分布式電源接入饋線優(yōu)化規(guī)劃研究

李文升，宋豪，趙晶，程濤，崔立勃，高國棟，呂宏媛，張媛

（1.國網青島供電公司，山東 青島 266002；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 前言

分布式發(fā)電DG(distributed generator)是指在用戶附近配置較小的發(fā)電機組（小于50 MW），以滿足特定用戶的用電需求或支持現存配電網的經濟運行。這些小的機組包括燃料電池、微型燃氣輪機、光伏電站、屋頂光伏、風力發(fā)電等。分布式電源接入配電網帶來提高供電可靠性、利于平衡負荷、提高電網防災害水平、減小主網投資等一系列積極的影響，同樣也會帶來電壓調整問題、繼電保護問題、重合閘成功率、短路電流水平、電網規(guī)劃設計等一些技術問題。根據國家新能源的戰(zhàn)略決策部署，在可預見的未來將會有大量分布式電源接入配電網，傳統(tǒng)配電網規(guī)劃方法無法滿足分布式電源接入的規(guī)劃需求。從規(guī)劃層面實現分布式電源接入的頂層設計，為規(guī)劃技術人員及企業(yè)管理人員提供決策依據變得非常迫切。

國內對分布式電源的準入容量及最優(yōu)位置做了大量的研究，文獻[1]文中應用遺傳算法優(yōu)化分布式電源的位置和容量，并運用基于支路交換的模擬退火算法規(guī)劃擴展網絡，對分布式電源和網絡的綜合規(guī)劃結果進行經濟性評估以衡量個體方案的優(yōu)劣。文獻[2]文中基于放射狀鏈式配電網連續(xù)解析模型和離散模型，研究多臺分布式電源裝置接入系統(tǒng)對沿線電壓和有功網損的影響，探討分布式電源的最優(yōu)接入位置。文獻[3-5]應用靜態(tài)負荷模型，以電壓不越限與線路載流量為約束條件，建立了分布式電源準入容量和接入位置分析，以網損最小為目標函數，將準入容量納為約束條件建立分布式電源最優(yōu)布置函數。文獻[6]從電力系統(tǒng)靜態(tài)安全約束的角度出發(fā)，建立了計算分布式電源準入容量的數學模型。對于多個分布式電源的情況，提出了準入容量計算的雙層優(yōu)化模型和相應的優(yōu)化求解算法，并通過對實際配電系統(tǒng)進行分析，驗證了該方法的正確性和有效性。以上文件提出了基于電網靜態(tài)約束的較為科學、嚴謹的計算饋線準入容量的計算方法，但計算過程較為復雜，也尚未提煉出可用于工程實踐的一般性的指導原則。

本文從配網實際接線模式出發(fā)，研究饋線、變電站最大接入能力；基于成本效益分析，研究饋線最佳分段；以網損最小為約束，研究分段容量與分布式電源接入容量的匹配關系。在理論研究基礎上，建立簡化計算模型，采用電網典型計算參數，求取計算結果，并進一步總結提取一般性的指導性原則，為規(guī)劃技術人員提供簡單易行的決策依據。

1 饋線的分布式電源最大接入能力

以電壓限制為約束計算饋線的分布式電源準入容量，并考慮極限情況，每條饋線均采用最大準入容量接入，以電網的安全可靠性運行準則校驗接入是否可行。

以環(huán)網連接輻射運行的配電網絡為例，分析計算分布式電源接入的容量限制。假設在K點輸入有功功率Pdg的分布式電源。

圖1 計算模型示意圖

1.1 電壓限制下的單條中壓線路

按電壓允許值計算的最大接入能力[3]，分布式電源接入點K的電壓為：

其中，Uk為第k節(jié)點電壓；U0為母線側電壓；Pdg為分布式電源有功出力；Qdg為分布式電源無功出力；Ri為線路i電阻值；Xi為線路i電抗值。

若分布式電源接入點達到電壓極限，分布式電源達到該接入位置處的最大接入能力。根據我國相關規(guī)定，10 kV與380V電網節(jié)點電壓不得超過1.07 p.u.假設功率因數λ恒定，代替Qdg，求解上式Pdg。由于在推算過程中忽略了線路損耗，按上式計算得出的準入容量偏小，因此引入修正系數α，一般可取1.03-1.08，約為網絡正常運行時的網損比例。分布式電源準入容量與接入位置之間的函數關系為：

針對常見的配電網負荷分布進行進一步簡化。常見的配電網負荷分布包括沿負荷饋線均勻分布、遞增分布與遞減分布等。這里介紹一下常用的均勻分布情況。

在負荷均勻分布情況下，有Pi=P/N，Qi=Q/N，Ri=R/N，Xi=X/N，代入Pdgmax的求取公式得出：

《電能質量 供電電壓允許偏差》GB12325－2008，供電電壓偏差允許值20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的+7%，-10%，按電壓升高0%至電壓升高7%分別計算Pdgmax，從計算結果可以看出，電壓升高百分比越大，Pdgmax越大，節(jié)點位置離母線越遠，Pdgmax越小。

選取架空線路及電纜線路典型型號計算給出單條不同類型中壓線路準入容量，可以看出：從電壓限制來看，單條線路準入容量可達線路最大輸送能力，一般取9 MW。同等容量接入的電纜線路電壓偏差較架空線路電壓偏差大。

1.2 N-1安全標準下變電站供帶饋線

根據DL/T5729-2016[7]，供電安全準則是保障配電網安全可靠供電的重要基礎，主要以是否滿足N-1校驗的方式評估。變電站滿足N-1校驗，可供帶負荷即為該變電站最大安全供電負荷。

從保障配電網安全可靠供電角度，分布式電源接入后配電網應仍要求滿足N-1校驗。N-1安全標準下的變電站最大接入能力計算思路為：分布式電源出力就地平衡饋線負荷后，多余出力通過變電站上送，變電站應滿足N-1校驗，即一臺主變故障情況下另一臺主變不過載且不棄電源出力。

基于以上思路，變電站供電范圍內的負荷最小、分布式電源出力最大分情況對應變電站的最大接入能力。計算公式為：

通常，電網規(guī)劃預測給出地區(qū)最大負荷或變電站最大負荷，但不會預測最小負荷。可以基于最大負荷預測值及現狀電網最小負荷與最大負荷比例估算變電站最小負荷。計算公式為：

其中，Si,DG為第i座變電站供帶饋線最大接入能力；Si,N-1為一臺最大容量主變故障情況下變電站剩余總量之和；Li,min為第i座變電站最小供電負荷；Li,min為第i座變電站最大供電負荷；Lmin為地區(qū)現狀最小供電負荷；Lmax為地區(qū)現狀最大供電負荷。

2 饋線最優(yōu)分段研究

不同分段饋線的供電可靠性差異較大，分段的合理與否直接關系到負荷用戶及分布式發(fā)電商的停電損失。本文結合發(fā)電商利益、供電企業(yè)投資、社會用戶停電損失等各方要素分析給出饋線的最優(yōu)分段區(qū)間。

2.1 最優(yōu)分段計算模型

分布式電源接入配電網將會提升配電網可靠性，具體表現在電網出現故障且故障隔離后，分布式電源可供帶部分負荷，減小停電范圍的同時縮減停電時間，進而提升供電可靠性。分段數的增加帶來可靠性提升，但也相應增加投資。本文建立架空及電纜系統(tǒng)的成本效益分析模型，采用故障遍歷法分析停電影響，繪制成本效益曲線，求解合理分段范圍。

圖2 典型架空系統(tǒng)分布式電源接入模型示意圖

圖2 給出典型架空分布式電源接入示意圖。本模型以聯(lián)絡接線為例分析，逐一遍歷段內線路故障情況下停電、復電過程及相應影響，并匯總形成綜合停電結果。由于線路故障率遠高于開關故障率，因此忽略開關故障影響，段故障率等效為段內所有線路長度的故障率。以架空線路為例給出逐一遍歷過程：假設第i段出現故障，第i段線路兩側開關識別故障自動跳開，實現故障自動隔離，該段用戶及發(fā)電企業(yè)均為修復完成后恢復供電，其余段在主站評估優(yōu)化孤島供電范圍后恢復分布式電源的供電負荷。

分別評估計算該停電過程中帶來的戶均停電小時數、用戶缺供電量及停電損失、發(fā)電商減發(fā)電量及減發(fā)損失。

2.1.1 戶均停電小時數評估

第i段故障，停電時戶數可表示為：

其中，Si為第i段故障停電時戶數，單位h·戶；L為線路總長度，單位：km；n為線路分段數；N為用戶數；M為分布式電源數量；SG為分布式電源裝機容量，單位：MW；SV為饋線最大輸送容量，單位：MW；TREP為故障修復時間，單位：小時；TCE為分布式電源供電范圍優(yōu)化決策時間，單位：小時。

遍歷所有分段，計算總停電時戶數：

計算戶均停電小時數：

2.1.2 用戶缺供電量及停電損失評估

在求得的戶均停電小時數基礎上，乘以單位電量停電損失，求得用戶停電損失。單位電量的停電損失可等效為度電產值，缺供電量計算公式為：

其中，EL為用戶缺供電量，單位：萬kwh；PL為饋線最大負荷，單位：MW；TmaxL為負荷利用小時數，單位：小時；VPL為用戶停電損失，單位：萬元；GDPΣ為地區(qū)國民生產總值，單位億元；EΣ為地區(qū)總供電量，單位：億kwh。

2.1.3 發(fā)電商減發(fā)電量及減發(fā)損失評估

電網側故障造成用戶停電的同時，分布式電源孤島保護脫網，隔離故障后，恢復部分供電。計算發(fā)電商停發(fā)減發(fā)電量及損失，計算公式為：

其中，EG為發(fā)電商減發(fā)電量，單位：萬kwh；PG為分布式電源最大出力，單位：MW；TmaxG為分布式電源發(fā)電利用小時數，單位：小時；KF為單位電量上網電價，單位：元/kwh。

2.2 典型網絡最優(yōu)分段

選取典型架空系統(tǒng)單聯(lián)絡接線模式，假設線路負荷均勻分布于分段間，饋線實施配電自動化，且為智能分布式配電自動化，開關具備遙控功能。分別計算不同分布式電源機容比情況下的最優(yōu)分段。計算結果繪制圖3所示的曲線。

圖3 不同機容比情況下的停電損失與投資的關系曲線

可以看出，k值越大停電損失曲線越低越陡，說明分布式電源裝機容量越大對供電可靠性貢獻越大，若對分布式電源裝機容量大的饋線增加分段，相應的停電損失也降低越多。也就是，分布式電源裝接容量越大的饋線對分段越敏感，但增加分段也意味著投資增加，總成本相對較小區(qū)間3-6段為合理范圍。另外，從單位投資降低停電損失效益角度來看，4-6段停電損失曲線斜率平穩(wěn)（斜率趨于0），6段后再分段作用效果不明顯。綜合以上，推薦最優(yōu)分段為4-6段。

2.3 分段裝機容量與配變容量匹配關系分析

饋線分段內應該如何配置裝機容量與配變容量是饋線規(guī)劃需要解決的一個問題，如果分布式電源容量裝接過多，可供帶本段及前后多段的負荷，供電負荷大、供電距離長，網損也大；分布式電源裝接容量過小，下網電力增加，遠距離送電，網損也變大。本文以網損最小為約束條件，分析段內裝接容量與配變容量的最佳匹配關系。

假設負荷沿線均勻分布（如圖1），已知分布式電源的容量來求取最優(yōu)接入位置，求取線路網損Ploss函數對接入點x0的偏導數，即求得在該接入容量下網損最小的最佳接入位置[3]。

計算網損最小情況下的最優(yōu)接入位置

可見，容量為Idg的分布式電源最優(yōu)接入位置為21Idg/Id。同樣，由上述公式計算已知接入點情況下的最優(yōu)接入容量Idg=(I+x0)/21Id。

假設饋線分為4段，由以上公式計算得出：當在第一個分段處接入分布式電源，最優(yōu)接入容量為線路最大負荷的7/8；在第2個分段處，分布式電源最優(yōu)接入容量為最大負荷的3/4；線路末端接入，接入容量為最大負荷的1/2?？梢钥闯觯植际诫娫垂Ы尤朦c及下游負荷的同時向上供帶至10 kV母線側一半的負荷，網損最小，也就是分布式電源就近消納損耗最小。同理，若饋線沿線有多個分布式電源需待接入，段內就近消納損耗最小。本文提出“段內機容匹配原則”，即分段內分布式電源裝接容量與配變裝接容量相當?？杀硎緸?/p>

式中SG為段內分布式電源裝機容量；SV為段內配變裝接容量；RL為線路平均負載率；RG為分布式最大概率出力比例。通常情況下RL約為30-40%，約與分布式電源最大概率出力區(qū)間相當，該比例系數可取為1。

3 分布式接入饋線規(guī)劃流程

1）預測區(qū)域最大負荷預測值，進行電力電量平衡，規(guī)劃變電站座數及變電容量；

2）預測變電站最大負荷、最小負荷，計算變電站最大接入能力及饋線最大接入能力；

3）基于地塊負荷結果，進行中壓饋線及配電設備規(guī)劃，設置最優(yōu)分段；

4）根據段內機容配比原則，分段內接入最優(yōu)分布式電源容量；

5）校驗變電站下所有中壓饋線分布式電源的加總容量，若超出變電站最大接入能力則削減饋線接入容量直至滿足為止。

4 算例

選取某新建經濟開發(fā)區(qū)開展算例應用，開發(fā)區(qū)面積為11.56平方公里，用地性質以高端產業(yè)、科技研發(fā)、商務居住為主。該區(qū)域分布式電源主要光伏發(fā)電，10 kV電網接入。新建開發(fā)區(qū)A1地塊分布式電源分布示意圖如圖4所示。

圖4 經濟開發(fā)區(qū)A1地塊分布式電源分布圖

4.1 可接入分布式電源總容量分析

根據負荷預測，開發(fā)區(qū)2020年負荷預測值為90 MW，規(guī)劃2座110 kV變電站供電，變電站總容量200 MVA。每座變電站最大負荷為45 MW，全年最小負荷與最大負荷的比例系數為40%，變電站最小負荷為18 MW。變電站最大接入能力為：

共計可接入136 MW。規(guī)劃10 kV饋線20條，平均單條饋線接入分布式電源6.8 MWp，最大接入9 MWp。

4.2 分布式電源接入規(guī)劃

根據分段方式、分布式電源接入方式的不同，提出兩種方案：

方案一：饋線分為3分段，分支饋線分布式電源裝接容量超過3 000 kWp。1#、3#、5#、10#地塊分布式電源集中接入第一分段的分支上。

圖5 A1地塊供電方案1示意圖

方案二：饋線分為4分段，分支饋線分布式電源裝接容量均小于2 400 kWp，超過者增加分支。每段的接入容量按照本文所提“段內機容匹配原則”。10#地塊2 476 kWp接入1#分段，3個976 kWp接入2#分段。平均分段容量為2.5 MVA，平均分布式電源裝接容量約為2.4 MWp。

圖6 A1地塊供電方案2示意圖

4.3 規(guī)劃效果分析

計算方案一與方案二的供電可靠性、網損等相關指標，計算結果見表1。

表1 不同規(guī)劃方案效果計算

可以看出，采用方案二供電可靠性停電損失降低4.17%，發(fā)電商停電發(fā)電量降低3.72%，網損相對降低較小為1.6%。可以看出，優(yōu)化分段、采用“段內機容配比原則”接入分布式電源規(guī)劃對電網各項技術指標均有影響，特別是用戶停電損失，因此推薦方案二。

5 結束語

本文基于理論研究基礎上，設置電網典型計算參數，總結提出一般性規(guī)劃原則，具體如下：

1）若考慮配變低壓側配置無功自動投切裝置，饋線分布式電源接入容量受限于最大輸送容量。變電站接入分布式電源總容量為變電站N-1容量與變電站最小負荷之和。

2）對于分布式電源容量越大的饋線，增加分段對故障停電損失降幅更加明顯，但考慮分段投資，最優(yōu)分段取為4-6段。

3）基于網損最小約束條件，提出“段內機容匹配原則”，即段內配變容量與段內分布式電源裝機容量配置相當。

本文所提的方法及一般性原則是面向饋線典型接線模式做出的嘗試性研究，當接線模式較為復雜，分布式電源接入容量差異較大的情況，求解將更加復雜，如何采用有效的算法求解有待進一步研究。