配电网分布式电源承载能力评估指标体系构建及测算

张兴友，陈 涛，赵 帅，孔一惠，刘洪正

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.杭州世创电子技术股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.国核电力规划设计研究院，北京 100094）

0 引言

近年来，以光伏为代表的分布式电源接入配电网容量飞速发展。据统计，截至2020 年初，山东电网新能源接入电网容量达到29 000 MW，其中，以光伏为代表的分布式电源接入容量达到8 900 MW，占新能源接入容量的30%。

配电网消纳分布式电源能力受分布式电源类型、接入位置、负荷类型、负荷大小等因素影响。目前已有相关学者在配电网消纳分布式电源能力领域开展了相关研究工作。文献［1］分析了影响配电网分布式电源消纳能力的限制因素，归纳总结了有载调压变压器抽头调整、无功补偿、逆变器功率因数等多种配电网消纳分布式电源能力提升技术。文献［2］基于分布式电源出力波动性特征和间歇性特征提出了基于鲁棒优化的配电网接纳分布式电源能力评估方法。文献［3］建立了分布式电源高渗透率配电网二维多分辨率模型，并提出了计及电压、线路热稳定极限和网络损耗等因素的配电网分布式电源接纳能力评估方法。文献［4］针对分布式电源和控制元件的性能差异建立了差异性详细模型，提出了考虑分布式电源出力波动性的实时运行潮流分析模型，结合运行状态的多样性特征建立了基于蒙特卡洛随机方法的改进模式搜索算法。文献［5］以开环运行配电网为研究出发点，基于分布式电源出力波动性特征和间歇性特征，分析了节点电压、功率因数等因素约束下配电网接入分布式电源动态模型要求，提出了考虑节点电压、功率因数的配电网接入分布式电源的功率函数模型。文献［6］从电能质量角度以电压畸变和电流畸变2 个维度分析了配电网分布式电源接纳能力影响因素，分析了分布式电源和负荷分布对馈线电压畸变率的作用规律以及考虑电流畸变率影响最不利条件下的渗透率计算方法。文献［7］搭建了分布式电源并网仿真模型，并仿真分析分布式电源并网对配电网运行的影响，包括配电网的供电安全性、电能质量及运行经济性三个方面。文献［8］基于自适应二阶段鲁棒优化方法和配电网三相不平衡特征，提出了考虑分布式电源最优消纳的两阶段配电网动态重构方法。文献［9］分析分布式电源不同接入容量和不同接入位置对配电网电压波动的影响规律，并结合DIgSILENT/Power Factory 验证了配电网电压波动规律。文献［10］以分布式电源出力波动性和间歇性特征为基础，采用ETAP 软件构建了评估配电网分布式电源接纳能力的数学模型。文献［11-12］分析了配电网最大分布式电源接入能力。

近年来，受利好政策影响，以分布式光伏为代表的分布式电源呈现出“点多面广、局部高密度并网”的高速发展态势，电网调度运行面临着大规模、高比例分布式电源并网带来的巨大挑战。在现有研究中，多从局地性、区域配电网结构着手，分析了配电网分布式电源接纳能力对电能质量、电压波动等的影响。实际上，分布式电源发展具有政策推动性，表现在省域范围内分布式电源出现阶段性大发展。为此，针对上述趋势采用升尺度视角提出了描述区域内配电网分布式电源接纳能力的指标体系，并结合指标体系提出了配电网分布式电源接纳能力评估方法。

1 配电网分布式电源发展趋势及对电网影响分析

近年来，我国分布式光伏呈现快速增长态势。截至目前，山东电网分布式光伏装机容量接近8 900 MW。图1 给出了国网公司经营区历年分布式光伏装机容量发展趋势［13］。

以分布式光伏为代表的分布式电源点多面广，规模巨大，增加调度对象数量。分布式光伏厂站管理水平和运维力量普遍不足，民营资本经营特征明显，网络安全问题突出，调度运行管理难度较大。分布式光伏主要通过无线采集终端将信息上传至调度系统，上传信息仅包括发电量、电流、电压等，不能支撑调度机构开展精细化管理。380 V／220 V 低压接入的非调度管辖分布式电源规模庞大，且数量持续快速增长，对配电变压器运行状态影响不容忽视，但其并网情况和运行信息难以及时有效掌握，不仅加大负荷预测和方式安排难度，而且调度机构不掌握的潜在电源点将越来越多，危险系数增加，对电网运行和检修安排产生较大影响，不利于电网安全稳定运行。具体而言，其对配电网的影响主要体现在几个方面：

1）配电网由“无源网”变为“有源网”。配电网接入分布式电源后，改变了电源从高压到低压单向流动的形式，配电网运行调度愈加复杂。局部分布式电源高渗透率条件下存在倒送可能性，部分时间段负荷低谷甚至出现在中午时段。

图1 分布式光伏装机历年发展趋势

2）配电网负荷预测准确率下降。由于分布式电压不配置功率预测系统，其对电网调度运行直接体现在负荷预测的准确度上。分布式电源高渗透率下负荷预测精度难以保证，对电力平衡计划造成一定影响。

3）加剧配电网电压波动水平。集中式新能源配置了无功补偿装置，而分布式电源在故障期间仅依靠电网提供无功电压支撑，容易造成事故扩大。分布式电源位于线路末端时，电压波动更加剧烈。另外，分布式电源采用的电力电子器件质量参差不齐，容易导致谐波、电压闪变等电能质量问题。

2 配电网分布式电源接纳能力评估指标体系

2.1 区域类指标

1）区域分布式电源渗透率。该指标描述了区域内（如省级电网）分布式电源装机占区域内负荷的比例。区域分布式电源渗透率为

式中：n 为区域内分布式电源数量；Di为分布式电源i 的装机容量；m 为负荷数量；Pj为负荷j 的功率。

2）区域分布式电源发电量占比。该指标描述了区域内（如省级电网）分布式电源一定时间内发电量占区域负荷电量的比例。区域分布式电源发电量占比为

式中：t 为时间；Di（t）为分布式电源i 在t 时刻的功率；Pj（t）为负荷j 在t 时刻功率。

3）区域分布式电源利用率。该指标描述了区域内（如省级电网）分布式电源消纳整体情况。区域分布式电源利用率为

式中：Pri（t）为分布式电源i 在t 时刻的可用发电功率。

2.2 局域类指标

1）局域分布式电源渗透率。该指标描述了局域内分布式电源装机占负荷的比例。计算方法同式（1）。

2）局域分布式电源发电量占比。为描述局域配电网分布式电源发电贡献，该指标描述了分布式电源总发电量占局域电网负荷电量的比例。计算方法同式（2）。

3）局域分布式电源反送概率。该指标描述了分布式电源功率反送时间总和占有效发电时间的比例。

式中：Δta为第a 个反送时段时长；tb为第b 个待评估时段时长。

4）局域分布式电源反送电量占比。该指标描述了分布式电源功率反送电量与总发电量的比例。

式中：ΔPi（t）为分布式电源i 潮流反送功率。

5）局域分布式电源线损增量。配网中分布式电源装机容量如果过大，超过了本级消纳能力，则存在电能反送的需求。电能从低压环节到高压环节客观上增加了线损水平。该指标力图评估分布式电源高渗透率下线损变化水平。

式中：Li（t）为分布式电源i 在t 时刻线损功率。

6）局域分布式电源利用率。该指标描述了区域内（如省级电网）分布式电源消纳整体情况。计算方法同式（3）。

3 配电网分布式电源接纳能力评估算法

配电网分布式电源消纳影响因素不仅限于局地，也受全网影响。局地影响因素主要包括变压器、线路容量约束，电压波动约束，若反送容量过大，也需要考虑电能从低压到高压的线损变化情况约束。区域影响因素主要为负荷水平、火电等其他电源装机水平等因素。为此，提出了两阶段算法评估配电网分布式电源接纳能力评估方法。

3.1 局域分布式电源接纳能力评估

局域分布式电源消纳影响因素主要有变压器、线路容量约束，电压波动约束和反送造成的线损变化约束等。其中，变压器、线路容量约束可通过查阅变压器、线路参数手册通过热稳定极限测算、容量计算等方法计算得出。电压波动约束和线损变化约束受负荷波动、线路类型等因素影响。线路有功损耗及电压波动计算方法为

式中：ΔW 为网损；ΔWk为各条线路网损；ΔUk为线路k 的压降；l 为线路条数；Pk为线路k 的有功功率；Qk为线路k 的无功功率；Uk为线路k 的电压；Rk为线路k 的电阻；Xk为线路k 的电抗。

3.2 区域分布式电源接纳能力评估

区域分布式电源接纳能力影响因素主要为负荷水平、火电等其他电源装机水平等因素。图2 给出了分布式电源高渗透率对负荷曲线的影响。

由图2 可见，随着分布式电源装机增长，负荷曲线在中午时段发生显著变化。为描述区域分布式电源消纳能力，建立了基于时序模型的区域分布式电源接纳能力评估算法，如图3 所示。

4 算例分析

为评估本文提出的两阶段算法在评估配电网分布式电源接纳能力的有效性，采用如下算例评估配电网分布式电源接纳能力。配网所在区域电网内电源配置如表1 所示。该算例中，负荷电量130 亿kWh，联络线送入电量40 亿kWh。

图3 基于时序模拟的两阶段区域分布式电源接纳能力评估算法流程

配电网所在局域电网分布式电源情况如表2所示。

图2 高渗透率分布式电源影响下日负荷鸭型曲线对比

表1 区域电网电源配置

表2 局域电网分布式电源配置

表3 给出了区域配电网不同装机条件下分布式电源消纳指标。由表3 可见，在临界范围内分布式电源装机对消纳影响显著。

表3 区域电网分布式电源消纳指标

表4 给出了局域配电网分布式电源消纳指标体系。由表4 可见，在馈线较长、反送容量较大等场景下，相关指标显著变化。

表4 局域电网分布式电源消纳指标 %

5 结语

分布式电源规模化接入改变了传统配电网潮流特性，对配电网电压质量、网损等产生了一定的影响。受负荷大小、设备容量等因素约束，配电网分布式电源接纳能力有限。分析了分布式电源不同接入容量对配电网影响，从区域和局域两个层次提出了刻画配电网接纳分布式电源能力的指标体系，提出了分布式电源接入配电网容量的评估方法，并通过算例验证了所提算法有效性和评估指标体系的有效性。