摘要：近年來，隨著可再生能源與智能電網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，分布式電源演變成一種非常重要的能源供應(yīng)方法。分布式電源具有靈活性、環(huán)保性及穩(wěn)定性等多種優(yōu)勢，可以為用戶提供非常方便的能源服務(wù)。有效整合分布式電源和主網(wǎng)供電方式，是當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的主要方向之一。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；分布式電源；協(xié)調(diào)規(guī)劃

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.019

中圖分類號：TM 715 文獻標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-04

Research on Coordinated Planning of Distribution Networks

with Distributed Power Sources

SHA Yuchen， WANG Yanhong

（State Grid Wuxi Power Supply Company， Wuxi 214000， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of renewable energy and smart grid technology， distributed power generation has evolved into a very important energy supply method. Distributed power generation has various advantages such as flexibility， environmental friendliness， and stability， which can provide users with very convenient energy services. Effectively integrating distributed power sources and main grid power supply is one of the main directions for the development of smart grids at present.

Keywords： distribution network; distributed power generation; coordinated planning

0 引言

在配電網(wǎng)中，接入分布式電源既可以滿足不斷改變的用電需求，降低輸電耗損，又可以提升電能的使用效率。但是，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)架構(gòu)不能使分布式電源的需求得到滿足，所以有必要重新規(guī)劃與運行配電網(wǎng)，這樣可以將分布式電源的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致，使供電的穩(wěn)定性與可靠性得到有效保障。然而，分布式電源的接入還會對配電網(wǎng)的復(fù)合水平與功率平衡產(chǎn)生直接影響，這就需要合理規(guī)劃分布式電源的接入容量，從而提高電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性[1]。

1 含分布式電源的配電網(wǎng)概述

1.1 分布式電源

分布式電源是指功率在數(shù)千瓦至50兆瓦范圍中的模塊化、小型的單獨電源。負責(zé)這些電源投資建設(shè)與運營的主導(dǎo)者是電力用戶、電力部門及第三方，他們是在用戶現(xiàn)場設(shè)計與安裝的主要群體，這樣可以使高峰期城市的居民、商業(yè)區(qū)和其他用戶的電力需求得到滿足。這些分布式電源還可以滿足現(xiàn)有配電網(wǎng)的運行需求，進一步提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與安全性。分布式電源的類型多種多樣，其中小型光伏發(fā)電、燃料電池、燃氣輪機、燃料電池的混合設(shè)備等是常見的分布式電源。這些小型發(fā)電機組非常靈活，具有獨立性的特點，可以根據(jù)用戶的具體要求進行設(shè)計，進而減少電網(wǎng)建設(shè)的成本。此外，因為每個機組之間都是互相獨立的，如果某個機組出現(xiàn)問題，不會影響其他機組的正常運行，這樣可以有效保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[2]。

分布式電源和原來的集中式發(fā)電相比，具有非常明顯的優(yōu)點。分布式電源可以彌補集中式發(fā)電存在的缺陷，為用戶提供更多的電力保障。在自然災(zāi)害或者其他緊急狀況下，分布式電源能夠快速地恢復(fù)供電，保證主要設(shè)備與服務(wù)正常運行。

1.2 含分布式電源配電網(wǎng)的特點

分布式電源憑借自身容量小、低電源出口電壓等特點，為公用化配電網(wǎng)接入體系提供全面的接入方案。在這種背景下，分布式電源的配電網(wǎng)呈現(xiàn)出很多特點：一是分布式電源全面運用，在一定程度上擴大了配電網(wǎng)的規(guī)模，加強其復(fù)雜程度，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更具有復(fù)雜性；二是為了滿足主要用戶的需求，往往會使用鏈式、雙輻射等穩(wěn)定的連線方式；三是隨著我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)網(wǎng)架的不斷優(yōu)化與升級，會大量減少單條配電線路的使用，從而提升供電半徑的科學(xué)性與合理性。這些特征的改變使配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃與管理面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。所以，在配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃期間，應(yīng)綜合考慮這些特性，保證配電網(wǎng)在運行過程中的經(jīng)濟性、安全性及穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)該主動探索與優(yōu)化協(xié)調(diào)規(guī)劃的方式與技術(shù)，從而滿足配電網(wǎng)未來發(fā)展提出的新要求[3]。

2 分布式電源對配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的影響

2.1 增強配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的復(fù)雜性

其一，從電力負荷預(yù)測方面來看，分布式電源可以使偏遠地區(qū)或者是商業(yè)區(qū)的用戶要求得到滿足，同時減少從配電網(wǎng)主網(wǎng)中獲得的電量，從而減少了電網(wǎng)負荷的部分增長。但是，這種減少的作用會影響配電網(wǎng)負荷預(yù)測的精準性與穩(wěn)定性。由于原來的負荷預(yù)測主要是以配電網(wǎng)的增長量作為基礎(chǔ)，所以在協(xié)調(diào)規(guī)劃期間，應(yīng)精準地評價分布式電源所帶來的影響，從而全面提高負荷預(yù)測的精準性。其二，分布式電源還會影響配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的目標(biāo)。原來的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃非常注重配電網(wǎng)建設(shè)與運營的費用，然而當(dāng)引進分布式電源后，規(guī)劃人員還需要綜合考慮分布式電源的投資、運行費用，配電網(wǎng)和分布式電源之間的協(xié)調(diào)，在一定程度上增加了配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的復(fù)雜性，并且還要求規(guī)劃人員制定更詳細的目標(biāo)。其三，分布式電源分布的不合理與負荷增長的隨機性使電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃面臨很多難題。因為在協(xié)調(diào)規(guī)劃過程中不能確定分布式電源的位置與容量，這就需要規(guī)劃人員根據(jù)具體情況隨時改變自己的方案，從而保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。其四，分布式電源對配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的約束條件與策略產(chǎn)生直接影響。在規(guī)劃期間，不僅要滿足電力增長負荷的要求，而且需要綜合考慮分布式電源的電壓、功率需求及位置等因素。這就需要規(guī)劃人員在擬定方案時注重分布式電源，進行協(xié)調(diào)與配合。隨著分布式電源行業(yè)的迅猛發(fā)展與投資主體的多樣化，配電網(wǎng)與分布式電源之間面臨著更加激烈的競爭，規(guī)劃人員在擬定方案時應(yīng)高度重視各方利益的均衡與協(xié)調(diào)[4]。

2.2 配電網(wǎng)的模式發(fā)生改變

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中不可缺少的構(gòu)成元素，主要組成部分是電力電纜、架空線路、隔離開關(guān)、變壓器及無功補償設(shè)備等。在運行期間，配電網(wǎng)因為電壓、線路損耗及線路潮流等因素產(chǎn)生的影響，會出現(xiàn)一定的線損率。隨著分布式電源的引進，明顯改變了配電網(wǎng)的運行方式與結(jié)構(gòu)。因為分布式電源和配電網(wǎng)主電源存在非常大的差異，所以在協(xié)調(diào)規(guī)劃分布式電源過程中，應(yīng)全面考慮負荷曲線等因素。為了更好地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，在配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃過程中使用了雙層規(guī)劃的方式。雙層規(guī)劃作為一種遞階結(jié)構(gòu)，主要目的是完善配電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)分布式電源的合理化分配。首層規(guī)劃非常重視配電網(wǎng)負荷電源與分布式電源的負荷曲線及運行時間，經(jīng)過計算明確的裝機容量，將最低成本作為原則。該層規(guī)劃旨在保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運行，使用戶的要求得到滿足。第二層協(xié)調(diào)規(guī)劃是將最低建設(shè)成本當(dāng)作目標(biāo)函數(shù)，明確分布式電源的分配與配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這層規(guī)劃中，應(yīng)綜合考慮各種約束條件，比如線路潮流、電壓平穩(wěn)性及線路耗損等。經(jīng)過完善決策，能夠協(xié)調(diào)運行配電網(wǎng)和分布式電源，從而有效提升電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性與總體效率[5]。

雙層規(guī)劃方式的明顯優(yōu)點是可以全面考慮配電網(wǎng)與分布式電源之間的互相影響，協(xié)同優(yōu)化配電網(wǎng)與分布式電源。通過構(gòu)建上下層之間的反饋與決策制度體系，逐步優(yōu)化與完善配電網(wǎng)與分布式電源的配置，從而實現(xiàn)理想的運行效果，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。通過應(yīng)用這種方法能夠提升配電網(wǎng)運行質(zhì)效，從而有效保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

3 含分布式電源的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化模型的建立

電網(wǎng)規(guī)劃模型的建立過程具有綜合性與復(fù)雜性的特點，其核心是確定合適的目標(biāo)函數(shù)與恰當(dāng)?shù)募s束方程。但是要控制資金成本，需要全面考慮多種影響，主要包含線路成本、網(wǎng)絡(luò)損耗和環(huán)境因素等。當(dāng)把分布式電源引入配電網(wǎng)中時，就會使問題呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。對于這個問題，需要構(gòu)建多目標(biāo)模型進行處理，筆者根據(jù)權(quán)重法建立了以下多目標(biāo)的規(guī)劃模型：

（1）

式中，Z作為配電網(wǎng)的運維綜合投資會受到很多方面因素的影響，F(xiàn)1是配電網(wǎng)優(yōu)化成本，指在接入分布式電源的情況下，對配電網(wǎng)進行必要的規(guī)劃、調(diào)整和升級改造所產(chǎn)生的費用。F2 是分布式電源年運維費用，指在分布式電源的運行過程中，為了維持其正常工作狀態(tài)、保障其性能穩(wěn)定、進行設(shè)備保養(yǎng)、故障排查與修復(fù)等日常運行維護工作而每年需要支出的全部費用。F3是網(wǎng)絡(luò)損耗費用，指在含有分布式電源的電力網(wǎng)絡(luò)中，由于電流在傳輸線路、變壓器等設(shè)備中流動時產(chǎn)生的電阻損耗、漏電損耗、磁滯損耗等各種能量損失所對應(yīng)的經(jīng)濟成本。F4是環(huán)境效益費用，指因分布式電源的引入而對環(huán)境產(chǎn)生的積極影響所對應(yīng)的量化經(jīng)濟價值。在全面考量這些費用后，應(yīng)引進α１、α２、α３、α４這些權(quán)重因子，從而使不同目標(biāo)之間的重要作用與優(yōu)先級保持均衡。結(jié)合具體情況優(yōu)化這些權(quán)重因子，直接呈現(xiàn)出不同的決策愛好與規(guī)劃目標(biāo)，針對這些權(quán)重因素，通?？梢越Y(jié)合配電網(wǎng)的具體狀況選擇，但是應(yīng)符合：

（2）

以下內(nèi)容主要是對4個子目標(biāo)函數(shù)的詳細表達式進行闡述。

（1）F1為配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃改造的費用，計算公式是：

（3）

式中，L主要是對總支路數(shù)進行協(xié)調(diào)規(guī)劃的范圍；是線路等效投資回收系數(shù)；γｊ在公式中代表的是協(xié)調(diào)規(guī)劃范圍線路使用的時間；β是配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃范圍固定的年利率；Ｃｊ1是j線路協(xié)調(diào)規(guī)劃時耗費的資金；ωｊ數(shù)值是0或者是為1的變量，當(dāng)該數(shù)值為0時，說明線路j需要進行升級，相反項目就不用升級；Cmj是協(xié)調(diào)規(guī)劃范圍中線路j的每年規(guī)定管理費用。

（2）F2為分布式電源接入的運維成本費用，具體公式是：

（4）

式中，ＣＮ，ｔ是在第t年，設(shè)備所投資的費用；c1是分布式電源的容量構(gòu)建；c2是分布式電源投資費用；ＣＬ，ｔ是接入分布式電源之后所花費的電量費用；ＰＤＧ，ｔ是在第t年分布式電源所建設(shè)的容量；CO，t是第t年系統(tǒng)運行過程中所花費的費用。

（3）F3為網(wǎng)絡(luò)損耗費用，計算公式是：

（5）

式中，Te表示配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃范圍中的單位電價；max、εj是j支路網(wǎng)絡(luò)損耗最大的小時數(shù)。

（4）F4是環(huán)境效益費用，具體公式為

（6）

式中，和eSO2，t是第t年CO2與SO2的減排量；P1與P2是降低單位排放CO2與SO2過程中投入的資金。

3.2 約束條件的選擇與控制

在配電網(wǎng)規(guī)劃模型中，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)設(shè)計完成后，接下來需要關(guān)注約束條件的選取和設(shè)定。這些約束條件對于確保規(guī)劃方案的準確性和可靠性至關(guān)重要。具體來說，在考慮分布式電源接入的情況下，應(yīng)選取以下約束方程來指導(dǎo)規(guī)劃過程。

（1）節(jié)點電壓約束過程中所使用的公式是：

（7）

式中，與分別代表的是i節(jié)點的壓降最大值與最小值；Vi是節(jié)點i的電壓。

（2）容量的約束公式是：

（8）

式中，P1k是第k條支路的潮流；其中第k條支路的潮流允許值為P1k，max。

（3）潮流約束公式是：

（9）

式中，Pt是在t時段節(jié)點引入的有功功率；是t時段節(jié)點能夠進入與線路流動功率存在直接關(guān)系的矩陣；dt是t時段線路流動的有功功率。

（4）分布式電源約束的公式是：

（10）

式中，S∑DG代表的含義是分布式電源的總裝機容量；SL代表的含義是配電網(wǎng)的總負荷。

（5）反潮流約束的計算公式是：

（11）

式中，PDGf是反方向傳輸過程中所承受的容量；PDGi與QDGi分別是分布式電源在i這條線路中的有功與無功功率；PLi與QLi分別是自身負荷在i這條支路輸出過程中的有功功率與無功功率；Simax為第i條支路中所承受的最大容量[6]。

4 結(jié)束語

本文立足于最小的投資角度，建立了一個分布式電源接入后的配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，該模型既考慮了配電網(wǎng)的經(jīng)濟性，同時還統(tǒng)籌了穩(wěn)定性與安全性，直觀體現(xiàn)了電網(wǎng)運行的具體要求。當(dāng)完善之后，明顯增強了配電網(wǎng)的總體性能，這樣既能保證電力供應(yīng)的高效性與穩(wěn)定性，同時還能夠更好地推動我國電力行業(yè)健康穩(wěn)定。

參考文獻

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