配电网中新能源最优接入的评价方法

袁云山，刘源，刘慨然，朱振环，刘洪

（1．天津电力设计院，天津 300400；2．智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至50MW的小型化、模块化、分散式、布置在用户附近为用户供电的连接到配电系统的小型发电系统[1-2]。随着电力政策的放开，分布式发电作为一种新兴的发电模式显现出来，这种小容量的发电机组在配电网用户附近提供电力，可以成为集中式发电的有益补充[3-4]。分布式电源可以减少电力传输时功率的损耗以及由配网升级带来的费用。而对于用户来说，较低的费用、较高的可靠性、较好的电能质量、较高的能源利用率和一定独立性的能源供应是引入分布式电源的兴趣所在。同时，运用可再生能源技术的分布式发电，如风力发电、太阳能光伏发电、水力发电，还提供了相当好的环境效应。集中式发电仍将主导电力供应是公认的，然而，世界范围内能源的紧张、环境保护问题的突出、电力市场改革的深入，迫切需要分布式电源这种新的有价值的发电模式出现和发展。

分布式电源接入配电网将会对电压稳定[5]、短路电流水平、网损和可靠性[6]等方面带来各种影响，所以需要在多种影响中权衡，在可能的多种分布式能源接入方案中进行择优，以达到分布式能源最优接入的目的。目前的研究一般仅仅针对新能源接入的经济性[7]，或者某个技术方面进行分析，来研究分布式能源在配电网中优化配置[8-10]。也有研究从新能源如何与已有配电网融合的角度，提出新的规划方法[11-14]。

以上研究的不足是，一般仅针对新能源对配电网影响的某些方面进行研究，没有从整体上提出一套综合评价方法来确定配电网中新能源的最优接入方案。鉴于此，本文提出了一套从网损、短路电流、电压波动和可靠性4个方面，综合评价配电网中新能源最优接入的方法。

1 新能源最优接入的评价方法框架

本文所进行的研究是对分布式能源在配电网中的接入方案进行评价，一般考虑在新能源同等接入容量的条件下，区分不同接入位置的优劣。

指标的计算采用相对值的方式，这有利于不同接入方案的横向评价。以网损指标为例进行说明，新能源在配电线路的不同位置接入，存在着网损最大值和网损最小值，采用相对值的指标值计算方法，网损最大值方案的网损指标得分为0，而网损最小方案的该指标得分为100。

新能源最优接入评价方法包括3部分内容：

1）建立评价指标体系。合理选取指标，保证指标体系的完整性与指标间的相互独立性，同时对每个指标进行详细定义并给出计算方法。

2）设定指标权重。指标权重设定应客观合理，同时能够反映出指标的重要性。

3）设定评分标准。评分标准应科学而合理，符合指标的变化特性。

指标体系的建立既要保证指标的全面性，同时也要保证指标的独立性，本文分别从经济和技术的角度选取评价指标，对新能源接入配电网进行全面的评价。指标权重既要尽量满足客观性，也要保证不随评价对象的改变而改变，而评价判据需要体现出指标本身的重要性与特点。

2 新能源最优接入评价指标

2.1 网损指标

在接入容量一定的情况下，新能源接入配电网的经济性主要体现在网损方面。新能源接入配电网的不同节点，对网损的影响是不同的。

假设DG接入位置为节点i，注入容量小于接入点后续负荷时，配电线路上潮流方向不变，随着DG注入容量的增大，源节点输出功率减小，使得前导回路潮流减小，线损也随之减小；当DG注入容量大于后续回路负荷时，此时潮流出现反向，电源输出功率进一步减小，当DG的注入容量增大到某一值时，整条配电线路的线损达到最低。

本文定义的网损指标的定义是，DG接入某节点后线路网损与所有可能接入位置中网损最大值的差，与所有可能接入位置网损最大值与网损最小值之差的比值。

网损指标的计算方法是：

式中，Lossmax=max（Lossi），i=1，…，n；Lossmin=min（Lossi），i=1，…，n，n为线路节点数；Lossi是DG接入节点i后，整条配电线路的网损值。

2.2 短路电流指标

分布式电源采用就地式接入10 kV配网、专线方式接入10 kV配网、就地式接入380 V配网，以及低压微网方式接入380 V配网时对配网短路电流的影响如下：

1）就地接入10 kV配网时，分布式电源的接入会使短路电流值增加，但在不出现逆潮流的限值下电网不会发生短路电流越限的情况。

2）专线接入10 kV配网时，1 MW分布式电源提供的短路电流小于0.3 kA。

3）就地接入380 V时，380 V电压等级下分布式电源对低压配电网短路电流的影响可以忽略。

4）低压微网方式接入380 V时，380 V电压等级下分布式电源对低压配电网短路电流的影响可以忽略。

中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障电流。因此所需要考虑在故障发生时，分布式电源能够提供故障电流的大小。对于不同类型的分布式电源，其电抗值是不同的，它代表着该电源的故障电流注入能力。

DG接入配电线路对短路电流的影响主要体现在线路源节点。应该保证DG接入后，线路某处发生短路故障，短路电流不超过源节点处开关的开断电流极限。

短路电流指标的定义是，DG接入某节点后线路首端的短路电流与所有可能接入位置中线路首端短路电流之差，与所有可能接入位置首端短路电流最大值与最小值之差的比值。

短路电流指标的计算方法是：

式中，ShtCurmax=max（ShtCuri），i=1，…，n；ShtCurmin=min（ShtCuri），i=1，…，n，n为线路节点数；ShtCuri是DG接入节点i后，配电线路首端的短路电流值。

2.3 电压波动指标

10 kV配电线路接入分布式电源后，将对线路潮流以及各节点电压产生影响。首先，分布式电源出力会减小线路上的潮流；其次无功充足时会抬升节点电压。分布式电源接入对配网线路各节点电压有一定的抬升作用，相同容量的分布式电源接入在不同位置时所形成的电压分布差别很大，分布式电源接入点越接近末节点对线路电压分布的影响越大；分布式电源越接近系统母线对线路电压分布的影响越小。不改变分布式电源接入位置的情况下，电压支撑由分布式电源的出力决定。出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高。同时，当分布式电源接入容量小于线路负荷峰值时，存在网络损耗最小的接入容量。

平均电压偏差的定义：DG接入某点后，线路上各节点电压与额定电压偏差的平均值。

平均电压偏差的计算方法：

式中，AVB=Average Voltage；n为线路节点数。

电压波动指标的定义是，DG接入某节点后线路平均电压偏差与所有可能接入位置中最大平均电压偏差的差，与所有可能接入位置最大平均电压偏差与最小平均电压偏差的比值。

电压波动指标的计算方法：

式中，AVBmax=max（AVBi），i=1，…，n；AVBmin=min（AVBi），i=1，…，n，n为线路节点数；AVBi是DG接入节点i后，配电线路各节点平均电压偏差。

2.4 可靠性指标

光伏发电等新型分布式电源，以及微型燃气轮机这种传统分布式电源的接入，对配电网的可靠性有提高作用。在准入容量接入范围内，分布式电源接入容量越大，对系统可靠性越有益。

一般情况下，分布式发电的引入可以提高配电系统的整体可靠性，主要包括2方面：首先，分布式电源可以作为后备电源，在线路发生故障时启动来为停电的用户供电，尤其是对于那些非常重要的负荷，它可作为紧急后备电源与电池、换流器联合保证不间断供电。在此种情况下，分布式电源不会影响系统故障发生频率，但是断电时间却因为分布式电源的后备作用而大大减少，从而提高电网可靠性。其次，分布式电源具有削峰作用。在用电高峰和电价高峰期间，分布式电源开始启动为某些重要用户供电，在降低用户电价的同时，分布式电源的削峰作用减轻了线路负荷，提高了系统的可靠性。

如果分布式电源仅作为备用电源是可以提高系统供电可靠性的，但如果分布式电源与电网并联运行，就可能降低系统可靠性。分布式电源并网后，配电网供电可靠性的评估需要考虑新出现的影响因素，如孤岛的出现和分布式电源输出功率的随机性等。

可靠性指标的定义是，DG接入某节点后线路可靠率与所有可能接入位置中最大可靠率的差，与所有可能接入位置可靠率与最小可靠率的比值。

可靠性指标的计算方法：

式中，Reliabilitymax=max（Reliabilityi），i=1，…，n；Reliabilitymin=min（Reliabilityi），i=1，…，n，n为线路节点数；Reliabilityi是DG接入节点i后，整条配电线路的可靠率。

3 指标权重和评分标准

指标权重是对各评价指标间相对重要性的度量。评分标准是指标值和指标得分间的对应关系。

目前已有主观赋权法、和客观赋权法2大类成型的赋权方法。2种方法各有所长，客观赋权法能反映各个评价对象之间的差异，而主观赋权法能够充分利用专家的知识和经验。本文所建立的指标体系层次结构比较简单，在实际操作中，可以根据需要选用以上的任何一种赋权方法。指标评分标准的选取也可以参照确定指标权重的方法执行。由此获得的指标权重和评分标准，可以作为评价计算的边界条件，从而形成完整的评价体系。

4 算例

4.1 算例模型

构造一条典型10 kV配电线路，电源节点命名为BUS0，各个负荷节点分别命名为BUS1-BUS14。采用YJY-3×300电缆，线路长度2 km，各节点间线路等长。线路挂载恒功率负荷，负荷等值均匀分布，线路总负荷为3.325 MW（1.732×10.5 kV×385 A×0.95×50%），如图1所示。

图1 典型配电线路示意图Fig.1 Typical distribution line model

1）网络结构。主馈线长度为2 km，在BUS2处有分支线2~3，在BUS5处有分支线5~6和6~7，在BUS10处有分支线10~11。

2）线路长度。主馈线上相邻负荷节点之间线路长度均为0.2 km，支线的线路2~3、5~6、6~7、10~11长度也均为0.2 km。

3）负荷分布。共14个负荷，沿线路均匀分布，功率因数取为0.95，峰值负荷有功均取为0.2375 MW，谷值负荷有功均取为0.1425 MW。

4）配电网线路故障率：0.6（次/a·km）。

4.2 仿真方案

分别在BUS1-BUS14接入DG，功率因数为0.98，功率为1.995 MW，经过仿真计算获得网损，短路电流，电压波动和可靠率数据如表1所示。

在进行可靠率仿真时，仅选取有代表性的网络节点7、节点9、节点14。节点7处于主要分支中，与主干线为断路器连接，必要时可形成孤岛，对配电网的可靠性贡献较大；节点9、14分别为主干线主要分段处的节点和主干线末尾的节点，有代表性。

表1 仿真及计算数据Tab.1 Simulation and calculation data

4.3 指标权重和评分标准

本算例中采用德尔菲法确定指标权重和评分标准。综合了多位电力系统专家的意见，确定网损指标权重为48%，短路电流指标权重为10%，电压波动指标权重为22%，可靠性指标权重为20%。

评分标准为：y=x。其中，y表示指标得分；x表示指标计算值，即指标计算值就等于指标得分值。

4.4 指标得分和方案总体得分

根据各个指标值的计算方法，处理表1中的仿真数据，获得指标值，依据评分标准获得指标得分。

方案总体得分的计算方法是：

式中，z表示方案总体得分；yj表示指标得分；wj表示指标权重；n表示指标个数。

经过计算，获得指标得分和各个接入位置方案的总体评分结果，如表2所示。

从表2可以看出，在所有的接入位置方案中，接入BUS12位置的得分较高，采用该方案网损较小，源节点短路电流、平均电压偏差和可靠性方面表现优秀，此接入位置兼顾了经济性与技术性，是最优接入方案。

表2 指标得分和总体得分Tab.2 Index scores and total score

5 结语

本文通过对分布式能源接入配电网的影响进行分析，提出了一种配电网中分布式能源最优接入的评价方法。该方法从网损、短路电流、电压波动以及可靠性等多个角度综合评判，兼顾了经济性和技术性，从而科学合理地确定最优接入方案，能够对分布式能源接入配电网提供有益的指导。

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