分布式电源与配电自动化终端协同规划研究

摘 要：在分布式电源并网发电的背景下，为了提高配电网规划的合理性，同时降低总体的规划运营成本，本文提出了分布式电源与配电自动化终端协同规划模型。该模型由2个部分组成。上层规划模型用于确定分布式电源在配电网中的最佳接入位置和容量，其目标函数为综合运行成本最低，约束条件包括孤岛约束、潮流约束和容量约束等。下层规划模型根据分布式电源的规划方案，进一步确定配电自动化终端的安装位置，其目标函数为停电损失和终端成本最低，约束条件为系统可靠性。完成建模后，利用仿真软件对IEEE 33节点进行规划。结果显示，其规划成果的总成本和可靠性计算结果均优于对照组，验证了规划模型的实用性。

关键词：分布式电源；自动化终端；协同规划

中图分类号：TM 715" " " 文献标志码：A

配电自动化终端能够遥测、遥控配电网中的一次设备，是电网智能化的重要基础。随着新能源并网发电规模持续扩大，分布式电源的接入数量和总容量呈快速上升趋势。因此，在规划配电网过程中应强化分布式电源和配电自动化终端的协同性，通过科学设计明确各类设备的接入位置，从而控制安装和运营成本。本文以综合运行成本、停电损失和配电自动化成本最低为目标，提出了协同规划模型，该模型能够提升配电网规划质量，并提高系统的可靠性。

1 分布式电源与配电自动化终端协同规划方法设计

1.1 分布式电源与配电自动化终端协同规划模型

1.1.1 协同规划模型技术方案设计

1.1.1.1 协同规划的目标

分布式电源和配电自动化终端是配电网的重要组成部分，分布式电源包括光伏发电设备、风力机组和储能设备等。配电自动化终端为配电网的二次设备，用于远程测量、通信和控制，监控对象为包括分布式电源在内的各类一次设备[1]。

配电自动化终端能够提高配电网的可靠性，并能在配电网出现故障情况下，利用远程控制快速形成孤岛，提高非故障区域的供电可靠性。协同规划的目标是合理设置分布式电源、配电自动化终端的位置，从而提高供电可靠性并降低综合运行成本。

1.1.1.2 基于协同规划的双层模型

本文设计的协同规划模型分为上、下2层。上层规划模型的控制目标为综合运行成本最低，下层规划模型的控制目标为停电损失和配电自动化终端投资运行成本最低，整体的技术方案如图1所示。上层规划模型的主要作用是确定分布式电源的接入位置和容量，下层规划模型以上层规划模型生成的分布式电源规划方案为基础，进一步明确配电自动化终端和分段开关的配置方案。2个阶段的目标函数均建立在成本控制的基础上，并且上、下层规划模型的输出结果能够相互作用，实现了配电自动化终端与分布式电源的协同规划[2]。

1.1.2 上层规划模型的目标函数和约束条件

1.1.2.1 上层规划模型的目标函数

上层规划模型的目标函数以配电网综合运行成本最低为控制目标。综合运行成本具有多个分项，包括线损、向上级网络的购电费用和分布式电源的投资运行成本等。

1.1.2.2 上层规划模型的约束条件

根据技术方案，上层规划模型具有多种约束条件，例如潮流约束、孤岛约束、电压约束以及分布式电源安装容量约束等。

分布式电源安装容量的约束条件如公式（1）所示。

（1）

式中：N为安装分布式电源的节点总数量；Pdg，i为第i个节点的分布式电源安装容量；Pload为电网中有功负荷的总和；δ为分布式电源在配电网中的渗透率；Pi，max为配电中节点i能够安装的分布式电源最大容量。

例如，在某配电网中，需要计算每个节点可以安装的分布式电源的最大容量，以满足系统稳定性和负载需求的约束条件。该配电网总有功负荷为5000kW，渗透率为20%，节点1能够安装的分布式电源最大容量为1000kW，节点2能够安装的分布式电源最大容量为800kW。则节点1的Pdg，1≤0.2×5000=1000kW，节点2的Pdg，2≤0.2×5000=1000kW，根据上述计算，分布式电源的安装容量应满足以下约束条件：节点1的分布式电源安装容量不超过1000kW，节点2的分布式电源安装容量不超过800kW。

孤岛划分是提高配电网可靠性的重要技术措施。当配电网中的局部区域出现故障时，采用孤岛划分对其进行隔离。该技术能够降低故障区域对非故障区域的干扰，从而保证其他区域能够正常供电[3]。因此，在分布式电源与配电自动化终端协同规划中，需要设置孤岛约束条件，如公式（2）所示。

（2）

式中：Y为孤岛区域中配电自动化终端的集合；PFDi为孤岛中第i个分布式电源的发电量；PLj为孤岛区域中第j个负荷节点的有功功率；Z为孤岛区域中负荷节点的集合；Ploss1为孤岛区域内的线损。

对于电压约束，要求系统中任意节点的电压幅值不得超过最大、最小电压阈值，即Umin≤Ui≤Umax。Ui为系统中节点i的电压幅值，Umin为系统电压幅值下限阈值，Umax为系统电压幅值上限阈值[4]。

在某配电网中，孤岛区域中的有功功率为3000kW，孤岛区域中的线损为200kW，设孤岛区域内分布式电源的发电量为PFDi，最小电压阈值为0.95，最大电压阈值为1.05。根据上述公式，可得该电网孤岛约束条件为Pload=3000+200=3200kW，根据给出的渗透率计算分布式电源的安装容量，即Pdg，i≤δ‧Pload，假设δ=0.3，则可得Pdg，i=0.3‧3200=960kW，根据上述计算和约束条件，孤岛模式下每个节点的分布式电源安装容量应满足以下2个条件。1）分布式电源不超过960kW，以保证孤岛区域能够在故障情况下稳定运行。2）保证系统中任意节点的电压在（0.95～1.05）p.u.，以维持电网的稳定性和正常运行。

1.1.3 下层规划模型目标函数及其约束条件

下层规划模型的目标函数包括2项成本因素，下层规划模型目标函数的约束条件为配电网的可靠性。当评估系统的可靠性时，可采用递归搜索算法，该方法采用遍历的方式计算配电网中每条线路的停电可能性，进而求出整体可靠性。

1.2 分布式电源与配电自动化终端协同规划模型求解

1.2.1 上层规划模型求解方法

上层规划采用改进的自适应遗传算法（ImprovedAdaptiveGeneticAlgorithm，IAGA），求解过程如下所示。1）向IAGA算法输入基本参数，包括配电网的整体结构、分布式电源和种群数量，并且在这一基础上设置迭代次数。2）对种群中的染色体进行编码，由于上层模型的优化重点为分布式电源的位置，因此采用相对简单的整数编码方式。在编码集合中，每个元素的位置信息对应一个分布式电源的位置，每个元素的数量信息对应分布式电源的容量。在满足渗透率约束的前提下，生成染色体种群[5]。3）根据IAGA算法的应用原理对种群进行遗传迭代运算，并且在该过程中同步完成孤岛划分，确定具体的孤岛范围。完成以上工作后，利用上、下层规划模型的目标函数计算出相应的函数值。在迭代运算的过程中，以目标函数F1数值最小为目标，求解出种群个体的适应度值和适应度均值。4）对个体适应度值进行排序，逐渐筛选出适应度较好的个体，将这些优良个体作为选择种群。5）根据IAGA算法进行交叉运算。6）根据IAGA算法进行变异运算，生成新的种群。7）利用约束条件判断种群是否满足要求，当种群中的部分个体超过约束条件时，重新生成对应的染色体，直至种群满足约束条件[6]。8）在每一次迭代运算中，筛选出最优染色体。重复第3～8步，产生分布式电源的最佳位置方案，同时确定每个分布式电源对应的合理安装容量。

1.2.2 下层模型求解方法

上层规划模型生成了配电网中分布式电源的最优设计方案，下层规划模型以分布式电源安装位置为依据，进一步确定分段开关和配电自动化终端的设计方案，从而实现分布式电源与配电自动化终端协调规划[7]。下层规划模型求解同样采用IAGA算法，其求解流程如图2所示。

2 分布式电源与配电自动化终端协同规划方法算例分析

2.1 算例模型和参数

在算例分析阶段，本文采用IEEE33节点配电系统。将该系统中的线路设置为LGJ-240，该型线路的阻抗参数取值为（0.107+j0.405）Ω/km，j为虚数单位。在IAGA算法中，将群众中个体的数量、算法迭代次数分别设置为70、50，交叉概率的取值为[0.6，0.9]，变异概率的取值为[0.05，0.1]。算例模型的其他重要参数见表1。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 协同规划成果示意图

利用本文设计的双层规划模型，对IEEE33节点系统进行协同规划，得到的规划成果如图3所示。其中，DG为分布式电源，圆形实心为电力系统的节点，方形实心代表配电自动化终端的安装位置，虚线框为孤岛区域。分布式电源的接入位置为节点16和节点32，对应的安装容量为400kW、420kW。

2.2.2 基于不同自动化终端的协同规划成果经济指标

根据图3所示的规划成果计算规划方案的各项经济指标，包括综合运行成本、用户停电损失费用、配电自动化终端安装成本和平均供电可用率。由于配电自动化终端包括“二遥”和“三遥”2种类型，其采购成本差异较大，前者为1.9万元/组，后者为5.5万元/组。考虑自动化终端的类型，根据不安装配电自动化终端、全部采用“三遥”终端、“三遥”终端+“二遥”终端3种方案计算以上4项经济性指标，所得结果见表2。

计算3种方案的各项成本之和，方案1的总成本为831.86+

12.39+4.18=848.43万元，方案2的总成本为848.38+32.71=881.09万元，方案3的总成本为833.41+10.56+6.98=850.95万元。显然，如果仅考虑总成本最低，那么方案1最佳。平均供电可用率反映了供电系统的可靠性。比较可知，方案3的可靠性最高，其次为方案1。

3 结论

在分布式电源接入量和配电自动化水平持续提高的背景下，配电网规划工作应该协同设计分布式电源和配电自动化终端，一方面提高系统的可靠性，另一方面控制整体的安装运行成本，为了节约该问题，本文建立了分布式电源与配电自动化终端协同规划模型。研究结论如下所示。1）协同规划模型分为上、下2层模型。上层模型以综合运行成本最低为目标函数，经过规划，能够确定分布式电源在配电网中的接入位置和接入容量，即完成分布式电源规划。下层规划模型在分布式电源的规划基础上，将停电损失最低和配电自动化终端安装成本最低作为控制目标，合理规划出终端和分段开关的安装位置。2）该模型较复杂，涉及较多的参数和变量。本文在求解模型过程中采用改进的自适应遗传算法，直至获得最优解。3）利用IEEE33节点检验协同规划模型的应用效果。结果显示，该模型能够有效确定分布式电源、配电自动化终端的接入位置，同时完成孤岛划分。4）在配置自动化终端过程中，为了节约成本，以满足功能需求为基本前提，可优先采用“二遥”终端。

参考文献

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[3]厉卫娜，李志杰.含分布式电源的配网自动化终端状态评价方法[J].信息技术与信息化，2023（12）：135-138.

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