考慮分布式電源的配電網優化規劃

李偉倫，桂淑華，孫志剛，衛志農

（1.南通供電公司，江蘇南通226006；2.河海大學，江蘇南京210098）

隨著分布式電源接入配電網，傳統的配電網規劃面臨著重大的挑戰。分布式電源（DG）是指發電系統以小規模、分散式的方式分布在用戶端，可以獨立地輸出電能的系統。分布式發電設備主要有內燃機、微型汽輪機、風力發電、光伏發電等，具有投資小、損耗低、系統可靠性高、效率高等優點[1]，同時，在減輕環境污染降低網絡損耗等方面都具有一定的優勢。分布式電源并入電網，對配電網的節點電壓、線路潮流、短路電流、網絡可靠性等都會帶來影響，其影響程度與分布式電源的位置和容量有關[2-5]。因此，合理有效地選擇分布式電源的位置和容量十分重要。

國內外學者對分布式電源的選址和定容問題進行了研究。文獻[6]在分布式電源個數、位置和容量都不確定的情況下，采用遺傳算法對分布式電源的位置和容量進行優化。文獻[7，8]從供電公司角度，給出了在市場條件下DG的規劃模型，并采用啟發式方法求解。文獻[9]運用支路交換法和模擬退火算法進行配電網絡擴展規劃，同時采用遺傳算法優化DG的位置和容量。文獻[10]研究了在不同負荷水平下計及配電網DG優化配置問題，并考慮到DG對配電網潮流和線路負載能力的影響。本文針對DG接入配電網規劃問題，建立配電網綜合節能的優化模型，從供電公司的角度，以年費用和網絡損耗最小為目標函數，通過對網絡供電能力綜合量化評估，引入協調系數的概念，借助協調系數對目標函數進行優化。

1計及DG的配電網規劃數學模型

配電網規劃是指在電網現狀分析及未來負荷分布預測的基礎上，在滿足未來用戶容量和電能質量的情況下，確定若干年后合理的目標網絡結構。本文分別以年費用和網絡損耗最小為目標函數，具體目標函數如下：

式中：

式（1—3）中：F1為投資年費用，包括配電網線路和DG年費用；F2為系統網絡損耗；N1為新建線路數；nDG為接入配電網的DG數目；α和β分別為線路和DG投資年費用系數；Cli和CDGj分別為新建第i條線路和第j個DG機組的投資費用；CDG為DG運行成本；cb為單位購電價格；PDGj為第j個DG機組的額定容量；T0為DG向配電網供電的年最大運行時間；Ploss為網絡損耗，與分布式電源的位置和容量有關。

結合電力系統的要求和配電網實際運行的特點，提出如下約束。

（1）配電網正常運行情況下呈輻射狀結構。

（2）線路電壓 Uimin≤ Ui≤ Uimax(i=1，2，……，n)，n為節點總數。

（3）容量約束： ① 對線路， Ii≤ Iimax(i=1，2，……，N)，N為線路總數，Ii和Iimax分別為第i條支路的電流和允許通過電流的上限。②對DG，由于本文規劃不考慮功率的逆向流動，DG出力受DG機組最大容量的限制，同時認為安裝在負荷中心的DG只對該節點負荷供電，所以 PDGj≤Pj；∑PDGj≤Pmax；PDGj和Pj分別為第j個DG機組的裝機容量和節點負荷；Pmax為系統允許接入DG的最大容量。

2協調模型的提出

由于并入配電網的DG的位置和容量對配電網有很大影響。因此，為了降低DG的無序建設對配電網帶來的安全以及穩定的影響，本文引入協調系數的概念，通過價格杠桿來指導DG布局，反映當前規劃方案中考慮DG數量和位置對系統造成的影響，新的目標函數為：

式中：Tmax為年發電小時數；w1為單位損耗費用；D*是協調系數，反映的是當前方案中DG分布情況對系統造成影響的大小，DG大量并網運行，增加了配電網規劃的不確定性，協調系數的引入起到降低投資風險，協調配電網絡規劃與DG合理布點的作用。

2.1 協調系數D＊的計算

協調系數反映的是當前規劃方案中DG出現的數量和容量對系統造成的影響。由于目前DG的安裝成本相對較高，DG的布點和容量都是不確定的，因此DG的接入對配電網的影響具有很大的不確定性。文獻[11]基于粗集理論的權重確定方法，建立一種計及網損、電壓、短路電流等多種指標的DG接入容量和位置的綜合評價系數，但是該方法有很大的主觀性，過程過于復雜，不適合大規模評價。本文采用模糊理論對綜合協調系數進行求解。首先通過建立配電網評估的指標體系，對每個指標確定隸屬度函數，對評估對象進行量化，可以很好地處理評價屬性的不確定性，從而最終得到全網的協調系數。其評價結構如圖1所示。

圖1網絡評價指標體系

本文選取DG接入對配網造成較大影響的3類指標進行評價。其典型隸屬度函數表示如下。

（1）線路負載率隸屬度函數。梯形分布的隸屬度函數表達式為：

根據各條線路的負載率情況對線路進行評價，根據工程上的應用，規定線路負載率一般在40%～60%，取負載率的下限為0，上限為120%。

（2）電壓偏差隸屬度函數。定義電壓偏差隸屬度函數表達式為：

由于和傳統網絡不同，部分節點可能接有DG，統計各條線路的電壓偏差x%，根據規劃設計導則規定，供電電壓的正負偏差的絕對值不超過標稱電壓的10%，本文取電壓偏差絕對值上限為7%。

（3）線路網損率隸屬度函數為：

統計各條線路的線損率x%，架空線路的線損在3%以下，本文取10%為上限。

本文局部權重的設定主要參考專家的建議，然后通過歸一化得到最終權重。本文采用圖1所示的評價體系，主要選取了接入DG會對配電網產生較大影響的指標，利用權重因子和各項指標的隸屬度，對配電網絡的供電能力進行綜合評估，得到一個量化結果：

式中：ωi為評價屬性歸一化的權重因子組，本文選定各因素對供電能力影響權重為：ω=（ω1，ω2，ω3）=（0.4，0.3，0.3）；Pi為各評價指標的平均隸屬度值；得到評估結果，在b1程度上供電能力表現良好，在b2程度上供電能力表現一般，在b3程度上供電能力表現不好。當供電能力表現為一般和良好時，表示電網運行正常，因此D*取供電能力在一般以上的值b1+b2。

3算例分析

按照本文提出的方法，對某配電網絡[12]進行分布式電源的選址、定容和網架規劃。網架的初始結構如圖2所示，虛線為待選線路，節點0為配電網變電站的節點，其余為負荷節點。假設網絡中允許接入DG的節點為1～9，待選單個分布式電源的功率因數取0.9，單個分布式電源的接入容量為100 kV·A的整數倍，負荷總量僅考慮新增負荷節點負荷總和，分布式電源在電網中最大的接入容量為新增負荷總量的15%。

圖3多目標優化結果

圖3是以供電公司年建設費用最小和網絡損耗最小為目標函數進行多目標優化的結果。分布式電源的位置位于節點4，5，7，容量分別為300 kV·A，300 kV·A和200 kV·A，由于分布式電源對線路潮流的影響，可以看到分布式電源主要位于輻射線路的中末端。

多目標的優化結果為731.094萬元，此時2個優化子目標分別為：供電公司年成本720.74萬元，網絡損耗為0.098 5 MW。對優化結果進行綜合評價，評價結果如表1所示。

表1多目標優化結構綜合評價結果

從表1可知，在55.29%的程度上供電良好，在26.03%程度上供電一般，在18.68%的程度上供電不好。這樣取協調因子為D*=0.812 9，對式(4)的目標函數進行優化，得到優化結果如圖4所示。

圖4最終優化結果

分布式電源安裝在節點1，4和9，容量分別為200 kV·A，300 kV·A 和 300 kV·A， 優化結果為732.928萬元，其中網絡損耗為0.109 1 MW，對該方案進行評估，最終網絡結構評價結果如表2所示。

由表2可知，目前所選的網絡在65.99%的程度上供電良好，在24.68%的程度上供電一般，在9.33%的程度上供電不好。

表2 最終網絡結構評價結果

綜合表1和表2數據，優化前系統在18.68%程度上無法正常運行，優化后系統在9.33%程度上無法正常運行，分布式電源對配電網運行的不良影響明顯地減小了。

4結束語

純粹以年費用最小為目標對網絡進行優化可以得到費用上具有優勢的方案，但在實際應用中存在很多不合理的地方，只有充分協調各優化目標，才更具實際意義。

本文以系統年費用最小和網絡損耗最小為目標，得到規劃的預選方案，建立了基于模糊理論的電網供電能力評估模型，針對DG接入電網后帶來的影響，確定各項評估指標，最終得到預選方案評價的量化結果。通過評估結果對目標函數進行優化，再次對網絡進行優化規劃，得到新的規劃方案，從算例可以看出，在費用上2個方案相差不多，但是新的方案在良好運行狀態上要優于原有方案。

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