基于主動配電網(wǎng)的配電網(wǎng)發(fā)展理念與規(guī)劃模式研究

查偉強++方佳良++屠新強

摘 要：隨著人類對風能、太陽能等清潔能源的加速利用，分布式能源在配電網(wǎng)的接入也越來越多。分布式發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)是電網(wǎng)企業(yè)必須接受的重要挑戰(zhàn)。本文在介紹主動配電網(wǎng)定義及其研究意義的基礎上，主要開展了含分布式電源的主動配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究，并建立雙層規(guī)劃數(shù)學模型，最后還以寧波市某實際配電網(wǎng)為例在MATLAB中進行建模計算，得出主動規(guī)劃管理模式在發(fā)揮分布式光伏對于配電網(wǎng)的積極作用。

關(guān)鍵詞：分布式電源；主動配電網(wǎng)；雙層規(guī)劃模型；MATLAB

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0165-03

1 序言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展對能源需求的不斷增長，傳統(tǒng)能源的緊缺以及環(huán)境污染等問題的不斷惡化，促使了以風能、太陽能、生物質(zhì)能為代表的清潔、可再生能源快速發(fā)展。這些清潔的可再生能源大部分以分布式發(fā)電的形式連接到配電網(wǎng)，就地消納，與大電網(wǎng)互為補充，是實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境保護的重要措施。因此，分布式發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)是電網(wǎng)企業(yè)必須接受的重要挑戰(zhàn)。

電網(wǎng)企業(yè)需要一種全新的電網(wǎng)解決方案來提供一系列的網(wǎng)絡技術(shù)、規(guī)劃設計和運行策略，主動配電網(wǎng)（Active Distribution Networks，ADN）應運而生。ADN的基本定義是：通過使用靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)來管理潮流，實現(xiàn)對局部的DER進行主動控制和主動管理的配電系統(tǒng)。DER的基本構(gòu)成是：分布式發(fā)電（DG）、分布式儲能系統(tǒng)（Distributed Energy Storage System，DESS），可控負荷（Controllable Loada，CL）等。其中，DG主要為可再生能源，包括光伏發(fā)電、風能發(fā)電等；可控負荷包括電動汽車、響應負荷等。由于具有發(fā)電和消費雙重身份的生產(chǎn)性負荷的出現(xiàn)，使得響應負荷也成為DER。

基于主動配電網(wǎng)的發(fā)展理念，結(jié)合寧波配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，開展主動配電網(wǎng)規(guī)劃模式研究，對于加大配電網(wǎng)對可再生分布式能源的接納能力、提高DG的并網(wǎng)數(shù)量和運行效率，提高用戶的電能質(zhì)量和供電可靠性，以及提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)擴張投資，為寧波智能配電網(wǎng)規(guī)劃建設和發(fā)展提供解決方案，具有重要的指導意義。

2 含分布式電源的主動配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

本章從電源規(guī)劃的角度出發(fā)，考慮風電、光伏等可再生能源DG出力和負荷的不確定性，建立了主動管理模式下的雙層DG規(guī)劃模型，以綜合考慮DG的投資運行成本、網(wǎng)損費用以及環(huán)境成本的年綜合成本為上層目標，下層目標為DG出力切除量最小，利用自適應遺傳算法求解上層規(guī)劃模型，利用蒙特卡洛模擬（Monte Carlo Simulation，MCS結(jié)合原對偶內(nèi)點法對下層規(guī)劃模型進行求解。

2.1 雙層規(guī)劃的意義

雙層規(guī)劃是具有雙層結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和管理問題，上層規(guī)劃相當于領(lǐng)導者，但并不直接參與下層規(guī)劃決策的制定，只是通過自己的決策來對下層規(guī)劃進行指導；下層規(guī)劃以上層規(guī)劃的決策作為框架，在其可行范圍內(nèi)進行決策。一般來說，雙層規(guī)劃分為兩類：

（1）下層將決策結(jié)果以最優(yōu)值的方式傳遞給上層，此模型中不要求對上層規(guī)劃每個決策變量下層決策都有唯一的最優(yōu)解，即使下層規(guī)劃有不同的最優(yōu)解，如果其對應的最優(yōu)值相同，上層規(guī)劃的最優(yōu)決策就是確定的。（2）下層將決策結(jié)果以最優(yōu)解的形式傳遞給上層，該模型要求每個上層決策變量都有唯一的最優(yōu)解。

本章采用第一種雙層規(guī)劃模型，即下層將決策結(jié)果以最優(yōu)值方式傳遞給上層。

2.2 雙層規(guī)劃的的模型

2.2.1 上層規(guī)劃模型

其上層規(guī)劃模型的目標函數(shù)如式（2-1）所示：

（2-1）

式中：為網(wǎng)絡的投資費用等年值（萬元），為年損耗費用（萬元），為DG的投資年費用，的運行維護費用（萬元），為向上級電網(wǎng)購電成本（萬元），為可再生能源類型DG在環(huán)保、節(jié)能中的社會效益，采用政府對可再生能源發(fā)電的政策性補貼來表示，單位為萬元。

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

（2-6）

（2-7）

式中：為網(wǎng)絡初始投資費用，包含網(wǎng)架投資和變電站擴建費用，r為折現(xiàn)率，取10%，n為線路的經(jīng)濟使用年限，一般架空線路取30年，電纜線路取40年；為年損耗電量（kWh）。為電價（萬元/kWh）。為DG投資年費用系數(shù)；為節(jié)點i處DG投資費用；為節(jié)點i處DG發(fā)單位電量所需的運行維護費用（萬元/kWh）；β為可再生能源類型DG單位發(fā)電量的補貼費用（萬元/kWh）；為第i個DG的總發(fā)電量（kWh）；為可再生能源類型的DG年總發(fā)電量（kWh），為向上級電網(wǎng)的年購電量（kWh），為DG的安裝節(jié)點數(shù)。

2.2.2 下層規(guī)劃模型

（2-8）

（2-9）

（2-10）

（2-11）

（2-12）

（2-13）

（2-14）

（2-15）

式中：和分別為節(jié)點i的有功注入和無功注入，表示藝號后的節(jié)點j必須直接與節(jié)點i直接相連，并包括的情況；和分別是導納矩陣的實部和虛部，分別表示電導和電納；表示i和j兩節(jié)點電壓間的相角差；是節(jié)點i的無功補償裝置的無功輸出量（吸收無功為負）；是變壓器抽頭位置；是支路ij的潮流；是節(jié)點i的電壓幅值。

式（2-8）為下層規(guī)劃目標函數(shù)，即滿足電壓和潮流約束下使DG出力切除量最小。式 （2-9）和（2-10）為節(jié)點功率平衡方程；式（2-11）和（2-12）分別為線路潮流約束和節(jié)點電壓約束；DG有功出力切除量約束如式（2-13）所示，無功補償量約束由式（2-14）表示，變壓器的抽頭調(diào)節(jié)范圍由式（2-15）表示。

3 以寧波某實際配電網(wǎng)規(guī)劃算例進行分析

本次算例分析采用遺傳算法進行求解，并采用基于MATLAB平臺開發(fā)的matpower電力系統(tǒng)仿真工具箱進行仿真計算，數(shù)據(jù)采用matpower格式進行編寫。筆記本電腦配置為：酷睿i5（2.5GHz），4G內(nèi)存，64位win10系統(tǒng)。

3.1 算例介紹與改編

選取寧波海曙區(qū)馬郎變電站下兩回出線構(gòu)成實際配電網(wǎng)算例，如圖1所示，四回線路分別為N865、N875、N861、N871，取配變負載率為10%。線路型號為YJV22-300，為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，電纜為三芯，單條導體的標稱橫截面積為300mm2，單位長度電阻r=0.072Ω/kM，電抗為x=0.103Ω/kM。

算例的電壓等級為10kV，在最大負荷條件下運行的總有功負荷為：2.402MW，總無功負荷為：789MW，共44個節(jié)點，其中43個PQ節(jié)點，具體配電網(wǎng)參數(shù)如表1，節(jié)點電壓允許范圍為0.95-1.05p.u，節(jié)點1至2、8、14、30的支路功率上限為4.5MW，其他支路功率上限為3MW。算例圖如圖2所示。

3.2 主動管理模式下分布式電源優(yōu)化配置

本次研究采用遺傳算法進行求解，種群中每一個個體代表一套規(guī)劃方案，即待建分布式光伏的建設容量，采用整數(shù)進行編碼，具體算法流程如圖3所示。

光伏的出力如圖4所示，負荷曲線如圖5所示，電價采用峰谷電價，如圖6所示。

規(guī)劃結(jié)果如表1所示。

在配電網(wǎng)前段部分，分布式光伏的接入對節(jié)點電壓影響較小，準入容量都較大；而越靠近末段，分布式光伏的接入對網(wǎng)絡節(jié)點電壓的抬升作用越顯著，為了防止節(jié)點電壓超越上限，準入容量減小。因此，若配電網(wǎng)需要消納大量分布式光伏時，可以優(yōu)先考慮在配電網(wǎng)前段節(jié)點接入。而對于配電網(wǎng)末段，節(jié)點電壓會降低，適量接入分布式光伏，會對節(jié)點電壓起到改善作用，但是需要注意接入容量的限制，以免電壓越限。

假設分布式光伏建設點在節(jié)點：18、34、21、37、27、42，分別從兩種方案中對其最優(yōu)建設容量進行規(guī)劃。

各節(jié)點全天電壓期望曲線如圖7所示。

本次研究的年綜合費用考慮配電網(wǎng)內(nèi)的總電力費用。規(guī)劃結(jié)果如表2和表3所示，可得以下結(jié)論：

（1）主動管理模式在保證電壓和支路潮流不越限的情況下可以對安裝造價較高的分布式光伏總?cè)萘窟M行優(yōu)化。這是因為主動管理可根據(jù)網(wǎng)絡實際運行情況由分布式光伏出力、負荷、有載調(diào)壓變壓器分接頭的主動控制，使網(wǎng)絡主動地配合分布式光伏運行，使每個時刻運行狀態(tài)達到最優(yōu)。（2）分布式光伏采用屋頂光伏建設模式時年綜合費用較高，這是由于家用屋頂光伏建設容量較小，因此單位建設成本較高，但最終的年綜合費用相比于普通的大規(guī)模分布式光伏接入模式下的建設成本相差不是很大。（3）屋頂光伏作為分布式電源自建自用、就地消納的典范，具有靈活性高，經(jīng)濟型好的優(yōu)點，但由于現(xiàn)在存在技術(shù)和材料上的困難導致單價較高，隨著今后技術(shù)的改進以及光伏原件價格的下降，屋頂光伏的優(yōu)勢將會逐漸體現(xiàn)。（4）安裝分布式光伏的兩種方案可以使電壓更接近于基準電壓，對于節(jié)點電壓有一定的改善作用。且考慮主動管理模式的分布式光伏優(yōu)化方案，由于采用了主動管理模式，使得整個網(wǎng)絡各節(jié)點電壓期望值更加接近于基準電壓，更能起到電壓改善的作用。

4 結(jié)語

通過以上分析可知，主動管理模式更有利于發(fā)揮分布式光伏對于配電網(wǎng)的積極作用，提高配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力，減小傳統(tǒng)能源發(fā)電量，在經(jīng)濟和環(huán)保角度都更優(yōu)。具體體現(xiàn)在以下幾點：

（1）分布式光伏在延緩電網(wǎng)投資方面的作用，同時主動管理模式可以發(fā)揮分布式光伏在減小系統(tǒng)網(wǎng)損、改善系統(tǒng)運行方面的積極影響；（2）主動管理下配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力更強，所以該方案下向上級電網(wǎng)購電量較小，因此購電費用也較小；（3）主動管理模式下分布式光伏的發(fā)電量更大，配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力更強；（4）考慮主動管理模式的規(guī)劃方案在整體上更優(yōu)；（5）配電網(wǎng)規(guī)模越大，主動管理的優(yōu)勢越加明顯。