考虑供电能力的智能配电网节能动态降损方法探析
2023-11-10陈朝阳陈麒宇
陈朝阳， 陈麒宇
（1.国网湖北省电力有限公司老河口市供电公司， 湖北 老河口 441800；2.国网襄阳供电公司变电运检分公司， 湖北 襄阳 441100）
0 引言
智能配电网是指利用先进的通信、计算、控制等技术实现对电网各种资源的智能调度、优化配置和有效管理的电网系统[1]。然而，智能配电网在应对复杂多变的负荷和运行环境时，仍然存在能耗高、损耗大的问题。智能配电网节能动态降损方法基于供电能力裕度，采用智能算法进行动态优化，实现智能配电网的节能降损，降低供电成本。
1 考虑供电能力的配电网节能动态降损方法
1.1 智能配电网最大供电能力裕度影响因素分析
为提高智能配电网的供电能力裕度，需分析其影响因素并制定节能动态降损方法。
1.1.1 负载变化
智能配电网最大供电能力裕度的影响因素有很多，例如网络拓扑结构、负载变化、电能质量、设备状态等。其中，负载变化是影响智能配电网最大供电能力裕度的重要因素之一。因为负载变化会引起电网各种资源的变化，例如电压、电流、功率等，从而对电网的供电能力裕度产生影响。
1.1.2 最大供电能力裕度
为确定智能配电网最大供电能力裕度，需考虑各种因素的综合作用。可通过模型仿真、实验验证等方法来确定智能配电网的最大供电能力裕度。例如，可采用基于概率分布函数的模型计算负载变化对智能配电网供电能力裕度的影响[2]。
1.1.3 降损约束条件
为实现智能配电网的节能降损，需设置智能配电网的降损约束条件。约束条件包括最大线损、最大电压偏差等。在设置这些约束条件时，需综合考虑电网的可靠性、稳定性和经济性等因素。
1.1.4 智能算法选择
为实施智能配电网节能降损动态机制，可采用基于智能算法的方法。例如，采用遗传算法、粒子群算法等智能算法来实现智能配电网的优化调度和控制。这些算法可以通过实时监测和控制电网的各种参数来实现电网的节能降损，提高电网的供电能力裕度和运行效率。
1.2 确定智能配电网最大供电能力裕度
计算智能配电网最大供电能力裕度的步骤[3]。
1.2.1 确定潮流计算模型
智能配电网最大供电能力裕度的计算需要进行潮流计算，需要确定潮流计算模型，包括网络拓扑结构、负载模型、发电机模型等。
1.2.2 进行潮流计算
根据潮流计算模型，进行潮流计算，得到网络中各节点的电压、相角等参数，以及各线路的潮流。
1.2.3 确定最大供电能力裕度
最大供电能力裕度是指系统中各元件（包括线路、变压器等）在满足一定的限制条件下，可以承受的最大负荷与实际负荷之比。最大供电能力裕度的计算需要满足下列约束条件：
1）电压限制：各节点电压不能超过其允许的范围；
2）线路限制：各线路潮流不能超过其额定容量；
3）变压器限制：各变压器容量不能超过其额定容量。
最大供电能力裕度的计算公式为：
式中：s为最大供电能力裕度；Pmax为系统的最大负荷；P为实际负荷。
1.2.4 确定优化目标函数
计算最大供电能力裕度时，需考虑优化目标函数，使计算结果更准确[4]。优化目标函数包括以下方面：
1）线损最小化：合理调整配电网中各线路的负载分配，使系统中线损最小化；
2）电压平衡：保证系统中各节点的电压尽可能平衡；
3）变压器利用率最大化：合理利用变压器容量，使系统中变压器利用率最大化。
1.2.5 进行优化计算
根据以上分析，建立智能配电网最大供电能力裕度优化模型，并进行优化计算。常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。通过不断调整各元件的负载分配，得到最优解，即智能配电网最大供电能力裕度的计算结果。
1.3 设置智能配电网降损约束条件
智能配电网的负荷可通过最大负荷、一般负荷和最小负荷来表征。设置智能配电网降损约束条件时，需考虑三种负荷的影响。
1.3.1 最大负荷约束条件
最大负荷指配电网负荷达到峰值时的负荷水平。智能配电网的运行过程中，需设置最大负荷约束条件，以确保配电网在峰值负荷下的稳定运行。公式计算为：
式中：Pmax为整个电力系统最大负荷容量；n为电力系统中元件数量。
这个约束条件的目的是确保智能配电网在优化降损的同时，不超过系统的最大负荷容量，避免因负荷过大导致的供电故障。
1.3.2 一般负荷约束条件
一般负荷是配电网在日常运行过程中的负荷水平。智能配电网的运行过程中，需设置一般负荷约束条件，以确保配电网在日常负荷情况下的稳定运行。计算公式为：
式中：n为节点数量；Pi为第i个节点负荷功率；Pmax为最大负荷限制。
1.3.3 最小负荷约束条件
最小负荷指配电网在最小负荷情况下负荷水平。智能配电网的运行过程中，需设置最小负荷约束条件，以确保配电网在最小负荷情况下的稳定运行。计算公式为：
式中：Pmin为智能配电网中所有节点的最小负荷之和；Pimin为第i个节点的最小负荷。
1.3.4 负荷比重
三种负荷在配电网中的运行时间段及比重因地域、季节等因素的不同而不同，需根据实际情况确定每种负荷在降损时间段内的比重。一般情况下，最大负荷占比较小，一般负荷占比较大，最小负荷占比较小，例如最大负荷占比为5%，一般负荷占比为80%，最小负荷占比为15%。这些比例可根据实际情况调整。
1.4 实施智能配电网节能降损动态机制
智能配电网的节能降损动态机制包括了自耦变压器动态调节机制、低压电子快速开关调节机制和微机控制器动态调节机制[5]。
1.4.1 自耦变压器动态调节机制
自耦变压器动态调节机制是智能配电网节能降损动态机制的一种实施方式。在自耦变压器动态调节机制中，将配电网所能承受的电压划分为不同等级，分别设置不同比例的变压器输出。通过改进措施适应额定电压条件下配电网长期运行环境，实现对不同负荷水平下配电网的动态降损。通过自耦变压器动态调节机制，能够实现对配电网电压的精细调节，进而减少配电网中电压波动对降损效果的影响。此外，自耦变压器动态调节机制还能够有效降低配电网的电阻值，从而降低电网的损耗，提高配电网的运行效率。
1.4.2 低压电子快速开关调节机制
当前配电网中普遍使用的是额定高压的电气装置，可利用其开关调节的方式，设计更适应智能配电网降损的机制，以减少降损时并联可控硅的产生。具体来说，通过对单个触发装置的交流开关进行调节，将一级切换时间规定在0.086~0.125 s 范围内。在降损过程中，将双向可控硅的使用通过单相开关控制电容装置的通电作业，实现对充电和放电时间的控制，能够有效地降低智能配电网在降损过程中的能量损失。此外，还可以通过动态切换的方式对电阻值进行控制，以减少配电网运行过程中电压、电流的瞬时损失，避免变压装置使用时出现短路的现象。这种机制能够在配电网出现故障时减少不必要的能源浪费，实现降损动作的及时性。
1.4.3 微机控制器动态调节机制
微机控制器动态调节机制可以实现对降损过程中各项参数的动态调节和控制，达到最佳节能降损效果。在该机制中，采用DSO 芯片作为外围电路的辅助工具，通过DSP 芯片提供的高速计算和精确控制能力，实现对配电网的自动化控制。同时，微机控制器还可以利用人工智能算法对电网进行优化调整，实现更高效的降损效果。实际应用中，微机控制器动态调节机制可根据配电网的实际运行规模和能承受的供电能力，自动调节降损的时间和程度，并对配电网运行过程中的异常情况进行自动监测和处理，确保配电网的正常运行和节能降损效果的最大化。
2 仿真试验及结果分析
2.1 试验算例
试验采用IEE-200-28 节点配电系统作为试验算例。该系统由28 个节点组成，包含4 个传统发电机和4 个分布式电源。选择其中一个分布式电源进行研究和分析。该分布式电源的主要参数为：容量5.5 kW，电压等级220 V，短路容量0.8 kA。
2.2 试验条件
试验的仿真软件为MATLAB Simulink，计算机硬件环境为Intel Core i7 CPU 和16GB 内存。试验的软件运行环境为Windows 10 操作系统。
2.3 试验方法
采用两种降损方法进行对比分析。第一种方法是传统的降损方法，第二种方法是基于智能配电网的降损方法。比较两种方法在不同负载条件下的降损效果。
2.4 试验结果对比分析和讨论
在本试验中，采用以下参数对比两种降损方法的效果：
1）负载变化：在每个负载水平下，系统负载在5 s内以10%的速率从初始值增加到最终值。
2）负载水平：系统的负载水平分别为20%、40%、60%和80%。
3）降损方法：传统的降损方法和基于智能配电网的降损方法。
表1 列出了两种方法在不同负载条件下的降损效果。
表1 两种降损方法结果比较
根据表1，在不同负载条件下，智能配电网降损方法均比传统降损方法具有更好的降损效果。在20%的负载水平下，智能配电网降损方法的降损效果比传统降损方法高出1.9%。随负载水平的增加，智能配电网降损方法的优势越明显，在80%的负载水平下降损效果比传统方法高出11.2%。此外，在负载水平为40%时，两种降损方法的效果差异较小，智能配电网降损方法仅比传统降损方法高出0.2%。这可能是由于负载水平处于中等水平，传统降损方法已经具有一定的优化效果，而智能配电网降损方法的优化效果并未完全发挥。
智能配电网降损方法在不同负载水平下均具有较好的降损效果，尤其在高负载水平下，优势更加明显。这表明智能配电网降损方法可有效提高配电网的能源利用效率，减少能源损耗。
3 结论
提出了一种考虑供电能力的智能配电网节能动态降损方法。该方法采用了智能感知技术、负荷预测技术和负荷优化控制技术，并结合传统降损方法进行对比分析。仿真试验结果表明，相比传统降损方法，该方法在不同负载水平下均能实现更优的降损效果，并且能够更好地保障配电网的供电能力。因此，该方法在实际配电网运行中具有较好的应用前景。
