計及低碳效益的配電網(wǎng)降損方案組合優(yōu)選模型

王雅妮，鄭 濤，史艷剛

(西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710000)

0 引言

當前關(guān)于配電網(wǎng)降損潛力評估方法的研究集中在評估某個單項降損措施的節(jié)能潛力，沒有考慮到各單個具體降損措施之間的耦合關(guān)系，沒有對比各降損組合措施的潛力大小，也沒有綜合考慮用節(jié)電量以外其他如投資回收期等經(jīng)濟收益指標和電壓質(zhì)量等電網(wǎng)指標，所以對于不同負荷密度下的供電區(qū)域并沒有普遍適用性，評價方法的實用性也亟待提高。

文獻[1]提出了基于線損建模灰關(guān)聯(lián)預測的單因素節(jié)能潛力評估方法和基于配電線路抽樣分析并統(tǒng)計的綜合節(jié)能潛力評估方法，并建立以綜合節(jié)能效益最大為目標的改造規(guī)劃數(shù)學模型；但是基于灰關(guān)聯(lián)的單因素評估方法不能從物理本質(zhì)上描述配電網(wǎng)線損影響因素對線損的影響，而基于抽樣統(tǒng)計的綜合節(jié)能潛力評估方法誤差較大。文獻[2]基于多層次模糊法從節(jié)電效果、電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟性方面評價節(jié)能潛力大小，但不同節(jié)能降損措施之間存在相互耦合關(guān)系，導致節(jié)電量計算不準確。文獻[3]建立了一種綜合考慮配電網(wǎng)重構(gòu)、無功補償及變壓器損耗的配電網(wǎng)降損數(shù)學模型，并提出采用遺傳算法進行求解，但是在數(shù)學模型中沒有考慮到經(jīng)濟型指標和投資收益。文獻[4]對東莞長安配電網(wǎng)若干典型配電線路進行了5個技術(shù)手段的分項節(jié)能潛力評估，提出了配電網(wǎng)微觀節(jié)能潛力評估的方法。文獻[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的學習推理能力，開啟了利用線損影響因素預測理論線損率的新思路。文獻[6-8]通過建模確定了配電網(wǎng)線路、變壓器的最優(yōu)節(jié)能配置和經(jīng)濟運行區(qū)域，進一步探索了配電網(wǎng)中各類元件的節(jié)能潛力。文獻[9]通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測該地區(qū)未來節(jié)能潛力的發(fā)展，分析了配電網(wǎng)節(jié)能運行電壓的選取原則，以及功率因數(shù)、供電量、負荷率等因素的變化對線損的影響。文獻[10]提出有限投資下的配電網(wǎng)多個改造項目組合優(yōu)化規(guī)劃方法，但規(guī)劃模型受算法限制難以應用于較大規(guī)模的配電網(wǎng)。

配電網(wǎng)節(jié)能潛力評估是以降低配網(wǎng)線損率為目標，從配電網(wǎng)規(guī)劃、運行等角度來實施的系統(tǒng)工程。從國外案例可看出，配電網(wǎng)節(jié)能降損、改造升級能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益[11]。其難點在于，如何優(yōu)化整合多種改造措施，制定出高效的節(jié)能改造方案以實現(xiàn)有限改造資金的充分利用。

針對某區(qū)域配電網(wǎng)，為確定方便實施的降損措施、方案的優(yōu)劣，本文建立降損方案組合優(yōu)選決策模型，以降損措施綜合投資、損耗電量引起的直接和間接損失費用之和最小為目標函數(shù)，將電壓偏差、支路傳輸功率(電流)、降損措施數(shù)量、損耗率及總投資限制作為約束條件，求解使綜合費用最小的降損措施組合。算例驗證本文數(shù)學模型的有效性。

1 降損方案優(yōu)選決策模型

1.1 目標函數(shù)

為使配電網(wǎng)降損方案最優(yōu)，應使降損措施綜合投資與損耗電量降低所取得的效益綜合最優(yōu)，因此，建立目標函數(shù)以降損措施綜合投資(包括設備購置、設備拆除、安裝或重建等綜合投資費用)、損耗電量引起的直接損失費用和間接損失費用之和最小,即有

(1)

式中：Ci為降損措施綜合投資，萬元；n為降損措施總數(shù)量；F1為損耗電量引起的直接費用，指損耗電量引起的售電損失費，萬元；F2為損耗電量引起的間接費用，指損耗電量引起的碳排放罰金，萬元。

1) 降損措施綜合投資Ci。

(2)

2) 損耗電量引起的直接費用F1。

損耗電量引起的直接費用，即電能損失費可計算為

F1=ΔWd1

(3)

式中：ΔW為電能損失，kW·h；d1為電價，一般取0.5元/(kW·h)。

3) 損耗電量引起的間接費用F2。

損耗電量引起的間接費用，即碳(CO2)排放罰金，可計算如下：

F2=ΔWf

(4)

式中f為單位發(fā)電量的碳(CO2)排放罰金。

f=ρQd2

(5)

式中：ρ為火電比重，我國約為65%；d2為碳排放罰金，非碳價，一般取0.2元/kg；Q為單位發(fā)電量所產(chǎn)生的碳(CO2)排放量，kg/(kW·h)。

(6)

式中：p為單位(每噸)燃料碳(CO2)排放量，每千克燃料煤產(chǎn)生CO2量取2.53 kg；q為單位(每噸)燃料的發(fā)熱量，每千克燃料煤的熱值約為26 789.12 kJ；η為電源的能量轉(zhuǎn)換率，取1 kW·h/(3 600 kJ)。

于是有

1.2 約束條件

1) 電壓偏差。

(7)

式中：Ui為節(jié)點的實際電壓值，kV；UN為額定電壓，kV。

10 kV電壓等級允許電壓偏差約束為

0.4 kV電壓等級允許電壓偏差約束為

ΔU%≤±7%

2) 支路約束。

支路的實際傳輸容量應不超過其最大傳輸容量，用傳輸電流表示為

Ij≤Ijmax

式中：Ij為支路的實際電流，A；Ijmax為支路允許通過的最大電流，A。

3) 降損措施數(shù)量約束。

n≤N

式中N為降損措施數(shù)量上限。

4) 總投資限制約束。

式中C為總投資上限，萬元。

1.3 方案優(yōu)選策略

本文提出的計及低碳效益的配電網(wǎng)降損方案優(yōu)選模型，目的在于尋求綜合效益最優(yōu)的降損措施組合方案，其求解過程屬于組合優(yōu)化問題。解決組合優(yōu)化問題常用的方法有遺傳算法、自適應遺傳算法、粒子群算法、禁忌搜索等。本文采用枚舉法對上述模型進行求解，主要步驟如下：1)生成備選降損措施；2)產(chǎn)生備選降損方案；3)求解各降損方案的目標函數(shù)值；4)對比得到最優(yōu)方案。

2 算例驗證

本文以某縣級配電網(wǎng)1條10 kV線路為例，計劃節(jié)能改造總投資不超過500萬元。其接線圖如圖1所示。

圖1 算例接線圖Fig.1 Wiring diagram in example

變壓器抄見電量以每個月為一個周期計數(shù)，因此功率=抄見電量/(30×24)。假設補償前功率因數(shù)為0.85，可得到各變壓器的功率和負載率，從而得到待更換的變壓器費用如表1所示。

表1S11各容量變壓器購置費用
Table1PurchasecostofS11transformerswithvariouscapacities

變壓器型號價格/(元·臺-1)變壓器型號價格/(元·臺-1)S11-8013800S11-50023015S11-20015000S11-63027015S11-31516015S11-80032515S11-40019015S11-125063415

假設變壓器安裝費為購置費的30%，不同線路型號的架空線路，其綜合造價不同：LGJ-70為12萬元/km；LGJ-95為13萬元/km；LGJ-120為14萬元/km；LGJ-150為17萬元/km；LGJ-185為24萬元/km。

無功補償設備費用：假設其購買和安裝并聯(lián)電容器的價格為20元/kvar，假設年運行小時數(shù)為t=4 000 h，設備年運行維護率為11%，折現(xiàn)率為4%，則目標函數(shù)為

分析該線路供電區(qū)域電網(wǎng)現(xiàn)狀，可從如下幾方面考慮降損方案。為簡化算例，選擇以下幾種具體降損措施作為備選參考：

1) 更換線路。線路1、2、11的型號從70更換為120。

2) 更換線路。15-23號線路截面積由95 mm2更換為120 mm2。

3) 更換變壓器。變壓器8重載，將變壓器8由S9-80換為S11-400型號。

4) 無功補償。假設補償前的電網(wǎng)功率因數(shù)為0.85，補償后的電網(wǎng)功率因數(shù)為0.9，共補償115.5 kvar，在10個負荷點分別補償11.55 kvar。

備選降損組合措施方案如表2所示。

表2 備選降損組合措施列表Table 2 List of optional loss reduction combination measures

注： 1表示采用該降損措施，0則表示不采用該措施。

各降損方案的計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，降損方案15計算結(jié)果最小，具有最好的綜合降損效益，因而選擇采用無功補償降損措施的規(guī)劃方案作為最優(yōu)方案。

表3 各降損方案費用Table 3 Cost for loss reduction programs

3 結(jié)論

針對某區(qū)域配電網(wǎng)，為了確定上述方便實施的降損措施及方案的優(yōu)劣，本文建立了降損方案組合優(yōu)選決策模型：以降損措施綜合投資、損耗電量引起的直接和間接損失費用之和最小為目標函數(shù)，將電壓偏差、支路傳輸功率(電流)、降損措施數(shù)量、損耗率以及總投資限制作為約束條件，求解使綜合費用最小的降損措施組合。最后，算例驗證了數(shù)學模型的有效性。