含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力評(píng)估方法

國(guó) 宗，韋 鋼，李 明，褚佳媛

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.上海合澤電力工程設(shè)計(jì)咨詢，上海 200090)

含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力評(píng)估方法

國(guó) 宗1，韋 鋼1，李 明1，褚佳媛2

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.上海合澤電力工程設(shè)計(jì)咨詢，上海 200090)

供電能力是評(píng)估現(xiàn)代配電網(wǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文針對(duì)分布式電源的配電網(wǎng)，基于改進(jìn)的重復(fù)潮流法，優(yōu)化了含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力分析模型，分析并得出了最大供電功率；并針對(duì)分布式電源的波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，建立了含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力綜合評(píng)估體系，利用基于德?tīng)柗品ǖ膶哟畏治龇▽?duì)分時(shí)段供電能力綜合評(píng)估；通過(guò)算例對(duì)比驗(yàn)證了所提供電能力評(píng)估方法的有效性和可行性，能夠清晰和客觀地評(píng)估含分布式電源配電網(wǎng)供電能力。

分布式電源；供電能力；重復(fù)潮流；評(píng)估方法

0 引 言

近年來(lái)，分布式電源(Distributed Generation，DG)的應(yīng)用日益增多，DG出力的隨機(jī)性和間歇性導(dǎo)致其被視為一種不可控的發(fā)電形式，對(duì)含DG的配電網(wǎng)供電能力進(jìn)行準(zhǔn)確地分析和評(píng)估變得更加復(fù)雜和困難，并已引起業(yè)界的高度關(guān)注。

目前，學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)供電能力已經(jīng)有多方面的研究。一些學(xué)者從宏觀上評(píng)價(jià)了供電能力，提出了容載比法[1]，該方法能夠簡(jiǎn)單清晰地反映配電網(wǎng)的供電能力，但是未將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能力、供電可靠性等因素考慮在內(nèi)；有些學(xué)者考慮了供電可靠性, 提出基于主變互聯(lián)的供電能力分析方法[2]，該方法能夠較客觀地反映供電能力，但忽略了中壓接線模式，線路容量和運(yùn)行狀態(tài)等約束；有些學(xué)者考慮了接線模式和現(xiàn)狀負(fù)荷情況，提出了最大倍數(shù)法[3]、嘗試法[4]和內(nèi)點(diǎn)法[5-6]等方法，分析結(jié)果與實(shí)際情況仍存在一定的誤差。目前，學(xué)者們對(duì)含DG的配電網(wǎng)供電能力的研究較少，存在的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和DG接入[7]，建立合理的供電能力分析模型；②妥善地處理DG功率輸出的波動(dòng)性和間歇性等特征[8]，求取配電網(wǎng)最大供電功率；③綜合考慮DG對(duì)供電能力的影響[9]，建立有效和客觀的供電能力的評(píng)價(jià)體系。

本文針對(duì)含DG的配電網(wǎng)提出了一種供電能力評(píng)估方法。本方法建立了供電能力模型及其評(píng)估指標(biāo)體系，采用改進(jìn)的重復(fù)潮流法對(duì)配電網(wǎng)最大供電功率進(jìn)行分析，并利用基于德?tīng)柗品ǖ膶哟畏治龇▽?duì)典型負(fù)荷日分時(shí)段(日間、夜間和全天)配電網(wǎng)進(jìn)行供電能力的綜合評(píng)估。

1 基于改進(jìn)RPF的最大供電功率

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)重復(fù)潮流法[10](Repeated Power Flow; RPF)。計(jì)及了供電可靠性，將DG考慮在內(nèi)優(yōu)化了配電網(wǎng)供電能力分析模型，對(duì)典型負(fù)荷日的各時(shí)刻最大供電功率進(jìn)行抽樣分析，分析最大供電功率。

1.1 計(jì)及供電可靠性的含DG配電網(wǎng)模型建立

考慮了供電可靠性，建立供電能力分析模型，為便于分析將其拆分為網(wǎng)絡(luò)模型和節(jié)點(diǎn)模型。

① 網(wǎng)絡(luò)模型

將網(wǎng)絡(luò)模型[11]分為線路支路導(dǎo)納模型Y1和對(duì)地導(dǎo)納模型Y10，如式(1)所示。

(1)

式中：Yij代表i節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)間的線路支路導(dǎo)納；Yij0代表i節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)間的線路對(duì)地導(dǎo)納。

②節(jié)點(diǎn)模型

將節(jié)點(diǎn)模型[13]分為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)模型SP和DG節(jié)點(diǎn)模型SG如式(2)所示。

(2)

式中：SPi和SGi分別為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷功率和DG輸出功率。

③ 計(jì)及供電可靠性的網(wǎng)架模型修正

考慮“n-1”原則，故障后的導(dǎo)納模型Y1′、對(duì)地導(dǎo)納模型Y10′、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)模型SP′和DG節(jié)點(diǎn)模型SG′，如式(3)～(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

基于式(1)～(6)的計(jì)算，可以得出故障后網(wǎng)絡(luò)模型Xij[11]如式(7)所示。

(7)

1.2 約束條件

節(jié)點(diǎn)電壓、導(dǎo)線支路熱極限和變壓器額定功率等潮流約束，如式(8)所示。

(8)

式中：Ui、UL和UH分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓及其下限和上限；iLi和imax為支路i的電流和允許的最大載流量；Sti和Stmax分別為變壓器支路i的功率值和最大允許功率。

1.3 基于改進(jìn)RPF的最大供電功率

利用改進(jìn)的重復(fù)潮流法，求取采樣時(shí)刻的最大供電功率，目標(biāo)函數(shù)S如式(9)。

(9)

式中：k為負(fù)荷增長(zhǎng)倍數(shù)；hi為負(fù)荷增長(zhǎng)步長(zhǎng)。

最大供電功率的求取過(guò)程主要由以下5步構(gòu)成。

① 輸入原始數(shù)據(jù)。建立線路支路導(dǎo)納模型Y1、對(duì)地導(dǎo)納模型Y10、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)模型SP、DG節(jié)點(diǎn)模型SG、故障后網(wǎng)絡(luò)模型X、負(fù)荷增長(zhǎng)歩長(zhǎng)h和計(jì)算精度e。

② 典型負(fù)荷日網(wǎng)架運(yùn)行時(shí)刻抽樣?；诘湫拓?fù)荷日運(yùn)行時(shí)刻的DG出力和負(fù)荷量均勻抽樣，獲取該時(shí)刻點(diǎn)的DG出力情況。

③ 考慮負(fù)荷增長(zhǎng)。以歩長(zhǎng)hi為各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的增長(zhǎng)量，遞增各節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀負(fù)荷量。

④ 潮流分析計(jì)算?；谂ｎD拉夫遜法則[11]，以故障后網(wǎng)架參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)架的各節(jié)點(diǎn)的潮流、電壓等分析計(jì)算。

⑤ 判斷是否符合潮流/電壓約束。若滿足，則重復(fù)①至④步。若不滿足，判斷是否滿足精度要求，不滿足則減半遞增步長(zhǎng)，遞增上一次負(fù)荷，并重復(fù)①至④步；滿足精度要求，則得出該時(shí)刻的最大供電功率。

綜上所述，最大供電功率曲線的繪制流程如圖1。

圖1 基于改進(jìn)RPF的最大供電功率分析流程

2 供電能力評(píng)估指標(biāo)體系

考慮到DG的波動(dòng)性和間歇性對(duì)配電網(wǎng)的影響，建立的供電能力評(píng)估指標(biāo)體系如圖2。

圖2 含DG的配電網(wǎng)供電能力指標(biāo)體系

在各指標(biāo)計(jì)算以典型負(fù)荷日的配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為樣本，以抽樣數(shù)N對(duì)樣本運(yùn)行時(shí)刻均勻抽樣。

2.1 網(wǎng)絡(luò)峰值功率

網(wǎng)絡(luò)峰值功率Pmax是指在評(píng)估時(shí)段內(nèi)配電網(wǎng)可輸送的最大功率，如式(10)所示。

(10)

式中：P(i)為各采樣點(diǎn)的最大功率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)低谷功率

網(wǎng)絡(luò)低谷功率Pmin是指在評(píng)估時(shí)段內(nèi)配電網(wǎng)可輸送的最小功率，如式(11)所示。

(11)

2.3 平均供電功率

(12)

2.4 DG波動(dòng)性影響

DG波動(dòng)性影響Pb反映了DG對(duì)配電網(wǎng)最大供電功率的穩(wěn)定性，求取如式(13)所示。

(13)

2.5 大電網(wǎng)供電功率影響

由于網(wǎng)絡(luò)潮流約束，DG的接入將會(huì)減小大電網(wǎng)供電功率，該指標(biāo)反映了DG對(duì)大電網(wǎng)供電功率影響的程度，大電網(wǎng)供電功率影響程度PI的計(jì)算方法如式(14)所示。

(14)

式中：PI(n)是采樣點(diǎn)n的大電網(wǎng)供電量。

將指標(biāo)分為成本型(越小越好)和效益型(越大越好)指標(biāo)。以上5項(xiàng)指標(biāo)中，成本型指標(biāo)為“DG波動(dòng)性影響”和“大電網(wǎng)供電功率影響”。效益型指標(biāo)為“網(wǎng)絡(luò)峰值功率”、“網(wǎng)絡(luò)低谷功率”和“平均供電功率”。

3 基于DM的層次分析法

為了減小專家主觀性的影響，本文基于德?tīng)柗品?(Delphi Method，DM)[12]，改進(jìn)了層次分析法的權(quán)重選取過(guò)程，對(duì)配電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行綜合評(píng)估。

3.1 基于DM法的權(quán)重確定

① 專家權(quán)重征詢

向多位專家進(jìn)行權(quán)重的意見(jiàn)征詢，其中第k位專家的權(quán)重矩陣Qk，如式(15)所示。

(15)

其中：

設(shè)專家的綜合意見(jiàn)為E，按照式(16)對(duì)m個(gè)專家給出的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算。

(16)

② 意見(jiàn)分歧度和權(quán)重一致性檢驗(yàn)

用專家意見(jiàn)分歧度δij判斷指標(biāo)重要性的離散度是否滿足要求。若某指標(biāo)分歧度大于δ0，需再次討論該指標(biāo)重要程度。δij計(jì)算如式(17)。

(17)

用權(quán)重一致性CI判斷得出權(quán)重是否具有代表性。若CI大于0.1，則需要修正權(quán)重矩陣Q。CI的計(jì)算如式(18)。

(18)

式中：λmax為專家綜合意見(jiàn)矩陣E的最大特征值。

③ 權(quán)重的確定

標(biāo)準(zhǔn)化矩陣E的最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量y，得到指標(biāo)的評(píng)估權(quán)重Y，如式(19)。

(19)

3.2 供電能力綜合評(píng)估

各評(píng)估指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果a如式(20)所示。

(20)

其中，ai為各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，如式(21)。

(21)

將ai指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果歸一化處理[13]得到Ai，如式(22)所示。

(22)

供電能力綜合評(píng)估結(jié)果F，如式(23)所示。

F=Ai×Y

(23)

采用以上方法對(duì)供電能力評(píng)估體系各指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出含DG的配電網(wǎng)供電能力綜合評(píng)估結(jié)果。

4 算例分析

本文以某地區(qū)10kV配電網(wǎng)為算例，線路阻抗為(0.125+j0.32)Ω/km，線路載流量為539A。模型假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的線路長(zhǎng)度均為0.2km。電壓質(zhì)量約束為額定電壓的±5%，潮流約束為線路額定載流量。本算例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖3。

圖3 算例配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

典型負(fù)荷日系統(tǒng)的平均總負(fù)荷量(16.3+j2.3)MW，波動(dòng)范圍為±25%。典型負(fù)荷日的DG功率曲線如圖4所示。

圖4 典型負(fù)荷日DG功率曲線

本算例分別討論了一種不含DG的配電網(wǎng)和3種含DG接入配電網(wǎng)的方案，如表1所示。

通過(guò)對(duì)4種接入方案分析，對(duì)比DG出力相同的情況下，由于接入配電網(wǎng)方式不同導(dǎo)致的供電能力差異，并驗(yàn)證本文提出的一種針對(duì)含DG的配電網(wǎng)供電能力分析方法的有效性。

表1 DG接入方案

注：表中數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

4.1 指標(biāo)分析

根據(jù)本文提出的方法，利用matlab軟件計(jì)算，得出算例中4套方案的最大供電功率曲線如圖5。

圖5 4套方案的最大供電功率曲線

由圖5可見(jiàn)，由于方案一不含有分布式電源，因此最大供電功率曲線最平緩，但是相對(duì)于其他各方案各時(shí)間點(diǎn)的最大供電功率最小。其余各方案中，由于DG的接入位置不同，因此其最大供電功率曲線在最大(小)值、分布區(qū)間和波動(dòng)程度等方面有著明顯的差異。

按照本文提出評(píng)估配電網(wǎng)供電能力的指標(biāo)體系，分析最大供電功率圖5，得到相應(yīng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果如表2。

由圖5和表2可見(jiàn)，DG接入配電網(wǎng)后，在“網(wǎng)絡(luò)峰值功率”、“網(wǎng)絡(luò)低谷功率”和“平均供電功率”3項(xiàng)指標(biāo)均有大幅提升。但是在“大電網(wǎng)供電功率影響”和“DG波動(dòng)性影響”兩項(xiàng)指標(biāo)方面均有一定的減小。詳細(xì)比較各含DG的配電網(wǎng)供電方案，可以發(fā)現(xiàn)含DG接入方案的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)劣差異明顯，在“平均供電功率”方面甚至可達(dá)7.2MVA，在“大電網(wǎng)供電功率影響”方面差異可達(dá)44.9%。可見(jiàn)接入方案顯著影響配電網(wǎng)供電能力的各項(xiàng)指標(biāo)。

4.2 綜合分析

利用基于DM的層次分析法，綜合評(píng)估各方案的供電能力，結(jié)果如表3所示。

表2 各方案供電能力指標(biāo)分析結(jié)果

表3 各方案供電能力綜合分析結(jié)果

由表3可見(jiàn)，含DG的供電方案(二、三、四)供電能力評(píng)分優(yōu)于不含DG的方案一，可見(jiàn)DG接入對(duì)供電能力有著顯著的提升。

分析含DG的供電方案(二、三、四)可以發(fā)現(xiàn)，各方案中方案二(DG接入于線路首段)較優(yōu)。綜合全天、夜間、日間的供電能力評(píng)分，可以發(fā)現(xiàn)含DG的配電網(wǎng)供電能力不僅受到接入方案的影響，而且受到DG的運(yùn)行時(shí)刻，即DG的出力的影響。

案例分析表明，DG的接入方案對(duì)配電網(wǎng)的供電能力有著顯著的影響，驗(yàn)證本文提出的針對(duì)含DG的配電網(wǎng)供電能力評(píng)估方法的客觀性和有效性。

5 結(jié) 論

本文提出了一種針對(duì)含DG的配電網(wǎng)供電能力評(píng)估方法，主要結(jié)論如下：

① 提出的基于改進(jìn)RPF的配電網(wǎng)最大供電功率求取方法，綜合考慮了供電可靠性，潮流和電壓等約束條件，同時(shí)兼顧了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀電網(wǎng)負(fù)荷和DG功率輸出等多種因素，求取流程簡(jiǎn)單清晰且具有較高的有效性和準(zhǔn)確性；

② 提出的含DG的配電網(wǎng)供電能力指標(biāo)體系，著重反映了DG的波動(dòng)性和間歇性對(duì)配電網(wǎng)供電能力的影響，能夠定量反映供電能力；

③ 采用基于DM法的層次分析法綜合評(píng)估供電能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的層次分析法可以有效減少人為的影響，給出的綜合評(píng)估結(jié)果更為客觀。

本文提出的方法克服了DG接入配電網(wǎng)后的供電能力評(píng)估的諸多難點(diǎn)，能夠有效和客觀地對(duì)含DG配電網(wǎng)的供電能力評(píng)估。

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(責(zé)任編輯：林海文)

Assessment of Power Supply Capability for DistributionNetwork with Distributed Generations

GUO Zong1，WEI Gang1，LI Ming1，CHU Jiayuan2

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090,China；2. Shanghai Heze Electric Power Engineering Design Consulting Co.,Ltd., Shanghai 200090,China)

Power supply capacity is one of the most important indexes to assess the modern distribution network. In this paper, according to distribution network with distributed generations, based on improved repeat power flow method, the analysis model of power supply capacity for distribution network with distributed generations is optimized, and the maximum power supply capacity is calculated. According to such characteristics as fluctuation and intermittence of distributed generations, the comprehensive assessment system of power supply capability for distribution network with distributed generations is built, and power supply capability in different period of time can be comprehensively evaluated based on the improved AHP. A case is also given to testify the validity and feasibility of proposed method, which can assess power supply capacity of distribution network with distributed generations clearly and objectively.

distributed generation; power supply capability; repeated power flow; assessment methods

1007-2322(2015)04-0056-06

A

TM7

上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J51303)

2014-08-11

國(guó) 宗(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)供電能力，mizongzi66@126.com ；

韋 鋼(1958—)，男，通信作者，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與計(jì)算、新能源與電力系統(tǒng)規(guī)劃等，E-mail: wg5815@sohu.com。