何小棟，程 瑤

（安慶供電公司，安徽安慶246000）

?

配電網(wǎng)主動閉環(huán)運行經(jīng)濟性分析

何小棟，程 瑤

（安慶供電公司，安徽安慶246000）

摘要：傳統(tǒng)單饋線輻射狀配電網(wǎng)將無法滿足分布式電源的接入和用戶對供電高可靠性的要求。分析了基于通信和電力電子技術(shù)，配電網(wǎng)主動閉環(huán)運行的可行性；提出了基于Zbus法的含分布式電源和環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算方法。通過2個算例分析配電網(wǎng)閉環(huán)運行的經(jīng)濟性，對于雙饋線手拉手配電線路，兩端電壓相角差對閉環(huán)運行網(wǎng)損影響較大，當(dāng)相角差不太大時，閉環(huán)運行是經(jīng)濟安全的；與配電網(wǎng)的重構(gòu)相比，閉環(huán)運行對降低網(wǎng)損和提高電壓質(zhì)量效果明顯。

關(guān)鍵詞：主動配電網(wǎng)；閉環(huán)運行；Zbus法；潮流計算

傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的供電方式，但隨著大量分布式電源（Distributed Generations，DG）的并網(wǎng)和用戶對供電高可靠性的要求，開環(huán)運行的弊端逐漸凸顯。開環(huán)運行時，即使進行過饋線自動化改造，故障隔離和恢復(fù)供電時的倒閘操作也需要短時間的停電，阻礙了供電可靠性的進一步提高；隨著分布式發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模DG接入配電網(wǎng)是必然趨勢，但DG的接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的潮流分布，繼電保護的選擇性和靈敏度受到影響，基于通信平臺差動保護技術(shù)的閉環(huán)運行配電網(wǎng)更適合DG的接入［ 1 ］；采用電力電子設(shè)備的閉環(huán)運行配電網(wǎng)可以主動進行有功和無功潮流控制，符合主動配電系統(tǒng)的發(fā)展方向［ 2 ］。隨著通信和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)采用閉環(huán)運行方式將是一種有效措施，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注［ 3 ］。文獻(xiàn)［1］討論了采用集中式保護的閉環(huán)運行配電網(wǎng)典型接線模式和規(guī)劃原則；文獻(xiàn)［3］探討了配電網(wǎng)采用基于差動保護的閉環(huán)運行方式的應(yīng)用前景。文中提出基于Zbus法的含分布式電源和環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算方法，并分析比較典型接線模式和DG并網(wǎng)下，配電網(wǎng)閉環(huán)運行的經(jīng)濟性。

1　配電網(wǎng)閉環(huán)運行可行性

1.1基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的集中式電流差動保護

隨著通信技術(shù)快速發(fā)展和高級配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的建設(shè)，基于全網(wǎng)光纖通道的配電網(wǎng)集中式差動保護技術(shù)越來越受到重視。電流差動保護在進行故障判別時只需要線路兩端的電流量，不受系統(tǒng)振蕩和非全相運行等因素的影響，原理簡單，計算量小，能夠較好地滿足繼電保護快速、靈敏和可靠等要求。圖1所示為具有三層結(jié)構(gòu)的集中式差動保護控制系統(tǒng)。其中，上層是智能配電主站；下層由配電自動化終端和配電變壓器智能終端等設(shè)備組成；中間層由集中式保護控制裝置構(gòu)成，起聯(lián)系上、下層的作用。這種保護控制系統(tǒng)能實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位、迅速隔離和快速重構(gòu)，減少了非故障區(qū)域的停電機率，縮小了停電范圍，提高了供電可靠性，能實現(xiàn)配電網(wǎng)的無縫快速自愈。

圖1　三層結(jié)構(gòu)集中式差動保護控制系統(tǒng)

1.2基于電力電子技術(shù)的潮流控制

傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)屬于受電端，無法控制潮流。DG的接入改變了原有網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，而且風(fēng)光發(fā)電等DG輸出的功率具有隨機性，為了安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟供電，需要對配電網(wǎng)中的潮流進行控制?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)與先進控制理論的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）具有強大的潮流控制功能，可以實現(xiàn)對含有DG的配電環(huán)網(wǎng)的潮流控制。UPFC是由通過直流電容連接在一起的2個背靠背的電壓源型變流器組合而成，可同時調(diào)節(jié)電力線輸送功率的線路參數(shù)、節(jié)點電壓幅值和相位［ 4 ］。鑒于目前電力電子元器件的成本高、損耗大，在配電網(wǎng)中的應(yīng)用還不具有經(jīng)濟性，但隨著電力電子技術(shù)的進步，UPFC的優(yōu)勢終將得到體現(xiàn)。

2　含分布式電源和環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)潮流計算

目前，基于前推回代法的傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)潮流算法非常成熟，得到廣泛應(yīng)用，但對含各種DG和環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算的研究較少。文獻(xiàn)［5］基于矩陣分裂和矩陣求逆輔助定理，導(dǎo)出了一種新的牛頓類少環(huán)配電網(wǎng)潮流算法；文獻(xiàn)［6］研究了基于直接法的含DG配電網(wǎng)潮流算法；文獻(xiàn)［7，8］基于疊加原理，提出了能同時處理弱環(huán)網(wǎng)和PV節(jié)點的配電網(wǎng)改進前推回代算法。配電網(wǎng)支路電抗和電阻參數(shù)相差不大，電纜線路還具有電阻大于電抗、充電電容較大的特點；與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)支路數(shù)和節(jié)點數(shù)十分龐大。牛頓類的配電網(wǎng)潮流算法需要進行大量矩陣運算，效率低，不易收斂；前推回推法具有算法簡單、易實現(xiàn)的特點，但處理環(huán)網(wǎng)能力不足［ 9-11 ］。文中提出基于Zbus法的含DG和環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算方法。

2.1DG接口模型

DG與配電網(wǎng)互聯(lián)的接口主要有3種形式，同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、DC/AC或AC/AC變換器，各種DG的典型容量范圍和接口如表1所示［ 6 ］。

表1　DG的容量及其與電網(wǎng)的接口

潮流計算中，根據(jù)結(jié)構(gòu)和控制方式的不同，DG一般當(dāng)做PQ、PI或PV節(jié)點。異步風(fēng)力發(fā)電機、無勵磁調(diào)節(jié)能力同步發(fā)電機、恒功率因素控制的同步發(fā)電機可當(dāng)作PQ節(jié)點，將其看作“負(fù)”的具有電壓靜特性的負(fù)荷節(jié)點；電流控制光伏發(fā)電可當(dāng)做PI節(jié)點，在迭代過程中，通過下式轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點。

燃料電池、電壓控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機和電壓控制光伏發(fā)電當(dāng)作PV節(jié)點，其最大無功出力受變流器容量限制。

其中：Smax為變換器的最大容量；P為DG發(fā)出的有功功率。

多臺PV接入多饋線復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)如圖2所示，設(shè)PV節(jié)點的靈敏度導(dǎo)納矩陣為：

其中：Y11為在PV1節(jié)點接入單位電壓源，饋線和除PV1外的PV節(jié)點均接地時的短路電流；Y12=Y21為在PV1節(jié)點接入單位電壓源，PV2節(jié)點接地時的負(fù)的短路電流值，其他類推。

圖2　PV接入多饋線復(fù)雜配電網(wǎng)

迭代過程中，根據(jù)PV節(jié)點電壓幅值不匹配量對PV節(jié)點無功出力進行修正，忽略電壓相角差，得：

由于ΔP為0，故得PV無功出力的修正量為：

其中：ZPV=，BPV=Im（ZPV）為靈敏度電抗矩陣。迭代過程中，如果PV型DG無功越限，則轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點，其無功出力為無功上限或下限，同時需要重新計算靈敏度電抗矩陣。

2.2基本Zbus法

Zbus法根據(jù)疊加原理，在電源點和負(fù)荷節(jié)點分別單獨作用下的節(jié)點電壓相加來求取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓。

（1）電源點單獨作用下的節(jié)點電壓V.'：

（2）負(fù)荷節(jié)點作用下節(jié)點電壓：

（3）應(yīng)用疊加原理，節(jié)點電壓：

2.3含分布式電源和環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)潮流計算流程

（1）讀取原始數(shù)據(jù)，求取全網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣和PV節(jié)點靈敏度電抗矩陣；

（3）計算節(jié)點注入電流（PQ、PV和PI節(jié)點）作用下節(jié)點電壓V."。

（4）根據(jù)疊加原理得節(jié)點電壓：V.=V."+V.'。

（5）由式 （5）修正PV節(jié)點無功出力QPV=QPV+ ΔQ；校驗QPV是否越限。

（7）計算結(jié)束，輸出結(jié)果。

3　閉環(huán)運行經(jīng)濟分析

文獻(xiàn)［12］構(gòu)建了配電網(wǎng)線損計算模型，對工程中輻射狀配電網(wǎng)不同降損措施的降損潛力進行計算分析，文中著重研究配電網(wǎng)主動閉環(huán)運行對降損的影響。

3.1算例1

圖3所示為常見的雙電源手拉手配電線路，4、5節(jié)點之間的支路開關(guān)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，配電線路閉環(huán)運行。系統(tǒng)基準(zhǔn)功率和電壓分別取10 MV·A 和10 kV。

圖3　雙電源手拉手配電線路

3.1.1雙饋線來自變電站同一母線

表2為開、閉環(huán)運行下配電線路潮流計算結(jié)果，閉環(huán)運行比開環(huán)網(wǎng)損減少38.35%，并且提高了最低節(jié)點電壓。

表2　開環(huán)和閉環(huán)潮流計算結(jié)果

3.1.2雙饋線來自不同母線

設(shè)饋線1段和饋線2段來自不同母線，饋線2段根節(jié)點電壓幅值為基準(zhǔn)值，相角0度，圖4所示為開環(huán)和閉環(huán)運行下，饋線1段根節(jié)點電壓幅值和相角變化時的網(wǎng)損三維圖。饋線的電壓幅值差對閉環(huán)運行的網(wǎng)損影響不大，而電壓相角差影響較大；在根節(jié)點相角差較大時，閉環(huán)運行下的網(wǎng)損較大，這是不可行的；2個曲面交叉區(qū)域為閉環(huán)運行的網(wǎng)損小于開環(huán)運行的區(qū)域。因此，只要兩端的電壓幅值和相角差在一定范圍內(nèi)，閉環(huán)運行與開環(huán)運行相比，具有較好的經(jīng)濟性。若在饋線1根節(jié)點后線路上串聯(lián)UPFC，串聯(lián)UPFC可以控制電壓的相角和幅值，從而可以消除線路循環(huán)功率，可使網(wǎng)損最小［ 4 ］，為392.7 kW。

3.1.3分布式電源接入

設(shè)在3、5節(jié)點分別接入100 kW光伏發(fā)電和500 kW風(fēng)力發(fā)電，均以恒功率因數(shù)1運行。表3為開、閉環(huán)運行下的潮流計算結(jié)果，閉環(huán)比開環(huán)運行減少網(wǎng)損45.76%。

圖4　網(wǎng)損三維圖

表3　分布式電源接入時開、閉環(huán)潮流計算結(jié)果

3.2算例2

修改IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100 MV·A，基準(zhǔn)電壓為23 kV，網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷為28.7+j17.3 MV·A。虛線所連的支路為聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支路，當(dāng)閉合全部聯(lián)絡(luò)開關(guān)時，配電網(wǎng)閉環(huán)運行。

圖5　IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)

對開環(huán)運行IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)進行以網(wǎng)損最小的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，表4為開環(huán)、重構(gòu)后和閉環(huán)下潮流計算結(jié)果，重構(gòu)降低了網(wǎng)損，提高了最低節(jié)點電壓。與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)相比，閉環(huán)運行更加經(jīng)濟，能降低網(wǎng)損8.44%，節(jié)點電壓更加均衡。

表4　開、閉環(huán)和重構(gòu)后潮流計算結(jié)果

4　結(jié)束語

基于先進的通信和電力電子技術(shù)，配電網(wǎng)閉環(huán)運行是可行的。提出了適合含分布式電源和環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算方法，通過算例分析了雙電源手拉手典型配電線路閉環(huán)運行的經(jīng)濟區(qū)域，2條饋線電壓相角差不大時，閉環(huán)運行是經(jīng)濟的；IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)算例結(jié)果表明，與配電網(wǎng)重構(gòu)相比，閉環(huán)運行降低網(wǎng)損和提高電壓質(zhì)量的效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 黃偉軍，錢遠(yuǎn)馳，呂志來. 閉環(huán)運行方式城市配電網(wǎng)接線模式的研究［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（24）：123-126．

［2］ 范明天，張祖平，蘇傲雪，等. 主動配電系統(tǒng)可行技術(shù)的研究［J］. 中國電機工程學(xué)報，2013，33（22）：12-18．

［3］ 張項安，張新昌，李衛(wèi)星，等. 基于差動保護的配電網(wǎng)閉環(huán)運行方式探討［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（3）：102-106．

［4］ 仉志華，徐丙垠，陳 青，等. 雙電源故障無縫自愈配電環(huán)網(wǎng)潮流優(yōu)化控制方法［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2012，36（12）：101-105.

［5］ 汪芳宗，葉 婧，李燕山. 一種新的少環(huán)配電網(wǎng)潮流計算方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（1）：47-50．

［6］ 陳海焱，陳金富，段獻(xiàn)忠. 含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（1）：35-39．

［7］ 顧 晨，樂秀璠，張曉明. 基于改進前推回代法的弱環(huán)配電網(wǎng)三相潮流計算［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（19）：160-164.

［8］ 丁 明，郭學(xué)鳳. 含多種分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)三相潮流計算［J］. 中國電機工程學(xué)報，2009，29（13）：35-40.

［9］ 車仁飛，李仁俊. 一種少環(huán)配電網(wǎng)三相潮流計算新方法［J］. 中國電機工程學(xué)報，2003，23（1）：74-79.

［10］ 李紅偉，張安安. 含PV型分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)三相潮流計算［J］. 中國電機工程學(xué)報，2012，32（4）：128-135.

［11］ 戴 暉，孫 波. 新型實用合環(huán)潮流算法在配電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.江蘇電機工程，2015，34（1）：47-49．

［12］ 顧 江，陸 漣，楊 江 ，等. 基于等值電阻和回歸分析的配電網(wǎng)降損潛力研究［J］. 江蘇電機工程，2015，34（3）：61-63.

何小棟（1989），男，安徽安慶人，碩士，從事電網(wǎng)技術(shù)技能培訓(xùn)和配電網(wǎng)自動化研究工作；

程瑤（1991），女，安徽六安人，碩士，從事電費管理和賬務(wù)相關(guān)技術(shù)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

中圖分類號：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0042-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -11-18；修回日期：2016-02-19