（电力系统及其自动化专业论文）含分布式电源的配电网络重构.pdf

a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) i sar e n e w a b l ee n e r g y , w i t ht h ea d v a n t a g e si n e n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n , d gh a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t r e c o n s t r u c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h ee c o n o m i c o p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n dr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z et h ed g a n dt h ei m p a c tw h i c hi tb r i n g st ot h ed i s t r i b u t e dn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n a tt h es a m e t i m e ，t r yt of i n da ne f f e c t i v ea p p l i c a t i o no fr e c o n f i g u r a t i o nt ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k w i t hd gw i t hav i e wt or e d u c et h ep o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k i nt h i sp a p e rt h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd ga r es i m p l i f i e do re q u i v a l e n t , a t t h es a m et i m et h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o nb a s e do nc u r r e n ta n dn o d ev o l t a g ea l em a d e s o m ei m p r o v e m e n t st om a k ei ta d a p tt ot h ed i s t r i b u t e dn e t w o r kw i t hd gw h i c h e n h a n c et h ev e r s a t i l i t yo ft h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o n 。t h em e t h o dw h i c hi su s e dt o d e t e r m i n ead i s t r i b u t e dn e t w o r ks t r u c t u r ew h e t h e rt h er a d i a ls t r u c t u r ei ss i m p l ea n d e f f e c t i v ei nt h i sp a p e r b i n a r yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( b p s o ) i sa p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e mo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni n t h i sp a p e r s o m ei m p r o v e m e n t sa r em a d et o t h eb p s ow h i c hc a nr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fi n f e a s i b l es o l u t i o n sa n di m p r o v e v e l o c i t ya n dp r e c i s i o no fc o n v e r g e n c e am o d e l c o n s i d e r i n gm u l t i l o a dm o d ef o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a ns i m u l a t et h ev a r i a t i o no fl o a dw i t hm u l t i - l o a dm o d e a n di ti sc l o s e rt ot h ea c t u a lo p t i m a lo p e r a t i o n t h er e s u l t so ft w ot e s t i n gs y s t e m so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd g j u s t i f yt h a t t h em e t h o dp r o p o s e di n t h i sp a p e rc a ns o l v et h ep r o b l e mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o ne f f i c i e n t l y , a n dt h em e t h o dh a sb e r e rc o n v e r g e n tp e r f o r m a n c ea n dc a n g e tb e r e r r e s u l t k e yw o r d s ：d g ；d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ；m u l t i l o a dm o d e ； t o p o l o g ya n a l y s i s ；p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ；b p s o ；d y n a m i c i n e r t i aw e i g h t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞蠢堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：藓翘易 签字日期：2 ) d 9 年月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：藓忽必 签字目期：2 7 年月弓日 导师虢缮豕和夕 飙呷年幽岁日 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 配电网络( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 是指电力系统中二次降压变电所低压侧直 接或降压后向用户供电的网络。它由架空线路、电缆、配电线路、配电所、降压 变压器和直接接入用户的设备所构成。配电网络的结构大体可分为辐射状、树状 和环状，在运行时通常为开环方式。 配电网络一般指1 1 0 k v 及以下的电网。随着输电网的电压提高，该电压等级 也在提高。配电系统由配电设备( 包括馈线、降压变压器、断路器和各种开关) 和继电保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信和控制设备构成，按一定规律 运行，以高质量的电能持续地满足电力用户的需求。配电系统在拓扑结构、支路 参数、运行状态、节点和支路数目、负荷电源以及各种配电装置的分布、系统信 息等几个方面，都具有不同于高压输电系统的典型特征。 配电网络具有以下特点： ( 1 ) 闭环设计，开环运行； ( 2 ) 线路总里程较长，运行电压往往较低，线损较大； ( 3 ) 网络结构复杂，设备众多，线路上装有大量的分段开关和隔离开关； ( 4 ) 由于网架结构的不合理，容易出现负荷不均衡现象，电能质量较差； ( 5 ) 经常需要进行系统内的设备更新、改造和变更。 长期以来，由于我国电力供应紧张，缺电严重，形成了“重发、轻供、不管 用”的倾向。形成了配电网络建设滞后，对配电网络的研究和建设相对较少的局 面。因此，相对于输电网络来说，配电网络的可靠性较差，配电网络的发展严重 受阻。目前存在的主要问题是，城市配网建设滞后，容量不足，结构不合理，难 以满足迅猛增长的用电需求，用电连续性和可靠性得不到保证。因此，加强配电 网络的建设和改造，推动配电管理技术的发展，是解决供电瓶颈，保证供电质量， 促进电力消费，4 拉动国民经济增长的重要措施。同时，随着国民经济的发展和人 民生活水平的提高，人们对配电网络的可靠性、安全性和经济性提出了越来越高 的要求。 配电网络重构( d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n ) 又称配电网络组态，或 配电网络馈线组态、配电网络馈线重构( d i s t r i b u t i o nf e e d e rr e c o n f i g u r a t i o n ) 等。 配电网络重构的研究兴起于8 0 年代后期，因其在降低网损和改善系统安全性等 第一章绪论 方面的重要作用而受到不少学者的关注。早期的网络重构主要是研究通过怎样的 路径给新用户供电以使总的运行费用最小，即研究规划阶段的网络重构问题。随 着对配网重构认识的逐步加深，学者们开始研究配电自动化系统中加入网络重构 是否可行，研究结果表明配电网络重构不仅在经济和技术上可行，而且可以极大 地优化配网运行。 配电网络结构复杂，线路上装有大量的分段开关和联络开关。这两类开关主 要起着两方面的作用：一是进行故障隔离和供电恢复；二是对系统进行结构优化， 即配电网络重构。配电网络重构就是在保证配电网络呈辐射状、满足馈线热容、 电压质量要求和变压器容量约束等前提下，通过改变联络开关和分段开关的开 合状态来改变网络拓扑结构，确定使配网某一指标( 如：配网网损、负荷均衡或 电压质量等) 最优的配电网络运行方式。按上述侧重点的不同，配电网络重构可 以分为网络优化重构( 也简称为配电网络重构) 和故障后重构( 也称为故障恢复) 。 本文所研究的是前者，即网络优化重构，而不考虑故障后重构的问题。 随着对分布式电源的不断研究和发展，分布式电源必将大量出现在未来的配 电网络中。分布式电源的引进，使得配电网结构更加复杂。因此，配电网络优化 的研究也就面临一个新的问题，即含分布式电源的配电网重构。 1 2 课题的意义 分布式电源作为现有电力系统的有益补充，其有广阔的发展前景。随着与配 电系统并网运行的分布式电源容量的增加，分布式电源对配电网的各个方面产生 不可忽略的影响，其中一个问题就是配电网络重构。 配电网络重构是优化配电系统运行的重要手段，是配电自动化研究的重要内 容，在正常情况下，配电调度员可根据负荷预测结果、网络的运行情况进行开关 操作以调整网络结构，一方面平衡负荷、消除过载，保证电网的安全运行；一方 面降低网损，提高系统的经济效益；最后还可以提高电能质量。可以说配电网重 构是提高配电系统运行的安全性、经济性和提高电能质量的重要手段。 配电网络重构的意义主要在于： ( 1 ) 降低配电网线损，提高系统经济性 不断降低电力系统的能耗和线损，提高电力系统运行经济效益，是电力系统 面临的一项长期课题。在正常运行时，通过网络重构改善电网运行方式从而达到 降低配网网损的目的。 ( 2 ) 均衡负荷，消除过载，提高供电电压质量 在配网中，每条馈线均有不同类型的负荷如：商业类、民用类和工业类。由 2 第一章绪论 于不同类负荷的日负荷曲线是不同的，在变电所的变压器及每条馈线上峰值负荷 出现的时间是不同的，通过网络重构，可以将重负载或过负载馈线( 或变压器) 转移到轻负载馈线( 或变压器) 上，这种转移不仅调节了运行馈线的负荷水平， 消除馈线过载，还能改善电压质量，同时也可以有效的减小整个系统的网损。 ( 3 ) 提高供电可靠性 在配电系统发生故障时，可以打开配电系统中的某些分段开关隔离故障，同 时合上某些联络开关把故障线路上的部分或全部负荷转移到其他线路上去，从而 起到快速隔离故障和恢复供电的目的。 配电网络重构的研究自上世纪8 0 年代兴起至今，已经有很多的研究成果。 但是，在含分布式电源的配电网络环境下进行的配电网络优化研究还少之又少。 本文就是着眼于含分布式电源的配电网络进行配电网络重构研究。 1 3 研究现状 1 3 1 配电网络重构的数学模型 配网重构在理论上是一个大规模的非线性组合优化问题。在进行重构前，需 要根据配网的实际情况选择不同的优化目标建立不同的数学模型。 配电网络重构从时间上可以分为基于恒定负荷的静态重构模型和某时间段 内考虑负荷变化的动态重构模型，下面将分别介绍。 1 基于静态负荷的配电网络重构模型 静态模型即对某时间点的网络进行重构，不考虑负荷变化。配电网络重构的 目标一般为降低配电网络网损、均衡线路负荷 1 】【2 1 ，也有学者提出以提高供电可 靠性 3 】 4 】、提高供电电压质量、提高电压稳定性为目标或综合上述多个指标为目 标的多目标配电网络重构模型，如将降低网损和均衡负荷结合起来作为目标函数 【5 】，将降低网损和提高配网可靠性结合起来作为目标函数【6 】。 对于某一配电网络重构问题，静态模型简单、易操作。它是对复杂的配电网 络重构问题的简化，但是这种简化往往是以牺牲结果的精确度为代价的。静态模 型是对某一个时间断面上网络的重构，主要解决的是给定各节点负荷情况下的网 络重构问题。而配网在实际运行中，由于各节点负荷处在不断的变化之中，因此 静态模型并不能反应实际运行情况，得不到网络的最优运行结构。 2 考虑负荷变化的配电网络动态重构模型 考虑到上面提到的静态模型的缺点，因此，研究一段时间内的网络动态重构 第一章绪论 p 】【8 】【9 】，这种动态的重构模型既可以考虑到负荷的动态特性也能充分利用配电网 络重构的功能，更符合实际情况。 一般把给定一段时间内( 如一天、一周或一月) 的配电网络重构问题称之为动 态重构问题，即在满足开关操作次数约束的前提下，考虑负荷的变化，进行动态 优化，以达到配电网络的最优运行。 动态重构可以采用常规的动态规划法求解，但过程复杂，难以得到最优解。 受动态规划多阶段决策思想的影响，目前最常用的动态重构方法是分时段优化 p 儿卅，把某时间段划分为多时间段落，在其中一个时间段落内认为负荷是不变的， 对该时间段内的网络进行静态重构，同时，需要考虑到各时间段落之间开关操作 的影响，这是动态重构的一个难点。分段越多就越逼近最优解。但是分段越多要 求开关的动作次数就越多，而配电网络中的开关是不可能频繁动作的，否则，会 影响开关寿命甚至会引起网络故障。因此，必须合理的划分时间区间，并考虑各 时间区间内开关动作的相互影响。基于上述考虑，可以把一段时间内的动态重构 问题分解为两个方面的内容：其一是最优重构次数，即保证一段时间内网络运行 指标最优的重构次数；其二是相邻两次重构的最优间隔时间以及开关操作的次 序。 配电网络动态重构的目标函数与静态重构相同，只是其目标函数所反应的内 容有所差别。静态重构考虑的是某一时刻负荷下网络性能指标，而动态重构目标 函数表示的是重构方案在某时间段上的综合性能指标。 1 3 2 现有配电网络重构算法介绍 配电网络重构是一个复杂的非线性组合优化问题。这类问题具有大量的局部 最优解，一般不可微、不连续、多维、有约束、高度非线性。对于这类问题如何 进行全局优化，且能有效地避免“维数灾”一直是国内外研究的热点。 目前，已经提出的解决非线性优化问题的方法主要有传统数学优化方法、启 发式优化方法、人工智能优化方法等。在配电网络重构的研究方面，到目前为止， 国内外提出的常用优化算法主要属于启发式优化方法和智能优化方法，包括最优 流模式法【1 0 1 、支路交换澍1 1 1 、神经网络算法【1 2 】 1 3 】、蚁群算法( 1 4 1 、模拟退火算法 【15 1 、遗传算法【1 6 】【17 1 、t a b u 算法【1 8 】、专家系统【1 9 】 2 0 】等。在这些算法中研究最多、 应用最广泛的，主要有：最优流模式法、支路交换法、模拟退火算法和遗传算法。 下面将做简要介绍。 1 3 2 1 启发式方法简介 启发式方法可以在优化过程中加入启发式规则。一般有两种搜索方法：一种 4 第一章绪论 是穷尽式搜索，即考虑所有可能的开关组合进行搜索，以便找到目标函数值最小 的组合；另一种是根据一些规则挑选部分组合进行搜索。后者所需的时间较短， 更具有实用价值。下面主要介绍一下最优流模式法和支路交换法。 1 最优流模式法 最优流模式法( o p t i m a lf l o wp a t t e r n ，o f p ) 是19 8 9 年由d 撕s hs h r i m o h a m m a d i 等人首次提出的一种启发式方法。最优流算法以功率损耗最小为目标函数，其实 现网络重构的基本思想为：首先不考虑配电网络必须为辐射型结构的约束条件， 将所有开关合上形成多环网。然后除了系统的潮流方程，在不考虑其它约束条件 的情况下，求出使系统功率损耗最小的系统的电流分布，这个电流分布就是所谓 的“最优流模式( o p t i m a lf l o wp a t t e r n ) 。将网络中所有支路阻抗中的电抗部分 去掉。这样求得的电流分布就是系统的最优流模式。最后，打开在最优流模式下 电流最小的开关为打开开关的启发式规则，打开一个开关以解开一个环路，重复 后两个步骤，直到由步骤1 形成的环网中的所有环路被解开，网络的拓扑为辐射 型结构为止。 该算法把开关的组合问题转化为开关的启发式单开问题，重构结果与初始网 络状态无关，使得复杂问题简单化。其缺点在于：初始时闭合所有开关使网络中 同时存在多个环，求解最优流时，各环相互影响，打开开关的先后次序对结果有 很大影响，即并不能保证收敛于最优解。因此，又出现了许多改进算法。如：每 次只闭合一个联络开关，这时网络中仅有一个环存在，然后计算最优流，在电流 最小处将环打开，形成新的辐射网，如此重复进行直至网损不能减少为止。 2 支路交换法 支路交换法是由s c i v a n l a r 等人提出的，该方法首先计算辐射状配网的初始 潮流和网损，利用计算结果将负荷表示为恒定电流；每次只合上一个联络开关， 形成一个环；选择环中一个分段开关将其打开使配网恢复为辐射状，从而实现负 荷转移，达到负荷均衡和降低线损的目的。 支路交换算法( 估算网损类) 一般具有2 个特征：( 1 ) 可以估算重构后的网损 变化：( 2 ) 给出可行的筛选规则以消除大量不会导致网损下降的开关操作，从而 降低维数。所在估算网损的支路交换算法中，一般必须考虑两条启发式规则。一 是：负荷的转移必须是从电压低的馈线转移到电压高的馈线，即必须从馈线起点 到该负荷端有较大电压下降的馈线转移到有较小电压下降的馈线；另一条是：只 有在待合开关的两端存在较大的电压差异时，开关合上后才有可能获得网损的下 降。 该算法的基本流程是：先考虑每个联络开关，应用第二条启发式规则，假 第一章绪论 如开关两侧的电压差很小，则忽略闭合该开关获得网损下降的可能性，如两侧的 压差较大则认为合上该联络开关，然后考虑合上之后应该打开哪个联络开关。这 时采用启发式规则一。需将负荷从电压低的馈线转移到电压高的馈线。从而可缩 小搜索的范围；然后再估算网损的公式，估算打开各个不同的分段开关可能导致 的最大网损下降；在得到最大网损下降的开关后，再采用一个负荷潮流分析子程 序来检测保证不会有电流过载或电压越限的情况发生。在上述检测都满足后，我 们就得到一组结果：上述过程反复进行，直到不再有网损下降为止，这样就得到 最低网损的网络结构、然后就可以在实际系统中实施得到的开关计划。 该方法有如下优点：( 1 ) 可以快速确定能降低网损的配网结构；( 2 ) 通过 启发式规则有效减少需要考虑的开关组合；( 3 ) 可以利用公式估算开关操作带 来的网损变化。 该方法的不足之处在于：( 1 ) 不能保证全局最优；( 2 ) 每次只能考虑一对 开关的操作；( 3 ) 最后给出的配网结构与网络的初始结构有关。 1 3 2 2 基于人工智能的配电网络重构方法 将人工智能的理论和手段应用于配电网络重构的方法主要有：模拟退火法 ( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 、遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 、人 工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 等。 1 基于模拟退火法的配电网络重构 模拟退火方法是基于热力学的退火原理建立的随机搜索算法，使用基于概率 的双向随机搜索技术，当基于邻域的一次操作使当前解的质量提高时，模拟退火 法接受这个被改进的解作为新的当前解，在相反的情况下则以一定的概率接受这 个变差的解作为当前解。该方法的不足之处在于温度的初始值设定对算法性能有 重要的影响，要收敛到最优解，必须根据在邻域搜索解质量变差的不同概率分布， 采用相应的降温方式，实际上这一点很难做到。 该算法的要点是：设计合适的全局冷却过程，即确定起始冷却温度、冷却率、 每次交换开关的数目及每个温度下交换开关的总数等。通过交换开关形成新的网 络结构，计算其潮流及网损，若具有较小的网损，则保留，否则按一定的概率接 受。继续交换开关，直到达到最大开关交换数目。继续冷却，直到符合结束判据。 结束判据是：在连续多个温度下，网损变化极小，认为系统己经达到冻结状态， 得到最终结果。 模拟退火算法一般可以得到全局最优或全局次优解，但该方法对参数和退火 方案的依赖性大，计算量大，将其用于配电网络重构时需要进行多层次大量的开 关交换，需要进行多次潮流计算及网损估计，计算量很大。 6 第一章绪论 2 基于遗传算法的配电网络重构 遗传算法源于达尔文的进化论，以自然选择机理为基础，通过模拟生物在自 然环境中的遗传和进化过程而形成的一种全局随机搜索算法。在配电网络重构 中，遗传算法将离散的开关状态或支路状态用一系列二进制数字串表示，每一个 数字串表示一种网络结构，随机生成一定数量的数字串( 染色体) 形成初始种群， 根据串的适应值对它们进行复制操作形成新的种群，然后再进行交叉和变异操 作，同样根据每个串的适应值来确定新的种群。迭代这一过程到规定代数即退出 循环，适应度函数由系统的优化指标构成。 这种方法有很强的全局寻优能力，但重构时间较长，达不到实时重构的要求， 且不能保证每次都百分之百的搜索到全局最优解。文献 2 l 】根据模糊控制理论用 开关的状态作为控制量对交叉率和变异率进行控制，避免了遗传算法的不成熟收 敛。文献 17 】中m s r i n i v a s 等人提出一种随进化进程自适应地改变交叉率和变异 率的算法。 3 基于人工神经网络的配电网络重构 人工神经网络法适用于映射复杂的非线性函数关系。因此，可以用a n n 反 映配网负荷模式( 各节点负荷的组合) 与配网最优结构之间的非线性关系。这种方 法与传统方法不同之处在于不需要进行潮流计算。对神经网络的训练数据只需对 应于不同初始结构和网络结构即可。因此，一旦a n n 权值给定，只要给定输入， 马上可以得到输出。由于神经网络具有非线性映射较强的并行计算能力和抗干扰 能力，有潜力实现在线实时。 a n n 法的不足之处在于其最优解与训练组的数据有很大关系，而配电网络 的结构与负荷变化非常频繁。a n n 权值常需要重新更换，从而限制了其实用性， 而且训练过程中有时会出线“麻痹 现象。究竟应选多大的a n n 节点规模尚无 理论指导。 1 3 3 分布式电源的研究现状 近年来，欧美分布式电源( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 技术的应用呈 快速增长趋势，日本、韩国以及亚洲其他一些地区也把d g 作为满足电能与热能 需求的最重要来源之一。因此，全球范围内对d g 相关技术的热潮持续增温。其 中主要有以下几个方面的研究成果：d g 的规划；含有d g 单元的系统建模；d g 对系统稳定性的影响；d g 对系统网损的影响；d g 对系统电能质量的影响；d g 对继电保护的影响；d g 对系统传统控制装置的影响；含d g 的网络潮流计算等。 d g 这一新能源形式具有很好的经济性和环保性，能够解决常规能源无法解 决的问题，实现能源最优化。在新的电力市场下，d g 的作用将会日益明显和重 第一章绪论 要。随着太阳能、风能、地热、生物质、海洋能、燃料电池等新能源发电技术的 进一步发展，d g 必将成为2 1 世纪电力行业的又一支生力军。分布式电源作为现 有电力系统的有益补充，其有广阔的发展前景。随着与配电系统并网运行的分布 式电源容量的增加，分布式电源对配电网的各个方面产生不可忽略的影响，其中 一个问题就是配电网络重构。 1 4 本文的主要工作 本文在考虑分布式电源的情况下，建立了一种考虑多种负荷方式的含分布式 电源的配电网络重构模型，采用改进的二进制粒子群优化算法进行求解，解决了 分布式电源的引入给配电网络重构带来的若干问题。最后对含分布式电源的配电 网重构问题的未来研究方向进行了探讨。 概括起来，本文所作的主要工作如下： ( 1 ) 建立了一种考虑多种负荷方式和分布式电源发电量波动的配电网络重 构模型，既考虑到负荷变化及分布式电源的波动，又能有效地减少开关操作次数， 更符合配电网络实际运行。 ( 2 ) 根据配电网络重构的特点，应用二进制粒子群优化算法进行求解。采用 了基于环路开关集的粒子编码方式，并对粒子位置的更新规则做了改进，有效地 降低了不可行解产生的概率。 ( 3 ) 针对现有的惯性权重调整策略比较单一的缺点，提出了一种动态惯性权 重调整策略，根据种群的进化信息自适应调整惯性权重，有效的平衡了算法的局 部收敛和全局收敛能力，提高了算法性能。 ( 4 ) 提出了一种简单易行的含有分布式电源的配电网络辐射状判别方法，解 决了如何快速有效地分析重构方案是否满足辐射状结构约束的问题。同时，对一 种基于支路电流和节点电压的配网潮流算法进行了改进，使其既适用于含分布式 电源的配电网络，又满足结构变化较大的配电网络潮流计算，算法的通用性得到 很大提高。 ( 5 ) 应用本文所提出的基于二进制粒子群优化考虑多种负荷方式的配电网 络重构算法对i e e e 1 6 节点和i e e e 3 3 节点两个含分布式电源的标准配电网络进 行了重构，结果充分证明了所提方法的合理性、有效性和实用性。 第二章分布式电源 2 1 分布式电源概述 第二章分布式电源 分布式电源是指功率为数k w 至5 0 m w 小型模块式的，与环境兼容的独立电 源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户特 定的要求。当今的分布式电源主要包括风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池发 电、和微型燃气涡轮发电。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组 已不是同一概念。分布式发电系统的主要特点：电源容量小，电压等级低，小型 模块化，接近负荷中心，运行方式灵活等。 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 是一种新兴的电力电源技术， 它的兴起是地球环境可持续发展政策与技术进步的产物。在当今能源短缺的情况 下，分布式发电技术以其独特的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。英国、 美国、日本等发达国家，在进行的能源结构调整过程中，已经把d g 技术放在了 相当重要的位置上。在我国，充分保障电力供应对经济的持续发展必将起到决定 性作用，由于我国石油、核能、煤炭等常规能源的短缺，大力发展d g 技术将是 我国电力系统未来发展的必然趋势。在2 0 世纪的下半叶电力工业的发展是沿着这 样一种模式，即由大功率发电厂发电，高压输电网送电，包括高压、中压、低压 电网的配电系统将电能分配给用户。在这种系统中潮流方向只有一个：从发电厂 到电网再到用户。随着大量的分布式电源接入配电网后，这一模式将有所改变， 电能的生产将更加接近用户。但是由于分布式电源接入到配电系统中，将不可避 免地使配电系统复杂化，给运行和调度带来困难。 2 2 分布式电源的优缺点 分布式电源作为- 种新兴的发电方式其优点主要体现在四个方面： ( 1 ) 分布式电源具有高灵活性和高稳定性。 分布式发电系统中各电源是相互独立的，用户可以随意控制，操作灵活。由 于分布式电源的容量不大，其投切一般不会影响到电力系统的稳定性。由于容量 体积均较小，因此容易找到合适的安装地点。对于一些边远贫困地区，安装小型 d g 装置，充分利用当地资源，采用就地发电的方法为该地区的居民提供电能。 9 第二章分布式电源 该方案投资小、建设周期短，现实可行。d g 有灵活的负荷调节能力，启动过程 只需几秒钟时间，而且其出力可以按小时调解【2 2 1 。因此，d g 的运营也具有很好 的灵活性。 ( 2 ) 分布式发电提高了供电的可靠性。 分布式发电可作为后备电源，并且在意外发生时，可迅速投入使用，以维持 对重要用户的供电。2 0 0 3 年8 月1 4 日美加大停电，以及随后发生的伦敦大停电， 引起了世界各国的高度重视。但在北美大停电时，那些拥有分布式电源系统的企 业、单位和机构，依靠分布式电源形成的“孤岛”得到了基本的电力供应，保证 了正常的运行和生活需要。 ( 3 ) 分布式发电提高了电力系统运行的经济性。 在我国一些偏远地方，可以采取诸如风力发电的形式来解决一部分用电问 题，节省投资，降低能耗。另外，分布式发电的调峰性能好，可以利用它灵活跟 踪负荷的变化，降低了电力系统的运行成本。能源生产设备靠近用户，无疑将减 少输配电设备的投资和电网的输送损失；同时，某些热点联供系统生产的热能、 冷能及电能可全部由用户所分享。因此，d g 将使能源的利用率大大提高。 ( 4 ) 分布式发电环保性好。 分布式发电大多采用清洁的可再生能源，废气、废渣排废量少，清洁、噪音 小、且发电效率高。煤炭仍是主要的一次能源，然而，煤炭发电是造成环境污染 的元凶之一，相关的治理费用逐年增高。旨在遏制全球气候变暖的1 4 1 个国家和 地区签署的京都议定书于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效，至t j 2 0 1 0 年，所有发达国 家排放的c 0 2 等6 种温室气体的数量，要比1 9 9 0 年减少5 2 。d g 采用先进的能源 转换技术，尽力减少污染物的排放，可实现能源的再生和利用，是解决环境污染 问题的一个重要手段i z 3 。 当然分布式电源也并不是没有任何缺点。分布式电源的最大缺点是它发电的 间断性和波动性，因为它的发电量对自然条件( 风力、太阳光等) 的依赖性比较 大。就分布式电源对经济性的影响来说，并不是所有分布式发电技术的规模化应 用都是廉价、清洁和可靠的，一些推测的分布式发电的效益都是纯理论而未经证 实的。例如，燃料电池和微型轮机的低成本和可靠性的指标依赖于这些生产厂家 提供的数据。然而事实上，在能够证明这些数据的客观性之前，还将需要几年的 发展和检验。一些推断的效益也依赖于对一些示范配电系统的成本和需求的假 设，而这通常无法反映某一特定系统的实际情况。就分布式电源对环保的影响来 说，并不是所有的分布式发电都是对环境无害的，即使可再生能源对环境仍然有 影响。风能虽然没有排放，但仍然有环境影响，包括伤害鸟类、噪音、广播和电 视接收的干扰和视觉影响；利用生物燃料发电，将释放氮化物、硫化物和碳化物。 l o 第二章分布式电源 但是它们所遵循的环境条列要比集中式发电松得多。目前数量最多的分布式发电 机组是柴油和内燃轮机机组。一些用于提供间歇后备电力的机组会产生大量排放 物。事实上，一些评论者建议管理者应该鼓励在学校、医院、旅店等场所安装现 有的发电机以便在电力短缺或供电不可靠的情况下提供后备或辅助服务。但是， 由于大多数这样由用户所有的小型机组噪音大、维护费用高、而且柴油发电机的 空气污染严重，如果加以鼓励，将危害环境。 2 3 分布式电源的类型 1 风力发电 风能是一种广义的太阳能，也是一种巨大的、无需补偿的可再生能源。风力 发电主要有两种利用方式：一是作为独立电源向偏远地区供电，单机容量一般在 1 0 w 到1 0 k w ；或将中型风力发电机与柴油发电机或光伏电池并列运行，组成 混合供电系统，向相对独立的小的社区供电，这类小型混合供电系统的容量约 1 0 2 0 0 k w ；二是将多台风力发电机组并列运行，形成风力发电场，也称风力田， 直接并入电网。 风力发电的比较优势体现在：环保性好，经济性好，技术成熟度高等方面。 此外，风电建设周期短，规模可大可小，风电水电适宜季节性互补。风力发电应 用于分布式发电系统，虽然前景广阔，但仍有以下关键技术亟待解决：( 1 ) 选址； ( 2 ) 风力发电产生的功率具有很大的波动性；( 3 ) 风力发电设备的经济性随单机 容量的加大而提高。 2 太阳能发电 太阳能发电技术分成太阳热能发电和光电发电两类。太阳热能发电是通过聚 集太阳能，将某种工质加热，直接或间接地产生蒸汽，驱动汽轮发电机产生电能； 光电发电即光伏电池，是利用光生伏打效应，将光能直接转化成电能，它是太阳 能发电的主要形式。 太阳能发电的优点在于：太阳能取之不尽、用之不竭，不产生环境污染，不 受地域限制，具有极大的便利性。光伏电池可以作为独立发电系统也可以并网运 行。然而，如果要将太阳能电源成功的应用于分布式发电系统，其在技术上仍面 临如下挑战：( 1 ) 进一步降低成本。在新能源中，太阳光伏电池发电的设备造价 和成本都较高，价格竞争实力不足。( 2 ) 阳光的能量密度低( 白天最大为每平方 米1k w 略强) ，因此，有效的收集太阳能就显得尤为重要。( 3 ) 日辐射强度从白 昼到夜晚始终处于变化之中，且从白天最大到晚上为零，无法获得平稳的电能。 第二章分布式电源 3 燃料电池 燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置，其原理颇似电解水 的逆过程。氢基燃料( 汽油、天然气或其它碳氢化合物) 送入燃料电池的阳极( 电 源的负极) ，转化为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极( 电源的正极) ， 负氧离子通过两极间的离子导电的电解质到达阳极，与氢离子结合成水，外电路 则形成电流。 燃料电池的能量转换效率高( 且效率与规模无关，小规模也可以高效率) ， 零排放，无噪声，无振动，省水，输出功率平稳可靠，跟随负荷变化的能力强( 可 以在1 s 内跟随5 0 的负荷变化) ，因此受到许多重要用户的青睐。然而，燃料电 池要想在分布发电系统中大规模应用，仍需解决其成本太高的问题。燃料电池的 安装费用为每k w3 0 0 0 - - 4 0 0 0 美元，因此需要进一步研究关键技术，改善制造水 平，加大批量生产规模与提高自动化程度，研制出低成本的商用燃料电池。 4 微型燃气轮机 微型燃气轮机是一种功率范围在2 5 5 7k w 的小型发电机组，它可以使用天 然气、丙烷以及煤层气( 煤矿瓦斯) 等多种燃料为一次能源。为了提高燃料的利用 效率，在分布式发电系统中，微型燃气轮机除了为用户供电外，还往往同时为用 户供热，构成“热电并用系统。与分布式发电系统中其他分布式电源相比，微 型燃气轮机的输出功率比风力发电与太阳能发电的输出功率平稳，而其成本远低 于燃料电池，因此是一种很有前途的分布式电源。 由于微型燃气轮机的技术特征是：发电容量小，占地面积少，能够为用户供 热，因此适合于企业、医院、学校及家庭分布式使用，其技术关键取决于材料科 学的进展，包括：高速轴承、高温部件及加工材料等方面的进展。值得注意的是， 与其他分布式电源相比，微型燃气轮机有废气排出，对环境有一定的影响。 2 4 分布式电源接入配电网络的数学模型 1 风力发电的等值模型 风力发电机【2 4 1 的有功出力受风速变化的影响很大，这必然会造成系统的过电 压和欠电压。在采取随机潮流的计算方法时，一般用概率密度函数来描述随机变 量风速。 关于风速的分布，一般认为它服从正偏态分布，其中威布尔( w e i b u l l ) 分 布双参数曲线被普遍接受为风速描述的概率密度函数，其表达式如下： 1 2 第二章分布式电源 m ，= 静冲 一剀 c c ici 嘲嘶 归南 r ，1 - l 三、 其中：v 一一风速；k 一一形状参数；c 一一尺度参数 ( 2 一1 ) 知道了风速分布后，就可以找出风速与风力发电机组输出功率的近似对应关系， 得出输出功率的随机分布函数。在精度要求不高的情况下风机的输出功率与风速 近似成为线性关系，因此可以求出风机输出功率的概率密度函数： 肥，= 毒c 警广切 一c 警，1 亿2 ， 毛：上 哆一吻 也= 一毛 其中：e 一一风机额定功率；v r 一一启动风速；屹一一额定风速 风力发电机与电网并联运行时，大都采用异步发电机，为实现异步工作，风 力发电机要从电网中吸收无功，假定通过风力机组中电容器的自动投切，可使功 率因数恒定，这样风力发电机组吸收的无功功率也相对恒定。故而，在电力系统 潮流计算过程中，可以将风力发电机等值为p q 节点。 文献 2 5 亦给出异步风机的p q 节点模型，如图2 1 所示 瓦墨+ r rj ( x l + x 2 ) 图2 1 异步电机的等值电路 通过电路分析可以得到无功功率q 跟p 、v 相关的关系式： q = v 2 x x - x m x , , + 争 ( 2 - 3 ) 第二章分布式电源 其中墨，以分别为机端并联电容和激磁电抗，x ，五分别是定子漏抗和 转子漏抗，x = 五+ 五。从而可以由p 、q 与输入机械功率的关系曲线得至i j p q 节 点的特性加入潮流计算。 对于分力发电的模型还有其他的研究成果，比如：文献 2 6 】考虑了风机转差 的影响，设法求出转差s ，从而计算出潮流计算所需要的节点电压和功率分布值。 文献 2 5 和文献 2 7 儿2 8 提出风机的r x 模型。文献 2 9 】因此提出异步发电机的 p q u 模型等。 2 太阳能发电系统的等值模型 光伏发电系统的有功出力取决于光照的强度，与风力发电系统相似，这里用 概率密度函数来描述随机变量光照强度。 太阳的光照强度近似看成b e t a 分布概率密度函数，其分布如下： m ，= 端c 1 ”毒川 ( 2 - 4 ) r 和( w m 2 ) 分别为这一时间段的实际光强和最大光强，口和分别为 b a t e 分布的形状参数。应用统计学的方法，光伏发电系统可以将光强和光伏发电 系统的功率输出近似对应起来，从而得到输出功率的随机分布函数。 光伏发电机与电网并联运行时，也是用异步发电机，和风力发电机一样，光 伏发电机的有功出力和无功功率大小也相对固定，在电力系统潮流计算时，可以 将其等值为p q 节点。 3 微型燃气轮机的等值模型 微型燃气轮机与火力发电机类似，其输出功率的大小主要由原动机的输出功 率决定。微型燃气轮机的输出功率为： 罡= 巳一乞。 乙= 露一( + 名+ 匕) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 其中：、名、匕分别为机械损耗，铁损和附加损耗；已。为微型燃气 轮机电枢绕组的铜耗；日为原动机的输出功率；已为微型燃气轮机的电磁功率； 罡为微型燃气轮机的输出功率。 微型燃气轮机主要作用是用以维持节点电压的幅值，在潮流计算时微型燃气 1 4 第二章分布式电源 轮机等效为p v 节点。 4 燃料电池的等值模型 燃料电池小型高效，理论效率可达9 0 以上，供电可靠，噪音小，电能质量 高，自动化程度高。容量在2 5 0 k w - - 5 m w 的燃料电池发电效率与先进火电机组 的3 0 0 m w - - 5 0 0 m w 的效率相当。因此燃料电池是分布式电源的极佳选择【3 0 1 。 燃料电池虽然需要氢气等燃料，但它不是通过燃烧放出能量驱动电机，而是 通过催化剂直接与氧气反应，因此本质上燃料电池是化学能发电。对于接入配网 的燃料电池，首先需要考虑它自身的发电特性。燃料电池发电系统的输出电压方 程式如下【3 i 】 3 2 1 ： u c e l l - - = n ) ：卜尹r t 剩h 2 0 一k 仁7 ， 其中f 一一串接燃料电池个数； 毛一一单个电池标准优势； 丁一一温度； x 一一相应气体摩尔浓度，最后一项为由于系统原因的电压损失。 燃料电池输入电网的有功及无功功率【3 3 】【3 4 】： ( 2 - 8 ) 其中x 是连接燃料电池与电网的线路阻抗，k 是配网侧电压。通过逆变器控 制参量m ，万来控制有功无功的输出，这与常规发电机调节功率的原理类似，因 此在潮流计算中燃料电池可以当作p v 节点来处理。但逆变器的无功输出是有上 限的，当处理过程中出现无功越限，则转化为p q 节点来处理【2 8 1 。 2 5 分布式电源接入配电网络的形式 分布式电源有功率大一点的小电源系统，较普遍的是以微电网的形式出现。 万 州曙了半挚 第二章分布式电源 微电网中的电源多为微电源，即含有电力电子装置的小型机组，主要包括小型风 力发电机、光伏电池、微型