宋夢(mèng)琪，陶順，陳鵬偉

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

基于主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行特性的電壓質(zhì)量評(píng)估

宋夢(mèng)琪，陶順，陳鵬偉

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)在元件故障時(shí)可以主動(dòng)組網(wǎng)隔離故障，實(shí)現(xiàn)部分持續(xù)供電?；谶@一主動(dòng)運(yùn)行特性，計(jì)及主動(dòng)配電網(wǎng)的多運(yùn)行狀態(tài)，提出了主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量評(píng)估方法。首先對(duì)元件的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣得到系統(tǒng)的狀態(tài)與持續(xù)時(shí)間序列，并對(duì)系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行拓?fù)浔孀R(shí)和導(dǎo)納參數(shù)辨識(shí)；然后對(duì)分布式電源的出力和負(fù)荷采用拉丁超立方抽樣，孤島模式下計(jì)及功率平衡原則執(zhí)行儲(chǔ)能和負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制，得到分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的功率；最后對(duì)各運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行概率潮流計(jì)算，對(duì)電壓幅值結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用提出的節(jié)點(diǎn)電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)和孤島節(jié)點(diǎn)失電率指標(biāo)進(jìn)行電壓質(zhì)量評(píng)估。將所提方法應(yīng)用到基于RBTS-Bus2的主動(dòng)配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN)；概率潮流；電壓質(zhì)量評(píng)估

0 引 言

隨著配電網(wǎng)中分布式電源接入量和電動(dòng)汽車普及率的不斷增大以及可控負(fù)荷的增加，傳統(tǒng)配電網(wǎng)已逐漸從被動(dòng)模式向主動(dòng)模式轉(zhuǎn)變[1-3]。主動(dòng)配電網(wǎng)是通過使用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來管理潮流，以便對(duì)局部的分布式能源進(jìn)行主動(dòng)控制和主動(dòng)管理的配電系統(tǒng)，其中分布式能源的基本構(gòu)成是分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、分布式儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等[4]。主動(dòng)配電網(wǎng)在緊急情況下通過合理配置解列點(diǎn)，可使得主動(dòng)配電網(wǎng)的局部作為微網(wǎng)，而以非常態(tài)的方式孤島運(yùn)行[4-5]?；谶@一主動(dòng)運(yùn)行特性，在主動(dòng)配電網(wǎng)的局部孤島運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)由公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)變?yōu)閮?chǔ)能或者DG節(jié)點(diǎn)，影響潮流和電壓分布。文獻(xiàn)[6]指出微網(wǎng)在孤島模式下的電能質(zhì)量表征與并網(wǎng)不同，應(yīng)該有比并網(wǎng)時(shí)更加嚴(yán)格的電能質(zhì)量指標(biāo)，因此有必要開展對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)下電壓質(zhì)量的計(jì)算分析和評(píng)估。

潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量評(píng)估的基礎(chǔ)[7]，為綜合考慮電網(wǎng)中分布式電源的隨機(jī)性及其他不確定因素，概率潮流計(jì)算方法將概率論引入潮流計(jì)算中，得到了廣泛應(yīng)用。目前的研究主要集中在考慮分布式電源影響的概率潮流改進(jìn)計(jì)算以及在此基礎(chǔ)上的電壓質(zhì)量評(píng)估上[8-12]。然而主動(dòng)配電網(wǎng)的潮流計(jì)算和評(píng)估則報(bào)道不多，其中文獻(xiàn)[13]考慮了含逆變器微源的功率傳變特性，結(jié)合前推回代算法建立了微電網(wǎng)隨機(jī)潮流的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[14]采用半不變量法對(duì)孤島微電網(wǎng)進(jìn)行隨機(jī)潮流和分析。但現(xiàn)有文獻(xiàn)都沒有考慮主動(dòng)配電網(wǎng)在元件發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)可以主動(dòng)組網(wǎng)，維持供電的主動(dòng)運(yùn)行特性。

主動(dòng)配電網(wǎng)在元件發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)，網(wǎng)內(nèi)及其與主網(wǎng)可以主動(dòng)組網(wǎng)形成并網(wǎng)部分和孤島部分維持供電?；谶@一主動(dòng)運(yùn)行特性，本文提出主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量評(píng)估方法，綜合考慮在這一主動(dòng)運(yùn)行特性下元件的隨機(jī)故障帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)的多樣性以及源荷的隨機(jī)性，對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行概率潮流計(jì)算，統(tǒng)計(jì)和分析電壓幅值結(jié)果，并進(jìn)行電壓質(zhì)量評(píng)估。

1 基本流程設(shè)計(jì)

計(jì)及隨機(jī)故障，每個(gè)元件分別有運(yùn)行和故障2種狀態(tài)，所有元件狀態(tài)的組合構(gòu)成了主動(dòng)配電網(wǎng)的多種運(yùn)行狀態(tài)。由于主動(dòng)配電網(wǎng)具有發(fā)生故障后組網(wǎng)維持供電的主動(dòng)運(yùn)行特性，不同運(yùn)行狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微源(包括DG和儲(chǔ)能)配置情況有顯著差異。微源的故障與否決定了可運(yùn)行DG的接入節(jié)點(diǎn)和數(shù)量；線路故障與否以及故障的位置和數(shù)量則決定是否有孤島運(yùn)行的情況發(fā)生并影響孤島集合的數(shù)目以及并網(wǎng)和孤島集合的拓?fù)?。因此，運(yùn)行狀態(tài)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓分布有較大的影響，為準(zhǔn)確地評(píng)估主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，必須進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)模擬。為模擬系統(tǒng)運(yùn)行，本文首先對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行時(shí)序狀態(tài)模擬，獲得系統(tǒng)狀態(tài)與持續(xù)時(shí)間的序列；然后進(jìn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)分別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)(拓?fù)浔孀R(shí)和導(dǎo)納參數(shù)辨識(shí))，并采用拉丁超立方抽樣進(jìn)行源荷隨機(jī)變量模擬；繼而進(jìn)行潮流分析和評(píng)估。本文的電壓質(zhì)量評(píng)估基本流程設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1中N為抽樣次數(shù)，大小視收斂精度而定。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)的時(shí)序狀態(tài)模擬與運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)

2.1 時(shí)序狀態(tài)模擬

本文采用狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法，基于對(duì)元件狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的概率分布抽樣獲得網(wǎng)絡(luò)各元件的時(shí)序狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而構(gòu)成系統(tǒng)的狀態(tài)與持續(xù)時(shí)間序列。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量評(píng)估基本流程

元件采用兩狀態(tài)模型，0表示故障，1表示運(yùn)行。假設(shè)所有元件初始時(shí)刻處于運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)各元件形成1、0交替出現(xiàn)的狀態(tài)序列，然后根據(jù)元件的故障率和修復(fù)率抽樣獲得滿足指數(shù)分布的無故障工作時(shí)間和故障修復(fù)時(shí)間，從而模擬出時(shí)序下各元件的運(yùn)行狀態(tài)序列，如圖2所示。

圖2中：縱坐標(biāo)表示元件狀態(tài)，元件包括微源和配網(wǎng)內(nèi)線路，共有l(wèi)個(gè)，其中，將上級(jí)配電網(wǎng)視為電源，將其故障也考慮其中，斷路器等開關(guān)設(shè)備的誤動(dòng)、拒動(dòng)則等值考慮到線路故障率參數(shù)中；橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，d1，d2，…，dn表示狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，T1，T2，…，Tn表示

圖2 時(shí)序狀態(tài)模擬的過程

狀態(tài)結(jié)束的時(shí)間，基準(zhǔn)單位為h。綜合所有元件在時(shí)序上的狀態(tài)組合，即得到式(1)所示的系統(tǒng)狀態(tài)，即持續(xù)時(shí)間序列S。

(1)

式中Sk為從Tk-dk+1到Tk時(shí)間內(nèi)的各元件狀態(tài)組合，為l行的列向量。

對(duì)S進(jìn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，即得到系統(tǒng)的各運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)概率。

2.2 拓?fù)浔孀R(shí)

針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行拓?fù)浔孀R(shí)，獲得并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合和孤島節(jié)點(diǎn)集合，流程如下詳述。

(1)連通域的判定。根據(jù)線路元件狀態(tài)更新系統(tǒng)的鄰接矩陣，基于廣度優(yōu)先搜索算法(breadth-first-search，BFS)[15]，對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行遍歷，形成若干連通域，流程如圖3所示。

(2)形成并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合。篩選出含有PCC點(diǎn)的連通域，即為并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合。

(3)形成孤島節(jié)點(diǎn)集合。孤島工況下，孤島負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由微源保證供電連續(xù)性，孤島節(jié)點(diǎn)子集需要包含孤島負(fù)荷節(jié)點(diǎn)及與之相連的微源。篩選出既含有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)又含有無故障的“源”節(jié)點(diǎn)的連通域即為孤島節(jié)點(diǎn)子集。各孤島節(jié)點(diǎn)子集構(gòu)成孤島節(jié)點(diǎn)集合。

2.3 導(dǎo)納參數(shù)辨識(shí)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型可用網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)元件的連結(jié)關(guān)系確定，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣包含這2個(gè)方面的信息，可以簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地描述網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行潮流計(jì)算。在對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行拓?fù)浔孀R(shí)之后，首先根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行

圖3 連通域判定流程

狀態(tài)借由以元件狀態(tài)為權(quán)值的鄰接矩陣更新系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的連接關(guān)系信息，形成狀態(tài)更新后的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，然后對(duì)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合和孤島節(jié)點(diǎn)子集分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)提取互導(dǎo)納信息，進(jìn)而分別形成并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合和孤島節(jié)點(diǎn)子集的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。

3 源荷隨機(jī)變量模擬與潮流計(jì)算

3.1 源荷隨機(jī)變量模擬

對(duì)于風(fēng)機(jī)、光伏和負(fù)荷的隨機(jī)概率模型已有很多文獻(xiàn)介紹，可視實(shí)際情況選取。在隨機(jī)變量的概率模型建立后，本文對(duì)源荷的功率抽樣采用拉丁超立方抽樣法。該方法使抽樣點(diǎn)的分布比較均勻，從而能夠快速收斂。設(shè)隨機(jī)變量抽樣N次，拉丁超立方抽樣將其累計(jì)分布函數(shù)的縱軸分成N個(gè)等間距，每個(gè)等區(qū)間的寬度為1/N，在每個(gè)區(qū)間均勻分布抽取一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為抽樣值[8]。

設(shè)各變量相互獨(dú)立，則對(duì)于隨機(jī)變量Y，若Y的累積分布函數(shù)為F，第i次抽樣值為yi，將1—N的整數(shù)隨機(jī)打亂后得到的數(shù)字序列設(shè)為u，ui為u的第i個(gè)值，vi為0～1的隨機(jī)數(shù)，則拉丁超立方抽樣的結(jié)果為

(2)

孤島運(yùn)行時(shí)，視不同的運(yùn)行目標(biāo)可選用不同的運(yùn)行原則對(duì)源荷功率進(jìn)行修正。本文考慮當(dāng)前微源可使用容量，盡可能地保證負(fù)荷供電可靠性，采用孤島模式下的功率平衡原則，應(yīng)用文獻(xiàn)[16]的儲(chǔ)能-負(fù)荷協(xié)調(diào)控制模型，由多儲(chǔ)能裝置間的充放電功率分配與功率缺額下的負(fù)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制來保證孤島模式下的功率平衡，從而確定儲(chǔ)能以及執(zhí)行負(fù)荷控制后的負(fù)荷功率?？紤]到儲(chǔ)能裝置優(yōu)化運(yùn)行以延長(zhǎng)使用壽命的目標(biāo)，負(fù)荷控制以優(yōu)先供電-損失最小為原則，負(fù)荷控制與儲(chǔ)能之間存在協(xié)調(diào)配合與優(yōu)先級(jí)問題，儲(chǔ)能裝置與負(fù)荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制目標(biāo)函數(shù)如式(3)所示。

(3)

式中：C為孤島運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)能裝置可有效利用數(shù)；αi為儲(chǔ)能裝置i充放電引起的壽命損失成本系數(shù)，決定儲(chǔ)能裝置間充放電功率分配；PSB-i(t)為t時(shí)段對(duì)儲(chǔ)能裝置i的分配功率，PSB-i(t)>0為放電狀態(tài)，反之為充電狀態(tài)；D為孤島運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)；βj為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)j負(fù)荷控制損失系數(shù)，βj值的選擇直接影響各負(fù)荷控制優(yōu)先順序，關(guān)鍵負(fù)荷的負(fù)荷控制損失系數(shù)遠(yuǎn)大于非關(guān)鍵負(fù)荷；xj為負(fù)荷控制決策變量；

PLC-j(t)為t時(shí)段對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)j的可中斷負(fù)荷。

約束條件考慮了孤島運(yùn)行功率平衡約束、儲(chǔ)能裝置在實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在的最大充放電功率約束和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的可控制性約束，具體見附錄A。

3.2 潮流計(jì)算

在拉丁超立方抽樣獲得源荷的模擬功率后，基于第2節(jié)得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥?shù)，采用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，多次模擬即可得到各狀態(tài)下的概率潮流結(jié)果。

主動(dòng)配電網(wǎng)多運(yùn)行狀態(tài)下的潮流計(jì)算的關(guān)鍵在于平衡節(jié)點(diǎn)的確定。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，PCC點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，為配網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓支撐；當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，為使孤島電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，一般需要穩(wěn)定的電壓源支撐，儲(chǔ)能電池是首選方案[17]，而當(dāng)儲(chǔ)能發(fā)生故障或者功率輸出為0時(shí)，DG的逆變器控制可以起到維持電壓的作用[18]，而對(duì)于沒有被選作平衡節(jié)點(diǎn)的DG，均可簡(jiǎn)化處理為PQ節(jié)點(diǎn)[8]。

對(duì)辨識(shí)后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算的流程如圖4所示。

4 統(tǒng)計(jì)分析與評(píng)估

4.1 統(tǒng)計(jì)分析

得到各狀態(tài)下的概率潮流結(jié)果后，結(jié)合各狀態(tài)的發(fā)生概率，應(yīng)用條件概率公式可得到各電壓偏差結(jié)果及其概率值，并基于此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

圖4 潮流計(jì)算流程

4.2 評(píng)估指標(biāo)

應(yīng)用該計(jì)算方法進(jìn)一步評(píng)估主動(dòng)配電網(wǎng)中某些因素對(duì)并網(wǎng)和孤島電壓質(zhì)量表征的影響。在評(píng)估過程中為方便定量比較，定義以下2個(gè)指標(biāo)。

(1)電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)值。為綜合考慮電壓偏差的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度，定量地反映主動(dòng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的偏差情況，本文將風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用于主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量評(píng)估中，定義節(jié)點(diǎn)電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)值SRISK為

(4)

式中：O為包含a個(gè)狀態(tài)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)集合；Oi為其中第i個(gè)狀態(tài)；b為節(jié)點(diǎn)在Oi狀態(tài)下模擬運(yùn)行的非中斷的電壓幅值個(gè)數(shù)；Uij為節(jié)點(diǎn)在Oi狀態(tài)下的第j個(gè)非中斷電壓幅值；p(Uij)為Uij在狀態(tài)Oi中發(fā)生的概率；p(Oi/O)狀態(tài)Oi在狀態(tài)集合O中出現(xiàn)的概率。

(2)孤島節(jié)點(diǎn)失電率。定義孤島節(jié)點(diǎn)失電率Poutage為節(jié)點(diǎn)處于孤島時(shí)電壓中斷的概率，反映主動(dòng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)供電質(zhì)量。

(5)

式中：I為節(jié)點(diǎn)屬于孤島節(jié)點(diǎn)子集時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)集合；Ii為其中第i個(gè)狀態(tài)；p(Uoutage,i)為節(jié)點(diǎn)在狀態(tài)Ii中電壓為0的概率；p(Ii/I)為狀態(tài)Ii在運(yùn)行狀態(tài)集合I中出現(xiàn)的概率。

5 算例分析

5.1 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)

本文在 RBTS Bus2系統(tǒng)[15]中截選F2與F4饋線并配置儲(chǔ)能和DG，將修改后的系統(tǒng)作為電壓質(zhì)量評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電壓質(zhì)量評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)中PCC點(diǎn)處的變壓器為35 kV /11 kV，容量為12.5 MV·A，其他變壓器為11 kV /0.4 kV，容量為1 MV·A。各線路長(zhǎng)度以及線路等網(wǎng)絡(luò)元件故障率和修復(fù)時(shí)間參見文獻(xiàn)[15]，各電源故障率和修復(fù)時(shí)間參考文獻(xiàn)[19-20]，如表1所示。

算例計(jì)算收斂精度設(shè)為10-4。算例中光伏采用文獻(xiàn)[21]中光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本出力模型，風(fēng)電機(jī)組出力隨機(jī)模型參考文獻(xiàn)[8]，負(fù)荷采用計(jì)及負(fù)荷類型的負(fù)荷隨機(jī)模型，具體見附錄B。各隨機(jī)變量模型的參數(shù)取值如下詳述。

表1 故障率和平均修復(fù)時(shí)間參數(shù)

Table 1 Parameter of failure rate and

mean time to resolution

(1)光伏參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W·m-2；功率溫度系數(shù)為-0.45%/℃；太陽電池組件的實(shí)際溫度由正態(tài)分布抽樣得到；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的電池溫度為25 ℃；光照強(qiáng)度取自北京市某地某典型日數(shù)據(jù)。

(2)風(fēng)機(jī)參數(shù)：切入風(fēng)速為3 m/s；切出風(fēng)速為 25 m/s；額定風(fēng)速為12 m/s；尺度參數(shù)為8.53；形狀參數(shù)為2。

(3)儲(chǔ)能負(fù)荷協(xié)調(diào)控制參數(shù)參見文獻(xiàn)[16]。

(4)負(fù)荷參數(shù)：由于本文選取的儲(chǔ)能-負(fù)荷協(xié)調(diào)控制模型中負(fù)荷控制的優(yōu)先順序與負(fù)荷的重要程度有關(guān)，本文考慮了4類負(fù)荷，分別為商業(yè)負(fù)荷(節(jié)點(diǎn)12、18)、大用戶(節(jié)點(diǎn)19、20)、居民負(fù)荷(節(jié)點(diǎn)13、14、15)、政府及醫(yī)療負(fù)荷(節(jié)點(diǎn)16、17)，4類負(fù)荷的日基本負(fù)荷水平序列如圖6所示。

圖6 4類負(fù)荷的負(fù)荷曲線

5.2 算例分析

應(yīng)用本文方法對(duì)圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)在不同的DG滲透率下進(jìn)行電壓質(zhì)量計(jì)算、分析和評(píng)估。由于當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)存在孤島運(yùn)行時(shí)，孤島網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)從PCC點(diǎn)變成了儲(chǔ)能或者DG節(jié)點(diǎn)，而并網(wǎng)和孤島的平衡節(jié)點(diǎn)電壓并不相同。為方便比較，本文用標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算，平衡點(diǎn)電壓為1 pu，得到的電壓幅值可直觀反映節(jié)點(diǎn)在并網(wǎng)和孤島下節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)各自平衡節(jié)點(diǎn)的偏差程度。

5.2.1 節(jié)點(diǎn)電壓偏差概率統(tǒng)計(jì)與分析

DG滲透率固定，微源的配置為：2臺(tái)1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)、1個(gè)0.8 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)和2套 0.36 MW·h儲(chǔ)能裝置。其中儲(chǔ)能裝置最大充放電功率為 0.12 MW，各節(jié)點(diǎn)總平均負(fù)荷功率為5.539 9 MW，DG容量占負(fù)荷比例為50.54%。

由于并網(wǎng)狀態(tài)的概率較孤島狀態(tài)大的多，計(jì)及對(duì)孤島電壓偏差概率分布的展現(xiàn)，分別統(tǒng)計(jì)同一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在并網(wǎng)和孤島下的結(jié)果得到其電壓幅值概率分布。以負(fù)荷節(jié)點(diǎn)17為例，其處于并網(wǎng)和孤島時(shí)的電壓幅值概率分布對(duì)比如圖7所示。本算例中，孤島的電壓幅值概率分布是剔除了中斷后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 節(jié)點(diǎn)17的電壓幅值概率分布

圖7中，節(jié)點(diǎn)17在并網(wǎng)時(shí)的電壓分布呈現(xiàn)2個(gè)峰狀分布。這是由于節(jié)點(diǎn)處于并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)無故障的狀態(tài)概率遠(yuǎn)大于其他狀態(tài)，而該狀態(tài)下，在中午和下午日照強(qiáng)度達(dá)到頂峰的時(shí)段，光伏的出力及基本負(fù)荷水平在這一時(shí)段內(nèi)變化都相對(duì)較小，電壓幅值會(huì)在某一值附近集中，形成峰，由于此時(shí)處于重載時(shí)段，因此峰的位置在電壓幅值較低處。而在夜間，光伏出力為0，加之基本負(fù)荷水平變化較小，電壓形成第2個(gè)集中區(qū)域，由于處于輕載時(shí)段，為圖中第2個(gè)峰。可見，兩峰狀分布形成的原因主要是由于功率的大幅波動(dòng)(光伏)以及負(fù)荷水平的峰谷差。

類似地，每一個(gè)孤島狀態(tài)也傾向于形成兩峰分布。但由于除了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與上級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)脫離的情況，其他的孤島狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)都比并網(wǎng)時(shí)要小，且50%的滲透率往往不足以支撐整個(gè)孤島網(wǎng)絡(luò)的供電，一部分負(fù)荷會(huì)被切除，因此，每個(gè)孤島狀態(tài)下兩峰的電壓幅值普遍比并網(wǎng)時(shí)高，各孤島狀態(tài)下的兩峰對(duì)應(yīng)電壓幅值分布也較為集中，對(duì)所有的孤島狀態(tài)統(tǒng)計(jì)得到孤島電壓分布呈現(xiàn)圖7的趨勢(shì)。從圖7中可以看出，曲線在電壓幅值為1 pu的位置呈現(xiàn)一個(gè)小的峰值，這是由于當(dāng)該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)被切除時(shí)，若支撐點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)之間沒有運(yùn)行的負(fù)荷或者微源，則會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓為1 pu的情況。

由圖7還可以看出，節(jié)點(diǎn)處于孤島時(shí)的電壓幅值水平較并網(wǎng)時(shí)要高，分布更為集中，且相較于節(jié)點(diǎn)處于并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)無故障狀態(tài)占主導(dǎo)地位呈現(xiàn)兩峰趨勢(shì)，節(jié)點(diǎn)17處于孤島網(wǎng)絡(luò)時(shí)呈現(xiàn)多峰趨勢(shì)。

5.2.2 評(píng)估分析

應(yīng)用該計(jì)算方法，本算例選取節(jié)點(diǎn)位置及DG滲透率2個(gè)影響因素評(píng)估其對(duì)電壓質(zhì)量的影響。

5.2.2.1 節(jié)點(diǎn)位置對(duì)電壓質(zhì)量的影響評(píng)估

在DG滲透率固定的情況下，分析比較與PCC點(diǎn)相距由遠(yuǎn)到近的3個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓分布情況，其中節(jié)點(diǎn)17的電壓分布見圖7，節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)12的電壓分布如圖8—9所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)15的電壓幅值概率分布

圖9 節(jié)點(diǎn)12的電壓幅值概率分布

由圖7—9可見，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，電壓幅值分布都呈現(xiàn)2個(gè)高峰，且電壓水平大小關(guān)系為節(jié)點(diǎn)12>節(jié)點(diǎn)15>節(jié)點(diǎn)17，即同一饋線上的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)距離PCC點(diǎn)越近，其電壓水平越高。

在孤島狀態(tài)下，電壓幅值水平為節(jié)點(diǎn)12>節(jié)點(diǎn)15>節(jié)點(diǎn)17；集中度為節(jié)點(diǎn)12>節(jié)點(diǎn)15>節(jié)點(diǎn)17。這是由于相對(duì)于節(jié)點(diǎn)17僅靠近儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)6，節(jié)點(diǎn)15距離其他微源都較節(jié)點(diǎn)17更近，而以節(jié)點(diǎn)12為中心，均勻分布了微源節(jié)點(diǎn)2、3、4、5，由于孤島時(shí)的平衡節(jié)點(diǎn)具有隨機(jī)性，因此，微源以其為中心均勻分布的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)近平衡點(diǎn)的概率更大，孤島電壓幅值會(huì)更集中，呈現(xiàn)的峰數(shù)會(huì)更少，電壓水平也會(huì)更高。

3個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)值如表2所示。由表2可得：并網(wǎng)時(shí)，同一饋線上的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)距離PCC點(diǎn)越近，風(fēng)險(xiǎn)值越小；孤島時(shí)，微源以其為中心均勻分布的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)12)的風(fēng)險(xiǎn)值最小，而微源距離節(jié)點(diǎn)成輻射分布的節(jié)點(diǎn)17的風(fēng)險(xiǎn)值最大。

表2 電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)值比較

Table 2 Comparison of voltage deviation risk values

5.2.2.2 DG滲透率對(duì)電壓質(zhì)量的影響評(píng)估

以節(jié)點(diǎn)17為例，對(duì)滲透率為30%和70%的結(jié)果也分別進(jìn)行了計(jì)算、分析與評(píng)估，比較滲透率對(duì)并網(wǎng)和孤島下電壓分布的影響。

微源的配置為：(1)滲透率為30%的微源包含2臺(tái)0.6 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)、1個(gè)0.4 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)和2套0.3 MW·h儲(chǔ)能裝置，其中儲(chǔ)能裝置最大充放電功率為0.15 MW，各節(jié)點(diǎn)總平均負(fù)荷功率為5.539 9 MW，DG容量占負(fù)荷比例為28.89%；(2)滲透率為70%的微源包含2臺(tái)1.4 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)、1個(gè)1.1 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)和2套0.8 MW·h儲(chǔ)能裝置，其中儲(chǔ)能裝置最大充放電功率為0.4 MW，各節(jié)點(diǎn)總平均負(fù)荷功率為5.539 9 MW，DG容量占負(fù)荷比例為70.40%。

節(jié)點(diǎn)17在DG滲透率為30%和70%下的電壓分布結(jié)果分別如圖10—11所示。

圖10 30%滲透率下的節(jié)點(diǎn)17電壓幅值概率分布

圖11 70%滲透率下的節(jié)點(diǎn)17電壓幅值概率分布

電壓質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比如表3所示。對(duì)比圖10、圖11和表3可知，節(jié)點(diǎn)17處于并網(wǎng)時(shí)，不同滲透率下的電壓分布呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，但滲透率越高，第1個(gè)峰值的對(duì)應(yīng)電壓幅值越小，曲線呈現(xiàn)沿橫軸向左拉伸的趨勢(shì)，這是因?yàn)闈B透率越高，電壓幅值受微源的狀態(tài)和波動(dòng)的影響越大。而處于孤島時(shí)，滲透率越低，節(jié)點(diǎn)17的電壓水平越高，并且越集中，風(fēng)險(xiǎn)值也越小，這是因?yàn)闈B透率低的情況下，由于供求不平衡，更多的負(fù)荷被切除，網(wǎng)損大大減小，這就使得依然被供應(yīng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓幅值較高。從孤島節(jié)點(diǎn)失電率則可以看出，滲透率越低，孤島節(jié)點(diǎn)失電率越高，可見，雖然此時(shí)電壓質(zhì)量集中度最高，偏差水平最小，但是持續(xù)供電質(zhì)量較差。

表3 電壓質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

Table 3 Comparison of voltage quality indices

6 結(jié) 論

(1)本文提出了基于主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行特性的電壓質(zhì)量評(píng)估方法，該方法可通過靈活設(shè)置不同的DG和負(fù)荷的模型以及孤島時(shí)的運(yùn)行原則來模擬主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)際需要。本文選取源荷模型，采用能量平衡的孤島運(yùn)行原則，將此方法應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

(2)綜合考慮負(fù)荷節(jié)點(diǎn)位置、DG滲透率對(duì)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差情況進(jìn)行評(píng)估，可為主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)壓和規(guī)劃提供參考。另外，在孤島運(yùn)行過程中結(jié)合節(jié)點(diǎn)電壓偏差風(fēng)險(xiǎn)和孤島節(jié)點(diǎn)失電率來開展主動(dòng)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量評(píng)估，可綜合考慮負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)電壓偏差和供電持續(xù)性。

本文計(jì)及主動(dòng)配電網(wǎng)的孤島運(yùn)行能力這一主動(dòng)運(yùn)行特性，提供了一個(gè)主動(dòng)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量計(jì)算分析和評(píng)估的平臺(tái)，進(jìn)一步的工作可以考慮其他更加復(fù)雜的主動(dòng)運(yùn)行特點(diǎn)或規(guī)則，在本文所提出的平臺(tái)基礎(chǔ)上，修改主動(dòng)運(yùn)行規(guī)則，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量評(píng)估。

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(編輯 景賀峰)

附錄A

儲(chǔ)能-負(fù)荷協(xié)調(diào)控制模型的約束條件如式(A1)所示。

(A1)

儲(chǔ)能裝置放電時(shí)，PSB-i(t)>0，t時(shí)段截止荷電狀態(tài)為

(A2)

儲(chǔ)能裝置充電時(shí)，PSB-i(t)≤0，t時(shí)段截止荷電狀態(tài)為

(A3)

式中：ηCi，ηDi分別為充電效率和放電效率；σi為儲(chǔ)能裝置每小時(shí)自放電率。

附錄B

電力負(fù)荷具有時(shí)變性，長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證，隨機(jī)潮流計(jì)算中負(fù)荷的隨機(jī)模型符合正態(tài)分布。但除了負(fù)荷固有的隨機(jī)性外，不同類型負(fù)荷的負(fù)荷水平不同，為表征負(fù)荷的多樣性，計(jì)及不同類型負(fù)荷的負(fù)荷水平，采用負(fù)荷模型如式(B1)所示。

PL(t)=PL0(t)+Pα(t)

(B1)

式中：PL0(t)為某類負(fù)荷日基本負(fù)荷水平序列t時(shí)刻的功率水平，該序列由典型日負(fù)荷曲線按固定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)劃分而成，t∈[0, 24] h；Pα(t)為負(fù)荷波動(dòng)分量，可利用正態(tài)分布隨機(jī)抽樣來模擬。

Power Quality Evaluation in Active Distribution Network Based on Its Operation Characteristics

SONG Mengqi, TAO Shun, CHEN Pengwei

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

When faults occur in active distribution network (ADN), the isolation of malfunctions can ensure continuous power supply for un-faulted region. Based on these active operation characteristics, this paper proposes an power quality evaluation method for ADN with considering the multi operation states of ADN. Firstly, the state duration of components is sampled, a sequence of the system state and duration can be further obtained, and the topology and parameter identification of network in each state are implemented. Then Latin hypercube sampling is adopted for loads and the distributed generation outputs, and the coordinated control between energy storage and loads is implemented considering the principle of power balance in the island mode, so that the power of the distributed generation, energy storage and loads can be obtained. Finally, we calculate the probabilistic power flow under each running state, statistically analyze the voltage amplitude results, and use the proposed indexes of voltage deviation risk and island node outage probability to evaluate the voltage quality. The application in the ADN test system based on RBTS-Bus2 proves the efficiencies of the proposed method.

active distribution network (ADN); probabilistic power flow calculation; power quality evaluation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207051)

TM 712

A

1000-7229(2016)12-0119-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.016

2016-07-06

宋夢(mèng)琪(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估；

陶順(1972)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)和電能質(zhì)量等；

陳鵬偉(1992)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量、分布式發(fā)電技術(shù)與主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51207051)