配電網(wǎng)中新能源最優(yōu)接入的評價方法

袁云山，劉源，劉慨然，朱振環(huán)，劉洪

（1．天津電力設(shè)計院，天津 300400；2．智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

分布式發(fā)電一般是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50MW的小型化、模塊化、分散式、布置在用戶附近為用戶供電的連接到配電系統(tǒng)的小型發(fā)電系統(tǒng)[1-2]。隨著電力政策的放開，分布式發(fā)電作為一種新興的發(fā)電模式顯現(xiàn)出來，這種小容量的發(fā)電機組在配電網(wǎng)用戶附近提供電力，可以成為集中式發(fā)電的有益補充[3-4]。分布式電源可以減少電力傳輸時功率的損耗以及由配網(wǎng)升級帶來的費用。而對于用戶來說，較低的費用、較高的可靠性、較好的電能質(zhì)量、較高的能源利用率和一定獨立性的能源供應(yīng)是引入分布式電源的興趣所在。同時，運用可再生能源技術(shù)的分布式發(fā)電，如風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、水力發(fā)電，還提供了相當好的環(huán)境效應(yīng)。集中式發(fā)電仍將主導電力供應(yīng)是公認的，然而，世界范圍內(nèi)能源的緊張、環(huán)境保護問題的突出、電力市場改革的深入，迫切需要分布式電源這種新的有價值的發(fā)電模式出現(xiàn)和發(fā)展。

分布式電源接入配電網(wǎng)將會對電壓穩(wěn)定[5]、短路電流水平、網(wǎng)損和可靠性[6]等方面帶來各種影響，所以需要在多種影響中權(quán)衡，在可能的多種分布式能源接入方案中進行擇優(yōu)，以達到分布式能源最優(yōu)接入的目的。目前的研究一般僅僅針對新能源接入的經(jīng)濟性[7]，或者某個技術(shù)方面進行分析，來研究分布式能源在配電網(wǎng)中優(yōu)化配置[8-10]。也有研究從新能源如何與已有配電網(wǎng)融合的角度，提出新的規(guī)劃方法[11-14]。

以上研究的不足是，一般僅針對新能源對配電網(wǎng)影響的某些方面進行研究，沒有從整體上提出一套綜合評價方法來確定配電網(wǎng)中新能源的最優(yōu)接入方案。鑒于此，本文提出了一套從網(wǎng)損、短路電流、電壓波動和可靠性4個方面，綜合評價配電網(wǎng)中新能源最優(yōu)接入的方法。

1 新能源最優(yōu)接入的評價方法框架

本文所進行的研究是對分布式能源在配電網(wǎng)中的接入方案進行評價，一般考慮在新能源同等接入容量的條件下，區(qū)分不同接入位置的優(yōu)劣。

指標的計算采用相對值的方式，這有利于不同接入方案的橫向評價。以網(wǎng)損指標為例進行說明，新能源在配電線路的不同位置接入，存在著網(wǎng)損最大值和網(wǎng)損最小值，采用相對值的指標值計算方法，網(wǎng)損最大值方案的網(wǎng)損指標得分為0，而網(wǎng)損最小方案的該指標得分為100。

新能源最優(yōu)接入評價方法包括3部分內(nèi)容：

1）建立評價指標體系。合理選取指標，保證指標體系的完整性與指標間的相互獨立性，同時對每個指標進行詳細定義并給出計算方法。

2）設(shè)定指標權(quán)重。指標權(quán)重設(shè)定應(yīng)客觀合理，同時能夠反映出指標的重要性。

3）設(shè)定評分標準。評分標準應(yīng)科學而合理，符合指標的變化特性。

指標體系的建立既要保證指標的全面性，同時也要保證指標的獨立性，本文分別從經(jīng)濟和技術(shù)的角度選取評價指標，對新能源接入配電網(wǎng)進行全面的評價。指標權(quán)重既要盡量滿足客觀性，也要保證不隨評價對象的改變而改變，而評價判據(jù)需要體現(xiàn)出指標本身的重要性與特點。

2 新能源最優(yōu)接入評價指標

2.1 網(wǎng)損指標

在接入容量一定的情況下，新能源接入配電網(wǎng)的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在網(wǎng)損方面。新能源接入配電網(wǎng)的不同節(jié)點，對網(wǎng)損的影響是不同的。

假設(shè)DG接入位置為節(jié)點i，注入容量小于接入點后續(xù)負荷時，配電線路上潮流方向不變，隨著DG注入容量的增大，源節(jié)點輸出功率減小，使得前導回路潮流減小，線損也隨之減小；當DG注入容量大于后續(xù)回路負荷時，此時潮流出現(xiàn)反向，電源輸出功率進一步減小，當DG的注入容量增大到某一值時，整條配電線路的線損達到最低。

本文定義的網(wǎng)損指標的定義是，DG接入某節(jié)點后線路網(wǎng)損與所有可能接入位置中網(wǎng)損最大值的差，與所有可能接入位置網(wǎng)損最大值與網(wǎng)損最小值之差的比值。

網(wǎng)損指標的計算方法是：

式中，Lossmax=max（Lossi），i=1，…，n；Lossmin=min（Lossi），i=1，…，n，n為線路節(jié)點數(shù)；Lossi是DG接入節(jié)點i后，整條配電線路的網(wǎng)損值。

2.2 短路電流指標

分布式電源采用就地式接入10 kV配網(wǎng)、專線方式接入10 kV配網(wǎng)、就地式接入380 V配網(wǎng)，以及低壓微網(wǎng)方式接入380 V配網(wǎng)時對配網(wǎng)短路電流的影響如下：

1）就地接入10 kV配網(wǎng)時，分布式電源的接入會使短路電流值增加，但在不出現(xiàn)逆潮流的限值下電網(wǎng)不會發(fā)生短路電流越限的情況。

2）專線接入10 kV配網(wǎng)時，1 MW分布式電源提供的短路電流小于0.3 kA。

3）就地接入380 V時，380 V電壓等級下分布式電源對低壓配電網(wǎng)短路電流的影響可以忽略。

4）低壓微網(wǎng)方式接入380 V時，380 V電壓等級下分布式電源對低壓配電網(wǎng)短路電流的影響可以忽略。

中小容量的分布式電源接入配電網(wǎng)中，在故障發(fā)生時將對故障點提供故障電流。因此所需要考慮在故障發(fā)生時，分布式電源能夠提供故障電流的大小。對于不同類型的分布式電源，其電抗值是不同的，它代表著該電源的故障電流注入能力。

DG接入配電線路對短路電流的影響主要體現(xiàn)在線路源節(jié)點。應(yīng)該保證DG接入后，線路某處發(fā)生短路故障，短路電流不超過源節(jié)點處開關(guān)的開斷電流極限。

短路電流指標的定義是，DG接入某節(jié)點后線路首端的短路電流與所有可能接入位置中線路首端短路電流之差，與所有可能接入位置首端短路電流最大值與最小值之差的比值。

短路電流指標的計算方法是：

式中，ShtCurmax=max（ShtCuri），i=1，…，n；ShtCurmin=min（ShtCuri），i=1，…，n，n為線路節(jié)點數(shù)；ShtCuri是DG接入節(jié)點i后，配電線路首端的短路電流值。

2.3 電壓波動指標

10 kV配電線路接入分布式電源后，將對線路潮流以及各節(jié)點電壓產(chǎn)生影響。首先，分布式電源出力會減小線路上的潮流；其次無功充足時會抬升節(jié)點電壓。分布式電源接入對配網(wǎng)線路各節(jié)點電壓有一定的抬升作用，相同容量的分布式電源接入在不同位置時所形成的電壓分布差別很大，分布式電源接入點越接近末節(jié)點對線路電壓分布的影響越大；分布式電源越接近系統(tǒng)母線對線路電壓分布的影響越小。不改變分布式電源接入位置的情況下，電壓支撐由分布式電源的出力決定。出力越多，與負荷的比值越高，電壓支撐就越大，整體電壓水平就越高。同時，當分布式電源接入容量小于線路負荷峰值時，存在網(wǎng)絡(luò)損耗最小的接入容量。

平均電壓偏差的定義：DG接入某點后，線路上各節(jié)點電壓與額定電壓偏差的平均值。

平均電壓偏差的計算方法：

式中，AVB=Average Voltage；n為線路節(jié)點數(shù)。

電壓波動指標的定義是，DG接入某節(jié)點后線路平均電壓偏差與所有可能接入位置中最大平均電壓偏差的差，與所有可能接入位置最大平均電壓偏差與最小平均電壓偏差的比值。

電壓波動指標的計算方法：

式中，AVBmax=max（AVBi），i=1，…，n；AVBmin=min（AVBi），i=1，…，n，n為線路節(jié)點數(shù)；AVBi是DG接入節(jié)點i后，配電線路各節(jié)點平均電壓偏差。

2.4 可靠性指標

光伏發(fā)電等新型分布式電源，以及微型燃氣輪機這種傳統(tǒng)分布式電源的接入，對配電網(wǎng)的可靠性有提高作用。在準入容量接入范圍內(nèi)，分布式電源接入容量越大，對系統(tǒng)可靠性越有益。

一般情況下，分布式發(fā)電的引入可以提高配電系統(tǒng)的整體可靠性，主要包括2方面：首先，分布式電源可以作為后備電源，在線路發(fā)生故障時啟動來為停電的用戶供電，尤其是對于那些非常重要的負荷，它可作為緊急后備電源與電池、換流器聯(lián)合保證不間斷供電。在此種情況下，分布式電源不會影響系統(tǒng)故障發(fā)生頻率，但是斷電時間卻因為分布式電源的后備作用而大大減少，從而提高電網(wǎng)可靠性。其次，分布式電源具有削峰作用。在用電高峰和電價高峰期間，分布式電源開始啟動為某些重要用戶供電，在降低用戶電價的同時，分布式電源的削峰作用減輕了線路負荷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

如果分布式電源僅作為備用電源是可以提高系統(tǒng)供電可靠性的，但如果分布式電源與電網(wǎng)并聯(lián)運行，就可能降低系統(tǒng)可靠性。分布式電源并網(wǎng)后，配電網(wǎng)供電可靠性的評估需要考慮新出現(xiàn)的影響因素，如孤島的出現(xiàn)和分布式電源輸出功率的隨機性等。

可靠性指標的定義是，DG接入某節(jié)點后線路可靠率與所有可能接入位置中最大可靠率的差，與所有可能接入位置可靠率與最小可靠率的比值。

可靠性指標的計算方法：

式中，Reliabilitymax=max（Reliabilityi），i=1，…，n；Reliabilitymin=min（Reliabilityi），i=1，…，n，n為線路節(jié)點數(shù)；Reliabilityi是DG接入節(jié)點i后，整條配電線路的可靠率。

3 指標權(quán)重和評分標準

指標權(quán)重是對各評價指標間相對重要性的度量。評分標準是指標值和指標得分間的對應(yīng)關(guān)系。

目前已有主觀賦權(quán)法、和客觀賦權(quán)法2大類成型的賦權(quán)方法。2種方法各有所長，客觀賦權(quán)法能反映各個評價對象之間的差異，而主觀賦權(quán)法能夠充分利用專家的知識和經(jīng)驗。本文所建立的指標體系層次結(jié)構(gòu)比較簡單，在實際操作中，可以根據(jù)需要選用以上的任何一種賦權(quán)方法。指標評分標準的選取也可以參照確定指標權(quán)重的方法執(zhí)行。由此獲得的指標權(quán)重和評分標準，可以作為評價計算的邊界條件，從而形成完整的評價體系。

4 算例

4.1 算例模型

構(gòu)造一條典型10 kV配電線路，電源節(jié)點命名為BUS0，各個負荷節(jié)點分別命名為BUS1-BUS14。采用YJY-3×300電纜，線路長度2 km，各節(jié)點間線路等長。線路掛載恒功率負荷，負荷等值均勻分布，線路總負荷為3.325 MW（1.732×10.5 kV×385 A×0.95×50%），如圖1所示。

圖1 典型配電線路示意圖Fig.1 Typical distribution line model

1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主饋線長度為2 km，在BUS2處有分支線2~3，在BUS5處有分支線5~6和6~7，在BUS10處有分支線10~11。

2）線路長度。主饋線上相鄰負荷節(jié)點之間線路長度均為0.2 km，支線的線路2~3、5~6、6~7、10~11長度也均為0.2 km。

3）負荷分布。共14個負荷，沿線路均勻分布，功率因數(shù)取為0.95，峰值負荷有功均取為0.2375 MW，谷值負荷有功均取為0.1425 MW。

4）配電網(wǎng)線路故障率：0.6（次/a·km）。

4.2 仿真方案

分別在BUS1-BUS14接入DG，功率因數(shù)為0.98，功率為1.995 MW，經(jīng)過仿真計算獲得網(wǎng)損，短路電流，電壓波動和可靠率數(shù)據(jù)如表1所示。

在進行可靠率仿真時，僅選取有代表性的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點7、節(jié)點9、節(jié)點14。節(jié)點7處于主要分支中，與主干線為斷路器連接，必要時可形成孤島，對配電網(wǎng)的可靠性貢獻較大；節(jié)點9、14分別為主干線主要分段處的節(jié)點和主干線末尾的節(jié)點，有代表性。

表1 仿真及計算數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation and calculation data

4.3 指標權(quán)重和評分標準

本算例中采用德爾菲法確定指標權(quán)重和評分標準。綜合了多位電力系統(tǒng)專家的意見，確定網(wǎng)損指標權(quán)重為48%，短路電流指標權(quán)重為10%，電壓波動指標權(quán)重為22%，可靠性指標權(quán)重為20%。

評分標準為：y=x。其中，y表示指標得分；x表示指標計算值，即指標計算值就等于指標得分值。

4.4 指標得分和方案總體得分

根據(jù)各個指標值的計算方法，處理表1中的仿真數(shù)據(jù)，獲得指標值，依據(jù)評分標準獲得指標得分。

方案總體得分的計算方法是：

式中，z表示方案總體得分；yj表示指標得分；wj表示指標權(quán)重；n表示指標個數(shù)。

經(jīng)過計算，獲得指標得分和各個接入位置方案的總體評分結(jié)果，如表2所示。

從表2可以看出，在所有的接入位置方案中，接入BUS12位置的得分較高，采用該方案網(wǎng)損較小，源節(jié)點短路電流、平均電壓偏差和可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，此接入位置兼顧了經(jīng)濟性與技術(shù)性，是最優(yōu)接入方案。

表2 指標得分和總體得分Tab.2 Index scores and total score

5 結(jié)語

本文通過對分布式能源接入配電網(wǎng)的影響進行分析，提出了一種配電網(wǎng)中分布式能源最優(yōu)接入的評價方法。該方法從網(wǎng)損、短路電流、電壓波動以及可靠性等多個角度綜合評判，兼顧了經(jīng)濟性和技術(shù)性，從而科學合理地確定最優(yōu)接入方案，能夠?qū)Ψ植际侥茉唇尤肱潆娋W(wǎng)提供有益的指導。

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