含分布式电源和微电网的主动配电网设计方法研究

2016-08-24罗福健黄学锦

电气技术与经济 2016年2期

关键词：分布式配电网电源

林　峻　吴　旻　罗福健　黄学锦

（广东电网有限责任公司佛山顺德供电局）

含分布式电源和微电网的主动配电网设计方法研究

林峻吴旻罗福健黄学锦

（广东电网有限责任公司佛山顺德供电局）

为了应对化石能源枯竭和气候变化所带来的巨大挑战，包含了分布式电源（DG）和微电网（MG）的主动配电网（ADN）概念应运而生。作为一项新技术，（ADN）的规划设计关系到系统的运行成效，因此本文对其设计方法进行了研究。

主动配电网；分布式电源；微电网；设计

0　引言

能源是支撑社会经济发展的基石，尤其在现代社会中能源就是生命线。工业革命确立了化石能源的统治地位，但随着化石能源的不断开采和利用产生了两大问题：一是化石能源的储量日趋减少，终将枯竭；二是化石能源燃烧产生的二氧化碳温室气体为气候变化的主要元凶。为了应对这两个威胁人类社会可持续发展的重大挑战，各国都在寻求新的能源生产和消费模式，发展和利用DG就成为重要的选择。但是DG的规模化接入改变了传统被动配电网（Passive Distribution Network，PDN）潮流单向辐射的特征，可能产生电压水平升高、短路电流增大、供电质量下降等不良后果。在这个背景下，2008年国际大电网会议（CIGRE）C 6.11工作组提出了ADN的概念，目的是通过ADN灵活的网络拓扑结构主动管理和控制DG，以提高DG的渗透率并改善配电网的供电可靠性［1］。MG是将DG、储能系统（Electrical Energy Storage，EES）、能源转换装置、监控保护装置、负荷等有机整合在一起的小型发电、配电、用电系统［2］。MG接入ADN后，可弥补DG的分散性、随机性、间歇性和波动性，增强ADN的主动性、可控性、可靠性和经济性，提升电网的综合能效。包含DG和MG的ADN与PDN在网架结构、控制方案、运行模式等方面皆有本质的区别，PDN的设计方法已不再适用包含DG和MG的ADN［3］，因此本文结合“佛山顺德供电局配电网可靠供电智能预测和决策的研究与应用”项目对相关内容进行了探讨。

1　含分布式电源和微电网的主动配电网设计要点

1.1主动配电网的结构特征

包含DG和MG的ADN典型结构如图1所示。可见，在这个结构中DG与ADN之间、MG与ADN之间、MG与MG之间形成了能量的双向流动与信息互动交流的模式。MG通过单点接入ADN，相比各个DG直接接入ADN有利于提高供电质量，但是ADN是在PDN基础上逐渐发展起来的，其网架结构要能满足不同阶段多种运行模式的较高渗透率DG或MG的接入，这对一次网架结构的灵活性、通信网络的带宽、系统调控幅度都提出了较高的要求，并需配备更加完善的继电保护和自动化系统。

1.2主动配电网设计要点

包含DG和MG的ADN不同于仅考虑包含DG的ADN，需要进行ADN与MG网架以及MG中DG的双层规划，ADN的设计要考虑配电网与MG双层因素指标，也就是要将MG接入位置、接入点功率的交互约束条件纳入ADN的设计范畴。对于MG与ADN的关系，MG可看作ADN中的一个虚拟的电源或负荷，并且按照接入ADN 的方式分为用户级MG、馈线级MG和变电站级MG（如图2所示），前者由用户负责运行和管理，后两者为配电公司拥有和管理。接入ADN的MG中的DG种类及渗透率、负荷类型及功率、数量等有较大变化和随机性，所以控制方案优劣往往决定ADN的稳定性和可靠性。ADN对MG的控制方式可分为集中式、集中-分散式和分布式三种，其中集中式控制数据量很大，并且兼容性和扩展性都很差，一般情况下不宜选择这种方式，后面两种控制方式较易实现兼容性和扩展性，而分布式控制灵活性和效率很高，但对控制中心的要求也更高，可根据具体情况选择其中一种。根据ADN对MG（作为电源时）和DG的能量消纳方式，分为点消纳、线消纳和面消纳［4］，三者控制由简到繁，点消纳不存在倒送功率问题，线消纳不存在间歇倒送功率问题，面消纳存在间歇倒送功率问题，所以ADN实施也应按由点消纳到线消纳，线消纳再到面消纳的顺序逐步进行。根据消纳的位置，分为电网侧消纳机制和用户侧消纳机制，并可再细分为自然消纳和主动消纳两种方式。用户侧消纳机制归属用电管理范畴，适用点消纳模式。电网侧消纳机制中的自然消纳属于配电公司运行管理范围，适用线消纳模式；而它的主动消纳属于配电公司能量管理范围，适用面消纳模式。与消纳模式对应的控制方式也分为网侧控制方式、源-网双侧协调控制方式和源侧控制方式，除第三种为用户侧消纳机制，前两种皆为网侧控制方式。

图1　含分布式电源和微电网的主动配电网结构

　图2　包含用户级、馈线级和变电站级的微电网结构

2　含分布式电源和微电网的主动配电网设计方法

2.1设计流程

文献［5］建议的ADN设计流程如下：开始→数据收集与分析→设计原则及标准确定→一次系统设计与仿真分析→继电保护设计→自控系统设计→配合控制中心设计→通信系统设计→形成设计文件→结束。

2.2设计方法

2.2.1能源与负荷需求分析

数据准备阶段最重要的工作是对ADN内DG和负荷（包括MG内DG和负荷）的预测。PDN设计对负荷预测的精度要求不高，因为其模拟计算只需要区内的平均结果，而ADN需要精确的结果。对DG和负荷的预测主要采用基于历史数据和概率统计两种方法。基于历史数据的方法适用于有丰富历史数据累积的区域（如城区），而偏远地区因历史数据缺乏，只能采用概率统计方法。对于概率统计法来说，蒙特卡洛法较为常用，但可能计算量较大，这种情况下可考虑采用Markov转移模型来减少计算量。需要注意的是上述预测数据应附带地理信息数据（GIS），这与PDN的要求类似。

2.2.2设计建模与仿真分析

ADN的设计建模主要是在用电需求的基础上，基于技术、经济两个视角（也包括环境、社会等因素）选择目标函数、约束条件，并对相关变量进行优化。技术角度主要考虑模型建立、DG类型及接入位置、安装容量、EES配套、负荷需求等。经济角度主要考虑投资成本、运行成本、网络损耗、经济效益等。在DG、MG类型与容量方面，考虑到ADN设计方案与优化策略的强烈耦合性，可将相关变量统一到一个目标函数内；也可以分层建模，如本文1.3节所述构建ADN和MG双层规划设计模型；还可以分阶段建模，例如第一阶段确定相关设备的类型、接入位置和容量，第二阶段再进行参数优化。目前，仿真分析主要通过数字仿真工具进行分析。

2.2.3继电保护设计

在继电保护方面，ADN比PDN复杂得多，因为能量双向流动导致PDN中的故障定位和保护装置不再适用，需要考虑故障检测、孤岛效应、开关之间的协调配合等问题，而且要求故障准确定位。对于MG来说，既有内部故障，也有外部故障，继电保护设计对于并网运行有重要影响。

2.2.4通信系统设计

由于ADN数据量比PDN大得多，所以对通信系统的带宽和可靠性有很高的要求。通信系统应按照IEC 61400-25和IEC 61850标准进行设计。

2.2.5预留接口设计

考虑到ADN将分步实施，DG、MG也将会分步接入，所以ADN一、二次系统及通信系统应在设计时预留接口，以便将来扩展接入。