分布式发电对配电网规划的影响研究

刘磊

摘 要：随着分布式发电（DG）的兴起和普及，对常规配电网规划提出了新的挑战。文章分析了DG接入对电力系统的影响和对常规配网规划的影响，介绍了常用含DG配电网规划的目标函数和求解方法。

关键词：分布式发电；配电网；规划

中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0018-02

随着常规能源的日渐衰竭和环境污染的日益加重，分布式发电（DG，distributed generation）作为一种新的发电方式受到了越来越多的重视和研究。DG一般是指为满足某些终端用户的需求，接在用户侧附近的小型模块式的独立电源，它们的规模一般都不大，大约在几十千瓦至几十兆瓦。

DG按能源能否再生一般可分为可再生能源的分布式电源和不可再生能源的分布式电源，具体包括风力发电、光伏发电、燃气轮机、内燃机、燃料电池、生物质发电等。按容量大小分可分为小型分布式发电（小于100 kW）、中型分布式发电（100 kW-1 MW）和大型分布式发电（大于1 MW）。

DG具有集中发电所不具备的优点：对环境污染小；可以减少网损，节能降损；使得电网具有灵活调节负荷的能力，可提高供电可靠性；由于DG一般设有就地电压调整装置，可提高系统的电压质量；投退灵活，具有一定的调峰能力。

1 分布式电源并网对系统的影响

DG接入之后与接入前的配电网相比，在继电保护、电压质量、电网谐波等各方面都产生了一定程度的影响。

1.1 对继电保护的影响

DG并网改变了配网的潮流分布，线路从原先的单一电源变成多电源结构，从而改变了故障情况下短路电流的方向和大小，进而影响了线路继电保护的保护范围和动作配合。研究表明，当DG接入点在时故障点上游时，会导致本线路保护的灵敏度降低甚至发生拒动；当DG接入点所在线路的相邻线路发生故障时，有可能导致本线路保护误动。因此，在考虑DG对继电保护影响的时候，往往需要对接入配网的DG容量进行限制或者对原先保护加装方向性元件。

1.2 对电压质量的影响

DG并网改变了原先配网的潮流分布，从而影响了各节点的电压分布，其影响程度与电源接入点和接入容量有关。仿真研究表明，在不改变DG接入位置的情况下，DG总出力越大，对系统电压的支撑能力就越强；总出力相同的DG，分散接入在不同节点对电压的支撑能力要高于全部接入在某个节点；在DG出力不变的情况下，接入点越靠近变电站母线，对系统电压分布的影响越小。

1.3 对系统谐波的影响

DG并网后，将对线路上的谐波电压和谐波电流的分布产生影响。仿真研究表明，在不改变DG接入位置的情况下，DG总出力越大，则线路沿线各节点电压谐波总畸变率越大；在不改变DG总出力的情况下，接入点越靠近变电站母线，对系统谐波分布的影响就越小。

1.4 对可靠性的影响

由于DG的接入多以自发自用为目的，如接入点线路为重过载线路，则可在一定程度上减少线路从变电站汲取的电流，提高配网的送电裕度。再者，在合理接入的情况下，DG还可以改善配网电源水平。具有低电压穿越能力的DG还可以在系统故障的时候提供有功和无功支撑，起到缓解电压骤降的作用。相反，如果DG不具备低电压穿越特性，则在系统侧故障的情况下，DG有可能脱网，因此加剧了系统的电压跌落水平。此外，DG不合理的安装地点、容量和连接方式都可能降低配电网的可靠性。

1.5 对网损的影响

如前所述，DG的接入改变了原先配网的潮流分布和电压水平，因此也影响了整个配网的网损。网损的改变与DG接入的位置和容量有关，也与配网本身的网络拓扑结构有关，在DG接入合理的情况下可以减少配网的网损。

2 分布式电源对配网规划的影响

DG的出现和并网给传统配网规划带来了挑战，其影响主要有以下几个方面。

2.1 增加了负荷预测的难度

负荷预测是配网规划的基础，DG接入配网后，给负荷预测带来了很大的不确定性因素。一般来说，DG接入是以用户自发自用为目的的，对于配网系统来说，DG接入相当于减少了负荷的增长，并且导致了负荷增长模式发生了变化，难以较为准确的预测规划期间负荷的增长速度，因此难以准确判断电网改建或扩建的程度和时间等。因此，如何确定用户侧DG的接入对网侧负荷增长模式的影响是配网规划需解决的一个基本问题。

2.2 增加问题求解难度

规划问题的求解在数学上表现为一个优化问题的寻优过程。在数学上来说，规划问题的求解难度和复杂程度与其维数相关。考虑分布式电源后，相当于增加了许多发电机节点，无异于增加了问题求解的难度，使得在满足所有约束条件下的最优方案的寻找更加困难。

2.3 降低配电设备设施利用率

分布式电源的接入可以在某个程度上延缓甚至避免配网投资。对于用户来说，一般是在自发自用的分布式电源出力不够的情况下，才从系统购电，也就是说如果分布式电源接入点所在区域本来供电容量就较为充裕，那分布式电源的接入则有可能导致原有设备处于低载甚至是闲置的状态，降低了配电设施的利用率，降低了供电企业的资金回收率。

3 含分布式电源的配电网规划

配电网规划的主要内容是根据规划期间（如5～20 a）内的负荷预测结果和现有的网络结构确定最优的系统建设和改造方案，在满足负荷增长和系统安全稳定运行的情况下，使配电网的建设和运行费用降到最低。配电网规划在数学上是一个优化问题的求解过程，含分布式电源的配电网规划在常规配网规划的基础上需记及分布式电源接入的位置和容量对目标函数的影响。常用的目标函数包括投资成本最小化、网损最小化和电压稳定度最大化等。

3.1 以投资成本最小化为目标函数

其中，PGi为i节点上配网现有的发电机有功出力，PDi为i节点上新接入的分布式电源有功出力，PLi为线路i的有功负荷，同理，QGi、QDi、QLi则分别为节点i上配网现有的发电机无功出力，新接入的分布式电源的无功出力和线路i上的无功功率负荷。Ui和Uj分别为支路ij首末端的电压幅值。Gij为支路ij的电导值，Bij为支路ij的电纳值，？啄ij为支路首段节点i和末端节点j的电压相角差。

不等式约束包括电压幅值限制、支路最大功率限制、DG出力限制和旋转备用容量约束：

含DG的配网规划本质上是一个多目标大规模的优化问题，因此，数学上的优化算法广泛的应用于含DG的规划上，包括以线性规划方法、分支定界法等为代表的经典优化算法和以遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法为代表的启发式优化算法。一般来说，经典优化算法收敛的精度要高于启发式算法，但经典优化算法求解过程复杂且依赖于所建立模型的准确性，而启发式算法计算速度较快，且精度也有一定的保证，因此，工程上多采用启发式算法进行规划问题的求解。

如前文所述，含DG的配网规划可以根据不同的目标函数进行求解，而实际上各个目标之间的优化可能会存在着相互制约的情况，因此，近年来多目标优化也开始应用于含DG的配网规划中，并取得了较好的效果。多目标优化算法与传统的单目标优化算法的区别在于多目标优化不需要衡量各个目标之间的权重关系，可在全局中搜索到最优解集合，而决策者可以根据最优解集中的解来选择个人认为最优的解。

4 结 语

本文分析了DG接入对系统和对配电网规划的影响，介绍了常用的含DG配网规划的目标函数。由于DG目前尚未全面普及，而DG的配网规划的研究还只是在起步阶段，目前含DG的配电网规划数学模型还比较单一，无法全部分析DG对配网各方面的影响，也较少考虑DG出力随机性的因素。但是，面对全球常规能源紧缺的现状，考虑到技术的进步，配电网中引入DG还是具有非常重要的意义。

参考文献：

[1] 胡成志，卢继平，胡利华，等.分布式电源对配电网继电保护影响的分析[J].重庆大学学报，2006，（8）.

[2] 张超，计建仁.分布式发电对配电网馈线保护的影响[J].继电器，2006，（13）.