含分布式电源的配电系统规划研究

范艳霞

（山东电力工程咨询院，山东 济南 250013）

0 引言

目前，大电网与分布式发电（Distributed Generation，DG）相结合是 21世纪电力工业的发展方向。研究表明,到2010年分布式发电在新建机组的上网电量中将占到 20%［1］。DG得到广泛应用的主要原因是其对系统的支撑作用,主要包括:DG在电压支撑以及改善电能质量上的作用；机组更接近用户,可避免或减少输电和配电的费用；线路损耗将会减少；可节约常规发电机组使用的燃料,减少环境污染和替代部分常规发电机组容量,推迟输配电基础设施的扩建；能提高系统的可靠性等［2］。分布式电源的引入对用户以及系统设备的潮流和电压环境带来的冲击，对配电系统规划的影响等已成为研究热点［3］。

1 分布式发电对配电网规划的影响

分布式发电（DG）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，能经济、高效、可靠地发电［4］。 分布式电源（DGS）包括功率较小内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、可再生能源如太阳能发电的光伏电池和风力发电等。DG是未来电力系统发展的重要方向，它的出现给传统的配电网规划带来了实质性的挑战，是配电网规划研究的一个焦点。DG对配电网规划的影响主要有三个方面［5］：

1）分布式电源的出现会使电力系统的负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性。大量的用户从自身需求出发安装DGS，使得配电网规划人员更加难于准确预测负荷的增长情况，从而影响配电网规划。同时，由于规划问题的动态属性同其维数密切相联，若再出现许多发电机节点，使得在所有可能的网络结构中寻找到最优的网络布置方案更加困难。如果DGS的位置和规模不合适，可能会导致电能损耗的增加，导致网络中某些节点电压的下降或出现过电压，还会改变故障电流的大小、持续时间及其方向。

2）在配电网安装DGS的用户或独立发电公司与想维持系统现有的安全和质量水平不变的配电网公司之间存在一定的冲突。因为有大量DG接入配电系统并网运行，这将对配电网系统结构产生深刻影响，原有的单向电源馈电潮流特性发生变化，一系列包括电压调整、无功平衡、继电保护等在内的综合性问题将影响系统的运行。为了维护电网的安全、稳定运行，必须使DG能够接受调度，这不但需要改造现有的配电自动化系统，还要由被动到主动（电压调整、保护政策、干扰和接口问题）地管理电网。

3）DG机组类型及所采用能源的多样化，使得如何在配电网中确定合理的电源结构、如何协调和有效地利用各类型的电源成为迫切需要解决的问题。因此DG的广泛应用，使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到与DG有关的电力系统规划中，并影响规划的决策过程。

2 含DG的配电系统规划

2.1 DG在电力网络中的布点规划

在已有电网的基础上进行DG的布点规划，总体上包括两步：第一步是根据自然资源的分布和国家的能源政策规划DG的类型、数目和位置，即仅仅考虑环境上的限制；第二步结合DG接入的实际电网，在第一步的结论范围内重新进行一种或几种DG的最优数目和位置的规划。具体的评估和规划框架如图1所示［6］。整个规划过程主要由经济分析、工程分析、财政分析三大块组成，其中还涉及到政府或相应的管理部门以及电力公司的政策取向。

图1 分布式发电的规划流程

2.2 DG的配电网扩展规划

考虑DG的配电网扩展规划，应根据系统的负荷增长情况，在系统达到其容量限制时，根据经济成本最小的目标，规划出可以满足负荷增长需要的系统最佳增容方案，即由电网升级、增建线路和变电所以及在适当的位置安装DG所组成的最佳方案，图2显示了包含分布式电源的配电网扩展规划的流程［7］，通过T&D边际成本分析、高级执行过程分析、详细工程分析及动态DG和安装位置研究这4层筛选后，就可以提出相应的分布式发电方案以取代输配电网的扩展计划，否则仍需进行输配电网的扩展。所有需要增加容量的地方经过以上的步骤后，将会得到一个由扩建电网和安装分布式电源所组成的最佳配电网扩展方案。

图2 含分布式电源的配电网扩展规划的流程

3 分布式电源在电力系统中最佳位置的选择

分布式电源在电力系统中合理配置，会大大增强系统的稳定性，减少功率损失，降低调峰成本，推迟或替代系统的升级，提高系统的完整性、可靠性和效率。

分布式电源通常被放置在靠近负荷中心的位置或者添加在配电级,最常用的确定分布式电源位置的方法是寻找一个位置使系统的功率损失最小；另外一种方法是在具有统一负荷特性的径向馈线上应用 “2/3原则”，即将分布式电源放置在线路长度的2/3处，承担大约2/3的负荷能力，这种方法简单易用，但是不能直接应用到具有其它类型的负荷分布特性的馈线上，也不能应用到网状系统上。本文提出在统一功率因数的电力系统中，分布式电源位置的确定方法,并用实例来检验。

为了简化分析，不考虑分布式电源的容量的最优化配置问题及经济性和地理因素。

3.1 分布式电源在径向馈线上的最佳位置

为了方便分析，假设：线路沿线每单位长度的R和L的值都是相同的，馈线上的负荷分布在离散的时间段上变化，在某个固定的离散时间区间不变。如图3所示。

图3 径向馈线系统的分布示意图

3.1.1 理论推导

首先考虑不安装分布式电源的径向馈线。在Ti这个时间段上，线路上分布的电流Id（x，Ti）如图3所示。在x点处的电dx流用式（1）表示：

假设线路每单位长度线路的阻抗Z=R+jX（Ω／km），那么在此处微增的功率损失和电压降是：

那么在Ti这个时间段内，馈线上所有的功率损失为：

位置点x相对于线路末端的电压降为：

在x处的电压为：

而整条线路的电压降为：

假设在馈线x0处配置一个分布式电源，如图3所示。由于注入了电流源IDG（Ti），线路x=x0到x=1这段线路的电流将会改变。然而由于负荷电流密度改变而引起的馈线电流变化量相对于由于注入IDG（Ti）而导致的馈线电流改变量来说是比较小的。为了简化分析，不考虑负荷电流密度的改变。这样就得到引入分布式电源后的馈线电流分布，具体的表达式如式（7）：

馈线上相应的功率损失和电压降为：

在一个时间周期T内平均的功率损失是：

3.1.2 径向馈线上确定分布式电源的最佳位置

通过求解方程（11）得到的x0，就是理论上使功率损耗最小的分布式电源的最佳位置。

但理论上得到的位置 ，不可能保证馈线上的所有电压都在事先规定的可接受范围内。如果电压分布特性不能满足要求，那么在保证功率损耗尽可能小的情况下，在附近找到满足电压分布特性要求的位置来，或者通过增加分布式电源的容量来解决。

3.2 馈线上负荷分布特性不随时间变化的案例分析

应用上面的分析步骤，来确定三种负荷分布特性的馈线上单个分布式电源的最佳配置点。第一种馈线的负荷分布为一致分布，其特点是整个馈线具有相同的负荷电流密度，即Id（x）=Ild常数。

第二种馈线的负荷分布为中心分布，其特点是馈线中点处的负荷电流密度最大，距离中心点位置越远的地方负荷电流密度越小，其负荷电流密度表达式为：

第三种馈线负荷分布为渐增分布，其特点是距离电源越远的地方负荷电流密度越大，其负荷电流密度的表达式为 Id（x）=Ild（l-x）。

通过应用上文提出的分析步骤，得到分布式电源DG在径向馈线的位置x0、没有加入分布式电源DG时的系统功率损耗和将分布式电源DG按照最佳位置放置后的系统的功率损耗。具体的比较见表1。

表1 三种负荷特性的DGS最佳位置

通过上表的比较可以看出，分布式电源在馈线系统中合理的放置，将会大大减少系统的功率损耗。

4 结论

含分布式发电的配电系统规划流程及规划内容的研究，提出了确定分布式电源在径向馈线上的最佳配置位置的理论方法，并以不同分布特性的三种馈线负荷分布为例求得该最佳位置点，证明了分布式电源在馈线系统中合理的配置，将会大大减少系统的功率损耗。在一个网状系统中分布式电源的最佳位置的确定是值得深入研究的课题。

［1］ 张芳,徐卓,徐荆州.分布式发电对配电网供电可靠性的影响［J］.江苏电机工程,2008（1）：31～32.

［2］ 梁才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响［J］.电力系统及其自动化,2001,20(6):53-56.

［3］ 王志群,朱守真,周双喜，等.分布式发电接入位置和注入容量限制的研究［J］.电力系统及其自动化学报,2005（2）：53～54.

［4］ 梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述［J］.电网技术,2003，27（12）：71～72.

［5］ Celli G,Pilo.F.Optimal distributed generation allocation in MV distribution networks ［A］.In Power Industry Computer Applications,Innovative Computing for Power-Electric Energy Meets the Market ［C］.22nd IEEE Power Engineering Society International Conference,2001.81-86.

［6］ Ault G W,Mc Donald J R.Planning for Distributed Generation within Distribution Networks in Restructured Electricity Markets ［J］.Power Engineering Review IEEE,2000,20(2):52-54.

［7］ 王敏,丁明.含分布式电源的配电系统规划［J］.电力系统及其自动化学报.2004，16（6）.