基于交叉联合供电的多配电台区网损优化

傅晓飞，廖天明，纪坤华

(国家电网公司上海市电力公司，上海 200120)

基于交叉联合供电的多配电台区网损优化

傅晓飞，廖天明，纪坤华

(国家电网公司上海市电力公司，上海 200120)

低压台区配电变压器存在冗余度高、整体利用率低等缺陷。为优化配电网运行经济性，提高配电网设备利用效率，以多配电台区网损为目标函数，各运行条件为约束，建立一种基于交叉联合供电运行模式的网损优化模型，并采用粒子群算法对其进行求解。上海某实际配电网的算例分析表明，交叉联合供电模式可以有效降低台区网损，为社会带来巨大的经济效益。

交叉联合供电；多配电台区；线损优化

配电台区管理主要是对台区内配电变压器(以下简称“配变”)进行管理。目前，我国低压配电变压器运行的主要问题有两点。第一，低压配变冗余度高，以上海为例，截止2016年底，上海市电力公司10 kV公用配变投运台数达115 947台。但对应全网台区全年平均负载率仅为25%左右，高峰期间台区平均负载也仅达到60%。第二，低压配变运行损耗大。经理论计算，上海配变空载损耗共计50 354 kW，占500 V～10 kV公用变压器空载损耗的45.25%。按空载损耗测算上海公司所属配变每月消耗电量约3 625万kWh，年消耗电量达到43 500万kWh。如何对配电台区进行合理规划及提高配变运行效率，成为了实现配电网节能高效运行的关键技术手段。

城市低压配电网具有负荷密度大、用电量集中、供电可靠性要求高等特点，而部分老城区的配电网络相对较薄弱、负荷转供能力较差等问题。实现配变低压互联可降低变压器损耗，提高可靠性，其实现首要需解决变压器负荷分配问题。目前的主要研究集中于建立负荷转移路径。文献[1]和[2]以负荷切除量为目标函数，以减少负荷转移带来的损失。文献[3]和[4]从开关动作次数最少的角度对问题进行研究，以增加低压配变的使用寿命。文献[5]和[6]以网损最小为目标，从经济性角度对负荷转移进行研究。但这些研究均只基于2台变压器，3台及以上变压器的优化运行还未见报道。

为提高低压配变的利用效率并降低运行网损，本文提出一种基于交叉互联供电的多配电网联合运行模式，并以多配电台区网损为目标函数，各运行条件为约束，建立一种基于交叉联合供电运行模式的网损优化模型，通过求解该模型实现配电网的节能高效运行。

1 模型的建立

1.1 低压配电台区网格化

网格化，就是将选定供电区域按照划分原则划分为“网格”，使这些网格成为多台区优化项目实施的单元。通过分析网格内的台区负荷分布情况，确定低压配电网台区互联方案。通常依据地区详细规划文件所提供的用地属性、现有变电站布点及10 kV线路地理走向、负荷密度、片区分块等资料为边界条件，将供电区域划分为供电网格，在满足每个网格现状负荷相对均衡的前提下还需满足以下原则。

(1) 自然分界：网格不跨越宽阔道路、河流、山岭、桥梁、巨大建筑等。

(2) 市政规划：网格划分与市政规划分区分片相协调，尽量符合市政规划要求。

(3) 现状电网：根据现状电网实际情况，因地制宜划分网格，使网格化之后，低压配电网台区互联工程量尽可能小。

(4) 用户管理：一组接线的供电能力能满足用户需求时，尽量不出现用户被网格切割。

(5) 供电距离：台区供电范围不能超越10 kV线路己形成典型接线区域范围，台区的低压线路供电半径原则上不宜超过300 m，因此网格的边长要满足供电距离的要求。

单个网格的结构如图1所示，一个网格由10 kV主干线和若干配电台区构成，图1中虚线框所含区域为台区单元。

图1 单个网格结构

分析每个网格中的台区数量，只要某个台区的主干线路分支落在网格中，即认为该台区在此网格内。对于负荷，如果某一台区变压器负载率明显大于50%，则考虑在线路中装设一个分段开关，负载率小于50%则不用分段。

1.2 台区互联约束条件

利用“网格化”思想将选定供电区域按照划分原则划分为独立的“网格”之后，网格内台区互联方案的确定还需遵循以下几个约束条件：

(1)互联台区的负载率要有高有低，方便台区之间负荷的互转，更好的体现优化的效果。

(2)互联台区负载率在时间上要尽量互补，即在同一时间点上尽量保证彼此负荷率高低互补。

(3)台区互联后，单台供电距离不能太长，因此台区彼此之间距离不能太远，还可减少成本。

(4)互联台区负荷互转后，线路的载流量不能越限。

(5)所选互联台区最好是同一段母线(10 kV)下的台区，保证合环电流不越限。

1.2 台区网损计算

1.2.1 配电变压器损耗计算

配变的综合功率损耗两类：(1)空载损耗、负载损耗、空载电流无功损耗所引起的有功损耗；(2)负载时绕组漏抗漏磁无功损耗所引起的有功损耗，其中无功损耗对配变线损率的影响在0.001%～0.009%，可以忽略不计。由于配变的参数均为额定状态下测定的，并且已根据变压器绝缘材料的电压等级折算成标准线圈温度下换算值，因此进行变压器损耗率计算时，应当不再考虑线圈温度的影响。

配变的综合功率损耗ΔPz可如式计算

ΔPz=P0+kTPkβ2

(1)

配变的综合功率损耗ΔPz%计算公式如下：

(2)

式中P0——配变的空载损耗，kW；kT——负荷波动系数(负荷曲线形状系数k的平方)；Pk——配变的额定负载功率损耗，kW；β——配变的负载系数；P1，Pz——配变的高、低压侧平均有功功率，kW；SN——配变的额定容量，kVA；cosφ——配变负荷侧的平均功率因数。

1.2.2 台区线损计算

低压台区是指某台低压配电变压器供电的区域。台区线损即配变低压侧与客户电能表间配电设备的电能损耗。我国低压配电网结构比较复杂，相线制式和导线种类较多。用电负荷分散且多变，三相不平衡现象普遍，并且受区域性、季节性和时间性影响呈现出不同的特点，运行数据较难收集，因此传统的精确计算方法不具备可行性，只可采用近似计算的简化方法。

目前，常用的低压理论线损计算方法有均方根电流法、平均电流法、最大电流法、等值电阻法等，其中等值电阻法使用最为普遍，但由于其假设条件较多，当实际运行情况与假设条件出现偏差时，理论线损计算不能真实反映电网运行情况。本文中在深入了解和分析低压台区相关数据的基础上进行低压台区线损计算，总结出低压配电网的结构特点，并采用前推回代法进行理论线损计算，由于考虑了线制和电压降对线路线损的影响，所以计算结果可信性高。

采用前推回代法进行低压台区理论线损计算的流程图如图2所示。

图2 理论线损计算流程图

2 基于交叉联合供电的多配电台区线损优化模型

本文建立目标函数为台区网损，包含若干运行约束的多配电台区网损优化模型：

minΔPz% s.t.f(V，θ，u)=0

Vmin

(3)

式中 ΔPz%——式(3)中定义的低压配电网网损，MW；f——潮流方程；V，θ——节点电压幅值和相角；u——多配电交叉互联运行方案；Vmin，Vmax——节点电压上下限约束。

3 模型的求解

本文采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)[7]对1.4节中所提模型进行求解。粒子群算法将每一个多配电交叉互联运行方案看做一个粒子，如ui，i=1，…，n，其中n为粒子种群规模。算法求解步骤如下：

步骤1：设定初始参数。设定粒子种群数目；全局迭代次数Ng，粒子单次最大移动距离Smax；

步骤2：随机产生n只粒子作为初始粒子群P={u1，…，un}，任一粒子代表交叉互联运行方案；

步骤3：对每个粒子计算网损fobj=(ΔPz%)，并检验式约束是否满足，按约束是否满足按式计算粒子适应度

(4)

式中F0——固定参数，代表算法选择压力；a——惩罚因子。

步骤4：记录群体内所有粒子中最优粒子对应方案为Gbest，个体的最优值对应方案为Ibest，按式更新粒子，c1，c2分别代表全局和局部学习因子。

(5)

步骤5：检验算法收敛条件是否满足，是则算法停止，否则转步骤3。

4 算例分析

本文以上海市南新五队二—下南邮局—东锦园艺台区作为研究对象，地理接线图见图3。

图3 南新五队二—下南邮局—东锦园艺台区地理接线

4.1 低压配电网网格化

如文中所述原则对配电网进行网格化后，所得3个配电台区的结构示意图如图4～图6所示。

图4 南新五队二低压配网台区结构图

图5 下南邮局低压配网台区结构图

图6 东锦园艺低压配网台区结构图

4.2 台区网损优化结果

通过分析台区地理接线图，将3个台区可以看做成近似三角形分布。其中3个台区杆变容量均为400MVA，南新五队二台区杆变月平均负载率为60%，下南邮局台区杆变月平均负载率为18%，东锦园艺台区杆变月平均负载率为12%，台区杆变相互之间距离满足要求。按照互联原则，南新五队二台区变压器负载率大于50%，在线路上装设一个分段开关，尽量保证两端负载平均分布。在3个台区之间装设联络开关，进行互联，结构如图7所示。

图7 低压配网台区分段联络示意图

利用粒子群优化算法对低压台区互联进行优化，得到最优的互联方案如下，南新五队二分段开关打开，后半部分负荷接入东锦园艺，下南邮局不做变化。

互联之前3个台区的总损耗为28.465kW，互联之后3个台区总损耗为25.275kW，下降率达到11.2%。这证明交叉联合供电模式对配电网网损优化的作用。

另一方面，在增设分段联络开关以后，台区的供电可靠性得到提升。当任意一台变压器发生故障或者检修停运是可将其台区负荷转移到其他变压器下，从而保证台区供电。

5 结语

本文以多配电台区网损为目标函数，各运行条件为约束，建立一种基于交叉联合供电运行模式的网损优化模型，并采用粒子群算法对其进行求解。对上海市某实际配电网的分析证明所提模型的有效性，所得结论如下：

(1) 在低压配电网中利用交叉联合供电可以有效降低网络损耗，优化配电网运行；

(2) 加装联络开关后，发生故障后可以通过转移负荷提高配电网可靠性。

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(本文编辑：杨林青)

Line Loss Optimization of Multi-Distribution Transformer Bank Based on Interconnected Power Supply

FU Xiaofei, LIAO Tianming, JI Kunhua

(Shanghai Electric Power Company, State Grid, Shanghai 200120, China)

In order to increase the utilization ratios of the distribution transformer banks in low voltage distribution networks, an active line loss optimization model is proposed based on interconnected power supply, where the active line loss of multi-distribution transformer bank is set as the objective function, several operating conditions are set as contraints. At last, a particle swarm optimization is utilized to solve the proposed model. The analysis on a real distribution network in Shanghai demonstrates that the interconnected power supply mode can reduce the active power loss and bring enormous profits to the society.

interconnected power supply; multi-distribution transformer bank; line loss optimization

10.11973/dlyny201702003

傅晓飞(1980—)，男，从事变配电运维检修管理。

TM732

A

2095-1256(2017)02-0102-05

2017-02-07