考慮分布式光伏接入的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)化布置研究

李秋平

（國(guó)網(wǎng)桐鄉(xiāng)市供電公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

考慮分布式光伏接入的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的優(yōu)化布置研究

李秋平

（國(guó)網(wǎng)桐鄉(xiāng)市供電公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

隨著分布式光伏并網(wǎng)的增多，基于放射狀運(yùn)行的中壓配電網(wǎng)成了多源網(wǎng)絡(luò)，這樣傳統(tǒng)的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置方法就需要進(jìn)行改進(jìn)。文章通過(guò)對(duì)光伏出力的等效變換，將其融合進(jìn)配網(wǎng)負(fù)荷曲線中，然后模擬積分中值定理對(duì)新的負(fù)荷曲線進(jìn)行合理區(qū)間劃分，以此劃分結(jié)合一系列電氣量約束、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束、開關(guān)操作次數(shù)約束等，尋求線路運(yùn)行損耗最小和停電損失最少。這就是考慮分布式光伏接入的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)優(yōu)化布置方法。算例結(jié)果表明，文章提出的方法是有效的，值得進(jìn)一步推廣。

聯(lián)絡(luò)開關(guān)；分布式光伏；配電網(wǎng)；優(yōu)化布置；負(fù)荷曲線

為了保證配電網(wǎng)的供電可靠性和靈活性，一般需在中壓饋線上布置一定數(shù)量的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。這些開關(guān)的設(shè)置需考慮初始投資、運(yùn)維費(fèi)用、線路損耗、停電損失、負(fù)荷變化等多重因素，可謂復(fù)雜萬(wàn)分。

在智能電網(wǎng)逐漸興起的當(dāng)下，分布式光伏電源大量接入配網(wǎng)，改變了傳統(tǒng)配網(wǎng)的單電源放射狀供電模式，即網(wǎng)絡(luò)成為了多源網(wǎng)絡(luò)。另外，光伏出力是不穩(wěn)定的，接入位置具有多樣性。這些都增加了含PV配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)優(yōu)化布置的難度。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，文章擬將光伏出力負(fù)荷化（即視光伏發(fā)電為負(fù)向負(fù)荷消耗），并與配網(wǎng)正向負(fù)荷疊加后一起組成新的負(fù)荷曲線，再利用有關(guān)負(fù)荷不確定性處理方法對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行二次處理，最后綜合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、季節(jié)性、時(shí)段性等因素，建立考慮分布式光伏接入的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)布置新方法，以期為智能電網(wǎng)的發(fā)展而拋磚引玉。

就國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，負(fù)荷不確定性處理方法主要有基于模糊聚類的曲線分段方法和基于曲線單調(diào)的曲線分段方法兩大類。文章通過(guò)比較，認(rèn)為后者更具時(shí)效性、直觀性，但需增加動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。

1　總體思路

聯(lián)絡(luò)開關(guān)的作用是根據(jù)運(yùn)行需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。顯然，若某個(gè)時(shí)段內(nèi)線路綜合負(fù)荷（光伏出力與用戶負(fù)荷的疊加）不變，則聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)也不需改變（假設(shè)這之前各聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)已處在最優(yōu)化情況）。那么，我們所面對(duì)的問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是：對(duì)于一個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)，在候選的聯(lián)絡(luò)開關(guān)安裝點(diǎn)集合中找出最佳的安裝點(diǎn)位置，使得這種安裝方法能契合線路綜合負(fù)荷的變化，即在聯(lián)絡(luò)開關(guān)動(dòng)作次數(shù)限值范圍內(nèi)通過(guò)不斷操作聯(lián)絡(luò)開關(guān)能讓線路始終運(yùn)行在可靠和經(jīng)濟(jì)的區(qū)間里。

這就涉及到聯(lián)絡(luò)開關(guān)對(duì)光伏-負(fù)荷等效曲線的的有效辨識(shí)上。具體來(lái)說(shuō)，就是要對(duì)綜合負(fù)荷曲線進(jìn)行合理分段，每段產(chǎn)生一個(gè)等值負(fù)荷（類似拉格朗日中值定理），由這些等值負(fù)荷來(lái)參與相關(guān)模型的計(jì)算［1］。顯然，曲線分段不能過(guò)多（過(guò)多會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算維數(shù)災(zāi)），也不能過(guò)少（過(guò)少會(huì)影響優(yōu)化效果），因此需經(jīng)歷一個(gè)基于反饋的控制過(guò)程。圖1所示為本研究課題的大致思路。

圖1　考慮光伏接入的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)優(yōu)化布置思路

2　光伏電源出力的計(jì)算

與集中式大電源相比，光伏電源出力具有明顯隨機(jī)性。筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)，得到光伏出力公式［2］：

式中，t為整點(diǎn)時(shí)刻；μ、Iμ（t ）分別為天氣狀態(tài)變量和某一天氣下的光伏電源時(shí)序出力，maxIμ為在某一μ下的最大光照強(qiáng)度，maxμ為天氣變量數(shù)目，Pμ為μ的概率。

顯然，光伏出力的季節(jié)性變化明顯。以浙江桐鄉(xiāng)的春季為例，取光伏滲透率25%，取晴、陰、雨的出現(xiàn)概率分別為0.4、0.3、0.3，利用式（1）得到如圖2所示的光伏出力曲線。該曲線與線路的實(shí)際負(fù)荷曲線相疊加，就形成光伏-負(fù)荷等效曲線。

圖2　以浙江桐鄉(xiāng)為例的春季的光伏出力曲線展示

3　光伏-負(fù)荷等效曲線的初步分段

首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)初始分段數(shù)KS，然后依次進(jìn)行以下步驟：

（1）劃分曲線的單調(diào)區(qū)間，對(duì)各單調(diào)區(qū)間求積分中值，以該值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為分段點(diǎn)，記錄此時(shí)的分段段數(shù)，不妨以Num表示。

（2）辨別負(fù)荷躍增時(shí)段，并將其隔離。方法：計(jì)算曲線各相鄰整點(diǎn)時(shí)刻的負(fù)荷差值絕對(duì)值Ka，并統(tǒng)計(jì)出最大值Kmax；若步驟（1）中確定的某個(gè)時(shí)段的中值點(diǎn)是曲線極值點(diǎn)且其兩側(cè)變化率超過(guò)Kmax，則認(rèn)為該時(shí)段出現(xiàn)負(fù)荷躍增，應(yīng)予以隔離。

（3）比較經(jīng)歷步驟（2）后的Num值與KS的大小。若前者大，轉(zhuǎn)步驟（4），反之轉(zhuǎn)步驟（5）。

（4）時(shí)段合并。設(shè)最新的剔除躍增量的時(shí)段劃分?jǐn)?shù)為Num，求該情況下所有相鄰段的等效中值之差的絕對(duì)值。選取絕對(duì)值最小的那對(duì)相鄰時(shí)段（不妨用i段、i-1段表示），將其合并為“i-1”段，相應(yīng)的從“i+1”段起段標(biāo)號(hào)都減1。這樣Num=Num-1。時(shí)段合并的過(guò)程需持續(xù)到Num=KS，才能轉(zhuǎn)到步驟（5）。

（5）輸出分段點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)及分段數(shù)KS。

4　綜合建模

聯(lián)絡(luò)開關(guān)的布置優(yōu)劣體現(xiàn)在正常時(shí)段的運(yùn)行線損減少上和故障時(shí)段的電量損失減少上。當(dāng)光伏接入后，需額外考慮晴、陰、雨等不同天氣狀況的影響因素，因此確立如式（2）所示的綜合目標(biāo)函數(shù)及其組成。

式（2）中，f1、f2分別指年運(yùn)行線損和年停電損失的下降量，w1、w2為權(quán)重；ta為季節(jié)類型a所占天數(shù)；Lj為j時(shí)段長(zhǎng)度；N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；Tp為節(jié)點(diǎn)p停電時(shí)間下降值；E（ΔENSp）為聯(lián)絡(luò)開關(guān)的安裝給p點(diǎn)帶來(lái)的停電減少期望；CLp為p點(diǎn)單位時(shí)間的停電損失；Pavp為j時(shí)段內(nèi)p處的等值功率。

關(guān)于模型的約束條件，主要涉及電氣安全和經(jīng)濟(jì)可行兩大層面，細(xì)分為6個(gè)小點(diǎn)［3］：①節(jié)點(diǎn)電壓約束，即節(jié)點(diǎn)電壓不越標(biāo)準(zhǔn)上下限；②功率平衡約束，即注入節(jié)點(diǎn)的P、Q與節(jié)點(diǎn)電壓、支路導(dǎo)納等參量的關(guān)系符合相關(guān)公式；③可靠性約束，即網(wǎng)絡(luò)可靠性需達(dá)到規(guī)定指標(biāo)；④網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束，即運(yùn)行時(shí)保持放射狀、不出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)；⑤開關(guān)分合次數(shù)約束，包括各時(shí)段內(nèi)的所有開關(guān)總動(dòng)作次數(shù)和的約束和單臺(tái)開關(guān)單日總動(dòng)作次數(shù)約束兩方面；⑥初投資約束，即安裝設(shè)備總價(jià)不能大于投資上限。

5　等效負(fù)荷曲線時(shí)段劃分的調(diào)整

我們用Nstmax表示開關(guān)動(dòng)作次數(shù)上限、用Nstotal表示開關(guān)實(shí)際動(dòng)作次數(shù)。在運(yùn)用上文研究成果進(jìn)行尋優(yōu)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)Nstmax-Nstotal≥2，說(shuō)明開關(guān)至少還可分-合1次，也間接表明原等效負(fù)荷曲線的分段可能還有改進(jìn)的空間（前已述及，開關(guān)是否動(dòng)作由負(fù)荷決定）。因此應(yīng)嘗試對(duì)原方案進(jìn)行修正，步驟如下。

（1）尋找原方案中的一個(gè)時(shí)段劃分，要求該段內(nèi)的Pmax-Pmin在所有段中是最大的，然后判斷這段曲線的單調(diào)性。若單調(diào)增或單調(diào)減，則將該段一拆為二，分段處為中間點(diǎn)，并記KS=KS+1；若不是單調(diào)，則采用文章第3小節(jié)的方法進(jìn)行處理。

（2）根據(jù)新的等效負(fù)荷曲線分段方案，重新進(jìn)行開關(guān)尋優(yōu)模型計(jì)算。之后判斷Nstmax-Nstotal，若其小于2，認(rèn)為已得到最優(yōu)解，否則重復(fù)以上步驟。

6　算例

為保證算例的客觀性和普適性，選取IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為計(jì)算基礎(chǔ)，其拓?fù)淙鐖D3所示，其1～32支路標(biāo)號(hào)及阻抗、負(fù)載功率等數(shù)據(jù)見參考文獻(xiàn)［4］。幾個(gè)假設(shè)：①相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的線路均設(shè)有分段開關(guān)；②可以安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)的始末節(jié)點(diǎn)集為“3、7”、“11、21”、“8、14”、“20、32”、“15、20”、“15、23”、“17、28”，以上待選的始末節(jié)點(diǎn)之間的虛擬支路編號(hào)為33～39；③光伏電源容量統(tǒng)一為300kW。

圖3　含光伏接入的IEEE 33節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

考慮到光伏出力的氣候性以及氣象資料獲取的方便性，筆者選擇工作所在地浙江桐鄉(xiāng)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為算例中光伏運(yùn)行的地理背景。

因光伏發(fā)電的季節(jié)性變化明顯，因此要得到最合理的聯(lián)絡(luò)開關(guān)配置方案，必須綜合春、夏、秋、冬四季的運(yùn)算結(jié)果。但各季的運(yùn)算步驟實(shí)際是相似的，以及篇幅所限，文章將重點(diǎn)就包含4個(gè)光伏電源的IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)置身桐鄉(xiāng)春季氣候條件下（桐鄉(xiāng)春季的氣候指數(shù)以及光伏出力曲線見文章第2小節(jié)）的聯(lián)絡(luò)開關(guān)配置進(jìn)行描述，步驟如下。

（1）參照桐鄉(xiāng)實(shí)際，設(shè)定KS=4，Nstmax=20，w1=0.7，w2=0.3，網(wǎng)絡(luò)故障率0.045次（a·km），故障線路恢復(fù)時(shí)間為2.2h/次。

（2）運(yùn)用第3小節(jié)方法，得到等效負(fù)荷曲線的初始分段（圖4），并根據(jù)第4小節(jié)內(nèi)容執(zhí)行尋優(yōu)計(jì)算。

（3）發(fā)現(xiàn)Nstmax-Nstotal=20-12≥2，則依照第5小節(jié)方法進(jìn)行分段方案的修正（圖5），再執(zhí)行尋優(yōu)計(jì)算。

（4）發(fā)現(xiàn)Nstmax-Nstotal=20-19=1∈（0，2），說(shuō)明無(wú)須進(jìn)行下一步修正，輸出結(jié)果，見表1。由表1可知，春節(jié)狀態(tài)下涉及的聯(lián)絡(luò)開關(guān)安裝支路為33、34、36、37。

圖4　算例線路等效負(fù)荷曲線的初始分段

圖5　算例線路等效負(fù)荷曲線的分段修正

表1　以桐鄉(xiāng)春節(jié)為背景的IEEE 33節(jié)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)開關(guān)布置

將以上步驟（1）至（4）重復(fù)運(yùn)用到夏、秋、冬氣候背景下，就能得到3張類似表1的計(jì)算結(jié)果（具體略）。最后，將四季結(jié)果合并，得到基于年周期的最優(yōu)聯(lián)絡(luò)開關(guān)安裝位置，其始末節(jié)點(diǎn)分別為：“3、7”、“11、21”、“20、32”、“15、20”、“15、23”。算例的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益見表2。

7　技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從本質(zhì)上講，文章所構(gòu)建模型的主要特點(diǎn)是采用了基于曲線單調(diào)并增加動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的等效負(fù)荷曲線分段方法。為了彰顯該方法的科學(xué)性，筆者另外采用了模糊聚類分段（方法參照文獻(xiàn)［5］）和不分段兩種方法對(duì)等效負(fù)荷曲線進(jìn)行處理并執(zhí)行尋優(yōu)計(jì)算（網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、氣候條件同算例），得到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列示在表2中?？梢钥闯觯恼滤扑]方案雖然在初投資方面不是最優(yōu)，但綜合經(jīng)濟(jì)效益和供電可靠性均優(yōu)于其他方案，長(zhǎng)期效益明顯，值得推廣。

8　結(jié)論

光伏電源接入配網(wǎng)給配網(wǎng)建設(shè)增加了許多不確定性。針對(duì)光伏滲透率較低的情況，文章提出將光伏出力擬合進(jìn)負(fù)荷曲線以形成新的等效負(fù)荷曲線。通過(guò)對(duì)該負(fù)荷曲線的動(dòng)態(tài)分段處理，能讓基于電氣安全和經(jīng)濟(jì)可行的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)優(yōu)化布置數(shù)學(xué)模型的計(jì)算效率得到大幅提升，且優(yōu)化效果比較明顯。筆者也注意到，若光伏滲透率較高，光伏的隨機(jī)性將左右等效曲線的形狀，這時(shí)不宜再采用分段的方法來(lái)處理負(fù)荷曲線。這將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Optimal Layout of PV Consider Access to the Distribution Network of Distributed Contact Switch

Li Qiuping
（State Grid Tongxiang Power Supply Company， Tongxiang， Zhejiang 314500）

With increased network distributed PV， radial run-based medium voltage distribution network has become a multi-source network， so the traditional distribution network contact switch setting methods need to be improved. Through the equivalent output of photovoltaic conversion， which is integrated into the distribution network load curve， and then simulate integral value theorem for the new load curve reasonable interval division， this division with a series of electrical capacity constraints，network topology constraints， the number of switching operations constraints， seek lines running minimum loss and minimum power loss. This is to consider access to the distribution network of distributed photovoltaic contact switch arrangement optimization methods. Numerical results show that the article proposed method is effective and worthy of further promotion.

contact switch； distributed PV； distribution network； optimal layout； load curve

李秋平（1984-），男，工程師，本科，主要從事電力系統(tǒng)的運(yùn)維工作。