柔性环网控制装置选址定容方法

张伟，崔艳妍，韦涛，刘伟，吴淘，惠飞翔，黄仁乐

(1．中国电力科学研究院，北京市100192;2．国网冀北电力有限公司检修分公司，北京市102488; 3．国网安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽省蚌埠市233000;4．国网北京市电力公司，北京市100031)

柔性环网控制装置选址定容方法

张伟1，崔艳妍1，韦涛1，刘伟1，吴淘2，惠飞翔3，黄仁乐4

(1．中国电力科学研究院，北京市100192;2．国网冀北电力有限公司检修分公司，北京市102488; 3．国网安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽省蚌埠市233000;4．国网北京市电力公司，北京市100031)

柔性环网控制装置的应用能够解决传统配电网无法持续合环运行的问题，是提高供电可靠性的重要手段。为了解决柔性环网控制装置选址定容的N-P难问题，通过对选址定容问题进行解耦，建立了基于“初筛－细筛”模式的选址模型，模型以供电可靠性为中心，同时兼顾供电能力和经济性等方面，并通过熵权理想解法对评估方案进行综合寻优;建立了基于净负荷和馈线容量的定容模型，模型贯彻资产全寿命周期理念，在分析电网不同发展阶段特性的基础上，建立了3种适用于电网不同发展阶段的定容方法，具有很强的适用性。通过对某示范区的分析，可知，该文所建模型具有很好的科学性和工程实用性。

中压配电网;柔性环网控制装置;初筛－细筛;选址定容

0 引言

随着电力电子技术的快速发展，柔性直流技术因其良好的可控性和便于分布式电源接入的特点得到了较大的发展，并已在输电领域得到广泛应用，但在城市配电网领域应用缓慢。目前，全球配电网的发展都面临进一步提高供电可靠性和大规模接纳分布式能源等难题。柔性直流技术为解决这一难题提供了可能，柔性直流技术在海岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术和经济优势［1］。利用柔性直流技术构建的交直流混合配电网可更好地接纳分布式电源和直流负荷，缓解城市电网廊道资源紧张与负荷密度高的矛盾，同时也可以在负荷中心实现动态无功支持，大大提高系统安全稳定水平，并有效改善电能质量，是未来电力系统的发展方向和战略选择［2-3］。

目前我国中压配电网典型网络结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构［4］。城市中压配电网大多采用“闭环设计、开环运行”的方式，不具备潮流调节、负荷均衡和连续负荷转移的能力。为了解决上述问题，国外学者提出了采用基于背靠背直流互联的环网功率控制器，实现闭环运行和潮流控制［5］。针对国内城市配电网进一步提高供电可靠性、供电能力和大规模接纳分布式能源的需求，有必要通过柔性环网控制装置对现有的城市中压配电网进行升级改造，通过在关键节点处安装一定容量的柔性环网控制装置实现配电网闭环运行，同时也可以进行潮流分配和无功补偿，更好地发挥现有配电网的供电能力，提高电网的稳定性。“电网建设，规划先行”，如何确定柔性环网控制装置的安装位置和容量是构建交直流混合配电网的重点，也是本文要解决的问题。

目前，国内外对于柔性直流输配电技术的研究主要集中在输电网方面，对于柔性直流配电技术的研究相对较少且主要集中在对装置特性及装置接入电网前后对电网可靠性、供电能力等关键指标的影响等方面［6-8］，文献中鲜见对柔性环网控制装置选址定容问题的相关报道。本文通过将柔性环网控制装置的选址定容问题进行解耦，即先确定装置的最优接入位置，在确定安装位置的基础上，通过适当的方法确定装置的安装容量，很好地规避了柔性环网控制装置选址定容的N-P难问题，该方法在保持较好科学性的同时具有很好的工程实用性，为柔性环网控制装置的选址定容提供了新思路。

1 柔性环网控制装置选址模型

柔性环网控制装置的选址定容是离散、多目标、非线性的综合优化问题，为解决该N-P难问题，本文将柔性环网控制装置的选址、定容问题进行解耦处理，首先根据配电网络结构及评估模型综合确定柔性环网控制装置的安装位置，在确定安装位置的基础上，根据电网不同的发展阶段，建立了3种柔性环网控制装置端口容量确定方法，以适应不同发展阶段电网的需求。

1.1目标函数

建立了“初筛－细筛”模式的10 kV柔性环网控制装置选址模型。

“初筛”是指基于现有中压配电网开关(分段、联络)位置及用户可靠性需求，考虑不同的安装位置对可靠性的不同提升作用，从中筛选出满足用户可靠性需求阈值的方案。该方法仅通过计算方案的可靠性指标，确定柔性环网控制装置的拟接入位置，因此，经过初筛得到的柔性环网控制装置安装的位置即为满足用户可靠性需求阈值的现有分段、联络开关位置。图1为柔性环网控制装置初筛示意图。

图1 柔性环网控制装置初筛示意图Fig.1 Schematicdiagramofinitialscreeningof flexibleDCloopnetworkcontroller

“细筛”是指通过确定详细的评估指标，对初筛方案进行一个详细的综合排序和评估，确定最终的选址方案。建立的目标函数如下:

式中:Gp表示细筛方案p的最终得分;ωi为指标i的权重;Fp－i为细筛方案p中指标i的得分。本文拟通过熵权法求解各指标权重(ωi)，通过理想解法对各细筛方案进行综合评估，得到各方案最终得分(Gp)。

细筛指标主要包括可靠性、供电能力、“N－1”通过率、网损率、主变负载均衡度等5个指标，如图2所示，下面分别予以介绍。

图2 柔性环网控制装置细筛指标体系Fig.2 Finescreeningindexsystemofflexible DCloopnetworkcontroller

(1)可靠性(Fp－1):柔性环网控制装置接入不同的位置，对电网可靠性提升作用不同，本指标用以评估10 kV柔性环网控制装置接入电网后，对电网可靠性指标提升的作用，主要通过供电可靠率指标进行衡量。考虑现有可靠性评估方法不再适用于柔性环网控制装置接入后的交直流混合配电网，文献［9］提出环辐网解耦算法，将电网分解为环网和辐射网，通过辐射网评估结果对环网进行注入功率修正，完成环网评估，得到系统可靠性指标;在此基础上，建立柔性环网控制装置的可靠性模型，最终构建适用于交直流混合配电网的可靠性评估方法。可靠性指标的具体计算方法可参考文献［9］。

(2)最大供电能力(total supply capacity，TSC) (Fp－2):配电网供电能力定义为所有馈线“N－1”校验和变电站主变“N－1”校验均满足时，该配电网所能带的最大负荷。“N－1”校验时要考虑主变间和馈线间的负荷转带、主变间以及馈线间的联络关系、主变和馈线的容量、主变过载系数等配电网实际运行约束。

(3)“N－1”通过率(Fp－3):柔性环网控制装置接入电网后，可以增加负荷的转带路径，该指标用以评估柔性环网控制装置接入后，对电网“N－1”通过率的影响。

(4)网损率(Fp－4):柔性环网控制装置接入后，能够使馈线潮流均匀分布，降低网损、改善电压，该指标用以评估柔性环网控制装置接入后，对电网网损率的影响。

最大供电能力、“N－1”通过率、网损率指标可通过国家高技术研究发展计划项目(863计划)“交直流混合配电网关键技术”开发的“交直流混合配电网规划软件”对各方案进行计算，进而得到各指标值。各指标求解原理参见文献［10］。

(5)主变负载均衡度(Fp－5):该指标用以衡量柔性环网控制装置接入后，主变的负载均衡程度，一般认为，主变负载越均衡，其潮流分布越均匀，网损率越低，电压质量越好。其指标计算方法如下:

1.2熵权理想解法

熵权理想解法是解决有限方案多目标决策问题的有效方法，是系统工程中对多方案多目标综合评价分析中常用的一种综合评价技术［11］。在电力行业中，该方法已有不少的应用案例，主要包括变电站和火电厂选址、输电网建设规划综合评价等方面［12-15］。此外，熵权理想解法在其他领域也有着较为成熟的应用［16-17］，此处对关键计算步骤进行梳理，计算细节及计算公式不予赘述。

熵权理想解法由熵权法和理想解法组成，其中熵权法用于确定各指标权重;在确定各指标权重的基础上，由理想解法对各待选方案进行综合评估，进而选出最优方案，其主要计算步骤如下:

(1)针对具体问题，确定评估指标体系，如图2所示;

(2)在步骤(1)的基础上，确定各评估方案及其指标值，形成原始评价矩阵;

(3)在步骤(2)的基础上，为消除原始评价矩阵中各指标量纲不同带来的影响，需要对原始评价矩阵进行归一化处理，得到标准化矩阵Ri×j，进而求得各指标的权重ωi;

(4)在步骤(3)基础上，将权重(ωi)作用于标准化矩阵(Ri×j)，得到加权标准化矩阵Yi×j;

(5)在步骤(4)的基础上，可确定各指标的正负理想解，进而确定各方案距离正负理想解的欧式距离(Di+，Di－);

(6)在步骤(5)的基础上，计算各方案的相对贴近度Ci，并根据Ci的大小对各方案进行排序，最后作出决策。

2 柔性环网控制装置定容方法

10 kV柔性环网控制装置容量的确定，应在满足现状电网负荷需求的基础上，充分考虑区域负荷增长潜力和长远用电需求，贯彻资产全寿命周期理念，端口容量尽量一次选定，避免频繁拆建和资源浪费。本文依据地区电网不同的发展趋势，建立了3种柔性环网控制装置端口容量的确定方法，分别适用于电网发展初期、缓慢增长期及饱和期。模型涉及多个专业术语，首先予以介绍。

(1)馈线净负荷:馈线上的总负荷减去馈线上分布式能源的总出力。

(2)馈线段容量:某馈线段的额定容量。

(3)馈线段剩余容量:某馈线段的额定容量减去馈线上的现有负荷，该指标反映馈线的容量裕度。

(4)馈线容量:设某馈线含N条馈线段，则馈线容量取该N条馈线段容量的最大值，该指标反映馈线在远景年消除电网卡脖子后的最大额定输送能力。

(5)馈线剩余容量:设某馈线含N条馈线段，则馈线剩余容量取该N条馈线段剩余容量的最小值，该指标反映馈线的容量裕度。

(6)直连馈线段:拓扑上与柔性环网控制装置端口直接连接的馈线段。

(7)直连馈线:包含直连馈线段的馈线，定义为该端口的直连馈线。

(8)互联馈线:设M端柔性环网控制装置与M条馈线相连，其中一条馈线与端口P直接连接，则其余M－1条馈线定义为端口P的互联馈线。

本文建立了基于净负荷和馈线(馈线段)容量的定容方法，根据不同的应用场景，分为3种定容方案。

2.1定容方案及应用场景1

2．1．1 定容方案1

基于现状净负荷来综合确定柔性环网控制装置各端口容量，即考虑柔性环网控制装置容量仅满足现状净负荷转供需求。

该定容方法主要考虑端口容量满足现状电网净负荷转供需求，分别求解出各端口容量的流入需求及流出需求，通过式(3)，最终求解出端口的容量。

式中:Sport为端口最终容量;Sin_max为端口最大流入需求;Sd_re为端口直连馈线剩余容量约束;Sout_max为端口最大流出需求;Si_re为端口互联馈线剩余容量约束。

为了确定端口的最终容量，首先需要求解4个关键指标，如图3所示，以柔性环网控制装置的端口1为例，对4个指标分别予以解释。

图3 基于现状净负荷的定容方法Fig.3 Sizingmethodbasedonpayload

端口最大流入需求:端口最大流入需求发生在馈线F2、F3出口断路器断开，由馈线F1通过端口1进行转供的情况下，因此，端口1的最大流入需求为馈线F2、F3的负荷之和，即L2+L3。

直连馈线剩余容量约束:由于流入端口1的功率是通过馈线F1提供的，因此，端口1在发生最大流入需求时，其实际能提供的功率受馈线F1的剩余容量约束，即S1。

在求得端口最大流入需求及端口直连馈线剩余容量约束之后，取其两者较小值即为端口的流入需求。

端口最大流出需求:端口最大流出需求发生在馈线F1出口断路器断开，由馈线F2、F3通过端口1进行转供的情况下，因此，端口1的最大流出需求为馈线F1的负荷，即L1。

互联馈线剩余容量约束:由于流出端口1的功率是通过馈线F2、F3提供的，因此，端口1在发生最大流出需求时，其实际能提供的功率受馈线F2、F3的剩余容量约束，即S2+S3。

在求得端口最大流出需求及端口互连馈线剩余容量约束之后，取其两者较小值即为端口的流出需求。

在求得端口流入需求及端口流出需求之后，取其较大值为端口的最终容量。

2．1．2 应用场景1

电网发展已处于饱和期，地区负荷几乎不再增长，至规划目标年，柔性环网控制装置仅需满足现状电网净负荷转供需求。

2.2定容方案及应用场景2

2．2．1 定容方案2

基于柔性环网控制装置直连馈线段容量来确定装置各端口容量，即仅考虑柔性环网控制装置满足现状电网可能的最大转供需求，不考虑远景年对电网线路的增容改造。

该定容方法考虑柔性环网控制装置各端口的流入、流出功率都是通过与其直接连接的馈线段提供，因此，各端口容量不应大于与其直连馈线段的额定容量。因此，通过该定容方法确定的各端口容量为各端口直连馈线段的额定容量。

如图4所示，与柔性环网控制装置端口1、2、3直接连接的馈线段分别为馈线段F1-2、F2-2、F3-2，则通过该方法确定的柔性环网控制装置各端口容量分别为馈线段F1-2、F2-2、F3-2的额定容量。

图4 基于直连馈线段的定容方法Fig.4 Sizingmethodbasedondirectfeedline

2．2．2 应用场景2

该定容方法比较简单，不用经过复杂的计算，确定的端口容量除了满足现状负荷需求外，还留有一定的容量裕度。对于地区负荷增长较慢(缓慢增长期)且现状电网馈线段剩余容量较大的情况，可采用该定容方法。

2.3定容方案及应用场景3

2．3．1 定容方案3

基于柔性环网控制装置直连馈线容量来确定装置各端口容量。

考虑规划目标年，为了消除电网的“卡脖子”现象对电网的“卡脖子”馈线段进行增容，柔性环网控制装置能满足升级改造后电网的转供需求，不成为电网新的“卡脖子”点。因此，通过该方法确定的各端口容量即为与各端口直连的馈线容量。

2．3．2 应用场景3

该定容方法与基于直连馈线段的定容方法类似，仅需通过简单的计算便可确定各端口容量，确定的端口容量除了满足现状负荷外，还考虑了远景年电网的增容。对于地区负荷增长较快的情况，可采用该定容方法。

3 柔性环网控制装置选址定容流程

柔性环网控制装置的选址定容流程如下:

(1)根据电网拓扑结构(分段、联络开关)确定10 kV柔性环网控制装置的拟接入位置;

(2)分别计算拟接入位置的供电可靠率，从中筛选出满足用户可靠性需求的接入方案作为初筛方案;

(3)分别计算各初筛方案的TSC、“N－1”通过率、网损率等指标，形成方案的原始评价矩阵，并通过熵权法计算各指标权重，结合标准化评价矩阵，通过理想解法对各方案进行综合评估，完成对初筛方案的细筛，得出最优接入位置;

(4)分析电网所处的发展阶段(快速增长期、缓慢增长期、饱和期)，结合规划目标年电网建设情况及负荷需求，选择相应的定容方法;

(5)根据各端口所连馈线(馈线段)容量和馈线净负荷，综合确定各端口容量;

(6)根据实际应用需求，最终确定柔性环网控制装置各端口取相同容量或不同容量。

4 算例分析

4.1边界条件

以某10 kV示范工程为依据，建立了与其对应的三端算例，如图5所示，该示范工程由两站四线组成，各馈线段额定容量、负荷等计算所需参数已标示图上。

图5 三端示范工程算例Fig.5 Three-terminalsexampleofdemonstrationproject

4.2柔性环网控制装置选址

根据柔性环网控制装置选址的初筛方法，经过初筛，可以得到6个待选方案(均满足用户可靠性需求(99.996 0%)，分别计算6个待选方案的可靠性、供电能力、“N－1”通过率等细筛指标，对待选方案进行综合评估和排序，各方案细筛指标值如表1所示。

表1 各方案指标Table1 Indexesofeachscheme

在得到方案的原始评判矩阵之后，通过熵权法求得各指标基于初筛方案的权重，各指标权重如表2所示。

表2 各指标权重Table2 Weightofeachindex

由于可靠性指标在各方案中相对差异最大，因此其权重最大，为0.278 3，表示可靠性指标在该次细筛评估中是最重要的指标，其次是供电能力和“N－1”通过率。

在求得各指标权重之后，结合标准化评价矩阵，通过理想解法对各方案进行综合评估，评估结果如表3所示。

表3 各方案综合评估结果Table3 Comprehensiveevaluationresultsofeachscheme

4.3柔性环网控制装置定容

定容方案1:基于现状净负荷的定容方案。馈线1现状净负荷为 5.0 MW，馈线 2现状净负荷为2.9 MW，馈线3现状净负荷为4.1 MW。结合馈线容量及负荷，计算可得基于定容方案1的柔性环网控制装置各端口容量，如表4所示。最终各端口容量可以取不同容量或者取相同容量(5 MV·A)。

表4 基于现状净负荷的装置定容方案Table4 Devicecapacitymethodbasedonpayload

定容方案2:基于直连馈线段容量的定容方案。端口1、2、3直连的馈线段额定容量分为5，6，6 MV·A，各端口最大转供能力受直连馈线段容量约束，因此，通过定容方案2得到的柔性环网控制装置各端口容量分别为5，6，6 MV·A。

定容方案3:基于直连馈线容量的定容方案。端口1、2、3直连的馈线容量分为7，7，8 MV·A，各端口最大转供能力受直连馈线容量约束，因此，通过定容方案3得到的柔性环网控制装置各端口容量分别为7，7，8 MV·A。

5 结论

10 kV柔性环网控制装置的应用主要是用来解决传统配电网中无法持续合环运行的问题，配合分布式自动化等技术，可实现故障/检修区段的快速隔离，减小非故障/检修区段的短时供电中断，提高供电可靠性。本文对10 kV柔性环网控制装置的选址定容问题进行深入研究，建立了具有较强可操作性的柔性环网控制装置选址模型和定容模型。

(1)建立了“初筛－细筛”模式的10 kV柔性环网控制装置选址模型，模型以提高供电可靠性为中心，同时兼顾供电能力和“N－1”通过率，并通过线损率和主变负载均衡度体现方案的经济性，从本质上实现柔性环网控制装置应用效益的最大化。

(2)建立了基于净负荷和馈线(馈线段)容量的10 kV柔性环网控制装置定容模型，模型贯彻资产全寿命周期理念，适用于不同发展阶段电网的定容。

模型已应用于国家高技术研究发展计划项目(863)计划“交直流混合配电网关键技术”的示范工程中，为10 kV柔性环网控制装置的选址定容提供了理论支撑。

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(编辑 张小飞)

Locating and Sizing Method of Flexible DC Loop Network Controller

ZHANG Wei1，CUI Yanyan1，WEI Tao1，LIU Wei1，WU Tao2，HUI Feixiang3，HUANG Renle4

(1．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 2．State Grid Jibei Electric Power Co．，Ltd．，Maintence Branch，Beijing 102488，China; 3．State Grid Bengbu Power Supply Company，Bengbu 233000，Anhui Province，China; 4．Beijing Electric Power Corporation，Beijing 100031，China)

The application of the flexible DC loop network controller can be used to solve the problems that the tradition distribution network can't continue to run under the looped operation and improve the reliability of power supply．This paper establishes the location model based on the‘primary screen-fine screen’mode by means of decoupling the locating and sizing issues in order to solve the locating and sizing NP-hard problems of the flexible DC loop network controller．The model is central with power supply reliability with taking into account of the supply capacity and economic and realizes comprehensive optimization for assessment program through entropy and ideal point analysis manner．Then，this paper establishes the sizing model based on net load and feeder capacity，which carries out the life cycle management of assets concept．And three kinds of applicable sizing methods applied in different stages of development grid are studied based on the analysis of different stages of development characteristics of the grid，which has strong applicability．The scientific and engineering practicality of this model is showed through the analysis of a demonstration area．

MV distribution network;flexible DC loop network controller;primary screen-fine screen;locating and sizing

TM 712

A

1000－7229(201`7)03－0048－07

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.007

2016-09-28

张伟(1988)，男，硕士，工程师，主要从事配电网优化规划技术、分布式能源接入等方面的研究工作;

崔艳妍(1983)，女，硕士，高级工程师，长期从事配电网规划、评估等相关工作;

韦涛(1976)，男，硕士，高级工程师，长期从事配电网规划计算分析、主动配电网规划与分析等研究和管理工作;

刘伟(1975)，男，博士，高级工程师，长期从事配电网规划、配电网可靠性分析等研究和管理工作;

吴淘(1988)，男，硕士，工程师，主要从事特高压站运维管理等方面的研究工作;

惠飞翔(1990)，男，硕士，助理工程师，主要从事配电网规划技术、高压电气试验等方面的研究工作;

黄仁乐(1963)，男，硕士，教授级高级工程师，长期从事电力系统自动化和电网技术的研究和管理工作。

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2015AA050102)

Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2015AA050102)