值判定模型計(jì)算的精準(zhǔn)度。

3條線路的負(fù)荷與電壓實(shí)際值如表2所示。

不同模型計(jì)算后的實(shí)驗(yàn)線路尖峰負(fù)荷與電壓值如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3(續(xù))

分析表3可知，將不同模型的計(jì)算得到的線路尖峰負(fù)荷值、電壓值與實(shí)際的負(fù)荷值、電壓值對(duì)比可知，2種傳統(tǒng)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相差較大，而本文模型的計(jì)算機(jī)結(jié)果與實(shí)際的負(fù)荷值、電壓值相差較小，在一定意義上可忽略不計(jì)。由此可以說明本文模型的計(jì)算精度較高，在此基礎(chǔ)上，以電壓偏差為驗(yàn)證指標(biāo)，判斷不同模型的抗損性能。電壓偏差計(jì)算過程為

(8)

ΔU為電壓偏差百分比；U為低壓臺(tái)區(qū)配網(wǎng)實(shí)際電壓；Us為電網(wǎng)標(biāo)稱電壓。

不同模型下的配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差對(duì)比如圖7所示。

圖7 不同模型電壓偏差對(duì)比結(jié)果

分析圖7可知，隨著迭代次數(shù)的增加，不同模型下的電壓偏差值也在不斷發(fā)生變化。傳統(tǒng)模型1的電壓偏差始終保持在10.30%～12.50%之間，傳統(tǒng)模型2的電壓偏差始終保持在6.00%～8.10%之間，而本文模型的電壓偏差始終保持在2.30%～4.80%之間。通過對(duì)比可知，本文模型下的低壓臺(tái)區(qū)配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差較小，說明本文模型的抗損性能好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

從影響配電網(wǎng)電量損耗的因素分析以及低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損的角度出發(fā)，基于分布式電源接入方式設(shè)計(jì)了一種低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)抗損模型，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該模型對(duì)負(fù)荷值、電壓值的計(jì)算精準(zhǔn)度較高，且該模型下的電壓偏差較小，說明該模型能夠保證供電可靠性，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供支持。但是此次研究的方法還存在一定的不足，在低壓臺(tái)區(qū)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測(cè)中還存在欠缺部分，在后續(xù)研究中將充分分析節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，完善方法的動(dòng)態(tài)分析能力，從而進(jìn)一步提高負(fù)荷值、電壓值的計(jì)算精準(zhǔn)度，為電網(wǎng)運(yùn)行提供幫助。