地區(qū)電網(wǎng)重構(gòu)降損案例分析

靳 旦，鮮其軍，賀星棋，唐 偉

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

挖掘電網(wǎng)降損潛力、提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是提高電力公司經(jīng)營效益的重要途徑。目前，電網(wǎng)的降損措施可分為技術(shù)降損措施和管理降損措施。管理線損是指由于計(jì)量、抄表、竊電及其他管理不善而造成的電能損失，可通過規(guī)范業(yè)務(wù)管理能力降低電網(wǎng)損耗。

技術(shù)降損是指潮流經(jīng)過電網(wǎng)設(shè)施所產(chǎn)生的損耗，通過一系列措施改善電網(wǎng)潮流分布達(dá)到降損效果。技術(shù)降損的主要措施有經(jīng)濟(jì)調(diào)度[1]、電壓無功優(yōu)化[2]、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[3]、三相不平衡治理等。文獻(xiàn)[1]研究了采用經(jīng)濟(jì)調(diào)度降損的問題，考慮了負(fù)荷和新能源的實(shí)時(shí)波動性，提出了基于魯棒優(yōu)化的電網(wǎng)動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；為快速求解所提動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的最優(yōu)解，提出了一種基于可行域投影的方法，將原模型轉(zhuǎn)換為一個單層線性規(guī)劃模型來快速求解。文獻(xiàn)[2]通過控制無功和電壓設(shè)備來降低配電網(wǎng)運(yùn)行損耗，提出了配電網(wǎng)雙時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的多目標(biāo)電壓無功優(yōu)化模型。通過協(xié)調(diào)控制電網(wǎng)傳統(tǒng)無功設(shè)備(并聯(lián)電容器組和變壓器分接頭)以及新能源機(jī)組無功出力以實(shí)現(xiàn)在新能源和電動汽車滲透下配電網(wǎng)多時(shí)段的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[3]研究了一種以降損和載荷均衡為目標(biāo)的地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)快速算法，并將其初步應(yīng)用到地區(qū)電網(wǎng)中。在電力系統(tǒng)中，合理的技術(shù)降損措施在不影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，能有效提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，即供電路徑優(yōu)化，通過改變斷路器狀態(tài)投切線路，以達(dá)到消除線路過載、故障后供電恢復(fù)、降低系統(tǒng)網(wǎng)損等目的。目前，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)在電網(wǎng)降損、恢復(fù)供電、提高新能源滲透率、阻塞管理等方面均有學(xué)者展開研究。下面首先對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)研究中的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的求解方法；在此基礎(chǔ)上，以某地區(qū)電網(wǎng)為實(shí)例，分析了通過重構(gòu)實(shí)現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)降損的結(jié)果，計(jì)算了不同負(fù)荷下，地區(qū)電網(wǎng)重構(gòu)前后的有功損耗；在不影響地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性的前提下，給出了地區(qū)電網(wǎng)在不同負(fù)荷下的最優(yōu)運(yùn)行方式建議，為地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和降本增效提供了基礎(chǔ)。

1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)數(shù)學(xué)模型

隨著配電網(wǎng)中不斷接入分布式電源和儲能裝置，配電網(wǎng)從單一的輻射狀網(wǎng)絡(luò)向運(yùn)行方式較復(fù)雜的多運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)在配電網(wǎng)供電恢復(fù)、阻塞管理、提高新能源滲透率、降損等方面有較多的應(yīng)用。

配電網(wǎng)故障發(fā)生后采取網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)措施，通過協(xié)調(diào)分布式電源、儲能和柔性負(fù)荷可以進(jìn)行負(fù)荷恢復(fù)。文獻(xiàn)[4]建立了主動配電網(wǎng)多時(shí)間段的故障動態(tài)恢復(fù)模型，目標(biāo)函數(shù)為甩負(fù)荷成本、斷路器操作成本、分布式電源和變電站的出力成本最?。患s束條件包括配電網(wǎng)潮流方程約束、線路熱極限約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、輻射狀與連通性約束、檢修策略約束、儲能系統(tǒng)約束和甩負(fù)荷約束，以PG&E 69系統(tǒng)對模型有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]中通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對配電網(wǎng)多時(shí)段的負(fù)荷進(jìn)行恢復(fù)，模型的目標(biāo)為最大化負(fù)荷恢復(fù)量，以改進(jìn)的IEEE 33節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了負(fù)荷恢復(fù)方法在多種故障場景下的有效性。

文獻(xiàn)[6]研究了基于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和智能軟開關(guān)協(xié)調(diào)控制的交直流混合高壓配電網(wǎng)阻塞管理模型，智能軟開關(guān)是由背靠背電壓源型換流器控制的一種新型電力電子設(shè)備，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為最小化有功功率減載成本和重新調(diào)度輸電網(wǎng)電源點(diǎn)或發(fā)電機(jī)組有功功率的成本。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了配電網(wǎng)重構(gòu)下的需求側(cè)響應(yīng)和智能軟開關(guān)模型，建立了以最小化網(wǎng)損、棄風(fēng)棄光、智能軟開關(guān)損耗和斷路器費(fèi)用之和的目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[8]以柔性開關(guān)出力、常規(guī)斷路器的通斷為優(yōu)化變量，建立了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和柔性斷路器調(diào)控的雙層規(guī)劃問題，優(yōu)化的目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)損耗、常規(guī)斷路器動作次數(shù)、最大的電壓偏差和饋線負(fù)載均衡度。

文獻(xiàn)[9]提出了一種最大化接納分布式電源有功出力的配電網(wǎng)重構(gòu)模型，提出并研究了配電網(wǎng)對于新能源的最大可傳輸能力(available delivery capability，ADC)。文獻(xiàn)[10]研究日前最小化操作次數(shù)的配電網(wǎng)重構(gòu)模型，通過最小的斷路器動作次數(shù)來解決因新能源高滲透造成的線路熱極限越限問題。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型總結(jié)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)數(shù)學(xué)模型匯總

2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)求解方法

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是斷路器通斷狀態(tài)的優(yōu)化過程，斷路器狀態(tài)是一個二元變量，因此網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。目前，此類問題沒有一個公認(rèn)的通用性強(qiáng)且求解效率高的工具。而且，隨著電網(wǎng)支路的增加，斷路器組合數(shù)目指數(shù)性增加，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)求解存在組合爆炸問題。目前，現(xiàn)有文獻(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的求解方法主要分為兩類：利用商業(yè)軟件求解[4-7]和智能算法求解[8-10]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[4-7]采用商業(yè)軟件求解所提出的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題，將所建立的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型利用二階錐松弛方法轉(zhuǎn)換成混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型，采用YALMIP、CPLEX、Gurobi等商業(yè)軟件組合即可對混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型進(jìn)行求解。

利用智能算法求解網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題也有較多的學(xué)者展開研究，文獻(xiàn)[8]采用強(qiáng)化帕累托進(jìn)化算法求解多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的帕累托最優(yōu)解集，文獻(xiàn)[9-10]采用基于二進(jìn)制粒子群優(yōu)化算法求解配電網(wǎng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

3 地區(qū)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)降損案例分析

3.1 地區(qū)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)降損案例1

某地區(qū)局部電網(wǎng)如圖1所示，A和B是由兩回220 kV線路連接的兩座220 kV變電站；C和D是兩座110 kV變電站。原運(yùn)行方式中，C變電站由A變電站110 kV出線供電，D變電站由B變電站110 kV出線供電，B變電站110 kV與C變電站之間的110 kV線路斷路器、C和D變電站之間的110 kV線路斷路器為斷開狀態(tài)。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)局部運(yùn)行方式

供電方式優(yōu)化后，將A變電站110 kV與C變電站之間的線路斷路器斷開，將B變電站110 kV與C變電站之間的線路斷路器閉合、D和C變電站之間的線路斷路器閉合，C變電站由A變電站供電改為由B變電站供電，同時(shí)C和D變電站線路閉合，提高供電可靠性。

在代表日當(dāng)天，該地區(qū)電網(wǎng)在方式1和方式2兩種供電方式下的有功損耗對比如圖2所示，其中圖2的有功損耗為地區(qū)電網(wǎng)220～35 kV的總損耗，不包括10 kV及以下電網(wǎng)損耗。地區(qū)電網(wǎng)在方式1運(yùn)行時(shí)日總損耗為676.34 MWh，在方式2運(yùn)行時(shí)日總損耗為660.62 MWh。代表日當(dāng)天，將地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)從方式一轉(zhuǎn)為方式二運(yùn)行，減少電網(wǎng)損耗15.72 MWh，損耗降低2.32%。從圖2可看出，地區(qū)電網(wǎng)局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)前后有較好的降損效果。

為探究方式1和方式2在不同負(fù)荷情況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，將C和D變電站總負(fù)荷從0逐漸增加到2倍基礎(chǔ)負(fù)荷大小，方式1和方式2在不同負(fù)荷大小下的系統(tǒng)網(wǎng)損對比如圖3所示?？煽闯?，隨著負(fù)荷增大，方式1和方式2之間的損耗差距逐漸增大，方式2的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。

圖2 供電方式轉(zhuǎn)換后有功損耗對比(降損案例1)

圖3 在不同負(fù)荷大小下兩種方式損耗對比(降損案例1)

調(diào)度通過實(shí)測計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)降損案例1中，電網(wǎng)由方式1轉(zhuǎn)換為方式2，方式2運(yùn)行共計(jì)117天后，相比于方式1運(yùn)行，累計(jì)降損電量737.1 MWh，方式1的運(yùn)行模式具有長期經(jīng)濟(jì)性。

3.2 地區(qū)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)降損案例2

地區(qū)電網(wǎng)局部運(yùn)行方式如圖4所示，A、B分別為兩座220 kV變電站。C、D、E為110 kV變電站，在方式1中，D變電站由A變電站供電，C、E變電站由B變電站供電，C變電站與A、D變電站線路斷開；供電方式優(yōu)化后，方式2中，C、D變電站由A變電站供電，E變電站由B變電站供電。

在代表日當(dāng)天，為提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，將地區(qū)局部電網(wǎng)由方式1調(diào)整至方式2。代表日當(dāng)天，電網(wǎng)在兩種運(yùn)行方式下的有功損耗對比如圖5所示。地區(qū)220～35 kV電網(wǎng)在方式1運(yùn)行情況下，總損耗為230.22 MWh，在方式2的運(yùn)行情況下，總損耗為227.83 MWh。代表日當(dāng)天將方式1調(diào)為方式2運(yùn)行，日降損2.39 MWh，降損比例為1.04%。在不影響電網(wǎng)運(yùn)行安全性和供電可靠性的前提下，不增加任何操作成本就有較好的降損效果，提升了地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖4 地區(qū)電網(wǎng)局部運(yùn)行方式

圖5 供電方式轉(zhuǎn)換后有功損耗對比(降損案例2)

為探究兩種方式的臨界經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，將變電站C、D、E總負(fù)荷從0逐漸增加至2倍基礎(chǔ)負(fù)荷大小，方式1和方式2在不同的負(fù)荷大小下，系統(tǒng)網(wǎng)損對比如圖6所示?？煽闯?，在0.5倍的基礎(chǔ)負(fù)荷上，隨著負(fù)荷逐漸增加，兩種方式的運(yùn)行損耗逐漸增大，大負(fù)荷情況下方式2運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

通過實(shí)測數(shù)據(jù)仿真降損案例2在某月重構(gòu)后的降損情況，方式2相比于方式1月降低損耗78.23 MWh，方式1運(yùn)行模式具有長期經(jīng)濟(jì)性。

圖6 在不同負(fù)荷大小下兩種方式損耗對比(降損案例2)

4 結(jié) 語

首先，對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和求解方法進(jìn)行了簡單綜述，分析了地區(qū)電網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)局部重構(gòu)降低電網(wǎng)有功損耗兩個案例。計(jì)算了地區(qū)電網(wǎng)在不同負(fù)荷情況下，不同運(yùn)行方式的有功損耗，為地區(qū)電網(wǎng)長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式選擇提供了基礎(chǔ)。最后，通過調(diào)度實(shí)測數(shù)據(jù)證明了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對電網(wǎng)長期運(yùn)行具有較好的降損作用。