含分布式电源的配电网供电能力评估方法

国 宗，韦 钢，李 明，褚佳媛

(1.上海电力学院，上海 200090；2.上海合泽电力工程设计咨询，上海 200090)

含分布式电源的配电网供电能力评估方法

国 宗1，韦 钢1，李 明1，褚佳媛2

(1.上海电力学院，上海 200090；2.上海合泽电力工程设计咨询，上海 200090)

供电能力是评估现代配电网的一项重要指标。本文针对分布式电源的配电网，基于改进的重复潮流法，优化了含分布式电源的配电网供电能力分析模型，分析并得出了最大供电功率；并针对分布式电源的波动性和间歇性等特点，建立了含分布式电源的配电网供电能力综合评估体系，利用基于德尔菲法的层次分析法对分时段供电能力综合评估；通过算例对比验证了所提供电能力评估方法的有效性和可行性，能够清晰和客观地评估含分布式电源配电网供电能力。

分布式电源；供电能力；重复潮流；评估方法

0 引 言

近年来，分布式电源(Distributed Generation，DG)的应用日益增多，DG出力的随机性和间歇性导致其被视为一种不可控的发电形式，对含DG的配电网供电能力进行准确地分析和评估变得更加复杂和困难，并已引起业界的高度关注。

目前，学者们对传统配电网供电能力已经有多方面的研究。一些学者从宏观上评价了供电能力，提出了容载比法[1]，该方法能够简单清晰地反映配电网的供电能力，但是未将网络转移能力、供电可靠性等因素考虑在内；有些学者考虑了供电可靠性, 提出基于主变互联的供电能力分析方法[2]，该方法能够较客观地反映供电能力，但忽略了中压接线模式，线路容量和运行状态等约束；有些学者考虑了接线模式和现状负荷情况，提出了最大倍数法[3]、尝试法[4]和内点法[5-6]等方法，分析结果与实际情况仍存在一定的误差。目前，学者们对含DG的配电网供电能力的研究较少，存在的难点主要体现在：①综合考虑网络结构和DG接入[7]，建立合理的供电能力分析模型；②妥善地处理DG功率输出的波动性和间歇性等特征[8]，求取配电网最大供电功率；③综合考虑DG对供电能力的影响[9]，建立有效和客观的供电能力的评价体系。

本文针对含DG的配电网提出了一种供电能力评估方法。本方法建立了供电能力模型及其评估指标体系，采用改进的重复潮流法对配电网最大供电功率进行分析，并利用基于德尔菲法的层次分析法对典型负荷日分时段(日间、夜间和全天)配电网进行供电能力的综合评估。

1 基于改进RPF的最大供电功率

本文改进了传统重复潮流法[10](Repeated Power Flow; RPF)。计及了供电可靠性，将DG考虑在内优化了配电网供电能力分析模型，对典型负荷日的各时刻最大供电功率进行抽样分析，分析最大供电功率。

1.1 计及供电可靠性的含DG配电网模型建立

考虑了供电可靠性，建立供电能力分析模型，为便于分析将其拆分为网络模型和节点模型。

① 网络模型

将网络模型[11]分为线路支路导纳模型Y1和对地导纳模型Y10，如式(1)所示。

(1)

式中：Yij代表i节点与j节点间的线路支路导纳；Yij0代表i节点与j节点间的线路对地导纳。

②节点模型

将节点模型[13]分为负荷节点模型SP和DG节点模型SG如式(2)所示。

(2)

式中：SPi和SGi分别为节点i的负荷功率和DG输出功率。

③ 计及供电可靠性的网架模型修正

考虑“n-1”原则，故障后的导纳模型Y1′、对地导纳模型Y10′、负荷节点模型SP′和DG节点模型SG′，如式(3)～(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

基于式(1)～(6)的计算，可以得出故障后网络模型Xij[11]如式(7)所示。

(7)

1.2 约束条件

节点电压、导线支路热极限和变压器额定功率等潮流约束，如式(8)所示。

(8)

式中：Ui、UL和UH分别为节点i的电压及其下限和上限；iLi和imax为支路i的电流和允许的最大载流量；Sti和Stmax分别为变压器支路i的功率值和最大允许功率。

1.3 基于改进RPF的最大供电功率

利用改进的重复潮流法，求取采样时刻的最大供电功率，目标函数S如式(9)。

(9)

式中：k为负荷增长倍数；hi为负荷增长步长。

最大供电功率的求取过程主要由以下5步构成。

① 输入原始数据。建立线路支路导纳模型Y1、对地导纳模型Y10、负荷节点模型SP、DG节点模型SG、故障后网络模型X、负荷增长歩长h和计算精度e。

② 典型负荷日网架运行时刻抽样。基于典型负荷日运行时刻的DG出力和负荷量均匀抽样，获取该时刻点的DG出力情况。

③ 考虑负荷增长。以歩长hi为各节点负荷的增长量，递增各节点现状负荷量。

④ 潮流分析计算。基于牛顿拉夫逊法则[11]，以故障后网架参数为基础，对网架的各节点的潮流、电压等分析计算。

⑤ 判断是否符合潮流/电压约束。若满足，则重复①至④步。若不满足，判断是否满足精度要求，不满足则减半递增步长，递增上一次负荷，并重复①至④步；满足精度要求，则得出该时刻的最大供电功率。

综上所述，最大供电功率曲线的绘制流程如图1。

图1 基于改进RPF的最大供电功率分析流程

2 供电能力评估指标体系

考虑到DG的波动性和间歇性对配电网的影响，建立的供电能力评估指标体系如图2。

图2 含DG的配电网供电能力指标体系

在各指标计算以典型负荷日的配电网运行数据为样本，以抽样数N对样本运行时刻均匀抽样。

2.1 网络峰值功率

网络峰值功率Pmax是指在评估时段内配电网可输送的最大功率，如式(10)所示。

(10)

式中：P(i)为各采样点的最大功率。

2.2 网络低谷功率

网络低谷功率Pmin是指在评估时段内配电网可输送的最小功率，如式(11)所示。

(11)

2.3 平均供电功率

(12)

2.4 DG波动性影响

DG波动性影响Pb反映了DG对配电网最大供电功率的稳定性，求取如式(13)所示。

(13)

2.5 大电网供电功率影响

由于网络潮流约束，DG的接入将会减小大电网供电功率，该指标反映了DG对大电网供电功率影响的程度，大电网供电功率影响程度PI的计算方法如式(14)所示。

(14)

式中：PI(n)是采样点n的大电网供电量。

将指标分为成本型(越小越好)和效益型(越大越好)指标。以上5项指标中，成本型指标为“DG波动性影响”和“大电网供电功率影响”。效益型指标为“网络峰值功率”、“网络低谷功率”和“平均供电功率”。

3 基于DM的层次分析法

为了减小专家主观性的影响，本文基于德尔菲法 (Delphi Method，DM)[12]，改进了层次分析法的权重选取过程，对配电网的供电能力进行综合评估。

3.1 基于DM法的权重确定

① 专家权重征询

向多位专家进行权重的意见征询，其中第k位专家的权重矩阵Qk，如式(15)所示。

(15)

其中：

设专家的综合意见为E，按照式(16)对m个专家给出的评分进行加权平均计算。

(16)

② 意见分歧度和权重一致性检验

用专家意见分歧度δij判断指标重要性的离散度是否满足要求。若某指标分歧度大于δ0，需再次讨论该指标重要程度。δij计算如式(17)。

(17)

用权重一致性CI判断得出权重是否具有代表性。若CI大于0.1，则需要修正权重矩阵Q。CI的计算如式(18)。

(18)

式中：λmax为专家综合意见矩阵E的最大特征值。

③ 权重的确定

标准化矩阵E的最大特征值λmax对应的特征向量y，得到指标的评估权重Y，如式(19)。

(19)

3.2 供电能力综合评估

各评估指标的评估结果a如式(20)所示。

(20)

其中，ai为各项指标评估结果，如式(21)。

(21)

将ai指标的评估结果归一化处理[13]得到Ai，如式(22)所示。

(22)

供电能力综合评估结果F，如式(23)所示。

F=Ai×Y

(23)

采用以上方法对供电能力评估体系各指标的评估结果进行综合分析，得出含DG的配电网供电能力综合评估结果。

4 算例分析

本文以某地区10kV配电网为算例，线路阻抗为(0.125+j0.32)Ω/km，线路载流量为539A。模型假设相邻节点间的线路长度均为0.2km。电压质量约束为额定电压的±5%，潮流约束为线路额定载流量。本算例的结构简化如图3。

图3 算例配电网络结构简化图

典型负荷日系统的平均总负荷量(16.3+j2.3)MW，波动范围为±25%。典型负荷日的DG功率曲线如图4所示。

图4 典型负荷日DG功率曲线

本算例分别讨论了一种不含DG的配电网和3种含DG接入配电网的方案，如表1所示。

通过对4种接入方案分析，对比DG出力相同的情况下，由于接入配电网方式不同导致的供电能力差异，并验证本文提出的一种针对含DG的配电网供电能力分析方法的有效性。

表1 DG接入方案

注：表中数字为节点编号。

4.1 指标分析

根据本文提出的方法，利用matlab软件计算，得出算例中4套方案的最大供电功率曲线如图5。

图5 4套方案的最大供电功率曲线

由图5可见，由于方案一不含有分布式电源，因此最大供电功率曲线最平缓，但是相对于其他各方案各时间点的最大供电功率最小。其余各方案中，由于DG的接入位置不同，因此其最大供电功率曲线在最大(小)值、分布区间和波动程度等方面有着明显的差异。

按照本文提出评估配电网供电能力的指标体系，分析最大供电功率图5，得到相应指标评估结果如表2。

由图5和表2可见，DG接入配电网后，在“网络峰值功率”、“网络低谷功率”和“平均供电功率”3项指标均有大幅提升。但是在“大电网供电功率影响”和“DG波动性影响”两项指标方面均有一定的减小。详细比较各含DG的配电网供电方案，可以发现含DG接入方案的各项指标优劣差异明显，在“平均供电功率”方面甚至可达7.2MVA，在“大电网供电功率影响”方面差异可达44.9%。可见接入方案显著影响配电网供电能力的各项指标。

4.2 综合分析

利用基于DM的层次分析法，综合评估各方案的供电能力，结果如表3所示。

表2 各方案供电能力指标分析结果

表3 各方案供电能力综合分析结果

由表3可见，含DG的供电方案(二、三、四)供电能力评分优于不含DG的方案一，可见DG接入对供电能力有着显著的提升。

分析含DG的供电方案(二、三、四)可以发现，各方案中方案二(DG接入于线路首段)较优。综合全天、夜间、日间的供电能力评分，可以发现含DG的配电网供电能力不仅受到接入方案的影响，而且受到DG的运行时刻，即DG的出力的影响。

案例分析表明，DG的接入方案对配电网的供电能力有着显著的影响，验证本文提出的针对含DG的配电网供电能力评估方法的客观性和有效性。

5 结 论

本文提出了一种针对含DG的配电网供电能力评估方法，主要结论如下：

① 提出的基于改进RPF的配电网最大供电功率求取方法，综合考虑了供电可靠性，潮流和电压等约束条件，同时兼顾了网架结构、现状电网负荷和DG功率输出等多种因素，求取流程简单清晰且具有较高的有效性和准确性；

② 提出的含DG的配电网供电能力指标体系，着重反映了DG的波动性和间歇性对配电网供电能力的影响，能够定量反映供电能力；

③ 采用基于DM法的层次分析法综合评估供电能力，相对于传统的层次分析法可以有效减少人为的影响，给出的综合评估结果更为客观。

本文提出的方法克服了DG接入配电网后的供电能力评估的诸多难点，能够有效和客观地对含DG配电网的供电能力评估。

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(责任编辑：林海文)

Assessment of Power Supply Capability for DistributionNetwork with Distributed Generations

GUO Zong1，WEI Gang1，LI Ming1，CHU Jiayuan2

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090,China；2. Shanghai Heze Electric Power Engineering Design Consulting Co.,Ltd., Shanghai 200090,China)

Power supply capacity is one of the most important indexes to assess the modern distribution network. In this paper, according to distribution network with distributed generations, based on improved repeat power flow method, the analysis model of power supply capacity for distribution network with distributed generations is optimized, and the maximum power supply capacity is calculated. According to such characteristics as fluctuation and intermittence of distributed generations, the comprehensive assessment system of power supply capability for distribution network with distributed generations is built, and power supply capability in different period of time can be comprehensively evaluated based on the improved AHP. A case is also given to testify the validity and feasibility of proposed method, which can assess power supply capacity of distribution network with distributed generations clearly and objectively.

distributed generation; power supply capability; repeated power flow; assessment methods

1007-2322(2015)04-0056-06

A

TM7

上海市教育委员会重点学科建设项目(J51303)

2014-08-11

国 宗(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为配电网供电能力，mizongzi66@126.com ；

韦 钢(1958—)，男，通信作者，教授，研究方向为电力系统运行分析与计算、新能源与电力系统规划等，E-mail: wg5815@sohu.com。