分布式電站入網方式對電網同步的影響

楊 洋

（中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601）

1 分布式電站以及電網同步模型與實驗仿真

1.1 分布式電站

分布式電站是指在負載部位以及一些大型用戶中心附近連接的發電設施，其功率一般小則幾十瓦，大則幾十兆瓦，是電網系統中極其重要的一個部分[1,2]。尤其隨著電力網絡系統逐漸復雜，結構逐漸龐大，如果仍然采用傳統的電力系統供應結構，則無法滿足居民及企業生產過程中對電能的需求，這就需要在電網中并入一些分布式電站，也可以認為分布式電站是一種新型的發電方式，只是與傳統的供電方式相比較，其對電能的傳輸距離及傳輸方式均進行了改進。

1.2 電網同步模型及實驗仿真

對電網同步性能研究時采用了二階類Kuramoto模型。該模型目前被廣泛應用在電力網絡同步性能以及穩定性分析與研究等多個方面。在電網拓撲結構方面，采用了電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）標準測試系統的數據。研究中采用了IEEE 57與IEEE 30等節點系統作為研究對象開展電網仿真實驗。IEEE 57節點系統包含57個節點、7個發電機、50個負荷，IEEE 30節點系統包含30個節點、6個發電機、24個負荷等。各節點的排列方式遵循了一定的原則，首先對原網絡中每個負荷點到發電機節點之間的平均距離進行了計算，根據計算結果平均距離值，從大到小對各負荷點進行了排序，即33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15。

研究中只給出IEEE57節點系統中的部分負荷節點情況，然后根據負荷節點與發電機節點之間的平均距離，定義兩種分布式電站并入電網的方式。一種為新增分布式電站從距離原發電機節點平均距離值最小的負荷開始接入電網（將其稱之為A種接入方式），然后按照平均距離值的升序逐次接入，比如首次接入節點的編號為15，之后按照15，13，17，16，4，14，11，10，7，5，55，49， …，24，35，25，34，30、32，31，33的順序逐次接入分布式電站；還有一種新增分布式電站從距離原發動機節點平均距離最大的負荷開始接入電網（將其稱之為B種接入方式），然后按照平均距離值的升序逐次接入，比如首次接入節點的編號為33，之后按照33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15 的順序逐次接入分布式電站。

1.3 不同方式入網時與原始發電機之間的距離關系

為了能夠將分布式變電站入網的位置更加直觀地體現出來，研究人員通過二維圖對新增的分布式變電站距離電網各發電機節點的遠近情況進行了表示[3]。最終發現，新增分布式變電站個數越多，分布式變電站與各發電機之間的方塊顏色越深，提示分布式變電站距離各發電機之間的距離越近。在對兩種接入方式進行對比后發現，如果分布式變電站相同，則采用B種方式接入電網的顏色塊值比較大，新增分布式電站采用B種接入方式，接入電網中的位置與原始發電機之間的距離更遠。但是當新增分布式變電站的數目等于原網絡中負載節點數時，此時在每一個分布式電站上增加一個負載，再次進行距離檢測后會發現新增分布式電站采用兩種接入方式接入電網中的位置與原始發電機之間的距離是相等的[4]。通過本次對新增分布式電站采用不同方式入網時與原始發電機之間的距離進行分析后發現，分布式電站對電網局部的影響比較大。

通過上述計算結果，進一步明確每個分布式電站到原始發電機節點之間的距離情況決定著電網的同步。繼續采用網絡靜態特征量表對分布式電站到原始發電機節點之間的距離情況進行檢測，如果新增的分布式電站比例為新增分布式電站數量與發電機負荷個數的比值，那么在采用IEEE 57節點系統和IEEE 30節點系統進行分析后會發現，隨著分布式電站數量的增加，若采用A種接入方式，則此時分布式電站到原始發電機節點之間的平均距離值會不斷增大，而采用B種接入方式，分布式電站到原始發電機節點之間的平均距離值會不斷縮小，并且兩種接入方式下，分布式電站到原始發電機節點之間的平均距離值之間的差值逐漸縮小。當新增分布式電站數量與發電機負荷個數的比值=1時，兩條曲線出現焦點，而當新增分布式電站數量與發電機負荷個數的比值＜1時，采用A種接入方式時，分布式電站到發電機之間的平均距離較A種接入方式更小，此時提示新增分布式電站與原始系統發電機所形成的電源在分布狀態方面比較密集，并且能夠集中輸送電能。

1.4 兩種入網方式對電網整體平均距離造成的影響

分析兩種入網方式對電網整體平均距離造成的影響。經過分析后發現，在分布式電站中，不論采用哪一種進入電網的方式，當分布式電站中接入的節點數量增多時，網絡平均距離值也越大。從這方面來看，網絡中節點間距離的遠近程度也可以通過網絡平均距離來表示，當各節點之間的距離越遠時，平均距離也就越大，此時也表示節點在電網中分布得越分散[6]。此時不論采用IEEE 57還是IEEE 30節點系統進行分析都會發現，A種接入方式下的網絡平均距離較B種接入方式更小，表示采用B種接入方式各網絡節點更加分散，此時新增分布式電站與原網絡電站之間的距離比較遠。在這種入網方式下接入電網，電源分布方面離散化特征更加明顯。

1.5 入網方式的同步性能優勢

分布式電站采用一種負相關的方式將其接入到電網中，所表現出的同步性能比較好。針對不同入網方式分析網絡基本拓撲特性造成影響的因素發現，隨著分布式電站數量的增加，分布式電站入網方式網絡平均路徑長度延長，聚類系數降低，在研究中總共選取了3種不同的分布式電站入網方式。一是直接將分布式電站與供電需求較高的負載點進行連接，也將其稱之為卡接式方形（Subscriber Cable，SC）入網方式，此種入網方式傳輸線路比較少。二是將分布式電站與供電需求較高的負載點連接后，根據相鄰的分布式電站情況增加傳輸路線，也將其稱之為小方口形（Lucent Connector，LC）入網方式，此種入網方式需要用到較多的傳輸線路。三是將分布式電站與供電需求較高的負載連接后，根據附近所分布的分布式電站，按照一定的概率適當地增加輸電線路，也將其稱之為微球面研磨拋光形（Physical Contact，PC）入網方式[7]。分析3種入網方式的網絡拓撲特性，如果分布式電站數量一樣，則采用LC入網方式路徑最短，聚類系數最大，且其中入網方式同步性能更優。

2 分布式電站節點個數與電網網絡同步能力的關系

采用二階類Kuramoto模型對電網進行動力學建模與仿真實驗后發現，此模型對電網系統進行了優化，基本單元包括發電站、傳輸線以及用戶中心等內容，具體如圖1所示[8]。

圖1 電網單元的基本構成

采用二階類Kuramoto模型程序，增加分布式電站節點個數，能夠有效降低電網網絡的同步能力。當新增的分布式電站數量相同時，A種接入方式臨界耦合強度更高，B種接入方式網絡同步性能更佳。此時結合上述研究結果，B種連接方式網絡節點分布比較分散，綜合分析后發現，分布式電站越分散，其電網同步性能越好，越有利于電網同步。當分布式電站入網方式不同時，其節點之間同步傳播，并且傳播方式也存在著明顯的差異。采用IEEE 30節點系統進行分析的過程中，在距離發電機較近的復合點中隨機選取1個負荷節點，即10號負載節點。采用IEEE 57節點系統進行分析的過程中，在距離發電機較近的復合點中也隨機選取1個負荷節點，即16號負載節點。試驗過程中所施加的擾動功率均為2，擾動時間為180～200 s，實驗的過程中，要保證系統在沒有增加擾動功率時在同步狀態運行，IEEE 30節點系統和IEEE 57節點系統的耦合強度分別設置為10和16。

對網絡中失同步節點個數與網絡演化時間變化之間的關系進行分析后發現，隨著時間的延長，失同步節點的數量不斷增多，到最后甚至擴散到了整個網絡[9]。而當入網的分布式電站數量為固定值時，與A種接入方式相比較而言，采用B種接入方式接入分布式電網后，入網系統所有節點會在相對比較長的時間內實現失同步，各網絡節點更加分散。這是因為新增分布式電站與原網絡電站之間的距離比較遠，在這種入網方式下接入電網，電源分布方面離散化特征更加明顯，失同步傳播速度也越慢。同一時刻下，對兩種入網方式所引起的系統失同步節點數進行統計分析后發現，與A種接入方式相比較而言，B種接入方式引起的系統失同步節點數量更少，有時也會與A種接入方式引起的系統失同步節點數相同。如果時間固定，分布式電站分布的越分散，則在一個固定的時間內失同步波擴散的范圍越小。

3 分布式電站不同入網方式的性能分析

對分布式電站不同入網方式網絡拓撲特性進行分析，本次研究在進行同步模型及實驗仿真中應用到了IEEE 57與IEEE 30等節點系統作為研究對象，其發電機節點和負載節點也不相同。有研究人員發現，分布式電站以負相關方式接入電網，同步性能較優，本次研究中用到的兩種入網方式都是將分布式電站與負載節點進行了連接，如果不考慮分布式電站與發電機節點之間的關系，則可直接進行實驗仿真，按照節點編號順序逐次添加節點。第2次仿真實驗是按照節點編號倒數依次添加，從第3次開始一直到第7次，隨機編號添加，取多次實驗仿真結果的平均值[10]。分析不同入網方式對網絡基本拓撲特性造成的影響后發現，隨著分布式電站數量的增加，不同入網方式表現出的網絡平均路徑長度以及聚類系數也不同。如果采用LC入網方式，則電網平均路徑長度最短，聚類系數最大；而如果采用SC入網方式，則平均路徑長度最長，聚類系數最小。相比較而言，PC入網方式居于兩者之間。

對不同入網方式同步性能進行分析后發現，不論采用哪一種入網方式，分布式電站數量增加至負載數量的2/3時，網絡同步性能最優，優于分布式電站數量為負載數量1/3時的同步性能。LC入網方式網絡同步臨界耦合強度最小，SC入網方式網絡同步臨界耦合強度最大，PC入網方式居于兩者中間。

4 結 論

本次研究結果表明，分布式電站入網時，結合具體情況應該首選原有發動機節點平均距離偏遠的負荷點開始接入電網，并且在并入電網后，整個網絡系統中發電機節點布置的相對比較分散，此時電力系統網絡同步能力更強，而要想在網絡中增加擾動，首先需要從距離發電機節點比較近的負荷點開始，這樣能夠有效減緩失同步波的擴散速度。但是如果遇到一些特殊情況，設計人員則要根據實際情況進行分析，采用一種與實際情況相符的分布式電站入網方式，盡可能減小分布式電站入網對電網同步造成的影響。