主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法研究

顧水福，張媛，陳西穎

（1．國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司，江蘇省 無(wú)錫市 214000；2．天地電研(北京)科技有限公司，北京市 昌平區(qū) 102206；3．中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

分布式發(fā)電(distributed generator，DG)是指在用戶附近配置較小的發(fā)電機(jī)組(小于50 MW)，以滿足特定用戶的用電需求或支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這些小機(jī)組包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電站、屋頂光伏、風(fēng)力發(fā)電等。根據(jù)國(guó)家對(duì)新能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略決策部署，在可預(yù)見的未來(lái)將會(huì)有大量分布式電源接入配電網(wǎng)，分布式電源接入配電網(wǎng)帶來(lái)了提高供電可靠性、利于平衡負(fù)荷、提高電網(wǎng)防災(zāi)害水平、減小主網(wǎng)投資等一系列積極的影響，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)電壓調(diào)整問題、繼電保護(hù)問題、重合閘成功率、短路電流水平等一些技術(shù)問題。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法無(wú)法滿足分布式電源接入的規(guī)劃需求。

根據(jù)2009年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE定義，主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)實(shí)現(xiàn)綜合控制分布式能源(分布式發(fā)電、柔性負(fù)荷和儲(chǔ)能)，能夠靈活運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)潮流的有效管理。目前國(guó)內(nèi)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)[1-2]開展了大量的研究，但是較為詳盡的、具備可操作性的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)鮮有研究。因此，從規(guī)劃層面實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)，為規(guī)劃技術(shù)人員及企業(yè)管理人員提供決策依據(jù)變得非常迫切。

本文制定主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)，研究主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，包括主動(dòng)配電網(wǎng)現(xiàn)狀、負(fù)荷預(yù)測(cè)、源網(wǎng)荷一體化平衡的方法等方面，并重點(diǎn)研究網(wǎng)荷協(xié)同性規(guī)劃方案的制定，最后給出主動(dòng)配電網(wǎng)電氣校驗(yàn)方法，驗(yàn)證方案制定的合理性問題。

1 構(gòu)建主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)

主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃不再僅僅以滿足負(fù)荷需求作為電網(wǎng)需求分析的唯一標(biāo)準(zhǔn)，即不僅僅基于最大負(fù)荷水平下的電網(wǎng)規(guī)劃，而是需要考慮不同負(fù)荷水平、不同分布式電源出力下的概率性配電網(wǎng)規(guī)劃。

本文根據(jù)主動(dòng)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，將主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃體系劃分為現(xiàn)狀分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、網(wǎng)荷協(xié)調(diào)規(guī)劃等內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Diagram of ADN planning system stucture

2 主動(dòng)配電網(wǎng)現(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)電網(wǎng)現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃需要增加分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析，還需要增加分布式電源接入瓶頸的分析。

2.1 分布式電源現(xiàn)狀分析

在設(shè)備方面，分析各類型分布式電源接入電壓等級(jí)、裝機(jī)容量是否合理；分布式電源保護(hù)裝置是否按照標(biāo)準(zhǔn)配置，如是否配置高/低電壓保護(hù)、高/低頻率保護(hù)、防孤島保護(hù)、恢復(fù)并網(wǎng)保護(hù)、過流與短路保護(hù)及事故解列裝置等。

在運(yùn)行方面，從發(fā)電情況、日有功曲線及電壓質(zhì)量分析運(yùn)行情況[3]。發(fā)電情況需說明分布式電源的年發(fā)電量及發(fā)電量曲線，重點(diǎn)應(yīng)分析分布式電源滲透率。日有功曲線分析需分析典型日發(fā)電功率曲線，計(jì)算分布式電源的出力負(fù)載率。通過配電網(wǎng)接入分布式電源后饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓質(zhì)量分析分布式電源接入后的電壓質(zhì)量情況。

2.2 分布式電源接入瓶頸分析

面對(duì)大量分布式電源的接入需求，應(yīng)分析現(xiàn)狀電網(wǎng)的分布式電源接入瓶頸[4]，為電網(wǎng)建設(shè)改造需求提供先決條件。分布式電源接入配電網(wǎng)的容量主要受到變電站和線路2個(gè)方面的約束，其中，變電站對(duì)分布式電源接入的限制條件主要包括變電站最大負(fù)荷與變電站剩余間隔等，線路對(duì)分布式電源接入的限制條件包括線路輸送容量與電壓偏差等[5]。

3 主動(dòng)配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)

3.1 負(fù)荷分類

根據(jù)負(fù)荷參與到電網(wǎng)調(diào)度程度的不同，可將負(fù)荷分為可控負(fù)荷、不可控負(fù)荷及可調(diào)負(fù)荷。可控負(fù)荷為主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)度，為完全可控負(fù)荷；不可控負(fù)荷為剛性負(fù)荷；可調(diào)負(fù)荷為部分程度上可以參與調(diào)度的負(fù)荷。

3.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)

友好負(fù)荷是主動(dòng)配網(wǎng)的完全受控負(fù)荷[6]，具有較強(qiáng)的引導(dǎo)特性，對(duì)需求側(cè)響應(yīng)具有較強(qiáng)的配合度。主動(dòng)配電網(wǎng)中友好負(fù)荷變現(xiàn)為友好互動(dòng)的關(guān)鍵要素，主動(dòng)配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)需要在總負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮友好負(fù)荷，求得主動(dòng)配電網(wǎng)峰值負(fù)荷，即

式中：PML為主動(dòng)配電網(wǎng)峰值負(fù)荷；PL為最大負(fù)荷；PfL為友好負(fù)荷。

3.3 分布式電源出力預(yù)測(cè)

不同時(shí)間段光伏出力具有一定規(guī)律性，白天時(shí)段光伏出力近似服從正態(tài)分布[7-8]，夜間則不出力?；诠夥髽I(yè)發(fā)電出力數(shù)據(jù)積累，繪制典型日光強(qiáng)時(shí)序曲線，如圖2所示，Ia為對(duì)應(yīng)于某風(fēng)險(xiǎn)度下的可信光強(qiáng)。

基于光伏發(fā)電模型，光伏出力與光照強(qiáng)度近似為一元線性關(guān)系，累積光伏全天出力數(shù)據(jù)，形成光伏系統(tǒng)日出力分布曲線，如圖3所示。

圖2 典型日光強(qiáng)時(shí)序曲線及可信光強(qiáng)曲線Fig. 2 Diagram of typical solar intensity time series curve and credible intensity curve

圖3 光伏系統(tǒng)日出力累積分布函數(shù)曲線Fig. 3 Cumulative distribution function curve of daily output of photovoltaic system

光伏出力的累積分布函數(shù)為

式中：F(P)為光伏出力的累積分布函數(shù)；α為光伏出力風(fēng)險(xiǎn)度。

結(jié)合地區(qū)分布式電源總裝機(jī)容量和單位容量可信出力值，可計(jì)算出遠(yuǎn)景年分布式電源可信出力預(yù)測(cè)模型為

式中：Pzα為規(guī)劃區(qū)遠(yuǎn)景年分布式電源可信出力；Pz為規(guī)劃區(qū)遠(yuǎn)景年分布式電源裝機(jī)總?cè)萘浚籔α為單位裝機(jī)容量可信出力；P為單位DG裝機(jī)容量。

4 主動(dòng)配電網(wǎng)網(wǎng)荷協(xié)同性規(guī)劃

隨著DG大規(guī)模接入及滲透率不斷提升，較傳統(tǒng)規(guī)劃方法相比，制定配電網(wǎng)規(guī)劃方案時(shí)，需考慮DG出力不穩(wěn)定性的影響因素，使規(guī)劃場(chǎng)景變得更為復(fù)雜，下面分別簡(jiǎn)要介紹分布式電源接入、變電站、中壓網(wǎng)架方案及電氣計(jì)算。

4.1 分布式電源接入

根據(jù)《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的相關(guān)要求，分布式電源接入電壓等級(jí)與其容量規(guī)模有關(guān)，接入電壓層級(jí)見表1。

表1 分布式電源接入電壓等級(jí)表Tab. 1 Distributed power generator connected voltage level table

4.2 變電站方案制定

4.2.1 變電站總?cè)萘坑?jì)算

在規(guī)劃區(qū)域負(fù)荷預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，扣減上級(jí)及下級(jí)直供大用戶負(fù)荷，考慮向區(qū)外供電負(fù)荷及區(qū)外對(duì)本區(qū)域供電負(fù)荷，同時(shí)分布式電源的10%風(fēng)險(xiǎn)概率出力區(qū)間參與平衡[9-10]，變電站容量平衡公式為

式中：RS為所需變電站容量；PL1為負(fù)荷預(yù)測(cè)值；PuL為上級(jí)電網(wǎng)直供用戶負(fù)荷；Pdl為本級(jí)電網(wǎng)直供用戶負(fù)荷；PW為由外部電網(wǎng)供帶的下級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷；PDG為下級(jí)電網(wǎng)分布式電源 10%風(fēng)險(xiǎn)概率下的出力值；σ為規(guī)劃容載比；R0為規(guī)劃區(qū)現(xiàn)狀變電容量。

4.2.2 變電站座數(shù)計(jì)算

對(duì)于 A+、A類區(qū)域單臺(tái)主變?nèi)萘恳诉x用63 MV·A，3，4臺(tái)配置；B 類區(qū)域宜采用 63，50 MV·A，2，3臺(tái)配置；C、D 類區(qū)域宜采用50 MV·A，2，3臺(tái)配置?？筛鶕?jù)地市公司的實(shí)際情況，配置單座變電站容量，將所需總?cè)萘砍龁巫冸娬救萘浚瑸樗枳冸娬緮?shù)。

4.3 中壓電網(wǎng)方案制定

4.3.1 劃分網(wǎng)格

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃精細(xì)化的要求，越來(lái)越多的供電企業(yè)采用網(wǎng)格化規(guī)劃。主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃也應(yīng)在網(wǎng)格化規(guī)劃的基礎(chǔ)上開展。網(wǎng)格的劃分應(yīng)結(jié)合城市總體規(guī)劃空間布局，以地塊為基本單元，考慮道路、山脈及河流的自然因素，同時(shí)與市域總體規(guī)劃進(jìn)行有效銜接。

4.3.2 確定饋線規(guī)模

采用空間負(fù)荷預(yù)測(cè)法，以街區(qū)為單位計(jì)算地塊負(fù)荷，考慮需用系數(shù)及地塊間同時(shí)率系數(shù)，累加求得網(wǎng)格的負(fù)荷。去除380/220 V低壓上網(wǎng)分布式電源的10%風(fēng)險(xiǎn)概率下的出力值，計(jì)算中壓饋線條數(shù)。

式中：RF為網(wǎng)格單元所需10 kV饋線總?cè)萘?；PWL為網(wǎng)格單元負(fù)荷預(yù)測(cè)值；P380-DG為380 V及以下分布式單元10%風(fēng)險(xiǎn)概率下的出力值；Kt為饋線負(fù)載率，一般地，工業(yè)用戶為0.4～0.6、商業(yè)用戶為 0.3～0.5、居民用戶為 0.2～0.4。

4.3.3 接線模式

對(duì)于電纜網(wǎng)采用雙環(huán)式、單環(huán)式，架空網(wǎng)B、C類區(qū)域采用多分段適度聯(lián)絡(luò)、D類區(qū)域采用多分段單聯(lián)絡(luò)或輻射狀接線。

4.4 電氣計(jì)算

為了能夠保證配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，需要進(jìn)行潮流計(jì)算。主動(dòng)配電網(wǎng)潮流計(jì)算是考慮在傳統(tǒng)潮流分布基礎(chǔ)上增加隨機(jī)注入量，使得單一流向改變?yōu)殡p側(cè)互動(dòng)方式。分別計(jì)算最大負(fù)荷最小出力、最小負(fù)荷最大出力等多種情況下的潮流分布，判斷是否有功率越限、節(jié)點(diǎn)電壓越限的情況。同時(shí)也應(yīng)計(jì)算各分布式電源接入點(diǎn)在出力大幅度變電時(shí)的電壓閃變、電壓偏差等。

5 算例

選取某新建經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)開展算例應(yīng)用，開發(fā)區(qū)面積為11.56 km2，用地性質(zhì)以高端產(chǎn)業(yè)、科技研發(fā)、商務(wù)居住為主。該區(qū)域分布式電源主要為光伏發(fā)電，10 kV電網(wǎng)接入。

5.1 網(wǎng)現(xiàn)狀

以下重點(diǎn)給出與主動(dòng)配電網(wǎng)電力平衡相關(guān)的分布式電源現(xiàn)狀分析。

1）分布式電源滲透率。

2017年 1月至 9月開發(fā)區(qū)光伏總發(fā)電量為604萬(wàn)kW·h，系統(tǒng)總耗電量為13 908萬(wàn)kW·h，滲透率達(dá)到4.3%。

2）發(fā)電量。

光伏電站發(fā)電最大利用小時(shí)數(shù)為491 h，總上網(wǎng)電量為86萬(wàn)kW·h，總上網(wǎng)電量占總發(fā)電量的14.2%。從電量和占比分析可以得到如下結(jié)論：1）8月份發(fā)電量最大，是光伏發(fā)電最佳時(shí)期；2）5月份上網(wǎng)電量最大，是光伏上網(wǎng)高峰期。8月是用電高峰期，光伏用戶對(duì)光伏發(fā)電的消耗較大，余量上網(wǎng)有限，4—6月份上網(wǎng)電量水平高于7—9月份上網(wǎng)水平。

3）日有功曲線。

2017年8月3日，開發(fā)區(qū)內(nèi)最大負(fù)荷日。以彩旗實(shí)業(yè)為例，見圖3，從8月3日的有功曲線可以看出，發(fā)電時(shí)段為早 6:00至晚 7:00，12:00達(dá)到峰值。

圖4 彩旗實(shí)業(yè)光伏8月3日發(fā)電功率曲線Fig. 4 Power generation power curve diagram of Caiqi industry in August 3rd

收集該光伏企業(yè)第3季度的日負(fù)荷曲線，得出早高峰、午高峰、晚高峰的10%風(fēng)險(xiǎn)度的分布式電源置信出力與裝機(jī)容量占比為45%，50%，0。

5.2 源規(guī)劃

開發(fā)區(qū)光伏可利用屋頂面積為606 920 m2(含已利用屋頂面積)，屋頂面積利用系數(shù)為 0.5，單位面積光伏裝機(jī)容量取155 W/m2，光伏板安裝傾斜角為18°。計(jì)算得出至2020年，示范區(qū)光伏裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到48.73 MW。

5.3 荷預(yù)測(cè)

2017年，示范區(qū)內(nèi)典型日最大負(fù)荷為114.93 MW，其中10 kV網(wǎng)供負(fù)荷為42.46 MW，110 kV電網(wǎng)直供負(fù)荷(110 kV晶科變)為72.47 MW。2018年，10 kV網(wǎng)供負(fù)荷預(yù)計(jì)為 46.71 MW。至2020年，10 kV網(wǎng)供負(fù)荷為65.32 MW，總負(fù)荷為141.49 MW，負(fù)荷密度約為14 MW/km2。

5.4 中壓饋線規(guī)劃

基于10%風(fēng)險(xiǎn)度的分布式電源置信出力，進(jìn)行10 kV線路的電力平衡，如表2所示。

表2 開發(fā)區(qū)10 kV線路平衡結(jié)果Tab. 2 Power balance table of 10 kV line inDevelopment Zone

5.5 規(guī)劃效果分析

1）工程實(shí)施完成，2018年線路供電半徑縮小為2.62 km，線路平均分段數(shù)提高至3.19段，環(huán)網(wǎng)率提升至100%，“N-1”通過率達(dá)到100%，光伏出力時(shí)的線路平均負(fù)載率降為 39%(現(xiàn)狀為50%)。

2）與傳統(tǒng)規(guī)劃相比，節(jié)省2條線路，節(jié)省投資20%。

3）2018—2020年示范區(qū)光伏發(fā)電可被完全消納，滲透率達(dá)30%。

6 結(jié)論

1）網(wǎng)現(xiàn)狀研究。在傳統(tǒng)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，增加分布式電源接納能力分析。

2）荷預(yù)測(cè)研究。研究多元負(fù)荷及分布式電源出力預(yù)測(cè)方法，結(jié)合地區(qū)分布式電源總裝機(jī)和單位分布式電源置信出力研究分布式電源出力模型。

3）網(wǎng)荷協(xié)同性規(guī)劃研究。研究基于風(fēng)險(xiǎn)度分布式電源置信出力的電力平衡方法，給出高壓變電容量、中壓線路回路數(shù)的規(guī)劃模型。

4）以某新建經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為算例應(yīng)用，基于現(xiàn)狀分布式電源出力特性，負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃方案的制定。

本文研究制定的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，考慮分布式電源接入的影響，最大限度發(fā)揮分布式電源的作用，實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)資產(chǎn)效率最優(yōu)，為配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員提供規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。

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