含分布式电源的配电网动态无功优化调度方法探究

姚 鹏

（国网四平供电公司，吉林 四平 136000）

0 引 言

分布式电源的接入会对电力系统的运行产生多方面影响，需要电力工作人员做好电网的无功优化调度工作，优化无功潮流分布，避免电压偏移的同时降低有功损耗，从而保证用电设备的运行安全。但是，在当前配电网使用的动态无功优化方法中存在不少问题，如理论支持欠缺、稳定性不足等。本文就相应的预动作表制订进行了改进和优化，对电网在介入分布式电源的情况下如何进行动态无功优化调度进行讨论，希望能够为电网的稳定运行提供可靠支撑。

1 分布式电源概述

分布式电源指功率相对较小（1 000 kW～50 MW）的模块式独立电源。它的拥有方不一定是电力部门，也可以是电力用户或者第三方，能够与环境友好兼容，满足电力系统和电力用户的特殊用电需求，如调峰、商业区域供电等。相较于常规电力系统，分布式电源可以在一定程度上节约输电和变电成本，提高供电的可靠性[1]。

分布式电源的优势体现在4个方面。第一，灵活性。分布式电源系统采用性能比较优越的中小型模块化设备，开机和停机速度快，维护管理方便，而且能够根据实际需求进行灵活调整。电源相互独立，能够很好地满足不同用户对电能的不同需求。第二，经济性。从减少电能传输损耗的角度看，分布式电源一般设置在用户侧负荷中心，能够减少输配电网络建设的成本，且分布式发电规划建设周期较短，投资见效快，风险相对较小。第三，环保性。分布式电源以风电和水电等为主。这些能源清洁可再生，在发电过程中不会产生有害气体，具备良好的环保性。第四，安全性。分布式电源的形式众多，使得电力系统可以摆脱对单一能源的依赖，缓解能源危机。此外，分布式电源的位置相对分散，受突发状况和自然灾害的影响小，能够减少大规模停电问题[2]。

2 含分布式电源的配电网动态无功优化调度方法

配电网无功优化可以分为静态无功优化和动态无功优化两种形式。静态无功优化是在不考虑负荷变化的情况下对配网无功进行相应的优化调度。动态无功优化则需要考虑负荷在不同时间段的差异性，因此更加符合实际情况，得到的优化成果也更好。研究表明，在接入分布式电源的情况下，配网无功优化会受到比较显著的影响。但是，很多研究人员没有考虑分布式电源所具备的随机性，导致配网动态无功优化问题的解决效果并不理想。

2.1 求解过程

现阶段，在进行电网调度的过程中，动态无功优化时空解耦是需要关注的一个核心问题。实践中，一般会对照电容器投切容量编制和完善预动作时刻表，并且向需要进行相应动作的设备提供动作权限，以有效规避所有电容器在同一时刻投切的现象。考虑分布式电源本身处理的连续性和可调性，系统无功调节中，电容器承担粗调任务，分布式电源承担细调任务。

2.1.1 制定动作时刻表

以小时为单位，将电网中所有母线在未来24 h内的有功负荷、无功负荷以及分布式电源预测数据进行相应的时段划分。每一个时段内的负荷数据应该依照积分中值定理转化为常量，由此可以得到静态负荷数据，可被应用于静态潮流计算。借助静态潮流计算，能够得到静态优化时各个电容器的投切容量矩阵[3]。

每一个电容器组都需要依照上述操作获取相应的预动作时刻表，确保在电容器最需要动作时能够迅速投切，使得每一组电容器都可从自身的实际情况出发确定动作的最佳时刻，解决了所有电容器同时投切带来的问题。这样的方式能够很好地满足离散控制设备动作次数约束，提高经济效益，同时解决配电网动态无功优化中存在的时间解耦问题，实现电网的安全稳定运行。

2.1.2 配网分区和负荷处理

从电容器投切对电网状态的影响出发，结合电容器组彼此之间存在的空间耦合性，提出了一种以配网分区为基础的负荷数据处理方法[4]。首先，针对相关文献中提出的基于电压和无功满维灵敏度矩阵的分区算法进行优化，在每一个分区内设置一个电容器组或者相应的平衡节点，以电网模型为对象开展分区计算。其次，依照相应的电容器预动作时刻表做好静态负荷数据的处理工作，为动态优化计算提供支撑。这里以有功负荷的处理为例，已知电容器i的预动作时刻表为Ti=[0,ti,1,ti,2,…,ti,nc_max]，0表示电容器初始档状态。于是，存在分区i内任意一条母线h在时刻t内的有功负荷数据为：

其中，ti和e与ti和e+1指电容器i预动作时刻表中两个相邻的动作时刻，经过处理后可以得到动态有功负荷数据[5]。无功负荷数据的处理同样可采用上述方法。优化计算后，所有电容器都可以在预定动作时间内达到最佳的优化结果，同时可以降低运行能耗。最后，利用配电网分区的方式进行控制，能够保证更快的计算速度。

2.1.3 动态无功优化

结合得到的动态有功负荷数据，将每一个时间段内的能耗最低作为目标，就电容器投切容量进行优化计算，以获取最佳调度方案[6]。依照预动作时刻表的相关要求动作，做好电网中分布式电源的优化，并且依照分布式电源的控制特点，将其分为电压控制型、无功补偿型和无功负荷型3种不同的类型。另外，分布式电源的处理分析可以排除动作次数限制，能够将之当成一种连续变量进行相应的优化计算。

2.2 算例仿真

基于IEEE33节点系统，增加相应的电容器组和分布式电源，并且参照相关文献中的数据，设置电容器组和分布式电源的位置和容量。具体的，在根节点位置加入相应的有载调压变压器，节点8和节点31之间加入无功补偿电容器，节点2和节点13之间加入分布式电源。经过改造后的IEEE33节点系统如图1所示。

图1 IEEE-33节点系统图

系统中，确定平衡节点（节点0），将各个节点的初始电压设置为1.00（标幺值）。有载调压变压器中，变比范围确定为0.9～1.1，步进量为1.25%，上下档之间可以调节的档位数均为8个，并联电容器可以自由投切，补充容量为150 kvar×4和150 kvar×7，分布式电源最大有功处理设置为1 MW，无功处理调节范围在0～500 kvar。

结合某区域的典型日负荷曲线，假定在所有时段内负荷都能够保持不变，就典型日负荷曲线下的光照强度和相应的风速大小进行蒙特卡洛模拟，结合光照强度、风速以及分布式电源有功处理的相互关系，经过计算可以获得分布式光伏和风力电源有功功率的日变化曲线。

在实施优化计算的过程中，为了保证收敛速度，提升计算结果的准确性[7]，采用了MATLAB优化工具箱中的fmincon求解器来求解非线性约束和不等式约束问题，相应的优化结果如表1所示。

表1 实验结果对比

由表1可知，实验5表明本文提出的优化调度方案能够显著降低系统能耗，实现对电容器和分布式电源的协调控制，保证调度方案的合理性和有效性。

经过优化后，电容器动作次数控制在10次，设备的使用寿命和系统运行的稳定性得到了显著提升。对算例中所有电容器的预动作时刻表进行分析，电容器组预动作时刻表如表2所示。所有电容器的动作时刻都依照动作权限的高低进行排位，最需要动作的时刻排在最高位，最不需要动作的时刻排在最低位，可以保证同一时间段内同时投切的电容器组数量较少，从而可以在电容器最需要动作的时刻进行投切。对照相应的静态优化计算结果，本文方法计算得到的结果与现有的方法相比较，能够更好地契合静态计算结果。在不考虑电容器组动作次数的情况下，每一个时刻都可以达到最优值[8]。

表2 电容器组预动作时刻表

3 结 论

将分布式电源引入配网无功调度能够降低系统能耗，借助分布式电源所具备的良好电压无功调节能力，提高配电系运行的安全性和经济性。本文提出的电容器预动作表制订方法得到了实践证明，可以严格控制电容器动作次数，通过分散投切的方式，使得电容器控制策略在各个动作时段内达到最优。算例结果表明，这种方法可以非常有效地降低系统损耗，提高系统运行的稳定性和经济性。依照分布式电源和电容器的处理特点，本文提出的协调调度控制方法能够最大限度地发挥出各自的无功调节能力和优势，从而保证含分布式电源配电网动态无功优化调度方法的合理性和有效性。