含分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化重構

王馨宇

（國網(wǎng)寧夏電力公司 吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100）

1 含分布式電源及其對配電網(wǎng)的影響

1.1 分布式電源

分布式電源裝置作為典型獨立電源，具有小型化和模塊化特點，其功率范圍在50 MW以內(nèi)，能夠實現(xiàn)和配網(wǎng)運行環(huán)境兼容。一般分布式電源用于滿足電力用戶和電力系統(tǒng)的特定要求，在第三方、電力用戶以及電力部門均配備分布式電源。分布式電源具有多種類型，隨著新能源技術的發(fā)展，光伏分布式電源和風電分布式電源衍生并被應用[1,2]。

1.2 分布式電源對配電網(wǎng)的影響

1.2.1 分布式電源對繼電保護的影響

配電網(wǎng)中的短路電流在引入分布式電源之后會發(fā)生波動，可能引發(fā)配電網(wǎng)保護裝置發(fā)生拒動或誤動，還可能影響距離保護范圍，進而增加保護裝置誤動可能性，此外導致產(chǎn)生逆向電流，影響配電網(wǎng)電壓分布。在配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，分布式電源能夠為配電網(wǎng)負荷提供電量，出現(xiàn)孤島運行狀況，并進一步增加了自動重合閘不成功概率[3]。

1.2.2 分布式電源對電能質量的影響

分布式電源在接入過程中存在一定的不確定性，因此可能導致配電網(wǎng)電壓閃變問題。因分布式電源類型的差異，可能導致其對配電網(wǎng)電能質量產(chǎn)生不同的影響，為最大限度降低分布式電源接入的影響，一般通過配備無功補償器實現(xiàn)電能質量保證。如果分布式電源接入不能有效和配電網(wǎng)系統(tǒng)負荷相互配合，可能導致配電網(wǎng)出現(xiàn)較大的電壓波動，進而導致配電網(wǎng)線路負荷出現(xiàn)較大潮流變動，增加電壓調(diào)整難度。

1.2.3 分布式電源對可靠性的影響

在配電網(wǎng)中科學引入分布式電源，不僅能夠提升原配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)能力和線路負載能力，而且分布式電源能夠作為備用電源應用于配電網(wǎng)停電期間，給予一定的電力支持防護，保證停電期間的配電網(wǎng)正常供電和運行。但當分布式電源存在一些和電網(wǎng)運行要求不相符的參數(shù)和設計時，停電就可能引起配電網(wǎng)保護裝置誤動，最終影響配電網(wǎng)可靠性，因此科學合理選擇分布式電源十分重要[4]。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化重構算法

2.1 傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化法

在傳統(tǒng)分布式電源配網(wǎng)優(yōu)化重構中一般選擇傳統(tǒng)的數(shù)學優(yōu)化法進行，得到最優(yōu)解應用于配電網(wǎng)重構。在歷史研究中，H.Back、A.Merlin、N.D.R.Sarma以及K.Aoki等人在針對配電網(wǎng)優(yōu)化重構算法的研究中提出了分支定界法、整數(shù)規(guī)劃法以及非線性規(guī)劃法等數(shù)學優(yōu)化法應用于分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化重構。動態(tài)規(guī)劃算法也在研究中被提出，以更快的求解速度應用于配電網(wǎng)優(yōu)化重構。傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化法在配電網(wǎng)優(yōu)化重構中的具體應用中并不依賴初始網(wǎng)絡結構，但是也存在一定弊端，在大規(guī)模系統(tǒng)應用中極易因計算量大等問題出現(xiàn)維數(shù)爆炸，影響計算效率，在當前配網(wǎng)大數(shù)據(jù)背景下應用性較差。

2.2 啟發(fā)式算法

目前，應用于配電網(wǎng)重構優(yōu)化的啟發(fā)式算法主要包括支路交換算法和最優(yōu)流模式法兩種。為進行配電網(wǎng)重構優(yōu)化，S.Civanlar等人進行了研究，并在研究基礎上提出交換算法概念，最初的目的不是配電網(wǎng)重構優(yōu)化而是求解初始網(wǎng)絡潮流分布，以明確配電網(wǎng)損情況和網(wǎng)絡節(jié)點注入功率。然后處理聯(lián)絡開關，在環(huán)網(wǎng)中引入兩側電壓相差差值最大的開關，在此基礎上加強對低壓側的處理，尤其是環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡開關部分。同時對低壓側分段開關進行打開等動作處理，基于低壓側分段開關和環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡開關建設基礎上形成完善的輻射狀網(wǎng)絡，以平衡配電網(wǎng)負荷，降低配網(wǎng)損耗。借助支路交換算法進行配網(wǎng)重構優(yōu)化，搜索能力具有極大有限性，而且在網(wǎng)絡結構選擇中還會出現(xiàn)不合適的情況，因此在全局最優(yōu)解方面存在極大局限性[5]。

最優(yōu)流模式法是被Darish Shimohammadi等人在1989年提出，這種算法借助最優(yōu)潮流計算的方法進行處理，實現(xiàn)電流和斷開開關的重復求解，以得到最優(yōu)輻射狀配電網(wǎng)，其實質和開關組合優(yōu)化相適應，最終達到整體最優(yōu)。但實際的配網(wǎng)重構中需要經(jīng)過多次選擇，可能無法實現(xiàn)整體最優(yōu)。

2.3 人工智能算法

在算法研究中人工智能算法被提出，主要應用于離散性問題、大規(guī)模問題以及非線性化問題的處理，由于具有快速性、準確性以及智能性等典型特征，因此被廣泛研究并應用。

3 含分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化重構模型及應用

3.1 目標函數(shù)

不同配電網(wǎng)具有不同的應用環(huán)境和運行需求，因此在目標函數(shù)建立中需要根據(jù)不同的需求建立不同的目標函數(shù)，目標函數(shù)的建立需要綜合考慮以下幾個因素。

（1）配電網(wǎng)絡功率損耗最小。配網(wǎng)損耗主要有線路損耗和變壓器損耗兩部分，因此在進行配網(wǎng)重構中需要考慮這兩部分損耗對線路進行優(yōu)化和重構，進而有效改善網(wǎng)絡損耗并提高配網(wǎng)經(jīng)濟性。（2）均衡負荷。配網(wǎng)負荷均衡化是配網(wǎng)重構的關鍵部分，通過這一手段實現(xiàn)對配電網(wǎng)超負荷的有效規(guī)避與籌劃，在配網(wǎng)能量損耗降低方面也有積極意義，對配電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性提高具有重要作用。（3）提高供電可靠性。配電網(wǎng)供電可靠性是配電網(wǎng)重構的主要目的之一，其涵蓋用戶平均停電時間、平均損失電量以及用戶平均時間等因素。分布式電源在配網(wǎng)中的科學應用和布置可以優(yōu)化配網(wǎng)波動，同時在配網(wǎng)電壓瞬變方面也具有重要作用[6-8]。（4）提高電壓質量。配電網(wǎng)重構的主要目的是調(diào)整配電網(wǎng)的結構，以期得到關于配電網(wǎng)運行的最優(yōu)解，在配網(wǎng)運行質量提升方面意義重大。在配電網(wǎng)重構中主要依靠這幾個因素進行，但是實際配電網(wǎng)重構中還往往需要考慮其他目標函數(shù)，以實現(xiàn)不同優(yōu)化需求。

3.2 約束條件

一是配電網(wǎng)功率平衡約束，配電網(wǎng)絡建設中必須要滿足功率平衡的要求，因此在配電網(wǎng)重構中必須將保持功率平衡作為基本約束條件之一。二是分布式電源功率約束，在配電網(wǎng)建設的分布式電源接入中，必須考慮有功功率和無功功率，兩值必須控制在允許范圍內(nèi)。三是網(wǎng)絡結構拓撲約束，配電網(wǎng)重構需要實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點重新連接和調(diào)整，避免環(huán)網(wǎng)及孤島問題的出現(xiàn)，在實際配電網(wǎng)重構中其運行網(wǎng)絡結構屬于典型輻射狀。四是節(jié)點電壓約束，節(jié)點電壓約束也是本文分布式電源并網(wǎng)中重要約束條件之一，必須保證節(jié)點電壓負荷規(guī)定且不允許越限。五是支路容量約束，對于原始配電網(wǎng)而言不同線路具有不同傳輸容量要求，但是分布式電源的并網(wǎng)和接入會對傳統(tǒng)配電網(wǎng)各路容量產(chǎn)生影響，若超出容量限制可能導致配電網(wǎng)中不同線路溫度改變，嚴重情況下可能出現(xiàn)線路故障，從而引發(fā)事故[9]。

3.3 配電網(wǎng)動態(tài)重構策略

在配電網(wǎng)動態(tài)重構中需要計算和分析各節(jié)點用電負荷占比情況和典型日負荷曲線情況等，確定不同節(jié)點位置分布式電源的日負荷曲線。結合配網(wǎng)的相關參數(shù)及變化，分析日負荷曲線和輸出功率等，最終得到關于分布式電源并網(wǎng)后的日負荷曲線，在此過程中要保持準確性和精確度。在本文對配電網(wǎng)重構優(yōu)化的研究中，建議采用最優(yōu)時段劃分法，結合分布式電源的日負荷曲線將其劃分為不同時段，并結合二進制量子粒子群算法進行配電網(wǎng)重構優(yōu)化。最后科學對照和分析提出的重構方案，選擇最優(yōu)方案。

為明確在分布式電源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)變化情況，統(tǒng)計分析功耗隨時間的變化，重構前后系統(tǒng)網(wǎng)損變化如圖1所示。從圖1能夠看出在分布式電源并網(wǎng)過程中進行科學的配電網(wǎng)動態(tài)重構后效果明顯，有功損耗降低效果顯著[10]。

圖1 重構前后系統(tǒng)網(wǎng)損變化圖

在本文進行分布式電源并網(wǎng)和配網(wǎng)重構中引入了最優(yōu)時段劃分法，能夠將24 h根據(jù)用戶實際需求劃分為不同時段，根據(jù)時段的情況進行相應的靜態(tài)重構，重構的基本情況如表1所示。

表1 本文算法重構結果

通過表1數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，本文提出的分時段配電網(wǎng)重構優(yōu)化方案（方案一、方案二以及方案三）均能夠有效降低配電網(wǎng)有功損耗，其中方案三將降損率最高，能夠達到20.7%。方案一的重構優(yōu)化中將時間分為3段進行，重構時刻只有8:00、16:00以及22:00，這樣保證了較少的開關操作次數(shù)，但在降損率方面還存在缺陷，明顯低于方案二和方案三。由此可見，在一定條件下，開關操作總次數(shù)與降損率相互制約。

本文基于時間分段一共提出了3種配電網(wǎng)重構方案，在實際的應用中需要結合實際情況和配電網(wǎng)的實際需要科學選擇重構優(yōu)化方案。方案一有功損耗較大，所以實際應用中不予考慮，對比方案二和方案三，方案三的有功損耗主要集中在第二時段，方案二的有功損耗主要集中在第三時段，雖然方案三的有功損耗降低的更顯著，但其開關操作次數(shù)更高，使得人工成本和施工成本均相應增加，綜合考慮建議采用方案二的重構方案。

4 結 論

分布式電源在配電網(wǎng)中的科學引入極大提高了配電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性，但也對配電網(wǎng)造成了一定的影響，為保證其科學引入和配電網(wǎng)穩(wěn)定運行，需要進行科學重構優(yōu)化。本文基于時間分段和動態(tài)重構一共提出了3種方案，在實際應用中工作人員需要根據(jù)實際情況進行科學選擇。