考虑分布式电源并网的配电网适应性评价方法

李文汗，赵冬梅，王心，于辉

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

考虑分布式电源并网的配电网适应性评价方法

李文汗1，赵冬梅1，王心1，于辉2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

为系统分析分布式电源（DG）多点、高渗透并网给配电网设备带来的影响，量化评估配电网现有设备对分布式电源的接纳能力，本文基于分布式电源并网影响建立了针对配电网设备运行安全性、可靠性、经济性3个方面的设备适应性评价指标体系。参照现行国标规定及专家经验给出评价指标计算方法及评分曲线，并利用层次分析法与主成分分析法相结合的方法为指标赋权，计算得到考虑分布式电源并网的配电网设备适应性综合评价结果。利用本文提出的评价体系和评估方法对我国某地区实际配电网进行评价，对比分析了DG接入前后、DG集中接入以及DG分散接入3种情况下配电网设备的适应情况，并针对评价结果提出配电网设备适应性改造实施方案。算例结果表明，所提评价指标体系和评估方法能够直接量化评估配电网设备对分布式电源的整体适应能力；同时，各分指标评分可准确定位配电网接纳分布式电源设备运行薄弱环节，从而为配电网的建设改造和优化运行提供有力依据。

分布式电源；配电网；设备适应性；评价体系；评估方法；改造策略

在能源危机和环境保护的双重压力下，大量分布式电源的并网运行必将成为未来电网的发展趋势[1-2]，如何在确保电网安全可靠供电的前提下对迅猛发展的分布式电源进行消纳，是智能电网建设中必须面对的重大技术问题。为提高配电网对分布式电源的消纳能力，评估分布式电源并网运行效益，国内外学者进行了大量研究。文献[3]从经济性、可靠性和安全性3个方面建立了分布式电源并网综合指标评价体系并求得分布式电源并网方案的综合评价值。文献[4]同时考虑了电网运行指标和环境经济指标，建立了分布式电源并网对配网影响的评价指标体系。文献[5]针对光伏并网发电站的量测和评估系统，提出光伏电站并网对配电网影响的正负效应评价指标体系及计算方法。文献[6]提出了基于复杂网络理论的分布式电源并网脆弱性评价方法，用于识别分布式电源并网后原供电系统的薄弱环节。

现有研究多从分布式电源角度出发，分析其并网对传统电网的影响情况，其研究成果不能反映传统网络对分布式电源的接纳能力，对配电网设备更新及改造的指导意义不明确。为弥补现有研究的不足，本文从配电网接纳能力角度出发，提出反映配电设备对分布式电源适应能力的评价指标体系及评价方法，并针对评价结果提出配电网接纳分布式电源设备适应性改造方案。

1 配电网设备适应性评价体系的构建

1.1 指标设置原则

本文设备适应性指标的设置从配电网接纳分布式电源的运行安全性、可靠性及经济性出发[7-8]，内容包括配电网线路、断路器、配电变压器、继电保护装置等主要设备，着重反映分布式电源并网前后设备运行差异，同时在保证指标科学有效的基础上，力求计算简单，所需数据量小，且对于安全等级要求不同的配电设备具有较好的适应性。

1.2 设备适应性指标的设置及其计算方法

1.2.1 配电线路适应性评价指标

1）线路平均负载率

线路平均负载率可用于衡量DG并网前后网络功率传输的经济性和可靠性，用Id1表示。

式中：PG为电网电源所发电量；PDG为分布式电源净上网量；IiN和UiN分别为线路i的额定电流和额定电压；NL为配电线路总数。

2）重载线路占比

重载线路占比即负载率超过线路额定容量70%的配电线路占所评价系统配电线路总数的比重，用于衡量DG并网前后线路运行的安全性，用Id2表示。

式中：m1为分布式电源并网后线路负载率超过其额定载流量70%的线路条数；NL为配电线路总数。

3）载荷处在最佳运行区间的线路占比

载荷处在最佳运行区间的线路占比用Id3表示，用于评价DG并网前后配电线路运行的经济性。

式中：m2为DG并网后配电线路负载率处在其最佳运行区间的线路条数。本文认为，线路载荷运行最佳区间为其额定容量的40%～60%；NL为配电线路总数。1.2.2 配电网断路器适应性评价指标

1）开断容量平均裕度

开断容量平均裕度为待评价网络中所有断路器开断容量裕度的平均值，用于衡量DG并网前后配电网断路器的可靠程度，用Id4表示。

式中：Mj为断路器j的开断容量裕度；Ns为配电系统断路器总数。

2）开关合格率

开关合格率是反映DG并网后断路器运行安全状况的重要指标，用Id5表示。

式中：m3为DG并网后网络中仍能正常开断的断路器个数；NS为配电系统断路器总数。

1.2.3 配电变压器适应性评价指标

1）容载比

容载比是指某一供电区域变电设备总容量与对应总负荷的比值，用于评价网络变压器运行的可靠性和经济性，本文中容载比用Id6表示。

式中：PT为DG并网后网络中变电设备总容量；PL为所评价网络的负荷总量。

2）重载变压器占比

重载变压器占比即负载率超过变压器额定容量80%的变压器占所评价区域内所有变压器的比重，用于评价DG并网前后配电变压器的运行安全

性，用Id7表示。

式中：m4为变压器负载率超过其额定容量80%的变压器台数；NT为配电系统变压器总台数。

3）载荷处在最佳运行区间的变压器占比

载荷处在最佳运行区间的变压器占比用Id8表示，是反映DG并网后变压器运行经济性的重要指标。

式中：m5为DG并网后载荷处在其最佳运行区间的变压器台数；NT为配电系统变压器总台数。本文认为变压器负载率为其额定容量的50%～70%时运行状况最佳。

1.2.4 配电网继电保护装置适应性评价指标

目前城市中低压配电网继电保护装置多采用三段式电流保护[9]，故本文仅针对配电网三段式电流保护对分布式电源的适应情况进行分析，评价指标设置如下：

1）故障情况保护误动率

故障情况保护误动率用Id9表示，该指标针对三段式电流保护的Ⅰ段保护及Ⅱ段保护设置，用于评价网络发生故障时保护装置的工作状况。

式中：m6为DG并网后配电网故障情况下继电保护误动个数；NP为配电系统保护装置安装总数。

2）保护灵敏度校验合格率

DG并网点下游短路时，将导致流过其上游保护的短路电流减小，保护灵敏度下降，因此需对DG并网点上游保护的灵敏系数进行校验。保护灵敏度校验合格率用Id10表示。

式中：m7为分布式电源并网后能够通过灵敏系数校验的保护总数；NP为配电系统保护装置安装总数。

3）正常运行时的保护误动率

DG并网容量较大时可能导致部分线路出现逆向潮流，当DG并网容量大于其下游负荷的2倍时，并网点上游馈线的逆向电流可能超过原线路过电流保护整定值，从而导致保护误动。因此，需对DG并网后系统正常运行情况下线路过电流保护进行校验，正常运行时的保护误动率用Id11表示。

式中：m8为DG并网后配电网正常运行情况下发生误动的保护个数；NP为配电系统保护装置安装总数。

需要指出的是，本文所提配电网设备适应性指标不仅能够反映配电设备在DG并网前后的运行差异，同时还能够体现DG并网后配电网络运行的薄弱环节，为提高配电网接纳能力的设备升级改造提供依据。

1.3 设备适应性评价指标体系的建立

综合前文所述，根据层次分析法[10]建立配电网设备适应性评价指标体系如图1所示。该评价体系共分为3层，第1层为决策目标层，是该评价体系及评价过程的最终目的，其值能够反映某一配电网络设备的整体适应情况；第2层为准则层，其计算结果能够反映分布式电源并网后配电网某一方面的运行特性；第3层为因素层，该层指标计算值可直观反映DG并网后各配电设备的运行状况，并作为配电设备更新改造的直接依据。

图1 配电网设备适应性评价层次体系Fig.1 Evaluation system of the adaptability of the distribution equipment

2 配电网设备适应性评价方法及流程

2.1 评分曲线

由于上述评价指标计算值具有不同的量纲，无法直接加权求取综合评价，因此本文根据相关国标规定[11]结合专家经验制定配电网设备适应性评价指标评分曲线如表1所示。

2.2 综合评价方法

为计算配电设备适应性综合评价结果，需对各指标评分进行加权求和，即：

式中：m为指标总数；Ii为第i个指标的评分结果；ωi为第i个指标权重，它满足：

由式（13）可知，指标权重的确定对评价结果的影响至关重要。为综合考虑专家经验及客观数据对指标权重的影响，本文采用层次分析法和主成分分析法[12]相结合的方法确定权重，即利用层次分析法和主成分分析法分别确定各指标权重，再依据式（14）将两者结合得到指标综合权重。

式中：ω为综合权重向量；ωAHP、ωPCA分别为层次分析法和主成分分析法确定的权重向量。

层次分析法根据下层指标相对于上层指标的重要程度利用九级标度法[13]构造判断矩阵，求取判断矩阵最大特征值对应的特征向量并将其归一化，即得到下层指标相对于上层指标权重向量，也称为层次单排序权重向量。

为计算底层指标相对于目标层的权重向量，还需对各层指标进行层次总排序。设k-1层相对于总目标的排序权重向量为ak-1，以第k-1层第j个因素作为比较准则时，第k层各因素的相对重要性标度为bj，

令Bk=（b，b，…，b），q为第k-1层所含因素个数，Bk为p行q列矩阵。第k层各因素相对于总目标的排序权重向量为

以此类推，即可由第2层指标相对于总目标的权重向量（第2层指标的单排序权重向量即为其总排序权重向量）求得最底层指标相对于总目标的权重向量，也即为层次分析法确定的指标权重向量。

主成分分析法确定指标权重主要依赖于样本数据[14-15]：设指标个数为m，需要采集的样品个数为n（主成分分析法计算要求n＞m），利用采集样本数据构造规模为n*m的样本矩阵，并由式（17）求取矩阵中每列元素的方差贡献率sj，即为该列样本对应指标的权重值。

式中：xij为样本矩阵第i行第j列元素；x¯j为样本矩阵第j列元素平均值。

2.3 评价流程

综合以上分析，总结本文所提评价方法的操作流程如下：

1）建立配电网接纳分布式电源设备适应性评价指标层次体系。

2）采样并计算分布式电源并网前后配电网设备适应性评价指标。

3）利用评分曲线，对指标计算值进行评分，对于多次采样得到的计算值可取平均值进行评分。

4）利用层次分析法和主成分分析法分别确定指标权重向量，并结合两者得到指标综合权重。

5）利用指标综合权重对指标评分结果进行加权求和，得到配电网设备适应性综合评价结果并根据表2评价配电设备适应能力的优劣。

表2 配电网接纳分布式电源网架适应性评价结果推荐表Tab.2 Recommendation of the equipment adaptability evaluation

3 算例分析

本文以我国某地区实际配电网为例对所提评价指标体系及方法进行验证，配电网一次接线示意图如图2所示（DG未并网）。该示例配电网为单电源辐射网络，包含110 kV、10 kV、400 V 3个电压等级，网络总负荷50.28 MW，负荷功率因数为0.9，并网分布式电源类型包括双馈风机、光伏电源及小型发电机，并网电压等级为10 kV和400 V，单个分布式电源容量不超过1 MW，均采用恒功率因数控制方式，功率因数为0.98（滞后）。为适度超前地考虑配电网设备改造策略，结合地区分布式电源发展情况，本文算例仿真将分布式电源并网总量控制为12.5 MW，且保持额定出力运行。

图2 配电网一次接线示意图Fig.2 The diagram of primary w iring of the distribution network

在DIgSILENT15.1环境下仿真计算分布式电源未接入、分布式电源集中接入和分布式电源分散接入3种情况下配电网设备适应性评价指标并根据评分曲线对指标计算值进行评分，计算结果及评分如表3所示。

表3 配电网设备适应性评价指标计算值及评分Tab.3 The values and ratings of the indexes of the equipment adaptability evaluation

利用层次分析法和主成分分析法分别确定指标权重，并根据式（14）求取指标综合权重，得到配电网设备适应性评价指标综合权重如表4所示。

表4 配电网设备适应性评价指标权重Tab.4 The weights of the indexes of the equipment adaptability evaluation

利用指标综合权重将表3所示指标评分加权求和，即可得到分布式电源未接入、分布式电源集中接入和分布式电源分散接入3种情况下配电网设备适应性综合评分，根据评价等级推荐表得到评价结果如表5所示。

表5 配电网设备适应性综合评价指标结果Tab.5 Evaluation results of the equipment adaptability

由表3所示的计算结果可以看出，分布式电源的接入能够优化个别设备运行指标，如重载线路占比、变压器容载比及最佳载荷运行的变压器占比等，这是由于负荷对分布式电源的就地消纳使得线路和变压器中流过的功率减少，但随着接入分布式电源并网容量的增加，这种优化趋势可能发生改变。

同时，分布式电源的接入会导致大部分设备运行指标严重恶化，尤其是对开关设备和继电保护装置的影响极为严重，因此在配电网设备改造过程中应尤其对开断设备及保护装置的改造予以关注。

分布式电源接入方式不同时，配电设备的适应能力也有较大差别。同一配网、相同容量分布式电源分散接入电网时，各分指标计算值及设备适应性综合评价结果都明显优于分布式电源集中接入的情况。因此，在并网条件允许的情况下，分布式电源应优先采用分散方式接入以提高渗透能力；但考虑接入条件的最恶劣情况，同时为配电网的接纳能力留有裕度，配电网改造应选择分布式电源集中接入情况下的计算数据作为改造依据。

4 配电网设备适应性改造策略

针对配电网设备适应性评价结果，本文从配电网对分布式电源的稳定消纳及经济消纳2方面入手，以分布式电源集中接入情况下配电设备的适应能力为依据提出配电网设备改造实施方案如下文。4.1 配电线路改造

当分布式电源接入容量大于并网点下游负荷的2倍时，其并网点上游馈线负载率增加，可能导致配电线路重载甚至过载运行，此时需要更换线径较大的配电线路以保证系统的安全运行。

线路线径选取的依据是结合分布式电源发电量与线路所带负荷的差值，以满足最大电流为依据，同时利用经济电流密度对线径进行校核。最大负荷电流的计算方法为

式中：Imax为流过线路的最大电流；Pload为线路原有负荷有功功率；PDG为分布式电源所发有功功率，通常按照装机容量考虑；U为分布式电源的接入电压等级；cosφ为系统功率因数。

设原有线路额定电流为In，当Imax≤In时，无需更换线路，反之则需要更换线路使之满足分布式电源接入后的最大电流需求。

4.2 开断设备改造

分布式电源的接入会导致短路点电流的增加，降低断路器开断裕度，严重时甚至造成断路器不能正常开断。

以前文算例为例，由表3中的计算数据可以看出，分布式电源并网后配电网断路器的平均开断容量裕度（Id4）大幅下降，同时出现个别断路器不能正常开断的情况（Id5）。因此需对分布式电源并网后各断路器安装处可能出现的最大短路电流重新进行校验，并更换不满足运行要求的断路器。

4.3 保护装置改造

由表3中计算数据可以看出，分布式电源并网后，原网络电流保护装置出现以下不正常运行状况：部分电流保护在配电网故障情况下发生误动（Id9）、部分电流保护灵敏度校验不合格（Id10）、部分保护在系统正常运行情况下发生误动（Id11）。

针对上述问题提出保护装置改造措施：DG并网点下游故障时，对其并网点上游保护进行灵敏度校验，对不能满足要求的保护重新整定，对重新整定后速断保护范围严重缩短的保护加装电压电流联锁速断保护[16]；DG并网点上游或相邻线路故障时，为避免并网点上游保护误动，需采取措施限制分布式电源向短路点反送电流，必要时考虑为保护加装方向元件；针对系统正常运行情况下可能发生误动的保护，可依据DG并网后线路的过负荷电流对保护动作值进行重新整定。

5 结论

为量化评估现状配电网对分布式电源的接纳能力，本文基于分布式电源并网对配电网的运行影响，从配电网运行安全性、可靠性、经济性3方面入手，提出了分布式电源并网后可反映配电网相关线路、开关、变压器、继电保护等设备运行状况的设备适应性评价指标体系，并给出相应的评价方法及流程。应用所提方法对某地区实际电网进行评价，并依据所得评价结果有针对性地提出配电网设备适应性改造方案。分析结果表明本文所提评价指标体系可直接反映配电网现状设备对不同接入方式的分布式电源的消纳能力，且各分指标计算结果能够反映配电网现状设备运行的薄弱环节，并为配电网设备更新改造和优化运行提供有力依据。

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（编辑 徐花荣）

Adaptability Evaluation for the Distribution Equipment Considering Distributed Generations

LIWenhan1，ZHAO Dongmei1，WANG Xin1，YU Hui2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

To obtain a comprehensive analysis of the impact caused by the distributed generations（DG）on the operation of distribution network equipment and assess the capacity of distribution network to accept distributed generations，this paper establishes an adaptability evaluation system for the distribution equipment to accept DG based on the DG operating characteristics and influence.The calculation method and scoring curve of adaptability indexes are given according to the current national standard and expertise，and the weights of the evaluation indicators are determined by combination of the Analytic Hierarchy Process（AHP）with Principal Component Analysis（PCA），and the comprehensive evaluation result of the adaptability of the distribution equipment considering the DG integration is obtained by calculation.The proposed method is used to evaluate an actual distribution network for three caseswhen the DG is integrated，centralized and decentralizedrespectively.On the basis of the evaluation results，the paper proposes the implementation plan for the adaptive transformation of distribution network equipment.The simulation results show that the proposed evaluation index system and evaluation method can quantitatively assess the whole adaptability of the distribution equipment to the DG，and also each sub-index score can accurately locate the weak points of the equipment accepting the DG，so as to provide a strong basis for the construction and innovation and optimized operation of the distribution network.

distributed power；distribution network；equipment adaptability；evaluation system；evaluation method；transformation strategy

2015-10-15。

李文汗（1992—），女，硕士研究生，从事新能源并网技术研究；

赵冬梅（1965—），女，教授，博士生导师，从事电力系统故障诊断、分布式电源并网技术等研究；

王 心（1991—），女，硕士研究生，从事新能源并网技术研究；

于 辉（1978—），女，硕士，工程师，从事微电网及分布式电源并网技术、配电网运行分析等方面的研究。

北京市产学研联合培养研究生基地项目资助。

Project Supported by Graduate Funding Base Project Jointly by Enterprise，University and Research Institute of Beijing Municipality.

1674-3814（2017）02-0117-07

TM727

A