低碳背景下含可再生能源配电网降损研究

杨昊天，张仰飞，赖仕达，陈光宇

(1.南京工程学院，江苏 南京 211167; 2.国网福建省电力有限公司三明供电公司，福建 三明 365000)

0 引言

随着“双碳”目标的提出，电力行业作为主要碳排放源之一，肩负了重要的节能减排任务[1]。另外，短期内提高能源利用率，降低配电网损耗是减少碳排放的主要途径[2]。因此研究含源配电网降损方法对节能减排具有重要意义。

分布式可再生能源(Renewable Distributed Energy,RDG)的使用可以减少火电厂传统化石燃料的使用，然而RDG接入对配电网网损产生了影响[3-4]，使配电网的网损现状变得复杂。目前，国内外已有一些学者针对含源配电网节能降损提出了有效的方法。文献[5-6]考虑了RDG选址定容对网损的影响，通过优化RDG选址定容实现降低网损的目标；文献[7-8]分别考虑了电压和源荷的不确定性，并从含源配电网运行的角度，对低碳调度方法进行了研究；文献[9]在调度策略中充分利用了需求侧资源，让主动配电网参与系统碳排放管理；文献[10]在负荷数据不全的情况下，通过优化RDG的出力达到降低网损的效果。以上研究均取得了较好的效果，但是从配电网降损改造角度进行的研究较少，而对含源配电网改造具有较大的节能降损潜力。

因此基于现有研究，提出了一种分层分区降损方法。该方法根据各供电片区网损大小进行首次资金分配，并建立双层模型对各线路改造方案投资分配和减排效益进行优化，最后在实际案例中验证了所提方法具有一定的工程应用价值。

1 思路分析

本文所提方法主要分为两个部分，如图1所示。

图1 思路分析

第一部分为分区投资分配。按照供电片区将配电网分区，将规模较大的问题分解为多子区并行优化问题，以提高工作效率；在改造资金有限的情况下，为提高改造工作目标性，以网损大小和子区规模为依据对各子区的资金进行约束。

第二部分建立双层模型对整体方案寻优。针对单条线路优化改造方案的下层模型嵌套在以子区改造经济性和减排效益最优为目标的上层模型中，迭代得到最优资金分配及改造方案的优选。

2 分区网损计算及资金分配

若降损总投资额为W，则各子区的首次投资金额Wa可表示为

(1)

式中a——子区编号∈[1,A]；

Sa——子区规模系数，按照该分区用电量在系统中的占比进行设置；

受到RDG接入位置及其出力的影响，系统可能出现反向潮流，馈线的潮流可能增加也可能减少，相应的会使网络损耗增加或减少。此时传统的网损计算已无法满足需求，因此采用如下步骤进行计算：

步骤1：根据季节、天气情况、工作日与节假日划分典型日；

步骤2：基于序贯蒙特卡洛法[11]对规划年典型日s中子区a各节点负荷及RDG出力进行模拟。

步骤4：计算子区a年网损

(2)

式中Ωl——子区a中馈线的集合;

ds,a——一年内子区a中典型日s的天数。

求得子区网损后结合子区规模系数得到子区资金分配结果。

3 建立双层模型

以各子区为研究对象，建立考虑改造经济性和减排效益上层模型，实现投资金额的分配及整体方案的优选；下层模型以子区内各馈线为研究对象，优化出单条馈线改造方案。上下层模型的决策变量均为改造方案的投资成本和功率损耗。

3.1 上层模型

考虑到降损投资按改造项目分类，减排效益按线路分类，因此建立上层模型具体如下

(3)

(4)

(5)

式中Ωk——改造措施k的备选集合，包括线路更换、变压器更换、无功补偿设备投资;

Ck——单项改造措施k的改造成本，总改造投资不大于分区分配资金Wa，如式(4);

ga(Ck)——子区a改造方案成本函数；

Dl——馈线l的降损值，总降损值不小于计划值Dmin，如式(5);

ha(Dl)——子区a降损值函数;

α——将节省电量折算到碳排放量的系数。

3.2 下层模型

以单条馈线的改造成本及网损成本最小为目标，对改造方案进行寻优

(6)

式中Ωj——馈线中支路集合；

cc、ccm、cl、ctr——无功补偿设备投资和维护成本、线路、变压器改造成本；

β——单位电价；

T——各设备年等效运行小时数；

ΔPj——各支路的有功损耗。

同时，下层规划模型需要满足如下约束条件：

(1)潮流方程约束

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Pi、Qi——节点i的净负荷功率；

PLj、QLj——节点i下游节点的净负荷功率。

(2)节点电压约束

Uimin≤Ui≤Uimax

(12)

式中Uimax、Uimin——节点电压上下限。

(3)线路改造约束

Iimin≤Ii≤Iimax

(13)

式中Iimax、Iimin——各支路电流上下限。

(4)变压器负载率约束

βmin≤β≤βmax

(14)

式中βmax、βmin——变压器运行负载率上下限。

(5)无功补偿设备约束

Qimin≤Qi≤Qimax

(15)

式中Qimax、Qimin——节点i处无功补偿装置最大、最小无功出力。

4 模型求解

针对所提模型，采用嵌套前推回代的遗传算法求解，求解步骤如图2。

图2 模型求解框架图

(1)首先按照第2节中的方法计算各子区网损，并结合子区规模完成资金首次分配，生成备选改造方案；

(2)根据备选方案初始化上层种群，将初始种群代入下层模型，通过前推回代优化各线路改造方案，将结果传至上层；

(3)上层模型计算适应度，若满足收敛条件，即得到最优解，输出最优改造方案；若不满足收敛条件则更新上层种群；

(4)更新后的上层种群继续代入下层模型，形成循环迭代，直至算法收敛输出最优方案。

5 算例分析

以山东电网某市10 kV含RDG配电网实例进行分析。该区域包含3个光伏电站、2个风电站，按照供电片区将配电网划分为两个子区，如图3。2025年子区1、2的年供电量将分别达到1.20亿kWh、1.52亿kWh。该市计划年节约电量90万kWh，计划降损改造资金500万元，导线、配变相关参数根据运检部门的线路台账获取，根据10 kV线路规划原则[12]进行改造。

图3 含DG配电网结构示意图

按照春夏秋冬四个季节、晴天与阴雨天、工作日与节假日组合得到各子区16类典型日，以馈线L8末端居民负荷节点四个季节的晴天节假日为例，通过蒙特卡洛模拟法及潮流计算得到净负荷估计值，如图4所示。

图4 馈线L8末端节点晴天节假日净负荷

得到各节点净负荷预测值后，通过式(2)计算得到子区1、2的网损分别为:

1 016.98 kW、1 090.18 kW，子区规模占比S1、S2分别为44.11%、55.89%，此时子区1分得改造资金W1=191.78万元，子区2分得改造资金W2=308.22万元。

在子区改造资金约束下对各馈线降损改造方案进行寻优。以子区1的4条馈线为例，依次将馈线L1～L4代入下层模型得到优化方案，整体代入上层循环迭代，最终得到最优投资方案，其效果如表1所示。可以看出各线路降损率分别为0.062 3%、0.131 4%、0.118 2%、0.132 5%，验证了本文所提方法能够有效应对RDG接入带来的复杂网损情况，并实现有效的节能降损。

区域配电网最优投资方案及减排效益见表2，将年节省电量折算至年减少碳排放量，折算系数α取0.34 kgCO2/kWh[13]。

由表1、表2分析可知，各子区在资金约束下得到的优化方案满足降损目标要求，年节省电量达到了96.13万kWh，相当于年减少326.846 t CO2的排放，有利于电网公司在碳排放交易中减少排放权购买成本或提高排放权出售收益。

表1 子区1降损效果

表2 区域配电网最优投资方案及减排效益

若对子区2追加改造投资50万，则馈线L5参与改造，年节省电量将达到105.03万kWh，CO2减排量增加30.257 t。

6 结论

本文提出的含可再生能源配电网分层分区降损方法，从配电网改造的角度实现了含源配电网的节能降损，主要结论如下：

(1)对于可再生能源并网点已知的含源配电网，通过合理改造可以有效降低配电网损耗，提高能源利用率，从而减少碳排放；

(2)本文所提方法中，分区操作将复杂问题分解为并行优化问题，增加了工作的目标性，双层模型兼顾子区与单条馈线的成本及减排效益，可迭代实现整体方案最优；

(3)该方法对电网公司节能改造工作的实施具有一定的参考价值，同时能够在碳交易环节中为电网公司争取更多的利益。