分布式電源與自動化終端建模及協同規劃研究

劉 勇

（中國光電研究院，天津 300300）

在分布式電源應用的過程中，配電終端與配電自動化運行模式的融合需要通過建立模型的方式對自動化終端融入應用后的實際效果進行分析。并且同步做好分布式電源融入后的協同規劃工作。模型構建的過程中，需要考慮整個電網系統的運行穩定性，并且采取針對性的措施提高協同運行的安全保障。

1 分布式電源與配電自動化的模型構建分析

1.1 分布式電源處在負荷狀態下的時序模型構建

在分布式電源負荷狀態的分析中，以風力發電模式下的時序模型研究為典型代表。而在具體的模型構建環節中，風速模型是常見的模型結構[1]。這主要是由于風速本身具有典型的時序性特征，且風力本身也具有一定的隨機性。因此，需要結合大量的基礎數據進行研究分析，以便確定出一個區域內相對穩定精確的風速數據模型。具體的風速概率密度函數公式為

式中：v代表風速這一指標的實時數值；k代表形狀參數指標；c代表尺度參數。當k值發生變化時，整體分布狀態也有所不同。例如，k=1時，函數分布狀態為指數型；當k=2時，函數分布狀態為瑞利分布；k=3.5時，函數呈現正態分布狀態。計算k與c時，需參照公式

式中：Vc代表某一時間段內風速。

1.1.1 風力發電輸出功率模型分析

在風力發電的相關研究開展時，仍然需要設置風力發電模型參數的方式對參數指標進行合理求解，隨后完成數據計算，為進一步模型構建提供支持。分別設遏制模型參數為A、B、C，具體參數計算方法如下

式中：r表示風力發電設備葉片半徑。

通過公式計算結果分析可知，在以風力發電為背景的發電工作開展中，需要充分考慮風速變化給整體的分布式發電電源應用帶來的影響。從實際出發分析可知，季節性因素對于風速變化的影響十分強烈，在具體的風力發電工作落實的過程中，需要結合季節性元素，通過設置不同的場景，繪制時序特性曲線達到合理控制風速的目標[2]。

1.1.2 光伏發電系統背景下的序出力模型

在此模型構建的過程中，主要以光照強度模型的構建為代表，光照是光伏發電模式背景下發揮作用的核心指標。光伏電池在光照強度的計算過程中，也需要應用概率密度函數進行光伏發電模式的光照強度計算和分析。

1.2 配電終端的布局分析

配電終端在自動化系統中的結構以檢測單元與控制單元為典型代表。通常情況下，配電終端的位置位于整個裝置的柱結構開關區域，另外，環網柜、箱式變等現場設備上也會設置配電終端[3]。設置配電終端后，整個設備的狀態能夠得到實時監控。并且能夠進一步將數據上傳至主站與子站區域。終端設備按照其功能的差異可分為“二遙”和“三遙”模式。為了促使配電終端的合理布局模式的形成，需要針對配電終端的布局進行經濟模型的構建。以便獲得投資成本指標與終端運維成本指標。具體的運算公式如下

2 分布式電源對配電網的規劃影響分析

2.1 主要影響狀況

分布式電源在并網運行的狀態下，出力的整體狀態會直接影響到配電網絡的潮流變化，具體的影響狀態分為以下幾種類型。①對網絡損耗的影響。分布式電源出力小于接入點負荷需求量，此時潮流方向不發生改變，同時，處在支路上的傳輸功率也呈現出逐步減小的趨勢。這時，配網的網絡損耗也會因此有所下降。②分布式電源若出現了處理大于接入點符合需求的狀態，且分布式電源的接入容量較小，則可能促使輸入功率的多余部分也開始向別的線路負荷節點進行輸入。網絡損耗量也會隨之有所減少。通過分析可知，網絡損耗量的狀態與電源接入位置和容量指標有緊密的聯系，需要通過合理有效地規劃促使配電網的運行在可靠性上更進一步提升。網絡損耗量就會在這個過程中不斷降低[4]。③對電能質量的影響。此種影響主要是指在具體的電力電子設備與配網結構實現連接時，應當重視對諧波問題的充分考慮，避免諧波導致電壓波動的現象出現，同時導致電能質量下降。電壓閃變的影響因素有幾種。如若接入容量較大，則會直接導致出力確定性不足。配電網絡的整體運行狀態會由于啟停次數的增多受到影響。④對配電網絡可靠性狀態的影響在分布式電源的應用中介入的總體數量較多，因此分布式電源能夠帶范圍的堿基碳排放，促使能源節約，達到清潔環保的狀態，是要合理地對分布式電源的應用狀態進行控制，就能夠提升供電狀態的可靠性，同時點擊用戶端電力供應過程中的問題不足。具體來說分布式電源提升電網供應可靠性的原理包括以下幾方面，一是若電路末端接入分布式電源，負荷節點和電源間的距離可大幅度縮短，這就能針對性地降低電能輸送過程中出現故障的概率。二是在普通的供電電源接入模式下，故障與主電源之間的獨立性相對存在不足，因此故障下游與組件員的聯系會被切斷，隨之引發停電問題，若合理規劃下游使用分布式電源支撐電力供應，則能夠通過配電自動化裝置的融入應用，形成孤島狀態，促使非故障區能夠正常獲得電力資源的供應是保障用戶正常用電、減輕用戶停電損失的有效路徑。

2.2 配電網規劃中自動化系統的基本結構分析

2.2.1 配電自動化子站結構

在龐大的配電系統網絡中，配電終端與主鍵的連接存在直接連接和間接連接2種情況。子站主要是在通信的過程中承擔部分間接連接任務的主要結構。在整體系統中若能合理地設置子站點位，并且做好子站開閉的狀態，控制就能夠通過通信網絡的應用，使得上層主站和下層的配電終端實現實時交互[5]。

2.2.2 通信網絡結構

通信網絡結構主要是指配電自動化的通信網絡中主站子站終端渠道在運行中的相互交互支撐網絡。在通信網站的基本結構中包括了無線專網、公網通信、光纖通信和以太網通信幾種常見的方式。

3 配電網運行過程中的可靠性指標專項分析

在分布式電源應用的過程中，配電自動化的系統規模及電網運行可靠性是影響分布式電源應用效果的關鍵性因素。因此，在以分布式電源和整體的自動化系統聯合應用的背景下，需要針對配電網絡整體的可靠性指標進行專項分析，以便提升應用過程中的安全保障和應用穩定性指標。

3.1 元件可靠性指標分析

關于元件的可靠性分析，主要是指針對系統運行中的基礎元件對其運行質量運行狀態進行觀察和分析。為了針對性地了解元件的可靠性，還需構建相應的模型，在配電網絡中通過模型結構中的各個實體的可靠性研究，最終計算得出故障發生率指標。具體來說，基礎元件在配電網絡系統中主要是指變壓器分段開關、熔斷器、架空線路或電纜線路，電源結構和儲能設備等。在故障率計算的過程中，需設定單位時間和故障次數等相關指標具體的計算公式為

式中：Ny為在固定時間段內，元件因故障而停止工作的頻率；Ty為援建工作的持續時間長度。

在計算過程中，還需要對原件的修復率進行計算。通常情況下原件修復率用μy，在具體的計算過程中設定時間段內原件若無法工作，但通過修復能恢復工作狀態，則可對修復率指標進行進一步的計算，計算具體公式如下

式中：My為在固定時間段內，元件經過修復能夠恢復正常工作狀態的頻率；Fy為原件修復到正常工作狀態所需要耗費的時間指標。

3.2 負荷點的可靠性指標分析

具體來說，負荷點平均故障率強調的是配電網運行的過程中，若固定區域發生故障，復合點會處于故障狀態，而復刻點平均故障率是指此種情況發生次數的平均值，單位為（次/年），而顧客點的平均停電時間是指在配電網絡運行中，若獨立區域發生故障，復合點就會處在故障狀態下，這時所耗費時間的平均值，單位為（h/年）。最后，關于負荷點的平均停電持續時間，主要強調的是配電網絡中由于固定點位的故障導致負荷點出現故障，并最終恢復到正常供電期間所耗費的時間，單位為（h/次）。

3.3 配電網絡系統的整體可靠性指標分析

整體配電網絡系統的可靠性，對配電網絡的工作狀態和供電能力都能進行精準的反映。在配電網絡可靠性的影響因素中也有多種不同的類型，最為核心的指標為系統平均停電頻率指標。具體的計算表示公式為

式中：λi為區域內的配電網絡負荷點故障發生率；Ni為區域內配電網絡負荷節點的用戶數量。

關于用戶的平均停電頻率，主要是指通過規劃分析得出的配電網內故障影響用戶的平均停電次數。具體表示方法如下

式中：Fi為負荷點的故障影響用戶停電的總數指標。

關于系統內的平均停電持續時間指標具體的表達式如下

4 分布式電源與配電自動化終端的協同規劃路徑分析

4.1 規劃中上層算法的應用

在電力系統運行需求不斷提升的背景下，分布式電源與配電自動化終端系統需協同發揮作用。為了更加精準有效地明確分布式電源與配電自動化終端系統協同發揮作用的狀態，需構建相應的模型、應用不同階段的正確求解方法計算出具體的數據指標。具體來說，計算方法分為上層求解法和下層求解法2種類型。其中上層求解法需要輸入網絡結構，種群數目等專業參數，并實現迭代次數的初始化設置。在本文的研究中主要采用整數編碼的形式，對種群內部的染色體狀態進行編碼。隨后再進入到遺傳迭代的環節的運行中需借助孤島劃分的方式，對下層目標函數的數值初步表示，隨后傳遞并計算出上層的目標函數值，具體表達式如下

繼續完成數值傳遞可計算出上層的目標函數數值，具體表達式如下

通過數據計算方法的應用，可得到F1的數值。并根據計算得數對遺傳運算中的適應度指標是密度平均值指標進行進一步的計算，存在相應的數組結構中。

在實踐應用中，遺傳算法強調應用計算機系統進行深戶進化理論的模擬，完成自然選擇過程，以優勝劣汰為基本原則找到問題的最優解決方法，從而針對遺傳算法進行自適應式的改進。在遺傳算法的基礎上實現選擇、交叉、變異和內部設定環節的組織實施，通過設定的改進促使迭代種群的遺傳因子相互適應。只有實現不斷的優化，才能盡可能避免在交叉或變異狀態下出現數值分歧的問題。

4.2 規劃中下層算法的應用

下層算法的應用是以上層算法為基礎的計算方法，在實踐應用中需要經歷，由上層向下層轉換、對下層染色體進行編碼以及遺傳迭代、自適應交叉的整體流程，以便獲取最終的計算結果。

4.3 以電動汽車應用分布式電源為例實現EV模型構建

此模型的主要優勢在于不會受到運行策略和出行方式的影響，在模型應用的過程中，可對居民1天之內的生活規律進行摸索和確認，建立此模型后需針對性的明確概率密度函數的表達式具體如下

式中：x為日常的行駛里程數據為方差數據，在此公式中將方差數據定為0.88；μD在此工序中表示平均值，在此公式的計算中取數值3.2。

5 結束語

綜合本文的分析可知分布式電源與配電網絡系統的協同規劃工作中需要通過模型構建以及數據計算兩方面針對性措施達到預期的目標，計算過程中，除了要把握基礎，計算指標數據，還應當對計算方法、計算公式中基準、數據的選擇等問題引起充分的重視，并合理進行規劃，以便立足于模型構建為分布式電源與整個配電自動化系統的協同運行提供支持。