淺談分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行

侯震

摘要：近年來國家大力發(fā)展清潔能源，分布式電源規(guī)模快速增長。由于大量分布式電源接入城市配電網(wǎng)，給城市配電系統(tǒng)造成一定的影響。配電網(wǎng)在建設(shè)過程中，需要綜合考慮到分布式電源接入情況，從而合理規(guī)劃配電網(wǎng)，確保配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文簡單概述了分布式電源以及分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響，并在此基礎(chǔ)上采用計算機(jī)仿真得出，鄰域搜索算法在優(yōu)化分布式電源配電網(wǎng)效果明顯。

Abstract： In recent years， the country has vigorously developed clean energy， and the scale of distributed power sources has grown rapidly. Because large number of distributed power sources are connected to the urban distribution network， it has a certain impact on the urban power distribution system. In the construction process of the distribution network， it is necessary to comprehensively consider the distributed power supply access situation， so as to rationally plan the distribution network and ensure the safety and reliability of the distribution network system. This paper briefly summarizes the distributed power supply and its impact on distribution network planning. Based on this， computer simulation shows that the neighborhood search algorithm is effective in optimizing distributed power distribution network.

關(guān)鍵詞：分布式電源;配電網(wǎng)固化;優(yōu)化運行

Key words： distributed power supply;distribution network curing;optimized operation

中圖分類號：TM715;TM732 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0173-03

1 ?分布式電源

分布式電源指功率為數(shù)千瓦到50MW小型模塊式的獨立電源，這些電源一般是電力部門、電力用戶以及第三方，為了滿足高峰期城市居民、商業(yè)區(qū)居民用電需求，在用戶現(xiàn)場或者靠近用戶現(xiàn)場安裝比較小的發(fā)電機(jī)組，滿足用戶用電需求，同時支持現(xiàn)有配電網(wǎng)的運行要求。這種較小的發(fā)電機(jī)組有燃料電池、小型光伏發(fā)電、小型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池混合裝置。與傳統(tǒng)的電源相比，分布式電源可以根據(jù)用戶實際需求進(jìn)行建設(shè)，降低電網(wǎng)建設(shè)的成本。分布式電源各個機(jī)組相互獨立，可以根據(jù)電力用戶的實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦發(fā)生電力故障，只針對故障發(fā)電機(jī)組，不會影響到其他發(fā)電機(jī)組，因此電網(wǎng)運行安全性、可靠性高。其次，分布式電源可以彌補(bǔ)集中式發(fā)電的缺陷，為電力用戶提供不間斷供電。分布式電源的損耗比較低，它不需要建設(shè)配電站，避免配電網(wǎng)線路較長，增加線損率。

2 ?分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

2.1 配電網(wǎng)規(guī)劃更加復(fù)雜

分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃的負(fù)荷預(yù)測、目標(biāo)等方面造成一定的影響。對電力負(fù)荷預(yù)測負(fù)荷的影響：分布式電源可以滿足部分偏遠(yuǎn)地區(qū)或者商業(yè)區(qū)用戶需求，減少用戶從配電網(wǎng)主網(wǎng)中的獲電量，從而抵消電網(wǎng)負(fù)荷的增長。配電網(wǎng)的電力負(fù)荷預(yù)測是根據(jù)配電網(wǎng)的增長量，如果分布式電源抵消了配電網(wǎng)負(fù)荷的增長，則降低了配電網(wǎng)的預(yù)測準(zhǔn)確性和可靠性;分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)的影響主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)主要考慮配電網(wǎng)建設(shè)投資和運營費用，分布式電源不僅要考慮到分布式電源的投資、運行費用、配電網(wǎng)的投資以及運行費用，如果配電網(wǎng)規(guī)劃中考慮到分布式電源，則要考慮到配電網(wǎng)對分布式電源的容納能力。由于分布式電源的分布不規(guī)律，負(fù)荷增長具有很大的隨機(jī)性，增加了電網(wǎng)規(guī)劃的難度;分布式電源影響到配電網(wǎng)規(guī)劃的約束條件。配電網(wǎng)規(guī)劃不僅要滿足電力增長負(fù)荷要求，而且還要考慮到分布式電源功率需求，配電網(wǎng)的電源電壓和分布式電源位置要相互協(xié)調(diào)，從而發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢;分布式電源對配電網(wǎng)規(guī)劃策略影響。近年來，由于國家大力支持分布式能源的發(fā)展，導(dǎo)致大量的社會資金涌入到分布式電源行業(yè)，促進(jìn)了我國分布式電源行業(yè)的發(fā)展。同時，導(dǎo)致分布式電源投資主體日益多元化，分布式電源計費和配電網(wǎng)的計費方式不同，在運營方面兩者存在競爭關(guān)系，不同的利益主體則規(guī)劃方案也不同。

2.2 配電網(wǎng)運行模式的變化

配電網(wǎng)主要有架空線路、電力電纜、變壓器、隔離開關(guān)、無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備構(gòu)成，配電網(wǎng)運行過程中受到電壓、線路潮流、線路損耗等方面的影響，會產(chǎn)生的一定的線損率。分布式電源并入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行方式發(fā)生了變化，分布式電源和配電網(wǎng)主電源存在一定的差異，在分布式電源規(guī)劃設(shè)計的時候，需要綜合考慮到負(fù)荷曲線;所以分布式電源配電網(wǎng)采用雙層規(guī)劃，按照成本最低的原則，建立配電網(wǎng)負(fù)荷電源和分布式電源的運行時間、負(fù)荷曲線，從而計算機(jī)樁裝機(jī)容量，這是第一層規(guī)劃。然后將最低建設(shè)成本作為目標(biāo)函數(shù)，確定分布式電源的配置和配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這是第二層規(guī)劃。雙層規(guī)劃是一種二層遞階結(jié)構(gòu)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行上、下層決策，上層先給出一個決策變量，下層各個子系統(tǒng)根據(jù)這個決策變量作為參量，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在一個可能的范圍計算出最佳結(jié)果，然后將這個最佳結(jié)果反饋給最上層，在這個基礎(chǔ)上求得最佳值。

3 ?分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化運行

3.1 隨機(jī)模型的建立

隨機(jī)模型是根據(jù)隨機(jī)變量建立的模型，它具有不確定性和概率性。分布式電源具有不確定性和概率性，根據(jù)分布式電源建立模式模型。光伏發(fā)電的有效輸出功率和太陽光線強(qiáng)度關(guān)系可以得出以下公式：

其中公式中的p表示光伏發(fā)電機(jī)的有效輸出功率;r表示太陽光線的照度，用W/m2表示;？濁表示第i塊光伏墊板照度最大時的光電轉(zhuǎn)換效率;Ai表示第i塊光伏電池板的面積。根據(jù)太陽照射強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)太陽照射強(qiáng)度似Beta分布。目前我國大部分光伏發(fā)電機(jī)使用的都是異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的有效功率和風(fēng)速關(guān)系計算公式如下：

3.2 隨機(jī)潮流計算

傳統(tǒng)潮流計算時所有的定量都是確定的，所以計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是分布式電源具有不確定性，電網(wǎng)在規(guī)劃設(shè)計過程中，需要預(yù)測十年甚至幾十年以后的電源和電網(wǎng)的發(fā)展，因此預(yù)測時需要考慮到人口、經(jīng)濟(jì)水平、分布式發(fā)電技術(shù)等各個方面的因素，這種預(yù)測結(jié)果具有不確定，存在偶然因素所以導(dǎo)致實際預(yù)測和規(guī)劃預(yù)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。隨機(jī)潮流是一類只考慮隨機(jī)變量的特殊潮流問題。將隨機(jī)潮流模型引入到分布式電源配電網(wǎng)規(guī)劃中，考慮到隨機(jī)輸出的風(fēng)能和太陽能負(fù)荷的不確定性，需要通過隨機(jī)潮流線性計算隨機(jī)潮流，然后獲取變量概率函數(shù)，線性潮流計算公式如下：

其中公式中的△X由變量v和變量？茲構(gòu)成;△W是由變量p和變量Q構(gòu)成;J0表示收斂點矩陣;S0表示敏感度矩陣。

3.3 分布式電源配電網(wǎng)運行優(yōu)化

Neighorhood Search算法又被稱為鄰域搜索算法，它是從一個或者一組初始數(shù)值中，通過鄰域函數(shù)生成解領(lǐng)域，然后在鄰域中搜索出更優(yōu)解替換當(dāng)前解，并通過不斷迭代過程最早最佳答案。鄰域搜索算法最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是如何選擇領(lǐng)域結(jié)果。由于配電網(wǎng)是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行，閉環(huán)指配電網(wǎng)有多條線路向用戶供電，任何一條線路出現(xiàn)障礙，不影響其他線路的正常運行。開環(huán)運行可以避免多個電源向故障線路釋放電源，從而防止故障電流流向其他線路，任何聯(lián)絡(luò)開關(guān)組可以構(gòu)成任何回路，斷開環(huán)狀線路，則線路變成了輻射狀。因此，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)可以讓配電網(wǎng)構(gòu)成任意網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。配電網(wǎng)的回路是由一個聯(lián)絡(luò)開關(guān)和多個相應(yīng)的線路段構(gòu)成，可稱為基本環(huán)路。線路處于閉環(huán)狀態(tài)下，則配電網(wǎng)呈開環(huán)運行，基本環(huán)路數(shù)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)量相同。鄰域搜索算法可以根據(jù)配電網(wǎng)的環(huán)路特征進(jìn)行搜索，尋找最優(yōu)解。鄰域搜索算法是在上網(wǎng)絡(luò)遍歷上進(jìn)行搜索，每一次遍歷搜索結(jié)束以后，可以不斷迭代，從而提高搜索效率，適合分布式電源配電網(wǎng)的運行優(yōu)化。鄰域搜索算法搜索的具體步驟如下：第一步，初始化結(jié)構(gòu)，形成矩陣和目標(biāo)函數(shù)值;第二步將配電聯(lián)絡(luò)開關(guān)序號nopen保存在數(shù)列Aopen上，并將配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)序號nclosed保存在數(shù)列Aclosed上;第三步開始遍歷，i=1，Scandid=0，然后在Aopen序列上找到聯(lián)絡(luò)開關(guān)Ti，并將其關(guān)閉構(gòu)成電路。根據(jù)Ti聯(lián)絡(luò)開關(guān)特點，將環(huán)路分段的開關(guān)好存儲在數(shù)組L上，聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)值Ni。在Ni環(huán)路中選擇第一個分段開關(guān)Sj并閉合開關(guān)，計算出目標(biāo)函數(shù)并將其保存，如果目標(biāo)函數(shù)是最優(yōu)值則將其存入Scandid，然后檢查遍歷中數(shù)組L的分段開關(guān)是否存在遺漏現(xiàn)象，如果有分段開關(guān)遺漏，則需要確定遺漏分段開關(guān)的目標(biāo)函數(shù)。最后讀取Scandid和Ti，變換Aopen和Aclosed的分段和聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)據(jù)，確定i的數(shù)值是否小于連接開關(guān)的數(shù)量，如果小于連接開關(guān)數(shù)量，則再次讀取Ti上的數(shù)據(jù)，按照上述步驟操作。第四步確定上述遍歷是否完成，如果沒有完成則繼續(xù)執(zhí)行上述步驟。

3.4 計算機(jī)仿真

通過IEEE33節(jié)點配單系統(tǒng)對上述鄰域搜索算法的結(jié)果進(jìn)行仿真，給配電系統(tǒng)一共設(shè)置了33個節(jié)點，其中有33個節(jié)點與光伏發(fā)電機(jī)連接，14個節(jié)點連接異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。圖1為節(jié)點分布圖。

配電網(wǎng)的有功功率為3.715MW，無功負(fù)荷為2300MW。該仿真系統(tǒng)模仿某城市配電網(wǎng)24小時實時負(fù)載預(yù)測數(shù)據(jù)。24小時電力負(fù)荷測量數(shù)據(jù)如表1。

其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率為400kW，額定風(fēng)速為11m/s，切入風(fēng)速為3m/s，切出風(fēng)速為25m/s，該數(shù)據(jù)模擬東部沿海地區(qū)的風(fēng)速情況，表2為24小時實際風(fēng)速。

其中光伏發(fā)電機(jī)的額定功率為400MW，太陽光強(qiáng)度呈Beta分布，每一個區(qū)域的平均跨度為0.8w/m2，平均偏差值為20%，其中？琢=0.383，？茁=0.255。如果對配電網(wǎng)的有功和無功預(yù)測誤差為正態(tài)值，根據(jù)最大值和最小值計算機(jī)平均值和平均偏差。24小時光照強(qiáng)度如表3統(tǒng)計。

此次仿真試驗，選擇8節(jié)點、15節(jié)點、32節(jié)點作為測試節(jié)點，并將其分布在配電網(wǎng)末端，其中15節(jié)點和32節(jié)點與分布式電源接入位置接近，圖2-圖7為8節(jié)點、15節(jié)點、32節(jié)點電壓概率分布情況。

從上述圖表可以看出，當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時，提高了配電網(wǎng)電壓越限概率，對分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，配電網(wǎng)電壓越限概率顯著改善。

4 ?結(jié)束語

綜上，不同算法的優(yōu)化結(jié)果不同，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果某些分支影響比較大，因此在優(yōu)化過程中需要檢測分支情況。根據(jù)算法對比數(shù)據(jù)（表4），發(fā)現(xiàn)鄰域搜索算法和粒子優(yōu)化算法的適應(yīng)性一致，且鄰域搜索算法優(yōu)于PSO算法和GA算法，因此鄰域搜索算法適合優(yōu)化配電網(wǎng)運行結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曄.分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行研究[J].中國科技投資，2018（18）.

[2]張力，邢冀鳴.分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行研究[J].科技風(fēng)，2017（24）.

[3]楊磊.含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行研究[J].信息與電腦，2017（16）.

[4]麻秀范.含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化運行研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2013.

[5]翁毅選，程韌俐，馬偉哲，等.計及電壓波動約束的光伏電源最大可接入容量分析[J].智慧電力，2018，46（11）.

[6]徐天時.主動配電網(wǎng)中分布式電源的優(yōu)化配置[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2018（16）.

[7]徐天時.含分布式電源的配電網(wǎng)雙層擴(kuò)展規(guī)劃方法[J].中國科技投資，2018（28）.