基于功率-里程聚合的农村配电变压器台区低电压治理方法

《Energies》：A Low-Voltage Mitigation Method for Rural Distribution Transformer Areas Based on Power-Mileage Aggregation

　　

摘要翻译：农村配电变压器台区（RDTAs）的低电压违规是中国持续且普遍存在的问题，影响超过5%的此类台区，并危及数百万农村终端用户的供电质量。这些违规主要由供电距离长、导线截面不足、负荷分布分散以及终端馈线功率因数低引起，导致设备性能下降、线损增加，并阻碍可再生能源分布式发电的接入。缓解此类违规的关键在于一次设备的快速协调调节。考虑到农村配电变压器台区的实际设备配置，研究人员提出了一种基于功率-里程聚合的低电压治理方法。首先，采用生成对抗网络（GAN）对采集的电气数据进行预处理，并通过电力线特征脉冲实现设备测距，从而分析低电压现象的时空分布。其次，基于从电源（包括分布式发电机、软开关点、储能系统和配电变压器）到智能电表的线路长度，开发了功率-里程聚合指标，以量化电源输出变化对低电压电表的影响。随后，以最小化低电压治理的功率里程为目标，应用牛顿迭代法确定储能系统和软开关点的最优输出功率。通过案例研究验证了所提方法的有效性。与最优潮流、二阶锥规划和区间鲁棒控制的比较分析表明，所提方法在保持更高经济效率的同时，实现了更优的低电压治理性能。

论文解读文章：

**研究背景与问题**
农村配电变压器台区（RDTAs）作为供电公司向农村终端用户提供电力服务的基础设施，在中国分布广泛，但普遍存在供电半径长（常超过1000米）、设备老化、导线截面不足（通常为35–50 mm2）等问题。尽管经历了多轮农村电网改造，但供电距离长、导线截面过小、导体运行条件差、负荷分散以及终端用户功率因数低（常低于0.85）等挑战导致馈线末端频繁出现低电压违规。根据国家电网公司统计，中国低电压违规的RDTAs占总数的5%以上，显著高于德国和日本等发达国家的1%水平。典型RDTAs的现场测量显示，高峰负荷期间终端用户电表（CM）的最低电压可降至187.8 V，远低于中国电能质量标准规定的198 V下限。低电压问题导致用户设备性能下降、线损增加（在恒功率负荷下，190 V运行比220 V运行电流增加约15%，导致I2R损耗增加30%）、设备老化加速，并限制了可再生能源分布式发电（DG）的接入，特别是阻碍了光伏扶贫项目的实施。因此，研究RDTAs低电压治理方法对提高农村供电质量、提升能源效率和促进可再生能源整合至关重要。

**研究内容与结论**
针对现有电压控制方法（如传统调压设备、DG逆变器、软开关点（SOP）和储能系统（ESS））在RDTA环境中的局限性，如通信可靠性低、数据缺失、控制架构复杂等，研究人员提出了一种创新的功率-里程聚合方法。该方法通过融合生成对抗网络（GAN）数据修复、电力线特征脉冲测距和牛顿-拉夫逊（NR）优化，构建了完整的低电压治理流程。核心创新在于功率-里程聚合指标，它耦合了实时功率输出和物理馈线长度，动态量化电源对终端电压的影响，克服了传统灵敏度方法（静态雅可比矩阵）和静态距离加权方案的缺陷。通过在西南地区真实演示台区的案例验证，与最优潮流（OPF）、二阶锥规划（SOCP）和区间鲁棒控制（IRC）相比，所提方法在保持更高经济效率的同时，实现了更优的低电压治理性能，显著降低了ESS和SOP的功率输出（最大输出功率分别为9.6 kW和22.4 kW，对比OPF的10.6 kW/26.8 kW、SOCP的17.7 kW/41.4 kW和IRC的18.9 kW/44.3 kW），并缩短了计算时间（81.5 ms对比OPF的106.1 ms、SOCP的170.3 ms和IRC的140.5 ms）。该研究发表于《Energies》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：（1）基于生成对抗网络（GAN）的数据预处理，用于修复缺失或异常电气数据，其在不同缺失率下（5%至50%）的均方根误差（RMSE）显著低于线性插值、KNN、FSOM等方法（在5%缺失率下为0.43%，对比FSOM的1.74%）；（2）基于电力线特征脉冲的设备测距，利用高斯调制正弦脉冲（中心频率500 kHz）和互相关算法，实现高精度线路长度测量（平均误差9.4 m，对比GPS的66.5 m）；（3）功率-里程聚合指标，将电源输出功率与线路长度乘积累加，量化电压影响权重；（4）牛顿-拉夫逊（NR）算法求解优化问题，最小化ESS和SOP的有功功率调整。样本数据来自中国西南地区的一个演示台区，包含两个RDTAs（RDTA A和B），配备315 kVA和250 kVA配电变压器、储能系统（20 kW/60 kWh和40 kW/80 kWh）、多个DG（光伏和生物质）以及一个容量为50 kW的SOP。数据采集频率为15分钟/间隔，使用2023年7月的数据。

**研究结果**
**4.1 基础数据分析**：通过计时误差分析，基于北斗的双向同步将平均计时误差降至50 ns，显著优于GPS的单向同步（550 ns）。数据修复分析显示，GAN在不同缺失率下均优于FSOM，在50%缺失率下RMSE为2.01%，满足工程要求。距离测量分析表明，电力线特征脉冲测距的平均误差（9.4 m）远小于GPS（66.5 m），验证了高精度空间数据获取能力。

**4.2 低电压治理效果分析**：通过影响权重分析，功率-里程聚合曲线与DG、SOP和储能系统的功率输出曲线一致，验证了电源输出对电压影响的量化准确性。NR算法迭代50次后误差收敛至0.2%，满足精度要求。与OPF、SOCP和IRC的比较显示，所提方法在维持CM电压在标准范围内（198 V–235 V）的同时，最小化ESS和SOP的功率输出，从而降低设备容量需求，节省投资。计算效率分析表明，NR方法计算时间最短（81.5 ms），对计时误差的鲁棒性最强（影响比0.0062‰），而BFS-OPF为102.7 ms且影响比0.0421‰。额外验证在IEEE 13节点、IEEE 123节点和CIGRé低电压基准网络上进行，所提方法在计算时间（降低23.9–50.0%）、迭代次数（28–44）和计时误差影响（低于0.01‰）方面均表现优异。

**4.3 灵敏度分析**：负载水平、DG输出、ESS容量和线路参数的变化测试显示，所提方法在所有场景下均保持最低CM电压高于198 V，电压恢复率大于95%。敏感性排序表明，性能对负载水平和DG输出最敏感，对ESS容量中等敏感，对线路参数最不敏感。

**4.4 多台区验证**：在六个不同RDTAs（包括演示系统）上，所提方法在所有案例中均实现最低总控制功率（平均降低28.4–41.2%），计算时间平均为82.4 ms，电压恢复率平均为97.6%，验证了其通用性。

**4.5 经济成本评估**：基于年化成本模型（资本回收因子为0.1295），所提方法的总年化成本最低（CNY 76,700/年），比OPF低13.6%，比SOCP低79.4%，比IRC低91.7%，由于最小化ESS和SOP容量需求，显著降低投资成本。

**4.6 可靠性评估**：通过电压恢复率（VRR）、最大连续运行时长（MCOD）和控制响应时间（CRT）指标，所提方法实现了最长MCOD（135分钟）和最短CRT（4.2秒），可靠性边界达到负载水平的135%，优于OPF（120%）、SOCP（125%）和IRC（128%），表明其较强的鲁棒性和实用性。

**讨论与结论**
讨论部分强调，功率-里程聚合方法通过动态加权和累积叠加，避免了线性化误差，并明确以经济性为优化目标，减少设备容量需求。结论部分指出，该方法的核心创新在于打破功率大小与馈线距离的分离，通过GAN数据修复、电力线脉冲测距和NR优化，构建了适用于RDTAs的完整低电压治理框架。与现有方法相比，该方法在治理效果、经济性和计算效率上均具优势，且适用于资源受限的农村配电网环境。未来工作将聚焦于台区连接点位置选择，以进一步提升治理效果。