低碳背景下含可再生能源配電網(wǎng)降損研究

楊昊天，張仰飛，賴仕達(dá)，陳光宇

(1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167; 2.國(guó)網(wǎng)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(biāo)的提出，電力行業(yè)作為主要碳排放源之一，肩負(fù)了重要的節(jié)能減排任務(wù)[1]。另外，短期內(nèi)提高能源利用率，降低配電網(wǎng)損耗是減少碳排放的主要途徑[2]。因此研究含源配電網(wǎng)降損方法對(duì)節(jié)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(tǒng)化石燃料的使用，然而RDG接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損產(chǎn)生了影響[3-4]，使配電網(wǎng)的網(wǎng)損現(xiàn)狀變得復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者針對(duì)含源配電網(wǎng)節(jié)能降損提出了有效的方法。文獻(xiàn)[5-6]考慮了RDG選址定容對(duì)網(wǎng)損的影響，通過優(yōu)化RDG選址定容實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損的目標(biāo)；文獻(xiàn)[7-8]分別考慮了電壓和源荷的不確定性，并從含源配電網(wǎng)運(yùn)行的角度，對(duì)低碳調(diào)度方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[9]在調(diào)度策略中充分利用了需求側(cè)資源，讓主動(dòng)配電網(wǎng)參與系統(tǒng)碳排放管理；文獻(xiàn)[10]在負(fù)荷數(shù)據(jù)不全的情況下，通過優(yōu)化RDG的出力達(dá)到降低網(wǎng)損的效果。以上研究均取得了較好的效果，但是從配電網(wǎng)降損改造角度進(jìn)行的研究較少，而對(duì)含源配電網(wǎng)改造具有較大的節(jié)能降損潛力。

因此基于現(xiàn)有研究，提出了一種分層分區(qū)降損方法。該方法根據(jù)各供電片區(qū)網(wǎng)損大小進(jìn)行首次資金分配，并建立雙層模型對(duì)各線路改造方案投資分配和減排效益進(jìn)行優(yōu)化，最后在實(shí)際案例中驗(yàn)證了所提方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 思路分析

本文所提方法主要分為兩個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 思路分析

第一部分為分區(qū)投資分配。按照供電片區(qū)將配電網(wǎng)分區(qū)，將規(guī)模較大的問題分解為多子區(qū)并行優(yōu)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(biāo)性，以網(wǎng)損大小和子區(qū)規(guī)模為依據(jù)對(duì)各子區(qū)的資金進(jìn)行約束。

第二部分建立雙層模型對(duì)整體方案尋優(yōu)。針對(duì)單條線路優(yōu)化改造方案的下層模型嵌套在以子區(qū)改造經(jīng)濟(jì)性和減排效益最優(yōu)為目標(biāo)的上層模型中，迭代得到最優(yōu)資金分配及改造方案的優(yōu)選。

2 分區(qū)網(wǎng)損計(jì)算及資金分配

若降損總投資額為W，則各子區(qū)的首次投資金額Wa可表示為

(1)

式中a——子區(qū)編號(hào)∈[1,A]；

Sa——子區(qū)規(guī)模系數(shù)，按照該分區(qū)用電量在系統(tǒng)中的占比進(jìn)行設(shè)置；

受到RDG接入位置及其出力的影響，系統(tǒng)可能出現(xiàn)反向潮流，饋線的潮流可能增加也可能減少，相應(yīng)的會(huì)使網(wǎng)絡(luò)損耗增加或減少。此時(shí)傳統(tǒng)的網(wǎng)損計(jì)算已無(wú)法滿足需求，因此采用如下步驟進(jìn)行計(jì)算：

步驟1：根據(jù)季節(jié)、天氣情況、工作日與節(jié)假日劃分典型日；

步驟2：基于序貫蒙特卡洛法[11]對(duì)規(guī)劃年典型日s中子區(qū)a各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷及RDG出力進(jìn)行模擬。

步驟4：計(jì)算子區(qū)a年網(wǎng)損

(2)

式中Ωl——子區(qū)a中饋線的集合;

ds,a——一年內(nèi)子區(qū)a中典型日s的天數(shù)。

求得子區(qū)網(wǎng)損后結(jié)合子區(qū)規(guī)模系數(shù)得到子區(qū)資金分配結(jié)果。

3 建立雙層模型

以各子區(qū)為研究對(duì)象，建立考慮改造經(jīng)濟(jì)性和減排效益上層模型，實(shí)現(xiàn)投資金額的分配及整體方案的優(yōu)選；下層模型以子區(qū)內(nèi)各饋線為研究對(duì)象，優(yōu)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(xiàng)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投資;

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

ga(Ck)——子區(qū)a改造方案成本函數(shù)；

Dl——饋線l的降損值，總降損值不小于計(jì)劃值Dmin，如式(5);

ha(Dl)——子區(qū)a降損值函數(shù);

α——將節(jié)省電量折算到碳排放量的系數(shù)。

3.2 下層模型

以單條饋線的改造成本及網(wǎng)損成本最小為目標(biāo)，對(duì)改造方案進(jìn)行尋優(yōu)

(6)

式中Ωj——饋線中支路集合；

cc、ccm、cl、ctr——無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投資和維護(hù)成本、線路、變壓器改造成本；

β——單位電價(jià)；

T——各設(shè)備年等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)；

ΔPj——各支路的有功損耗。

同時(shí)，下層規(guī)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(jié)點(diǎn)i的凈負(fù)荷功率；

PLj、QLj——節(jié)點(diǎn)i下游節(jié)點(diǎn)的凈負(fù)荷功率。

(2)節(jié)點(diǎn)電壓約束

Uimin≤Ui≤Uimax

(12)

式中Uimax、Uimin——節(jié)點(diǎn)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(fù)載率約束

βmin≤β≤βmax

(14)

式中βmax、βmin——變壓器運(yùn)行負(fù)載率上下限。

(5)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備約束

Qimin≤Qi≤Qimax

(15)

式中Qimax、Qimin——節(jié)點(diǎn)i處無(wú)功補(bǔ)償裝置最大、最小無(wú)功出力。

4 模型求解

針對(duì)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(jié)中的方法計(jì)算各子區(qū)網(wǎng)損，并結(jié)合子區(qū)規(guī)模完成資金首次分配，生成備選改造方案；

(2)根據(jù)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(yōu)化各線路改造方案，將結(jié)果傳至上層；

(3)上層模型計(jì)算適應(yīng)度，若滿足收斂條件，即得到最優(yōu)解，輸出最優(yōu)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(xù)代入下層模型，形成循環(huán)迭代，直至算法收斂輸出最優(yōu)方案。

5 算例分析

以山東電網(wǎng)某市10 kV含RDG配電網(wǎng)實(shí)例進(jìn)行分析。該區(qū)域包含3個(gè)光伏電站、2個(gè)風(fēng)電站，按照供電片區(qū)將配電網(wǎng)劃分為兩個(gè)子區(qū)，如圖3。2025年子區(qū)1、2的年供電量將分別達(dá)到1.20億kWh、1.52億kWh。該市計(jì)劃年節(jié)約電量90萬(wàn)kWh，計(jì)劃降損改造資金500萬(wàn)元，導(dǎo)線、配變相關(guān)參數(shù)根據(jù)運(yùn)檢部門的線路臺(tái)賬獲取，根據(jù)10 kV線路規(guī)劃原則[12]進(jìn)行改造。

圖3 含DG配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

按照春夏秋冬四個(gè)季節(jié)、晴天與陰雨天、工作日與節(jié)假日組合得到各子區(qū)16類典型日，以饋線L8末端居民負(fù)荷節(jié)點(diǎn)四個(gè)季節(jié)的晴天節(jié)假日為例，通過蒙特卡洛模擬法及潮流計(jì)算得到凈負(fù)荷估計(jì)值，如圖4所示。

圖4 饋線L8末端節(jié)點(diǎn)晴天節(jié)假日凈負(fù)荷

得到各節(jié)點(diǎn)凈負(fù)荷預(yù)測(cè)值后，通過式(2)計(jì)算得到子區(qū)1、2的網(wǎng)損分別為:

1 016.98 kW、1 090.18 kW，子區(qū)規(guī)模占比S1、S2分別為44.11%、55.89%，此時(shí)子區(qū)1分得改造資金W1=191.78萬(wàn)元，子區(qū)2分得改造資金W2=308.22萬(wàn)元。

在子區(qū)改造資金約束下對(duì)各饋線降損改造方案進(jìn)行尋優(yōu)。以子區(qū)1的4條饋線為例，依次將饋線L1～L4代入下層模型得到優(yōu)化方案，整體代入上層循環(huán)迭代，最終得到最優(yōu)投資方案，其效果如表1所示。可以看出各線路降損率分別為0.062 3%、0.131 4%、0.118 2%、0.132 5%，驗(yàn)證了本文所提方法能夠有效應(yīng)對(duì)RDG接入帶來的復(fù)雜網(wǎng)損情況，并實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能降損。

區(qū)域配電網(wǎng)最優(yōu)投資方案及減排效益見表2，將年節(jié)省電量折算至年減少碳排放量，折算系數(shù)α取0.34 kgCO2/kWh[13]。

由表1、表2分析可知，各子區(qū)在資金約束下得到的優(yōu)化方案滿足降損目標(biāo)要求，年節(jié)省電量達(dá)到了96.13萬(wàn)kWh，相當(dāng)于年減少326.846 t CO2的排放，有利于電網(wǎng)公司在碳排放交易中減少排放權(quán)購(gòu)買成本或提高排放權(quán)出售收益。

表1 子區(qū)1降損效果

表2 區(qū)域配電網(wǎng)最優(yōu)投資方案及減排效益

若對(duì)子區(qū)2追加改造投資50萬(wàn)，則饋線L5參與改造，年節(jié)省電量將達(dá)到105.03萬(wàn)kWh，CO2減排量增加30.257 t。

6 結(jié)論

本文提出的含可再生能源配電網(wǎng)分層分區(qū)降損方法，從配電網(wǎng)改造的角度實(shí)現(xiàn)了含源配電網(wǎng)的節(jié)能降損，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于可再生能源并網(wǎng)點(diǎn)已知的含源配電網(wǎng)，通過合理改造可以有效降低配電網(wǎng)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(qū)操作將復(fù)雜問題分解為并行優(yōu)化問題，增加了工作的目標(biāo)性，雙層模型兼顧子區(qū)與單條饋線的成本及減排效益，可迭代實(shí)現(xiàn)整體方案最優(yōu)；

(3)該方法對(duì)電網(wǎng)公司節(jié)能改造工作的實(shí)施具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)能夠在碳交易環(huán)節(jié)中為電網(wǎng)公司爭(zhēng)取更多的利益。