多分布式电源接入高压配电网的无功返网量优化调节方法

田 野，彭权威，雷 超，廖彦洁

（1．国网成都供电公司，四川 成都610000；2．国网天府新区供电公司，四川 成都610000）

0 引 言

在春节、国庆节等节日长假期间，110 kV高压配电网供电量大幅下降，110 kV整体呈轻载状态；同时110 kV城市电网内电缆线路较多，其充电功率是相同长度的110 kV架空线路的15～20倍［1］。这两方面原因导致整个110 kV高压配电网会向上级220 kV电网返送大量无功功率。为了避免无功返送造成的上级电网调压困难，省调会对各个地调所辖所有220 kV变电站主变高压侧的无功返送总量进行考核。在无功返送量较大的极端情况下，地调会考虑采取切除无功返送较多的110 kV备用空充线路，以牺牲110 kV电网运行可靠性的方式，减少总的无功返网。

目前，小型水电厂、垃圾发电厂、风电发电和光伏发电等中小型分布式电源（DG）已大量渗透到110 kV高压配电网中［2－4］。在电网处于轻载时，这些电源能够吸收电网内过剩的无功功率，比如垃圾发电厂具有进相运行的能力，风电和光伏的电力电子接口装置具有吸收无功的能力［4，5］。但是，地调还仅仅是采取投入220 kV站电抗器的方式减少无功返网总量，还未充分发挥大量DG吸收无功的能力。为此，如何通过电抗器和大量DG的潮流调节方式，减少节假日期间无功返网总量，尽量达到无功分层分区平衡状态，对满足无功返送的考核指标和保障电网运行可靠性具有重要的指导意义。

本文从基于无功补偿分层分区平衡的潮流调节角度出发，提出一种以无功返网量最小为目标的多分布式电源接入高压配电网无功优化调节方法。所建模型包含多个分布式电源的高压配电网无功分区平衡子模型。在具体在实现过程中，所建模型充分考虑了省调对无功返送总量的考核要求，优先对含多个分布式电源的高压配电网无功分区平衡进行调节，采用了免疫遗传算法对这两个子模型进行求解。

1 多分布式电源接入高压配电网的无功分区平衡调节

在各分区无功平衡的调节过程中，若分区Ai内存在多个分布式电源，并且分布式电源具备可吸收和发出无功的能力，则无功分区平衡的控制目标应优先考虑减少电源侧110 kV线路返送无功量ΔQl，然后才是降低分区内有功网损Ploss。不同分区之间的分布式电源无功调节顺序，应从首端节点电气距离最远的分区依次到电气距离最近的分区。因此，分区Ai对应的具体无功平衡调节模型为：

式中，nG为分区 Ai内的 DG 个数；PG，i和 QG，i分别为分区Ai内 DG 节点i的有功和无功出力，PD，i和QD，i分别为分区Ai内节点i的有功和无功负荷，Pi和Qi分别为分区Ai内节点i的注入有功和无功，Nb为系统节点个数；QG为分区Ai内DG输出或者吸收无功，和分别为分区Ai内DG的无功出力最大值和最小值为分区Ai内DG源的机端电压，和分别为分区Ai内DG的机端电压最大值和最小值；Ui表示负荷节点i的电压幅值，U和U分别表示电压最大值和最小值，npq表示负荷节点。

2 所建模型的计算步骤

本文免疫遗传算法IGA是将所求解问题的目标函数对应为抗原，将问题的解对应为免疫系统产生的抗体，由抗体和抗原之间的亲和度计算公式来评价不同抗体的优劣。通过一系列遗传操作及亲和度计算，找出抗体种群中和抗原之间的亲和度最大的抗体，即为问题的解。在所建高压配电网无功返网量最小的优化调节模型中，抗体变量为110 kV电网中DG机端电压、220 kV变电站电抗器、220 kV电网内主变档位和接入220 kV电网的发电厂机端电压。同时，考虑到110 kV高压配电网分区内部电源对区域内负荷节点电压的强耦合控制。本文选用电源分区与短路阻抗距离的无功分区方法，实现高压配电网的无功控制分区。具体计算步骤如下：

（1）采用电源分区与短路阻抗距离的无功分区方法，对含多个DG的110 kV高压配电网进行无功分区；

（2）按照无功的分层平衡，在不影响10 kV电压越下限的前提下，调节220 kV和110 kV主变档位至合理范围后，采取切除220 kV站和110 kV站无功补偿电容器的方式进行无功调节；

（3）按照无功的分区平衡，求解含分布式电源的高压配电网无功分区平衡调节模型；

（4）在保证220 kV站10 kV母线不发生越下限情况下，采取投入站端电抗器的方式进行无功调节；

（5）调节结束。

3 算例分析

基于本文提出的上述减小无功返送的调节方法和Matlab R2012a软件，对2016年春节期间成都某地区的实际110 kV高压配电网进行了仿真分析。下面介绍算例结果及仿真分析。成都某地区实际110 kV电网，有6座110 kV变电站，1座220 kV变电站，全网总共有23个节点。按照电源分区与短路阻抗距离的无功分区方法，110 kV高压配电网全网共分为2个无功控制分区1和分区2。所有变电站主变均为有载调压，110 kV站和220 kV站均安装无功补偿电容器，220 kV站端还安装电抗器。全网内共接入3处分布式电源，分别是光伏电站、风电场和垃圾发电厂，具体见表1。本文设定基准功率为100 kVA，基准电压为220 kV、110 kV和10 kV，220 kV RD 站的高压侧节点1为平衡节点，具体接线方式见图1所示。

本实际算例的负荷数据来自于2016年春节期间2月11日凌晨03点15分的SCADA采集值。在仿真中，220 kV、110 kV的电压安全变化范围为标称电压的＋7%和0%之间，即1．0～1．07 p．u．之间；假设省调考核地调所辖220 kV RD站和XJD站关口的无功返送总量不能超过0．15 p．u．。为简化问题，假设所有调压设备都是连续调节。

图1 成都某地区实际110 kV23节点高压配电网

表1 分布式电源参数 （单位p．u．）

本文采用的免疫遗传算法抗体总数设定为40，变异概率为0．15，选择概率为0．5，免疫遗传进化最大代数为100代，对本文所建模型进行了求解。下面从多个DG的无功分区平衡调节和省地AVC系统联调调节两个角度，对减少110 kV高压配电网无功返送的效果进行了仿真分析。在完成全网的无功分层平衡调节后，对全网按照分区由远至近的顺序，优先对分区2进行无功平衡调节，其次再对分区1进行无功平衡调节。具体调节过程见表2。表中，全网有功网损仅包含本文所研究的110 kV高压配电网。

表2 多个DG的无功分区平衡调节结果（单位p．u．）

从表2可见，从两个分区的无功平衡优化调节手段来看，分区1内节点13所接的光伏电站和节点19所接的风电场均在吸收110 kV高压配电网网内的过剩无功，使得返送至220 kV RD站中压侧节点2的无功总量减少至0．18p．u．；分区2内节点8所接入垃圾发电厂采用进相运行方式吸收分区内的过剩无功，减少了节点4向节点3返送的无功总量。

从两个分区的无功平衡调节先后来看，分区2优先于分区1进行无功平衡优化调节，在减少末端电网的无功返送量后，再对靠近220 kV电源电气距离较近的分区2调节其无功平衡，最终可实现减少分区1和2内的无功返网总量。由于全网负荷较轻，在优化调节前，110 kV高压配电网有功网损为0．08p．u．，而在优化调节后，其有功网损为0．04p．u．，低于优化前的全网有功网损值。优化前，110 kV高压配电网通过220 kV RD站向220 kV电网返送大量无功，其电网运行的经济效益比较低；但在优化调节后，采取DG吸收无功的方式，减少了220 kV RD站向220 kV返网的无功总量，尽量使得无功满足分层分区平衡，降低了电网运行的损耗。

4 结 论

本文提出一种含多分布式电源的高压配电网无功返网量最小的优化调节方法。本文所建模型包含多个分布式电源的高压配电网无功分区平衡子模型，在具体实现过程中，所建模型充分考虑了省调对无功返送总量的考核要求，优先对含多个分布式电源的高压配电网无功分区平衡进行调节。本文的无功返网量最小的优化调节方法以高压配电网内的分布式电源为调节对象，合理的减轻了轻载状态下电缆线路的无功返送问题。