配電網主動閉環運行經濟性分析

何小棟，程 瑤

（安慶供電公司，安徽安慶246000）

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配電網主動閉環運行經濟性分析

何小棟，程 瑤

（安慶供電公司，安徽安慶246000）

摘要：傳統單饋線輻射狀配電網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，配電網主動閉環運行的可行性；提出了基于Zbus法的含分布式電源和環網的配電網潮流計算方法。通過2個算例分析配電網閉環運行的經濟性，對于雙饋線手拉手配電線路，兩端電壓相角差對閉環運行網損影響較大，當相角差不太大時，閉環運行是經濟安全的；與配電網的重構相比，閉環運行對降低網損和提高電壓質量效果明顯。

關鍵詞：主動配電網；閉環運行；Zbus法；潮流計算

傳統配電網采用“閉環設計、開環運行”的供電方式，但隨著大量分布式電源（Distributed Generations，DG）的并網和用戶對供電高可靠性的要求，開環運行的弊端逐漸凸顯。開環運行時，即使進行過饋線自動化改造，故障隔離和恢復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；隨著分布式發電技術的快速發展，大規模DG接入配電網是必然趨勢，但DG的接入改變了傳統配電網的潮流分布，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的閉環運行配電網更適合DG的接入［ 1 ］；采用電力電子設備的閉環運行配電網可以主動進行有功和無功潮流控制，符合主動配電系統的發展方向［ 2 ］。隨著通信和電力電子技術的快速發展，配電網采用閉環運行方式將是一種有效措施，近年來引起了人們的廣泛關注［ 3 ］。文獻［1］討論了采用集中式保護的閉環運行配電網典型接線模式和規劃原則；文獻［3］探討了配電網采用基于差動保護的閉環運行方式的應用前景。文中提出基于Zbus法的含分布式電源和環網的配電網潮流計算方法，并分析比較典型接線模式和DG并網下，配電網閉環運行的經濟性。

1　配電網閉環運行可行性

1.1基于網絡通信平臺的集中式電流差動保護

隨著通信技術快速發展和高級配電網自動化系統的建設，基于全網光纖通道的配電網集中式差動保護技術越來越受到重視。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所示為具有三層結構的集中式差動保護控制系統。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備組成；中間層由集中式保護控制裝置構成，起聯系上、下層的作用。這種保護控制系統能實現配電網故障的準確定位、迅速隔離和快速重構，減少了非故障區域的停電機率，縮小了停電范圍，提高了供電可靠性，能實現配電網的無縫快速自愈。

圖1　三層結構集中式差動保護控制系統

1.2基于電力電子技術的潮流控制

傳統輻射狀配電網屬于受電端，無法控制潮流。DG的接入改變了原有網絡的潮流分布，而且風光發電等DG輸出的功率具有隨機性，為了安全、優質、經濟供電，需要對配電網中的潮流進行控制。基于電力電子技術與先進控制理論的統一潮流控制器（UPFC）具有強大的潮流控制功能，可以實現對含有DG的配電環網的潮流控制。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，可同時調節電力線輸送功率的線路參數、節點電壓幅值和相位［ 4 ］。鑒于目前電力電子元器件的成本高、損耗大，在配電網中的應用還不具有經濟性，但隨著電力電子技術的進步，UPFC的優勢終將得到體現。

2　含分布式電源和環網配電網潮流計算

目前，基于前推回代法的傳統輻射狀配電網潮流算法非常成熟，得到廣泛應用，但對含各種DG和環網的配電網潮流計算的研究較少。文獻［5］基于矩陣分裂和矩陣求逆輔助定理，導出了一種新的牛頓類少環配電網潮流算法；文獻［6］研究了基于直接法的含DG配電網潮流算法；文獻［7，8］基于疊加原理，提出了能同時處理弱環網和PV節點的配電網改進前推回代算法。配電網支路電抗和電阻參數相差不大，電纜線路還具有電阻大于電抗、充電電容較大的特點；與輸電網相比，配電網支路數和節點數十分龐大。牛頓類的配電網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、易實現的特點，但處理環網能力不足［ 9-11 ］。文中提出基于Zbus法的含DG和環網的配電網潮流計算方法。

2.1DG接口模型

DG與配電網互聯的接口主要有3種形式，同步發電機、異步發電機、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的容量及其與電網的接口

潮流計算中，根據結構和控制方式的不同，DG一般當做PQ、PI或PV節點。異步風力發電機、無勵磁調節能力同步發電機、恒功率因素控制的同步發電機可當作PQ節點，將其看作“負”的具有電壓靜特性的負荷節點；電流控制光伏發電可當做PI節點，在迭代過程中，通過下式轉換為PQ節點。

燃料電池、電壓控制雙饋風力發電機和電壓控制光伏發電當作PV節點，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發出的有功功率。

多臺PV接入多饋線復雜結構的配電網如圖2所示，設PV節點的靈敏度導納矩陣為：

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

圖2　PV接入多饋線復雜配電網

迭代過程中，根據PV節點電壓幅值不匹配量對PV節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，則轉換為PQ節點，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法根據疊加原理，在電源點和負荷節點分別單獨作用下的節點電壓相加來求取網絡節點電壓。

（1）電源點單獨作用下的節點電壓V.'：

（2）負荷節點作用下節點電壓：

（3）應用疊加原理，節點電壓：

2.3含分布式電源和環網配電網潮流計算流程

（1）讀取原始數據，求取全網節點導納矩陣和PV節點靈敏度電抗矩陣；

（3）計算節點注入電流（PQ、PV和PI節點）作用下節點電壓V."。

（4）根據疊加原理得節點電壓：V.=V."+V.'。

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

（7）計算結束，輸出結果。

3　閉環運行經濟分析

文獻［12］構建了配電網線損計算模型，對工程中輻射狀配電網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主動閉環運行對降損的影響。

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節點之間的支路開關為聯絡開關，合上聯絡開關，配電線路閉環運行。系統基準功率和電壓分別取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、閉環運行下配電線路潮流計算結果，閉環運行比開環網損減少38.35%，并且提高了最低節點電壓。

表2　開環和閉環潮流計算結果

3.1.2雙饋線來自不同母線

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

3.1.3分布式電源接入

設在3、5節點分別接入100 kW光伏發電和500 kW風力發電，均以恒功率因數1運行。表3為開、閉環運行下的潮流計算結果，閉環比開環運行減少網損45.76%。

圖4　網損三維圖

表3　分布式電源接入時開、閉環潮流計算結果

3.2算例2

修改IEEE14節點配電網絡如圖5所示，系統基準容量為100 MV·A，基準電壓為23 kV，網絡總負荷為28.7+j17.3 MV·A。虛線所連的支路為聯絡開關所在支路，當閉合全部聯絡開關時，配電網閉環運行。

圖5　IEEE14節點配電網絡

對開環運行IEEE14節點配電網進行以網損最小的網絡重構，表4為開環、重構后和閉環下潮流計算結果，重構降低了網損，提高了最低節點電壓。與網絡重構相比，閉環運行更加經濟，能降低網損8.44%，節點電壓更加均衡。

表4　開、閉環和重構后潮流計算結果

4　結束語

基于先進的通信和電力電子技術，配電網閉環運行是可行的。提出了適合含分布式電源和環網的配電網潮流計算方法，通過算例分析了雙電源手拉手典型配電線路閉環運行的經濟區域，2條饋線電壓相角差不大時，閉環運行是經濟的；IEEE14節點配電網絡算例結果表明，與配電網重構相比，閉環運行降低網損和提高電壓質量的效果明顯。

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

程瑤（1991），女，安徽六安人，碩士，從事電費管理和賬務相關技術工作。

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

文獻標志碼：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