基于負荷特征的配電網(wǎng)三相不平衡換相模型

劉柯岳楊 光鞏 超王紅君岳有軍

(1.天津理工大學,天津 300382;2.國網(wǎng)天津市電力公司,天津 300410)

0 引言

配電臺區(qū)三相負荷不平衡對配電網(wǎng)供電安全、供電質(zhì)量和經(jīng)濟運行產(chǎn)生不良影響,會引發(fā)配變零序電流增大、損耗增加、運行溫度升高,嚴重時造成配電變壓器重過載及“低電壓”問題,是配電網(wǎng)運行薄弱環(huán)節(jié)的主要體現(xiàn)之一[14]。目前解決三相不平衡問題主要從運維管控和技術(shù)改造2個維度出發(fā)[5-6]。其中,運維管控措施貫穿配電臺區(qū)的規(guī)劃設計、施工、驗收和運維4個環(huán)節(jié),力求從源頭上預防不平衡問題產(chǎn)生;技術(shù)改造主要適用于采取運維管理措施后仍難以治理的配電臺區(qū)。相序平衡能夠通過對不平衡負荷或者饋線進行換相,能經(jīng)濟有效地改善配網(wǎng)不平衡,是本文選擇的主要技術(shù)路線。

文獻[7]提出基于某時刻的各節(jié)點負荷不平衡狀況進行換相操作,該方法僅適用于加裝在線自動換相裝置的配電網(wǎng)絡,且頻繁換相增加了用戶停電次數(shù)和運維成本。文獻[8]通過分析三相不平衡問題產(chǎn)生的原理,提出了一種可用于解決該問題的調(diào)節(jié)裝置,該裝置可在配電網(wǎng)線路的末端安裝并發(fā)揮作用,通過實驗驗證了該裝置的有效性。但是另外增設裝置用于解決三相不平衡問題會使得成本大大增加。文獻[9]在系統(tǒng)中引入了Cramer-Rao下限參數(shù)來對電網(wǎng)頻率進行估計,通過數(shù)學中的最大似然估計作為“增強周期圖”的放大器,在此基礎上提出了一個可用于準確檢測不平衡三相電力系統(tǒng)中頻率異常時正負相序分量的電壓特性的驗證框架,通過模擬驗證了所提出框架的準確性,但是該方法需要經(jīng)過大量的數(shù)學計算和估計,在實際工程中使用較為復雜。文獻[10]針對使用相量測量單元的三相電力系統(tǒng)中的不平衡檢測問題,提出了一種能夠在非標稱頻率下檢測到向量測量單元測量的零序列、正序列和負序列的一般模型,并給出了相應的假設檢驗框架,但是該方法極易受到電網(wǎng)頻率波動的影響。

國家電網(wǎng)有限公司治理配電臺區(qū)三相負荷不平衡問題的總體策略為“運維管控為主、技術(shù)改造為輔”,基于此種考慮,本文首先研究了配網(wǎng)系統(tǒng)中換相節(jié)點的負荷特征曲線提取方法,在此基礎上提出長效三相不平衡優(yōu)化換相模型,以實現(xiàn)通過一次整體換相操作達到維持較長時間三相負荷基本平衡的效果,進而提升運維管控措施治理臺區(qū)三相不平衡的精益化水平。

1 用電負荷特征曲線提取

用戶負荷在極端天氣、節(jié)假日等因素影響下,其用電曲線形態(tài)與常規(guī)相比存在較大差別,主要表現(xiàn)為負荷高峰的峰值以及出現(xiàn)的時間段有所不同,將這些用電曲線記為異常用電曲線。典型負荷曲線提取就是從某用戶一定時間段內(nèi)的負荷時間序列中剔除這些異常用電曲線,從而提取最能代表用戶正常用電形態(tài)的負荷曲線[11]。

為消除采集裝置異常、負荷曲線幅值差異等對提取結(jié)果的影響,本文在進行聚類前剔除了數(shù)據(jù)缺損曲線,并對有效負荷曲線進行了歸一化處理,如式(1)所示

式中:p(i)為換相節(jié)點第i時段功率;T為日采樣點數(shù),其值設置為96;p′(i)為歸一化功率。

對同一用戶而言,典型負荷形態(tài)與異常負荷形態(tài)在各時段的用電負荷具有較大差異,在向量空間中的分布則存在明顯的密度差異。本文采用DBSCAN聚類算法對異常用電曲線進行識別,根據(jù)聚類對象在空間中的密度分布差異實現(xiàn)自動聚類,無需預先指定聚類數(shù)目。該算法主要涉及2個參數(shù):搜索半徑ε和最小對象數(shù)目Nminpts。其基本原理是,將搜索空間中每個對象在搜索半徑ε范圍內(nèi)覆蓋的其他對象的數(shù)量與預先設置的Nminpts進行比較,將數(shù)量大于Nminpts的對象劃分為核心點,將數(shù)量等于Nminpts的對象劃分為邊界點,數(shù)量小于Nminpts的對象歸為噪聲點。這樣,聚類得到的噪聲點即為異常用電曲線,剔除這些異常用電曲線后,對剩余曲線取平均即為該用戶的典型負荷曲線。

本文采用文獻[12]提出的經(jīng)驗公式,對參數(shù)ε和Nminpts進行設置,如式(2)所示

式中:Ndays為正常工作日天數(shù);p′max為日最大負荷。

2 三相不平衡優(yōu)化換相模型與求解算法

在提取各換相節(jié)點以及配電變壓器低壓側(cè)負荷特征曲線的基礎上,本節(jié)重點研究長效三相不平衡優(yōu)化換相模型及其求解算法,以實現(xiàn)通過一次整體換相操作達到維持較長時間三相負荷基本平衡的效果。

2.1 優(yōu)化換相模型

為了綜合評估換相節(jié)點三相不平衡水平,本文參照Q/GDW 519-2010《配電網(wǎng)運行規(guī)程》中瞬時三相不平衡度的定義,提出基于負荷特征曲線的平均三相不平衡度概念,其計算方法如式(3)所示

式中:δ為平均不平衡度;Pmax(i)為配電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)第i時段U、V、W 三相最大功率;Pmin(i)為配電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)第i時段U、V、W 三相最小功率。

根據(jù)上述平均三相不平衡度的計算方法,建立以配電變壓器低壓側(cè)平均三相不平衡度最低為目標的優(yōu)化換相模型,目標函數(shù)如式(4)所示

式中:δ為配電變壓器低壓側(cè)平均不平衡度;N為節(jié)點總數(shù);L為低壓支路總數(shù);cn,i為節(jié)點電壓懲罰函數(shù),其定義如式(5)所示

2.2 求解算法

遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的高度并行、隨機、自適應的搜索算法,具有很強的全局優(yōu)化搜索能力和廣泛適用性,本文選擇其作為優(yōu)化換相模型的求解算法[13]。

配電網(wǎng)系統(tǒng)中的可換相負荷節(jié)點可分為單相、正序兩相、負序兩相、正序三相、負序三相共5類饋線輸出方式,為方便編碼和遺傳算子操作,本文將兩相、三相負荷拆解為單相負荷的疊加,并對換相節(jié)點相序狀態(tài)采用二進制編碼,構(gòu)造式(7)所示的相序狀態(tài)矩陣

式中:xφi為負荷接入與否的指示符,其取值范圍是{0,1},φ代表U、U、W 相;i=1,2,3…M,xφi=1表示負荷接入φ相,xφi=0表示負荷不接入φ相,并且有xUi+xVi+xWi=1恒成立;M為等效換相節(jié)點。

在上述編碼基礎上,基于遺傳算法的長效三相平衡優(yōu)化換相模型求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解算法流程

圖1中所使用遺傳算法中的交叉、變異算子均可通過移位來實現(xiàn),避免了解碼產(chǎn)生的運算過程,減小了計算量。

3 算例分析

選取國網(wǎng)天津市電力公司某三相不平衡配電臺區(qū)為研究對象,針對該臺區(qū)中不同節(jié)點的符合特征曲線進行分析。該臺區(qū)可換相節(jié)點16個,均為單相負荷,按照接入相序進行編號,1-3 號為U 相負荷,4-12號為V 相負荷,13-16號為W相負荷,拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電臺區(qū)低壓拓撲結(jié)構(gòu)

采用第1節(jié)中所描述的DBSCAN 聚類算法對配變低壓側(cè)及換相節(jié)點(以1 號、16 號節(jié)點為例)負荷特征曲線進行提取,變壓器低壓側(cè)典型負荷曲線如圖3所示,1和16號節(jié)點的負荷特征曲線如圖4所示。

圖3 變壓器低壓側(cè)典型負荷曲線

圖4 節(jié)點1、16負荷特征曲線

由圖3和圖4可以看出,該臺區(qū)V 相負荷明顯偏多,計算出配電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)平均三相不平衡度為0.408。考慮低壓線路參數(shù)的不準確性,本算例中對三相潮流運算做了簡化處理,計算過程忽略負荷調(diào)整引起的低壓線損變化,此時配電變壓器低壓側(cè)功率可用式(8)表示

式中:Pfixed為各換相節(jié)點功率之和;Pvariable為非換相節(jié)點功率及低壓線路線損功率之和。

本算例中,設定遺傳種群個體數(shù)為100,最大迭代次數(shù)為100,交叉概率0.1,變異概率0.05。考慮到該臺區(qū)低壓線路容量較大,供電半徑較短,具有較強的電壓穩(wěn)定性,將目標函數(shù)中的懲罰函數(shù)取值為0。經(jīng)計算獲得優(yōu)化換相方案如圖5所示,平均三相不平衡度收斂曲線如圖6所示,配電變壓器低壓側(cè)理論負荷曲線如圖7所示。

圖5 優(yōu)化換相方案

圖6 平均三相不平衡度收斂曲線

圖7 配變低壓側(cè)理論負荷曲線

根據(jù)圖5-7可知,在該策略下臺區(qū)平均三相不平衡度由0.408下降為0.158。

運維人員依據(jù)圖5 策略進行了負荷相序調(diào)整,通過用電采集系統(tǒng)獲得優(yōu)化相序后配變低壓側(cè)功率曲線如圖8所示,按照《配電網(wǎng)運行規(guī)程》方法計算其三相不平衡度曲線如圖9所示,最大三相不平衡度低于配網(wǎng)運行規(guī)程中0.15的限值,可見臺區(qū)三相不平衡問題得到有效解決。

圖8 配變低壓側(cè)實測負荷曲線

圖9 實測三相不平衡度

4 結(jié)論

本文以國家電網(wǎng)有限公司針對治理配電臺區(qū)三相負荷不平衡問題“運維管控為主、技術(shù)改造為輔”的總體策略為依據(jù),提出了一種基于用電負荷特征曲線的低壓配電網(wǎng)三相不平衡優(yōu)化換相模型及算法。以DBSCAN 聚類算法為基礎,對配網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點負荷特征曲線的提取方法進行了研究,通過構(gòu)造平均三相不平衡度的概念搭建了長效三相平衡優(yōu)化換相模型,并根據(jù)遺傳算法對該模型進行了求解。通過對某三相不平衡臺區(qū)的實際情況進行仿真分析,驗證了優(yōu)化相序后所提長效三相平衡優(yōu)化換相模型及算法的可行性和準確性,其最大三相不平衡度低于配網(wǎng)運行規(guī)程中0.15的限值。未來,將針對不同工況和不同節(jié)點數(shù)對所提模型的影響進行進一步研究分析。