低碳背景下含可再生能源配電網降損研究

楊昊天，張仰飛，賴仕達，陳光宇

(1.南京工程學院，江蘇 南京 211167; 2.國網福建省電力有限公司三明供電公司，福建 三明 365000)

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，電力行業作為主要碳排放源之一，肩負了重要的節能減排任務[1]。另外，短期內提高能源利用率，降低配電網損耗是減少碳排放的主要途徑[2]。因此研究含源配電網降損方法對節能減排具有重要意義。

分布式可再生能源(Renewable Distributed Energy,RDG)的使用可以減少火電廠傳統化石燃料的使用，然而RDG接入對配電網網損產生了影響[3-4]，使配電網的網損現狀變得復雜。目前，國內外已有一些學者針對含源配電網節能降損提出了有效的方法。文獻[5-6]考慮了RDG選址定容對網損的影響，通過優化RDG選址定容實現降低網損的目標；文獻[7-8]分別考慮了電壓和源荷的不確定性，并從含源配電網運行的角度，對低碳調度方法進行了研究；文獻[9]在調度策略中充分利用了需求側資源，讓主動配電網參與系統碳排放管理；文獻[10]在負荷數據不全的情況下，通過優化RDG的出力達到降低網損的效果。以上研究均取得了較好的效果，但是從配電網降損改造角度進行的研究較少，而對含源配電網改造具有較大的節能降損潛力。

因此基于現有研究，提出了一種分層分區降損方法。該方法根據各供電片區網損大小進行首次資金分配，并建立雙層模型對各線路改造方案投資分配和減排效益進行優化，最后在實際案例中驗證了所提方法具有一定的工程應用價值。

1 思路分析

本文所提方法主要分為兩個部分，如圖1所示。

圖1 思路分析

第一部分為分區投資分配。按照供電片區將配電網分區，將規模較大的問題分解為多子區并行優化問題，以提高工作效率；在改造資金有限的情況下，為提高改造工作目標性，以網損大小和子區規模為依據對各子區的資金進行約束。

第二部分建立雙層模型對整體方案尋優。針對單條線路優化改造方案的下層模型嵌套在以子區改造經濟性和減排效益最優為目標的上層模型中，迭代得到最優資金分配及改造方案的優選。

2 分區網損計算及資金分配

若降損總投資額為W，則各子區的首次投資金額Wa可表示為

(1)

式中a——子區編號∈[1,A]；

Sa——子區規模系數，按照該分區用電量在系統中的占比進行設置；

受到RDG接入位置及其出力的影響，系統可能出現反向潮流，饋線的潮流可能增加也可能減少，相應的會使網絡損耗增加或減少。此時傳統的網損計算已無法滿足需求，因此采用如下步驟進行計算：

步驟1：根據季節、天氣情況、工作日與節假日劃分典型日；

步驟2：基于序貫蒙特卡洛法[11]對規劃年典型日s中子區a各節點負荷及RDG出力進行模擬。

步驟4：計算子區a年網損

(2)

式中Ωl——子區a中饋線的集合;

ds,a——一年內子區a中典型日s的天數。

求得子區網損后結合子區規模系數得到子區資金分配結果。

3 建立雙層模型

以各子區為研究對象，建立考慮改造經濟性和減排效益上層模型，實現投資金額的分配及整體方案的優選；下層模型以子區內各饋線為研究對象，優化出單條饋線改造方案。上下層模型的決策變量均為改造方案的投資成本和功率損耗。

3.1 上層模型

考慮到降損投資按改造項目分類，減排效益按線路分類，因此建立上層模型具體如下

(3)

(4)

(5)

式中Ωk——改造措施k的備選集合，包括線路更換、變壓器更換、無功補償設備投資;

Ck——單項改造措施k的改造成本，總改造投資不大于分區分配資金Wa，如式(4);

ga(Ck)——子區a改造方案成本函數；

Dl——饋線l的降損值，總降損值不小于計劃值Dmin，如式(5);

ha(Dl)——子區a降損值函數;

α——將節省電量折算到碳排放量的系數。

3.2 下層模型

以單條饋線的改造成本及網損成本最小為目標，對改造方案進行尋優

(6)

式中Ωj——饋線中支路集合；

cc、ccm、cl、ctr——無功補償設備投資和維護成本、線路、變壓器改造成本；

β——單位電價；

T——各設備年等效運行小時數；

ΔPj——各支路的有功損耗。

同時，下層規劃模型需要滿足如下約束條件：

(1)潮流方程約束

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中Pi、Qi——節點i的凈負荷功率；

PLj、QLj——節點i下游節點的凈負荷功率。

(2)節點電壓約束

Uimin≤Ui≤Uimax

(12)

式中Uimax、Uimin——節點電壓上下限。

(3)線路改造約束

Iimin≤Ii≤Iimax

(13)

式中Iimax、Iimin——各支路電流上下限。

(4)變壓器負載率約束

βmin≤β≤βmax

(14)

式中βmax、βmin——變壓器運行負載率上下限。

(5)無功補償設備約束

Qimin≤Qi≤Qimax

(15)

式中Qimax、Qimin——節點i處無功補償裝置最大、最小無功出力。

4 模型求解

針對所提模型，采用嵌套前推回代的遺傳算法求解，求解步驟如圖2。

圖2 模型求解框架圖

(1)首先按照第2節中的方法計算各子區網損，并結合子區規模完成資金首次分配，生成備選改造方案；

(2)根據備選方案初始化上層種群，將初始種群代入下層模型，通過前推回代優化各線路改造方案，將結果傳至上層；

(3)上層模型計算適應度，若滿足收斂條件，即得到最優解，輸出最優改造方案；若不滿足收斂條件則更新上層種群；

(4)更新后的上層種群繼續代入下層模型，形成循環迭代，直至算法收斂輸出最優方案。

5 算例分析

以山東電網某市10 kV含RDG配電網實例進行分析。該區域包含3個光伏電站、2個風電站，按照供電片區將配電網劃分為兩個子區，如圖3。2025年子區1、2的年供電量將分別達到1.20億kWh、1.52億kWh。該市計劃年節約電量90萬kWh，計劃降損改造資金500萬元，導線、配變相關參數根據運檢部門的線路臺賬獲取，根據10 kV線路規劃原則[12]進行改造。

圖3 含DG配電網結構示意圖

按照春夏秋冬四個季節、晴天與陰雨天、工作日與節假日組合得到各子區16類典型日，以饋線L8末端居民負荷節點四個季節的晴天節假日為例，通過蒙特卡洛模擬法及潮流計算得到凈負荷估計值，如圖4所示。

圖4 饋線L8末端節點晴天節假日凈負荷

得到各節點凈負荷預測值后，通過式(2)計算得到子區1、2的網損分別為:

1 016.98 kW、1 090.18 kW，子區規模占比S1、S2分別為44.11%、55.89%，此時子區1分得改造資金W1=191.78萬元，子區2分得改造資金W2=308.22萬元。

在子區改造資金約束下對各饋線降損改造方案進行尋優。以子區1的4條饋線為例，依次將饋線L1～L4代入下層模型得到優化方案，整體代入上層循環迭代，最終得到最優投資方案，其效果如表1所示?？梢钥闯龈骶€路降損率分別為0.062 3%、0.131 4%、0.118 2%、0.132 5%，驗證了本文所提方法能夠有效應對RDG接入帶來的復雜網損情況，并實現有效的節能降損。

區域配電網最優投資方案及減排效益見表2，將年節省電量折算至年減少碳排放量，折算系數α取0.34 kgCO2/kWh[13]。

由表1、表2分析可知，各子區在資金約束下得到的優化方案滿足降損目標要求，年節省電量達到了96.13萬kWh，相當于年減少326.846 t CO2的排放，有利于電網公司在碳排放交易中減少排放權購買成本或提高排放權出售收益。

表1 子區1降損效果

表2 區域配電網最優投資方案及減排效益

若對子區2追加改造投資50萬，則饋線L5參與改造，年節省電量將達到105.03萬kWh，CO2減排量增加30.257 t。

6 結論

本文提出的含可再生能源配電網分層分區降損方法，從配電網改造的角度實現了含源配電網的節能降損，主要結論如下：

(1)對于可再生能源并網點已知的含源配電網，通過合理改造可以有效降低配電網損耗，提高能源利用率，從而減少碳排放；

(2)本文所提方法中，分區操作將復雜問題分解為并行優化問題，增加了工作的目標性，雙層模型兼顧子區與單條饋線的成本及減排效益，可迭代實現整體方案最優；

(3)該方法對電網公司節能改造工作的實施具有一定的參考價值，同時能夠在碳交易環節中為電網公司爭取更多的利益。