曾鳴，阿斯卡爾，何科雷，劉偉，王麗華，呂齊

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京市 102206; 2.清華大學(xué)電機系，北京市 100084)

考慮配電可靠性的分布式電源投資策略研究

曾鳴1，阿斯卡爾1，何科雷1，劉偉1，王麗華1，呂齊2

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京市 102206; 2.清華大學(xué)電機系，北京市 100084)

合理的分布式電源選址定容可以有效地降低配電網(wǎng)的線路投資和損耗成本，提高含分布式發(fā)電的配網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟指標，介紹了分布式電源投資的方法，考慮了最優(yōu)電力潮流(optimal power flow，OPF)、停電成本期望和配電網(wǎng)可靠性，闡述了分布式發(fā)電對可靠性指標的影響，并以IEEE-RBTS BUS4的測試系統(tǒng)為例，對各個節(jié)點的停電成本、分布式發(fā)電容量與配電網(wǎng)可靠性及收益之間的關(guān)系進行模擬。研究結(jié)果表明，文章提出的分布式電源投資方法，可為投資者選取分布式電源規(guī)模和位置提供依據(jù)，降低配電網(wǎng)運營成本，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

分布式電源；選址定容；投資；配電系統(tǒng)；可靠性

0 引 言

近年來，由于分布式電源具有運行方式靈活、環(huán)境友好等特點以及分布式發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展和應(yīng)用，分布式電源并網(wǎng)容量不斷增加[1]。而隨著分布式發(fā)電技術(shù)的逐步推廣，它對配電網(wǎng)中的節(jié)點電壓、線路潮流、短路電流、可靠性等都會帶來影響，且其影響程度與分布式電源的位置和容量密切相關(guān)[2-3]。為了充分發(fā)揮分布式電源各方面帶來的效益，同時使其負面影響最小化，有必要對分布式電源的投資規(guī)劃進行研究。

國內(nèi)外對分布式電源投資及其對配電網(wǎng)可靠性影響進行了相關(guān)研究。文獻[4]分析了分布式電源投資所面臨的不確定因素，并提出了3種分布式電源的投資模式。文獻[5]提出了不同類型的分布式電源選址定容的長期規(guī)劃方案，對不同的分布式發(fā)電機組規(guī)模和位置進行了評估并驗證了方法的有效性。文獻[6]和文獻[7]基于不同類型負荷、分布式電源的時序特性以及不同類型分布式電源的環(huán)保性能，建立分布式電源選址定容規(guī)劃模型，并通過算例驗證了所提出模型和方法的可行性和有效性。文獻[8]分析了分布式電源的接入對配電網(wǎng)可靠性的影響，建立了考慮分布式電源影響的配電網(wǎng)供電可靠性分析計算模型，通過對一個典型配電網(wǎng)的仿真計算，說明該模型的合理性與有效性。文獻[9]指出分布式發(fā)電對配電網(wǎng)可靠性既有改善作用，也有不利影響。文獻[10]通過系統(tǒng)平均停電時間指數(shù)(system average interruption duration index，SAIDI)和系統(tǒng)平均停電頻率指標(system average interruption frequency index，SAIFI)評估了配電系統(tǒng)可靠性。文獻[11]針對分布式電源與系統(tǒng)電源并列運行情況，提出了一種基于蒙特卡洛方法的分布式電源接入配電系統(tǒng)后的可靠性分析方法?？傮w看來，目前針對分布式電源選址定容及其對配電可靠性的影響研究較少。鑒于此，本文綜合考慮了最優(yōu)電力潮流(optimal power flow，OPF)和停電成本期望，結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟指標，提出分布式電源選址定容策略及配電網(wǎng)可靠性評估方法，為分布式電源投資提供參考依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 目標函數(shù)

為實現(xiàn)含分布式電源的配電網(wǎng)效益最大化，綜合考慮配電網(wǎng)線路升級及維護費用、分布式電源運行總費用以及停電成本，由于電價和燃料價格具有不確定性，使用蒙特卡洛模擬計算成本期望[12]，通過使總成本最小化，確定最佳分布式電源位置及規(guī)模。因此，目標函數(shù)表達式為

minEComg+ECcut

(1)

式中：EComg為配電網(wǎng)營運及維護成本和分布式發(fā)電成本總和的期望值；ECcut為停電成本期望。

1.2 最優(yōu)電力潮流

一般在電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度運行中的最優(yōu)潮流計算是以運行成本最小化為目標[13]。整個系統(tǒng)發(fā)電燃料總消耗量可通過式(2)計算。

(2)

式中：N為系統(tǒng)所有發(fā)電機的集合，平衡節(jié)點為s；KGi為發(fā)電機組Gi耗量特性。

平衡節(jié)點s的有功出力為非控制變量，通過潮流計算決定其注入功率，注入功率為節(jié)點相角θ和電壓幅值U的函數(shù)，因此

PGs=Ps(U,θ)+PLs

(3)

式中：Ps(U,θ)為與節(jié)點s相關(guān)的線路輸出的有功功率；PLs為節(jié)點s負荷功率。

1.2.1 約束條件

(1)總線電壓約束為

(4)

(2)基本潮流方程約束為

(5)

(6)

式中：θij=θi-θj(i≠j)；Gij和Bij分別為節(jié)點導(dǎo)納矩陣第i行第j列約束的實部和虛部。

(3)發(fā)電機組有功出力和無功出力約束為

(7)

(8)

(4)輸電線路容量約束為

(9)

1.2.2 節(jié)點邊際電價模型

節(jié)點邊際電價指特定總線每增加一單位電能供應(yīng)時的邊際成本。節(jié)點邊際電價通常由邊際能源價格、邊際耗損價格和邊際阻塞費用3部分組成。考慮總線的實際電價，則主網(wǎng)總線在第i個h的節(jié)點邊際電價為

λLMPi=λ+λLi+λCi

(10)

式中：λ為參考總線的邊際能源價格，所有的總線路的邊際能源價格均相等；λLi為邊際耗損費用；λCi為邊際阻塞費用。由于耗損費用和阻塞費用不同，因此每條總線路的電價均不同。

1.3 分布式發(fā)電成本

分布式發(fā)電成本包括設(shè)備費、運行和維修成本、燃料費等。其中，運行和維修成本由固定部分和變動部分組成。固定的運行維修成本主要包括車間操作人工費，運行維修成本的變動部分主要由周期性的系統(tǒng)組件的檢查、更換和修理費用構(gòu)成。

在壽命周期內(nèi)，以Clife表示分布式發(fā)電投資的生命周期成本，計算公式為

(11)

式中：Cc為每年建設(shè)投資成本；CO&M為每年的運行和維護成本；CL為貸款支付部分；rd為市場折現(xiàn)率；rL為貸款利率；Nc為建設(shè)周期；NL為貸款年限，N為系統(tǒng)壽命年限。

以Cyear表示年成本平均費用，則年平均費用Cyear可通過壽命周期成本Clife乘以等額分付資本回收系數(shù)得到，表達式為

(12)

分布式發(fā)電項目每年總成本等于年平均費用加上年燃料費，表達式為

CDG=Cyear+Cfuel

(13)

當前，分布式電源主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電和燃料電池等。由于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電均為可再生能源，故燃料成本為0；微型燃氣輪機與燃料電池所用燃料均為天然氣，年燃料成本計算表達式為

(14)

式中：Cnl為微型燃氣輪機使用的天然氣價格，元/m3；Vnl為天然氣的低熱值，kWh/m3；Pi為第i個h的平均凈輸出功率，kW；ηi為在第i個h的內(nèi)微型燃氣輪機的(燃料電池)平均效率。

能源成本Comg為配電網(wǎng)營運及維護成本和分布式發(fā)電成本之和，表達式為

(15)

式中：λLMPi為主網(wǎng)總線在第i個h的節(jié)點邊際電價；Pi在第i個h的配電網(wǎng)消耗功率。

分布式發(fā)電容量和每年預(yù)期停電成本、能源成本、分布式發(fā)電成本和總成本之間的關(guān)系如圖1所示?？梢姡嬖谧顑?yōu)分布式發(fā)電容量A，使配電網(wǎng)總成本最低。

圖1 分布式發(fā)電容量和成本關(guān)系圖Fig.1 Relationship between distributed generation capacity and cost

1.4 分布式發(fā)電選址定容

可通過如下步驟確定最優(yōu)分布式電源規(guī)模和位置，使總成本最小化。

(1)確定配電網(wǎng)中安裝分布式發(fā)電設(shè)備的候選節(jié)點。

(2)在候選節(jié)點安裝分布式發(fā)電設(shè)備后，運用最優(yōu)電力潮流技術(shù)確定在配電網(wǎng)中供電總線路的節(jié)點邊際電價。

(3)依據(jù)用戶的類型和停電的持續(xù)時間和范圍，計算出每位用戶的停電成本。

(4)確定每個負荷點中斷時間，然后根據(jù)所有負荷點的預(yù)期停電成本總和，獲取配電網(wǎng)中每個分布式發(fā)電候選位置的預(yù)期停電成本。

(5)計算每個節(jié)點電價和燃氣價格成本，確定安裝分布式發(fā)電設(shè)備的候選位置。

(6)計算每個分布式發(fā)電候選位置的期望年能源成本。

(7)計算目標函數(shù)的值。

(8)選出目標函數(shù)值最小的分布式發(fā)電的規(guī)模和位置。

(9)如果目標函數(shù)下降則對下一個分布式發(fā)電的規(guī)模位置重復(fù)5—8步驟。

1.5 配電網(wǎng)可靠性評估

配電系統(tǒng)可靠性評估通過可靠性指標來體現(xiàn)。基本配電系統(tǒng)可靠性指標為3個負荷點指標：(1)負荷端平均故障率δ，次/年；(2)平均停機持續(xù)時間ζ，h/次；(3)年平均停電時間τ，h/年。

(16)

(17)

τ=δ·ζ

(18)

通過3個基本負荷點指標計算電力不足期望值EENS的可靠性成本價值指數(shù)、停電成本期望ECcut和停電損失評價率RIEA，分析可靠性數(shù)據(jù)指標，進一步總結(jié)歸納出分布式發(fā)電對供電可靠性的影響。本文考慮的可靠性指標有：

(1)系統(tǒng)平均停電時間TSAIDI。計算表達式為

(19)

(2)電量不足期望值EENS。計算表達式為

(20)

(3)停電成本期望ECcut。每個負荷點的停電成本期望取決于用戶類型和停電持續(xù)時間。計算表達式為

(21)

(4)停電損失評價率RIEA。計算表達式為

(22)式中：Ni為受持續(xù)停電影響的用戶數(shù)量；Ui為負荷點i的等值年平均停電時間；Np為負荷點的總體數(shù)量；Ne為配電網(wǎng)中電極元件的總數(shù)量；φ為用戶損失函數(shù)。

2 算例分析

本文以IEEE-RBTS測試系統(tǒng)BUS4的配電系統(tǒng)為例。文獻[14]敘述了整個系統(tǒng)和負荷數(shù)據(jù)并給出了該系統(tǒng)的基本可靠性參數(shù)。假定組件的維修時間服從對數(shù)正態(tài)分布，標準差為平均值的1/3，組件的故障時間服從指數(shù)分布。RBTS測試系統(tǒng)規(guī)定了每條母線的用戶類型、總峰值負荷。系統(tǒng)包括了38個負荷點和3種用戶類型，居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶。每種用戶類型的平均停電損失費用如表1所示。

表1 用戶停電損失費用
Table 1 Interruption cost of users

此配電網(wǎng)有27個安裝分布式發(fā)電設(shè)備的候選節(jié)點，如圖2所示。本系統(tǒng)中使用微型燃氣渦輪發(fā)電機。

圖2 RBTS BUS 4配電系統(tǒng)Fig.2 Distribution system for RBTS Bus 4

假定所有的分布式發(fā)電機組功率因數(shù)為0.8，資本成本為1 000$/kW，表2列出了財務(wù)分析所需的相關(guān)參數(shù)。

表2 財務(wù)分析相關(guān)參數(shù)
Table 2 Relevant parameters of financial analysis

當分布式發(fā)電連接到配電網(wǎng)后，應(yīng)用提出的評估可靠性指標和總運營成本的方法可得到不同的結(jié)果。分布式發(fā)電候選節(jié)點的停電成本期望和能源成本期望模擬結(jié)果如圖3所示。

可見，當分布式電源安裝在節(jié)點14時，停電成本期望ECcut降低程度最大，安裝在節(jié)點4時，能源成本期望EComg降低程度最大。通過計算比較節(jié)點4與節(jié)點14的目標函數(shù)值，得出節(jié)點14為安裝分布式電源的最佳位置。

安裝分布式發(fā)電設(shè)備容量和收益之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 分布式發(fā)電容量及收益Fig.4 Capacity and revenue of distributed generation

在配電系統(tǒng)中安裝分布式發(fā)電設(shè)備會影響可靠性指標。根據(jù)公式(19)、(20)、(22)計算分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)中平均停電時間TSAIDI、電量不足期望值EENS和停電損失評價率RIEA的影響，如圖5和圖6所示。

圖5 系統(tǒng)平均停電時間指標Fig.5 System average interruption duration index

圖6 停電損失評價率和電量不足期望值Fig.6 Interruption loss rate and expected energy not supplied

由圖5以及圖6可以看出，當分布式發(fā)電容量為9 MW時，平均停電時間TSAIDI、電量不足期望值EENS和停電損失評價率RIEA均達到最小。結(jié)合停電成本期望ECcut和能源成本期望EComg分析結(jié)果，在節(jié)點14安裝容量為9 MW的分布式電源時，年運營總成本最小，效益最大。

3 結(jié) 論

分布式電源對配電網(wǎng)具有重要影響，合理的分布式電源規(guī)模及位置可以減少配電系統(tǒng)總的運營成本。本文考慮了最優(yōu)電力潮流、用戶停電成本提出了考慮配電系統(tǒng)可靠性分布式電源投資策略，通過算例分析表明：(1)用戶類型及停電成本會對配電網(wǎng)可靠性指標產(chǎn)生影響；(2)考慮最優(yōu)電力潮流、用戶停電成本的分布式電源投資策略有利于更加合理地選取分布式電源規(guī)模和位置，提高分布式發(fā)電收益，降低配電網(wǎng)運營成本，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

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呂齊(1994)， 男，本科，主要從事電力技術(shù)經(jīng)濟方面的研究工作。

(實習(xí)編輯 景賀峰)

Distributed Generation Investment Strategy Considering Distribution System Reliability

ZENG Ming1, A Sikaer1, HE Kelei1, LIU Wei1, WANG Lihua1， LYU Qi2

(1.School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2.Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The line investment and loss cost of distribution network can be effectively reduced and the security, reliability and economy of distribution network system operation can be improved with reasonable locating and sizing distributed power. Considering the optimal power flow (OPF), the expectation of interruption cost and the reliability of distribution network, we introduce the investment method of distributed power with the combination of technical and economic indicators, and discuss the effect of distributed generation on the reliability index. Then, we simulate the relationship between the interruption cost of each node, distributed generation capacity, distribution network reliability and revenue with taking an IEEE-RBTS BUS4 test system as example. The research results show that the proposed investment method of distributed generation can provide the basis for investors to select the size and location of distributed generation, reduce the operating cost of distribution network and improve its power supply reliability.

distributed generation; locating and sizing; investment; distribution system; reliability

國家自然科學(xué)基金項目(71271082)

F 416.61

A

1000-7229(2016)03-0052-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.008

2015-11-15

曾鳴(1957)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)投資規(guī)劃、電力市場理論、需求側(cè)管理方面的研究工作；

阿斯卡爾(1963)，男，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)投資規(guī)劃方面的研究工作；

何科雷(1990)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)投資規(guī)劃方面的研究工作；

劉偉(1992)，男，碩士研究生，主要從事電力技術(shù)經(jīng)濟分析方面的研究工作；

王麗華(1990)，女，碩士研究生，主要從事電力技術(shù)經(jīng)濟分析方面的研究工作；

Project supported by National Natural Science Foundation of China (71271082)