李文升，宋豪，趙晶，程濤，崔立勃，高國棟，呂宏媛，張媛

（1.國網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266002；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 前言

分布式發(fā)電DG(distributed generator)是指在用戶附近配置較小的發(fā)電機(jī)組（小于50 MW），以滿足特定用戶的用電需求或支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這些小的機(jī)組包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電站、屋頂光伏、風(fēng)力發(fā)電等。分布式電源接入配電網(wǎng)帶來提高供電可靠性、利于平衡負(fù)荷、提高電網(wǎng)防災(zāi)害水平、減小主網(wǎng)投資等一系列積極的影響，同樣也會帶來電壓調(diào)整問題、繼電保護(hù)問題、重合閘成功率、短路電流水平、電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)等一些技術(shù)問題。根據(jù)國家新能源的戰(zhàn)略決策部署，在可預(yù)見的未來將會有大量分布式電源接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法無法滿足分布式電源接入的規(guī)劃需求。從規(guī)劃層面實(shí)現(xiàn)分布式電源接入的頂層設(shè)計(jì)，為規(guī)劃技術(shù)人員及企業(yè)管理人員提供決策依據(jù)變得非常迫切。

國內(nèi)對分布式電源的準(zhǔn)入容量及最優(yōu)位置做了大量的研究，文獻(xiàn)[1]文中應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化分布式電源的位置和容量，并運(yùn)用基于支路交換的模擬退火算法規(guī)劃擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，對分布式電源和網(wǎng)絡(luò)的綜合規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估以衡量個體方案的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[2]文中基于放射狀鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)連續(xù)解析模型和離散模型，研究多臺分布式電源裝置接入系統(tǒng)對沿線電壓和有功網(wǎng)損的影響，探討分布式電源的最優(yōu)接入位置。文獻(xiàn)[3-5]應(yīng)用靜態(tài)負(fù)荷模型，以電壓不越限與線路載流量為約束條件，建立了分布式電源準(zhǔn)入容量和接入位置分析，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，將準(zhǔn)入容量納為約束條件建立分布式電源最優(yōu)布置函數(shù)。文獻(xiàn)[6]從電力系統(tǒng)靜態(tài)安全約束的角度出發(fā)，建立了計(jì)算分布式電源準(zhǔn)入容量的數(shù)學(xué)模型。對于多個分布式電源的情況，提出了準(zhǔn)入容量計(jì)算的雙層優(yōu)化模型和相應(yīng)的優(yōu)化求解算法，并通過對實(shí)際配電系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。以上文件提出了基于電網(wǎng)靜態(tài)約束的較為科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算饋線準(zhǔn)入容量的計(jì)算方法，但計(jì)算過程較為復(fù)雜，也尚未提煉出可用于工程實(shí)踐的一般性的指導(dǎo)原則。

本文從配網(wǎng)實(shí)際接線模式出發(fā)，研究饋線、變電站最大接入能力；基于成本效益分析，研究饋線最佳分段；以網(wǎng)損最小為約束，研究分段容量與分布式電源接入容量的匹配關(guān)系。在理論研究基礎(chǔ)上，建立簡化計(jì)算模型，采用電網(wǎng)典型計(jì)算參數(shù)，求取計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)一步總結(jié)提取一般性的指導(dǎo)性原則，為規(guī)劃技術(shù)人員提供簡單易行的決策依據(jù)。

1 饋線的分布式電源最大接入能力

以電壓限制為約束計(jì)算饋線的分布式電源準(zhǔn)入容量，并考慮極限情況，每條饋線均采用最大準(zhǔn)入容量接入，以電網(wǎng)的安全可靠性運(yùn)行準(zhǔn)則校驗(yàn)接入是否可行。

以環(huán)網(wǎng)連接輻射運(yùn)行的配電網(wǎng)絡(luò)為例，分析計(jì)算分布式電源接入的容量限制。假設(shè)在K點(diǎn)輸入有功功率Pdg的分布式電源。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.1 電壓限制下的單條中壓線路

按電壓允許值計(jì)算的最大接入能力[3]，分布式電源接入點(diǎn)K的電壓為：

其中，Uk為第k節(jié)點(diǎn)電壓；U0為母線側(cè)電壓；Pdg為分布式電源有功出力；Qdg為分布式電源無功出力；Ri為線路i電阻值；Xi為線路i電抗值。

若分布式電源接入點(diǎn)達(dá)到電壓極限，分布式電源達(dá)到該接入位置處的最大接入能力。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定，10 kV與380V電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓不得超過1.07 p.u.假設(shè)功率因數(shù)λ恒定，代替Qdg，求解上式Pdg。由于在推算過程中忽略了線路損耗，按上式計(jì)算得出的準(zhǔn)入容量偏小，因此引入修正系數(shù)α，一般可取1.03-1.08，約為網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時的網(wǎng)損比例。分布式電源準(zhǔn)入容量與接入位置之間的函數(shù)關(guān)系為：

針對常見的配電網(wǎng)負(fù)荷分布進(jìn)行進(jìn)一步簡化。常見的配電網(wǎng)負(fù)荷分布包括沿負(fù)荷饋線均勻分布、遞增分布與遞減分布等。這里介紹一下常用的均勻分布情況。

在負(fù)荷均勻分布情況下，有Pi=P/N，Qi=Q/N，Ri=R/N，Xi=X/N，代入Pdgmax的求取公式得出：

《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》GB12325－2008，供電電壓偏差允許值20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的+7%，-10%，按電壓升高0%至電壓升高7%分別計(jì)算Pdgmax，從計(jì)算結(jié)果可以看出，電壓升高百分比越大，Pdgmax越大，節(jié)點(diǎn)位置離母線越遠(yuǎn)，Pdgmax越小。

選取架空線路及電纜線路典型型號計(jì)算給出單條不同類型中壓線路準(zhǔn)入容量，可以看出：從電壓限制來看，單條線路準(zhǔn)入容量可達(dá)線路最大輸送能力，一般取9 MW。同等容量接入的電纜線路電壓偏差較架空線路電壓偏差大。

1.2 N-1安全標(biāo)準(zhǔn)下變電站供帶饋線

根據(jù)DL/T5729-2016[7]，供電安全準(zhǔn)則是保障配電網(wǎng)安全可靠供電的重要基礎(chǔ)，主要以是否滿足N-1校驗(yàn)的方式評估。變電站滿足N-1校驗(yàn)，可供帶負(fù)荷即為該變電站最大安全供電負(fù)荷。

從保障配電網(wǎng)安全可靠供電角度，分布式電源接入后配電網(wǎng)應(yīng)仍要求滿足N-1校驗(yàn)。N-1安全標(biāo)準(zhǔn)下的變電站最大接入能力計(jì)算思路為：分布式電源出力就地平衡饋線負(fù)荷后，多余出力通過變電站上送，變電站應(yīng)滿足N-1校驗(yàn)，即一臺主變故障情況下另一臺主變不過載且不棄電源出力。

基于以上思路，變電站供電范圍內(nèi)的負(fù)荷最小、分布式電源出力最大分情況對應(yīng)變電站的最大接入能力。計(jì)算公式為：

通常，電網(wǎng)規(guī)劃預(yù)測給出地區(qū)最大負(fù)荷或變電站最大負(fù)荷，但不會預(yù)測最小負(fù)荷。可以基于最大負(fù)荷預(yù)測值及現(xiàn)狀電網(wǎng)最小負(fù)荷與最大負(fù)荷比例估算變電站最小負(fù)荷。計(jì)算公式為：

其中，Si,DG為第i座變電站供帶饋線最大接入能力；Si,N-1為一臺最大容量主變故障情況下變電站剩余總量之和；Li,min為第i座變電站最小供電負(fù)荷；Li,min為第i座變電站最大供電負(fù)荷；Lmin為地區(qū)現(xiàn)狀最小供電負(fù)荷；Lmax為地區(qū)現(xiàn)狀最大供電負(fù)荷。

2 饋線最優(yōu)分段研究

不同分段饋線的供電可靠性差異較大，分段的合理與否直接關(guān)系到負(fù)荷用戶及分布式發(fā)電商的停電損失。本文結(jié)合發(fā)電商利益、供電企業(yè)投資、社會用戶停電損失等各方要素分析給出饋線的最優(yōu)分段區(qū)間。

2.1 最優(yōu)分段計(jì)算模型

分布式電源接入配電網(wǎng)將會提升配電網(wǎng)可靠性，具體表現(xiàn)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障且故障隔離后，分布式電源可供帶部分負(fù)荷，減小停電范圍的同時縮減停電時間，進(jìn)而提升供電可靠性。分段數(shù)的增加帶來可靠性提升，但也相應(yīng)增加投資。本文建立架空及電纜系統(tǒng)的成本效益分析模型，采用故障遍歷法分析停電影響，繪制成本效益曲線，求解合理分段范圍。

圖2 典型架空系統(tǒng)分布式電源接入模型示意圖

圖2 給出典型架空分布式電源接入示意圖。本模型以聯(lián)絡(luò)接線為例分析，逐一遍歷段內(nèi)線路故障情況下停電、復(fù)電過程及相應(yīng)影響，并匯總形成綜合停電結(jié)果。由于線路故障率遠(yuǎn)高于開關(guān)故障率，因此忽略開關(guān)故障影響，段故障率等效為段內(nèi)所有線路長度的故障率。以架空線路為例給出逐一遍歷過程：假設(shè)第i段出現(xiàn)故障，第i段線路兩側(cè)開關(guān)識別故障自動跳開，實(shí)現(xiàn)故障自動隔離，該段用戶及發(fā)電企業(yè)均為修復(fù)完成后恢復(fù)供電，其余段在主站評估優(yōu)化孤島供電范圍后恢復(fù)分布式電源的供電負(fù)荷。

分別評估計(jì)算該停電過程中帶來的戶均停電小時數(shù)、用戶缺供電量及停電損失、發(fā)電商減發(fā)電量及減發(fā)損失。

2.1.1 戶均停電小時數(shù)評估

第i段故障，停電時戶數(shù)可表示為：

其中，Si為第i段故障停電時戶數(shù)，單位h·戶；L為線路總長度，單位：km；n為線路分段數(shù)；N為用戶數(shù)；M為分布式電源數(shù)量；SG為分布式電源裝機(jī)容量，單位：MW；SV為饋線最大輸送容量，單位：MW；TREP為故障修復(fù)時間，單位：小時；TCE為分布式電源供電范圍優(yōu)化決策時間，單位：小時。

遍歷所有分段，計(jì)算總停電時戶數(shù)：

計(jì)算戶均停電小時數(shù)：

2.1.2 用戶缺供電量及停電損失評估

在求得的戶均停電小時數(shù)基礎(chǔ)上，乘以單位電量停電損失，求得用戶停電損失。單位電量的停電損失可等效為度電產(chǎn)值，缺供電量計(jì)算公式為：

其中，EL為用戶缺供電量，單位：萬kwh；PL為饋線最大負(fù)荷，單位：MW；TmaxL為負(fù)荷利用小時數(shù)，單位：小時；VPL為用戶停電損失，單位：萬元；GDPΣ為地區(qū)國民生產(chǎn)總值，單位億元；EΣ為地區(qū)總供電量，單位：億kwh。

2.1.3 發(fā)電商減發(fā)電量及減發(fā)損失評估

電網(wǎng)側(cè)故障造成用戶停電的同時，分布式電源孤島保護(hù)脫網(wǎng)，隔離故障后，恢復(fù)部分供電。計(jì)算發(fā)電商停發(fā)減發(fā)電量及損失，計(jì)算公式為：

其中，EG為發(fā)電商減發(fā)電量，單位：萬kwh；PG為分布式電源最大出力，單位：MW；TmaxG為分布式電源發(fā)電利用小時數(shù)，單位：小時；KF為單位電量上網(wǎng)電價，單位：元/kwh。

2.2 典型網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)分段

選取典型架空系統(tǒng)單聯(lián)絡(luò)接線模式，假設(shè)線路負(fù)荷均勻分布于分段間，饋線實(shí)施配電自動化，且為智能分布式配電自動化，開關(guān)具備遙控功能。分別計(jì)算不同分布式電源機(jī)容比情況下的最優(yōu)分段。計(jì)算結(jié)果繪制圖3所示的曲線。

圖3 不同機(jī)容比情況下的停電損失與投資的關(guān)系曲線

可以看出，k值越大停電損失曲線越低越陡，說明分布式電源裝機(jī)容量越大對供電可靠性貢獻(xiàn)越大，若對分布式電源裝機(jī)容量大的饋線增加分段，相應(yīng)的停電損失也降低越多。也就是，分布式電源裝接容量越大的饋線對分段越敏感，但增加分段也意味著投資增加，總成本相對較小區(qū)間3-6段為合理范圍。另外，從單位投資降低停電損失效益角度來看，4-6段停電損失曲線斜率平穩(wěn)（斜率趨于0），6段后再分段作用效果不明顯。綜合以上，推薦最優(yōu)分段為4-6段。

2.3 分段裝機(jī)容量與配變?nèi)萘科ヅ潢P(guān)系分析

饋線分段內(nèi)應(yīng)該如何配置裝機(jī)容量與配變?nèi)萘渴丘伨€規(guī)劃需要解決的一個問題，如果分布式電源容量裝接過多，可供帶本段及前后多段的負(fù)荷，供電負(fù)荷大、供電距離長，網(wǎng)損也大；分布式電源裝接容量過小，下網(wǎng)電力增加，遠(yuǎn)距離送電，網(wǎng)損也變大。本文以網(wǎng)損最小為約束條件，分析段內(nèi)裝接容量與配變?nèi)萘康淖罴哑ヅ潢P(guān)系。

假設(shè)負(fù)荷沿線均勻分布（如圖1），已知分布式電源的容量來求取最優(yōu)接入位置，求取線路網(wǎng)損Ploss函數(shù)對接入點(diǎn)x0的偏導(dǎo)數(shù)，即求得在該接入容量下網(wǎng)損最小的最佳接入位置[3]。

計(jì)算網(wǎng)損最小情況下的最優(yōu)接入位置

可見，容量為Idg的分布式電源最優(yōu)接入位置為21Idg/Id。同樣，由上述公式計(jì)算已知接入點(diǎn)情況下的最優(yōu)接入容量Idg=(I+x0)/21Id。

假設(shè)饋線分為4段，由以上公式計(jì)算得出：當(dāng)在第一個分段處接入分布式電源，最優(yōu)接入容量為線路最大負(fù)荷的7/8；在第2個分段處，分布式電源最優(yōu)接入容量為最大負(fù)荷的3/4；線路末端接入，接入容量為最大負(fù)荷的1/2?？梢钥闯觯植际诫娫垂Ы尤朦c(diǎn)及下游負(fù)荷的同時向上供帶至10 kV母線側(cè)一半的負(fù)荷，網(wǎng)損最小，也就是分布式電源就近消納損耗最小。同理，若饋線沿線有多個分布式電源需待接入，段內(nèi)就近消納損耗最小。本文提出“段內(nèi)機(jī)容匹配原則”，即分段內(nèi)分布式電源裝接容量與配變裝接容量相當(dāng)?？杀硎緸?/p>

式中SG為段內(nèi)分布式電源裝機(jī)容量；SV為段內(nèi)配變裝接容量；RL為線路平均負(fù)載率；RG為分布式最大概率出力比例。通常情況下RL約為30-40%，約與分布式電源最大概率出力區(qū)間相當(dāng)，該比例系數(shù)可取為1。

3 分布式接入饋線規(guī)劃流程

1）預(yù)測區(qū)域最大負(fù)荷預(yù)測值，進(jìn)行電力電量平衡，規(guī)劃變電站座數(shù)及變電容量；

2）預(yù)測變電站最大負(fù)荷、最小負(fù)荷，計(jì)算變電站最大接入能力及饋線最大接入能力；

3）基于地塊負(fù)荷結(jié)果，進(jìn)行中壓饋線及配電設(shè)備規(guī)劃，設(shè)置最優(yōu)分段；

4）根據(jù)段內(nèi)機(jī)容配比原則，分段內(nèi)接入最優(yōu)分布式電源容量；

5）校驗(yàn)變電站下所有中壓饋線分布式電源的加總?cè)萘?，若超出變電站最大接入能力則削減饋線接入容量直至滿足為止。

4 算例

選取某新建經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)開展算例應(yīng)用，開發(fā)區(qū)面積為11.56平方公里，用地性質(zhì)以高端產(chǎn)業(yè)、科技研發(fā)、商務(wù)居住為主。該區(qū)域分布式電源主要光伏發(fā)電，10 kV電網(wǎng)接入。新建開發(fā)區(qū)A1地塊分布式電源分布示意圖如圖4所示。

圖4 經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)A1地塊分布式電源分布圖

4.1 可接入分布式電源總?cè)萘糠治?/h3>

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測，開發(fā)區(qū)2020年負(fù)荷預(yù)測值為90 MW，規(guī)劃2座110 kV變電站供電，變電站總?cè)萘?00 MVA。每座變電站最大負(fù)荷為45 MW，全年最小負(fù)荷與最大負(fù)荷的比例系數(shù)為40%，變電站最小負(fù)荷為18 MW。變電站最大接入能力為：

共計(jì)可接入136 MW。規(guī)劃10 kV饋線20條，平均單條饋線接入分布式電源6.8 MWp，最大接入9 MWp。

4.2 分布式電源接入規(guī)劃

根據(jù)分段方式、分布式電源接入方式的不同，提出兩種方案：

方案一：饋線分為3分段，分支饋線分布式電源裝接容量超過3 000 kWp。1#、3#、5#、10#地塊分布式電源集中接入第一分段的分支上。

圖5 A1地塊供電方案1示意圖

方案二：饋線分為4分段，分支饋線分布式電源裝接容量均小于2 400 kWp，超過者增加分支。每段的接入容量按照本文所提“段內(nèi)機(jī)容匹配原則”。10#地塊2 476 kWp接入1#分段，3個976 kWp接入2#分段。平均分段容量為2.5 MVA，平均分布式電源裝接容量約為2.4 MWp。

圖6 A1地塊供電方案2示意圖

4.3 規(guī)劃效果分析

計(jì)算方案一與方案二的供電可靠性、網(wǎng)損等相關(guān)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同規(guī)劃方案效果計(jì)算

可以看出，采用方案二供電可靠性停電損失降低4.17%，發(fā)電商停電發(fā)電量降低3.72%，網(wǎng)損相對降低較小為1.6%。可以看出，優(yōu)化分段、采用“段內(nèi)機(jī)容配比原則”接入分布式電源規(guī)劃對電網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有影響，特別是用戶停電損失，因此推薦方案二。

5 結(jié)束語

本文基于理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)置電網(wǎng)典型計(jì)算參數(shù)，總結(jié)提出一般性規(guī)劃原則，具體如下：

1）若考慮配變低壓側(cè)配置無功自動投切裝置，饋線分布式電源接入容量受限于最大輸送容量。變電站接入分布式電源總?cè)萘繛樽冸娬綨-1容量與變電站最小負(fù)荷之和。

2）對于分布式電源容量越大的饋線，增加分段對故障停電損失降幅更加明顯，但考慮分段投資，最優(yōu)分段取為4-6段。

3）基于網(wǎng)損最小約束條件，提出“段內(nèi)機(jī)容匹配原則”，即段內(nèi)配變?nèi)萘颗c段內(nèi)分布式電源裝機(jī)容量配置相當(dāng)。

本文所提的方法及一般性原則是面向饋線典型接線模式做出的嘗試性研究，當(dāng)接線模式較為復(fù)雜，分布式電源接入容量差異較大的情況，求解將更加復(fù)雜，如何采用有效的算法求解有待進(jìn)一步研究。