考慮分布式光伏接入的配網聯絡開關的優化布置研究

李秋平

（國網桐鄉市供電公司，浙江 桐鄉 314500）

考慮分布式光伏接入的配網聯絡開關的優化布置研究

李秋平

（國網桐鄉市供電公司，浙江 桐鄉 314500）

隨著分布式光伏并網的增多，基于放射狀運行的中壓配電網成了多源網絡，這樣傳統的配網聯絡開關設置方法就需要進行改進。文章通過對光伏出力的等效變換，將其融合進配網負荷曲線中，然后模擬積分中值定理對新的負荷曲線進行合理區間劃分，以此劃分結合一系列電氣量約束、網絡拓撲約束、開關操作次數約束等，尋求線路運行損耗最小和停電損失最少。這就是考慮分布式光伏接入的配網聯絡開關優化布置方法。算例結果表明，文章提出的方法是有效的，值得進一步推廣。

聯絡開關；分布式光伏；配電網；優化布置；負荷曲線

為了保證配電網的供電可靠性和靈活性，一般需在中壓饋線上布置一定數量的聯絡開關。這些開關的設置需考慮初始投資、運維費用、線路損耗、停電損失、負荷變化等多重因素，可謂復雜萬分。

在智能電網逐漸興起的當下，分布式光伏電源大量接入配網，改變了傳統配網的單電源放射狀供電模式，即網絡成為了多源網絡。另外，光伏出力是不穩定的，接入位置具有多樣性。這些都增加了含PV配網聯絡開關優化布置的難度。

為了解決這個問題，文章擬將光伏出力負荷化（即視光伏發電為負向負荷消耗），并與配網正向負荷疊加后一起組成新的負荷曲線，再利用有關負荷不確定性處理方法對負荷曲線進行二次處理，最后綜合經濟性、可靠性、季節性、時段性等因素，建立考慮分布式光伏接入的配網聯絡開關布置新方法，以期為智能電網的發展而拋磚引玉。

就國內外研究現狀來說，負荷不確定性處理方法主要有基于模糊聚類的曲線分段方法和基于曲線單調的曲線分段方法兩大類。文章通過比較，認為后者更具時效性、直觀性，但需增加動態環節。

1　總體思路

聯絡開關的作用是根據運行需要實現網絡重構。顯然，若某個時段內線路綜合負荷（光伏出力與用戶負荷的疊加）不變，則聯絡開關的開合狀態也不需改變（假設這之前各聯絡開關的開合狀態已處在最優化情況）。那么，我們所面對的問題的實質就是：對于一個特定網絡，在候選的聯絡開關安裝點集合中找出最佳的安裝點位置，使得這種安裝方法能契合線路綜合負荷的變化，即在聯絡開關動作次數限值范圍內通過不斷操作聯絡開關能讓線路始終運行在可靠和經濟的區間里。

這就涉及到聯絡開關對光伏-負荷等效曲線的的有效辨識上。具體來說，就是要對綜合負荷曲線進行合理分段，每段產生一個等值負荷（類似拉格朗日中值定理），由這些等值負荷來參與相關模型的計算［1］。顯然，曲線分段不能過多（過多會產生運算維數災），也不能過少（過少會影響優化效果），因此需經歷一個基于反饋的控制過程。圖1所示為本研究課題的大致思路。

圖1　考慮光伏接入的配網聯絡開關優化布置思路

2　光伏電源出力的計算

與集中式大電源相比，光伏電源出力具有明顯隨機性。筆者參考相關文獻，得到光伏出力公式［2］：

式中，t為整點時刻；μ、Iμ（t ）分別為天氣狀態變量和某一天氣下的光伏電源時序出力，maxIμ為在某一μ下的最大光照強度，maxμ為天氣變量數目，Pμ為μ的概率。

顯然，光伏出力的季節性變化明顯。以浙江桐鄉的春季為例，取光伏滲透率25%，取晴、陰、雨的出現概率分別為0.4、0.3、0.3，利用式（1）得到如圖2所示的光伏出力曲線。該曲線與線路的實際負荷曲線相疊加，就形成光伏-負荷等效曲線。

圖2　以浙江桐鄉為例的春季的光伏出力曲線展示

3　光伏-負荷等效曲線的初步分段

首先依據經驗設定一個初始分段數KS，然后依次進行以下步驟：

（1）劃分曲線的單調區間，對各單調區間求積分中值，以該值所對應的橫坐標為分段點，記錄此時的分段段數，不妨以Num表示。

（2）辨別負荷躍增時段，并將其隔離。方法：計算曲線各相鄰整點時刻的負荷差值絕對值Ka，并統計出最大值Kmax；若步驟（1）中確定的某個時段的中值點是曲線極值點且其兩側變化率超過Kmax，則認為該時段出現負荷躍增，應予以隔離。

（3）比較經歷步驟（2）后的Num值與KS的大小。若前者大，轉步驟（4），反之轉步驟（5）。

（4）時段合并。設最新的剔除躍增量的時段劃分數為Num，求該情況下所有相鄰段的等效中值之差的絕對值。選取絕對值最小的那對相鄰時段（不妨用i段、i-1段表示），將其合并為“i-1”段，相應的從“i+1”段起段標號都減1。這樣Num=Num-1。時段合并的過程需持續到Num=KS，才能轉到步驟（5）。

（5）輸出分段點的時間坐標及分段數KS。

4　綜合建模

聯絡開關的布置優劣體現在正常時段的運行線損減少上和故障時段的電量損失減少上。當光伏接入后，需額外考慮晴、陰、雨等不同天氣狀況的影響因素，因此確立如式（2）所示的綜合目標函數及其組成。

式（2）中，f1、f2分別指年運行線損和年停電損失的下降量，w1、w2為權重；ta為季節類型a所占天數；Lj為j時段長度；N為網絡節點數；Tp為節點p停電時間下降值；E（ΔENSp）為聯絡開關的安裝給p點帶來的停電減少期望；CLp為p點單位時間的停電損失；Pavp為j時段內p處的等值功率。

關于模型的約束條件，主要涉及電氣安全和經濟可行兩大層面，細分為6個小點［3］：①節點電壓約束，即節點電壓不越標準上下限；②功率平衡約束，即注入節點的P、Q與節點電壓、支路導納等參量的關系符合相關公式；③可靠性約束，即網絡可靠性需達到規定指標；④網絡拓撲約束，即運行時保持放射狀、不出現環網；⑤開關分合次數約束，包括各時段內的所有開關總動作次數和的約束和單臺開關單日總動作次數約束兩方面；⑥初投資約束，即安裝設備總價不能大于投資上限。

5　等效負荷曲線時段劃分的調整

我們用Nstmax表示開關動作次數上限、用Nstotal表示開關實際動作次數。在運用上文研究成果進行尋優過程中，若發現Nstmax-Nstotal≥2，說明開關至少還可分-合1次，也間接表明原等效負荷曲線的分段可能還有改進的空間（前已述及，開關是否動作由負荷決定）。因此應嘗試對原方案進行修正，步驟如下。

（1）尋找原方案中的一個時段劃分，要求該段內的Pmax-Pmin在所有段中是最大的，然后判斷這段曲線的單調性。若單調增或單調減，則將該段一拆為二，分段處為中間點，并記KS=KS+1；若不是單調，則采用文章第3小節的方法進行處理。

（2）根據新的等效負荷曲線分段方案，重新進行開關尋優模型計算。之后判斷Nstmax-Nstotal，若其小于2，認為已得到最優解，否則重復以上步驟。

6　算例

為保證算例的客觀性和普適性，選取IEEE 33節點系統作為計算基礎，其拓撲如圖3所示，其1～32支路標號及阻抗、負載功率等數據見參考文獻［4］。幾個假設：①相鄰兩節點間的線路均設有分段開關；②可以安裝聯絡開關的始末節點集為“3、7”、“11、21”、“8、14”、“20、32”、“15、20”、“15、23”、“17、28”，以上待選的始末節點之間的虛擬支路編號為33～39；③光伏電源容量統一為300kW。

圖3　含光伏接入的IEEE 33節點網絡

考慮到光伏出力的氣候性以及氣象資料獲取的方便性，筆者選擇工作所在地浙江桐鄉某鄉鎮作為算例中光伏運行的地理背景。

因光伏發電的季節性變化明顯，因此要得到最合理的聯絡開關配置方案，必須綜合春、夏、秋、冬四季的運算結果。但各季的運算步驟實際是相似的，以及篇幅所限，文章將重點就包含4個光伏電源的IEEE 33節點系統置身桐鄉春季氣候條件下（桐鄉春季的氣候指數以及光伏出力曲線見文章第2小節）的聯絡開關配置進行描述，步驟如下。

（1）參照桐鄉實際，設定KS=4，Nstmax=20，w1=0.7，w2=0.3，網絡故障率0.045次（a·km），故障線路恢復時間為2.2h/次。

（2）運用第3小節方法，得到等效負荷曲線的初始分段（圖4），并根據第4小節內容執行尋優計算。

（3）發現Nstmax-Nstotal=20-12≥2，則依照第5小節方法進行分段方案的修正（圖5），再執行尋優計算。

（4）發現Nstmax-Nstotal=20-19=1∈（0，2），說明無須進行下一步修正，輸出結果，見表1。由表1可知，春節狀態下涉及的聯絡開關安裝支路為33、34、36、37。

圖4　算例線路等效負荷曲線的初始分段

圖5　算例線路等效負荷曲線的分段修正

表1　以桐鄉春節為背景的IEEE 33節點聯絡開關布置

將以上步驟（1）至（4）重復運用到夏、秋、冬氣候背景下，就能得到3張類似表1的計算結果（具體略）。最后，將四季結果合并，得到基于年周期的最優聯絡開關安裝位置，其始末節點分別為：“3、7”、“11、21”、“20、32”、“15、20”、“15、23”。算例的技術經濟效益見表2。

7　技術經濟比較

從本質上講，文章所構建模型的主要特點是采用了基于曲線單調并增加動態環節的等效負荷曲線分段方法。為了彰顯該方法的科學性，筆者另外采用了模糊聚類分段（方法參照文獻［5］）和不分段兩種方法對等效負荷曲線進行處理并執行尋優計算（網絡參數、氣候條件同算例），得到的技術經濟指標列示在表2中。可以看出，文章所推薦方案雖然在初投資方面不是最優，但綜合經濟效益和供電可靠性均優于其他方案，長期效益明顯，值得推廣。

8　結論

光伏電源接入配網給配網建設增加了許多不確定性。針對光伏滲透率較低的情況，文章提出將光伏出力擬合進負荷曲線以形成新的等效負荷曲線。通過對該負荷曲線的動態分段處理，能讓基于電氣安全和經濟可行的配網聯絡開關優化布置數學模型的計算效率得到大幅提升，且優化效果比較明顯。筆者也注意到，若光伏滲透率較高，光伏的隨機性將左右等效曲線的形狀，這時不宜再采用分段的方法來處理負荷曲線。這將是下一步研究的重點。

［1］ 劉巍. 變電站站址優化與配網開關優化配置的研究［J］. 鄭州大學學報， 2014， 31（2）： 132-135.

［2］ 許丹， 唐巍. 多目標分階段中壓配電線路開關優化配置［J］. 電力系統保護與控制， 2009， 37（20）： 47-52.

［3］ 陳煒， 艾欣， 吳濤， 等. 光伏并網發電系統對電網的影響研究綜述［J］. 電力自動化設備， 2013， 33（2）：26-32， 39.

［4］ Wu Y K， Lee C Y， Liu L C， et al. Study of reconfiguration for the distributed generators［J］. IEEE Trans on Power Delivery， 2010， 25（3）： 1678-1685.

［5］ 唐成龍， 王石剛. 基于數據間內在關聯性的自適應模糊聚類模型［J］. 自動化學報， 2010， 29（11）： 1544-1556.

Optimal Layout of PV Consider Access to the Distribution Network of Distributed Contact Switch

Li Qiuping
（State Grid Tongxiang Power Supply Company， Tongxiang， Zhejiang 314500）

With increased network distributed PV， radial run-based medium voltage distribution network has become a multi-source network， so the traditional distribution network contact switch setting methods need to be improved. Through the equivalent output of photovoltaic conversion， which is integrated into the distribution network load curve， and then simulate integral value theorem for the new load curve reasonable interval division， this division with a series of electrical capacity constraints，network topology constraints， the number of switching operations constraints， seek lines running minimum loss and minimum power loss. This is to consider access to the distribution network of distributed photovoltaic contact switch arrangement optimization methods. Numerical results show that the article proposed method is effective and worthy of further promotion.

contact switch； distributed PV； distribution network； optimal layout； load curve

李秋平（1984-），男，工程師，本科，主要從事電力系統的運維工作。