采用有载调容调压变和MPC技术的配电台区低电压治理

徐峰亮,王发义,赵建涛,张帅,赵凤展

(1. 国网河南省电力公司信阳供电公司,河南省信阳市 464000; 2. 华北电力大学控制与计算机工程学院,北京市 102206;3. 中国农业大学信息与电气工程学院,北京市 100083)

0 引 言

随着我国新农村建设和乡村电气化建设的推进,乡村地区的生产、生活和商业等领域用电量激增。在返乡供暖、春季灌溉、炒茶制烟等时段的高峰负荷现象尤为严重,可以达到平时正常负荷的十几倍[1],且一直以来乡村电网建设相对落后,部分配电变压器容量已无法满足负荷需求,出现低电压现象,系统线损过高等问题[2-6],不符合清洁、低碳的新型电力系统的建设要求。如何综合考虑供电能力、电压质量以及配电变压器损耗等指标,实现必要时调整供电设备运行参数解决农村配电网供电质量问题,以适合季节性和峰谷差较大的负荷需求和低电压治理、并兼顾配电网经济运行具有重要意义。

现有研究已经对峰谷差较大造成的时段性低电压问题进行了初步探究,文献[7]结合实际运行情况在分区内优化配置分布式电源(distributed generator,DG)进行低电压问题的治理;文献[8]利用线路无功补偿和调压器调压;文献[9]基于模型预测控制理论,通过调节DG的无功出力、储能充放电和有载分接开关(on-load tap changer,OLTC)控制母线电压;文献[10]采用2台或多台配电变压器并联运行供电,该方案能满足高峰负荷供电,但若不能自动调整设备的接入或退出,在负荷较小时经济性较差;文献[11-12]运用移动储能装置补给功率缺额,该方案在容量较大时一般造价也偏高。

据统计,全国配电变压器上的损耗约占总发电量7%。降低配电变压器的损耗特别是空载损耗具有十分重要的意义[13-16]。有载调容调压变压器(on-load capacity and voltage regulating transformer,CVRT)通过运行容量的调节,具有很大的节能潜力,适用于负荷峰谷差距大的配电台区[17],采用CVRT可以缓解低电压问题,同时也要关注最佳调容点的确定问题。文献[18]对CVRT在目前电能替代背景下负荷激增的治理效果及其更换判据进行了研究;文献[19]研究表明选择CVRT可以显著降低系统损耗,同时在高容量工作模式下也能保证系统的节点电压在规定范围内;文献[20]在以门限值确定调容点基础上,在有载调容点附近设置了15 kV·A的缓冲区间避免调容变压器频繁动作;文献[21]引入了模糊决策方法,结合运行损耗和调容次数建立优选模型判断调容点;文献[22]为避免调容变错过最佳调容时间而提出基于序电流的调容点判据;文献[23]分析了有载调容变压器的性能参数和综合损耗,发现用电负荷特性与有载调容变压器的经济运行密切相关。

由此,本文在充分分析含高比例峰谷差负荷的供电台区负荷特性的基础上,采用CVRT治理时段性低电压问题,设计一套基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的日前调度和日内校正相结合的供电台区低电压治理及经济运行协调优化控制策略,并用算例验证策略的有效性和经济性。

1 典型时段性负荷特性分析

受农业生产用电、迎冬度夏、春节返乡等因素影响,农村时段性大负荷现象比较严重。以某地区低压配电台区典型日灌溉负荷为例,灌溉高峰负荷一般集中出现2～3个月,日负荷高峰一般出现在05:00—10:00,其负荷值达到了其他用电时段的2～5倍,导致相关线路的一些节点出线严重低电压现象。典型的灌溉日负荷曲线如图1所示。

针对负荷峰谷差大的地区,在选择配电变压器容量时,如果按照最大负荷选择,变压器运行不经济;如果按照最小负荷选择,高峰负荷期变压器严重超负荷运行,影响配电变压器安全运行和供电可靠性。因此迫切需要提出一种改善时段性低电压问题同时降低变压器损耗的方法。

2 调容调压变压器工作原理

2.1 调容变压器调容原理

2.2 调容点选择方法

调容点是保证CVRT工作在经济运行方式的容量调整时刻,合理地选择调容点可以使系统运行更经济。变压器综合损耗曲线是一条与台区负荷呈正相关的曲线,如图2所示。

图2 调容变压器经济运行曲线Fig.2 Economic operation curve of CVRT

当CVRT大容量工作模式下的综合损耗ΔPH与小容量工作模式下的综合损耗ΔPL相等时,其对应的台区负荷值即为调容变压器临界经济容量SC,在图2中即为曲线交点对应的横坐标值。当负荷值大于SC时,CVRT调整到大容量工作模式;当负荷值小于SC时,CVRT调整到小容量工作模式。SC的计算式为[19]:

(1)

式中:POH、POL分别为变压器大、小容量的空载损耗;PKH、PKL分别为变压器大、小容量的负载损耗;SNH、SNL分别为变压器大、小额定容量。

对变压器容量进行选择时,要以现有的负荷为依据,适当考虑负荷未来发展情况。CVRT在实际运行中调容点的确定,在考虑理论调容点计算的基础上,还需考虑实际运行的各项指标因素,包括系统节点电压要求,调容切换的开关电气寿命约束等。因此,实际最优调容点会略大于理论计算值,同时结合《10 kV有载调容配电变压器选型技术原则和检测技术规范》(Q/GDW 10731—2016)、《油浸式电力变压器技术参数和要求》(GB/T 6451—2015)将1.1倍的理论调容临界负荷值设定为实际调容限值[25],得到表1中的CVRT实际调容临界负荷。

表1 S13型有载调容调压变压器综合临界负荷点Table 1 Model S13 integrated critical load point for CVRT

2.3 调压点选择方法

调压点是保证CVRT工作在经济运行方式的变压器分接头调整时刻。对于10 kV有载调容调压变压器的调压范围一般为±2×2.5%,有5个档位供选择。

[27]冯霞、杨勇：《中国特色社会主义城市治理研究中海外学者的观点及政策建议》，《广西社会科学》2015年第12期。

3 基于MPC的有载调容变压器与电压优化控制的经济运行优化调度

随着越来越多户用光伏就近接入低压配电网,一定程度上可缓解农网线路低电压问题和偏远地区用户用电问题,但是由于光伏存在不确定性、间歇性以及与部分高峰负荷曲线不匹配等问题,使得时段性低电压问题仍然存在。为了解决上述问题,本文设计了一种基于模型预测控制[26-27]的CVRT的经济运行调度模型,流程如图3所示。

图3 基于调容调压变压器的农网时段性低电压治理方法流程Fig.3 Flow chart of rural power grid periodic low voltage governance method based on CVRT

图3由步骤1和步骤2两部分组成。步骤1进行日前调度,根据日前日负荷及光伏预测曲线,确定CVRT调容点和调压点,得到下一日的基本调度计划;步骤2进行日内校正,将步骤1得到的日前调度计划下达至CVRT,日内对其进行实时反馈校正。日内为避免由于配电网负荷及分布式电源出力的不确定性造成的调容开关反复动作,设计了调容闭锁机制,同时对电压调度模型进行优化校正。最终实现了农网时段性低电压问题的治理以及CVRT的经济运行优化调度。

3.1 日前调度阶段

由于CVRT对容量的调整会影响系统整体电压情况,因此日前调度阶段根据日前负荷和光伏出力预测曲线首先确定调容方案,再确定调压方案。调容方案即确定CVRT调容时刻,调压方案即建立调压最优调度模型并确定CVRT调压分接头的最优位置。

1)日前调容方案。

首先,分析日前负荷预测曲线和日前光伏出力预测曲线耦合后的系统总净负荷曲线,按照表1中实际调容临界负荷值设置阈值对曲线进行时段划分,如图4所示,净负荷曲线位于实际调容临界负荷值上方,共有2个高负荷时段,分别为T1(图4中t1～t2)与T2(图4中t3～t4)。由于CVRT在每个时段会动作2次,即一次升容动作、一次降容动作,若假设总负荷曲线中有n个需要调容的时段,每个时段记为Ti(i=1,2,3, …),则一共需要进行2n次调容动作。按照设备从投运到退出运行20年计算,同时满足《10 kV有载调容调压变压器技术导则》(DL/T 1853—2018)中对CVRT调容次数的限制,每24 h调容不超过12次以保证其设备可靠性,所以n<6。

图4 光伏和常规负荷耦合后系统净负荷曲线Fig.4 Net load curve of the system after coupling PV and conventional load

针对负荷曲线中有多个峰值的情况,为限制调容次数,对每个调容时段进行功率损耗计算,并对各时段的功率损耗进行从大至小的排序,选取前m(m<6)个时段作为调容时段。功率损耗计算方法为:

(2)

式中:ΔPTi为Ti(i=1,2,3,…,m)时段的总功率损耗;St为t时刻系统总负荷;ΔPL(St)、ΔPH(St)分别为CVRT在低容量工作模式下和高容量工作模式下,负荷为St时的总功率损耗。

2)日前调压最优调度模型。

minF(t)=CCB,t+COLTC,t+ctPLoss,t

(3)

式中:F(t)为t时刻系统总运行成本;CCB,t为t时刻电力电容器投切的动作成本;COLTC,t为t时刻CVRT分接头投切动作成本;PLoss,t为当前系统网损;ct为t时刻分时电价。

约束条件除了需要满足电力系统潮流和线路约束外,还需满足CVRT分接头位置和投切次数的约束:

kmin≤kt≤kmax

(4)

(5)

由于CVRT分接头位置是离散变量,因此调压最优调度模型本质上是一个混合整数非线性规划问题。本文参考文献[28]首先采用内点法求解得到不考虑设备调节次数约束条件下的理想可投切变压器变比曲线;再利用最小二乘法对该曲线进行阶梯化拟合[28],使其满足调节次数不超过12次的约束限制,最终得到CVRT调压变比整数解,形成变压器分接头位置控制的最终解。

3.2 日内校正阶段

为了避免配电网负荷及分布式电源不确定性导致的日内调容、调压档位反复切换,影响安全稳定运行,本文在日内校正阶段,对日前下达至CVRT的调度计划提出了基于实时预测数据的调容开关闭锁机制进行调容校正,以及以日前、日内预测数据差值为模型输入的调压校正。

1)调容校正。

为保证调容开关动作在最优调容点附近,调容校正的具体策略如下:首先校验t时刻是否为日前确定的调容时刻,若不是,则跳过调容阶段进入调压校正调度阶段;若是调容时刻,则判断其是升容动作点还是降容动作点。对于升容动作点,校验下一控制时刻的负荷与PV出力相耦合的预测值是否大于当前时刻真值,若是则给出指令进行调容,否则执行闭锁,在下一时刻继续校验直至寻找到最佳调容点。对于降容动作点,则校验预测值是否小于当前时刻值并实施对应的降容或闭锁。

2)调压校正。

调压校正具体策略为:在t时刻观测下一控制时刻(控制时间间隔为15 min)的各节点负荷及PV出力的预测值[29],同日前调度阶段的预测数据进行比较,得到的差值作为模型输入,在线求解15 min内的分接头电压控制的经济运行策略,并执行当前调度结果;在下一采样时刻,根据前一时刻调度后的系统运行状态,重复以上过程,解决由于配电网负荷及分布式电源不确定性造成的电压偏差问题。

4 算例分析

4.1 算例概况

本文采用改进的28节点低压配电网算例进行仿真验证,拓扑如图5所示,线路、负荷具体信息见附录表A1、A2所示。CVRT型号为S13-315(100)kV·A,变比为10 kV/0.4 kV。根据负荷特点在节点1处配置90 kvar的固定无功补偿。CVRT分接头投切动作成本为50元/次[30]。负荷节点具体情况为第18、22、23、25、26共5处为灌溉负荷节点,其他为正常生活负荷节点。应用参考文献[31]的有功-电压灵敏度矩阵方法在节点17、18、13、15、14、11共计6个节点设置实际最大发电功率为8 kW的屋顶分布式光伏电站,此时系统光伏渗透率为10%。运用MATLAB仿真平台(R2019a版本),以某典型日灌溉负荷为例,采用图3所示的计算流程验证本文所提策略的有效性。同时为验证所提方法对新型电力系统发展的适应性,对光伏渗透率为20%、50%的情况也进行了仿真验证,光伏功率曲线如图6所示。

图5 28节点低压配电网拓扑Fig.5 Low-voltage distribution network topology of 28 node

图6 不同渗透率下的光伏功率曲线Fig.6 PV power curves under different permeability

4.2 计算结果分析

1)调容降损效果分析。

图7给出了典型灌溉日24个时段不同光伏渗透率下的系统净负荷曲线。

图7 不同光伏渗透率下的系统净负荷曲线Fig.7 Net load curves of the system under different PV permeabilities

根据第3节设计的日前调度阶段调容方案确定调容时段,以表1中S13-315(100)kV·A调容调压变压器的实际综合临界负荷值58.3 kW作为调容阈值,对系统净负荷曲线进行调容时段划分,同时定义调整为大容量时为升容时刻,调整为小容量时为降容时刻,从而得到不同光伏渗透率下的调容结果和调容调压变压器与配置固定容量(S13型315 kV·A、100 kV·A)普通配电变压器(下文称普通变)的损耗比较值,如表2、表3所示。

表2 不同光伏渗透率下的调容结果Table 2 Volume adjustment results under different PV permeabilities

表3 S13型调容调压变压器与固定容量配电变压器不同光伏渗透率下损耗值Table 3 LOSS values of S13 type CVRT and fixed capacity distribution transformer under different PV permeabilities

从表3可以看出,在光伏渗透率不断提高的大背景下,315 kV·A和100 kV·A普通变压器损耗值逐渐上升,而315(100)kV·A的CVRT损耗逐渐降低,有利于未来新型电力系统的节能建设。其原因主要是接入普通变压器的线路随着光伏渗透率提高,节点电压升高或出现潮流返送现象,进一步增加了变压器的损耗。而CVRT采用容量的适时切换,从而降低了系统轻载时的空载损耗,降损效果更明显。以光伏渗透率10%为例,在典型灌溉负荷日,CVRT较2种普通变压器损耗分别降低了58.8%和29.2%;若电价按照0.6元/(kW·h)进行估算,相比于全年都用大容量和全年都用小容量变压器而言,每台CVRT配变年节约费用约为3 744.9元和1 861.5元。

按相关部门统计,每节约1 kW·h电能,就相应节约了0.357 kg标准煤,同时减少排放0.270 68 kg的CO2、0.008 03 kg的SO2、0.006 9 kg的氮氧化物[32],本文策略的经济和环保效益如表4所示。可看出本文提出的策略在环保效益方面,可以显著节约煤,减少CO2、SO2及氮氧化物等有害气体的排放,降低了对大气环境的污染。这对于我国构建节能减排、绿色高效的社会具有积极意义。

表4 每台S13型315(100)kV·A CVRT全年环保效益Table 4 Annual environmental protection benefit of each S13 315(100)kV·A CVRT

2)调压控制效果分析。

经本策略调控后控制日内变压器分接头位置离散化后的结果如图8所示。从图8中可以看出,经过最小二乘法对变压器分接头调整进行理想化曲线拟合,分别将不同光伏渗透率下的分接头调节次数控制在4次、3次、0次以及1次,有效减少了变压器分接头动作次数,可以延长变压器使用寿命。调控前后系统各节点电压如图9所示,由图9可见,经过优化调控可保证系统整体电压在±7%合格范围内。

图8 CVRT分接头投切情况Fig.8 Switching status of tap of CVRT

图9 治理前后系统各节点电压Fig.9 Voltage at each node of the system before and after governance

虽然本文使用的S13型CVRT成本较S13型普通变压器成本要高些,但是超过部分的投资费用一方面可以用节省的电费补偿,另一方面通过使用本文的电压优化控制策略,减少了变压器分接头调整次数,延长变压器使用寿命进行补偿。通过计算,本文所用CVRT预计4～5年之内收回成本,在此以后每年所节省的运行费用则为纯收益。

5 结 论

本文针对配电网高比例时段性大负荷供电区域的低电压现象,在充分分析其负荷特征的基础上,提出了基于模型预测控制技术并计及调容调压变压器的有载调容和调压能力的配电台区经济运行调度策略。为适应新型电力系统发展需要,采用了不同分布式光伏渗透率条件下的算例,验证了本文所提策略可以充分利用有载调容调压变压器的容量和电压调节特性,具有很好的时段性低电压治理效果和节能降损与环保效果。

本文方法可用于南方应用炒茶炉地区、北方含电采暖负荷、夏季空调负荷等日负荷峰谷差较大的配电台区,通过合理地配置有载调容调压变压器,可以有效改善电压和节能降损,适应新型电力系统建设的需要。

附录A

表A1 28节点拓扑线路参数Table A1 28-node topology line parameters