基于主动配电网的配电网发展理念与规划模式研究

查伟强++方佳良++屠新强

摘 要：随着人类对风能、太阳能等清洁能源的加速利用，分布式能源在配电网的接入也越来越多。分布式发电的大规模并网是电网企业必须接受的重要挑战。本文在介绍主动配电网定义及其研究意义的基础上，主要开展了含分布式电源的主动配电网规划方法研究，并建立双层规划数学模型，最后还以宁波市某实际配电网为例在MATLAB中进行建模计算，得出主动规划管理模式在发挥分布式光伏对于配电网的积极作用。

关键词：分布式电源；主动配电网；双层规划模型；MATLAB

中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0165-03

1 序言

随着全球经济的发展对能源需求的不断增长，传统能源的紧缺以及环境污染等问题的不断恶化，促使了以风能、太阳能、生物质能为代表的清洁、可再生能源快速发展。这些清洁的可再生能源大部分以分布式发电的形式连接到配电网，就地消纳，与大电网互为补充，是实现能源结构调整和环境保护的重要措施。因此，分布式发电的大规模并网是电网企业必须接受的重要挑战。

电网企业需要一种全新的电网解决方案来提供一系列的网络技术、规划设计和运行策略，主动配电网（Active Distribution Networks，ADN）应运而生。ADN的基本定义是：通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，实现对局部的DER进行主动控制和主动管理的配电系统。DER的基本构成是：分布式发电（DG）、分布式储能系统（Distributed Energy Storage System，DESS），可控负荷（Controllable Loada，CL）等。其中，DG主要为可再生能源，包括光伏发电、风能发电等；可控负荷包括电动汽车、响应负荷等。由于具有发电和消费双重身份的生产性负荷的出现，使得响应负荷也成为DER。

基于主动配电网的发展理念，结合宁波配电网发展现状，开展主动配电网规划模式研究，对于加大配电网对可再生分布式能源的接纳能力、提高DG的并网数量和运行效率，提高用户的电能质量和供电可靠性，以及提升配电网资产的利用率、延缓配电网扩张投资，为宁波智能配电网规划建设和发展提供解决方案，具有重要的指导意义。

2 含分布式电源的主动配电网规划方法研究

本章从电源规划的角度出发，考虑风电、光伏等可再生能源DG出力和负荷的不确定性，建立了主动管理模式下的双层DG规划模型，以综合考虑DG的投资运行成本、网损费用以及环境成本的年综合成本为上层目标，下层目标为DG出力切除量最小，利用自适应遗传算法求解上层规划模型，利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation，MCS结合原对偶内点法对下层规划模型进行求解。

2.1 双层规划的意义

双层规划是具有双层结构的规划和管理问题，上层规划相当于领导者，但并不直接参与下层规划决策的制定，只是通过自己的决策来对下层规划进行指导；下层规划以上层规划的决策作为框架，在其可行范围内进行决策。一般来说，双层規划分为两类：

（1）下层将决策结果以最优值的方式传递给上层，此模型中不要求对上层规划每个决策变量下层决策都有唯一的最优解，即使下层规划有不同的最优解，如果其对应的最优值相同，上层规划的最优决策就是确定的。（2）下层将决策结果以最优解的形式传递给上层，该模型要求每个上层决策变量都有唯一的最优解。

本章采用第一种双层规划模型，即下层将决策结果以最优值方式传递给上层。

2.2 双层规划的的模型

2.2.1 上层规划模型

其上层规划模型的目标函数如式（2-1）所示：

（2-1）

式中：为网络的投资费用等年值（万元），为年损耗费用（万元），为DG的投资年费用，的运行维护费用（万元），为向上级电网购电成本（万元），为可再生能源类型DG在环保、节能中的社会效益，采用政府对可再生能源发电的政策性补贴来表示，单位为万元。

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

（2-6）

（2-7）

式中：为网络初始投资费用，包含网架投资和变电站扩建费用，r为折现率，取10%，n为线路的经济使用年限，一般架空线路取30年，电缆线路取40年；为年损耗电量（kWh）。为电价（万元/kWh）。为DG投资年费用系数；为节点i处DG投资费用；为节点i处DG发单位电量所需的运行维护费用（万元/kWh）；β为可再生能源类型DG单位发电量的补贴费用（万元/kWh）；为第i个DG的总发电量（kWh）；为可再生能源类型的DG年总发电量（kWh），为向上级电网的年购电量（kWh），为DG的安装节点数。

2.2.2 下层规划模型

（2-8）

（2-9）

（2-10）

（2-11）

（2-12）

（2-13）

（2-14）

（2-15）

式中：和分别为节点i的有功注入和无功注入，表示艺号后的节点j必须直接与节点i直接相连，并包括的情况；和分别是导纳矩阵的实部和虚部，分别表示电导和电纳；表示i和j两节点电压间的相角差；是节点i的无功补偿装置的无功输出量（吸收无功为负）；是变压器抽头位置；是支路ij的潮流；是节点i的电压幅值。

式（2-8）为下层规划目标函数，即满足电压和潮流约束下使DG出力切除量最小。式 （2-9）和（2-10）为节点功率平衡方程；式（2-11）和（2-12）分别为线路潮流约束和节点电压约束；DG有功出力切除量约束如式（2-13）所示，无功补偿量约束由式（2-14）表示，变压器的抽头调节范围由式（2-15）表示。

3 以宁波某实际配电网规划算例进行分析

本次算例分析采用遗传算法进行求解，并采用基于MATLAB平台开发的matpower电力系统仿真工具箱进行仿真计算，数据采用matpower格式进行编写。笔记本电脑配置为：酷睿i5（2.5GHz），4G内存，64位win10系统。

3.1 算例介绍与改编

选取宁波海曙区马郎变电站下两回出线构成实际配电网算例，如图1所示，四回线路分别为N865、N875、N861、N871，取配变负载率为10%。线路型号为YJV22-300，为交联聚乙烯绝缘电缆，电缆为三芯，单条导体的标称横截面积为300mm2，单位长度电阻r=0.072Ω/kM，电抗为x=0.103Ω/kM。

算例的电压等级为10kV，在最大负荷条件下运行的总有功负荷为：2.402MW，总无功负荷为：789MW，共44个节点，其中43个PQ节点，具体配电网参数如表1，节点电压允许范围为0.95-1.05p.u，节点1至2、8、14、30的支路功率上限为4.5MW，其他支路功率上限为3MW。算例图如图2所示。

3.2 主动管理模式下分布式电源优化配置

本次研究采用遗传算法进行求解，种群中每一个个体代表一套规划方案，即待建分布式光伏的建设容量，采用整数进行编码，具体算法流程如图3所示。

光伏的出力如图4所示，负荷曲线如图5所示，电价采用峰谷电价，如图6所示。

规划结果如表1所示。

在配电网前段部分，分布式光伏的接入对节点电压影响较小，准入容量都较大；而越靠近末段，分布式光伏的接入对网络节点电压的抬升作用越显著，为了防止节点电压超越上限，准入容量减小。因此，若配电网需要消纳大量分布式光伏时，可以优先考虑在配电网前段节点接入。而对于配电网末段，节点电压会降低，适量接入分布式光伏，会对节点电压起到改善作用，但是需要注意接入容量的限制，以免电压越限。

假设分布式光伏建设点在节点：18、34、21、37、27、42，分别从两种方案中对其最优建设容量进行规劃。

各节点全天电压期望曲线如图7所示。

本次研究的年综合费用考虑配电网内的总电力费用。规划结果如表2和表3所示，可得以下结论：

（1）主动管理模式在保证电压和支路潮流不越限的情况下可以对安装造价较高的分布式光伏总容量进行优化。这是因为主动管理可根据网络实际运行情况由分布式光伏出力、负荷、有载调压变压器分接头的主动控制，使网络主动地配合分布式光伏运行，使每个时刻运行状态达到最优。（2）分布式光伏采用屋顶光伏建设模式时年综合费用较高，这是由于家用屋顶光伏建设容量较小，因此单位建设成本较高，但最终的年综合费用相比于普通的大规模分布式光伏接入模式下的建设成本相差不是很大。（3）屋顶光伏作为分布式电源自建自用、就地消纳的典范，具有灵活性高，经济型好的优点，但由于现在存在技术和材料上的困难导致单价较高，随着今后技术的改进以及光伏原件价格的下降，屋顶光伏的优势将会逐渐体现。（4）安装分布式光伏的两种方案可以使电压更接近于基准电压，对于节点电压有一定的改善作用。且考虑主动管理模式的分布式光伏优化方案，由于采用了主动管理模式，使得整个网络各节点电压期望值更加接近于基准电压，更能起到电压改善的作用。

4 结语

通过以上分析可知，主动管理模式更有利于发挥分布式光伏对于配电网的积极作用，提高配电网对分布式光伏的接纳能力，减小传统能源发电量，在经济和环保角度都更优。具体体现在以下几点：

（1）分布式光伏在延缓电网投资方面的作用，同时主动管理模式可以发挥分布式光伏在减小系统网损、改善系统运行方面的积极影响；（2）主动管理下配电网对分布式光伏的接纳能力更强，所以该方案下向上级电网购电量较小，因此购电费用也较小；（3）主动管理模式下分布式光伏的发电量更大，配电网对分布式光伏的接纳能力更强；（4）考虑主动管理模式的规划方案在整体上更优；（5）配电网规模越大，主动管理的优势越加明显。