配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估方法

摘 要：隨著可再生能源不斷發(fā)展，分布式電源在配電網(wǎng)中的并網(wǎng)已成為一種趨勢。然而，分布式電源的并網(wǎng)容量受配電網(wǎng)運(yùn)行條件、安全約束和電能質(zhì)量要求的限制，因此本文提出配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的自動化評估方法。先采集分布式電源并網(wǎng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)并綜合考慮配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和各種技術(shù)約束構(gòu)建配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估模型，最后基于編程語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)容量的自動化評估。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能夠準(zhǔn)確評估最大并網(wǎng)容量，為配電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和管理提供了有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；分布式電源；最大并網(wǎng)容量；自動化；評估

中圖分類號：TM 734" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

分布式電源（Distributed Generation，DG）是一種新興的電力供應(yīng)備用電源，能夠減少電能傳輸損耗，提升能源效率，緩解電網(wǎng)擴(kuò)容壓力，并節(jié)省升級成本。同時(shí)，DG還能促進(jìn)可再生能源利用，助力應(yīng)對氣候變化。然而DG并網(wǎng)容量并非可以無限制地增加，因此須綜合考慮配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和各種技術(shù)約束。

文獻(xiàn)[1]提出了一種綜合考量5G基站可調(diào)度潛力的評估方法。構(gòu)建用電負(fù)荷需求模型，并引入輔助變量對模型進(jìn)行二階錐松弛處理。但是該方法模型的復(fù)雜程度高，會影響模型的計(jì)算速度和效率。文獻(xiàn)[2]引入一種電力系統(tǒng)靈活性評估方法，采用最小化運(yùn)行成本、棄風(fēng)和切負(fù)荷來優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行策略。并構(gòu)建可調(diào)的魯棒集，利用對偶理論和大M法來評估容量。但是歷史數(shù)據(jù)與實(shí)際情況易產(chǎn)生較大差異，影響模型的準(zhǔn)確性。

為了保障配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行并能有效利用DG，本文提出配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的自動化評估方法。該方法在通過科學(xué)的分析和計(jì)算，在滿足配電網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)約束條件下確定DG能夠接入的最大容量，不僅能為配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行人員提供決策支持，也能為DG的健康發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估方法設(shè)計(jì)

1.1 分布式電源并網(wǎng)數(shù)據(jù)采集

在分布式發(fā)電（DG）并網(wǎng)容量的自動化評估過程中，數(shù)據(jù)采集與處理環(huán)節(jié)具有舉足輕重的地位[3]。此階段不僅能為后續(xù)分析奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還能保證評估結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性。數(shù)據(jù)采集階段要求全面搜集配電網(wǎng)的各類信息，包括配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路的電氣與物理參數(shù)、各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷數(shù)據(jù)以及已接入或計(jì)劃接入的DG類型與容量等[4]。具體采集過程如下所示。1） 借助智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）和現(xiàn)場勘測等多種渠道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、全面性和實(shí)時(shí)性。2） 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除或修正數(shù)據(jù)中的錯誤、異常值和重復(fù)項(xiàng)等，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。3） 對清洗后不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將Excel文件格式的數(shù)據(jù)集導(dǎo)出為CSV格式，并使用Python轉(zhuǎn)換該文件格式，統(tǒng)一為便于分析的格式。4） 使用最小-最大標(biāo)準(zhǔn)化（Min-Max Normalization）的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使不同來源、不同量綱的數(shù)據(jù)特征都被縮放到相同的尺度，避免特征偏見，從而提高評估模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5]，如公式（1）所示。

（1）

式中：x為原始數(shù)據(jù)；xmin、xmax為數(shù)據(jù)的最小值、最大值；X為標(biāo)準(zhǔn)化值且始終在[0，1]范圍內(nèi)，以確定原始數(shù)據(jù)在給定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的相對位置。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)采集與處理流程，最終獲得一個(gè)高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)集，并根據(jù)配電網(wǎng)的各類信息數(shù)據(jù)建立最大并網(wǎng)容量自動化評估模型，為后續(xù)的DG并網(wǎng)容量的精準(zhǔn)評估提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 最大并網(wǎng)容量自動化評估模型建立

根據(jù)上述采集的配電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建最大并網(wǎng)容量自動化評估模型。需要設(shè)置一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)能夠清晰地指導(dǎo)模型優(yōu)化的方向，將期望達(dá)到的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境效益和系統(tǒng)可靠性等多個(gè)方面的優(yōu)化目標(biāo)整合到一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式中。利用目標(biāo)函數(shù)可以量化評估不同分布式電源并網(wǎng)容量方案的綜合效果，為決策者提供一個(gè)直觀的、可比較的評估依據(jù)。此外，不同的配電網(wǎng)運(yùn)營商或決策者可能有不同的需求和偏好，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)可以根據(jù)這些具體需求調(diào)整模型的優(yōu)化方向，以滿足不同的利益訴求。本文設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，旨在最大化規(guī)劃節(jié)點(diǎn)接入的分布式電源的總?cè)萘?。，力求在特定的?guī)劃條件下實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)容量的最大化。該目標(biāo)設(shè)定不僅考慮了光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，還兼顧了其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的貢獻(xiàn)。在公式（1）的基礎(chǔ)上，目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)如公式（2）所示。

（2）

式中：CPV，i為接入配電網(wǎng)分布式電源的容量；i為配電網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)；n為配電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的集合。

通過設(shè)置最大化容量，進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的完善，從而提高評估模型的精確度。在該評估模型中，設(shè)置約束條件是至關(guān)重要的。約束條件保障配電網(wǎng)在分布式電源并網(wǎng)后能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，反映了電網(wǎng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、環(huán)境因素和傳輸能力等實(shí)際限制條件，為了保證模型解實(shí)際操作的可行性，模型設(shè)計(jì)必須全面考量并融入各種實(shí)際操作中的約束和限制。設(shè)置合理的約束條件，可以避免產(chǎn)生無效或不可行的解，提高解的可行性和實(shí)用性。此外，不同的約束條件組合還可能導(dǎo)致不同的優(yōu)化解，為決策者提供了更多的選擇空間，有助于他們根據(jù)實(shí)際情況選擇最適合的方案。因此，本文約束條件的設(shè)置是保證模型有效性和實(shí)用性的關(guān)鍵。具體設(shè)置如下。

1.2.1 電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)約束

分布式電源接入配電網(wǎng)后，為保證電網(wǎng)在未來各種運(yùn)行場景下更改穩(wěn)定運(yùn)行，必須滿足一系列關(guān)鍵的電網(wǎng)靜態(tài)安全約束。在公式（2）的基礎(chǔ)上，這些約束包括系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定性要求，具體如下所示。1） 設(shè)置電壓越限約束，配電節(jié)點(diǎn)電壓的表達(dá)范圍如公式（3）所示。2） 設(shè)置線路功率約束，則線路復(fù)功率的表達(dá)范圍如公式（4）所示。

Umin≤Uit≤Umax （3）

式中：Umin、Umax分別為節(jié)點(diǎn)電壓所允許的最小值和最大值；Uit為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i電壓；t為分布式電源接入后面臨的第t個(gè)運(yùn)行場景。

（4）

式中：Pijt和Qijt為有功功率值和無功功率值；j為i節(jié)點(diǎn)的相鄰下游節(jié)點(diǎn)；Smax為線路復(fù)功率允許的最大值。

約束電壓和功率這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，可以保證其波動值在合理范圍內(nèi)，防止不平衡波動引起的系統(tǒng)振蕩或崩潰，保證配電網(wǎng)線路的正常運(yùn)行。

1.2.2 電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和控制變量關(guān)系

本文利用潮流模型（Power Flow Model）描述電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓、功率等物理量在穩(wěn)態(tài)條件下的分布和狀況，以實(shí)現(xiàn)控制變量與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)間的相互作用。這樣的表述減少了重復(fù)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了模型的關(guān)鍵組成部分及其之間的相互作用。根據(jù)公式（3）和公式（4）限定的電壓和功率范圍，設(shè)PV為分布式電源，C為并聯(lián)的無功補(bǔ)償設(shè)備，則節(jié)點(diǎn)上有功功率、無功功率如公式（5）、公式（6）所示。

（5）

（6）

式中：PtG，i、PtPV，i分別為電導(dǎo)、分布式電源在節(jié)點(diǎn)i上第t個(gè)運(yùn)行場景下的有功功率；QtG，i、QtPV，i、QtC，i分別為電導(dǎo)、分布式電源、無功補(bǔ)償設(shè)備在節(jié)點(diǎn)i上第t個(gè)運(yùn)行場景下的無功功率；Ujt為配電節(jié)點(diǎn)j在第t個(gè)場景的電壓； Gij和 Bij 為支路節(jié)點(diǎn)i、j間的電導(dǎo)和電納；θij為節(jié)點(diǎn)i、j間的功角。

根據(jù)公式（2）和公式（5），將分布式電源的容量與各個(gè)運(yùn)行場景t下的控制變量聯(lián)系起來，具體表達(dá)如公式（7）所示。

PtPV，i≤CPV，i×StPV （7）

式中：StPV為分布式電源在場景t下的有功出力標(biāo)幺值。

精確控制有功功率的輸出可以保證分布式電源在不超過其容量限制的情況下進(jìn)行工作，從而提高電源的容量利用效率、穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.3 控制方式的約束條件

針對配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)，目前主要手段包括變壓器分接頭調(diào)整、并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用。本文根據(jù)這2種控制策略構(gòu)建相應(yīng)的模型框架。1） 約束變壓器接頭，其電壓和位置調(diào)節(jié)范圍如公式（8）、公式（9）所示。2） 根據(jù)公式（6），約束并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備的無功功率范圍，具體表達(dá)如公式（10）所示。

U0t=Uht（1+0.025kt） （8）

kmin≤kt≤kmax （9）

式中：U0t、Uht為始節(jié)點(diǎn)變電站出口側(cè)電壓和變壓器高壓側(cè)電壓；kmin和kmax分別為變壓器分接頭的調(diào)節(jié)的最小值和最大值；kt為此刻變壓器分接頭的位置。

Qmin≤QtC，i≤Qmax （10）

式中：Qmin和Qmax分別為無功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出無功功率的最小值和最大值。

至此，本文通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)（如公式（2）所示）和約束條件（如公式（3）～（10）所示），輸出了最大并網(wǎng)容量評估值。通過約束配電節(jié)點(diǎn)電壓、功率以及變壓器接頭的調(diào)節(jié)范圍，有效控制了輸出功率，從而滿足配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的利用率，實(shí)現(xiàn)了最大并網(wǎng)容量的自動化評估。

1.3 配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估

為了提高配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的評估效率和準(zhǔn)確性，本文介紹了一種基于編程語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的自動化評估方法。該方法包括系統(tǒng)架構(gòu)的確定、技術(shù)選型、用戶界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、約束條件分析以及模型構(gòu)建、求解等關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)采用Java、Python等編程語言構(gòu)建后端服務(wù)，前端采用HTML、CSS和JavaScript技術(shù)棧。并根據(jù)數(shù)據(jù)特性選擇關(guān)系型或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。用戶界面友好易用，支持用戶輸入或上傳配電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和聚合等預(yù)處理，并自動分析約束條件，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型中的約束方程。構(gòu)建評估模型后，系統(tǒng)利用求解器進(jìn)行求解，并提供進(jìn)度反饋。該自動化評估過程提高了評估效率和準(zhǔn)確性。根據(jù)最大并網(wǎng)容量自動化評估模型設(shè)置的模型參數(shù)見表1。

至此，根據(jù)本文設(shè)定的最大并網(wǎng)容量自動化評估的最優(yōu)參數(shù)完成試驗(yàn)，比較本文提出方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，測試單節(jié)點(diǎn)的最大并網(wǎng)容量的評估準(zhǔn)確率和評估時(shí)間，驗(yàn)證了本文方法在評估最大并網(wǎng)容量的精準(zhǔn)度和時(shí)效性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

本文采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)對提出的配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估方法進(jìn)行測試，如圖1所示。本文隨機(jī)選取10個(gè)節(jié)點(diǎn)1、3、7、10、14、18、21、25、26、29和31接入分布式電源的節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)的電壓等級為10kV，對應(yīng)常見的縣、區(qū)級配電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級，適合作為本文案例，進(jìn)而對其進(jìn)行分布式電源最大接入容量評估研究，并以單節(jié)點(diǎn)最大并網(wǎng)容量評估準(zhǔn)確率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行測試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文方法在評估配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的有效性，比較文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法和本文方法評估單節(jié)點(diǎn)的最大并網(wǎng)容量的準(zhǔn)確率，具體結(jié)果見表2。

由表1可知，本文配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量自動化評估準(zhǔn)確率均在93%以上，而文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]方法的最大并網(wǎng)容量評估準(zhǔn)確率均在92%以下，說明本文方法的評估準(zhǔn)確率更高，評估效果更好。本文方法在建立模型過程中，根據(jù)公式（3）～公式（10）約束了配電節(jié)點(diǎn)電壓、功率以及變壓器接頭的調(diào)節(jié)范圍，能夠有效控制功率輸出，提高配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的利用率，有助于精準(zhǔn)評估單節(jié)點(diǎn)的最大并網(wǎng)容量。

此外，通過比較3種方法的評估時(shí)間，進(jìn)一步證明了本文方法的時(shí)效性。具體結(jié)果見表3。

由表3可知，本文方法的評估時(shí)間為5.62s～6.14s且不同節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間波動程度較小。而文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]方法的評估時(shí)間明顯高于本文方法，波動范圍為7.93s～8.97s、10.65s～11.98s。本文方法使用了潮流模型，能夠迅速掌握各節(jié)點(diǎn)的電壓、功率在穩(wěn)態(tài)條件下的分布和狀況，描述系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行了大量的簡化和近似，減少了模型的計(jì)算量，從而可證明本文方法在評估配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的時(shí)效性。

3 結(jié)論

在可再生能源快速發(fā)展和分布式電源并網(wǎng)需求日益增長的背景下，本文提出的配電網(wǎng)分布式電源最大并網(wǎng)容量的自動化評估方法為配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行提供了一種高效、科學(xué)的解決方案。該方法通過采集配電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)數(shù)據(jù)，并綜合考慮配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和各種技術(shù)約束，構(gòu)建了一個(gè)自動化評估模型，進(jìn)行了并網(wǎng)容量精確計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法不僅能夠準(zhǔn)確評估配電網(wǎng)分布式電源的最大并網(wǎng)容量，還能為配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行人員提供科學(xué)、合理的決策依據(jù)。自動化的評估過程減少了人工分析的復(fù)雜性和誤差，使配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行更高效和可靠。

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