分布式电站入网方式对电网同步的影响

杨 洋

（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601）

1 分布式电站以及电网同步模型与实验仿真

1.1 分布式电站

分布式电站是指在负载部位以及一些大型用户中心附近连接的发电设施，其功率一般小则几十瓦，大则几十兆瓦，是电网系统中极其重要的一个部分[1,2]。尤其随着电力网络系统逐渐复杂，结构逐渐庞大，如果仍然采用传统的电力系统供应结构，则无法满足居民及企业生产过程中对电能的需求，这就需要在电网中并入一些分布式电站，也可以认为分布式电站是一种新型的发电方式，只是与传统的供电方式相比较，其对电能的传输距离及传输方式均进行了改进。

1.2 电网同步模型及实验仿真

对电网同步性能研究时采用了二阶类Kuramoto模型。该模型目前被广泛应用在电力网络同步性能以及稳定性分析与研究等多个方面。在电网拓扑结构方面，采用了电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）标准测试系统的数据。研究中采用了IEEE 57与IEEE 30等节点系统作为研究对象开展电网仿真实验。IEEE 57节点系统包含57个节点、7个发电机、50个负荷，IEEE 30节点系统包含30个节点、6个发电机、24个负荷等。各节点的排列方式遵循了一定的原则，首先对原网络中每个负荷点到发电机节点之间的平均距离进行了计算，根据计算结果平均距离值，从大到小对各负荷点进行了排序，即33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15。

研究中只给出IEEE57节点系统中的部分负荷节点情况，然后根据负荷节点与发电机节点之间的平均距离，定义两种分布式电站并入电网的方式。一种为新增分布式电站从距离原发电机节点平均距离值最小的负荷开始接入电网（将其称之为A种接入方式），然后按照平均距离值的升序逐次接入，比如首次接入节点的编号为15，之后按照15，13，17，16，4，14，11，10，7，5，55，49， …，24，35，25，34，30、32，31，33的顺序逐次接入分布式电站；还有一种新增分布式电站从距离原发动机节点平均距离最大的负荷开始接入电网（将其称之为B种接入方式），然后按照平均距离值的升序逐次接入，比如首次接入节点的编号为33，之后按照33，31，32，30，34，25，35，24，…，11，14，4，16，17，13，15 的顺序逐次接入分布式电站。

1.3 不同方式入网时与原始发电机之间的距离关系

为了能够将分布式变电站入网的位置更加直观地体现出来，研究人员通过二维图对新增的分布式变电站距离电网各发电机节点的远近情况进行了表示[3]。最终发现，新增分布式变电站个数越多，分布式变电站与各发电机之间的方块颜色越深，提示分布式变电站距离各发电机之间的距离越近。在对两种接入方式进行对比后发现，如果分布式变电站相同，则采用B种方式接入电网的颜色块值比较大，新增分布式电站采用B种接入方式，接入电网中的位置与原始发电机之间的距离更远。但是当新增分布式变电站的数目等于原网络中负载节点数时，此时在每一个分布式电站上增加一个负载，再次进行距离检测后会发现新增分布式电站采用两种接入方式接入电网中的位置与原始发电机之间的距离是相等的[4]。通过本次对新增分布式电站采用不同方式入网时与原始发电机之间的距离进行分析后发现，分布式电站对电网局部的影响比较大。

通过上述计算结果，进一步明确每个分布式电站到原始发电机节点之间的距离情况决定着电网的同步。继续采用网络静态特征量表对分布式电站到原始发电机节点之间的距离情况进行检测，如果新增的分布式电站比例为新增分布式电站数量与发电机负荷个数的比值，那么在采用IEEE 57节点系统和IEEE 30节点系统进行分析后会发现，随着分布式电站数量的增加，若采用A种接入方式，则此时分布式电站到原始发电机节点之间的平均距离值会不断增大，而采用B种接入方式，分布式电站到原始发电机节点之间的平均距离值会不断缩小，并且两种接入方式下，分布式电站到原始发电机节点之间的平均距离值之间的差值逐渐缩小。当新增分布式电站数量与发电机负荷个数的比值=1时，两条曲线出现焦点，而当新增分布式电站数量与发电机负荷个数的比值＜1时，采用A种接入方式时，分布式电站到发电机之间的平均距离较A种接入方式更小，此时提示新增分布式电站与原始系统发电机所形成的电源在分布状态方面比较密集，并且能够集中输送电能。

1.4 两种入网方式对电网整体平均距离造成的影响

分析两种入网方式对电网整体平均距离造成的影响。经过分析后发现，在分布式电站中，不论采用哪一种进入电网的方式，当分布式电站中接入的节点数量增多时，网络平均距离值也越大。从这方面来看，网络中节点间距离的远近程度也可以通过网络平均距离来表示，当各节点之间的距离越远时，平均距离也就越大，此时也表示节点在电网中分布得越分散[6]。此时不论采用IEEE 57还是IEEE 30节点系统进行分析都会发现，A种接入方式下的网络平均距离较B种接入方式更小，表示采用B种接入方式各网络节点更加分散，此时新增分布式电站与原网络电站之间的距离比较远。在这种入网方式下接入电网，电源分布方面离散化特征更加明显。

1.5 入网方式的同步性能优势

分布式电站采用一种负相关的方式将其接入到电网中，所表现出的同步性能比较好。针对不同入网方式分析网络基本拓扑特性造成影响的因素发现，随着分布式电站数量的增加，分布式电站入网方式网络平均路径长度延长，聚类系数降低，在研究中总共选取了3种不同的分布式电站入网方式。一是直接将分布式电站与供电需求较高的负载点进行连接，也将其称之为卡接式方形（Subscriber Cable，SC）入网方式，此种入网方式传输线路比较少。二是将分布式电站与供电需求较高的负载点连接后，根据相邻的分布式电站情况增加传输路线，也将其称之为小方口形（Lucent Connector，LC）入网方式，此种入网方式需要用到较多的传输线路。三是将分布式电站与供电需求较高的负载连接后，根据附近所分布的分布式电站，按照一定的概率适当地增加输电线路，也将其称之为微球面研磨抛光形（Physical Contact，PC）入网方式[7]。分析3种入网方式的网络拓扑特性，如果分布式电站数量一样，则采用LC入网方式路径最短，聚类系数最大，且其中入网方式同步性能更优。

2 分布式电站节点个数与电网网络同步能力的关系

采用二阶类Kuramoto模型对电网进行动力学建模与仿真实验后发现，此模型对电网系统进行了优化，基本单元包括发电站、传输线以及用户中心等内容，具体如图1所示[8]。

图1 电网单元的基本构成

采用二阶类Kuramoto模型程序，增加分布式电站节点个数，能够有效降低电网网络的同步能力。当新增的分布式电站数量相同时，A种接入方式临界耦合强度更高，B种接入方式网络同步性能更佳。此时结合上述研究结果，B种连接方式网络节点分布比较分散，综合分析后发现，分布式电站越分散，其电网同步性能越好，越有利于电网同步。当分布式电站入网方式不同时，其节点之间同步传播，并且传播方式也存在着明显的差异。采用IEEE 30节点系统进行分析的过程中，在距离发电机较近的复合点中随机选取1个负荷节点，即10号负载节点。采用IEEE 57节点系统进行分析的过程中，在距离发电机较近的复合点中也随机选取1个负荷节点，即16号负载节点。试验过程中所施加的扰动功率均为2，扰动时间为180～200 s，实验的过程中，要保证系统在没有增加扰动功率时在同步状态运行，IEEE 30节点系统和IEEE 57节点系统的耦合强度分别设置为10和16。

对网络中失同步节点个数与网络演化时间变化之间的关系进行分析后发现，随着时间的延长，失同步节点的数量不断增多，到最后甚至扩散到了整个网络[9]。而当入网的分布式电站数量为固定值时，与A种接入方式相比较而言，采用B种接入方式接入分布式电网后，入网系统所有节点会在相对比较长的时间内实现失同步，各网络节点更加分散。这是因为新增分布式电站与原网络电站之间的距离比较远，在这种入网方式下接入电网，电源分布方面离散化特征更加明显，失同步传播速度也越慢。同一时刻下，对两种入网方式所引起的系统失同步节点数进行统计分析后发现，与A种接入方式相比较而言，B种接入方式引起的系统失同步节点数量更少，有时也会与A种接入方式引起的系统失同步节点数相同。如果时间固定，分布式电站分布的越分散，则在一个固定的时间内失同步波扩散的范围越小。

3 分布式电站不同入网方式的性能分析

对分布式电站不同入网方式网络拓扑特性进行分析，本次研究在进行同步模型及实验仿真中应用到了IEEE 57与IEEE 30等节点系统作为研究对象，其发电机节点和负载节点也不相同。有研究人员发现，分布式电站以负相关方式接入电网，同步性能较优，本次研究中用到的两种入网方式都是将分布式电站与负载节点进行了连接，如果不考虑分布式电站与发电机节点之间的关系，则可直接进行实验仿真，按照节点编号顺序逐次添加节点。第2次仿真实验是按照节点编号倒数依次添加，从第3次开始一直到第7次，随机编号添加，取多次实验仿真结果的平均值[10]。分析不同入网方式对网络基本拓扑特性造成的影响后发现，随着分布式电站数量的增加，不同入网方式表现出的网络平均路径长度以及聚类系数也不同。如果采用LC入网方式，则电网平均路径长度最短，聚类系数最大；而如果采用SC入网方式，则平均路径长度最长，聚类系数最小。相比较而言，PC入网方式居于两者之间。

对不同入网方式同步性能进行分析后发现，不论采用哪一种入网方式，分布式电站数量增加至负载数量的2/3时，网络同步性能最优，优于分布式电站数量为负载数量1/3时的同步性能。LC入网方式网络同步临界耦合强度最小，SC入网方式网络同步临界耦合强度最大，PC入网方式居于两者中间。

4 结 论

本次研究结果表明，分布式电站入网时，结合具体情况应该首选原有发动机节点平均距离偏远的负荷点开始接入电网，并且在并入电网后，整个网络系统中发电机节点布置的相对比较分散，此时电力系统网络同步能力更强，而要想在网络中增加扰动，首先需要从距离发电机节点比较近的负荷点开始，这样能够有效减缓失同步波的扩散速度。但是如果遇到一些特殊情况，设计人员则要根据实际情况进行分析，采用一种与实际情况相符的分布式电站入网方式，尽可能减小分布式电站入网对电网同步造成的影响。