针对台区不对称源荷的综合降损方法

王俊融， 欧家祥， 张俊玮， 杨 婧， 宋 强， 邓晓璐

（1.贵州电网有限责任公司 电力科学研究院， 贵州 贵阳 550002； 2.河海大学 能源与电气学院， 江苏 南京211100）

0 引言

目前，我国配电台区存在着网架结构薄弱、线路过载、电压质量低等一些普遍问题，这些问题会造成功率的大量损耗。 配电台区中的电能损耗占到了整个电力系统电能损耗的60%以上[1]。 因此，有效降低配电台区电能损耗意义重大。

当光伏发电等接入配电网后， 传输功率的大小和方向因网络结构的改变而发生了变化， 导致配电网网损增大[2]。 一方面，由于存在大量的时空分布不均衡的单相负荷， 配电台区的负荷经过静态平衡分配后，仍将存在较大的三相不平衡现象，造成了台区供电质量下降以及损耗增加[3]，[4]；另一方面，有些配电台区运行电压偏高，造成了某些负荷设备的无用功率消耗过多[5]。

针对配电台区三相不平衡问题，文献[6]通过构建低压配电网三相负荷不平衡优化模型， 应用粒子群智能优化算法寻求最优的相序调整策略，为三相负荷调整方案提供决策支持， 但是没有考虑三相不平衡度的时变性。 文献[7]在线路上安装一定数量的相间负荷转移开关， 将这部分负荷作为调节负荷， 主控单元采集台区三相负荷情况并进行三相不平衡度分析， 根据相间负荷转移开关的相位及负荷情况给出最优三相负荷转移调节策略。 对于配电台区运行电压的控制问题，文献[8]以优化模型的目标函数为最小化配电网的网损，并以各个节点电压的上下限和无功补偿点补偿容量的上下限为约束条件。 文献[9]以网损最小、电压偏移量最小为目标函数，得到Pareto 最优解。文献[10]提出了一种考虑配电网网损、电压偏差以及电压稳定的多目标无功优化模型, 并采用量子粒子群算法进行求解。 以上研究方法都只是针对降低网损。

本文针对目前配电台区的主要运行特点，考虑了负荷不平衡度的时变性以及切换装置布点对补偿效果的影响，并针对降低负荷设备的无用功率消耗，研究了一种综合节能降损控制策略。在三相功率平衡切换的基础上，综合调节变压器分接头和补偿电容器的投切。 一方面，平衡三相电流，降低了损耗；另一方面，减少无用功率消耗，节约了能源。

1 综合节能降损技术研究

1.1 三相平衡措施降低网损

本文首先通过分析运行状态而进行动态平衡调整，确定切换装置的布点位置。该技术提出了一种实用的配电台区三相不平衡切换装置的优化布点方案，通过分析历史数据，依次找出最灵敏的切换点，隔离该点以后继续搜寻下一个最灵敏点，形成包含若干个动态切换点的整体布点优化方案。随后提出并研究了相应的动态平衡控制方法。 最终得到包含若干个动态切换点的整体布点优化方案，以及相应的动态平衡控制方法，既考虑了负荷不平衡度的时变性， 又考虑了切换装置布点对补偿效果的影响。 该技术是从整体上对配电台区下的A，B，C 三相进行平衡，而忽略每个节点下电力用户的具体信息，最终达到整体三相平衡的效果，有效减小中线上的电流， 降低线路和变压器的损耗，达到配电台区降损的目的。

设定以下的目标方程：

其中：

式中：下标 1，2，3 分别为用电高峰、平峰、低谷时段；c1，c2，c3分别为高峰、平峰、低谷时段的影响比重权重；i 为负荷节点编号；n 为负荷节点总数；分别为用电高峰、平峰、低谷时段的每相功率与平均功率之差的平方和；P1ai，P2ai，P3ai分别为选点i 经过切换装置换相后在高峰、平峰、低谷时段的 A 相功率；P1bi，P2bi，P3bi分别为选点 i 经过切换装置换相后在高峰、 平峰、 低谷时段的B相功率；P1ci，P2ci，P3ci分别为选点 i 经过切换装置换相后在高峰、平峰、低谷时段的 C 相功率分别为选点i 在高峰、 平峰和低谷时段的平均功率。

1.2 优化电压降低无用功耗

优化电压控制的节能技术主要针对降低负荷设备的无用功率消耗。 该技术提出了一种综合调节配电变压器分接头和补偿电容器投切的方法，在保证电能质量的前提下， 根据负荷特性进行最佳电压控制，降低负荷设备的无用功率消耗。以大方式下的电压标幺值偏差值为优化目标， 寻找最佳无功补偿电容配置点和容量、 变压器分接头位置。 通过该技术对配电台区运行电压进行优化控制， 既不会对电力电子负荷设备和传统负荷设备造成功率消耗的过多变化， 又能够有效降低高耗能负荷设备的无用功率消耗， 从而达到配电台区节能的目的。

其目标函数为

式中：Ui为每个节点的电压标幺值；Uimin为每个节点的电压下限标幺值， 可以根据每个节点的线路损耗特性和负荷静态电压特性的权重进行设置；△P0，△Pk，△PL分别为配电变压器的铁损变化值、铜损变化值、线路损耗变化值。

1.3 综合节能降损技术

基于上述两种技术，并结合两种技术的特点，综合节能降损技术的简化流程如图1 所示。 其总体流程如下：首先运用基于三相平衡的降损技术，得到切换装置优化布点方案以及分时段控制策略；在此基础上进行动态操作，并以此时的配电台区进行下一个计算， 根据基于最佳电压控制的节能技术得到变压器分接头位置、 补偿点位置及补偿容量；最终给出包括切换装置、调整变压器分接头位置以及补偿电容器投切的动态控制策略。

图1 综合节能降损技术的简化流程图Fig.1 Simplified flow chart of comprehensive energy saving and loss reduction technology

2 仿真验证

2.1 仿真平台及仿真场景

本文根据某实际配电台区的基场低压图绘制简化的配电台区节点示意图， 由于某些节点上不能安装设备，因此对这些节点进行了简化合并，最终的单相简化示意图如图2 所示。 基于MATLAB仿真平台，采集并统计配电台区的数据，调用根据前述技术所编写的程序， 对配电台区进行仿真研究。

图2 实际配电台区单相简化示意图Fig.2 Simplified schematic diagram of actual distribution network

2.2 采用三相平衡措施降低网损

本文取某日用电高峰时段的三相功率数据进行计算， 求解得到该时刻的优化布点方案及其相应的动态控制策略，如表1 所示。

表1 选点编号及其控制方式Table 1 Point number and its control method

表中：保持 A 相不变，B 相和 C 相互换，控制方式为 1； 保持 B 相不变，A 相和 C 相互换, 控制方式为 2； 保持 C 相不变，A 相和 B 相互换，控制方式为3；顺方向切换，即 A 相切换到B 相，B相切换到C 相，C 相切换到A 相， 控制方式为4；逆方向切换， 即C 相切换到B 相，B 相切换到A相，A 相切换到 C 相，控制方式为 5。 按照表1 对其进行仿真，得到切换前后各支路的三相电流，如图3 所示。

图3 高峰时段切换前后各支路电流Fig.3 Current of each branch before and after switching in peak period

从图3 中可以看出， 切换前三相电流的数值差异较大，切换后三相电流基本相等。 切换前、后线路损耗分别为11.63 kW，11.25 kW。 通过切换操作，降低了线路和变压器的功率损耗。

2.3 优化电压措施降低无用功耗

调整过三相功率的配电台区已处于三相平衡运行状态， 针对处于该状态下的配电台区数据进行计算， 得到此时变压器分接头的位置为UN-2×2.5%，高峰时段补偿点位置及补偿容量见表2。

表2 高峰时段补偿点位置及补偿容量Table 2 Location and capacity of compensation point in peak period

按照表2 进行仿真， 得到高峰时段控制前后的节点电压，如图4 所示。

图4 高峰时段控制前后节点电压Fig.4 Node voltage before and after peak period control

经进一步计算，可以得到控制前后的网损、负荷功率以及节能量，如表3 所示。

表3 高峰时段控制前后的网损、功率及节能量Table 3 Network loss， power and energy saving before and after peak period control kW

从表中可以看出， 虽然控制后的网损有所增加，但是降低了更多的无用功率消耗。 总体而言，减少了配电台区的功率消耗， 达到了配电台区的节能效果。

2.4 综合优化效果

本文基于三相平衡的降损技术和最佳电压控制的节能技术， 按照不同时刻所获取的配电台区数据，对其进行动态控制和仿真，验证该综合技术的节能降损效果。

选取图2 实际配电台区的 8：00-10：00 进行仿真验证，并按照选点编号布置切换开关位置，每隔2 h 进行一次操作。 得到各个时刻切换开关位置、控制方式、变压器分接头位置、补偿点位置及补偿容量，分别如表4～6 所示。

表4 装置布点编号及各时刻控制方式Table 4 Device layout number and control mode at each time

表5 各时刻分接头位置及是否动作Table 5 Position and action of the taps at all times

表6 动作时刻补偿位置及补偿容量Table 6 Compensation position and compensation capacity

①8：00

此时变压器分接头位置如表5 所示， 各节点电压处于有效负荷所需的电压范围内， 因此不需要投切补偿电容器。按照表4 进行切换操作，切换前后的各支路三相电流和控制前后的各节点电压如图5 所示。

图5 8：00 切换前后的支路电流和节点电压Fig.5 Branch current and node voltage before and after the switch at 8：00

②10：00

此时变压器分接头位置、 补偿点位置及补偿容量如表5 所示。按照表4 进行切换操作，切换前后的各支路三相电流和控制前后的各节点电压如图6 所示。

图6 10：00 切换前后的支路电流和节点电压Fig.6 Branch current and node voltage before and after the switch at 10：00

8：00 和 10：00 切换前后的线路损耗及功率消耗如表7 所示。

综上， 配电台区的节能降损综合技术可以根据每个时刻采集的数据进行动态的三相功率切换和最佳电压控制。通过仿真可以看出，该综合技术既可以使各支路三相电流基本相等， 又可以在保证电压质量的前提下降低高耗能设备的运行电压。虽然进行控制后线路损耗稍微有所增加，但是功率消耗减少的更为明显， 总体来看降低了整个配电台区的功率消耗。

表7 各时刻切换前后的线路损耗及功率消耗Table 7 Line loss and power consumption before and after switching kW

3 结论

本文对基于三相平衡的降损技术和基于最佳电压控制的节能技术分别进行仿真， 验证各自的降损效果与节能效果。 按照不同时刻对配电台区进行综合仿真， 证明了该综合技术可以动态地进行三相功率切换和最佳电压控制， 不仅使台区达到三相平衡的运行状态，减小了中线上的电流，降低了线路和变压器的损耗， 而且在保证电压质量的前提下合理切换变压器分接头位置， 适当降低台区下高耗能设备的运行电压， 减少了无用功率消耗，达到了配电台区节能降损的目的。