規劃階段含微網的配電網電能質量評估

閻 鼎，龍 禹，程浩忠，何吉彪，陳 楷

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.南京供電公司，南京 210019）

規劃階段含微網的配電網電能質量評估

閻 鼎1，龍 禹2，程浩忠1，何吉彪1，陳 楷2

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.南京供電公司，南京 210019）

提出一種對規劃階段含微網的配電網電能質量進行合理評估的有效方法。該文首先論述了規劃階段電能質量評估的重要性與存在的困難，分析了不同分布式電源接入對電能質量的影響。然后以微網接入點短路容量與各分布式電源容量為數據基礎，基于層次分析法對規劃階段接入不同結構微網的配電網進行電能質量評估。該方法可以根據微網中不同類型、不同排列方式的分布式電源對微網接入點造成的電能質量影響設定判斷矩陣，使電能質量評估結果更加客觀、科學、合理。

規劃階段；電能質量評估；微網；層次分析法

電能質量評估非常復雜，現有文獻一般并沒有給出評估方式的完整定義，更沒有分析它們相互之間的內在聯系[1]。且目前大量的電能質量評估是基于電力系統運行階段的，而適用于電力系統規劃階段的電能質量評估研究卻非常少。如果能在規劃階段對電能質量進行評估，就可以及時給電力規劃人員進行反饋，以便及時調整規劃策略。以此避免工程建成后的再調整，造成人力物力的浪費，降低工程經濟效益等情況的發生。

微網是相對傳統大電網的一個概念，系指多個分布式電源及其相關負載按照一定的拓撲結構組成的網絡，并通過靜態開關關聯至常規電網。隨著微網技術的發展，更多電力用戶傾向于使用微網，以提升供電可靠性。但是微網接入在配電系統中，微電源的接入會改變微網的潮流方向和配電網的結構，這使得并網后的含微網配電系統在運行、控制和保護等各方面都會對電能質量產生影響[2，3]。如何在電力網絡規劃階段對微網接入點進行電能質量評估就成為一個課題。

由于規劃階段無法獲得電能質量相關的實測數據，比如電壓諧波總畸變率、短時閃變嚴重程度、三相不平衡度以及電壓偏差等數據，所以必須構造一套適應于規劃階段電能質量評估的科學合理的方法及體系。

文獻[4]確定了電能質量評估的各項指標，提出采用模糊原理綜合多項指標，實現定量評價電能質量，但該方法沒有給出各指標間的量化關系；文獻[5]提出采用模糊綜合評價方法進行評價，但沒說明如何確定權重；文獻[6]結合層次分析法及模糊方法進行綜合評價，但當考慮指標比較多時可能會出現判斷矩陣不具有一致性的情況。

本文詳細分析了微網中不同種類分布式電源以不同方式接入配電網所造成的電能質量影響，以此更加客觀地設定層次分析法中各分布式電源的權重。由于規劃階段無法獲得電網運行的詳細數據，所以本文以微網接入點短路容量與各分布式電源容量為數據基礎，基于層次分析法對不同結構微網接入點進行電能質量評估。該方法可根據微網中不同類型、不同排列方式的分布式電源對微網接入點造成的影響設定判斷矩陣，使電能質量評估結果更加客觀、科學、合理。

1 各分布式電源對電能質量各指標的影響

分布式電源并網對電能質量的影響主要在于電壓波動和閃變、電力諧波和電壓穩定性等方面[6]。所以本文從電壓偏差、電壓波動與閃變、電力諧波與電壓暫降4個指標對電能質量進行評估。

分布式電源與電網互聯接口的不同會對電能質量各指標造成不同程度的影響。目前分布式電源與電網互聯的接口一般有3種形式：電力電子裝置（逆變、整流、變頻）、同步發電機和異步發電機。以下分析各因素對各電能質量評估指標影響的嚴重程度。

（1）電壓波動與閃變。文獻[8]指出逆變型分布式電源能夠實現類似恒功率擬負荷的電源特性，即關系上類似負荷但并不完全吸收功率，所以引入的電壓閃變很小。而異步發電機在運行過程中要吸收無功功率所以其功率波動是造成電網電壓閃變的主要原因。

（2）電力諧波。文獻[9]中提出一定容量的分布式電源接入配電網，會對饋線上的諧波電壓和電流分布產生影響；分布式電源越接近系統母線，對系統的諧波分布影響越小。

（3）電壓偏差。文獻[10]，[11]分析了分布式電源對配電網電壓分布的影響，從中總結出：DG越接近母線，對線路電壓分布的影響越小；DG集中于同一節點時對電壓的支撐效果明顯弱于DG分布于各個節點對電壓的支撐效果。

（4）電壓暫降。文獻[12]指出逆變器形式的分布式電源減少電壓暫降持續時間的能力明顯強于同步機形式的分布式電源。

由以上分析可知，分布式電源與電網互聯的接口形式對電能質量評估有較大影響，以下對各種分布式電源的接口類型進行分類。太陽能光伏發電、燃料電池發出的是直流電，需要逆變后并網；微型燃氣輪機發出的是高頻交流電，需要變頻后并網；一些先進的同步風力發電常采用交-直-交的方式并網；這些都要通過電力電子裝置并網。目前風力發電機組大多數是通過異步發電機并網。各種分布式電源的接口類型及其容量范圍如表1所示[13]。

表1 分布式電源接口類型及其容量范圍Tab.1 Interface types and capacity range of DGs

2 基于AHP對各項指標進行權重確定

為了盡可能使判斷矩陣的設定客觀實際，本文一方面對各種不同類型分布式電源對配電網的不同影響進行詳細分析，另一方面從分布式電源與微網接入點的距離考慮，從而得出合乎客觀實際的判斷矩陣各元素。

2.1 建立層次遞階結構

層次遞階結構通常可劃分為目標層、準則層和方案層。目標層表示解決問題的目的，即層次分析的預期總目標；準則層表示采取某些措施、政策、方案來實現預定目標所涉及的中間環節；方案層表示要選用的解決問題的各種措施、政策、方案等。本文電能質量評估的指標及層次模型如圖1所示[14-16]。

由于規劃階段無法獲取電能質量各指標的實測數據，所以只能制定適應于規劃階段的電能質量層次評估模型。圖1所示電能質量層次評估模型分為3層。目標層A為電能質量綜合評估結果；準則層B將電能質量評估分為4個方面指標進行評估，分別為電壓偏差、電壓波動與閃變、電力諧波與電壓暫降；方案層C選取4種不同類型、不同分布地點的分布式電源接入微網，對電能質量的4種評估指標進行嚴重程度不同的影響分析。

圖1 電能質量評估層次模型Fig.1 Hierarchy model for power quality evaluation

2.2 構成判斷矩陣

在圖1所示確定的遞階層次結構中，每一個元素與該元素支配的下一層元素構成一個子區域，對于子區域內的各元素采用專家咨詢法來構建若干個判斷矩陣。判斷矩陣表示針對上一層某元素，本層次有關元素之間相對重要性狀況，通常用標度1，2，3，…，9及它們的倒數來表示相對重要性，其具體含義參考文獻[17]。

2.3 一致性檢驗

設ω=（ω1，ω2，…，ωn）T是n階判斷矩陣的排序權重向量，當A為一致性判斷矩陣時，有

用ω=（ω1，ω2，…，ωn）T右乘上式，得到Aω=nω，表明ω為A的特征向量，且特征根為n。再對特征向量歸一化處理后就可以得到所需要的權重向量。

對判斷矩陣進行一致性檢驗。定義其不一致性數量指標CI為

再引進平均隨機一致性指標RI，對于n=1～9，平均隨機一致性指標RI取值如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標Tab.2 Average random consistency index

定義CR為一致性比例，CR=CI/RI，當CR≤0.1時，則稱判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就不具有滿意的一致性，需進行一定的修正。

2.4 總權值確定

若上一層次A包含m個因素A1，A2，…，Am，其層次總排序權值分別為a1，a2，…，am，下一層次B包含n個因素B1，B2，…，Bn，它們對于因素Aj的層次單排序權值分別為b1j，b2j，…，bnj，此時B層次的總排序權值由表3給出。

表3 權重合成方法Tab.3 Weight synthesize method

3 含微網的配電網電能質量評估

在含微網的配電網規劃過程中，可以獲得的模型數據有：配電網中微網的數量及接入位置，微網中所含分布式電源類型、數量、分布位置及其容量，微網接入點的短路容量。微網接入點短路容量越大，說明配電網應對微網干擾的能力越強；微網中分布式電源的容量越小，說明微網對配電網的干擾越小。基于此種考慮，在規劃階段無法獲得詳細實測數據的情況下，本文以微網接入點的短路容量與微網中各分布式電源的容量為基礎數據，并考慮微網中各分布式電源的接入位置、種類與接口類型，建立規劃階段電能質量評估模型。

基于AHP法得出的各分布式電源權重系數必須要盡可能客觀真實地反映實際分布式電源對配電網造成的電能質量影響，不然極有可能造成評估結果的不準確。而詳細分析微網中分布式電源的多樣性，可以科學、合理地設定權重系數。比如，從分布式電源的發電形式分類，有風力發電、微型燃氣輪機發電、太陽能光伏發電、燃料電池供電與地熱能發電；從分布式電源的接口類型來區分，有電力電子接入、異步發電機接入以及同步發電機接入，其中電力電子接入方式又可分為整流、逆變以及變頻；同時，微網中分布式電源的分布位置與配電網接入點的距離也是不同的。

3.1 電能質量評估步驟

含微網的配電網電能質量評估的具體步驟如下。

（1）根據第1節中對分布式電源類型及其排列方式對電能質量影響嚴重程度的研究結果，由專家給出關于各類型分布式電源Ci（i=1，…，h）對單個電能質量指標Ai（i=1，…，n）的影響嚴重程度的n個判斷矩陣Yk=（yij）h×h（k=1，…，n，i，j=1，…，h）；給出單項電能質量指標Ai（i=1，…，n）對電能質量綜合評價結果Z的重要性程度賦值的判斷矩陣X=（xij）n×n。

（2）用第3節中的AHP法求解第1步中各矩陣相對權重矢量并歸一化，得到W(1)=（ω1(1)，ω2(1)，…，ωn(1)）T，Wi(2)=（ωi1(2)，ωi2(2)，…，ωih(2)）T（i=1，…，n）。

（3）用公式

計算各類分布式電源Ci（i=1，…，h）對目標層Z的總權值，得到向量V=（v1，v2，…，vh）T。

（4）用公式

計算單個微網B接入配電網的電能質量情況。分析式（3）可知，本文采用的綜合評價指標本質上是考慮了電能質量影響因素的各微網內部分布式電源容量與微網接入點短路容量的比值的和。定義Z為電能質量指標值。Z值越小，電能質量越好。

其中PSC為微網接入點的短路容量，CFj第j個分布式電源的容量系數，Pj微網中第j種類型分布式電源的容量。

CFj的取值為：風電DG的容量系數0.38；光伏DG的容量系數比風電低，為0.29；其他類型DG的容量系數為1.0[18]。

3.2 評估結果分級

由式（4）可推導出

式（5）說明Z值小于等于微網中所有分布式電源裝機容量總和與微網接入點短路容量的比值。考慮到一般微網中都包含風電、太陽能光伏發電等分布式電源，所以不可將容量系數CFj忽略，即容量系數CFj不可設置為1。此處將CFj的取值上限定為0.75。設

式中，a為當容量系數CFj取上限值0.75，忽略各分布式電源權重系數時的電能質量指標值Z的上限，即方案中的電能質量指標值Z不會大于a。

將電能質量等級按照電能質量指標值Z分為優、良、合格、不合格4個等級。由于電能質量指標值不大于a，所以取a為上限值，并將a 4等分，作為4個等級的分級標準。各等級分布如表4所示。

表4 電能質量等級分布Tab.4 Grades of power quality

4 某園區案例分析

根據《國家電網公司城市電力網規劃設計導則》，本案例考慮的配電網電壓等級為10 kV，對應短路容量限定值應選取為，即277MVA。規劃案例的短路容量應略低于短路容量限定值，本案例取微網接入點短路容量為250 MVA。

規劃給出3種不同的微網結構如圖2所示。微網中的分布式電源種類及其容量如表5所示。

表5 微網中各類型分布式電源容量Tab.5 Capacity of different DGs in micro-grid

根據第3節分析可知，本文的電能質量評估算法是基于分布式電源容量的。為了有效比較3種不同的微網規劃方案，微網中各分布式電源裝機容量的總和需固定。目前微網裝機容量范圍基本上在2～7 MVA，一般不會超過10 MVA。所以各案例選取分布式電源裝機容量總和為7 MVA。

規劃方案選取的4種分布式電源中，微型燃氣輪機與地熱能發電的出力比較固定，可作為系統基荷看待，有利于保持微網穩定的出力；而清潔的太陽能光伏發電與風力發電出力不固定、隨機性較大。在方案1、2中，選取不同的太陽能光伏發電與風力發電裝機容量，固定各系統基荷容量，預期以此來保證配電網的電能質量。在方案3中，提高微網中太陽能光伏發電與風力發電裝機容量，降低微型燃氣輪機與地熱能的裝機容量，不再固定一定容量的系統基荷。

圖2 微網中各分布式電源的分布情況Fig.2 Distribution of different DGs in micro-grid

本案例的規劃階段電能質量評估的層次結構如圖1所示。出力不穩定、隨機性較大的太陽能光伏發電與風力發電DG相比出力穩定的微型燃氣輪機與地熱能發電DG會對配電網電能質量造成較大影響。所以本文在設定B層對C層的判斷矩陣時會適當提高太陽能光伏發電與風力發電DG的權值。

經過專家調查從某一類型用戶的角度建立判斷矩陣，根據表2所示的判斷矩陣形成準則。專家給出A層對B層的判斷矩陣為[14]

該矩陣表示了電壓偏差、電壓波動與閃變、電力諧波與電壓暫降4個指標分別對電能質量造成影響的嚴重程度。

下面建立B層對C層的判斷矩陣。

（1）從電壓偏差指標的角度建立判斷矩陣。由第2節分析可知，DG越接近母線，對電壓偏差的影響越小。以方案1為例，可設權重DG1為1，DG2 為3，DG3為3，DG4為5。同理可得方案2、3的權重。分別得到方案1、2、3的判斷矩陣分別為

（2）從電壓波動與閃變的角度建立判斷矩陣。由第2節分析可知，DG以異步機形式的接口接入時會造成較大的電壓波動與閃變，以逆變形式接入時造成的影響卻很小。以方案1為例，可設權重DG1為1，DG2為7，DG3為1，DG4為3。由于此時造成權重不同的原因為分布式電源的接口形式，所以方案2、3與方案1的權重系數相同。可得方案1、2、3的判斷矩陣分別為

（3）從電力諧波的角度建立判斷矩陣。由第2節分析可知，DG越接近微網接入點，對系統的諧波污染越小。以方案1為例，可設權重DG1為1，DG2為3，DG3為3，DG4為5。同理可得方案2、3的權重。分別得到方案1、2、3的判斷矩陣分別為

（4）從電壓暫降指標的角度建立判斷矩陣。由第2節分析可知，逆變器接口形式的DG對電壓暫降的影響小于同步機接口形式DG對電壓暫降的影響。以方案1為例，可設權重DG1為1，DG2為3，DG3為1/3，DG4為3。由于此時造成權重不同的原因為分布式電源的接口形式，所以方案2、3與方案1的權重系數相同。可得方案1、2、3的判斷矩陣分別為

經過層次單排序、層次總排序以及一致性檢驗，得方案1、2各分布式電源的權重分別為V(1)= （v(1)1，v(1)2，v(1)3，v(1)4）=（0.085 2，0.362 8，0.189 2，0.362 8）、V(2)=（v(2)1，v(2)2，v(2)3，v(2)4）=（0.120 9，0.47，0.296 3，0.112 8）、V(3)=（v(3)1，v(3)2，v(3)3，v(3)4）=（0.175 1，0.632 5，0.052 7，0.139 7）。

根據式（3）計算得Z(1)=0.414%，Z(2)=0.432%，Z(3)=0.557%。根據式（5）計算得本案例中a值為0.021。根據表4的電能質量等級分類，Z(1)≤a/4= 0.525%，Z(2)≤a/4=0.525%，0.525%=a/4≤Z(3)≤a/2= 1.05%。

方案1與方案2的電能質量評估結果均為優，且方案1的評估結果更好，而方案3的評估結果為良。方案1、2評估結果均為優是因為兩種規劃方案為了使微網的結構更接近實際安全運行情況，均預先設定微型燃氣輪機、地熱能發電為微網中的基荷，并使其容量在系統總容量中占據一定的比重，以保證微網出力盡可能穩定，使實際系統更安全可靠。在微網容量本身就不大的前提下，固定了一定量的系統基荷后，只要不出現極端情況，評估結果的參數就不會相差太大。評估結果達到了規劃方案的預期。而方案2較方案1評估結果較差的原因主要在于具有較大容量的微型燃氣輪機DG接入點距離微網接入點很遠，分布式電源距離微網接入點越遠則對微網接入點電能質量影響越大。因在方案1、2中，微型燃氣輪機DG作為微網的基荷，其容量占據整個微網中分布式電源總容量的35.7%，所以當它遠離微網接入點時，對電能質量評估結果造成了不良的影響。方案3評估結果相對較差，正是接入了大量出力不穩定的風力發電DG，沒有保證一定容量比例的微型燃氣輪機、地熱能DG作為微網系統基荷所造成的。由于規劃時限定了微網接入容量最大為7 MW，其接入容量與配電網短路容量相比很小，所以不至于評估結果不合格。如果在規劃階段，不限定微網的接入容量，且接入了較多出力不穩定的分布式電源，或者大量接入以異步電機、同步電機為接口的分布式電源，缺少微型燃氣輪機發電或地熱能發電等系統基荷且大量分布式電源接入點距微網接入點較遠時，將導致系統電能質量變差甚至不合格。

5 結論

本文提出了基于規劃階段含微網配電網的電能質量綜合評估方法，得出的結論如下。

（1）通過詳細分析微網中不同種類、不同接入方式、不同接入位置的分布式電源對電能質量評估各指標的影響，得到更為合理的指標權重。

（2）運用層次分析法，考慮分布式電源的容量系數，根據《國家電網公司城市電力網規劃設計導則》精確限定相應電壓等級的短路容量值，求解微網中各類型分布式電源和單項電能質量指標的權重矢量，將電壓偏差，電壓波動和閃變，電力諧波，電壓暫降等指標綜合量化，得到配電網中單個微網對電能質量影響的綜合評價結果。

（3）通過對具有一定基荷、微網中分布式電源容量總和固定的某規劃方案的分析，評估得到電能質量較佳的方案，證明了這種方法可以客觀、全面、合理地對含微網的配電網規劃方案中的電能質量進行綜合評估，具有較好的應用價值。由于目前幾乎沒有基于微網規劃階段的電能質量評估研究，所以本文提出的評估方法具有一定的創新性。

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Power Quality Assessment for Distribution Network Incorporating Micro-grid in Planning Stage

YAN Ding1，LONG Yu2，CHENG Hao-zhong1，HE Ji-biao1，CHEN Kai2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China）

A method of power quality assessment for distribution network incorporating micro-grid in planning stage is proposed.The importance and difficulties of power quality assessment in the planning stage are first discussed in the paper.And the paper analyses the impact on power quality of different DGs.Then considering the short-circuit capacity of the micro-network access point and the capacity of each DG，power quality of different micro-grids is assessed based on AHP in the planning stage.The method can set a judgment matrix according to different types and arrangement of DGs，thus making the assessment result more objective，scientific and reasonable.

planning stage；power quality assessment；micro-grid；analytical hierarchy process（AHP）

TM714.3

A

1003-8930（2013）06-0009-07

閻 鼎（1989—），男，碩士研究生，從事電能質量監測、評估與分析方面的研究工作。Email：yduniverse@sjtu.com.cn

龍 禹（1973—），女，高級工程師，主要從事電網運行管理、規劃方面的工作。Email：longyu73@126.com

程浩忠（1962—），男，博士，教授，博士生導師，從事電能質量、電力系統規劃、分析、電壓穩定等方面的研究工作。

Email：hzcheng@sjtu.edu.cn

2012-08-30；

2012-11-07

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2009CB219703）