基于网损最小的智能配电网“源网荷”优化研究

朱正元，韦 浩，曾 莉，王泽民

（1.国网浙江兰溪市供电有限公司，浙江 兰溪 321100；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

电网的线损关系到供电企业的经济效益，历来是供电企业管理工作的重心。在新一轮电力体制改革的环境下，节能降损是供电企业提高经济效益的重要手段。随着分布式电源、储能、电动汽车充电等新技术的广泛应用，传统电力系统已逐步过渡到新一代智能配电网。新一代配电网中拥有高比例的可再生能源和高比例的电力电子装备[1]，其潮流运行、负荷特性等都发生变化，与传统电力系统相比有了较大改变，线损的影响因素也越来越复杂，因此对电网的线损管理技术提出了更高的要求。

1 总体研究思路

在新的电网形态下，分布式能源、储能设备、电动汽车等大量非线性设备接入电网，对电压波动、谐波、功率因数、无功分布等都会造成影响。文献[2]分析了电压不合格、负荷分布不均、负荷波动大、三相不平衡、功率因数、谐波存在等因素都会对配电网中的损耗产生重要影响。例如，分布式光伏电站接入电网会造成接入点电压抬高，偏离电网最优运行电压。另外，光伏电站通过电力电子设备接入电网，这类设备易产生高次谐波。这些影响因素又会间接引起线损变化。分布式电源、储能设备、电动汽车等对电网的影响如表1 所示。

表1 分布式电源与多元负荷对线损影响

本节以分布式光伏电站为例进行具体分析。D 线路用户以工业用户为主，装接2 座光伏电站，光伏电站装机容量分别为1 568 kW 和1 458 kW。由于当天是除夕，线路负荷较小，光伏发电后线路无法消纳，产生功率倒送现象，如图1 所示。功率倒送使得光伏电站的供电半径增大，提高了线损。

图1 某地D 线路负荷曲线

根据分布式电源与多元负荷对线损的影响分析，本文提出了“源、网、荷”协调优化的降损方法，包含“源”优化、“网”优化和“荷”优化。“源”优化主要分析多个装接位置不同的分布式电源最优出力的计算方法；“网”优化主要分析多分段适度联络线路在分布式电源接入条件下的网络重构判定条件；“荷”优化主要分析避峰负荷的计算方法以及避峰前后线损的差值。图2 为基于“源网荷”协调优化的降损流程。

图2 “源网荷”协调优化流程

2 “源网荷”协调优化

2.1 “源”优化

2.1.1 “源、源”出力协调优化

并网分布式电源一般采用自发自用余量上网方式或全额上网方式，通过实现分布式电源的就地消纳，减少电网的功率输送，从而降低输电线路的损耗。当分布式电源接入电网后，电力线路损耗的变化主要取决于分布式电源的接入容量、接入位置、功率因数等。分布式电源接入位置不当、容量偏大会导致电源出力无法就地消纳，甚至会产生功率倒送，从而增大线路损耗[3]。

文献[4]对分布式电源接入位置进行了计算，得出单个分布式电源装接容量为2/3 线路负荷并且在接入线路2/3 长度位置时，线损最小。

当线路中接入一个或多个分布式电源时，可通过优化调节分布式电源的出力，实现各个电源出力的就地消纳和潮流最优，达到线损最小的目的。分布式电源接入条件下的配电网潮流分布如式（1）所示：

式中： L 为线路长度；P0为单位长度功率；xDG为分布式电源接入位置；PDG为分布式电源功率。

“源”优化通过以一组电源（一般为2 座分布式电站）为出力协调优化对象来说明。在分布式电源接入条件下，假设xG1和xG2分别为分布式电源的接入位置（距离线路首端长度）；PG1和PG2为DG的注入功率；Ploss为线路总损耗。

则有：

当PG1和PG2出力控制在上式数值时，线损最小。

2.1.2 储能设备接入容量与位置优化

储能设备既能充电又能放电，因此会对配电网的潮流分布和电压分布都产生更复杂的影响。储能设备在充电时作为负载设备，在放电时作为电源设备。因此，可将分布式储能设备对线损的影响分成两部分进行计算，充电时作为负载设备接入电网，放电时作为电源接入电网，通过充放电时间的占比不同而计算出总线损的大小[5]。

同样，采用类似光伏接入对线损影响的计算方法，配电网中的有功潮流分布可以表示为如下函数形式：

式中： xes为分布式储能接入位置；Pes为储能充放电功率。

当储能设备为放电状态时，μ 为1；当储能设备为充电状态时，μ 为-1。式中Ploss（x）为馈线单位长度损耗；r0为馈线单位长度电阻；U 为馈线三相等效电压。此时配电网总损耗为：

当放电时，μ=1 时，得到：

当充电时，μ=-1 时，得到：

根据浙江省物价局文件，农业生产用电、大工业用电、一般工商业及其他用电采用六时段划分情况，高峰时段、低谷时段各有12 h。因此，储能设备充放电时间可按各12 h 计算。本文将接入储能设备的一条典型线路视为一个供电系统。

（1）负荷等效为恒功率模型

按照充电12 h，放电12 h 计算，则：

由式（11）可以看出，分布式储能设备在恒功率模型下增大线路损耗，储能容量越大、接入点离首端越远，线损越大。

（2）负荷等效为波动功率模型

按照充电12 h，放电12 h，为方便计算，将线路负荷模型等效高峰时负荷为低谷时负荷的N倍，则系统总线损为：

通过Ploss分别对Pes，xes求偏导，得到：

当装接位置一定时，储能设备最优容量为：

当储能设备容量一定时，装接位置最优为：

2.2 “网”优化

网络重构控制的目的是更好地实现分布式电源出力的就地平衡和负荷在线路分布上的平衡。

当单条线路分布式电源接入容量较大时，在有功出力高峰时，单条线路可能无法实现全部消纳。而且，还会有电压不合格、功率因数低等一系列问题。这就需要对电网运行方式重新整合计算，得出最优的运行方式，通过操作联络开关和分段开关，实现线损最优[6]。

如图3 所示，以分布式电源接入下的三分段单联络线路作为网络重构计算模型，假设负荷在线路上均匀分布，每段负荷均相等，分布式电源接入线路Ⅰ的第三段。网络重构的判定条件为：

式中： Ploss1为优化前线损；Ploss2为优化后线损；L1为线路Ⅰ总长度；L2为线路Ⅱ总长度；xG为分布式电源的接入位置（距离线路首端长度）；PG为分布式电源的注入功率。

求得：

图3 多分段适度联络接线

当PG满足上式时，网架进行重构，否则保持原运行方式。

2.3 “荷”优化

线路负荷波动大能够增大线路的附加损耗，尤其是一些负荷峰值很高的工业大用户，若不加限制引导，不仅减少了系统的备用容量，降低了系统运行的安全稳定性，而且增大了系统线损。因此，供电企业主动安排用户有序用电是非常有必要的[7]。

“荷”优化主要在分布式电源接入的基础上，对线路可限负荷进行优化，使得线路负荷趋于平稳，从而降低线损。

（1）最大可限负荷计算

首先需要明确线路上有多少用户，根据用户负荷特性，识别客户是否有可限负荷、可限负荷大小、可限负荷时间等，得出线路最大可限负荷为：

式中： PBF为负荷高峰期内避峰负荷大小；N 为线路可避峰的客户数量；T 为线路高峰负荷持续时间；Pbi为第i 个客户的可避峰负荷；Ti为第i 个客户避峰限电时间。当该用户不进行避峰时，xi=0；当该用户进行避峰时，xi=1。

（2）避峰负荷优化

当PR≤PM-PG-PBF时，线路上可限负荷全部参与避峰。

当PR＞PM-PG-PBF时，可得到PR=PM-PG-aPBF，0＜a＜1，此时负荷波动最小，线损最优。在满足负荷避峰要求的同时，供电公司损失费用要达到最小。边界条件为：

式中： PR为线路正常运行负荷；PM为线路高峰负荷；PG为分布式电源最大出力；a 为避峰负荷系数；PBF为最大可限负荷；C 为避峰费用；Pbj为用户避峰负荷；Tj为用户避峰时间；ρj为用户避峰时段电价。

3 算例分析

以一组装接有分布式光伏电站的中压线路来举例分析。线路参数如表2 所示，2 座分布式电站接入线路位置如图4 所示，10 kV A 线上接有2座分布式光伏电站，分别为三江光伏（2.85 MW）、陆鑫光伏（1.56 MW），A 线负荷以工业负荷为主，负荷均匀分布，主干线长度4 km，线路最大负荷4.8 MW，线路分三段运行。其中三江光伏电站距线路首端1.5 km，陆鑫光伏电站距线路首端3 km。A 线对侧联络线路为B 线，B 线负荷3.6 MW，主干线长度为3 km，线路分三段运行。

表2 线路参数

图4 线路降损实例接线

根据2 座分布式电源装机容量与装接位置，按照式（5）、式（6）计算得出，当三江光伏出力2.05 MW、陆鑫光伏出力1.4 MW 时，线损最小。

结合A 线与B 线接线模式、负荷分布、分布式电源接入点等，根据式（20）网络重构的判定条件进行计算，此处分布式电源出力按照1.4 MW计算。

计算结果表明不满足网络重构的条件，因此不需要进行网络重构。

4 结论

本文通过对分布式电源与多元负荷的特征进行分析，得出了影响线损的主要因素，并从“源、源”最优出力配置、储能最优接入点与最优接入容量、网架重构界定条件、避峰负荷计算等做了研究。研究结论包括以下几点：

（1）中压线路在一组分布式电源接入的情况下，为实现线损最优，通过计算得出两个分布式电源出力大小如何配置。

（2）当单座储能站的接入位置距电源距离为2/3 的地点接入配电网时线损最小，注入容量与峰谷负荷差和充放电时间有关。

（3）建立了网络重构的计算模型，并给出以降低线损为目标的网络重构的判定条件。

（4）提出了线路避峰负荷的计算方法和避峰负荷优化方法。