含有多种分布式电源的配电网综合评估方法

陈炽野，文亚凤，刘自发，任薛东，张晓晴(华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206)

含有多种分布式电源的配电网综合评估方法

陈炽野，文亚凤，刘自发，任薛东，张晓晴
(华北电力大学电气与电子工程学院，北京市102206)

分布式电源(distributed generation，DG)并网对配电网的经济性、服务质量、安全性、环保效益等产生影响，基于此提出了一种对含有DG的配电网进行综合评估的有效方法。根据风力、光伏发电的特点，建立了风速、光照强度的正态分布模型，确定其出力情况从而计算配电网可靠性。从经济性、服务质量、安全性和环保效益4个方面考虑建立了综合评估指标体系。以IEEE RBTS-Bus6系统的F4馈线作为测试系统，对DG不同接入方案下配电网各项评价指标进行仿真计算，并运用模糊层次分析法得到各方案综合得分。算例结果表明，多种类DG并网能有效改善电网的各项评价指标。

配电网;分布式电源(DG);综合评估方法;模糊层次分析法(FAHP)

0 引言

化石能源大量消耗导致保护环境压力与日俱增。在保护环境以及提高能源利用效率的要求下，分布式电源(distributed generation，DG)作为新型能源以其环境污染小、能源利用率高、发电方式灵活等特点，在国内外得到了快速发展。2000年欧盟地区DG装机容量为74 GW，预测2020年将达到195 GW，发电量将占到总发电量的22%。2010年之前全球累计新增发电量的25%～30%为分布式发电［1］。DG种类众多，根据发电技术不同，可分为风力发电、燃料电池、太阳能光伏发电、燃气轮机发电、小型水力发电等。由于大量多种类DG接入配电网后，对配电网的经济性、服务质量、安全性、环保效益产生影响，需要对配电网进行合理规划，提高运行管理水平。为了达到上述标准，亟需建立一套科学的、系统的综合评估指标体系。

以往的评估方法主要是对电网的单项指标进行评价。文献［2］构建了一套考虑各指标间协调系数的综合评估指标体系;文献［3］提出了一种考虑风速与负荷相关性的可靠性计算方法;文献［4］结合层次分析法和模糊评价法的优点，采用模糊层次分析法对配电网进行综合评估;文献［5］在考虑了DG对电网可靠性、电能质量环境影响和经济性的基础上，建立了DG接入后对配电网产生影响的评估指标体系;文献［6-7］均研究了DG不同接入方式对系统可靠性的影响，其中文献［6］从逆功率约束、电压提升和短路电流水平等方面研究了DG最佳接入容量与接入点问题，文献［7］采用区间算法计算DG并网前后系统的可靠性指标;文献［8］考虑了风力发电和太阳能光伏发电系统的出力特性，研究了DG对电网潮流分布的影响，并仿真得出了潮流分布的变化规律。与以往的配电网评估方法相比，近期配电网评估方法有了较大的改进，评估指标也日益丰富，增加了配电网运行管理水平、配电网服务性、运行经济性等软性指标。

为了进一步丰富配电网评估指标体系，本文在以往研究的基础上，综合考虑多种DG并网对配电网潮流分布、电能质量、线损率、可靠性及运行管理等因素的影响，构建含有多种DG的配电网综合评估指标体系，对主动配电网的建设规划提供科学的指导，加强配电网运行管理工作，提高配电网精益化工作水平。

1 DG的接入对配电网的影响

1.1 对潮流分布的影响

DG的接入使配电系统由单电源辐射型网络变成多种分布式电源弱环网络［9］，使配电网潮流分布发生改变。按对电力系统影响的不同可将DG分为3类:(1)能够持续、平稳出力的DG，如燃气轮发电机; (2)具有间歇式出力特点的DG，如风力发电;(3)具有源-荷双特性的DG，如电动汽车。DG在潮流计算中分为PQ节点、PV节点和P恒定而Q=f(V)的节点。对于等效成PQ节点的DG，并网运行将会对除了根节点的节点电压起到支撑作用，且电压支撑效果与DG接入的位置有关。对于等效成PV节点的DG接入配电网，不同接入点的DG将会抬高或降低节点电压。对于第3类等效节点的DG，当Q＞0，即DG发出无功功率时，将会抬高配电网的节点电压，且DG接入点的位置离根节点越远，对节点电压的支撑效果越好;当Q＜0，即DG吸收无功功率时，DG的接入将会降低配电网的节点电压，且DG接入点的位置离根节点越近，对节点电压的降低效果越明显。

1.2 对线损率的影响

线损率是反映电网规划设计、技术装备和经济运行水平的综合性技术经济指标。电网线损耗主要取决于系统潮流，DG接入使得配电网中各支路潮流不再是单向流动，所以DG的接入必然会影响电网线损耗。DG接入配电网的一个主要目标是减少系统损耗，降低线损率。线损率的大小与DG的数量、接入点容量以及负荷的分布等有关。当DG的准入容量大于系统的负荷容量时，电网线路损耗反而会增加。当负荷电流与DG接入电流相位相同时，线损率最低［10］。

1.3 对电能质量的影响

DG按接入方式不同，可分为电机类DG和变流器类DG。不同类型的DG对电能质量的影响是有区别的。例如，风力发电受自然环境限制，发电状态随机性较强，并网运行会造成电压不稳定和电压波动等问题。而光伏发电、微型燃气轮机发电等通过变流器接入电网，变流器开关电路的开通和关断会导致开关频率的谐波分量注入配电网，使电压波形发生谐波畸变。综上所述，DG并网运行会造成电压波动、电压闪变和谐波污染等问题，从而影响电网的电能质量。为了保证良好的供电质量，有必要将电能质量纳入综合评估指标体系。

1.4 对短路电流水平的影响

系统发生故障时，DG并网运行将会向故障点提供短路电流。DG的不同接入模式和接入容量对短路电流水平的影响也不相同。下面介绍DG的几种主要接入模式［11］。

(1)低压分散接入模式，主要是将容量较小的DG接入中压配电变压器低压侧，采用此类接线方式的DG通常有太阳能光伏发电、微型燃气轮机发电等。

(2)中压分散接入模式，指将中等容量的DG接入中压配电线路支线的方式。

(3)专线接入模式，当DG容量较大时，将DG以专线形式接入高压变电站的中、低压侧母线。

通过参考文献［6］的计算结果可知，若DG采用中压分散模式接入，则对配电网的短路电流影响较小。若DG采用专线模式接入，DG能提供的短路电流则将达到3 kA以上，必须对DG的接入容量加以限制。

1.5 对供电可靠性的影响

配电网的供电可靠性反映的是配电网的运行特性、设备结构、运行状态以及电力部门对系统和设备运行管理的能力。DG作为电源再给停电用户供电情况下，能大大减少用户年平均停电时间。但在分析DG对供电可靠性的影响时应考虑到电网孤岛的形成以及DG输出功率的随机性。在电网供电能力充足而不能形成配电网计划孤岛的情况下，DG的接入不会对配电网可靠性有正面影响。在电网供电能力不足且配电网计划孤岛形成的情况下，若DG位于计划孤岛内，则DG向孤岛内输送电力，DG的出力将会提高配电网的供电可靠性;若DG不在计划孤岛内，则对可靠性没有影响［12］。

2 综合评估指标体系构建

2.1 经济性评价指标

本文从电网建设成本和电网损耗对配电网经济性进行评价。配电网对现有的输电设备使用强度越低，电网公司对新设备的投资周期越长，电网建设成本就越低。DG并网后，改变了配电网单电源结构，其注入的有功功率和无功功率也会改变配电网潮流分布，随之引起电网网损的变化。因此，本文针对配电网的特点，将技术参数与经济参数相结合，提出了以下经济性评价指标。

(1)电网缓建效益指标。电网缓建效益指标可以用有功功率单位成本和无功功率单位成本

式中:Ci，p、Ci，q分别为由节点i的有功功率波动和无功功率波动引起的费用;Δp、Δq分别为节点i的有功功率波动和无功功率波动值。

(2)电网综合线损率ΔP%:

式中ΔW为年线损电量。

2.2 服务质量评价指标

2.2.1 可靠性评价指标

本文采用系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)、用户平均停电持续时间(CAIDI)、系统平均供电可用率(ASAI)作为可靠性评价指标，计算公式如下:

负荷点的停电时间由线路故障位置、DG输出功率和负荷点的用电需求决定。风电和光伏发电具有间歇性与随机性的特点，使得各负荷点停电次数与停电时间的计算方法与传统方法有所不同。本文通过统计某地区1年的风速和光照强度，得到该地区特定时刻的风速和光照强度分布，如图1、2所示(图中纵坐标为概率密度相对值pr)。

图1 风速正态分布曲线Fig.1 Normal distribution of wind speed

图2 光照强度分布曲线Fig.2 illumination Intensity Distribution

2.2.2 可靠性指标计算

本文采用蒙特卡罗模拟法对供电可靠性进行评估［14］，首先需获得指定模拟时间内DG的输出功率以及负荷水平。因此需要对风速和光照强度采样，得到上述时刻风机出力Pw和光伏阵列出力Pb。假设配电网有s条主馈线，计算编号为m的线路发生故障时，各负荷点停电次数和停电时间。其余负荷停电时间由DG的输出功率和负荷点用电需求决定。

当1≤m≤s时，线路m所接的负荷点停电，其停电时间为线路m的故障修复时间TTR，线路m以上的负荷点由配电网恢复供电。

当m＞s时，发生故障的线路为分支馈线，故障线路m连接的负荷点一直到其末段线路连接的负荷点停电，停电时间为线路m的故障修复时间TTR;故障线路m之前的分支馈线与主馈线之间的负荷点由电网恢复供电，其停电时间为故障隔离时间TTS。

2.2.3 电能质量评价指标

为了评价DG并网运行对电能质量的影响，本文从电网电压波动d、总谐波畸变率THD和电压合格率Pvq这3个方面进行评价。指标的计算方法如下:

式中:UN为系统标称电压;U1、U2为不同周期采样点电压，其计算方法为

式中:Ur为周期j采样点r的电压;R为1个周期采样点数。

式中Hmax为所计入的最高次谐波。

式中:Pvq为电压合格率;Ti为节点i 1年中电压在合格范围内运行的总时间;n为节点总数。

2.3 安全性评价

DG并网运行将会向故障点提供短路电流，当DG容量达到一定程度时，可能会使过流保护不能做出正确动作。本文选取短路容量Sdl考查配电网的安全性，指标计算式如下:

式中:U为母线电压;If为最大短路电流。

2.4 环保效益评价指标

DG作为清洁的发电技术，在国内外得到了迅速发展。与传统火力发电相比，DG排放的污染气体少，环保价值高。本文在考虑分DG并网的情况下，采用污染气体排放量Et作为配电网环保效益评价指标。

系统的第k种污染气体排放量Ek(SO2、CO2、NOx)与系统的出力和机组的运行特性有关，Ek计算式如下［15］:

式中:Pg、Ph分别为第g台传统发电机和第h台DG的有功功率;Ekg、Ekh为分别为第g台传统发电机和第h台DG发出单位有功功率所释放的第k种污染气体量。

总的污染气体排放量Et计算式如下:

式中:K为总的污染气体类目;zk为第k中污染气体权重因子，zk必须能够满足:

3 综合评估方法

3.1 指标权重计算方法

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是在决策过程中对非定量事件做定量分析，对主观判断做客观分析的有效方法。AHP的核心思想是通过建立清晰的层次结构来分解复杂的问题，能够有效处理各项评价指标的内在关系及相互独立性，从而量化各个指标。本文建立的层次结构如图3所示。

上述各个指标可以描述DG并网运行对配电网单方面的影响，对配电网进行综合评价则需要确定各指标的权重。由于各指标量纲、数量级、评价标准等因素的不同，不能直接将指标进行比较。本文通过效用分析法建立各指标的效用函数，将各指标模糊化，化为统一无量纲的指标，以进行比较。

层次分析法根据1-9互反性标度理论［16］对总目标S下的N个评价子目标两两比较，构造判断矩阵E，并对矩阵E进行一致性检验，当一致性检验公式满足公式(18)时［17］则判断矩阵一致性可接受。

式中:λmax为判断矩阵E的最大特征值;N为评价子目标个数;RI为平均随机一致性指标［17］。此时，第x个子目标对应的权重系数wx为

图3 综合评价层次结构Fig.3 Hierarchy of comprehensive evaluation

式中exy表示指标Sx对Sy的相对重要判断值。

3.2 模糊综合评价

由于各指标的量纲、评价标准、性质等不同，不能将各指标直接做比较。本文采用效用变换法求取各指标效用函数将指标模糊化，消除各指标量纲和评价标准等因素不同，然后进行两两比较。

利用权重系数和各指标的效用值，可求得方案的综合评价得分，计算公式为

式中:S表示某方案总评价得分;N表示方案的指标总数;wx为指标权重系数;Ux为该指标的效用值;M取1，方案最低分为0，最高分为100［18］。

图4 测试系统网络结构Fig.4 Network architecture of test system

4 算例分析

4.1 算例描述

为了验证分析本文所提出的评估指标和算法，本文以IEEE-RBTS Bus6系统主馈线F4为例，对多种DG接入系统进行大量仿真。系统结构如图4所示。该测试系统电压基值为10 kV，收敛精度为10-4，线路采用LGJ-150导线，共有23个负荷点、26个节点、30条线路、14个断路器、22个隔离开关、13个熔断器和4组DG。每组DG包括5台同型号的风机、1个光伏阵列、2台燃料电池和2台微型燃气轮机。风机和光伏阵列的具体参数如下:(1)风机，单台风机额定功率为335 kW;切入风速、额定风速、切出风速为别为2．5、12．5、25 m/s;拟合系数a、b、c分别为0．105、-0．0704、0．0114;风机出力模型参照文献［19］。(2)光伏阵列，光伏阵列额定功率为500 kW，特定光照强度为0．15 kW/m2，出力模型参照文献［20］。

假定系统电源完全可靠，故障隔离时间TTS为0．5 h。该测试系统的元件可靠性数据如表1所示。

本文对下列3种DG接入情况进行仿真，仿真计算结果如表2所示。

Case1:系统无DG接入;

Case2:系统接入3个DG机组，接入方式如图4中DG1;

表1 元件的可靠性数据Table 1 Equipment Reliability Data

Case3:系统接入10个DG机组，接入方式如图4中DG1和DG2，为测试大量DG并网运行对配电网的影响，本方案接入了大量DG机组。

表2 各指标计算结果Table 2 The Results of Different Indices

4.2 计算结果及分析

将各方案指标类型分为效益型和成本型，根据效用变化法将各指标值模糊化得到指标效用值如表3所示。

表3 评价指标效用值Table 3 Utility Values of Evaluation Indices

由1-9互反性标度理论得到第2层判断矩阵为

该判断矩阵最大特征值λmax=4．048 2，由3．1节中一致性校验方法得，CR=0．017＜0．1，通过一致性校验［21］。同理可得第3层各判断矩阵，由于篇幅限制，判断矩阵不在此列出。

由3．2节中公式(20)得到第1层指标对应的归一化权重系数wx依次为:0．194 8，0．425 9，0．077 7，0．301 5;同理，底层指标权重依次为:0．097 5，0．028 3，0．095 9，0．103 8，0．044 7，0．044 9，0．055 9，0．067 6，0．081 3，0．101 0，0．077 7，0．201 5。

根据各方案指标的权重和效用值得到方案的综合评估得分如表4所示。

表4 不同方案综合评分值Table 4 Comprehensive Evaluated Values of Different Solutions

由表2可知，经济性指标单位有功功率成本、单位无功功率成本和线损率随着DG接入量的增加而减小;3个DG机组并网相比于无DG并网，可靠性指标有明显改善，而10个DG机组并网相比于3个机组并网的改善不明显;电压波动和总谐波畸变率case2相比于case1略有增大，而10个DG机组并网的电压波动和总谐波畸变率明显增大;3个DG机组并网相比于无DG机组并网，安全性指标短路容量略有增大，10个DG机组并网相比于3个DG机组并网，短路容量增幅较大，目前电网220 kV变电站10 kV侧母线短路电流为20～30 kA，超过50 kA则会使电网安全性降低;环保效益指标，各方案的污染气体排放量从case1、case2、case3依次减小。

由以上数据结果可知，随着DG接入量的增加，经济性指标有明显的改善，这是由于部分节点距离电源点较远，输电距离较长，负责其功率供应的线路和变压器较多，DG从这些节点接入系统，能降低该节点对现有设备的使用强度，从而有功、无功功率单位成本减小;当主馈线发生故障时，停电负荷点通过DG供电，减少了停电时间和停电次数。DG接入能有效改善配电网可靠性指标，而随着DG接入量的增加，对可靠性指标的改善逐渐减小;风力发电受自然条件制约，发电状态具有一定的随机性，会造成系统电压波动，且DG通过变流器接入配电网，导致变流器开关频率的谐波注入配电网，随着DG接入量的增加，造成的电压波动和谐波畸变导致电能质量下降; DG接入系统，为故障点提供短路电流，使得系统短路容量增大，因此必须对DG渗透率和准入容量加以限制，保证系统的安全性;DG作为清洁能源，承担部分发电量，减少了火力发电污染气体排放量，随着接入量的增加，对环保效益指标有明显的改善。

通过表4各方案综合得分可以看出，DG在适当渗透率下并网运行，对配电网的经济性、服务质量、安全性和环保效益指标有明显的改善。对3种方案的综合评分结果显示，第2种方案评分最高，能够有效改善配电网综合性能;第3种接入方案由于对安全性和电能质量造成负面影响，对配电网综合性能改善不明显。

5 结论

(1)针对风力发电、光伏发电等多种DG接入配电网的情况，提出了一套涵盖配电网核心价值和需求的综合评估体系。该体系由配电网的经济性、服务质量、安全性和环保效益4个方面的指标构成。通过给出的各指标计算方法，得到合理的综合评分，评分结果可作为电网规划方案的比选依据。

(2)多种DG在适当渗透率下接入配电网能有效改善配电网的经济性、服务质量、安全性和环保效益指标，提高配电网综合评分。当DG渗透率过高时，会使电网面临短路容量越限、谐波畸变率和电压波动过大的安全性与电能质量问题。

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(编辑:张小飞)

Comprehensive Evaluation Method of Distribution Network Including Various Types of Distributed Generation

CHEN Chiye，WEN Yafeng，LIU Zifa，REN Xuedong，ZHANG Xiaoqing
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

As many factors must be considered when distributed generation(DG)integrating the distribution，an efficient method for evaluating distribution network is proposed in this paper．According to the feature of wind power and solar power，

normal distribution of wind speed and light intensity is established to calculate their output power and the reliability of network．Taking the economy，quality of service，safety and environmentefficiency into consideration，this paper established the evaluation system and summarize the calculating methods．The indices under differentsituations are calculated based on the IEEE RBTS-Bus6 system．Fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)was adopted to obtain the quantitated comprehensive evaluation results．The evaluation results show that multiple DG integrating into grid could promote the indices efficiently．

distributed network;distributed generation(DG);comprehensive evaluation method;fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0128-08

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.020

2014-11-15

2014-12-19

陈炽野(1990)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化;

文亚凤(1968)，女，副教授，研究方向为电力电子技术、电力电子器件的应用;

刘自发(1973)，男，博士，副教授，研究方向为电网规划和优化运行、分布式电源接入电网分析;

任薛东(1991)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化;

张晓晴(1990)，女，硕士研究生，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化。