含有分布式电源配电网重构的研究现状及发展趋势

秦昕，李修华，要航，裴，吕思颖

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)



含有分布式电源配电网重构的研究现状及发展趋势

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

简要分析了分布式电源接入对配电网重构的影响，着重从含分布式电源的潮流计算模型、配电网重构的数学模型以及含分布式电源的重构算法三个方面阐述了该重构的研究现状，提出了现阶段研究的不足，展望了未来的发展方向。

分布式电源；配电网重构；模型；参数；算法

1 引言

分布式电源(Distributed Generation,DG)通常是直接布置在配电网或分布在负荷附近以满足特定用户的要求，且发电功率在几千瓦至几十兆瓦之间的经济、高效、可靠发电的小型发电设施[1]。这种新兴的发电技术得到人们越来越多的重视，一些主要的发达国家已经将DG技术放在了相当重要的位置。我国因为能源的匮乏，DG技术的大力发展将是我国电力工业的未来发展趋势。

随着接入配电网的分布式电源容量的逐渐增加，DG将会对配电网的各个方面产生不可忽略的影响，含DG的配电网重构就是其中的一个重要问题。配电网重构是通过合理安排配电网中多数分段开关和少数联络开关的开合状态，改变配电网络拓扑结构，从而平衡馈线负荷、降低网损、消除过载、提高网络供电能力的优化配电网运行的一种重要手段[2]。传统配电网中的电源主要是集中式电源，而分布式电源相比于常规的集中式电源可以提高能源利用率，既可独立运行直接满足用户需要，又能接入配电网满足能源的补充[3]。因此充分合理地利用分布式电源将会对配电网产生积极影响。

传统配电网重构兴起于20世纪80年代后期，其目前的研究技术已趋于成熟，但现在节能减排、绿色能源、可持续发展已成为各国关注的焦点，分布式发电技术也日益完善，而针对含DG的配电网重构研究尚未成熟，因此研究含DG配电网重构具有深远的意义[4]。本文将从不同方面分析DG接入对配电网的影响，阐述涉及含DG配电网重构的研究现状，展望DG应用于配电网重构的发展方向。

2 DG对配电网重构的影响

配电网是从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地或逐级分配给用户的电力网，与发电厂、输电网和用电设备共同组成完整的电力系统，其中配电设施包括配电线路、配电所、配电变压器等。配电网作为电力系统中最末端的环节，起着连接电源和用户的重要作用[3]。分布式电源接入配电网后，其接入的位置与容量的大小都会对配电网的各个方面带来不同程度的影响，这会给配电网重构带来新的挑战，即如何最大限度地减少DG对电网的不利影响并且发挥DG在配电网中的最大优势。

分布式电源主要在以下几个方面给配电网重构带来了影响[5-8]：

(1)对网损的影响。DG的接入将使整个配电网的负荷发生变化，当某个负荷点的负荷不小于DG输出量、而所有DG输出量小于配网总的负荷量时，引入DG有可能增加某些线路网损，但是系统总的网损减小；当某个负荷点的负荷量小于该点的DG输出量，而所有DG输出量大于配网总的负荷时，如果所有的DG发电量小于总负荷的2倍，DG的影响和前边的类似，否则将增加总的损耗。因此，DG既可能增大也可能减小配电系统网损。

(2)对电压的影响。DG的引入不仅改变了传统线路的潮流方向，而且抬高了各负荷节点电压。由于 DG 输出功率不稳定，容易造成系统电压的波动，而当DG不与当地的负荷协调运行时，这时将会更容易增大系统电压的波动。

(3)对配电系统潮流方向的影响。当不引入DG时，系统的潮流方向是由母线流向线路，其潮流方向是单向的；引入DG后，由于DG的出力支持，改变了潮流的流向，使得潮流方向难以确定，潮流的大小计算起来也比较困难。这些可能导致电压调整的设备失去正常的调节功能。

(4)对继电保护装置的影响。引入DG后，配电系统整个网络都存在电源与用户相连，电网的潮流方向也不再单纯从母线流向负荷，以前设定的保护整定策略就可能不适用了，如果采用加装方向元件的方法来解决这个问题，则会大大降低系统的经济效益。

(5)对配电系统可靠性的影响。DG的引入有可能改变短路电流的大小和网络结构，这使得按原先网络设计的继电保护容易误动作。当DG并网后，应防止发生单相接地短路时非故障相的过电压；当DG撤出后，DG仍可以独自供电。然而无意识的孤岛运行会对配电系统的稳定造成一定的危害，同时也可能引起谐振，损坏设备。另外，DG大量渗入配电网将导致振荡持续时间的延长，威胁着系统的安全运行。

3 DG的潮流计算模型

分布式电源的引入将使多个电源分布配电系统，整个配电系统潮流的流向将发生改变，因此传统的潮流算法可能不再适用，需要对此加以改造。DG的类型主要有[9-11]：

(1)风力发电

目前主流的风电采用异步机方式同电网并网运行，通过无功自动投切装置维持风电功率因数的稳定，由于有功功率确定，其无功功率也就得以确定，因此风电可被看为 PQ 节点。

(2)光伏发电与燃料电池

将电力电子装置为能量转换设备与大电网连接的光伏电池(逆变器采用电压控制)和燃料电池(输出电流为直流)可以看作PV节点；逆变器采用电流控制的光伏电池可看作PI节点。与分布式电源相连接的任何电力电子装置无功输出都是有上限的，在潮流迭代中，若出现PV无功越线，则将其转换成对应的PQ节点；若在后期迭代中又出现该节点电压越界，则重新将其转换为PV节点[7]。

(3)微型燃气轮机

微型燃气轮机可分为分轴结构和单轴结构。分轴微型燃气轮机通过励磁可调的同步发电机直接并网运行，可根据电压控制或功率因数控制分别处理为PV或PQ节点；单轴微型燃气轮机输出高频交流电，需通过电力电子装置接入电网，可根据母线处换流器的种类确定为PV或PI节点。

如上文所述，随着DG的接入，配电网的节点类型变为PQ、PV、PI和P恒定、Q=f(V)这四类节点。下面分别予以介绍[9-10]。

(1)P、Q恒定型

在含DG的配电网潮流计算中，对DG的简单处理就是把DG当成“负的负荷”，即作为PQ节点。此种DG与功率大小相等的负荷相比，只是功率流向相反，潮流计算为：

式中，PS、QS为PQ恒定型DG的有功功率和无功功率。

(2)P、V恒定型

对于P、V恒定型DG，其潮流计算模型为:

式中，PS、US为PV恒定型DG的有功功率和电压，这与前推回代法要求负荷为 PQ 类型的条件不相符，需要特殊处理。

假设系统有N个PV恒定型DG接入配电系统，其无功调整应按下式进行：

式中，J为N×N阶灵敏度矩阵，其对角元素为该节点至根节点所有支路的电抗和；非对角元素为两个PV节点至根节点的公共支路的电抗之和。

实际中PV恒定型DG通常给定无功的上下界，为了保证无功功率不越界，修正的无功方程改为如下形式：

式中Qmax、Qmin为PV恒定DG的无功功率上、下限。

(3)P、I恒定型

PI 节点的无功功率的表达式为：

式中，Qt+1为第t+1次迭代的DG的无功功率，et为电压的实部，ft为电压的虚部，I是电流的幅值。

(4)P恒定、Q=f(V)型

对于这种类型的 DG，其潮流计算模型如下：

式中，Ut为第t次迭代的电压幅值，Qt+1为第t+1次的无功功率。

根据配电网在网络构成和线路参数方面的特点，前推回代法以其原理简单、不受r/x比值影响、计算收敛的速度快和计算量小等优点，因此更适用于计算辐射型电网结构的潮流。前推回代法的基本原理是：先取线路的平均电压作为各节点的电压，再从末端节点开始根据支路参数前推每条支路的功率损耗，然后计算出每个负荷节点的总的损耗；然后从根节点开始根据计算得到的总功率计算每条支路的电压损耗，直到末节点，如此反复进行，直到算法收敛为止。

上文已将几种典型分布式电源的节点类型归结于为PQ节点、PV节点、PI节点和P恒定、Q=f(V)型节点，对于特殊节点在迭代时可转化为PQ或PV节点来处理。采用前推回代法对不同分布电源节点进行潮流计算，可以为含DG配电网重构提供科学的依据。

4 配电网重构数学模型

4.1 目标函数

配电网络重构的目标函数包括平衡负荷、降低网损、提高电压质量等，本文以网损最小为目标函数，其数学表达式为:

式中：Li为系统支路总数；i为支路编号；ri为支路的电阻；Pi和Qi为在支路i注入的有功功率和无功功率；Vi为支路注入节点的电压幅值。

4.2 约束条件

配电网重构应满足的约束条件包括潮流约束、支路容量约束、电压约束、辐射状运行约束等。

(1)潮流方程约束

式中：Pi、Qi分别为节点的输入有功功率、无功功率；PDGi、PDGi分别为DG向节点i注入的有功、无功功率；PLi、QLi分别为节点i处负荷的有功功率、无功功率；Vi、Vj分别为节点i、j的电压；Y为支路的导纳矩阵。

(2)支路容量约束

Si≤Simax

Si、Simax为各线路流过的功率值和支路容量最大容许值。

(3)节点电压约束

Vimax

式中：i=1，2，3，…，N。N为节点总数；Vi、Vimin、Vimax分别为节点i的电压幅值及其上下限。

(4)网络辐射状约束

网络重构后配电网络呈辐射状，无环路及孤立节点、孤岛存在。

5 含DG配电网的重构算法

研究含DG的配电网重构问题实际上就是怎样合理转变线路分段开关和联络开关的开合状态，使负荷得到合理转移，从而提高配电网的供电质量。由于DG引入配网，其重构模型变成一个非线性、离散的、多目标、多阶段的组合优化问题，且子目标之间相互制约，因此传统的配网重构方法不太再适用于含DG的配网重构，而近年来兴起的人工智能算法凭着其良好的全局搜索性能和收敛性能在配网自动化中起到重要的应用，故下文主要针对人工智能算法在含DG配电网重构中的应用进行了简要说明。

(1)遗传算法。遗传算法是以自然基因选择机理为基础的搜索方法，其主要思想是从一个待选规划方案的集合出发，对各个方案进行综合评价，多次重复对群体进行选择、交叉、变异运算，最后得到最优解的集合。遗传算法采用选择、交叉和变异算子进行搜索，全局搜索能力较强，但局部搜索能力较弱，一般只能得到问题的次优解，而不是最优解。要得到更好的结果需要对一般遗传算法作出改进，文献[12]提出采用考虑种群约束的编码规则改进遗传算法进行配电网重构优化，相比于其他遗传算法，该算法在全局搜索能力和求解效率上有显著提高。

(2)人工神经网络算法。人工神经网络是由大量处理单元广泛互联组成的网络，它模拟了人脑的基本特性，可以通过训练样本将输入与输出之间的非线性关系存储在神经元的权值中。将人工神经网络算法应用于配网重构更易于反映出配网负荷模式与配网最优结构之间的非线性关系，不需要进行潮流计算和估算开关操作的降损效果，因此大大提高配网重构计算速度。但由于该算法所得结果的精度依赖于训练样本，而对于复杂规模的配网，要得到相应的训练样本也需要大量的时间。文献[13]以配电网有功功率损失最小为优化目标，提出了一种基于小脑模型关节控制器(CMAC)神经网络配电网重构模型，基于CMAC神经网络输入和输出之间的非线性映射关系和泛化能力,来建立变化的负荷水平与最优化网络拓扑之间的对应关系，从而进行配网重构。

(3)模拟退火算法。模拟退火算法属于启发式随机算法，该算法过程是从一个给定的初始高温开始，利用具有概率突跳特性的Metropolis抽样策略在解空间中随机进行搜索，伴随温度的不断下降重复抽样，最终得到问题的全局最优解。模拟退火算法可以用以求解不同的非线性问题，对不可微甚至不连续的函数优化，能以较大概率求得全局最优解，具有较强的鲁棒性、全局收敛性、隐含并行性及广泛的适应性，是解决混合优化问题的有效方法，但该方法对参数和退火方案的依赖性强，计算量大，对于解决有多个最优解的问题有局限性，因此应与其他算法相结合来使用。参考文献[14]结合模拟退火算法与二进制粒子群算法用于含分布式电源配网重构，将轮盘赌操作和模拟退火算法中的动态变异机制引入到改进的二进制粒子群算法中，提高全局搜索性能和收敛速度，适合解决含分布式电源的配电网重构问题。

含DG配电网重构数学优化模型含有大量的变量和约束条件，采用传统数学方法进行优化将使得求解过程十分复杂，并且高度依赖于模型的准确性，因此传统数学重构方法受到局限。而将遗传算法、人工网络算法、模拟退火算法等智能算法单独或者结合起来使用在解决复杂的模型优化问题方面会具有明显的优势。虽然智能算法对含DG配电网进行重构优化时经常无法取得全局最优解，但是大部分局部最优解相似于全局最优解，因此将局部最优解作为工程近似最优解是完全可行的[15]。

6 结语

目前，关于含DG配电网的潮流计算模型和算法的研究已经比较充分。但含DG配电网重构的研究也还存在许多不足，一方面现在研究的大多数重构都属于静态重构，计算时所用到的数据都是某一时间断面的节点负荷数据，但实际配电系统的负荷是随时间发生变化的，故需对故障重构和动态重构进行更多的研究；另一方面现在研究都基本按照给定的负荷进行计算，未涉及到负荷预测方面的内容。只有在对含DG的配电网进行重构时，多研究未考虑的因素并分析这些不确定性因素对重构产生的影响，才能达到更好的效果。

我国由于能源资源和生产力发展布局不平衡的客观国情决定了国家电网公司未来的发展目标就是建设坚强智能电网，而发展坚强智能电网将必须考虑如何合理有效地将DG接入配电网，尽管这一环节依然面临许多技术问题和严峻挑战，但随着坚强智能电网的逐步建设，含DG配电网重构的研究也将取得新的进展。

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The Status Quo of the Current Research on Distribution Network Reconstruction of Distributed Power Supply and Its Tendency of Future Development

QINXin，LIXiu-hua,YAOHang，PEIHang，LVSi-yin

(College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

This paper purports to analyze the impact of distributed power input on the reconstruction of distributed power and illuminate the status quo of the research on distribution network reconstruction from three aspects,namely the flow calculation model with distributed power,the mathematical model of distribution network reconstruction and reconstruction algorithm of distributed power supply.Furthermore,the paper also points out the undesirable aspects of current research and also envisions the development in the future.

distributed power;distribution network reconstruction;model;parameters;algorithm

1004-289X(2015)04-0074-05

TM71

B

2012-10-10