基于配电网最大负荷供应能力进行煤改电分析

李松蕊，杨志，陈国峰，陈 高，杨建蒙，万豪

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650000）

0 前言

随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，我国环境污染日趋严重，温室气体减排压力巨大。近几年来，我国遭遇了大范围的雾霾天气，特别是在冬季供暖期，部分北方城市达到重度污染，严重影响了人民群众生产生活和生命健康。党和政府高度重视节能减排工作，2013 年国务院颁布了《大气污染防治行动计划》，同年环境保护部、国家发改委等六部委颁布了《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》，明确提出了大气污染治理方针和措施。目前，已初步明确2016—2017 年在京津冀区域开展煤改电工程。党的十九大报告提出“积极参与全球环境治理，落实减排承诺”为全球生态安全做出贡献。煤改电负荷的接入会对电网带来负荷大幅且不均衡增长、电网峰谷差加大等影响。

文献[1]总结和分析了京津冀燃煤污染治理方面的主要做法和成效，指出散煤治理工作中存在的一些制约问题。文献[2]介绍小微企业煤改电的情况。文献[3]以北方某地区的农村配电网为例，提出了规划与改造的基本思路和方法，给出了规划电采暖的用电负荷和评价指标。

配电网最大供电能力是指在配电网中任意设备均不过负荷条件下，网络所能供应的最大负荷。一般可从2 种角度来定义和评价配电网最大供电能力，一是“基于主变互联、满足N-1准则和实际约束”的区域最大供电能力（total supply capability，TSC）[4-5]；另一是“基于当前实际配电网结构和负荷分布”的最大负荷供应能力（load supplying capability，LSC），下文均用LSC 代替表达。目前，大多数文献对配电网最大供电能力的研究主要集中在TSC 这一层面，并提出了具体求解的模型[6-8]及相关指标的定义[6-7]，该层面的方法可以在负荷未知条件下计算满足N-1 安全约束的配电网最大供电负荷，从整体上把握区域供电能力，但其对局部网络（具体到每条馈线）最大供电能力的求解并不是基于现有负荷分布和实际配电网结构，不能真实反映最大供电能力大小。而LSC 是从负荷角度反应配电网供电能力是否充足，可作为衡量网络静态安全裕度的指标，能确定性分析当前局部网络的最大供电能力，然后通过叠加得出该区域综合最大供电能力。

本文利用LSC 瓶颈进行煤改电工程试点，研究在不改变原有网架的情况下，保证系统供电可靠性，计算可以再接入系统的最大负荷，利用其衡量煤改电改造的规模大小，此项研究对指导现有以燃煤取暖的居民区进行煤改电工程具有重要意义。

1 LSC计算

1.1 LSC概述

LSC 是指设备均不过载，各节点电压均不越限的条件下网络所供应的最大负荷[8]。

常见求解LSC 方法有内点法、尝试法以及最大负荷倍数法等[9-14],但其精度不高。本文的LSC 模型引入文献[13-14] 提出的改进的负荷倍数法。该方法计及了电压和支路功率约束对LSC 的影响，由于结合了当前实际配电网结构和负荷值，相对于其他模型比较精确。

1.2 LSC的模型

供电能力模型以LSC 为目标函数，以节点电压和支路功率为约束条件。本文利用变步长法求取配电网的LSC[12]。需要配电网的结构和各节点的负荷值等原始数据。

目标函数：

式（1）中，LSCk为k时刻系统的最大负荷供应能力，Load0ik为i节点k时刻的初始负荷；rik为i负荷节点k时刻增长倍数，n为负荷节点的数量。

约束条件包括：

电压约束：

式（2）中Uik、Uik.min、Uik.max分别为i节点k时刻的电压及上下限。

馈线功率约束：

式（3）中Bmn、Bmn.max分别为负荷节点m到负荷节点n馈线的潮流及馈线容量。

电源容量约束：

式（4）中S0为电源容量，B0m.max为电源0到负荷节点m的馈线容量，以本文IEEE 33 节点为基础，则S0≥B01m.max。在本文中电源容量大于电源到负荷节点1 的馈线容量。

1.3 LSC的求解

LSC 求解过程由以下4 步构成。

①输入初始负荷，负荷增长倍数以及精度。

②对初始状态进行潮流计算，判断得到各节点馈线的潮流、电压是否收敛。

③如果满足约束，以初始负荷为基准值，为各负荷节点增长倍数，考虑负荷增长。

④对③的负荷值进行潮流计算。若满足条件，重复②至③步骤。若不满足要求，则增长倍数减半。并重复②至③步骤；满足精度要求时，得到该配电网的最大供电功率。

综上所述，LSC 计算流程图如图1 所示。

图1 配电网LSC求解流程

1.4 负荷裕度分析

利用负荷裕度分析，根据冬季供暖期间典型日的日负荷曲线数据，利用负荷裕度αk选择哪个时刻为依据进行研究，αk的负荷裕度定义为：

式（5）中：煤改电前LSCk为k时刻的LSC，煤改电前Sk为k时刻为用电负荷值。

计算配电网各时刻的负荷裕度后，采用负荷裕度排序的方法来选择负荷裕度最小的时刻点为依据进行煤改电工程改造。

1.5 煤改电最大负荷供应能力瓶颈模型

煤改电最大负荷供应能力瓶颈模型以负荷节点再接入有功功率Mi为变量，LSC 为约束条件，系统的用电负荷Sk为目标函数。以此获知煤改电配电网最大供应能力的瓶颈。同时，需要考虑负荷自然增长率，在本文中，负荷采取按等比例等功率因数方式增长的方案。

目标函数：

式（6）中，Sk为k时刻系统的用电负荷，Pik为i节点k时刻的有功功率；Qik为i节点k时刻无功功率；n为负荷节点的数量。Mi为i负荷节点煤改电工程接入系统的有功功率。

约束条件：

式（7）中变量与上述（6）中一致。式（8）中Pik0为煤改电前i节点k时刻的初始有功功率。a为负荷自然增长率，y为煤改电工程规划年限。

2 指导煤改电工程选址和规模的步骤

利用本文思路指导煤改电的选址和规模基于LSC 计算方法，煤改电工程一般步骤（如图2 所示）可概括如下：

图2 煤改电工程流程

1）考虑用电负荷的自然增长率，进行负荷预测，计算配电网的用电负荷。

2）计算预测负荷网络的LSC。

3）计算预测负荷网络的负荷裕度。

4）选择负荷裕度最小的时刻为依据进行研究，当系统满足最小负荷裕度时系统又接入系统的有功功率，根据有功功率决定煤改电工程的规模，进而选择取暖器的类型。

3 算例分析

本文以IEEE 33 节点系统为基础进行仿真分析，电网结构如图3 所示。本算例仿真设计各负荷节点的冬季供暖典型日负荷曲线，节点0为电源节点，其余32 个节点为负荷节点。首先，对单一负荷节点进行煤改电工程改造，分析各个节点能够接入的最大有功功率使LSC 达到瓶颈。随后随机对多个节点进行改造，同时LSC达到瓶颈，保证煤改电的规模最大化。

图3 IEEE 33节点系统

3.1 煤改电前系统的LSC和用电负荷

算例中系统33 节点煤改电前系统各时刻的用电负荷见表1。

表1 煤改电前系统各时刻的用电负荷

3.2 LSC、煤改电后预测用电负荷、LSC及负荷裕度的计算

以短期规划5 年为期，系统的有功功率增长率为2%，算例中系统各负荷节点初始增长步长取1、e 取0.001，根据1.2 和1.5 中的求解方法，33 节点煤改电前系统预测各时刻的用电负荷和LSC 见表2 和表3。

表2 煤改电前系统预测各时刻的用电负荷

表3 煤改电后系统预测各时刻的LSC

经过表2 数据对比12:00 和20:00 为用电高峰，凌晨3:00 为用电低谷。如图4 所示12:00和20:00 的负荷裕度最小，凌晨3:00 负荷裕度最大。只要满足用电高峰时的负荷裕度，则其他时刻的负荷裕度都会大于用电高峰时的负荷裕度，则不会出现电压、功率越限情况。综合考虑居民冬季取暖的实际情况，晚上为居民供暖用电高峰，因此选择20：00 的数据为依据研究煤改电的工程改造规模。

图4 煤改电后系统24h负荷裕度

3.3 单一负荷节点煤改电改造对LSC的研究

规划以短期规划5 年为期，当LSC 达到瓶颈时，用电负荷与LSC 相等，根据2.2 中模型可以得到煤改电工程试点后每个负荷节点再接入负荷最大有功功率，如表4 所示。我们可以根据最大有功功率接入量来进行煤改电工程的规划和改造。

表4 系统到达瓶颈时各节点的煤改电工程接入有功功率

3.4 随机多个负荷节点煤改电工程改造对LSC的研究

根据某地区要求，需要改造负荷节点30、31 和32 同时进行煤改电工程试点。满足电源容量、节点电压和馈线容量等约束条件，使得3个负荷节点改造的有功功率之和最大，系统的用电负荷达到最大。此时3 个节点分别接入和248 kW、0 kW 和0 kW。此时系统的LSC 和用电负荷如图5 所示。

图5 30、31、32负荷节点煤改电用电负荷和LSC图

4 结束语

本文中以IEEE 33 节点系统再接入有功功率为变量，LSC 为约束，用电负荷为目标函数，依据求解的来制定煤改电工程规模的规划方案。

本文的研究只是针对较少数量、随机位置的负荷节点进行研究，但是在实际煤改电改造规划中要响应政府政策，还需要考虑负荷节点的重要性和众多负荷节点的协同作用等条件。此时，变量的数目会增加，计算过程会更加复杂。在接下来的工作中，还需要从多方面考虑煤改电工程给系统带来的影响，如煤改电工程试点位置的选取等。用电负荷提高的同时LSC 会下降，可以选择在负荷侧安装分布式电源或者储能装置来提高LSC。