基于光伏電源接入的農村配電網選址方法

馬漢鋒

（廣東電網有限責任公司汕頭潮陽供電局和平供電所）

0 引言

農村配電網作為電力系統的重要組成部分，對于農村經濟的發展起到關鍵性作用[1-2]。隨著農村經濟的發展，農村配電網也面臨著巨大的運行壓力，將光伏電源接入到農村配電網，對于緩解農村配電網電力供應不足具有重要意義[3-4]。光伏電源接入農村配電網后，供電方式將從單電源供電轉變為多電源供電，會對配電網損耗和節點電壓產生一定程度的影響，因此應當對農村配電網光伏電源接入選址問題進行深入研究，以優化農村配電網供電質量，實現農村配電網的安全、可靠、穩定運行[5]。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法是通過定性與定量相結合的手段，將復雜問題系統化、模型化、層次化，通常情況下用來分析多目標多層次的復雜問題[6-7]。首先將問題進行拆分成若干個子單元，再根據子單元之間的特性及支配關系進行層次劃分，從而構造出一個多層次的結構，由下到上主機形成隸屬關系，依次劃分為基礎層、中間層、目標層[8]；針對每一個層次里的子單元，通過比較他們之間的重要性程度，最終確定每一個子單元的權重參數。多層次結構具體層次劃分如圖1所示。

圖1 變電設備監測系統架構

基礎層：為所需要研究問題的最基本單元，是進行研究時的基本內容；

中間層：為完成最終目標所需要考慮到的準則、指標、政策等，即完成最終目標過程需要經歷的中間環節；

目標層：這一層僅僅包含一個子單元，描述問題所要實現的目標和結果。

模糊層次分析法作為一種決策分析方法，對于同層次子單元采取兩兩比較原則時，為了保證判定結果的量化，運用標度法，如表1所示。

表1 層次分析法標度內容

根據層次分析法標度內容便可以得到各個子單元之間的重要性程度列表，如表2所示。

表2 子單元間重要性程度對比

將表2轉換為矩陣形式為：

2 光伏電源選址模型

2.1 目標函數

本文考慮多種因素，將農村配電網的運行費用最低作為選址模型的目標函數，進行農村配電網分布式光伏電源的選址。總費用具體包括低碳環保費用、分布式光伏電源運營維護費用、分布式光伏電源投資建設費用、購電費用、能量損耗費用。具體的數學模型如下：

式中，CEn為低碳環保費用；COp為分布式光伏電源運營維護費用；CCO為分布式光伏電源投資建設費用；CBu為購電費用；CPl為能量損耗費用；θ1～θ5分別為低碳環保費用、分布式光伏電源運營維護費用、分布式光伏電源投資建設費用、購電費用、能量損耗費用對應的權重參數。

（1）低碳環保費用：低碳環保費用的表達式

式中，CCO2為流入到農村配電網單位功率生成的二氧化碳的費用；PLoss為農村配電網的功率損耗；PW為農村配電網用戶用電量；PDPV為接入的光伏電源產生的功率；CCO2的計算公式為：

式中，CCOST為單位二氧化碳所產生的治理費用；σ為發電廠化石型能源發電占比；η1為發電廠到農村配電網能量損耗比例；CC為發電廠發電的煤炭消耗量；f0為發電廠的煤炭排放量。

（2）分布式光伏電源運營維護費用

由于分布式光伏電源的能量來自自然光，燃料費不計，因此其運營維護費用為：

式中，tmax為農村配電網分布式光伏電源發電的最長時間；λi為分布式光伏電源的功率因數；SDPVi為農村配電網節點的分布式光伏電源裝機容量；CDPV為分布式光伏電源單位電量的運營維護費用，m為分布式光伏電源的接入個數。

（3）分布式光伏電源投資建設費用

式中，Cinstall為單位功率的安裝成本，Cinvest為單位功率因數的投資成本，mDPV為投資回收年限，r為銀行貸款年利率。

（4）購電費用：購電費用的表達式

式中，Ce為單位電價。

（5）能量損耗費用：能量損耗費用表達式

式中，tnmax為線路n的年最大負荷損耗時間；Rn為線路n的電阻；Pn為線路n的有功功率；UN為線路的額定電壓；λj為線路n的功率因數。

2.2 約束條件

從潮流、電壓、電流、分布式光伏電源安裝總容量、分布式光伏電源在安裝節點允許接入容量幾個方面來設定關于目標函數的約束條件。

（1）潮流約束條件

式中，PPVm、PGm和PLm為節點m處分布式光伏電源產生的有功功率、發電機組產生的有功功率和負載消耗的有功功率；QPVm、QGm和QLm為節點m處分布式光伏電源產生的有功功率、發電機組產生的有功功率和負載消耗的有功功率；Gmn和Bmn為線路的電導和電納；φmn為兩個節點之間的電壓相位差。

（2）電壓約束條件

式中，Uj為配電網中節點j的電壓；Ujmax為節點電壓允許的上限值；Ujmin為節點電壓允許的下限值；農村配電網節點電壓的允許上下限取值為1.07UN和0.93UN。

（3）電流約束條件

式中，Ij為配電網中節點j的電流；Ijmax為節點電流允許的上限值。

（4）分布式光伏電源裝機總容量約束條件

式中，SDPVtotal為分布式光伏電源的裝機總容量；SL為分布式光伏電源允許并入農村配電網容量上限。通常情況下，分布式光伏電源允許并入農村配電網必須設計成功率單方向傳輸，分布式光伏電源允許并入農村配電網容量上限一般不超過農村配電網總負荷的25%。

（5）分布式光伏電源在安裝節點允許接入容量約束條件

式中，PDPVj為節點j接入分布式光伏電源的容量；PDPVjmax為節點j允許接入分布式光伏電源容量的上限值。

3 算例分析

為了驗證本文所提出方法的有效性和科學性，以某地區的農村配電網為例進行研究，給配電網絡的拓撲結構如圖2所示。

圖2 某地區農村配電網拓撲結構

該配電網的總有功負荷為3200kW，單位額定容量為10kW，額定電壓等級為10kV，功率基準值為100MVA，分布式光伏電源的功率因數為0.95。分布式光伏電源的投資、安裝、運營成本如表3所示。

表3 某地區農村配電網分布式光伏電源成本

經過對各個指標進行評價，得到重要性程度結果，如表4所示。

表4 指標間重要性程度結果

最終得到分布式光伏電源的安裝位置及配置容量，如表5所示。

表5 分布式光伏電源的安裝位置及配置容量

4 結束語

本文針對分布式光伏電源接入農村配電網后，對農村配電網造成的節點電壓、功率傳輸等問題，提出基于模糊層次分析法的分布式光伏電源接入農村配電網選址方法，構建分布式光伏電源的選址模型，并給出目標函數和約束條件。經過實際運用驗證，本文所提出的選址方法，能夠較好實現分布式光伏電源的選址，該方法具備進行大規模推廣應用的價值。