含有多種分布式電源的配電網綜合評估方法

陳熾野，文亞鳳，劉自發，任薛東，張曉晴(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206)

含有多種分布式電源的配電網綜合評估方法

陳熾野，文亞鳳，劉自發，任薛東，張曉晴
(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206)

分布式電源(distributed generation，DG)并網對配電網的經濟性、服務質量、安全性、環保效益等產生影響，基于此提出了一種對含有DG的配電網進行綜合評估的有效方法。根據風力、光伏發電的特點，建立了風速、光照強度的正態分布模型，確定其出力情況從而計算配電網可靠性。從經濟性、服務質量、安全性和環保效益4個方面考慮建立了綜合評估指標體系。以IEEE RBTS-Bus6系統的F4饋線作為測試系統，對DG不同接入方案下配電網各項評價指標進行仿真計算，并運用模糊層次分析法得到各方案綜合得分。算例結果表明，多種類DG并網能有效改善電網的各項評價指標。

配電網;分布式電源(DG);綜合評估方法;模糊層次分析法(FAHP)

0 引言

化石能源大量消耗導致保護環境壓力與日俱增。在保護環境以及提高能源利用效率的要求下，分布式電源(distributed generation，DG)作為新型能源以其環境污染小、能源利用率高、發電方式靈活等特點，在國內外得到了快速發展。2000年歐盟地區DG裝機容量為74 GW，預測2020年將達到195 GW，發電量將占到總發電量的22%。2010年之前全球累計新增發電量的25%～30%為分布式發電［1］。DG種類眾多，根據發電技術不同，可分為風力發電、燃料電池、太陽能光伏發電、燃氣輪機發電、小型水力發電等。由于大量多種類DG接入配電網后，對配電網的經濟性、服務質量、安全性、環保效益產生影響，需要對配電網進行合理規劃，提高運行管理水平。為了達到上述標準，亟需建立一套科學的、系統的綜合評估指標體系。

以往的評估方法主要是對電網的單項指標進行評價。文獻［2］構建了一套考慮各指標間協調系數的綜合評估指標體系;文獻［3］提出了一種考慮風速與負荷相關性的可靠性計算方法;文獻［4］結合層次分析法和模糊評價法的優點，采用模糊層次分析法對配電網進行綜合評估;文獻［5］在考慮了DG對電網可靠性、電能質量環境影響和經濟性的基礎上，建立了DG接入后對配電網產生影響的評估指標體系;文獻［6-7］均研究了DG不同接入方式對系統可靠性的影響，其中文獻［6］從逆功率約束、電壓提升和短路電流水平等方面研究了DG最佳接入容量與接入點問題，文獻［7］采用區間算法計算DG并網前后系統的可靠性指標;文獻［8］考慮了風力發電和太陽能光伏發電系統的出力特性，研究了DG對電網潮流分布的影響，并仿真得出了潮流分布的變化規律。與以往的配電網評估方法相比，近期配電網評估方法有了較大的改進，評估指標也日益豐富，增加了配電網運行管理水平、配電網服務性、運行經濟性等軟性指標。

為了進一步豐富配電網評估指標體系，本文在以往研究的基礎上，綜合考慮多種DG并網對配電網潮流分布、電能質量、線損率、可靠性及運行管理等因素的影響，構建含有多種DG的配電網綜合評估指標體系，對主動配電網的建設規劃提供科學的指導，加強配電網運行管理工作，提高配電網精益化工作水平。

1 DG的接入對配電網的影響

1.1 對潮流分布的影響

DG的接入使配電系統由單電源輻射型網絡變成多種分布式電源弱環網絡［9］，使配電網潮流分布發生改變。按對電力系統影響的不同可將DG分為3類:(1)能夠持續、平穩出力的DG，如燃氣輪發電機; (2)具有間歇式出力特點的DG，如風力發電;(3)具有源-荷雙特性的DG，如電動汽車。DG在潮流計算中分為PQ節點、PV節點和P恒定而Q=f(V)的節點。對于等效成PQ節點的DG，并網運行將會對除了根節點的節點電壓起到支撐作用，且電壓支撐效果與DG接入的位置有關。對于等效成PV節點的DG接入配電網，不同接入點的DG將會抬高或降低節點電壓。對于第3類等效節點的DG，當Q＞0，即DG發出無功功率時，將會抬高配電網的節點電壓，且DG接入點的位置離根節點越遠，對節點電壓的支撐效果越好;當Q＜0，即DG吸收無功功率時，DG的接入將會降低配電網的節點電壓，且DG接入點的位置離根節點越近，對節點電壓的降低效果越明顯。

1.2 對線損率的影響

線損率是反映電網規劃設計、技術裝備和經濟運行水平的綜合性技術經濟指標。電網線損耗主要取決于系統潮流，DG接入使得配電網中各支路潮流不再是單向流動，所以DG的接入必然會影響電網線損耗。DG接入配電網的一個主要目標是減少系統損耗，降低線損率。線損率的大小與DG的數量、接入點容量以及負荷的分布等有關。當DG的準入容量大于系統的負荷容量時，電網線路損耗反而會增加。當負荷電流與DG接入電流相位相同時，線損率最低［10］。

1.3 對電能質量的影響

DG按接入方式不同，可分為電機類DG和變流器類DG。不同類型的DG對電能質量的影響是有區別的。例如，風力發電受自然環境限制，發電狀態隨機性較強，并網運行會造成電壓不穩定和電壓波動等問題。而光伏發電、微型燃氣輪機發電等通過變流器接入電網，變流器開關電路的開通和關斷會導致開關頻率的諧波分量注入配電網，使電壓波形發生諧波畸變。綜上所述，DG并網運行會造成電壓波動、電壓閃變和諧波污染等問題，從而影響電網的電能質量。為了保證良好的供電質量，有必要將電能質量納入綜合評估指標體系。

1.4 對短路電流水平的影響

系統發生故障時，DG并網運行將會向故障點提供短路電流。DG的不同接入模式和接入容量對短路電流水平的影響也不相同。下面介紹DG的幾種主要接入模式［11］。

(1)低壓分散接入模式，主要是將容量較小的DG接入中壓配電變壓器低壓側，采用此類接線方式的DG通常有太陽能光伏發電、微型燃氣輪機發電等。

(2)中壓分散接入模式，指將中等容量的DG接入中壓配電線路支線的方式。

(3)專線接入模式，當DG容量較大時，將DG以專線形式接入高壓變電站的中、低壓側母線。

通過參考文獻［6］的計算結果可知，若DG采用中壓分散模式接入，則對配電網的短路電流影響較小。若DG采用專線模式接入，DG能提供的短路電流則將達到3 kA以上，必須對DG的接入容量加以限制。

1.5 對供電可靠性的影響

配電網的供電可靠性反映的是配電網的運行特性、設備結構、運行狀態以及電力部門對系統和設備運行管理的能力。DG作為電源再給停電用戶供電情況下，能大大減少用戶年平均停電時間。但在分析DG對供電可靠性的影響時應考慮到電網孤島的形成以及DG輸出功率的隨機性。在電網供電能力充足而不能形成配電網計劃孤島的情況下，DG的接入不會對配電網可靠性有正面影響。在電網供電能力不足且配電網計劃孤島形成的情況下，若DG位于計劃孤島內，則DG向孤島內輸送電力，DG的出力將會提高配電網的供電可靠性;若DG不在計劃孤島內，則對可靠性沒有影響［12］。

2 綜合評估指標體系構建

2.1 經濟性評價指標

本文從電網建設成本和電網損耗對配電網經濟性進行評價。配電網對現有的輸電設備使用強度越低，電網公司對新設備的投資周期越長，電網建設成本就越低。DG并網后，改變了配電網單電源結構，其注入的有功功率和無功功率也會改變配電網潮流分布，隨之引起電網網損的變化。因此，本文針對配電網的特點，將技術參數與經濟參數相結合，提出了以下經濟性評價指標。

(1)電網緩建效益指標。電網緩建效益指標可以用有功功率單位成本和無功功率單位成本

式中:Ci，p、Ci，q分別為由節點i的有功功率波動和無功功率波動引起的費用;Δp、Δq分別為節點i的有功功率波動和無功功率波動值。

(2)電網綜合線損率ΔP%:

式中ΔW為年線損電量。

2.2 服務質量評價指標

2.2.1 可靠性評價指標

本文采用系統平均停電頻率(SAIFI)、系統平均停電持續時間(SAIDI)、用戶平均停電持續時間(CAIDI)、系統平均供電可用率(ASAI)作為可靠性評價指標，計算公式如下:

負荷點的停電時間由線路故障位置、DG輸出功率和負荷點的用電需求決定。風電和光伏發電具有間歇性與隨機性的特點，使得各負荷點停電次數與停電時間的計算方法與傳統方法有所不同。本文通過統計某地區1年的風速和光照強度，得到該地區特定時刻的風速和光照強度分布，如圖1、2所示(圖中縱坐標為概率密度相對值pr)。

圖1 風速正態分布曲線Fig.1 Normal distribution of wind speed

圖2 光照強度分布曲線Fig.2 illumination Intensity Distribution

2.2.2 可靠性指標計算

本文采用蒙特卡羅模擬法對供電可靠性進行評估［14］，首先需獲得指定模擬時間內DG的輸出功率以及負荷水平。因此需要對風速和光照強度采樣，得到上述時刻風機出力Pw和光伏陣列出力Pb。假設配電網有s條主饋線，計算編號為m的線路發生故障時，各負荷點停電次數和停電時間。其余負荷停電時間由DG的輸出功率和負荷點用電需求決定。

當1≤m≤s時，線路m所接的負荷點停電，其停電時間為線路m的故障修復時間TTR，線路m以上的負荷點由配電網恢復供電。

當m＞s時，發生故障的線路為分支饋線，故障線路m連接的負荷點一直到其末段線路連接的負荷點停電，停電時間為線路m的故障修復時間TTR;故障線路m之前的分支饋線與主饋線之間的負荷點由電網恢復供電，其停電時間為故障隔離時間TTS。

2.2.3 電能質量評價指標

為了評價DG并網運行對電能質量的影響，本文從電網電壓波動d、總諧波畸變率THD和電壓合格率Pvq這3個方面進行評價。指標的計算方法如下:

式中:UN為系統標稱電壓;U1、U2為不同周期采樣點電壓，其計算方法為

式中:Ur為周期j采樣點r的電壓;R為1個周期采樣點數。

式中Hmax為所計入的最高次諧波。

式中:Pvq為電壓合格率;Ti為節點i 1年中電壓在合格范圍內運行的總時間;n為節點總數。

2.3 安全性評價

DG并網運行將會向故障點提供短路電流，當DG容量達到一定程度時，可能會使過流保護不能做出正確動作。本文選取短路容量Sdl考查配電網的安全性，指標計算式如下:

式中:U為母線電壓;If為最大短路電流。

2.4 環保效益評價指標

DG作為清潔的發電技術，在國內外得到了迅速發展。與傳統火力發電相比，DG排放的污染氣體少，環保價值高。本文在考慮分DG并網的情況下，采用污染氣體排放量Et作為配電網環保效益評價指標。

系統的第k種污染氣體排放量Ek(SO2、CO2、NOx)與系統的出力和機組的運行特性有關，Ek計算式如下［15］:

式中:Pg、Ph分別為第g臺傳統發電機和第h臺DG的有功功率;Ekg、Ekh為分別為第g臺傳統發電機和第h臺DG發出單位有功功率所釋放的第k種污染氣體量。

總的污染氣體排放量Et計算式如下:

式中:K為總的污染氣體類目;zk為第k中污染氣體權重因子，zk必須能夠滿足:

3 綜合評估方法

3.1 指標權重計算方法

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是在決策過程中對非定量事件做定量分析，對主觀判斷做客觀分析的有效方法。AHP的核心思想是通過建立清晰的層次結構來分解復雜的問題，能夠有效處理各項評價指標的內在關系及相互獨立性，從而量化各個指標。本文建立的層次結構如圖3所示。

上述各個指標可以描述DG并網運行對配電網單方面的影響，對配電網進行綜合評價則需要確定各指標的權重。由于各指標量綱、數量級、評價標準等因素的不同，不能直接將指標進行比較。本文通過效用分析法建立各指標的效用函數，將各指標模糊化，化為統一無量綱的指標，以進行比較。

層次分析法根據1-9互反性標度理論［16］對總目標S下的N個評價子目標兩兩比較，構造判斷矩陣E，并對矩陣E進行一致性檢驗，當一致性檢驗公式滿足公式(18)時［17］則判斷矩陣一致性可接受。

式中:λmax為判斷矩陣E的最大特征值;N為評價子目標個數;RI為平均隨機一致性指標［17］。此時，第x個子目標對應的權重系數wx為

圖3 綜合評價層次結構Fig.3 Hierarchy of comprehensive evaluation

式中exy表示指標Sx對Sy的相對重要判斷值。

3.2 模糊綜合評價

由于各指標的量綱、評價標準、性質等不同，不能將各指標直接做比較。本文采用效用變換法求取各指標效用函數將指標模糊化，消除各指標量綱和評價標準等因素不同，然后進行兩兩比較。

利用權重系數和各指標的效用值，可求得方案的綜合評價得分，計算公式為

式中:S表示某方案總評價得分;N表示方案的指標總數;wx為指標權重系數;Ux為該指標的效用值;M取1，方案最低分為0，最高分為100［18］。

圖4 測試系統網絡結構Fig.4 Network architecture of test system

4 算例分析

4.1 算例描述

為了驗證分析本文所提出的評估指標和算法，本文以IEEE-RBTS Bus6系統主饋線F4為例，對多種DG接入系統進行大量仿真。系統結構如圖4所示。該測試系統電壓基值為10 kV，收斂精度為10-4，線路采用LGJ-150導線，共有23個負荷點、26個節點、30條線路、14個斷路器、22個隔離開關、13個熔斷器和4組DG。每組DG包括5臺同型號的風機、1個光伏陣列、2臺燃料電池和2臺微型燃氣輪機。風機和光伏陣列的具體參數如下:(1)風機，單臺風機額定功率為335 kW;切入風速、額定風速、切出風速為別為2．5、12．5、25 m/s;擬合系數a、b、c分別為0．105、-0．0704、0．0114;風機出力模型參照文獻［19］。(2)光伏陣列，光伏陣列額定功率為500 kW，特定光照強度為0．15 kW/m2，出力模型參照文獻［20］。

假定系統電源完全可靠，故障隔離時間TTS為0．5 h。該測試系統的元件可靠性數據如表1所示。

本文對下列3種DG接入情況進行仿真，仿真計算結果如表2所示。

Case1:系統無DG接入;

Case2:系統接入3個DG機組，接入方式如圖4中DG1;

表1 元件的可靠性數據Table 1 Equipment Reliability Data

Case3:系統接入10個DG機組，接入方式如圖4中DG1和DG2，為測試大量DG并網運行對配電網的影響，本方案接入了大量DG機組。

表2 各指標計算結果Table 2 The Results of Different Indices

4.2 計算結果及分析

將各方案指標類型分為效益型和成本型，根據效用變化法將各指標值模糊化得到指標效用值如表3所示。

表3 評價指標效用值Table 3 Utility Values of Evaluation Indices

由1-9互反性標度理論得到第2層判斷矩陣為

該判斷矩陣最大特征值λmax=4．048 2，由3．1節中一致性校驗方法得，CR=0．017＜0．1，通過一致性校驗［21］。同理可得第3層各判斷矩陣，由于篇幅限制，判斷矩陣不在此列出。

由3．2節中公式(20)得到第1層指標對應的歸一化權重系數wx依次為:0．194 8，0．425 9，0．077 7，0．301 5;同理，底層指標權重依次為:0．097 5，0．028 3，0．095 9，0．103 8，0．044 7，0．044 9，0．055 9，0．067 6，0．081 3，0．101 0，0．077 7，0．201 5。

根據各方案指標的權重和效用值得到方案的綜合評估得分如表4所示。

表4 不同方案綜合評分值Table 4 Comprehensive Evaluated Values of Different Solutions

由表2可知，經濟性指標單位有功功率成本、單位無功功率成本和線損率隨著DG接入量的增加而減小;3個DG機組并網相比于無DG并網，可靠性指標有明顯改善，而10個DG機組并網相比于3個機組并網的改善不明顯;電壓波動和總諧波畸變率case2相比于case1略有增大，而10個DG機組并網的電壓波動和總諧波畸變率明顯增大;3個DG機組并網相比于無DG機組并網，安全性指標短路容量略有增大，10個DG機組并網相比于3個DG機組并網，短路容量增幅較大，目前電網220 kV變電站10 kV側母線短路電流為20～30 kA，超過50 kA則會使電網安全性降低;環保效益指標，各方案的污染氣體排放量從case1、case2、case3依次減小。

由以上數據結果可知，隨著DG接入量的增加，經濟性指標有明顯的改善，這是由于部分節點距離電源點較遠，輸電距離較長，負責其功率供應的線路和變壓器較多，DG從這些節點接入系統，能降低該節點對現有設備的使用強度，從而有功、無功功率單位成本減小;當主饋線發生故障時，停電負荷點通過DG供電，減少了停電時間和停電次數。DG接入能有效改善配電網可靠性指標，而隨著DG接入量的增加，對可靠性指標的改善逐漸減小;風力發電受自然條件制約，發電狀態具有一定的隨機性，會造成系統電壓波動，且DG通過變流器接入配電網，導致變流器開關頻率的諧波注入配電網，隨著DG接入量的增加，造成的電壓波動和諧波畸變導致電能質量下降; DG接入系統，為故障點提供短路電流，使得系統短路容量增大，因此必須對DG滲透率和準入容量加以限制，保證系統的安全性;DG作為清潔能源，承擔部分發電量，減少了火力發電污染氣體排放量，隨著接入量的增加，對環保效益指標有明顯的改善。

通過表4各方案綜合得分可以看出，DG在適當滲透率下并網運行，對配電網的經濟性、服務質量、安全性和環保效益指標有明顯的改善。對3種方案的綜合評分結果顯示，第2種方案評分最高，能夠有效改善配電網綜合性能;第3種接入方案由于對安全性和電能質量造成負面影響，對配電網綜合性能改善不明顯。

5 結論

(1)針對風力發電、光伏發電等多種DG接入配電網的情況，提出了一套涵蓋配電網核心價值和需求的綜合評估體系。該體系由配電網的經濟性、服務質量、安全性和環保效益4個方面的指標構成。通過給出的各指標計算方法，得到合理的綜合評分，評分結果可作為電網規劃方案的比選依據。

(2)多種DG在適當滲透率下接入配電網能有效改善配電網的經濟性、服務質量、安全性和環保效益指標，提高配電網綜合評分。當DG滲透率過高時，會使電網面臨短路容量越限、諧波畸變率和電壓波動過大的安全性與電能質量問題。

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(編輯:張小飛)

Comprehensive Evaluation Method of Distribution Network Including Various Types of Distributed Generation

CHEN Chiye，WEN Yafeng，LIU Zifa，REN Xuedong，ZHANG Xiaoqing
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

As many factors must be considered when distributed generation(DG)integrating the distribution，an efficient method for evaluating distribution network is proposed in this paper．According to the feature of wind power and solar power，

normal distribution of wind speed and light intensity is established to calculate their output power and the reliability of network．Taking the economy，quality of service，safety and environmentefficiency into consideration，this paper established the evaluation system and summarize the calculating methods．The indices under differentsituations are calculated based on the IEEE RBTS-Bus6 system．Fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)was adopted to obtain the quantitated comprehensive evaluation results．The evaluation results show that multiple DG integrating into grid could promote the indices efficiently．

distributed network;distributed generation(DG);comprehensive evaluation method;fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0128-08

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.020

2014-11-15

2014-12-19

陳熾野(1990)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化;

文亞鳳(1968)，女，副教授，研究方向為電力電子技術、電力電子器件的應用;

劉自發(1973)，男，博士，副教授，研究方向為電網規劃和優化運行、分布式電源接入電網分析;

任薛東(1991)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化;

張曉晴(1990)，女，碩士研究生，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化。