李偉倫，桂淑華，孫志剛，衛(wèi)志農(nóng)

（1.南通供電公司，江蘇南通226006；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

隨著分布式電源接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃面臨著重大的挑戰(zhàn)。分布式電源（DG）是指發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式分布在用戶端，可以獨(dú)立地輸出電能的系統(tǒng)。分布式發(fā)電設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)、微型汽輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，具有投資小、損耗低、系統(tǒng)可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，同時(shí)，在減輕環(huán)境污染降低網(wǎng)絡(luò)損耗等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。分布式電源并入電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、線路潮流、短路電流、網(wǎng)絡(luò)可靠性等都會(huì)帶來影響，其影響程度與分布式電源的位置和容量有關(guān)[2-5]。因此，合理有效地選擇分布式電源的位置和容量十分重要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)分布式電源的選址和定容問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]在分布式電源個(gè)數(shù)、位置和容量都不確定的情況下，采用遺傳算法對(duì)分布式電源的位置和容量進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[7，8]從供電公司角度，給出了在市場(chǎng)條件下DG的規(guī)劃模型，并采用啟發(fā)式方法求解。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用支路交換法和模擬退火算法進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展規(guī)劃，同時(shí)采用遺傳算法優(yōu)化DG的位置和容量。文獻(xiàn)[10]研究了在不同負(fù)荷水平下計(jì)及配電網(wǎng)DG優(yōu)化配置問題，并考慮到DG對(duì)配電網(wǎng)潮流和線路負(fù)載能力的影響。本文針對(duì)DG接入配電網(wǎng)規(guī)劃問題，建立配電網(wǎng)綜合節(jié)能的優(yōu)化模型，從供電公司的角度，以年費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)供電能力綜合量化評(píng)估，引入?yún)f(xié)調(diào)系數(shù)的概念，借助協(xié)調(diào)系數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1計(jì)及DG的配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

配電網(wǎng)規(guī)劃是指在電網(wǎng)現(xiàn)狀分析及未來負(fù)荷分布預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，在滿足未來用戶容量和電能質(zhì)量的情況下，確定若干年后合理的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文分別以年費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，具體目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：

式（1—3）中：F1為投資年費(fèi)用，包括配電網(wǎng)線路和DG年費(fèi)用；F2為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗；N1為新建線路數(shù)；nDG為接入配電網(wǎng)的DG數(shù)目；α和β分別為線路和DG投資年費(fèi)用系數(shù)；Cli和CDGj分別為新建第i條線路和第j個(gè)DG機(jī)組的投資費(fèi)用；CDG為DG運(yùn)行成本；cb為單位購電價(jià)格；PDGj為第j個(gè)DG機(jī)組的額定容量；T0為DG向配電網(wǎng)供電的年最大運(yùn)行時(shí)間；Ploss為網(wǎng)絡(luò)損耗，與分布式電源的位置和容量有關(guān)。

結(jié)合電力系統(tǒng)的要求和配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的特點(diǎn)，提出如下約束。

（1）配電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下呈輻射狀結(jié)構(gòu)。

（2）線路電壓 Uimin≤ Ui≤ Uimax(i=1，2，……，n)，n為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

（3）容量約束： ① 對(duì)線路， Ii≤ Iimax(i=1，2，……，N)，N為線路總數(shù)，Ii和Iimax分別為第i條支路的電流和允許通過電流的上限。②對(duì)DG，由于本文規(guī)劃不考慮功率的逆向流動(dòng)，DG出力受DG機(jī)組最大容量的限制，同時(shí)認(rèn)為安裝在負(fù)荷中心的DG只對(duì)該節(jié)點(diǎn)負(fù)荷供電，所以 PDGj≤Pj；∑PDGj≤Pmax；PDGj和Pj分別為第j個(gè)DG機(jī)組的裝機(jī)容量和節(jié)點(diǎn)負(fù)荷；Pmax為系統(tǒng)允許接入DG的最大容量。

2協(xié)調(diào)模型的提出

由于并入配電網(wǎng)的DG的位置和容量對(duì)配電網(wǎng)有很大影響。因此，為了降低DG的無序建設(shè)對(duì)配電網(wǎng)帶來的安全以及穩(wěn)定的影響，本文引入?yún)f(xié)調(diào)系數(shù)的概念，通過價(jià)格杠桿來指導(dǎo)DG布局，反映當(dāng)前規(guī)劃方案中考慮DG數(shù)量和位置對(duì)系統(tǒng)造成的影響，新的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Tmax為年發(fā)電小時(shí)數(shù)；w1為單位損耗費(fèi)用；D*是協(xié)調(diào)系數(shù)，反映的是當(dāng)前方案中DG分布情況對(duì)系統(tǒng)造成影響的大小，DG大量并網(wǎng)運(yùn)行，增加了配電網(wǎng)規(guī)劃的不確定性，協(xié)調(diào)系數(shù)的引入起到降低投資風(fēng)險(xiǎn)，協(xié)調(diào)配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與DG合理布點(diǎn)的作用。

2.1 協(xié)調(diào)系數(shù)D＊的計(jì)算

協(xié)調(diào)系數(shù)反映的是當(dāng)前規(guī)劃方案中DG出現(xiàn)的數(shù)量和容量對(duì)系統(tǒng)造成的影響。由于目前DG的安裝成本相對(duì)較高，DG的布點(diǎn)和容量都是不確定的，因此DG的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響具有很大的不確定性。文獻(xiàn)[11]基于粗集理論的權(quán)重確定方法，建立一種計(jì)及網(wǎng)損、電壓、短路電流等多種指標(biāo)的DG接入容量和位置的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)，但是該方法有很大的主觀性，過程過于復(fù)雜，不適合大規(guī)模評(píng)價(jià)。本文采用模糊理論對(duì)綜合協(xié)調(diào)系數(shù)進(jìn)行求解。首先通過建立配電網(wǎng)評(píng)估的指標(biāo)體系，對(duì)每個(gè)指標(biāo)確定隸屬度函數(shù)，對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行量化，可以很好地處理評(píng)價(jià)屬性的不確定性，從而最終得到全網(wǎng)的協(xié)調(diào)系數(shù)。其評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文選取DG接入對(duì)配網(wǎng)造成較大影響的3類指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其典型隸屬度函數(shù)表示如下。

（1）線路負(fù)載率隸屬度函數(shù)。梯形分布的隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

根據(jù)各條線路的負(fù)載率情況對(duì)線路進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)工程上的應(yīng)用，規(guī)定線路負(fù)載率一般在40%～60%，取負(fù)載率的下限為0，上限為120%。

（2）電壓偏差隸屬度函數(shù)。定義電壓偏差隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

由于和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，部分節(jié)點(diǎn)可能接有DG，統(tǒng)計(jì)各條線路的電壓偏差x%，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定，供電電壓的正負(fù)偏差的絕對(duì)值不超過標(biāo)稱電壓的10%，本文取電壓偏差絕對(duì)值上限為7%。

（3）線路網(wǎng)損率隸屬度函數(shù)為：

統(tǒng)計(jì)各條線路的線損率x%，架空線路的線損在3%以下，本文取10%為上限。

本文局部權(quán)重的設(shè)定主要參考專家的建議，然后通過歸一化得到最終權(quán)重。本文采用圖1所示的評(píng)價(jià)體系，主要選取了接入DG會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響的指標(biāo)，利用權(quán)重因子和各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的供電能力進(jìn)行綜合評(píng)估，得到一個(gè)量化結(jié)果：

式中：ωi為評(píng)價(jià)屬性歸一化的權(quán)重因子組，本文選定各因素對(duì)供電能力影響權(quán)重為：ω=（ω1，ω2，ω3）=（0.4，0.3，0.3）；Pi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均隸屬度值；得到評(píng)估結(jié)果，在b1程度上供電能力表現(xiàn)良好，在b2程度上供電能力表現(xiàn)一般，在b3程度上供電能力表現(xiàn)不好。當(dāng)供電能力表現(xiàn)為一般和良好時(shí)，表示電網(wǎng)運(yùn)行正常，因此D*取供電能力在一般以上的值b1+b2。

3算例分析

按照本文提出的方法，對(duì)某配電網(wǎng)絡(luò)[12]進(jìn)行分布式電源的選址、定容和網(wǎng)架規(guī)劃。網(wǎng)架的初始結(jié)構(gòu)如圖2所示，虛線為待選線路，節(jié)點(diǎn)0為配電網(wǎng)變電站的節(jié)點(diǎn)，其余為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中允許接入DG的節(jié)點(diǎn)為1～9，待選單個(gè)分布式電源的功率因數(shù)取0.9，單個(gè)分布式電源的接入容量為100 kV·A的整數(shù)倍，負(fù)荷總量?jī)H考慮新增負(fù)荷節(jié)點(diǎn)負(fù)荷總和，分布式電源在電網(wǎng)中最大的接入容量為新增負(fù)荷總量的15%。

圖3多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

圖3是以供電公司年建設(shè)費(fèi)用最小和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果。分布式電源的位置位于節(jié)點(diǎn)4，5，7，容量分別為300 kV·A，300 kV·A和200 kV·A，由于分布式電源對(duì)線路潮流的影響，可以看到分布式電源主要位于輻射線路的中末端。

多目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果為731.094萬元，此時(shí)2個(gè)優(yōu)化子目標(biāo)分別為：供電公司年成本720.74萬元，網(wǎng)絡(luò)損耗為0.098 5 MW。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1可知，在55.29%的程度上供電良好，在26.03%程度上供電一般，在18.68%的程度上供電不好。這樣取協(xié)調(diào)因子為D*=0.812 9，對(duì)式(4)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4最終優(yōu)化結(jié)果

分布式電源安裝在節(jié)點(diǎn)1，4和9，容量分別為200 kV·A，300 kV·A 和 300 kV·A， 優(yōu)化結(jié)果為732.928萬元，其中網(wǎng)絡(luò)損耗為0.109 1 MW，對(duì)該方案進(jìn)行評(píng)估，最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，目前所選的網(wǎng)絡(luò)在65.99%的程度上供電良好，在24.68%的程度上供電一般，在9.33%的程度上供電不好。

表2 最終網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合表1和表2數(shù)據(jù)，優(yōu)化前系統(tǒng)在18.68%程度上無法正常運(yùn)行，優(yōu)化后系統(tǒng)在9.33%程度上無法正常運(yùn)行，分布式電源對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的不良影響明顯地減小了。

4結(jié)束語

純粹以年費(fèi)用最小為目標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化可以得到費(fèi)用上具有優(yōu)勢(shì)的方案，但在實(shí)際應(yīng)用中存在很多不合理的地方，只有充分協(xié)調(diào)各優(yōu)化目標(biāo)，才更具實(shí)際意義。

本文以系統(tǒng)年費(fèi)用最小和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)，得到規(guī)劃的預(yù)選方案，建立了基于模糊理論的電網(wǎng)供電能力評(píng)估模型，針對(duì)DG接入電網(wǎng)后帶來的影響，確定各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，最終得到預(yù)選方案評(píng)價(jià)的量化結(jié)果。通過評(píng)估結(jié)果對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再次對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃，得到新的規(guī)劃方案，從算例可以看出，在費(fèi)用上2個(gè)方案相差不多，但是新的方案在良好運(yùn)行狀態(tài)上要優(yōu)于原有方案。

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