【精彩论文】考虑CVR的主动配电网优化运行方法

考虑CVR的主动配电网优化运行方法

邢海军¹, 谢宝江², 秦建², 罗扬帆², 娄伟明²

（1. 上海电力大学 电气工程学院, 上海 200090; 2. 国网浙江省电力有限公司台州供电公司, 浙江 台州 318000）

摘要：随着碳中和目标的明确，通过技术手段降低社会用能成本对能源低碳转型有着重要意义。基于此提出一种主动配电网降压节能（conservation voltage reduction, CVR）运行方法。采用负荷指数模型，通过有载调压变压器（on-load tap changer，OLTC）调节实现降压节能运行，配以网络重构、分布式电源（distributed generations，DGs）调节等主动管理策略保证降压节能运行的同时满足供电电能质量要求，实现一段时间内配电系统总能耗最小。通过IEEE 33节点配电网算例分析，验证了所提方法的有效性和合理性。

引文信息

邢海军, 谢宝江, 秦建, 等. 考虑CVR的主动配电网优化运行方法[J]. 中国电力, 2021, 54(11): 76-81.

XING Haijun, XIE Baojiang, QIN Jian, et al. Active distribution network optimal operation considering conservation voltage reduction[J]. Electric Power, 2021, 54(11): 76-81.

引言

《电能质量供电电压偏差》^[1]规定20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。降压节能（conservation voltage reduction, CVR）在满足供电电压偏差，不损坏用电设备的前提下，在较低电压范围内运行，最终达到降低能耗。《供配电系统设计规范》^[2]规定35 kV以上变电所中的降压变压器，直接向35 kV、10 kV、6 kV电网送电时应采用有载调压变压器，这为CVR技术的实现提供基础。降压节能运行是一种有效的节能措施。CVR在节能方面效果显著。许多美国公用事业单位进行CVR测试，数据表明电压下降1%，CVR能够节能0.3%~1.0%；澳大利亚测试结果表明电压下降2.5%，CVR节能1%^[3]。“十三五”规划中提到中国电力系统面临电力峰谷差逐渐增大、调峰能力不足的问题，通过应用CVR技术可以有效缓解配电网峰值电荷。另外，CVR能降低变压器和线路损耗从而延长相关设备的寿命以及减少碳排放。目前，在电力系统运行领域节能措施层出不穷，包括降低系统网络损耗^[4-5]、低碳经济运行调度^[6-13]、电能替代^[14-16]等。

随着环境问题的日益严重，近年来学术领域开展CVR研究较多。文献[17]在高渗透率光伏接入配电系统背景下，考虑通过有载调压变压器（on-load tap changer，OLTC）、变电站电容器组、线路电容器组无功补偿实现CVR。文献[18]提出了一种适用于CVR的配电网高级量测体系（advanced metering infrastructure, AMI）优化布置，实现配电网电压的实时监控及状态估计。文献[19]对CVR技术进行了综述，包括CVR在配电系统削峰、节能领域的应用。文献[20]提出了一种融合电压无功优化控制，配电系统控制，分布式电源（distributed generations，DGs）主动参与的CVR节能技术。文献[21]提出一种针对配电网降压节能装置中并联电容器组的多目标选址定容方法。上述文献在实际工程中，经济性较弱。因此本文提出一种中压配电系统降压节能运行方法，通过OLTC调节实现降压运行，配以电容器组无功补偿、网络重构、DGs调节保证系统供电满足电能质量要求，从而在不增加额外投资的前提下起到节能效果，降低社会用能成本。

1  降压节能

节能的意义是在保证供能质量的前提下尽可能减少系统整体能耗。CVR实施效果可以用电压调整因素f_CVR来表示，即式中：E为用能量变化的百分比；V为电压的变化的百分比。随着越来越多的电力电子器件的接入和敏感性负荷的影响，负荷供电电能质量要求越来越高，本文通过CVR实现节能目的，降压范围在电压偏差允许的范围之内，保证可靠供电。其他电力系统电能质量问题如电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压等，可通过电力系统各环节统一管理、统一治理。

CVR的实施效果与系统负荷类型及负荷的建模密不可分。本文基础部分采用文献[22]建立的负荷静态模型，其通过负荷功率对于电压变化的灵敏指数，能够准确表示负荷状态。

2  降压节能优化运行方法

2.1  优化模型

在CVR运行中，本文采用负荷静态模型，并通过OLTC实现降压运行。为了防止负荷高峰期间末端母线电压不满足供电质量要求，通过最优化方法找到最优的OLTC调节档位及DGs的运行出力、网络结构状态。

考虑配电网日前优化运行，以一天内配电网总的用能量最小作为目标函数。用能量包括网络损耗、负载能耗、变压器损耗。目标函数为

式中：Ψ_b为网络支路集；τ_i,j为支路（i，j）的开关状态，是二进制变量，1代表合上、0代表断开；r_i,j为支路（i，j）的电阻；I_i,j为支路（i，j）电流幅值；Ψ_n为网络节点集；P_L,j为节点j负荷有功功率；Ψ_t为变压器集；ΔP_tr,k为第k台变压器的损耗，包括空载损耗及负载损耗。

约束条件为

式中：P_j,k为支路（j，k）首端有功功率；P_i,j为支路（i，j）首端有功功率；Q_i,j为支路（i，j）首端无功功率；V_i为节点i电压幅值；P_DG,j为节点j处DGs有功功率；Q_j,k为支路（j，k）首端无功功率；x_i,j为支路（i，j）的电抗；Q_L,j为节点j负荷无功功率；Q_C,j为节点j处无功补偿设备的无功补偿量；Q_DG,j为节点j处DGs无功功率；V^min为节点i电压幅值下限；V^max为节点i电压幅值下上限；为支路（i，j）电流幅值允许上限；为节点j处DGs有功功率下限；为节点j处DGs有功功率上限；为节点j处DGs无功功率下限；为节点j处DGs无功功率上限；V_ss,t为t时刻变电站节点电压；V_ss,0为初始时刻变电站节点电压；δ为OLTC每一档调节电压标幺值；λ_t为t时刻OLTC抽头位置；λ_min为OLTC抽头位置最小值；λ_max为OLTC抽头位置最大值；为节点m处无功补偿设备补偿容量的最小值；Q_C,m为节点m处无功补偿设备的无功补偿量；为节点m处无功补偿设备补偿容量的最大值；Ψ_C为无功补偿设备安装节点集；N为总的负荷节点数。

在约束条件中，配电网络前推回代潮流方程约束为式（3）~（5）；节点电压上下限约束为式（6）；支路电流上限约束式（7）；DGs出力上下限约束为式（8）（9）；OLTC调节约束为式（10）（11）；无功补偿约束为式（12）；网络拓扑结构辐射状约束为式（13）。

OLTC调节约束，以50 MV·A，110± 8×1.25% kV，YNd11三相双绕组变压器^[23]为例，可知该OLTC 17档可调，即档位为正负8档，每一档调节电压标幺值δ=0.006 25（p.u.），λ_min= –8，λ_max=8。

网络拓扑结构约束，在考虑DGs接入的情况下，该约束有可能出现孤立节点拓扑结构、孤链状拓扑结构，具体解决策略可以参考文献[24]实现辐射状网络拓扑约束。

在实际优化运行中需要考虑运行人员的实际操作时间及OLTC调节次数。开关操作次数及OLTC调节次数约束分别为

式中：为支路（i，j）开关的初始状态；τ_tot为网络结构状态重构过程中开关允许的最大操作次数；λ_max为一天中OLTC允许的最大调节次数，以运行人员实际操作及OLTC的安全可靠运行为依据；λ₀为一天中最初时刻抽头位置。

2.2  求解方法

本文所建模型是一个混合整数非线性规划问题，一般的实现方法较难找到最优解。此处采用凸规划理论，基于二阶锥规划模型，通过内点法及分支定界法对该问题进行求解。

具体的约束条件的二阶锥规划模型的建立可以参考文献[25]，可以利用CVX建模工具包及GUROBI解法器对二阶锥规划模型进行求解。

3  算例验证

3.1  IEEE 33算例

采用文献[26]算例对本文模型进行验证。该网络是一个12.66 kV单电源配电系统，含33个节点与5条联络线，总负荷为3 715 kW，2 300 kV·A。其中联络线包括：7-20，8-14，11-21，17-32，24-28。有载调压变压器为三相双绕组变压器，其额定容量为50 MV·A，额定电压为110±8×1.25% kV，连接组标号为YNd11，17档可调，额定空载损耗为47.8 kW，额定负载损耗为194 kW，空载电流百分比为0.58%，短路阻抗百分比为10.5%^[23]。手动调节OLTC不同档位时，系统能耗情况如表1所示。V_ss=1.05（p.u.）情况下OLTC可以降低至−8档运行。V_ss=1.00（p.u.）情况下OLTC可以降低至−4档运行。由于本文根据日前负荷预测进行的初步估算，实际运行中还需要根据实际情况进行修正，同时考虑一定的裕度。

表1  OLTC不同档位的日能耗情况

Table 1  The daily energy consumption with different OLTC tap position

V_ss=1.05（p.u.），网络结构状态发生改变，2-3，6-7，7-10，31-32，7-20开关断开，测得日耗能92.094MW·h，相比手动调节耗能降低了0.47%。

V_ss=1.00（p.u.），节点电压变化曲线如图1所示，OLTC档位随时间变化调节如图2所示，网络结构状态发生改变，6-7，10-11，13-14，27-28，31-32开关断开，测得用电量90.321 MW·h，相比手动调节档位用电量降低了。

图1  协同优化后的电压曲线

Fig.1  The voltage profile after coordinated optimization

图2  协同优化后的OLTC档位

Fig.2  The OLTC tap position after coordinated optimization

各个节点的电压标么值均在0.93以上，满足供电电压标准。

3.2  节能分析

经计算，当V_ss=1.05（p.u.）时，手动调档最低耗能相比正常耗能减少4.909%，f_CVR=0.982；V_ss=1.00 （p.u.），用能量变化2.577%，f_CVR=1.031。由文献[27]可知f_CVR一般为0.30~1.33，实验结果合理。通过调节档位使电压水平降低并且系统仍可安全稳定运行时，系统的用电量会随之下降。经对比，V_ss=1.00（p.u.）时，f_CVR较大，这是因为在电压较低的情况下，铜耗较大，同时该算例中铜耗在变压器损耗中占比较大，所以具有更好的节能效果。以上海市为例，2019年上海市全年用电量1 568.6亿kW·h，全口径发电中火电占比59.21%。假设上海2019年用电量85%经中压配电系统供给负荷，其中1%采用CVR技术，同时认为上海市所有火电厂标准煤耗≈307 g/（kW·h），火电厂占比约等于59.21%。V_ss=1.05（p.u.）时，优化后用电量为92.094 MW·h，相比手动调档最低用电量92.530 MW·h减少了0.436 MW·h，占比0.471%。由上述条件与假设计算得，上海市年节约用电量达到628万kW·h，年减少燃烧标准煤1141.5t，减少排放的CO₂为2 990.7 t，SO₂为9.7 t，NO_x为8.4 t。

V_ss=1.00（p.u.）时，优化后用电量为90.321 MW·h，相比手动调档最低用电量92.403 MW·h减少了0.082 MW·h，占比0.09%。同理可得，上海市年节约用电量120万kW·h，可减少燃烧标准煤218.1 t，减少排放的CO₂为571.5 t，SO₂为1.9 t，NO_x为1.6 t。

4  结论

本文提出一种中压配电系统的降压节能运行方法。通过有载调压变压器调节实现降压运行，配以电容器组无功补偿、网络重构、分布式电源调节保证降压运行的同时满足电能质量要求，以一段时间内配电系统总能耗最小为目标函数。所提方法可以考虑运行人员的实际操作时间及有载调压变压器调节次数。

另外，本文方法在主动管理策略下，不需要进行新设备的投资，操作简便，易于实现，能够较好地实现节能降耗，降低社会用能成本。

（责任编辑　杨彪）

作者介绍

邢海军（1979—），男，通信作者，讲师，从事电力系统规划、智能电网及综合能源系统研究，E-mail：[e-mail].

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤

声明

根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。