规划阶段含微网的配电网电能质量评估

阎 鼎，龙 禹，程浩忠，何吉彪，陈 楷

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.南京供电公司，南京 210019）

规划阶段含微网的配电网电能质量评估

阎 鼎1，龙 禹2，程浩忠1，何吉彪1，陈 楷2

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.南京供电公司，南京 210019）

提出一种对规划阶段含微网的配电网电能质量进行合理评估的有效方法。该文首先论述了规划阶段电能质量评估的重要性与存在的困难，分析了不同分布式电源接入对电能质量的影响。然后以微网接入点短路容量与各分布式电源容量为数据基础，基于层次分析法对规划阶段接入不同结构微网的配电网进行电能质量评估。该方法可以根据微网中不同类型、不同排列方式的分布式电源对微网接入点造成的电能质量影响设定判断矩阵，使电能质量评估结果更加客观、科学、合理。

规划阶段；电能质量评估；微网；层次分析法

电能质量评估非常复杂，现有文献一般并没有给出评估方式的完整定义，更没有分析它们相互之间的内在联系[1]。且目前大量的电能质量评估是基于电力系统运行阶段的，而适用于电力系统规划阶段的电能质量评估研究却非常少。如果能在规划阶段对电能质量进行评估，就可以及时给电力规划人员进行反馈，以便及时调整规划策略。以此避免工程建成后的再调整，造成人力物力的浪费，降低工程经济效益等情况的发生。

微网是相对传统大电网的一个概念，系指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。随着微网技术的发展，更多电力用户倾向于使用微网，以提升供电可靠性。但是微网接入在配电系统中，微电源的接入会改变微网的潮流方向和配电网的结构，这使得并网后的含微网配电系统在运行、控制和保护等各方面都会对电能质量产生影响[2，3]。如何在电力网络规划阶段对微网接入点进行电能质量评估就成为一个课题。

由于规划阶段无法获得电能质量相关的实测数据，比如电压谐波总畸变率、短时闪变严重程度、三相不平衡度以及电压偏差等数据，所以必须构造一套适应于规划阶段电能质量评估的科学合理的方法及体系。

文献[4]确定了电能质量评估的各项指标，提出采用模糊原理综合多项指标，实现定量评价电能质量，但该方法没有给出各指标间的量化关系；文献[5]提出采用模糊综合评价方法进行评价，但没说明如何确定权重；文献[6]结合层次分析法及模糊方法进行综合评价，但当考虑指标比较多时可能会出现判断矩阵不具有一致性的情况。

本文详细分析了微网中不同种类分布式电源以不同方式接入配电网所造成的电能质量影响，以此更加客观地设定层次分析法中各分布式电源的权重。由于规划阶段无法获得电网运行的详细数据，所以本文以微网接入点短路容量与各分布式电源容量为数据基础，基于层次分析法对不同结构微网接入点进行电能质量评估。该方法可根据微网中不同类型、不同排列方式的分布式电源对微网接入点造成的影响设定判断矩阵，使电能质量评估结果更加客观、科学、合理。

1 各分布式电源对电能质量各指标的影响

分布式电源并网对电能质量的影响主要在于电压波动和闪变、电力谐波和电压稳定性等方面[6]。所以本文从电压偏差、电压波动与闪变、电力谐波与电压暂降4个指标对电能质量进行评估。

分布式电源与电网互联接口的不同会对电能质量各指标造成不同程度的影响。目前分布式电源与电网互联的接口一般有3种形式：电力电子装置（逆变、整流、变频）、同步发电机和异步发电机。以下分析各因素对各电能质量评估指标影响的严重程度。

（1）电压波动与闪变。文献[8]指出逆变型分布式电源能够实现类似恒功率拟负荷的电源特性，即关系上类似负荷但并不完全吸收功率，所以引入的电压闪变很小。而异步发电机在运行过程中要吸收无功功率所以其功率波动是造成电网电压闪变的主要原因。

（2）电力谐波。文献[9]中提出一定容量的分布式电源接入配电网，会对馈线上的谐波电压和电流分布产生影响；分布式电源越接近系统母线，对系统的谐波分布影响越小。

（3）电压偏差。文献[10]，[11]分析了分布式电源对配电网电压分布的影响，从中总结出：DG越接近母线，对线路电压分布的影响越小；DG集中于同一节点时对电压的支撑效果明显弱于DG分布于各个节点对电压的支撑效果。

（4）电压暂降。文献[12]指出逆变器形式的分布式电源减少电压暂降持续时间的能力明显强于同步机形式的分布式电源。

由以上分析可知，分布式电源与电网互联的接口形式对电能质量评估有较大影响，以下对各种分布式电源的接口类型进行分类。太阳能光伏发电、燃料电池发出的是直流电，需要逆变后并网；微型燃气轮机发出的是高频交流电，需要变频后并网；一些先进的同步风力发电常采用交-直-交的方式并网；这些都要通过电力电子装置并网。目前风力发电机组大多数是通过异步发电机并网。各种分布式电源的接口类型及其容量范围如表1所示[13]。

表1 分布式电源接口类型及其容量范围Tab.1 Interface types and capacity range of DGs

2 基于AHP对各项指标进行权重确定

为了尽可能使判断矩阵的设定客观实际，本文一方面对各种不同类型分布式电源对配电网的不同影响进行详细分析，另一方面从分布式电源与微网接入点的距离考虑，从而得出合乎客观实际的判断矩阵各元素。

2.1 建立层次递阶结构

层次递阶结构通常可划分为目标层、准则层和方案层。目标层表示解决问题的目的，即层次分析的预期总目标；准则层表示采取某些措施、政策、方案来实现预定目标所涉及的中间环节；方案层表示要选用的解决问题的各种措施、政策、方案等。本文电能质量评估的指标及层次模型如图1所示[14-16]。

由于规划阶段无法获取电能质量各指标的实测数据，所以只能制定适应于规划阶段的电能质量层次评估模型。图1所示电能质量层次评估模型分为3层。目标层A为电能质量综合评估结果；准则层B将电能质量评估分为4个方面指标进行评估，分别为电压偏差、电压波动与闪变、电力谐波与电压暂降；方案层C选取4种不同类型、不同分布地点的分布式电源接入微网，对电能质量的4种评估指标进行严重程度不同的影响分析。

图1 电能质量评估层次模型Fig.1 Hierarchy model for power quality evaluation

2.2 构成判断矩阵

在图1所示确定的递阶层次结构中，每一个元素与该元素支配的下一层元素构成一个子区域，对于子区域内的各元素采用专家咨询法来构建若干个判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层某元素，本层次有关元素之间相对重要性状况，通常用标度1，2，3，…，9及它们的倒数来表示相对重要性，其具体含义参考文献[17]。

2.3 一致性检验

设ω=（ω1，ω2，…，ωn）T是n阶判断矩阵的排序权重向量，当A为一致性判断矩阵时，有

用ω=（ω1，ω2，…，ωn）T右乘上式，得到Aω=nω，表明ω为A的特征向量，且特征根为n。再对特征向量归一化处理后就可以得到所需要的权重向量。

对判断矩阵进行一致性检验。定义其不一致性数量指标CI为

再引进平均随机一致性指标RI，对于n=1～9，平均随机一致性指标RI取值如表2所示。

表2 平均随机一致性指标Tab.2 Average random consistency index

定义CR为一致性比例，CR=CI/RI，当CR≤0.1时，则称判断矩阵具有满意的一致性，否则就不具有满意的一致性，需进行一定的修正。

2.4 总权值确定

若上一层次A包含m个因素A1，A2，…，Am，其层次总排序权值分别为a1，a2，…，am，下一层次B包含n个因素B1，B2，…，Bn，它们对于因素Aj的层次单排序权值分别为b1j，b2j，…，bnj，此时B层次的总排序权值由表3给出。

表3 权重合成方法Tab.3 Weight synthesize method

3 含微网的配电网电能质量评估

在含微网的配电网规划过程中，可以获得的模型数据有：配电网中微网的数量及接入位置，微网中所含分布式电源类型、数量、分布位置及其容量，微网接入点的短路容量。微网接入点短路容量越大，说明配电网应对微网干扰的能力越强；微网中分布式电源的容量越小，说明微网对配电网的干扰越小。基于此种考虑，在规划阶段无法获得详细实测数据的情况下，本文以微网接入点的短路容量与微网中各分布式电源的容量为基础数据，并考虑微网中各分布式电源的接入位置、种类与接口类型，建立规划阶段电能质量评估模型。

基于AHP法得出的各分布式电源权重系数必须要尽可能客观真实地反映实际分布式电源对配电网造成的电能质量影响，不然极有可能造成评估结果的不准确。而详细分析微网中分布式电源的多样性，可以科学、合理地设定权重系数。比如，从分布式电源的发电形式分类，有风力发电、微型燃气轮机发电、太阳能光伏发电、燃料电池供电与地热能发电；从分布式电源的接口类型来区分，有电力电子接入、异步发电机接入以及同步发电机接入，其中电力电子接入方式又可分为整流、逆变以及变频；同时，微网中分布式电源的分布位置与配电网接入点的距离也是不同的。

3.1 电能质量评估步骤

含微网的配电网电能质量评估的具体步骤如下。

（1）根据第1节中对分布式电源类型及其排列方式对电能质量影响严重程度的研究结果，由专家给出关于各类型分布式电源Ci（i=1，…，h）对单个电能质量指标Ai（i=1，…，n）的影响严重程度的n个判断矩阵Yk=（yij）h×h（k=1，…，n，i，j=1，…，h）；给出单项电能质量指标Ai（i=1，…，n）对电能质量综合评价结果Z的重要性程度赋值的判断矩阵X=（xij）n×n。

（2）用第3节中的AHP法求解第1步中各矩阵相对权重矢量并归一化，得到W(1)=（ω1(1)，ω2(1)，…，ωn(1)）T，Wi(2)=（ωi1(2)，ωi2(2)，…，ωih(2)）T（i=1，…，n）。

（3）用公式

计算各类分布式电源Ci（i=1，…，h）对目标层Z的总权值，得到向量V=（v1，v2，…，vh）T。

（4）用公式

计算单个微网B接入配电网的电能质量情况。分析式（3）可知，本文采用的综合评价指标本质上是考虑了电能质量影响因素的各微网内部分布式电源容量与微网接入点短路容量的比值的和。定义Z为电能质量指标值。Z值越小，电能质量越好。

其中PSC为微网接入点的短路容量，CFj第j个分布式电源的容量系数，Pj微网中第j种类型分布式电源的容量。

CFj的取值为：风电DG的容量系数0.38；光伏DG的容量系数比风电低，为0.29；其他类型DG的容量系数为1.0[18]。

3.2 评估结果分级

由式（4）可推导出

式（5）说明Z值小于等于微网中所有分布式电源装机容量总和与微网接入点短路容量的比值。考虑到一般微网中都包含风电、太阳能光伏发电等分布式电源，所以不可将容量系数CFj忽略，即容量系数CFj不可设置为1。此处将CFj的取值上限定为0.75。设

式中，a为当容量系数CFj取上限值0.75，忽略各分布式电源权重系数时的电能质量指标值Z的上限，即方案中的电能质量指标值Z不会大于a。

将电能质量等级按照电能质量指标值Z分为优、良、合格、不合格4个等级。由于电能质量指标值不大于a，所以取a为上限值，并将a 4等分，作为4个等级的分级标准。各等级分布如表4所示。

表4 电能质量等级分布Tab.4 Grades of power quality

4 某园区案例分析

根据《国家电网公司城市电力网规划设计导则》，本案例考虑的配电网电压等级为10 kV，对应短路容量限定值应选取为，即277MVA。规划案例的短路容量应略低于短路容量限定值，本案例取微网接入点短路容量为250 MVA。

规划给出3种不同的微网结构如图2所示。微网中的分布式电源种类及其容量如表5所示。

表5 微网中各类型分布式电源容量Tab.5 Capacity of different DGs in micro-grid

根据第3节分析可知，本文的电能质量评估算法是基于分布式电源容量的。为了有效比较3种不同的微网规划方案，微网中各分布式电源装机容量的总和需固定。目前微网装机容量范围基本上在2～7 MVA，一般不会超过10 MVA。所以各案例选取分布式电源装机容量总和为7 MVA。

规划方案选取的4种分布式电源中，微型燃气轮机与地热能发电的出力比较固定，可作为系统基荷看待，有利于保持微网稳定的出力；而清洁的太阳能光伏发电与风力发电出力不固定、随机性较大。在方案1、2中，选取不同的太阳能光伏发电与风力发电装机容量，固定各系统基荷容量，预期以此来保证配电网的电能质量。在方案3中，提高微网中太阳能光伏发电与风力发电装机容量，降低微型燃气轮机与地热能的装机容量，不再固定一定容量的系统基荷。

图2 微网中各分布式电源的分布情况Fig.2 Distribution of different DGs in micro-grid

本案例的规划阶段电能质量评估的层次结构如图1所示。出力不稳定、随机性较大的太阳能光伏发电与风力发电DG相比出力稳定的微型燃气轮机与地热能发电DG会对配电网电能质量造成较大影响。所以本文在设定B层对C层的判断矩阵时会适当提高太阳能光伏发电与风力发电DG的权值。

经过专家调查从某一类型用户的角度建立判断矩阵，根据表2所示的判断矩阵形成准则。专家给出A层对B层的判断矩阵为[14]

该矩阵表示了电压偏差、电压波动与闪变、电力谐波与电压暂降4个指标分别对电能质量造成影响的严重程度。

下面建立B层对C层的判断矩阵。

（1）从电压偏差指标的角度建立判断矩阵。由第2节分析可知，DG越接近母线，对电压偏差的影响越小。以方案1为例，可设权重DG1为1，DG2 为3，DG3为3，DG4为5。同理可得方案2、3的权重。分别得到方案1、2、3的判断矩阵分别为

（2）从电压波动与闪变的角度建立判断矩阵。由第2节分析可知，DG以异步机形式的接口接入时会造成较大的电压波动与闪变，以逆变形式接入时造成的影响却很小。以方案1为例，可设权重DG1为1，DG2为7，DG3为1，DG4为3。由于此时造成权重不同的原因为分布式电源的接口形式，所以方案2、3与方案1的权重系数相同。可得方案1、2、3的判断矩阵分别为

（3）从电力谐波的角度建立判断矩阵。由第2节分析可知，DG越接近微网接入点，对系统的谐波污染越小。以方案1为例，可设权重DG1为1，DG2为3，DG3为3，DG4为5。同理可得方案2、3的权重。分别得到方案1、2、3的判断矩阵分别为

（4）从电压暂降指标的角度建立判断矩阵。由第2节分析可知，逆变器接口形式的DG对电压暂降的影响小于同步机接口形式DG对电压暂降的影响。以方案1为例，可设权重DG1为1，DG2为3，DG3为1/3，DG4为3。由于此时造成权重不同的原因为分布式电源的接口形式，所以方案2、3与方案1的权重系数相同。可得方案1、2、3的判断矩阵分别为

经过层次单排序、层次总排序以及一致性检验，得方案1、2各分布式电源的权重分别为V(1)= （v(1)1，v(1)2，v(1)3，v(1)4）=（0.085 2，0.362 8，0.189 2，0.362 8）、V(2)=（v(2)1，v(2)2，v(2)3，v(2)4）=（0.120 9，0.47，0.296 3，0.112 8）、V(3)=（v(3)1，v(3)2，v(3)3，v(3)4）=（0.175 1，0.632 5，0.052 7，0.139 7）。

根据式（3）计算得Z(1)=0.414%，Z(2)=0.432%，Z(3)=0.557%。根据式（5）计算得本案例中a值为0.021。根据表4的电能质量等级分类，Z(1)≤a/4= 0.525%，Z(2)≤a/4=0.525%，0.525%=a/4≤Z(3)≤a/2= 1.05%。

方案1与方案2的电能质量评估结果均为优，且方案1的评估结果更好，而方案3的评估结果为良。方案1、2评估结果均为优是因为两种规划方案为了使微网的结构更接近实际安全运行情况，均预先设定微型燃气轮机、地热能发电为微网中的基荷，并使其容量在系统总容量中占据一定的比重，以保证微网出力尽可能稳定，使实际系统更安全可靠。在微网容量本身就不大的前提下，固定了一定量的系统基荷后，只要不出现极端情况，评估结果的参数就不会相差太大。评估结果达到了规划方案的预期。而方案2较方案1评估结果较差的原因主要在于具有较大容量的微型燃气轮机DG接入点距离微网接入点很远，分布式电源距离微网接入点越远则对微网接入点电能质量影响越大。因在方案1、2中，微型燃气轮机DG作为微网的基荷，其容量占据整个微网中分布式电源总容量的35.7%，所以当它远离微网接入点时，对电能质量评估结果造成了不良的影响。方案3评估结果相对较差，正是接入了大量出力不稳定的风力发电DG，没有保证一定容量比例的微型燃气轮机、地热能DG作为微网系统基荷所造成的。由于规划时限定了微网接入容量最大为7 MW，其接入容量与配电网短路容量相比很小，所以不至于评估结果不合格。如果在规划阶段，不限定微网的接入容量，且接入了较多出力不稳定的分布式电源，或者大量接入以异步电机、同步电机为接口的分布式电源，缺少微型燃气轮机发电或地热能发电等系统基荷且大量分布式电源接入点距微网接入点较远时，将导致系统电能质量变差甚至不合格。

5 结论

本文提出了基于规划阶段含微网配电网的电能质量综合评估方法，得出的结论如下。

（1）通过详细分析微网中不同种类、不同接入方式、不同接入位置的分布式电源对电能质量评估各指标的影响，得到更为合理的指标权重。

（2）运用层次分析法，考虑分布式电源的容量系数，根据《国家电网公司城市电力网规划设计导则》精确限定相应电压等级的短路容量值，求解微网中各类型分布式电源和单项电能质量指标的权重矢量，将电压偏差，电压波动和闪变，电力谐波，电压暂降等指标综合量化，得到配电网中单个微网对电能质量影响的综合评价结果。

（3）通过对具有一定基荷、微网中分布式电源容量总和固定的某规划方案的分析，评估得到电能质量较佳的方案，证明了这种方法可以客观、全面、合理地对含微网的配电网规划方案中的电能质量进行综合评估，具有较好的应用价值。由于目前几乎没有基于微网规划阶段的电能质量评估研究，所以本文提出的评估方法具有一定的创新性。

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Power Quality Assessment for Distribution Network Incorporating Micro-grid in Planning Stage

YAN Ding1，LONG Yu2，CHENG Hao-zhong1，HE Ji-biao1，CHEN Kai2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China）

A method of power quality assessment for distribution network incorporating micro-grid in planning stage is proposed.The importance and difficulties of power quality assessment in the planning stage are first discussed in the paper.And the paper analyses the impact on power quality of different DGs.Then considering the short-circuit capacity of the micro-network access point and the capacity of each DG，power quality of different micro-grids is assessed based on AHP in the planning stage.The method can set a judgment matrix according to different types and arrangement of DGs，thus making the assessment result more objective，scientific and reasonable.

planning stage；power quality assessment；micro-grid；analytical hierarchy process（AHP）

TM714.3

A

1003-8930（2013）06-0009-07

阎 鼎（1989—），男，硕士研究生，从事电能质量监测、评估与分析方面的研究工作。Email：yduniverse@sjtu.com.cn

龙 禹（1973—），女，高级工程师，主要从事电网运行管理、规划方面的工作。Email：longyu73@126.com

程浩忠（1962—），男，博士，教授，博士生导师，从事电能质量、电力系统规划、分析、电压稳定等方面的研究工作。

Email：hzcheng@sjtu.edu.cn

2012-08-30；

2012-11-07

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2009CB219703）