考虑分布式光伏接入的配网联络开关的优化布置研究

研究与开发 考虑分布式光伏接入的配网联络开关的 优化布置研究 李秋平 (国网桐乡市供电公司，浙江桐乡 314500) 摘要 随着分布式光伏并网的增多，基于放射状运行的中压配电网成了多源网络，这样传统 的配网联络开关设置方法就需要进行改进。文章通过对光伏出力的等效变换，将其融合进配网负 荷曲线中，然后模拟积分中值定理对新的负荷曲线进行合理区间划分，以此划分结合一系列电气 量约束、网络拓扑约束、开关操作次数约束等，寻求线路运行损耗最小和停电损失最少。这就是 考虑分布式光伏接入的配网联络开关优化布置方法。算例结果表明，文章提出的方法是有效的， 值得进一步推广。 关键词：联络开关；分布式光伏；配电网；优化布置；负荷曲线 V to i 1 45 00) V a so to be of iS a of of is to to of is of V：了保证配电网的供电可靠性和灵活性，一般 需在中压馈线上布置一定数量的联络开关。这些开 关的设置需考虑初始投资、运维费用、线路损耗、 停电损失、负荷变化等多重因素，可谓复杂万分。 在智能电网逐渐兴起的当下，分布式光伏电源 大量接入配网，改变了传统配网的单电源放射状供 电模式，即网络成为了多源网络。另外，光伏出力 是不稳定的，接入位置具有多样性。这些都增加了 含为了解决这个问题，文章拟将光伏出力负荷化 (即视光伏发电为负向负荷消耗)，并与配网正向负 荷叠加后一起组成新的负荷曲线，再利用有关负荷 不确定性处理方法对负荷曲线进行二次处理，最后 综合经济性、可靠性、季节性、时段性等因素，建 立考虑分布式光伏接入的配网联络开关布置新方 法，以期为智能电网的发展而抛砖引玉。 就国内外研究现状来说，负荷不确定性处理方 法主要有基于模糊聚类的曲线分段方法和基于曲线 单调的曲线分段方法两大类。文章通过比较，认为 后者更具时效性、直观性，但需增加动态环节。 20167期电|f 83 研究与开发 1 总体思路 联络开关的作用是根据运行需要实现网络重 构。显然，若某个时段内线路综合负荷(光伏出力 与用户负荷的叠加)不变，则联络开关的开合状态 也不需改变(假设这之前各联络开关的开合状态已 处在最优化情况)。那么，我们所面对的问题的实质 就是：对于一个特定网络，在候选的联络开关安装 点集合中找出最佳的安装点位置，使得这种安装方 法能契合线路综合负荷的变化，即在联络开关动作 次数限值范围内通过不断操作联络开关能让线路始 终运行在可靠和经济的区间里。 这就涉及到联络开关对光伏 负荷等效曲线的 的有效辨识上。具体来说，就是要对综合负荷曲线 进行合理分段，每段产生一个等值负荷(类似拉格 朗曰中值定理)，由这些等值负荷来参与相关模型的 计算。显然，曲线分段不能过多(过多会产生运 算维数灾)，也不能过少(过少会影响优化效果)， 因此需经历一个基于反馈的控制过程。图1所示为 本研究课题的大致思路。 ：开关 ：配置 与分 段片 !案的 求解 !过程 图1 考虑光伏接入的配网联络开关优化布置思路 2 光伏电源出力的计算 与集中式大电源相比，光伏电源出力具有明显 随机性。笔者参考相关文献，得到光伏出力公式 。】： )=( (z) (1) ( )： ( + 8 式中，、 (t)分别为天气状态变 84 0167 量和某一天气下的光伏电源时序出力， 为在某 下的最大光照强度， 。 为天气变量数目， 为 的概率。 显然，光伏出力的季节性变化明显。以浙江桐 乡的春季为例，取光伏渗透率25，取晴、阴、雨 的出现概率分别为04、03、03，利用式(1)得到 如图2所示的光伏出力曲线。该曲线与线路的实际 负荷曲线相叠加，就形成光伏负荷等效曲线。 时刻 一晴天 典型阴天_。_雨天 图2 以浙江桐乡为例的春季的光伏出力曲线展示 3光伏一负荷等效曲线的初步分段 首先依据经验设定一个初始分段数 ，然后依 次进行以下步骤： (1)划分曲线的单调区问，对各单调区间求积 分中值，以该值所对应的横坐标为分段点，记录此 时的分段段数，不妨以u 表示。 (2)辨别负荷跃增时段，并将其隔离。方法： 计算曲线各相邻整点时刻的负荷差值绝对值 ，并 统计出最大值 。 ；若步骤(1)中确定的某个时段 的中值点是曲线极值点且其两侧变化率超过 ， 则认为该时段出现负荷跃增，应予以隔离。 (3)比较经历步骤(2)后的u 值与 的大 小。若前者大，转步骤(4)，反之转步骤(5)。 (4)时段合并。设最新的剔除跃增量的时段划 分数为u ，求该情况下所有相邻段的等效中值之 差的绝对值。选取绝对值最小的那对相邻时段(不 妨用i段、将其合并为“，相 应的从“i+1”段起段标号都减1。这样u ：u 一1。 时段合并的过程需持续到u =K ，才能转到步骤 (5)。 (5)输出分段点的时间坐标及分段数 s。 4综合建模 联络开关的布置优劣体现在正常时段的运行线 损减少上和故障时段的电量损失减少上。当光伏接 入后，需额外考虑晴、阴、雨等不同天气状况的影 响因素，因此确立如式(2)所示的综合目标函数及 其组成。 F=wf,+ ：4 )， ( )：(p a=l ：1 =1 4 妖 N = E(E )(a=l =1 p=l =( ) (2) 式(2)中， 、 分别指年运行线损和年停电 损失的下降量，W 、W 为权重：t 为季节类型天数；L 为，时段长度；为 节点(联络开关的 安装给L。为的停电损失；P 为，时段内E( ： 为伏 接入前后比对，下同)， 。， 为 时段I络线损减少值(指平均值)。其余参数同式(1)。 关于模型的约束条件，主要涉及电气安全和经 济可行两大层面，细分为6个小点【3：节点电压 约束，即节点电压不越标准上下限；功率平衡约 束，即注入节点的户、路导纳等 参量的关系符合相关公式；可靠性约束，即网络 可靠性需达到规定指标；网络拓扑约束，即运行 时保持放射状、不出现环网；开关分合次数约束， 包括各时段内的所有开关总动作次数和的约束和单 台开关单日总动作次数约束两方面；初投资约束， 即安装设备总价不能大于投资上限。 5等效负荷曲线时段划分的调整 我们用s 表示开关动作次数上限、用 咖l 表示开关实际动作次数。在运用上文研究成果进行 寻优过程中，若发现 一 l2，说明开关至 少还可分一合1次，也间接表明原等效负荷曲线的分 段可能还有改进的空间(前已述及，开关是否动作 由负荷决定)。因此应尝试对原方案进行修正，步骤 如下。 (1)寻找原方案中的一个时段划分，要求该段 内的P P i 在所有段中是最大的，然后判断这段 研究与开发 曲线的单调性。若单调增或单调减，则将该段一拆 为二，分段处为中间点，并记s+Z；若不是单 调，则采用文章第3小节的方法进行处理。 (2)根据新的等效负荷曲线分段方案，重新进 行开关寻优模型计算。之后判断s 一|s -，若其 小于2，认为已得到最优解，否则重复以上步骤。 6 算例 为保证算例的客观性和普适性，选取3 节点系统作为计算基础，其拓扑如图3所示，其1 32支路标号及阻抗、负载功率等数据见参考文献 4。几个假设：相邻两节点间的线路均设有分段 开关；可以安装联络开关的始末节点集为“3、7”、 “11、21”、“8、14”、“20、32”、“15、20”、“15、 23”、“17、28”，以上待选的始末节点之间的虚拟支 路编号为3339；光伏电源容量统一为300图3含光伏接入的3节点网络 考虑到光伏出力的气候性以及气象资料获取的 方便性，笔者选择工作所在地浙江桐乡某乡镇作为 算例中光伏运行的地理背景。 因光伏发电的季节性变化明显，因此要得到最 合理的联络开关配置方案，必须综合春、夏、秋、 冬四季的运算结果。但各季的运算步骤实际是相似 的，以及篇幅所限，文章将重点就包含4个光伏电 源的3节点系统置身桐乡春季气候条件下 (桐乡春季的气候指数以及光伏出力曲线见文章第 2小节)的联络开关配置进行描述，步骤如下。 (1)参照桐乡实际，设定 ：4，0， 7，3，网络故障率0045次(故 障线路恢复时间为22h次。 (2)运用第3小节方法，得到等效负荷曲线的 初始分段(图4)，并根据第4小节内容执行寻优计 算。 (3)发现s 一s 。 1=20122，则依照第5 小节方法进行分段方案的修正(图5)，再执行寻优 计算。 (4)发现s 一019=1(0,2)，说明 无须进行下一步修正，输出结果，见表1。由表1 可知，春节状态下涉及的联络开关安装支路为33、 2f 85 研究与开发 图4算例线路等效负荷曲线的初始分段 、 、 、 0 图5 算例线路等效负荷曲线的分段修正 表l 以桐乡春节为背景的3节点联络开关布置 时段变迁 断开支路 连接支路 备注 初始一1时段 9，28 34，36 “断开”或“连 1时段一2时段 634 9，33 接”动作涉及的支 2时段一3时段 10，36 28，37 路中：132为已绍 3时段一4时段 937 10，34 存在的支路，33 39为联络开关安 4时段一5时段 34 37 装的备选支路 5时段一1时段 28，33，37 6，34，36 将以上步骤(1)至(4)重复运用到夏、秋、 冬气候背景下，就能得到3张类似表具体略)。最后，将四季结果合并，得到基于年周 期的最优联络开关安装位置，其始末节点分别为： “3、7、“11、21、“20、32、“15、20、“15、 23”。算例的技术经济效益见表2。 7技术经济比较 从本质上讲，文章所构建模型的主要特点是采 用了基于曲线单调并增加动态环节的等效负荷曲线 分段方法。为了彰显该方法的科学性，笔者另外采 用了模糊聚类分段(方法参照文献【5)和不分段两 种方法对等效负荷曲线进行处理并执行寻优计算 (网络参数、气候条件同算例)，得到的技术经济指 标列示在表2中。可以看出，文章所推荐方案虽然 86 初投资方面不是最优，但综合经济效益和供电可 靠性均优于其他方案，长期效益明显，值得推广。 表2不同方案的技术经济比较 采用方案所 采用方案所 实现的年线 实现的年停电 方案 方案类别及描述 初投资 损减少量 损失减少量 MWh |。 万元 基于曲线单调的光 伏一负荷等效曲线分段 1504 954 10 方法(即本文方法) 基于模糊聚类的光 伏一负荷等效曲线分段 43 法 对光伏一负荷等效曲 228 1 线不做分段处理 8 结论 光伏电源接入配网给配网建设增加了许多不确 定性。针对光伏渗透率较低的情况，文章提出将光 伏出力拟合进负荷曲线以形成新的等效负荷曲线。 通过对该负荷曲线的动态分段处理，能让基于电气 安全和经济可行的配网联络开关优化布置数学模型 的计算效率得到大幅提升，且优化效果比较明显。 笔者也注意到，若光伏渗透率较高，光伏的随机性 将左右等效曲线的形状，这时不宜再采用分段的方 法来处理负荷曲线。这将是下一步研究的重点。 参考文献 1 刘巍变电站站址优化与配网开关优化配置的研究 J郑卅014，31(2)：132135 2许丹，唐巍多目