配电网主动闭环运行经济性分析

何小栋，程 瑶

（安庆供电公司，安徽安庆246000）



配电网主动闭环运行经济性分析

何小栋，程 瑶

（安庆供电公司，安徽安庆246000）

摘要：传统单馈线辐射状配电网将无法满足分布式电源的接入和用户对供电高可靠性的要求。分析了基于通信和电力电子技术，配电网主动闭环运行的可行性；提出了基于Zbus法的含分布式电源和环网的配电网潮流计算方法。通过2个算例分析配电网闭环运行的经济性，对于双馈线手拉手配电线路，两端电压相角差对闭环运行网损影响较大，当相角差不太大时，闭环运行是经济安全的；与配电网的重构相比，闭环运行对降低网损和提高电压质量效果明显。

关键词：主动配电网；闭环运行；Zbus法；潮流计算

传统配电网采用“闭环设计、开环运行”的供电方式，但随着大量分布式电源（Distributed Generations，DG）的并网和用户对供电高可靠性的要求，开环运行的弊端逐渐凸显。开环运行时，即使进行过馈线自动化改造，故障隔离和恢复供电时的倒闸操作也需要短时间的停电，阻碍了供电可靠性的进一步提高；随着分布式发电技术的快速发展，大规模DG接入配电网是必然趋势，但DG的接入改变了传统配电网的潮流分布，继电保护的选择性和灵敏度受到影响，基于通信平台差动保护技术的闭环运行配电网更适合DG的接入［ 1 ］；采用电力电子设备的闭环运行配电网可以主动进行有功和无功潮流控制，符合主动配电系统的发展方向［ 2 ］。随着通信和电力电子技术的快速发展，配电网采用闭环运行方式将是一种有效措施，近年来引起了人们的广泛关注［ 3 ］。文献［1］讨论了采用集中式保护的闭环运行配电网典型接线模式和规划原则；文献［3］探讨了配电网采用基于差动保护的闭环运行方式的应用前景。文中提出基于Zbus法的含分布式电源和环网的配电网潮流计算方法，并分析比较典型接线模式和DG并网下，配电网闭环运行的经济性。

1　配电网闭环运行可行性

1.1基于网络通信平台的集中式电流差动保护

随着通信技术快速发展和高级配电网自动化系统的建设，基于全网光纤通道的配电网集中式差动保护技术越来越受到重视。电流差动保护在进行故障判别时只需要线路两端的电流量，不受系统振荡和非全相运行等因素的影响，原理简单，计算量小，能够较好地满足继电保护快速、灵敏和可靠等要求。图1所示为具有三层结构的集中式差动保护控制系统。其中，上层是智能配电主站；下层由配电自动化终端和配电变压器智能终端等设备组成；中间层由集中式保护控制装置构成，起联系上、下层的作用。这种保护控制系统能实现配电网故障的准确定位、迅速隔离和快速重构，减少了非故障区域的停电机率，缩小了停电范围，提高了供电可靠性，能实现配电网的无缝快速自愈。

图1　三层结构集中式差动保护控制系统

1.2基于电力电子技术的潮流控制

传统辐射状配电网属于受电端，无法控制潮流。DG的接入改变了原有网络的潮流分布，而且风光发电等DG输出的功率具有随机性，为了安全、优质、经济供电，需要对配电网中的潮流进行控制。基于电力电子技术与先进控制理论的统一潮流控制器（UPFC）具有强大的潮流控制功能，可以实现对含有DG的配电环网的潮流控制。UPFC是由通过直流电容连接在一起的2个背靠背的电压源型变流器组合而成，可同时调节电力线输送功率的线路参数、节点电压幅值和相位［ 4 ］。鉴于目前电力电子元器件的成本高、损耗大，在配电网中的应用还不具有经济性，但随着电力电子技术的进步，UPFC的优势终将得到体现。

2　含分布式电源和环网配电网潮流计算

目前，基于前推回代法的传统辐射状配电网潮流算法非常成熟，得到广泛应用，但对含各种DG和环网的配电网潮流计算的研究较少。文献［5］基于矩阵分裂和矩阵求逆辅助定理，导出了一种新的牛顿类少环配电网潮流算法；文献［6］研究了基于直接法的含DG配电网潮流算法；文献［7，8］基于叠加原理，提出了能同时处理弱环网和PV节点的配电网改进前推回代算法。配电网支路电抗和电阻参数相差不大，电缆线路还具有电阻大于电抗、充电电容较大的特点；与输电网相比，配电网支路数和节点数十分庞大。牛顿类的配电网潮流算法需要进行大量矩阵运算，效率低，不易收敛；前推回推法具有算法简单、易实现的特点，但处理环网能力不足［ 9-11 ］。文中提出基于Zbus法的含DG和环网的配电网潮流计算方法。

2.1DG接口模型

DG与配电网互联的接口主要有3种形式，同步发电机、异步发电机、DC/AC或AC/AC变换器，各种DG的典型容量范围和接口如表1所示［ 6 ］。

表1　DG的容量及其与电网的接口

潮流计算中，根据结构和控制方式的不同，DG一般当做PQ、PI或PV节点。异步风力发电机、无励磁调节能力同步发电机、恒功率因素控制的同步发电机可当作PQ节点，将其看作“负”的具有电压静特性的负荷节点；电流控制光伏发电可当做PI节点，在迭代过程中，通过下式转换为PQ节点。

燃料电池、电压控制双馈风力发电机和电压控制光伏发电当作PV节点，其最大无功出力受变流器容量限制。

其中：Smax为变换器的最大容量；P为DG发出的有功功率。

多台PV接入多馈线复杂结构的配电网如图2所示，设PV节点的灵敏度导纳矩阵为：

其中：Y11为在PV1节点接入单位电压源，馈线和除PV1外的PV节点均接地时的短路电流；Y12=Y21为在PV1节点接入单位电压源，PV2节点接地时的负的短路电流值，其他类推。

图2　PV接入多馈线复杂配电网

迭代过程中，根据PV节点电压幅值不匹配量对PV节点无功出力进行修正，忽略电压相角差，得：

由于ΔP为0，故得PV无功出力的修正量为：

其中：ZPV=，BPV=Im（ZPV）为灵敏度电抗矩阵。迭代过程中，如果PV型DG无功越限，则转换为PQ节点，其无功出力为无功上限或下限，同时需要重新计算灵敏度电抗矩阵。

2.2基本Zbus法

Zbus法根据叠加原理，在电源点和负荷节点分别单独作用下的节点电压相加来求取网络节点电压。

（1）电源点单独作用下的节点电压V.'：

（2）负荷节点作用下节点电压：

（3）应用叠加原理，节点电压：

2.3含分布式电源和环网配电网潮流计算流程

（1）读取原始数据，求取全网节点导纳矩阵和PV节点灵敏度电抗矩阵；

（3）计算节点注入电流（PQ、PV和PI节点）作用下节点电压V."。

（4）根据叠加原理得节点电压：V.=V."+V.'。

（5）由式 （5）修正PV节点无功出力QPV=QPV+ ΔQ；校验QPV是否越限。

（7）计算结束，输出结果。

3　闭环运行经济分析

文献［12］构建了配电网线损计算模型，对工程中辐射状配电网不同降损措施的降损潜力进行计算分析，文中着重研究配电网主动闭环运行对降损的影响。

3.1算例1

图3所示为常见的双电源手拉手配电线路，4、5节点之间的支路开关为联络开关，合上联络开关，配电线路闭环运行。系统基准功率和电压分别取10 MV·A 和10 kV。

图3　双电源手拉手配电线路

3.1.1双馈线来自变电站同一母线

表2为开、闭环运行下配电线路潮流计算结果，闭环运行比开环网损减少38.35%，并且提高了最低节点电压。

表2　开环和闭环潮流计算结果

3.1.2双馈线来自不同母线

设馈线1段和馈线2段来自不同母线，馈线2段根节点电压幅值为基准值，相角0度，图4所示为开环和闭环运行下，馈线1段根节点电压幅值和相角变化时的网损三维图。馈线的电压幅值差对闭环运行的网损影响不大，而电压相角差影响较大；在根节点相角差较大时，闭环运行下的网损较大，这是不可行的；2个曲面交叉区域为闭环运行的网损小于开环运行的区域。因此，只要两端的电压幅值和相角差在一定范围内，闭环运行与开环运行相比，具有较好的经济性。若在馈线1根节点后线路上串联UPFC，串联UPFC可以控制电压的相角和幅值，从而可以消除线路循环功率，可使网损最小［ 4 ］，为392.7 kW。

3.1.3分布式电源接入

设在3、5节点分别接入100 kW光伏发电和500 kW风力发电，均以恒功率因数1运行。表3为开、闭环运行下的潮流计算结果，闭环比开环运行减少网损45.76%。

图4　网损三维图

表3　分布式电源接入时开、闭环潮流计算结果

3.2算例2

修改IEEE14节点配电网络如图5所示，系统基准容量为100 MV·A，基准电压为23 kV，网络总负荷为28.7+j17.3 MV·A。虚线所连的支路为联络开关所在支路，当闭合全部联络开关时，配电网闭环运行。

图5　IEEE14节点配电网络

对开环运行IEEE14节点配电网进行以网损最小的网络重构，表4为开环、重构后和闭环下潮流计算结果，重构降低了网损，提高了最低节点电压。与网络重构相比，闭环运行更加经济，能降低网损8.44%，节点电压更加均衡。

表4　开、闭环和重构后潮流计算结果

4　结束语

基于先进的通信和电力电子技术，配电网闭环运行是可行的。提出了适合含分布式电源和环网的配电网潮流计算方法，通过算例分析了双电源手拉手典型配电线路闭环运行的经济区域，2条馈线电压相角差不大时，闭环运行是经济的；IEEE14节点配电网络算例结果表明，与配电网重构相比，闭环运行降低网损和提高电压质量的效果明显。

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何小栋（1989），男，安徽安庆人，硕士，从事电网技术技能培训和配电网自动化研究工作；

程瑶（1991），女，安徽六安人，硕士，从事电费管理和账务相关技术工作。

Economical Analysis of Distribution Network Closed-loop Operation

HE Xiaodong， CHENG Yao
（Anqing Power Supply Company，Anqing 246000，China）

Abstract：With the distributed generation increasingly integrating to the grid， the traditional single feeder radial distribution network becomes unsuitable. Based on the communication and power electronic technology， the feasibility of distribution network closed-loop operation is analyzed. Based on the Z-bus method， the power flow calculation method for the distribution network with distributed generation and rings is proposed. The economy of distribution network closed-loop operation is analyzed. For the hand in hand double feeder distribution network， the voltage phase angle difference has great influence on the loss of closed-loop operated distribution network. When the difference is not too big， closed-loop operation is economic and security. Compared with the reconstruction of distribution network， the closed-loop operation decreases network loss and improves voltage quality more obvious.

Key words：active distribution network； closed-loop operation； z-bus； power flow calculation

中图分类号：TM744

文献标志码：A

文章编号：1009-0665（2016）03-0042-04

作者简介：

收稿日期：2015 -11-18；修回日期：2016-02-19