分布式電源并網的綜合評價

柳 睿，楊鏡非，程浩忠，顧 潔，陳 彬，張功林

（1.上海交通大學電氣工程系，電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海200240；2.福建省電力有限公司電力科學研究院，福建3500071）

隨著環境保護壓力日益突出以及傳統電力系統的有所不足，越來越多的分布式電源（distributed generation，DG）并入電網。分布式電源通常是指發電功率在幾十千瓦到幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電單元[1]。采用分布式發電技術，能夠緩解能源矛盾，延緩電網更新換代的速度，同時能夠充分利用可再生能源，向用戶提供清潔的電力，是實現節能減排的重要舉措。

分布式電源因其容量較小，通常并入配電網運行，分布式電源的并入改變了原來配電網的結構，使傳統配電網由單電源放射狀網絡變為雙端甚至多端電源網絡[2]。傳統配電網是一個放射狀結構的無源網絡，潮流是單向流動的，接入分布式電源后，其注入的有功功率和無功功率改變了配電網潮流大小及流向[3]，有可能造成配電網電壓越限、網損增大、可靠性降低等等情況。總之，如何正確評價分布式電源并入電網后對電網的影響是分布式電源進一步發展的必備條件。

文獻[4]從DG對系統網損、可靠性、電壓質量、環境、延緩更新五個方面對DG并網對系統影響進行了評估。文獻[5]提出了分布式發電環境效益定量化指標，建立了考慮環保效益的電量成本計算模型。

現有文獻對DG并網對電網影響的評價不夠全面。本文主要從經濟性、可靠性和安全性三個大的方面來對分布式電源并網進行綜合評價，提出了一系列的指標。它可以評價分布式電源并網后帶來的綜合效益，也可以作為不同分布式電源并網或同一分布式電源在不同模式下并網的技術經濟比較體系。然后采用效用函數將指標值模糊化，得到其效用值，同時采用AHP算出各指標的權重，最后通過歸一化，加權求和得到最終綜合評價結果。

1 綜合評價指標體系的構建

1.1 經濟性評價指標

分布式電源通常利用可再生能源發電，其能源成本不同，發電設施通常也有很大差別以及運行維護成本的不同造成其發電成本與傳統能源發電成本有較大差別；其次，分布式電源并入電網后，其注入的有功功率和無功功率改變了無源配電網的潮流流向，隨之會引起網損的變化；最后分布式電源通常以清潔能源和可再生能源為發電原料，能夠減少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害氣體的排放，帶來了巨大的環境效益。

因此，本文采用以下幾個指標考查分布式電源并網的經濟性。

（1）DG單位發電量成本為

（2）DG單位發電量年生產維護費為

（3）系統平均線損率為

（4）系統線損改善程度為

（5）單位發電量污染物排放治理減少費用為

（6）停電經濟損失變化率為

1.2 可靠性評價指標

隨著大量DG接入配電網，給傳統配電網可靠性的分析帶來了變化。在傳統的配電網可靠性評估中，配電網饋線由單一電源點供電，是典型的放射式供電方式。任何一條饋線上發生故障，將導致饋線后面的負荷全部停電。但是，隨著DG接入配電網使其供電結構發生變化，配電網從一個放射狀網絡變為一個遍布電源與用戶互聯的網絡[6-8]，可靠性分析計算的模型和方法發生了變化。同時并入電網的DG自身也會對系統的可靠性產生影響。

孤島是配電網中引入DG技術以后新出現的一種運行方式——孤島運行。孤島分計劃孤島和非計劃孤島，非計劃孤島，可能會對系統、用戶設備、維修人員等帶來危害，還可能出現電力供需不平衡，從而降低配電網的供電可靠性；而對于計劃孤島，則可以在配電網發生故障時與配電網斷開，而對孤島內的重要負荷繼續供電，從而提高了孤島內負荷的供電可靠性。

本文采用以下幾個指標考查分布式電源并網的可靠性。

（1）系統平均停電頻率為

（2）用戶平均停電頻率為

（3）系統平均停電持續時間為

（4）用戶平均停電持續時間為

（5）平均供電可用率為

（6）平均系統缺電指標為

（7）系統電量不足變化率為

1.3 安全性評價指標

DG作為一個電源，當電網故障時，會向故障點注入短路電流，當分布式電源容量過大時，可能會使過流保護不能正確動作于短路故障。DG并入電網會對母線和負荷節點的電壓有一定提升作用，當DG的容量過大可能會使電壓越限。同時，DG并網能夠分擔一部分負荷，緩解了電網改造和升級的壓力[9]。同時有些DG能夠提供一部分無功，緩解了變電站無功調節裕度，從而對保障母線電壓穩定起到一定作用。

本文采用以下幾個指標考查分布式電源并網的安全性。

（1）短路容量為

（2）母線電壓合格率為

（3）線路負荷節點電壓合格率為

（4）負荷節點電壓改善程度為

（5）負荷節點電壓平均偏移率為

（6）母線負載裕度變化率為

（7）母線電壓穩定裕度變化率為

2 采用AHP對各指標賦權

AHP是評估中分析復雜問題建立評價體系的關鍵技術，它的核心思想是通過建立清晰的層次結構來分解復雜問題，并在許多領域有了廣泛的應用[10]。本文中建立的層次結構如圖1所示，分目標層、子目標層和指標層。

建立上述層次結構后，可采用兩兩比較或專家打分確定每層間各指標的權重。最后逐層向上計算得到各層指標的權重，計算公式為

圖1 分布式電源并網綜合評價層次結構Fig.1 Hierarchy of comprehensive evaluation of grid-connected distributed generation

3 評估方案指標體系的模糊化

由于不同指標的量綱、數量級、評價標準等不同，因此不可能直接利用初始屬性指標進行比較。必須要將各指標模糊化，消除各指標之間的不可公度量性，化為統一無量綱的指標，然后進行綜合比較。本文采用效用變換法求取各指標的效用函數將各指標模糊化。效用變換即利用指標對決策者效用的大小將其變換到區間[0，1]上，0代表決策者對此時的指標值最不滿意，1表示決策者對此時的指標值最滿意。

通常的做法是先將將指標分類。通常可分為效益型指標、成本型指標、固定型指標、區間型指標、偏離型指標和偏離區間型指標等六種。

效益型指標是指屬性指標值越大越好的指標；成本型指標是指屬性指標值越小越好的指標；固定型指標是指屬性指標值穩定在某個值最好的指標；區間型指標是指屬性指標值落在某個區間內最好的指標；偏離型指標是指屬性指標值越偏離某個值越好的指標；偏離區間型指標是指屬性指標值越偏離某個區間越好的指標[11]。

各種指標形式對應不同的通用函數式，然后根據各個指標變化趨勢的特性，求出其函數參數，從而得到各指標的效用函數。然后可計算出各指標的效用值。

4 模糊綜合評價

利用權重因子和各屬性的效用值，經過計算可求得方案的總評價得分，即

式中：S表示某方案總評價得分；n表示選擇的評價屬性總數；Wi為該方案評價屬性權重；Ui為該方案評價屬性的效用值；M為基準值。

5 算例分析

5.1 算例描述

圖2 33節點配電網系統結構Fig.2 Structure of 33 nodes distribution system

表1 線路阻抗和負荷數據Tab.1 Line impedances and loads date

本文采用福建某地區配電網結構和相應參數。以此為例進行分析，考查不同類型、不同容量的分布式電源接入不同位置對電網的影響。配電網系統結構見圖2，阻抗參數及負荷參數如表1所示。33節點配電系統網絡額定電壓選10.0 kV。其中0點為電源點，電壓幅值為10.6 kV，相角為0°，算例中有4條分支線，最長分支線0～17線長約10 km。該網絡為架空單放射網絡。主干線路故障率取0.05次/（a·km），主干線路故障平均修復時間取4.0 h/次。DG類型及參數見表2。DG故障率取5次/a。DG故障平均修復時間取50 h/次。負荷點用戶數按每戶4 kW折算。DG并網方案見表3。

表2 分布式電源出力及類型Tab.2 Output power and type of DGs

表3 分布式電源并網方案Tab.3 DGs grid-connected solutions

考察各方案中DG并入配電網對配電網的影響，考查指標根據實際的需要選擇有代表性的指標進行考查，本案例選擇表5所示的指標進行考察。

5.2 計算結果及分析

通過潮流計算結果（表 4）和算式（1）～式（20）得到各指標的計算結果如表5所示。通過AHP分析得到上述考察指標的權重為

將各方案指標計算值模糊化得到各指標的效用值如表6所示。

表4 不同情況下節點電壓計算值Tab.4 Nodal voltages under different conditionskV

表5 評價指標計算值Tab.5 Calculation values of evaluation indices

表6 評價指標效用值Tab.6 Utility values of evaluation indices

由各方案的權重和各方案指標的效用值，再由式27可得各方案的綜合評估得分如表7所示，本案例中M取1，則綜合評估值最大值為100，最小值為0。

表7 不同方案綜合評估值Tab.7 Comprehensive evaluated values of different solutions

由表7可看出，方案3得分最高，方案2其次，說明方案3相對是最好的，方案2其次。再結合表4可以得到在未接分布式電源時，算例中各節點電壓全部在安全范圍內，接入DG后，各節點電壓也沒有出現越限，同一DG接在末端時其綜合效益相對要好于接在中間，兩個DG都接要好過只在其中一個位置接一個DG。

6 結語

針對當前越來越多的分布式電源并網，提出一套全面的綜合評估體系。該體系考慮了經濟性、可靠性和安全性三個方面；給出了每個指標的計算方法，能夠定量計算每個指標；可采用效用分析將值模糊化為無量綱的值，再通過AHP求得的每個指標的值即可加權得到綜合評估值。案例驗證了本文提出的綜合評估方法對同一分布式電源在不同點并網以及兩個分布式電源并網進行了技術經濟評估，給出合理的評估值，評估結果可供規劃或運行人員參考。

[1]王志群，朱守真，周雙喜，等（Wang Zhiqun，Zhu Shouzhen，Zhou Shuangxi，et al）.分布式發電對配電網電壓分布的影響（Impacts of distributed generation on distribution system voltage profile）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2004，28 （16）：56-60.

[2]AckermannT，AnderssonG，SoderL.Distributedgeneration：a definition[J].Electric Power Systems Research，2001，57（3）：195-204.

[3]張勇（Zhang Yong）.分布式發電對電網繼電保護的影響綜述（Review of impact of distributed generation on distribution system protection）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（2）：145-151.

[4]張立梅，唐巍，趙云軍，等（Zhang Limei，Tang Wei，Zhao Yunjun，et al）.分布式發電對配電網影響的綜合評估（The integrated evaluation of impact of distributed generation on distribution network）[J].電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（21）：132-135，140.

[5]錢科軍，袁越，石曉丹，等（Qian Kejun，Yuan Yue，Shi Xiaodan，et al）.分布式發電的環境效益分析（Environmental benefits analysis of distributed generation）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2008，28（29）：11-15.

[6]Archer B A，Davies J B.System islanding considerations for improving power system restoration at Manitoba Hydro[C]//IEEE Canadian Conference on Electrical and Computing Engineering.Winnipeg，Canada：2002.

[7]劉傳銓，張焰（Liu Chuanquan，Zhang Yan）.計及分布式電源的配電網供電可靠性（Distribution network reliability considering distribution generation）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（22）：46-49.

[8]王建，李興源，邱曉燕（Wang Jian，Li Xingyuan，Qiu Xiaoyan）.含有分布式發電裝置的電力系統研究綜述（Power system research on distributed generation penetration）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2005，29（24）：90-97.

[9]王敏，丁明（Wang Min，Ding Ming）.含分布式電源的配電系統規劃（Distribution network planning including distributed generation）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2004，16（6）：5-8，23.

[10]肖竣，王成山，周敏（Xiao Jun，Wang Chengshan，Zhou min）.基于區間層次分析法的城市電網規劃綜合評判決策（An IAHP-based MADM method in urban power system planning）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2004，24（4）：50-57.

[11]孔峰.模糊多屬性決策理論、方法及其應用[M].北京：中國農業科學技術出版社，2008.