主动配电网规划关键问题研究
2024-10-18
来源:威能网
综 述 主动配电网规划关键问题研究 严艺芬 吴文宣1,2 张 逸 (1.福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108I; 2.国家电网福建省电力有限公司,福州 350007; 3.国家电网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州 350001) 摘要 随着大规模分布式电源接入配电网,主动配电网已成为未来配电网的发展趋势。本文 分析了主动配电网与传统配电网规划的区别,在此基础上提出主动配电网规划的基本流程;通过 分析传统配电网规划的不足之处,进而论证了适用于主动配电网规划的关键要素,包括规划目标、 主动管理措施、负荷预测与发电预测、规划方案综合评估。并对未来主动配电网规划研究方向进 行了展望。 关键词:主动配电网;分布式电源;规划;关键要素 Important Issues in Planning of Active Distribution System Yah y Wu Wenxuan ,。Zhang (1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108; 2.Sate Grid Fujian Provincial Electric Power Company Limited,Fuzhou 350001; 3.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007) Abstract As more and more distributed generation access to distribution network,the active distribution network has become the future development trend of the distribution network.This paper introduces the difference of planning between the active distribution network and the traditional distribution network,and proposes the basic process of the planning in active distribution network; Through the introduction of the deficiency of the planning in traditional distribution network,and then discusses the key elements of het planning in active distribution network,including planning obj ectives, active management measures,power prediction,comprehensive assessment of planning scheme. Keywords:active distribution network;distributed generation;planning;key element 随着对环境质量的要求越来越高,人类迫于寻 找改善环境的措施。其中,电力行业对环境的影响 比重很大。因此,分布式电源(Distributed Gener— ation,DG)得到了越来越多的发展。CIGRE C6提 出了主动配电网(Active Distribution Network, 资助了ADN的研究,资助课题为“主动配电网的间 歇式能源消纳及优化技术研究与应用”。2013年3 月20日,“国家能源主动配电网技术研发中心”成 立。2014年4月22日,“主动配电网关键技术研究 及示范”863课题在京启动[3]。我国已将ADN研究 作为未来配电网的主要的研究方向,其中规划技术 是ADN的关键技术之一。 DG接入传统配电网会带来很多问题,如电压 ADN)的概念,即:通过使用灵活的网络拓扑结构 来管理潮流,以便对局部的分布式能源(Distributed Energy Resource,DER)进行主动控制和主动管理 的配电系统…。其中,分布式能源(DER)的基本 构成是:分布式发电(DG)、分布式储能(Electrical Energy Storage,EES)、可控负荷(Controllable Load, CL)等 。 波动问题[钔、损耗增加问题 、潮流反送【 等,限制 了对分布式电源的接纳能力。传统配电网规划只是 针对最大负荷预测值采用最大容量裕度,从而在规 划阶段就可以找到处理所有运行问题的最优解,其 规划方法相对简单,资产无法充分利用,不具有灵 2012年,国家高科技研究发展计划(863计划) 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2014AA051901) 2016 ̄11期qa1]lt ̄I 1 综 述 活控制的特性[ 。ADN规划是在传统配电网规划的 基础上对现有的配电网络进行改造,增加主动管理 措施,提高DG的渗透率。 本文对ADN规划关键问题的相关的技术进行 阐述,并分析其未来的研究方向。 1 主动配电网规划 1.1 概述 范明天教授在主动配电网规划及优化方面做了 很多相关研究,包括提出主动配电网规划流程【引、 传统配电网规划与主动配电网规划的区别[1]、信息 与通信在主动配电网规划中的运用【 】;在规划算法 上,有Kruska1.遗传混合算法【引、粒子群算法[1o]、 萤火虫算法【¨】等。 1.2 主动配电网规划与传统配电网规划的区别 AND能控制和运行各种分布式能源,其中分布 式能源包括DG、CL、EES等。随着大规模分布式 能源接入配电网,ADN已成为未来的发展趋势。, ,L ADN能够提高系统对DG的消纳能力,能够促进终 J 端用户主动参与系统运行的能力,能够有效提升能 = /, ●●●●●、一C 源综合利用率。 \ \、●●●/V—C 在传统配电网中,配电网规划主要考虑满足负 一 荷需求,运行与控制模式都相对简单。而ADN不仅 e —............X .p.,..... L 要满足负荷需求,且需综合考虑运行与规划相结合 /,.... 一以获得更好效益。随着大量间歇式DG的接入,还 一/ V—C \、● / 应考虑发电预测。面对大量的不确定性,其运行控 七 ]●●●●●j 制方式也发生了很大变化。本文总结国内外研究, 提出了见表1的传统配电网规划与主动配电网规划 的区别。 表1 传统配电网规划与主动配电网规划的区别 比较内容 传统配电网 主动配电网 电源类型 分布式 通常为燃气机 有不确定性 多种类型,如风电、光伏,具 电量预测 通常为 发电预测与负荷预测 负荷预测 负荷类型 常规负荷 增加了新型负荷,如电动汽车 规划方案 校验 满足负荷 需求 运行与规划滚动校验 评估指标 电压、损耗等 增加了适用于主动配电网的 传统指标 评估指标,如渗透率、供蓄比率 规划是从源头上解决ADN运行中可能存在的 问题,是ADN的基础。传统的配电网规划并不考虑 DG接入对系统的影响 】,无法解决大量DG接入, 2 l瞻l_l援礅2016 Sg ̄r 1 1期 而ADN需要采取主动规划、主动管理的方式,并且 应该考虑间歇式DG的随机性,建立多场景规划模 型。其中风电与光伏的出力可用以下模型进行考虑: 并且应该考虑间歇式DG的随机性,建立多场景规 划模型。其中风电与光伏的出力可用以下模型进行 考虑:风速的概率分布常用两参数Weibul1分布来 描述,其概率密度函数可表示为[131 式中,v为风速;k和c分别称为形状参数与尺度参 数。 风电的有功出力与风速的关系可表示为 0 0≤v≤ i或 o≤v PDWG= 。d i≤1,≤ ed ated—Vci 尸mled ed≤V≤ o (2) 式中, d为DWG的额定功率;Vci、Vrat。d、Vc。分 别为切入风速、额定风速和切出风速。 长期的太阳光照强度通常可近似看成Beta分 布,其概率密度函数可表示为 ¨】 = ( 一 ~㈩ 式中,r为光照强度; 为最大光照强度; 和 均为Beta分布的形状参数。 给定太阳能电池方阵的输出功率为 =,_・A・ (4) 式中, 为太阳能电池方阵总面积;卵为方阵光电 转换效率;r为实际光照强度。 1.3 主动配电网规划基本框架 ADN规划是在传统配电网的基础上进行改造、 新建设备,使配电系统能消纳高渗透率的分布式电 源。目前含DG的配电网规划很多,可分为了网架 规划 15-161、DG的选址定容[17-18]、综合协调规划 。 虽然这些方法得到广泛运用,但是并不适合ADN 规划。传统配电网规划方法相对简单,没有考虑主 动性,忽略储能与DG的配合,且没有考虑ADN不 同建设投资主体,因此配电网设备容量得不到高效 利用,且不具有灵活控制措施,特别是对于具有不 确定性的DG及负荷等。据此,ADN的规划基本步 骤如图1所示。 图1 AI)N规划基本框架 规划关键技术如下。 1)收集信息:包括用户的基本信息、当地的天 气情况、地理位置以及当地经济情况等。 2)负荷、发电预测:在AND规划中不仅需要 进行规划年负荷预测,且应进行发电预测。两者的 准确性直接影响设备投资情况,是配电网规划的基 础;故应进行滚动预测,减少误差大小。 3)现有配电网分析:在传统配电网的基础上进 行ADN规划。结合历年的信息分析,现有的配电网 是否符合供电需求,从而确定是否需要新建或扩容。 4)规划方案研究:根据不同的研究目标确定规 划方案。 5)评估规划方案:建立适用于ADN的规划方 案指标体系,如经济、网损、电压、渗透率等。 6)决策:即运用决策方法选择实施方案。 2 主动配电网规划关键问题 2.1 概述 ADN规划是在传统配电网的基础上进行设备 的改造、扩建,优化现有的配电系统,建立包含分 布式发电、新型负荷等多要素的主动配电网规划模 型,建立考虑可靠性、充裕度、渗透率等多个维度 的目标函数,运用启发式、智能式算法求解模型。 2.2规划目标 与传统配电网规划目标不同,ADN规划应考虑 包含经济性、可靠性、电能质量、DG的渗透率等 多个维度的优化目标,建立包含DG、柔性负荷、 EES等多要素的ADN规划模型。 文献[20]从配电公司的角度建立了以经济性最 优为目标的ADN规划方案;文献[21]考虑了问歇性 综 述 DG的随进性,以经济性最优及间歇性DG年有效发 电量最大为目标,建立ADN双层场景规划模型;文 献[22]在主动管理模式的基础上,建立以年综合费 用最小、DG出力切除量最小为目标的双层规划模 型。 现有的研究大多由配网公司承担DG、ESS建设 成本,这与目前国内的实际情况不符合。由区域能 源供应商承担DG、ESS建设成本更加符合目前国内 配电网的实际情况。如今在电力市场改革的大方向 上,开放售电业务,竞争主体出现多样,对用户有 更多的选择权。电力市场改革后,对ADN技术的推 广更加迫切。售电侧改革与电价改革,提高能源的 优化配置及清洁能源消纳水平,提高供电安全可靠 性。ADN规划目标应该打破传统配电网规划目标的 局限性,可以从配电公司的角度出发,也可以站在 区域能源供应商的角度考虑,或从用户方面考虑。 文献[23]提出主动管理费用的概念,并建立了一个 考虑DG运营商和配电公司不同利益需求的双层规 划模型,运用具体算例进行计算,验证合理的主动 管理措施可以提高DG的渗透率;文献[24]考虑了 DG运营商和配电公司的利益,建立了含多个规划 目标的模型;文献『25]提出了一种适用于主动配电 网规划.运行联合优化模型,考虑了承担DG、ESS 建设投资的区域能源供应商的营收状况。 2.3主动管理措施 随着越来越多的DG接入配网,系统出现更多 问题,包括功率越限、电压波动及可靠性降低等。 传统配电网对DG采用的是“安装即忘记”的被动 管理模型,限制DG的接入容量,阻碍了DG发挥 重要优势。而ADN所采取的是积极主动的管理方 式,适用于大量DG的接入。主动管理措施有利于 提高系统运行效率,在ADN规划时就应该全面考 虑,解决系统运行中可能存在的问题,使配电网的 运行.规划相配合,提高系统的综合能效水平。 目前常用的主动管理措施[2 6]包括:①无功补偿; 通过在DG接入点接入无功补偿装置,并调节无功 大小进行主动管理;②调节有载变压器抽头。通过 调节变压器抽头将电压控制在一定范围内;③调节 DG出力。通过调节DG出力,改善潮流分布。 文献[27]在主动管理模式下,建立了主动配电 网双层场景规划模型,并用IEEE 33节点配电网算 例验证了模型的可行性;文献[21】基于主动管理措 施下,建立了含DG的ADN双层规划模型;文献[281 2016 ̄1 1期囊l|l技礅I 3 综 述 基于主动管理模式下,提出一种多阶段优化方法来 评估间歇性分布式电源的可开发程度。 2.4负荷预测与发电预测 随着大量间歇式DG接入系统,由随机性产生 的问题越来越多。传统配电网对DG的接入采取的 配电网规划。文献[35]从间歇式DG并网特性、ADN 控制特性和运行特性,提出了ADN的指标体系,有 利于ADN的推广运用;文献[36]提出是适用于AND 的可靠性指标,并对ADN进行可靠性评价。 本文从ADN特征出发,研究了适用于ADN的 是限制容量的措施,所以在规划时只进行了负荷预 测,而忽略了DG的不确定性对配电网规划的影响。 ADN是能接纳高渗透率DG的配电系统,不能忽略 DG出力的随机性,因此负荷预测以及对间歇性DG 发电预测的研究是ADN规划的关键技术之一。发电 预测的目的是提供分布式电源的发电水平,规划该 地区规划年供电情况,优化配电网络。发电预测不 仅与当地天气、地理位置等相关,而且还与新型负 荷密切相关。 可以将负荷分为可控负荷与不可控负荷。不可 控负荷是指用电比较固定、不可以调节的负荷;而 可控负荷指可以根据分时电价或是与电力公司协定 进行调节、转移的负荷。可控负荷在ADN中具有削 峰填谷,平衡电力的作用。在AND中进行负荷预测 时,应该将负荷进行分类,对可控负荷与不可控负 荷分别进行预测。传统配电网规划中的负荷预测是 属于中长期负荷预测,而ADN规划与运行紧密相 关,所以ADN规划中的负荷预测不仅需要中长期预 测,也要进行短期预测。常用的预测方法有小波神 经网络、灰色模型预测、时问序列预测等。 文献[29]对ADN的负荷进行分类,提出负荷预 测方法,并且DG的预测模型,在此基础上,分析 了负荷预测和发电预测对ADN规划的影响。文献 『30]采样多维时间序列局部预测方法对光伏发电进 行了预测;文献[31]建立了小波变换的月负荷预测 模型,并用具体算例进行了预测。一 3规划方案综合评估 规划方案的评估包括方案的可行性评估、经济 性评估、可靠性评估、风险评估等【3 。文献[33]研 究了通过网络重构的方法,即静态重构和动态重构, 提高主动配电网DG渗透率,并评估此方法对DG 渗透率的影响;文献[34]提出电能损耗和电压质量 两个指标,并证明在主动管理模式下可以优化这两 个指标。 相比于仅用可靠性或经济性作为单一指标,综 合评估运用多个指标更能全面反映AND的能效水 平,有助于准确找到能效提升点进而有效进行主动 4 I电l-I藏柬2016 ̄1 1期 评估指标体系如图2所示。 经济性指标 污染气体排放量 环境指标 评 占地大小 价 指 系统平均供电可用率 标 体 用户平均停电持续时间 系 可靠性指标 系统平均停电持续时间 系统平均停电频率 短路电流容量 安全性指标 电压合格率 图2 AND评估指标体系 配电网规划方案评价是根据系统的特征,建立 指标体系,对规划或建设项目做出总的评估结果。 通过对规划方案综合评估,从而为下一步决策工作 打下基础。所以建立主动配电网综合指标体系以评 价规划方案才能更好的推广ADN规划技术的研究及 运用。 目前,在规划方案决策方法主要包括:层次分 析法(analytic hierarchy process,AHP)[37-38]、多属 性决策理论[39]、灰色关联法【 。 及混合决策方法[ 】 等。其中AHP是在决策过程中对非定量事件做定量 分析,将定量与定性相融合的有效决策手段[4 。而 灰色关联法采用指标的实际值进行分析,结论比较 精确。本文将两者融合对方案进行评价,可以优势 互补,更科学地对方案进行决策。具体的规划方案 评估过程如图3所示。 4 结论 ADN能接纳大规模间歇性DG的接入,已成为 将来配电网的发展趋势。本文分析了AND规划与传 统配电网规划的区别,提出ADN规划的基本流程; 进而论证了ADN规划的关键技术:规划目标、主动 管理措施以及发电预测的研究现状,在此基础上提 出了规划方案综合评估指标体系。 确定待选方案 计算准则层权重 确定评价指标体系 指标关联系数矩阵确定 确定准则层的比较矩阵 计算关联度 判断一致性二>卜一至 \/ 方案的评价及确定 l Y 图3规划方案综合评价流程图 为了使主动配电网规划技术得到更广泛运用, 还应对理论与实际深入研究。ADN规划技术在未来 的研究应集中在主动管理措施、灵活网络拓扑结构、 运行.规划联合优化等方面,提高配电网对DG的接 纳能力。 参考文献 [1] 范明天,张祖平,苏傲雪,等.主动配电系统可行技 术的研究[J].中国电机工程学报,2013,33(22): l2—18. 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