多分布式電源接入高壓配電網(wǎng)的無功返網(wǎng)量優(yōu)化調(diào)節(jié)方法

田 野，彭權(quán)威，雷 超，廖彥潔

（1．國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都610000；2．國網(wǎng)天府新區(qū)供電公司，四川 成都610000）

0 引 言

在春節(jié)、國慶節(jié)等節(jié)日長假期間，110 kV高壓配電網(wǎng)供電量大幅下降，110 kV整體呈輕載狀態(tài)；同時(shí)110 kV城市電網(wǎng)內(nèi)電纜線路較多，其充電功率是相同長度的110 kV架空線路的15～20倍［1］。這兩方面原因?qū)е抡麄€(gè)110 kV高壓配電網(wǎng)會(huì)向上級(jí)220 kV電網(wǎng)返送大量無功功率。為了避免無功返送造成的上級(jí)電網(wǎng)調(diào)壓困難，省調(diào)會(huì)對(duì)各個(gè)地調(diào)所轄所有220 kV變電站主變高壓側(cè)的無功返送總量進(jìn)行考核。在無功返送量較大的極端情況下，地調(diào)會(huì)考慮采取切除無功返送較多的110 kV備用空充線路，以犧牲110 kV電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的方式，減少總的無功返網(wǎng)。

目前，小型水電廠、垃圾發(fā)電廠、風(fēng)電發(fā)電和光伏發(fā)電等中小型分布式電源（DG）已大量滲透到110 kV高壓配電網(wǎng)中［2－4］。在電網(wǎng)處于輕載時(shí)，這些電源能夠吸收電網(wǎng)內(nèi)過剩的無功功率，比如垃圾發(fā)電廠具有進(jìn)相運(yùn)行的能力，風(fēng)電和光伏的電力電子接口裝置具有吸收無功的能力［4，5］。但是，地調(diào)還僅僅是采取投入220 kV站電抗器的方式減少無功返網(wǎng)總量，還未充分發(fā)揮大量DG吸收無功的能力。為此，如何通過電抗器和大量DG的潮流調(diào)節(jié)方式，減少節(jié)假日期間無功返網(wǎng)總量，盡量達(dá)到無功分層分區(qū)平衡狀態(tài)，對(duì)滿足無功返送的考核指標(biāo)和保障電網(wǎng)運(yùn)行可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。

本文從基于無功補(bǔ)償分層分區(qū)平衡的潮流調(diào)節(jié)角度出發(fā)，提出一種以無功返網(wǎng)量最小為目標(biāo)的多分布式電源接入高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化調(diào)節(jié)方法。所建模型包含多個(gè)分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功分區(qū)平衡子模型。在具體在實(shí)現(xiàn)過程中，所建模型充分考慮了省調(diào)對(duì)無功返送總量的考核要求，優(yōu)先對(duì)含多個(gè)分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功分區(qū)平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用了免疫遺傳算法對(duì)這兩個(gè)子模型進(jìn)行求解。

1 多分布式電源接入高壓配電網(wǎng)的無功分區(qū)平衡調(diào)節(jié)

在各分區(qū)無功平衡的調(diào)節(jié)過程中，若分區(qū)Ai內(nèi)存在多個(gè)分布式電源，并且分布式電源具備可吸收和發(fā)出無功的能力，則無功分區(qū)平衡的控制目標(biāo)應(yīng)優(yōu)先考慮減少電源側(cè)110 kV線路返送無功量ΔQl，然后才是降低分區(qū)內(nèi)有功網(wǎng)損Ploss。不同分區(qū)之間的分布式電源無功調(diào)節(jié)順序，應(yīng)從首端節(jié)點(diǎn)電氣距離最遠(yuǎn)的分區(qū)依次到電氣距離最近的分區(qū)。因此，分區(qū)Ai對(duì)應(yīng)的具體無功平衡調(diào)節(jié)模型為：

式中，nG為分區(qū) Ai內(nèi)的 DG 個(gè)數(shù)；PG，i和 QG，i分別為分區(qū)Ai內(nèi) DG 節(jié)點(diǎn)i的有功和無功出力，PD，i和QD，i分別為分區(qū)Ai內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的有功和無功負(fù)荷，Pi和Qi分別為分區(qū)Ai內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的注入有功和無功，Nb為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；QG為分區(qū)Ai內(nèi)DG輸出或者吸收無功，和分別為分區(qū)Ai內(nèi)DG的無功出力最大值和最小值為分區(qū)Ai內(nèi)DG源的機(jī)端電壓，和分別為分區(qū)Ai內(nèi)DG的機(jī)端電壓最大值和最小值；Ui表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值，U和U分別表示電壓最大值和最小值，npq表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

2 所建模型的計(jì)算步驟

本文免疫遺傳算法IGA是將所求解問題的目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)為抗原，將問題的解對(duì)應(yīng)為免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的抗體，由抗體和抗原之間的親和度計(jì)算公式來評(píng)價(jià)不同抗體的優(yōu)劣。通過一系列遺傳操作及親和度計(jì)算，找出抗體種群中和抗原之間的親和度最大的抗體，即為問題的解。在所建高壓配電網(wǎng)無功返網(wǎng)量最小的優(yōu)化調(diào)節(jié)模型中，抗體變量為110 kV電網(wǎng)中DG機(jī)端電壓、220 kV變電站電抗器、220 kV電網(wǎng)內(nèi)主變檔位和接入220 kV電網(wǎng)的發(fā)電廠機(jī)端電壓。同時(shí)，考慮到110 kV高壓配電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)部電源對(duì)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的強(qiáng)耦合控制。本文選用電源分區(qū)與短路阻抗距離的無功分區(qū)方法，實(shí)現(xiàn)高壓配電網(wǎng)的無功控制分區(qū)。具體計(jì)算步驟如下：

（1）采用電源分區(qū)與短路阻抗距離的無功分區(qū)方法，對(duì)含多個(gè)DG的110 kV高壓配電網(wǎng)進(jìn)行無功分區(qū)；

（2）按照無功的分層平衡，在不影響10 kV電壓越下限的前提下，調(diào)節(jié)220 kV和110 kV主變檔位至合理范圍后，采取切除220 kV站和110 kV站無功補(bǔ)償電容器的方式進(jìn)行無功調(diào)節(jié)；

（3）按照無功的分區(qū)平衡，求解含分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功分區(qū)平衡調(diào)節(jié)模型；

（4）在保證220 kV站10 kV母線不發(fā)生越下限情況下，采取投入站端電抗器的方式進(jìn)行無功調(diào)節(jié)；

（5）調(diào)節(jié)結(jié)束。

3 算例分析

基于本文提出的上述減小無功返送的調(diào)節(jié)方法和Matlab R2012a軟件，對(duì)2016年春節(jié)期間成都某地區(qū)的實(shí)際110 kV高壓配電網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析。下面介紹算例結(jié)果及仿真分析。成都某地區(qū)實(shí)際110 kV電網(wǎng)，有6座110 kV變電站，1座220 kV變電站，全網(wǎng)總共有23個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照電源分區(qū)與短路阻抗距離的無功分區(qū)方法，110 kV高壓配電網(wǎng)全網(wǎng)共分為2個(gè)無功控制分區(qū)1和分區(qū)2。所有變電站主變均為有載調(diào)壓，110 kV站和220 kV站均安裝無功補(bǔ)償電容器，220 kV站端還安裝電抗器。全網(wǎng)內(nèi)共接入3處分布式電源，分別是光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)和垃圾發(fā)電廠，具體見表1。本文設(shè)定基準(zhǔn)功率為100 kVA，基準(zhǔn)電壓為220 kV、110 kV和10 kV，220 kV RD 站的高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)1為平衡節(jié)點(diǎn)，具體接線方式見圖1所示。

本實(shí)際算例的負(fù)荷數(shù)據(jù)來自于2016年春節(jié)期間2月11日凌晨03點(diǎn)15分的SCADA采集值。在仿真中，220 kV、110 kV的電壓安全變化范圍為標(biāo)稱電壓的＋7%和0%之間，即1．0～1．07 p．u．之間；假設(shè)省調(diào)考核地調(diào)所轄220 kV RD站和XJD站關(guān)口的無功返送總量不能超過0．15 p．u．。為簡化問題，假設(shè)所有調(diào)壓設(shè)備都是連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1 成都某地區(qū)實(shí)際110 kV23節(jié)點(diǎn)高壓配電網(wǎng)

表1 分布式電源參數(shù) （單位p．u．）

本文采用的免疫遺傳算法抗體總數(shù)設(shè)定為40，變異概率為0．15，選擇概率為0．5，免疫遺傳進(jìn)化最大代數(shù)為100代，對(duì)本文所建模型進(jìn)行了求解。下面從多個(gè)DG的無功分區(qū)平衡調(diào)節(jié)和省地AVC系統(tǒng)聯(lián)調(diào)調(diào)節(jié)兩個(gè)角度，對(duì)減少110 kV高壓配電網(wǎng)無功返送的效果進(jìn)行了仿真分析。在完成全網(wǎng)的無功分層平衡調(diào)節(jié)后，對(duì)全網(wǎng)按照分區(qū)由遠(yuǎn)至近的順序，優(yōu)先對(duì)分區(qū)2進(jìn)行無功平衡調(diào)節(jié)，其次再對(duì)分區(qū)1進(jìn)行無功平衡調(diào)節(jié)。具體調(diào)節(jié)過程見表2。表中，全網(wǎng)有功網(wǎng)損僅包含本文所研究的110 kV高壓配電網(wǎng)。

表2 多個(gè)DG的無功分區(qū)平衡調(diào)節(jié)結(jié)果（單位p．u．）

從表2可見，從兩個(gè)分區(qū)的無功平衡優(yōu)化調(diào)節(jié)手段來看，分區(qū)1內(nèi)節(jié)點(diǎn)13所接的光伏電站和節(jié)點(diǎn)19所接的風(fēng)電場(chǎng)均在吸收110 kV高壓配電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)的過剩無功，使得返送至220 kV RD站中壓側(cè)節(jié)點(diǎn)2的無功總量減少至0．18p．u．；分區(qū)2內(nèi)節(jié)點(diǎn)8所接入垃圾發(fā)電廠采用進(jìn)相運(yùn)行方式吸收分區(qū)內(nèi)的過剩無功，減少了節(jié)點(diǎn)4向節(jié)點(diǎn)3返送的無功總量。

從兩個(gè)分區(qū)的無功平衡調(diào)節(jié)先后來看，分區(qū)2優(yōu)先于分區(qū)1進(jìn)行無功平衡優(yōu)化調(diào)節(jié)，在減少末端電網(wǎng)的無功返送量后，再對(duì)靠近220 kV電源電氣距離較近的分區(qū)2調(diào)節(jié)其無功平衡，最終可實(shí)現(xiàn)減少分區(qū)1和2內(nèi)的無功返網(wǎng)總量。由于全網(wǎng)負(fù)荷較輕，在優(yōu)化調(diào)節(jié)前，110 kV高壓配電網(wǎng)有功網(wǎng)損為0．08p．u．，而在優(yōu)化調(diào)節(jié)后，其有功網(wǎng)損為0．04p．u．，低于優(yōu)化前的全網(wǎng)有功網(wǎng)損值。優(yōu)化前，110 kV高壓配電網(wǎng)通過220 kV RD站向220 kV電網(wǎng)返送大量無功，其電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益比較低；但在優(yōu)化調(diào)節(jié)后，采取DG吸收無功的方式，減少了220 kV RD站向220 kV返網(wǎng)的無功總量，盡量使得無功滿足分層分區(qū)平衡，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的損耗。

4 結(jié) 論

本文提出一種含多分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功返網(wǎng)量最小的優(yōu)化調(diào)節(jié)方法。本文所建模型包含多個(gè)分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功分區(qū)平衡子模型，在具體實(shí)現(xiàn)過程中，所建模型充分考慮了省調(diào)對(duì)無功返送總量的考核要求，優(yōu)先對(duì)含多個(gè)分布式電源的高壓配電網(wǎng)無功分區(qū)平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文的無功返網(wǎng)量最小的優(yōu)化調(diào)節(jié)方法以高壓配電網(wǎng)內(nèi)的分布式電源為調(diào)節(jié)對(duì)象，合理的減輕了輕載狀態(tài)下電纜線路的無功返送問題。