含分布式电源的配电系统规划.doc

含分布式电源的配电系统规划摘要: 随着分布式发电（DG）在电力系统中所占比重越来越大，对传统的电力系统规划提出了新的挑战和要求。重点讨论了包含DG的配电网规划的两个方面，即DG的布点规划和配电网扩展规划问题，并为解决含DG的配网规划问题提供了一种思路。1前言分布式发电（distributed generation,DG ）指的是为了满足一些特殊用户的需求，支持已有的配电网的经济运行而设计和安装的在用户处或其附近的小型发电机组（一般小于30MW），或坐落在用户附近使得负荷的供电可靠性及电能质量都得到增强，或者由于就地应用热电联产使得效率得到提高的发电形式1。目前开发的分布式电源在减轻环境的污染，降低终端用户的费用等方面具有一定的优势，同时又具有高效性和灵活性的特点以及满足能源可持续发展的要求。因此随着DG的技术性能不断改善，成本进一步降低，其在电力系统中所占的比重逐步增长。DG与常规电力系统并网运行的趋势越来越明显，DG并网后对电力系统运行、控制、保护等各方面会产生一定影响2。为了使DG可以在避免降低公共电网系统的电能质量、可靠性以及可控性的方式下运行，必须对DG在电网中的存在进行规划。当DG与大电网并联时，大规模的DG（通常为几十MW）一般与较高电压等级的电网（一级配电电压）相联，如35kV、110kV甚至更高。非常分散的居民、商业和工业用DG一般与当地配电电压级电网相联，如35kV、10kV和380/220V2。可以看出大部分的DG直接运行在配电网中，因此就有必要重点研究一下目前配网规划以及DG对配网规划所产生的影响。DG的存在使得配网规划不再只是单纯的、传统的电力系统规划，它使得电力系统规划与国家能源政策、可持续发展之间的联系更加紧密。本文分析了DG对配电系统规划的影响，重点讨论了包含DG的配电网规划的两个方面，即DG的布点规划和配电网扩展规划问题，它们都必须在考虑各种政策、技术、经济约束后，确定安装DG的最优方案并使方案的总成本最小。 2分布式电源对电力系统规划的影响配电系统规划的主要任务是根据规划期间网络中空间负荷预测的结果和现有网络的基本状况确定最优的系统建设方案，在满足负荷增长和安全可靠供应电能的前提下，使配电系统的建设和运行费用最小3。配电网的规划问题是非常复杂的大规模的组合优化问题3。文献4中提到目前已经研究和采用的求解配网扩展规划的方法有线性规划法、非线性规划法、动态规划法、基于Bender分解的整数规划法、图论和网流法以及近年来提出的遗传算法、神经元网络算法和模拟退火算法等。文献4应用证据理论和多种群遗传结构对常规遗传算法作了改进，提出了一种计及非定量不确定性的扩展规划方法。文献5结合地理信息系统(GIS)的空间特性与人工智能(AI)方法的鲁棒性两者的优点，进行配电网络规划设计，较详细地论述了用于配网规划的智能决策支持系统(IDSS)的结构和组合。可以看出对于传统的配电网的规划问题的研究已经取得了一定的进展。但是DG的出现给传统的配电网规划带来了实质性的挑战6，使得电网规划人员在选择最优方案时必须考虑由它所带来的影响，因此成为配网规划研究的一个焦点。DG给配网规划所带来的影响6包括以下几个方面：首先DG的出现会使电力系统的负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性。由于大量的用户会安装DG为其提供电能，使得配电网规划人员更加难于准确预测负荷的增长情况，从而影响后续的规划。另外DG虽然可以减少电能损耗，可以推迟或减少对电网升级的投资，但是如果DG的位置和规模不合适，反而可能会导致电能损耗的增加，导致网络中某些节点电压的下降或出现过电压，还会改变故障电流的大小、持续时间及其方向。因此为获得正确的决策，必须对DG的影响做出准确的评估。即最优化工具必须能够准确评估DG对所在电网的影响，给出DG的最优位置和规模，使得DG在电网的逐步渗 透过程中不会破坏电网运行的安全性和经济性。其次配网规划一般考虑520年。一般情况下，在此年限内，通常假定电网负荷逐年增长，新的中压/低压节点不断出现，结果会增建一个或更多的变电所。由于规划问题的动态属性同其维数相关联（通常几千个节点需要同时考虑），若再出现许多发电机节点，使得在所有可能的网络结构中寻找到最优的网络布置方案（即可以使建造成本、维护成本和电能损耗最小的方案）就更加困难。最后对于想在配电网安装DG的用户或独立发电公司，他们与想维持系统现有的安全和质量水平不变的配电网公司之间存在一定的冲突。因为有大量DG接入配电系统并网运行，将对配电系统结构产生深刻影响。对大型发电厂和输电的依赖逐步减少，原有的单向电源馈电潮流特性发生了变化，一系列包括电压调整、无功平衡、继电保护在内的综合性问题将影响系统的运行。为了维护电网的安全、优质运行，必须使DG能够接受调度，要实现这个目标，必须添置必要的电力电子设备，通过必要的控制和调节，将DG单元集成到现有的配电系统中，这不但需要改造现有的配电自动化系统，还要转变思想观念，由被动到主动（电压调整、保护政策、干扰和接口问题）地管理电网。此外，DG机组类型及所采用一次能源的多样化，如何在配网中确定合理的电源结构，如何协调和有效地利用各种类型的电源成为新出现的而且迫切需要解决的问题。因此DG的广泛应用，使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到与DG有关的电力系统规划中，并影响规划的决策过程。 3包含分布式电源的电网规划研究DG的大量渗透是最近几年以及未来一段时间的事情，除了在偏远或特殊的地区只有DG作为唯一的供电电源外，大部分选择DG的用户希望既能使用DG供电又可以由当地电网供电，或由它们同时供电，或把电网作为备用电源以提高供电的可靠性和灵活性。而电力系统为了提高系统的可靠性和安全性，希望可以对DG输出功率进行远方调度。因此电力系统设计和运行的经济及商业环境的变化使得配电网络必须考虑与DG的配合，当大量 的DG出现在规划方案中时，大量的随机变化使得系统的复杂性可怕地增加7。传统的规划方法没有充足的能力解决包含DG的规划问题，这主要是因为传统的规划方法都不同程度地将规划问题进行了简化，对于规划中客观存在的难以定量表达的不确定性因素缺乏较好的处理方法4。目前在包含DG的电网（主要是配电网）规划中需 要解决以下几个方面的问题：(1)有些DG（主要是利用可再生能源发电的DG，如太阳能、风能）和传统发电厂相比其输出是经常波动的，且这种波动受气候等自然条件的影响，无法进行有效的调节，因此它们的输出能量具有明显的随机特性。有必要研究这类分布式能源随气象条件变化的规律和统计特性，建立相应的模型。(2)在电力市场环境下，用户安装的分布式电源可能与电力负荷直接抵消，从而对整个电力 系统的负荷增长的模式产生影响，其结果是对电源的扩建规模和进度产生影响。因此，必须研究用户侧分布式电源对网侧负荷增长模式的影响。(3)分布式电源的合理规模、布点以及电网扩展规划问题。研究传统的增容方法和非传统的 增容方法（如增装DG）的配合问题及其技术经济评价方法；研究电力系统可接受的分布式电源容量；研究在具有分布式电源供电的环境下中低压配电系统的优化规划问题；研究分布式电源对中低压配电系统可靠性的影响。其中第三个方面是本文要讨论的主要方面，前两个方面是第三个方面研究的基础。近几年有些文献就有关DG的规划问题进行了研究，如文献8提出了当负荷增长使得系统需要增容时，系统规划人员在充分考虑系统的各种限制条件之后，在传统的增容方法和非传统的增容方法（如安装DG）中选出最佳组合方案使得总成本最小。文献9提出在配网规划中可以在充分比较建设变电所、升级电网以及安装DG之间的经济性后，综合利用DG、配网自动化（DA）以及负荷侧管理（DSM）各种手段来提高系统的容量和可靠性。文献10提出了基于遗传算法和决策理论的三步式方法用于中压网络中DG的最优位置和规模的确定。文献11提出了一种空间决策支持系统用于确定DG的允许安装位置。文献12提出了一种新的三步式启发式最优算法用于包含DG的中压网络规划。根据出发点的不同有关DG的规划大致可以分为两种情况，DG在电力网络中的布点规划和考虑DG的配网扩展规划。前者以电源规划为出发点，后者以电网规划为出发点。3.1DG在电力系统内的布点规划在已有的电网的基础上进行DG的布点规划，总体上应该包括两步：第一步是根据自然资源的分布和国家的能源政策规划DG的类型、数目和位置，这一过程仅仅考虑在哪些位置上能够安装哪些类型的DG，即仅仅考虑环境上的限制；第二步是结合DG接入的实际电网在第一步的结论范围内重新进行一种或几种DG的最优数目和位置的规划。考虑到在电力市场环境下随着发电侧电力市场竞争的加剧，将会有越来越多的发电设备进入电力市场，因此在规划时要考虑各种DG的电气特性和经济性，对DG的布点进行经济分析和工程分析。如要求电网的电能损耗最小，电压分布及三相短路电流在允许的范围内，由于DG所导致的系统管理和运行费用的增加等。此外还要考虑DG的并网方式、整体方案的分步实施以及国家对一些可再生能源发电的政策倾斜和资金补贴等方面。具体的评估和规划框架如图113所示。整个规划过程主要由经济分析、工程分析、财政分析三个大的方面组成，其中还涉及到政府或相应的管理部门以及电力公司的政策去向。一般大型的DG会采用这种规划方案，像大型的风电厂等。另外还有一种情况就是在孤立系统中进行的DG的布点规划的研究，通常是以一种或几种DG相配合向一个孤立的电力系统供电，如采用太阳能和风能发电为基础，安装有一定数量的蓄电池，并以柴油发电机组或公共电网为备用电源这样一种供电系统中，如何利用各种电源之间的组合、分布来获得最有效的供电方式在国外曾经得到了很广泛的研究。 3.2考虑DG的配网扩展规划考虑DG的配网扩展规划，应根据系统的负荷增长情况，在系统达到其容量限制时，提出使经济成本最小的目标下，规划出可以满足负荷增长需要的系统最佳增容方案，即由电网升级、增建线路和变电所以及在适当的位置安装DG所组成的最佳方案。图29显示了包含DG的扩展规划详细过程。在DG的选择分析大框中，第一步是比较T &D扩展计划的边际成本与最经济的DG相比较，若DG经济则通过进入第二步筛选。在高级执行中要从相关政策和成本预测等方面分析，内容包括需要安装DG的地区DG的类型和数量的限制，考虑负荷侧管理以及其它的调节因素。在工程分析中，考虑DG的技术使用寿命以及其它的需要进一步分析的工程问题。最后的研究关注DG的选址、分布以及可靠性的要求，如果必要还应包括DG的并网问题和其对系统保护的影响。通过4层筛选后，就可以提出相应的DG方案以取代输配电网的扩展计划，否则仍需进行输配电网的扩展。 所有需要增容的地方经过以上的步骤后，将会得到一个由扩建电网和安装DG所组成的最佳配网扩展方案。随着DG成本的进一步降低，以上的步骤是一些用户也需要进行的。目前DG通常在以下四种情形会获得最好的效果：在发达的大城市地区，那儿的电力系统几乎没有多余的容量可以满足新增负荷的需要，而强化系统的成本太高，采用DG供电的成本比强化系统的成本低；在边远或偏僻的地区，考虑到建设通往这些地区的长距离输配电线路固定成本的初始投资使得系统提供的电能昂贵，DG可以提供较低的初始投资和较低的持续运行成本；在有些地区，由于各种因素，从当地电网获得的电能价格很高，DG可以提供成本较低但相似的可靠性；对需要高水平的可靠性和电能质量，并愿意支付相应费用的电力用户，DG经常是解决他们需要的最经济的方案14。以上两个方面DG的规划问题有时并不是完全独立的，在两种规划研究中有些是共通的。如包含DG的负荷预测，DG的输出特性研究，DG的经济性（或成本分析），不同DG之间的配合，DG对系统可靠性的影响等，都需要在以后的研究中逐步地解决。 4结语由于DG的逐步渗透，配网规划所面临的问题已经发生了变化，因此对目前的配网规划方法,其所存在的问题是：理论和实践的脱节；电力工业重组以及工业和技术领域的发展对配网规划提出了一系列新的要求；在一般的配网规划方法中缺乏关注现有公共