含有分布式電源配電網重構的研究現狀及發展趨勢

秦昕，李修華，要航，裴，呂思穎

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

?

含有分布式電源配電網重構的研究現狀及發展趨勢

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

簡要分析了分布式電源接入對配電網重構的影響，著重從含分布式電源的潮流計算模型、配電網重構的數學模型以及含分布式電源的重構算法三個方面闡述了該重構的研究現狀，提出了現階段研究的不足，展望了未來的發展方向。

分布式電源；配電網重構；模型；參數；算法

1 引言

分布式電源(Distributed Generation,DG)通常是直接布置在配電網或分布在負荷附近以滿足特定用戶的要求，且發電功率在幾千瓦至幾十兆瓦之間的經濟、高效、可靠發電的小型發電設施[1]。這種新興的發電技術得到人們越來越多的重視，一些主要的發達國家已經將DG技術放在了相當重要的位置。我國因為能源的匱乏，DG技術的大力發展將是我國電力工業的未來發展趨勢。

隨著接入配電網的分布式電源容量的逐漸增加，DG將會對配電網的各個方面產生不可忽略的影響，含DG的配電網重構就是其中的一個重要問題。配電網重構是通過合理安排配電網中多數分段開關和少數聯絡開關的開合狀態，改變配電網絡拓撲結構，從而平衡饋線負荷、降低網損、消除過載、提高網絡供電能力的優化配電網運行的一種重要手段[2]。傳統配電網中的電源主要是集中式電源，而分布式電源相比于常規的集中式電源可以提高能源利用率，既可獨立運行直接滿足用戶需要，又能接入配電網滿足能源的補充[3]。因此充分合理地利用分布式電源將會對配電網產生積極影響。

傳統配電網重構興起于20世紀80年代后期，其目前的研究技術已趨于成熟，但現在節能減排、綠色能源、可持續發展已成為各國關注的焦點，分布式發電技術也日益完善，而針對含DG的配電網重構研究尚未成熟，因此研究含DG配電網重構具有深遠的意義[4]。本文將從不同方面分析DG接入對配電網的影響，闡述涉及含DG配電網重構的研究現狀，展望DG應用于配電網重構的發展方向。

2 DG對配電網重構的影響

配電網是從輸電網或地區發電廠接受電能，通過配電設施就地或逐級分配給用戶的電力網，與發電廠、輸電網和用電設備共同組成完整的電力系統，其中配電設施包括配電線路、配電所、配電變壓器等。配電網作為電力系統中最末端的環節，起著連接電源和用戶的重要作用[3]。分布式電源接入配電網后，其接入的位置與容量的大小都會對配電網的各個方面帶來不同程度的影響，這會給配電網重構帶來新的挑戰，即如何最大限度地減少DG對電網的不利影響并且發揮DG在配電網中的最大優勢。

分布式電源主要在以下幾個方面給配電網重構帶來了影響[5-8]：

(1)對網損的影響。DG的接入將使整個配電網的負荷發生變化，當某個負荷點的負荷不小于DG輸出量、而所有DG輸出量小于配網總的負荷量時，引入DG有可能增加某些線路網損，但是系統總的網損減小；當某個負荷點的負荷量小于該點的DG輸出量，而所有DG輸出量大于配網總的負荷時，如果所有的DG發電量小于總負荷的2倍，DG的影響和前邊的類似，否則將增加總的損耗。因此，DG既可能增大也可能減小配電系統網損。

(2)對電壓的影響。DG的引入不僅改變了傳統線路的潮流方向，而且抬高了各負荷節點電壓。由于 DG 輸出功率不穩定，容易造成系統電壓的波動，而當DG不與當地的負荷協調運行時，這時將會更容易增大系統電壓的波動。

(3)對配電系統潮流方向的影響。當不引入DG時，系統的潮流方向是由母線流向線路，其潮流方向是單向的；引入DG后，由于DG的出力支持，改變了潮流的流向，使得潮流方向難以確定，潮流的大小計算起來也比較困難。這些可能導致電壓調整的設備失去正常的調節功能。

(4)對繼電保護裝置的影響。引入DG后，配電系統整個網絡都存在電源與用戶相連，電網的潮流方向也不再單純從母線流向負荷，以前設定的保護整定策略就可能不適用了，如果采用加裝方向元件的方法來解決這個問題，則會大大降低系統的經濟效益。

(5)對配電系統可靠性的影響。DG的引入有可能改變短路電流的大小和網絡結構，這使得按原先網絡設計的繼電保護容易誤動作。當DG并網后，應防止發生單相接地短路時非故障相的過電壓；當DG撤出后，DG仍可以獨自供電。然而無意識的孤島運行會對配電系統的穩定造成一定的危害，同時也可能引起諧振，損壞設備。另外，DG大量滲入配電網將導致振蕩持續時間的延長，威脅著系統的安全運行。

3 DG的潮流計算模型

分布式電源的引入將使多個電源分布配電系統，整個配電系統潮流的流向將發生改變，因此傳統的潮流算法可能不再適用，需要對此加以改造。DG的類型主要有[9-11]：

(1)風力發電

目前主流的風電采用異步機方式同電網并網運行，通過無功自動投切裝置維持風電功率因數的穩定，由于有功功率確定，其無功功率也就得以確定，因此風電可被看為 PQ 節點。

(2)光伏發電與燃料電池

將電力電子裝置為能量轉換設備與大電網連接的光伏電池(逆變器采用電壓控制)和燃料電池(輸出電流為直流)可以看作PV節點；逆變器采用電流控制的光伏電池可看作PI節點。與分布式電源相連接的任何電力電子裝置無功輸出都是有上限的，在潮流迭代中，若出現PV無功越線，則將其轉換成對應的PQ節點；若在后期迭代中又出現該節點電壓越界，則重新將其轉換為PV節點[7]。

(3)微型燃氣輪機

微型燃氣輪機可分為分軸結構和單軸結構。分軸微型燃氣輪機通過勵磁可調的同步發電機直接并網運行，可根據電壓控制或功率因數控制分別處理為PV或PQ節點；單軸微型燃氣輪機輸出高頻交流電，需通過電力電子裝置接入電網，可根據母線處換流器的種類確定為PV或PI節點。

如上文所述，隨著DG的接入，配電網的節點類型變為PQ、PV、PI和P恒定、Q=f(V)這四類節點。下面分別予以介紹[9-10]。

(1)P、Q恒定型

在含DG的配電網潮流計算中，對DG的簡單處理就是把DG當成“負的負荷”，即作為PQ節點。此種DG與功率大小相等的負荷相比，只是功率流向相反，潮流計算為：

式中，PS、QS為PQ恒定型DG的有功功率和無功功率。

(2)P、V恒定型

對于P、V恒定型DG，其潮流計算模型為:

式中，PS、US為PV恒定型DG的有功功率和電壓，這與前推回代法要求負荷為 PQ 類型的條件不相符，需要特殊處理。

假設系統有N個PV恒定型DG接入配電系統，其無功調整應按下式進行：

式中，J為N×N階靈敏度矩陣，其對角元素為該節點至根節點所有支路的電抗和；非對角元素為兩個PV節點至根節點的公共支路的電抗之和。

實際中PV恒定型DG通常給定無功的上下界，為了保證無功功率不越界，修正的無功方程改為如下形式：

式中Qmax、Qmin為PV恒定DG的無功功率上、下限。

(3)P、I恒定型

PI 節點的無功功率的表達式為：

式中，Qt+1為第t+1次迭代的DG的無功功率，et為電壓的實部，ft為電壓的虛部，I是電流的幅值。

(4)P恒定、Q=f(V)型

對于這種類型的 DG，其潮流計算模型如下：

式中，Ut為第t次迭代的電壓幅值，Qt+1為第t+1次的無功功率。

根據配電網在網絡構成和線路參數方面的特點，前推回代法以其原理簡單、不受r/x比值影響、計算收斂的速度快和計算量小等優點，因此更適用于計算輻射型電網結構的潮流。前推回代法的基本原理是：先取線路的平均電壓作為各節點的電壓，再從末端節點開始根據支路參數前推每條支路的功率損耗，然后計算出每個負荷節點的總的損耗；然后從根節點開始根據計算得到的總功率計算每條支路的電壓損耗，直到末節點，如此反復進行，直到算法收斂為止。

上文已將幾種典型分布式電源的節點類型歸結于為PQ節點、PV節點、PI節點和P恒定、Q=f(V)型節點，對于特殊節點在迭代時可轉化為PQ或PV節點來處理。采用前推回代法對不同分布電源節點進行潮流計算，可以為含DG配電網重構提供科學的依據。

4 配電網重構數學模型

4.1 目標函數

配電網絡重構的目標函數包括平衡負荷、降低網損、提高電壓質量等，本文以網損最小為目標函數，其數學表達式為:

式中：Li為系統支路總數；i為支路編號；ri為支路的電阻；Pi和Qi為在支路i注入的有功功率和無功功率；Vi為支路注入節點的電壓幅值。

4.2 約束條件

配電網重構應滿足的約束條件包括潮流約束、支路容量約束、電壓約束、輻射狀運行約束等。

(1)潮流方程約束

式中：Pi、Qi分別為節點的輸入有功功率、無功功率；PDGi、PDGi分別為DG向節點i注入的有功、無功功率；PLi、QLi分別為節點i處負荷的有功功率、無功功率；Vi、Vj分別為節點i、j的電壓；Y為支路的導納矩陣。

(2)支路容量約束

Si≤Simax

Si、Simax為各線路流過的功率值和支路容量最大容許值。

(3)節點電壓約束

Vimax

式中：i=1，2，3，…，N。N為節點總數；Vi、Vimin、Vimax分別為節點i的電壓幅值及其上下限。

(4)網絡輻射狀約束

網絡重構后配電網絡呈輻射狀，無環路及孤立節點、孤島存在。

5 含DG配電網的重構算法

研究含DG的配電網重構問題實際上就是怎樣合理轉變線路分段開關和聯絡開關的開合狀態，使負荷得到合理轉移，從而提高配電網的供電質量。由于DG引入配網，其重構模型變成一個非線性、離散的、多目標、多階段的組合優化問題，且子目標之間相互制約，因此傳統的配網重構方法不太再適用于含DG的配網重構，而近年來興起的人工智能算法憑著其良好的全局搜索性能和收斂性能在配網自動化中起到重要的應用，故下文主要針對人工智能算法在含DG配電網重構中的應用進行了簡要說明。

(1)遺傳算法。遺傳算法是以自然基因選擇機理為基礎的搜索方法，其主要思想是從一個待選規劃方案的集合出發，對各個方案進行綜合評價，多次重復對群體進行選擇、交叉、變異運算，最后得到最優解的集合。遺傳算法采用選擇、交叉和變異算子進行搜索，全局搜索能力較強，但局部搜索能力較弱，一般只能得到問題的次優解，而不是最優解。要得到更好的結果需要對一般遺傳算法作出改進，文獻[12]提出采用考慮種群約束的編碼規則改進遺傳算法進行配電網重構優化，相比于其他遺傳算法，該算法在全局搜索能力和求解效率上有顯著提高。

(2)人工神經網絡算法。人工神經網絡是由大量處理單元廣泛互聯組成的網絡，它模擬了人腦的基本特性，可以通過訓練樣本將輸入與輸出之間的非線性關系存儲在神經元的權值中。將人工神經網絡算法應用于配網重構更易于反映出配網負荷模式與配網最優結構之間的非線性關系，不需要進行潮流計算和估算開關操作的降損效果，因此大大提高配網重構計算速度。但由于該算法所得結果的精度依賴于訓練樣本，而對于復雜規模的配網，要得到相應的訓練樣本也需要大量的時間。文獻[13]以配電網有功功率損失最小為優化目標，提出了一種基于小腦模型關節控制器(CMAC)神經網絡配電網重構模型，基于CMAC神經網絡輸入和輸出之間的非線性映射關系和泛化能力,來建立變化的負荷水平與最優化網絡拓撲之間的對應關系，從而進行配網重構。

(3)模擬退火算法。模擬退火算法屬于啟發式隨機算法，該算法過程是從一個給定的初始高溫開始，利用具有概率突跳特性的Metropolis抽樣策略在解空間中隨機進行搜索，伴隨溫度的不斷下降重復抽樣，最終得到問題的全局最優解。模擬退火算法可以用以求解不同的非線性問題，對不可微甚至不連續的函數優化，能以較大概率求得全局最優解，具有較強的魯棒性、全局收斂性、隱含并行性及廣泛的適應性，是解決混合優化問題的有效方法，但該方法對參數和退火方案的依賴性強，計算量大，對于解決有多個最優解的問題有局限性，因此應與其他算法相結合來使用。參考文獻[14]結合模擬退火算法與二進制粒子群算法用于含分布式電源配網重構，將輪盤賭操作和模擬退火算法中的動態變異機制引入到改進的二進制粒子群算法中，提高全局搜索性能和收斂速度，適合解決含分布式電源的配電網重構問題。

含DG配電網重構數學優化模型含有大量的變量和約束條件，采用傳統數學方法進行優化將使得求解過程十分復雜，并且高度依賴于模型的準確性，因此傳統數學重構方法受到局限。而將遺傳算法、人工網絡算法、模擬退火算法等智能算法單獨或者結合起來使用在解決復雜的模型優化問題方面會具有明顯的優勢。雖然智能算法對含DG配電網進行重構優化時經常無法取得全局最優解，但是大部分局部最優解相似于全局最優解，因此將局部最優解作為工程近似最優解是完全可行的[15]。

6 結語

目前，關于含DG配電網的潮流計算模型和算法的研究已經比較充分。但含DG配電網重構的研究也還存在許多不足，一方面現在研究的大多數重構都屬于靜態重構，計算時所用到的數據都是某一時間斷面的節點負荷數據，但實際配電系統的負荷是隨時間發生變化的，故需對故障重構和動態重構進行更多的研究；另一方面現在研究都基本按照給定的負荷進行計算，未涉及到負荷預測方面的內容。只有在對含DG的配電網進行重構時，多研究未考慮的因素并分析這些不確定性因素對重構產生的影響，才能達到更好的效果。

我國由于能源資源和生產力發展布局不平衡的客觀國情決定了國家電網公司未來的發展目標就是建設堅強智能電網，而發展堅強智能電網將必須考慮如何合理有效地將DG接入配電網，盡管這一環節依然面臨許多技術問題和嚴峻挑戰，但隨著堅強智能電網的逐步建設，含DG配電網重構的研究也將取得新的進展。

[1] 鮑薇，胡學浩，何國慶，等.分布式電源并網標準研究[J].電網技術，2012,36(11)：46-52.

[2] 王少林，唐巍，白牧可，等.考慮分布式電源出力調整的多目標配電網重構[J].電力系統保護與控制，2012,40(18):117-122.

[3] 吳昊，許躍進，殷德聰，等.含分布式電源配電網規劃的研究現狀及發展趨勢[J].電工電氣，2013,7：1-4.

[4] 白迪，劉莉.含多個分布式電源的配電網重構[J].沈陽工程學院學報(自然科學版)，2012,8(1):5-7.

[5] 于建成，遲福建，徐科，等.分布式電源接入對電網的影響分析[J].電力系統及其自動化學報，2012,24(1):138-141.

[6] 劉銳，劉敏，辜俊明.淺析分布式電源接入對配電網的影響[J].機械工程與自動化，2013,178(3):220-222.

[4] 李萍.PLC控制系統輸出的可靠性措施[J].裝備制造技術,2010,(10):80-81.

[5] 王惟.提高PLC系統抗干擾和接地系統可靠性探討[J].自動化儀表,2010,31(8):55-57.

[6] 王茂凡，趙中敏.PLC控制系統可靠性的軟件設計[J].機床電氣,2010,(6):21-23.

[7] 孔祥偉，姚成乾.淺談PLC系統可靠性的提高方法[J].廣西輕工業,2011,(12):62-62.

The Status Quo of the Current Research on Distribution Network Reconstruction of Distributed Power Supply and Its Tendency of Future Development

QINXin，LIXiu-hua,YAOHang，PEIHang，LVSi-yin

(College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

This paper purports to analyze the impact of distributed power input on the reconstruction of distributed power and illuminate the status quo of the research on distribution network reconstruction from three aspects,namely the flow calculation model with distributed power,the mathematical model of distribution network reconstruction and reconstruction algorithm of distributed power supply.Furthermore,the paper also points out the undesirable aspects of current research and also envisions the development in the future.

distributed power;distribution network reconstruction;model;parameters;algorithm

1004-289X(2015)04-0074-05

TM71

B

2012-10-10