配電網分布式電源承載能力評估指標體系構建及測算

張興友，陳 濤，趙 帥，孔一惠，劉洪正

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.杭州世創電子技術股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.國核電力規劃設計研究院，北京 100094）

0 引言

近年來，以光伏為代表的分布式電源接入配電網容量飛速發展。據統計，截至2020 年初，山東電網新能源接入電網容量達到29 000 MW，其中，以光伏為代表的分布式電源接入容量達到8 900 MW，占新能源接入容量的30%。

配電網消納分布式電源能力受分布式電源類型、接入位置、負荷類型、負荷大小等因素影響。目前已有相關學者在配電網消納分布式電源能力領域開展了相關研究工作。文獻［1］分析了影響配電網分布式電源消納能力的限制因素，歸納總結了有載調壓變壓器抽頭調整、無功補償、逆變器功率因數等多種配電網消納分布式電源能力提升技術。文獻［2］基于分布式電源出力波動性特征和間歇性特征提出了基于魯棒優化的配電網接納分布式電源能力評估方法。文獻［3］建立了分布式電源高滲透率配電網二維多分辨率模型，并提出了計及電壓、線路熱穩定極限和網絡損耗等因素的配電網分布式電源接納能力評估方法。文獻［4］針對分布式電源和控制元件的性能差異建立了差異性詳細模型，提出了考慮分布式電源出力波動性的實時運行潮流分析模型，結合運行狀態的多樣性特征建立了基于蒙特卡洛隨機方法的改進模式搜索算法。文獻［5］以開環運行配電網為研究出發點，基于分布式電源出力波動性特征和間歇性特征，分析了節點電壓、功率因數等因素約束下配電網接入分布式電源動態模型要求，提出了考慮節點電壓、功率因數的配電網接入分布式電源的功率函數模型。文獻［6］從電能質量角度以電壓畸變和電流畸變2 個維度分析了配電網分布式電源接納能力影響因素，分析了分布式電源和負荷分布對饋線電壓畸變率的作用規律以及考慮電流畸變率影響最不利條件下的滲透率計算方法。文獻［7］搭建了分布式電源并網仿真模型，并仿真分析分布式電源并網對配電網運行的影響，包括配電網的供電安全性、電能質量及運行經濟性三個方面。文獻［8］基于自適應二階段魯棒優化方法和配電網三相不平衡特征，提出了考慮分布式電源最優消納的兩階段配電網動態重構方法。文獻［9］分析分布式電源不同接入容量和不同接入位置對配電網電壓波動的影響規律，并結合DIgSILENT/Power Factory 驗證了配電網電壓波動規律。文獻［10］以分布式電源出力波動性和間歇性特征為基礎，采用ETAP 軟件構建了評估配電網分布式電源接納能力的數學模型。文獻［11-12］分析了配電網最大分布式電源接入能力。

近年來，受利好政策影響，以分布式光伏為代表的分布式電源呈現出“點多面廣、局部高密度并網”的高速發展態勢，電網調度運行面臨著大規模、高比例分布式電源并網帶來的巨大挑戰。在現有研究中，多從局地性、區域配電網結構著手，分析了配電網分布式電源接納能力對電能質量、電壓波動等的影響。實際上，分布式電源發展具有政策推動性，表現在省域范圍內分布式電源出現階段性大發展。為此，針對上述趨勢采用升尺度視角提出了描述區域內配電網分布式電源接納能力的指標體系，并結合指標體系提出了配電網分布式電源接納能力評估方法。

1 配電網分布式電源發展趨勢及對電網影響分析

近年來，我國分布式光伏呈現快速增長態勢。截至目前，山東電網分布式光伏裝機容量接近8 900 MW。圖1 給出了國網公司經營區歷年分布式光伏裝機容量發展趨勢［13］。

以分布式光伏為代表的分布式電源點多面廣，規模巨大，增加調度對象數量。分布式光伏廠站管理水平和運維力量普遍不足，民營資本經營特征明顯，網絡安全問題突出，調度運行管理難度較大。分布式光伏主要通過無線采集終端將信息上傳至調度系統，上傳信息僅包括發電量、電流、電壓等，不能支撐調度機構開展精細化管理。380 V／220 V 低壓接入的非調度管轄分布式電源規模龐大，且數量持續快速增長，對配電變壓器運行狀態影響不容忽視，但其并網情況和運行信息難以及時有效掌握，不僅加大負荷預測和方式安排難度，而且調度機構不掌握的潛在電源點將越來越多，危險系數增加，對電網運行和檢修安排產生較大影響，不利于電網安全穩定運行。具體而言，其對配電網的影響主要體現在幾個方面：

1）配電網由“無源網”變為“有源網”。配電網接入分布式電源后，改變了電源從高壓到低壓單向流動的形式，配電網運行調度愈加復雜。局部分布式電源高滲透率條件下存在倒送可能性，部分時間段負荷低谷甚至出現在中午時段。

圖1 分布式光伏裝機歷年發展趨勢

2）配電網負荷預測準確率下降。由于分布式電壓不配置功率預測系統，其對電網調度運行直接體現在負荷預測的準確度上。分布式電源高滲透率下負荷預測精度難以保證，對電力平衡計劃造成一定影響。

3）加劇配電網電壓波動水平。集中式新能源配置了無功補償裝置，而分布式電源在故障期間僅依靠電網提供無功電壓支撐，容易造成事故擴大。分布式電源位于線路末端時，電壓波動更加劇烈。另外，分布式電源采用的電力電子器件質量參差不齊，容易導致諧波、電壓閃變等電能質量問題。

2 配電網分布式電源接納能力評估指標體系

2.1 區域類指標

1）區域分布式電源滲透率。該指標描述了區域內（如省級電網）分布式電源裝機占區域內負荷的比例。區域分布式電源滲透率為

式中：n 為區域內分布式電源數量；Di為分布式電源i 的裝機容量；m 為負荷數量；Pj為負荷j 的功率。

2）區域分布式電源發電量占比。該指標描述了區域內（如省級電網）分布式電源一定時間內發電量占區域負荷電量的比例。區域分布式電源發電量占比為

式中：t 為時間；Di（t）為分布式電源i 在t 時刻的功率；Pj（t）為負荷j 在t 時刻功率。

3）區域分布式電源利用率。該指標描述了區域內（如省級電網）分布式電源消納整體情況。區域分布式電源利用率為

式中：Pri（t）為分布式電源i 在t 時刻的可用發電功率。

2.2 局域類指標

1）局域分布式電源滲透率。該指標描述了局域內分布式電源裝機占負荷的比例。計算方法同式（1）。

2）局域分布式電源發電量占比。為描述局域配電網分布式電源發電貢獻，該指標描述了分布式電源總發電量占局域電網負荷電量的比例。計算方法同式（2）。

3）局域分布式電源反送概率。該指標描述了分布式電源功率反送時間總和占有效發電時間的比例。

式中：Δta為第a 個反送時段時長；tb為第b 個待評估時段時長。

4）局域分布式電源反送電量占比。該指標描述了分布式電源功率反送電量與總發電量的比例。

式中：ΔPi（t）為分布式電源i 潮流反送功率。

5）局域分布式電源線損增量。配網中分布式電源裝機容量如果過大，超過了本級消納能力，則存在電能反送的需求。電能從低壓環節到高壓環節客觀上增加了線損水平。該指標力圖評估分布式電源高滲透率下線損變化水平。

式中：Li（t）為分布式電源i 在t 時刻線損功率。

6）局域分布式電源利用率。該指標描述了區域內（如省級電網）分布式電源消納整體情況。計算方法同式（3）。

3 配電網分布式電源接納能力評估算法

配電網分布式電源消納影響因素不僅限于局地，也受全網影響。局地影響因素主要包括變壓器、線路容量約束，電壓波動約束，若反送容量過大，也需要考慮電能從低壓到高壓的線損變化情況約束。區域影響因素主要為負荷水平、火電等其他電源裝機水平等因素。為此，提出了兩階段算法評估配電網分布式電源接納能力評估方法。

3.1 局域分布式電源接納能力評估

局域分布式電源消納影響因素主要有變壓器、線路容量約束，電壓波動約束和反送造成的線損變化約束等。其中，變壓器、線路容量約束可通過查閱變壓器、線路參數手冊通過熱穩定極限測算、容量計算等方法計算得出。電壓波動約束和線損變化約束受負荷波動、線路類型等因素影響。線路有功損耗及電壓波動計算方法為

式中：ΔW 為網損；ΔWk為各條線路網損；ΔUk為線路k 的壓降；l 為線路條數；Pk為線路k 的有功功率；Qk為線路k 的無功功率；Uk為線路k 的電壓；Rk為線路k 的電阻；Xk為線路k 的電抗。

3.2 區域分布式電源接納能力評估

區域分布式電源接納能力影響因素主要為負荷水平、火電等其他電源裝機水平等因素。圖2 給出了分布式電源高滲透率對負荷曲線的影響。

由圖2 可見，隨著分布式電源裝機增長，負荷曲線在中午時段發生顯著變化。為描述區域分布式電源消納能力，建立了基于時序模型的區域分布式電源接納能力評估算法，如圖3 所示。

4 算例分析

為評估本文提出的兩階段算法在評估配電網分布式電源接納能力的有效性，采用如下算例評估配電網分布式電源接納能力。配網所在區域電網內電源配置如表1 所示。該算例中，負荷電量130 億kWh，聯絡線送入電量40 億kWh。

圖3 基于時序模擬的兩階段區域分布式電源接納能力評估算法流程

配電網所在局域電網分布式電源情況如表2所示。

圖2 高滲透率分布式電源影響下日負荷鴨型曲線對比

表1 區域電網電源配置

表2 局域電網分布式電源配置

表3 給出了區域配電網不同裝機條件下分布式電源消納指標。由表3 可見，在臨界范圍內分布式電源裝機對消納影響顯著。

表3 區域電網分布式電源消納指標

表4 給出了局域配電網分布式電源消納指標體系。由表4 可見，在饋線較長、反送容量較大等場景下，相關指標顯著變化。

表4 局域電網分布式電源消納指標 %

5 結語

分布式電源規模化接入改變了傳統配電網潮流特性，對配電網電壓質量、網損等產生了一定的影響。受負荷大小、設備容量等因素約束，配電網分布式電源接納能力有限。分析了分布式電源不同接入容量對配電網影響，從區域和局域兩個層次提出了刻畫配電網接納分布式電源能力的指標體系，提出了分布式電源接入配電網容量的評估方法，并通過算例驗證了所提算法有效性和評估指標體系的有效性。