基于電壓穩(wěn)定性的配電網(wǎng)中電源可接入容量計(jì)算

黃宏盛，鄭 濤，彭 坤，王騰達(dá)，施文煇

（國(guó)網(wǎng)浙江嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

0 引 言

由于電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)造成的電力系統(tǒng)大面積的停電事故時(shí)常發(fā)生，對(duì)人們的生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的影響[1]。針對(duì)配電網(wǎng)中電源可接入容量計(jì)算，保障電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定研究，對(duì)于減少事故的發(fā)生具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。本文針對(duì)配電網(wǎng)中的電源可接入容量計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1 基于電壓穩(wěn)定性的配電網(wǎng)中電源可接入容量計(jì)算

1.1 計(jì)算模型構(gòu)建

在構(gòu)建計(jì)算模型時(shí)，要考慮各個(gè)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與發(fā)電裝置并網(wǎng)的情況。電源并網(wǎng)的位置以及容量會(huì)影響配電網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)損耗的變化情況，以及造成電壓偏高等電能質(zhì)量問(wèn)題，影響配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。圖1為電源可接入容量計(jì)算模型圖。

圖1 電源可接入容量計(jì)算模型圖

由于配電網(wǎng)中，有功功率與無(wú)功功率的變化情況都會(huì)對(duì)配電網(wǎng)中的電壓分布產(chǎn)生較大的影響[2]，因此電源接入點(diǎn)位置的電壓可通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，U2表示為配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)2的電壓；U3表示為節(jié)點(diǎn)3位置的電壓；P表示節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3位置輸出的有功功率；Q表示為點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3位置輸出的無(wú)功功率；R表示為線路2→3的電阻；X表示為線路2→3的電抗。在圖1的計(jì)算模型中，在節(jié)點(diǎn)1、2、3、4上均可接入電源。電源接入配電線路的首段對(duì)各節(jié)點(diǎn)的電壓影響較小，接入節(jié)點(diǎn)的位置越靠近末端，電源對(duì)于節(jié)點(diǎn)電壓的支撐能力越強(qiáng)。隨著容量的增加，接入點(diǎn)的電壓不斷增加，一旦超出了極限數(shù)值，會(huì)出現(xiàn)末端節(jié)點(diǎn)上的電壓遠(yuǎn)高于前端節(jié)點(diǎn)上電壓的情況。

1.2 目標(biāo)函數(shù)選定

在配電網(wǎng)中，電源輸出的無(wú)功功率和有功功率會(huì)影響整個(gè)配電網(wǎng)出輸出功率的大小，并且限制了輸出無(wú)功功率的積極性。假設(shè)配電網(wǎng)中電源以單位功率因數(shù)進(jìn)行運(yùn)作，即電源只輸出有功功率，則配電網(wǎng)中的電源可接入容量的最大值目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為：，其中N表示為接入到配電網(wǎng)中的電源個(gè)數(shù)；Pi表示為在某一節(jié)點(diǎn)i(1,2,3…)上電源輸出的有功功率。該目標(biāo)函數(shù)的意義在于，配電網(wǎng)中的電源接入容量小于目標(biāo)函數(shù)時(shí)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行能夠保證電壓的穩(wěn)定性，當(dāng)電源接入的容量超過(guò)目標(biāo)函數(shù)時(shí)，電力系統(tǒng)將難以保證輸電網(wǎng)中電壓的穩(wěn)定性。

1.3 約束條件設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型需要滿足兩個(gè)約束條件，一是等式約束條件，二是不等式約束條件。等式約束條件為節(jié)點(diǎn)的潮流方程約束，其公式表示為：

其中，Pi表示為電源在某一節(jié)點(diǎn)i上注入的有功功率；Qi表示為電源在某一節(jié)點(diǎn)i上注入的無(wú)功功率；Ui表示為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；Uj表示為節(jié)點(diǎn)j上的電壓幅值；Gij表示為電力系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的實(shí)部；Bij表示為電力系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的虛部；θij表示為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓相角差。

電源接入到輸電網(wǎng)中的方式，可分為單一電源供電放射性網(wǎng)絡(luò)以及分布式電源供電多電源結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，電壓需要保持在一定的合理范圍內(nèi)，配電網(wǎng)中允許結(jié)點(diǎn)電壓的上限一般設(shè)置在1.06～1.08 p.u.。隨著配電網(wǎng)中電源不斷的接入，在配電線路上通過(guò)的電流可能會(huì)超出電壓穩(wěn)定的所能承受的極限范圍，因此針對(duì)配電網(wǎng)中電源最大的接受能力，并考慮到輸電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，對(duì)于接入電壓的容量限制約束條件為：minUi≤Ui≤maxUi，其中minUi表示為節(jié)點(diǎn)i上電壓的下限；maxUi表示為節(jié)點(diǎn)i上電壓的上限。對(duì)于支路的容量約束條件為R1≤maxR1，其中R1表示為電源電流經(jīng)過(guò)支路1時(shí)的功率；maxR1表示為支路上功率允許的最大容量，且對(duì)于支路的容量不設(shè)下限條件。

1.4 算法流程優(yōu)化

對(duì)于配電網(wǎng)中的電源可接入容量進(jìn)行計(jì)算，首先應(yīng)對(duì)搜尋的方向個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選取各個(gè)電源輸出有功功率的初始解，判斷各初始解是否滿足上文設(shè)定的約束條件，若不滿足約束條件，則直接將該初始解剔除；若滿足，則對(duì)其初始擾動(dòng)以及初始步長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)定。按照設(shè)定的方向分別進(jìn)行搜尋，若能夠滿足搜尋的約束條件，則將其設(shè)定為新的基點(diǎn)，若不滿足則對(duì)下一個(gè)方向進(jìn)行搜尋。在對(duì)各個(gè)方向進(jìn)行搜尋的過(guò)程中，若所有方向都不能滿足上述約束條件，則考慮搜尋步長(zhǎng)的設(shè)置是否合理，可將搜尋步長(zhǎng)縮短至原來(lái)的1/2倍，再次進(jìn)行搜尋。若仍無(wú)法進(jìn)行搜尋，則考慮初始擾動(dòng)設(shè)置是否合理，將初始擾動(dòng)設(shè)置為原來(lái)的1/2倍，重復(fù)上述流程，直到找出擾動(dòng)值達(dá)到滿意的精度，完成對(duì)電源可接入容量的計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用價(jià)值，將其與傳統(tǒng)的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建模擬配電網(wǎng)電路系統(tǒng)，在電路中共設(shè)150個(gè)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，并在末端節(jié)點(diǎn)與前一節(jié)點(diǎn)之間增加變壓器；將其變壓器分接頭調(diào)制4.5%，保證在負(fù)荷額定值與未接入電源時(shí)的配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓不低于0.85；為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在配電網(wǎng)中不增加調(diào)壓器裝置的設(shè)置；為符合實(shí)際的配電網(wǎng)運(yùn)行情況，在模擬配電網(wǎng)中，設(shè)定在隨機(jī)的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)，其余為閉合狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)設(shè)定節(jié)點(diǎn)上的電壓上限為1.25 V，電壓下限為0.85 V。各個(gè)支路上的電源可接入容量上限設(shè)置如表1所示。

通過(guò)各個(gè)參數(shù)的設(shè)定，建立對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)傳統(tǒng)方法為對(duì)照組，本文方法為實(shí)驗(yàn)組，在保證其他外界干擾條件及環(huán)境配電環(huán)境均相同的情況下，完成實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

記錄兩組方法的計(jì)算結(jié)果，并隨機(jī)選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)與上文設(shè)定的電源可接入容量上限進(jìn)行比對(duì)，判斷兩種方法結(jié)果是否滿足上述條件，比較兩種方法計(jì)算的準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 電源可接入容量上限設(shè)置

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表2可以看出，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算的結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)前設(shè)置的數(shù)值，且實(shí)驗(yàn)組的準(zhǔn)確率明顯高于對(duì)照組。由此可以證明，本文計(jì)算方法準(zhǔn)確率更高，能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)電源接入容量的控制提供更加準(zhǔn)確的決策參考。

3 結(jié) 論

本文基于電壓穩(wěn)定性對(duì)配電網(wǎng)中電源的可接入容量計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，考慮到電壓的水平以及支路的容量對(duì)電源接入容量的限制問(wèn)題，提出了新的求解方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性和有效性，希望為未來(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展和規(guī)劃提供幫助。