含分布式电源的配电网运行优化方法研究

摘要随着电网功能和形态的改变，以分布式电源(DistributedGeneration,DG)为代表的新兴能源技术得到越来越广泛的关注。从实际效果来看，分布式能源可以满足用户不同用户对电能的基本需求，节约电能消耗、提升电能供应质量，符合当前阶段能源发展的整体情况。DG并网会对配电网的潮流、电能质量和经济效益产生重要影响，因此，应对含DG的配电网进行优化。目前的优化模型多以有功网损为优化目标，无法兼顾配电网电压偏移、DG投资运行成本等重要指标，同时，DG的强波动性和随机不确定性，要求优化模型同时兼顾DG并网风险。在本文的研究中，阐述了配电网研究的意义和国内外现状，对分布式电源和含DG的配电网优化算法进行概述，讨论DG的接入对配电网可靠性、继电保护、电能质量、网络损耗等方面的影响，分析含DG配电网优化运行中存在的主要问题，提出分布式电源的配电网优化算法，主要从启发式算法、人工智能算法、多目标控制算法来进行。此外，传统的优化算法面对复杂的DG并网问题，存在许多不足。因此，采用有效、可行的优化算法，是解决含DG的配电网优化问题的关键。关键词：分布式电源；配电网；运行优化

第1章绪论1.1研究意义分布式电源为了满足客户对电能的不同需求，保证电能质量，将在输电线路上网络损耗减少，具有对环境友好，能源利用率高的特点。目前，将DG接入传统电力网络的电力系统结构，具有清洁环保、节约成本、降低系统损耗、能够灵活安装，经济性较强，建设时间大大缩短。分布式电源的发电形式大多是风能、太阳能、潮汐能等清洁能源，能够减少传统的化石燃料对环境的污染，可再生能源是以后发展的必然趋势。然而，由于DG的引入，改变了配电网的运行方式，使配电网由原来的辐射形供电系统变为一个多电源点的网络，进而导致潮流由原来的单向变为双向，网络损耗、电能质量等问题受到影响，简单的潮流计算方法己不适用，给配电网优化运行增加了一定的难度。1.2国内外现状如今，关于DG接入电网后对电力系统配电网的优化方面研究较少，优化数学模型较为简单，需要进一步改善。因此，怎样结合现有的优化算法，对含DG的配电网进行无功优化研究有着十分重要的理论及现实意义。中国关于分布式电源的应用研究起步较晚，相比于其他国家研究时间较短。但是在短时间内，分布式电源应用技术发展很快。我国能源结构特殊，经济发展对能源需求量较大，我国可再生能源的发展水平还需要进一步提高。2005年，我国多个百万千瓦的风电场审批成功，风电装机总容量己突破百万千瓦，同年亚洲规模第一的光伏发电在我国深圳并网运行成功。2006年1月1日，颁布的《可再生能源法》生效，可以预见在中国大规模开展基于可再生能源的DG技术己是必然的发展趋势。吕终等(2015)提出将入侵杂草算法结合差分进化算法实现配电网无功优化;尹洪等(2014)研究含DG配电网无功优化，从线路网络损耗、电压偏差和负荷均匀程度进行研究，利用免疫遗传算法求解最优解;李传健等(2010)研究分布式电源出力大小改变配电网运行情况的程度，采用随机潮流算法，选取有效的优化方案;张丽等(2011)提出一种基于聚类和竞争克隆机制的多智能体免疫算法，以输电线路网络损耗最小为优化目标，求解配电网无功优化问题。2001年，美国制订完成了分布式电源互联标准IEEEP1547，计划在为了十五年使DG在美国发电量所占比例大幅度增加到10070^'2007002003年，美国分布式电源容量达到234GW,其中大部分分布式电源以独立运行模式为主，少部分分布式电源应用在输配电系统中。2006年，美国己建成6000余座分布式发电站提供电能，其中在各个大学中建成200余座分布式发电站(LocNguyenKhanh,2010)oDG最大的特点是具有随机性，大量风力发电等可再生资源发电容量不能人为控制分布式电源发电输出功率不稳定，DG接入电网后会使原系统电压和频率发生波动，并且整个系统的潮流分布也随之发生变化。国外学者针对这些问题提出一些考虑DG影响的改进优化方法。PandiV.R.(2013)关于分布式电源接入配电网无功优化问题研究，利用谐波抑制原则，优化算法采用粒子群方法达到优化目标。NguyenKhanh(2010)提出DG出力大小与负荷之间有一定关系，分析DG接入系统对有功功率的损耗。PANKe(2004)提出将常用的粒子群算法进行改进，将多代理系统应用到求解最优解过程中，再进行30节点系统仿真验算，得到的结果较理想。LocSadeghzadehS.M(2006)分析风力发电作为分布式电源接入配电网的影响，目标函数选取电力市场，使整个电网的经济性得到提局。

第2章相关概述2.1分布式电源分布式电源（DistributedGeneration,DG）是指功率为数千瓦至50MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源。发明初期，应用的形式以小热电和小水电存在，但对环境产生严重污染，并且技术方面也不是很成熟，经济效益自然低下逐渐被淘汰。还有一些用于大型的电力用户和企业，当停电时用于急救发电，这些自备的小型发电机也可以看作是分布式电源的早期形式。DG具有灵活性和经济性等特点，利用新型可再生能源发电，大大节约了不可再生资源的消耗，保护环境，并且满足了一些特殊电力客户的需求。2.2含DG的配电网优化算法目前，研究者对求解含DG的配电网优化模型的优化算法展开相关研究，主要包括以下几种算法：（1）经典数学优化算法用经典的数学方法来计算相关函数模型，该方法理论上可求取优化目标的最优解，但如果该数学模型计算量很大，则会影响计算效率，引起组合爆炸的问题。建立了最优函数模型，采用拉格朗日乘子得到DG的最优并网容量。采用多元整数混合模型，利用分支定界法对DG并入配电网进行优化处理，但因为计算量过大，容易导致组合爆炸问题。（2）启发式算法启发式算法通过经验与直观判断获得全局最优解，该算法计算速度快、效率高，但是没有考虑算法的收敛性，因而不能保证最优解的准确率。用“多进程”支路换算法，有效避免了传统支路换算法易陷入局部最优的不足。建立专家测评体系，根据测评值排除了动态优化算法在搜索过程中产生的干扰解，使计算误差大大减小，提高了寻优准确率。（3）智能算法不论是数学优化算法还是启发式算法，对解决复杂的非线性模型都存在不足。智能算法适应性强、求解效率高，全局搜索能力强，可以并行处理多目标优化问题。

第3章DG的接入对配电网的影响配电网结构复杂，大多呈开环辐射状分布，当有大量DG并网时，配电网的负荷节点与潮流分布会有很大的改变，使得配电网的运维和控制变得更加复杂。由于DG的类型不同、接入位置和容量的不同，配电网的功率分布、电压分布、电流大小、供电可靠性等变化都是不确定的，这些变化对配电网的灵活可靠运作可能是有益的，也可能是无益的。本章主要分析DG并网的不同因素对配电网各方面造成的影响，进而要求对含DG的配电网进行合理优化，使DG的接入可有效提高配网系统的安全性、灵活性、可靠性及经济性。3.1对配电网可靠性的影响DG通常接入10kV到110kV的配电网中。在实际配网系统中，DG总是以多种并网形态与配电网结合，DG并网位置以及与配电网配合方式的改变会对配电网可靠性造成不一样的影响。就DG并网点来看，一般情况下，DG主要通过从母线接入和从馈线接入来并入配电网：（1）DG从母线接入时，可实现与电网同步供电。DG从母线接入配电网，可缓解配电网由于供电不足导致的可靠性下降问题，在每年盛夏及严冬的用电高峰期，DG与配电网的并行供电具有明显的调峰作用，可保证不间断供电，确保供电稳定性，从而提高系统可靠性。（2）DG从馈线接入时，DG有了更多并网接点的选择，并且DG可以与负荷节点靠得更近。DG从馈线接入配电网不同于从母线接入配电网，DG从馈线接入有独特的优点：当电力系统断电时，靠近负荷节点的DG可以瞬间将自己从配电网中切除出来，停止对配电网的供电，从而减少了电能损失，提高了配电网可靠性。在提高配电网可靠性方面需要注意的是，由于DG的接入，配电网的潮流分布较原网络有很大的变化，馈线发生重载和过载情况的可能性很大，因此应该及时校准馈线容量，防止配电事故的发生。另一方面，DG与配电网配合方式的不同给配电网可靠性带来的影响也不同。DG与配电网配合方式主要有三种类型：（1）DG作为配电网的备用电源，当电力系统正常工作时，配电网向负荷不间断供电，而当配电网出现故障不再向负荷供电时，DG立即自行启动，代替配电网向负荷输送电能。当配电网故障解决后，将重新向负荷供电，DG退出供电，回到发生故障前的状态。在运用此种并网方式时，需使DG与配电网有良好的配合，从而保证配电网供电可靠性。然而该方式为了保证少数负荷供电不间断，需投入大量DG运行，经济代价较大，性价比不高，很难满足电力市场需求，所以若非特殊的重要负荷，DG作为配电网的备用电源的方式不会被推广。（2）配电网作为DG的备用电源，该方式是将配电网作为DG的备用，而DG作为供电主力可对负荷单独供电。采用此种并网方式时，如果DG能满足负荷的供电需求，DG会将对负荷供电后的剩余电能输送至配电网，再由配电网统一调令；如果DG无法满足负荷的供电需求，配电网将作为DG差额电能的补充，从而保证用电客户的正常用电。采用配电网作为DG的备用电源的并网方式，可使DG的价值发挥到极致，经济性较高，但是该方式并无法有效提高配电网的可靠性。（3）DG与配电网并列运行互为补充，根据配网实际运行情况互为主次，DG接入配电网中运行，可以与电网相连相通。当配电网与DG对负荷正常供电时，配电网作为供电主力，DG进行辅助供电。当DG发生故障对负荷停止供电时，配电网会立即对该负荷进行供电来弥补负荷供电差值，保证对负荷的供电不中断，因此DG故障时不会对负荷的供电产生较大影响。当配电网出现故障时，DG由供电辅助转变为供电主力，迅速向负荷供电，有效提高了配电网供电可靠性，不会使配电网面临巨大的停电损失。DG与配电网并列运行时，DG并网使配电网的结构发生了变化，由单一电源辐射网络变为多电源并行网络，可确保配电网停电时，DG对负荷不间断供电，大大提高了供电可靠性。DG接入配电网，无疑将对传统配网可靠性的评价造成影响。这种影响分为积极影响和消极影响两种，如果对DG安置合理，则可发挥其积极作用消除消极影响。比如在用电高峰期时，DG可作为系统的备用电源接入配电网，为主电源分担负荷中心的过负荷，增强电力系统输电冗余度。又如可利用DG出力补偿有功和无功缺额：电压崩溃易发生在夏季用电高峰，此时电压偏移较大，电压往往运行在临界稳定极限边缘，如果能够及时调度DG出力，降低配网电压偏移，则可以支撑系统电压，改善系统电压的整体水平，避免该地区发生电压崩溃事件。再如风电场有低电压穿越能力，即使在配电网发生故障时也能保持同步并网，可以有效缓解电力系统电压跌落，使电压维持在正常水平，保持并网点电压不失稳。当电力系统配电设备发生故障时，可能会使DG与配电网分离，使DG形成孤岛，此时DG会继续向用户供电，提高了配电网的可靠性。但是功率随机型DG如风力发电，其出力具有随机性和不稳定性，这种风险可能会对配电网的可靠性带来冲击，不利于其稳定运行。因此，应对DG并网进行合理优化，以提高配电网的可靠性。3.2对配电网继电保护的影响配电网继电保护是指当配电网发生故障或处于不正常工作状态时，配电网采取的反事故自动保护措施。我国中低压配电网的继电保护配置比较简单，但是为满足供电的安全稳定性，配电网在选择性、速动性、灵敏性以及可靠性上对继电保护系统提出了严格的要求。在配电网的继电保护中，变压器的母联断路器处安有三段式电流保护以及三段式距离保护等，DG并网会对配电网继电保护带来一定影响：如果在未接入DG时配电网发生故障，则故障点仅由一个电源提供故障电流，此时继电保护设备只需要切除该电源侧的断路器；而随着DG并网，改变了配电网的单端供电方式，发生故障后，故障点的故障电流由多个电源提供，使短路电流发生变化，可能使配电网继电保护机制遭到破坏。3.3对配电网电能质量的影响DG接入配电网中，改变了原始网络的结构及潮流分布，给配电网电能质量带来一定的冲击，电力系统中一般用电压波动、电压暂降以及电压谐波来评价电能质量。配电网的电压等级、潮流分布、短路容量都是决定DG对配电网电能质量影响程度的重要因素，此外，DG的类型、并网位置、并网容量以及运行方式也与配电网的电能质量息息相关3.3.1电压波动电压波动是指在受到某种冲击时，电压均方值发生了迅速且非间断的变动。将电压均方值的峰值与谷值相减再与额定电压的比定义为电压波动绝对值。受自然因素、负荷变化以及相关法规的影响，DG无法按一定时间节点开机和停机。当DG毫无预警突然开机或停机时，极易导致并网容量的波动，从而造成配电系统电压不稳定。风力发电并网运行时，当自然风速低于风机切入风速或高于风机切出风速时，风电机组的有功出力为零，无法运行在正常的工作状态，会造成电压波动。而当风速高于切入风速，低于切出风速时，风机运行在正常工作状态，由风速的不确定性带来的随机风险也会造成风电机组输出功率的波动，导致电压波动的发生。同理，太阳能光伏发电并网时，其发电功率由不确定的光照强度决定，从而也会破坏配电网电压的稳定性。对DG的并网方式进行分类，研究了配电网电压波动与DG并网方式的关系，以短路比和刚性率为依据对配电网电压波动进行量化，寻找抑制电压波动的新方法，从而减小DG对配电网电压波动的影响。该文献还说明了在相同渗透率下，当配电网发生故障时，逆变型DG向故障点提供的短路电流较小，对并网点电压影响也较小，故而逆变型DG比旋转型DG更适合并网运行3.3.2电压暂降电压暂降的定义为：在工频电压作用下，电压均方值发生十毫秒至一分钟的短时电压变动，由初始值减小到额定电压的10%到90%的电压降低现象[58]。DG类型的不同、并网方式的不同、并网容量大小的不同都会对电压暂降产生不一样的影响。对并网DG进行优化配置，可对配网电压起到支撑作用，减小配网电压暂降发生率，提高配电网电能质量。电压暂降是由配电网发生短路故障、大型机组的开机或停运以及配电网负荷的巨大波动等造成的。当配电网发生短路故障时，继电保护装置立即动作，使系统迅速运转至正常工作状态，而伴随着配电网运行状态的恢复，会造成负荷电压暂降情况的发生。同时，并网DG种类的不同会对电压暂降造成不同的影响。如采用逆变型DG并网比采用同步型DG并网对于改善电压暂降更有优势，因为逆变型DG对功率调制信号的响应速度更快，所以逆变型DG并网有效减少了电压暂降时间。除此之外，由于并网DG始终运行于配电网之内，因而DG对电压暂降的影响很大一部分来自配电网系统的自身运行状态，只有当配电网允许DG参与电压调节时，DG才有可能降低电压暂降发生的可能，实现对配电网电压的有效调节，否则将对系统的稳定造成不良影响。DG接入容量的大小也决定了电压暂降情况，大容量DG接入配电网会对敏感负荷点的电压暂降产生重大影响。3.3.3电压谐波电压谐波也被叫做高次谐波，DG并网后，电压谐波的产生有两种情况：第一，DG本身就是引起谐波的源头，DG类型的不同或DG并网方式的不同都会导致谐波畸变；第二，构成DG的大量电力电子器件以及控制DG运行的电力电子器件，往往需要通过频繁开断以转换和控制不同的工作模式，在不同模式切换之间往往会带来电压波动，如此容易带来大量的谐波污染，导致谐波畸变[59]。DG大多通过电力电子设备并入电网，电力电子设备会直接向系统注入谐波，使电能质量下降。当DG通过逆变器并网时，可将DG视为非线性谐波负荷，配电网谐波水平可由谐波电流发射限值来评价。DG并网时，DG的总容量以及接入方式直接影响到配电网馈线电流及谐波电压。研究表明，一定容量的线性DG可有效防止电压谐波的产生，而非线性DG的接入可能会增加配电网的谐波水平因此，当DG并入中低压电网时，对电能质量的三要素即电压波动、电压暂降及电压谐波都有很大的影响，在DG并入配电网前，应充分考量并网DG的电源容量、并网位置及入网方式，对DG给配电网电能质量带来的影响作出客观评价，从而积极改善电能质量。一般来说，DG在电能质量方面应满足以下要求：DG向当地用户提供的电能质量以及向配电网输送的电能质量应满足相关国家标准，将电压波动、电压暂降及电压谐波控制在一定范围内；同时，当DG并网后配电网的电能质量满足相关国家标准时，应保证DG正常运行3.4对配电网网络损耗的影响配电网的电压等级不高，具有馈线长、截面面积小，负载率较小的特点，研究数据表明，配电网网络损耗占电力系统总网络损耗的比例很高。进入二十一世纪以来，我国经济迅速发展，各行各业对电能供应时常出现供不应求的现象，配网网损过大不仅会加剧电能供应不足，还会破坏配电网系统的安全稳定性，迫使电力部门不得不采取限电的措施目前，随着DG技术的开发与应用，电力工作者将DG接入配电网，实现配电网的节能降损。DG接入配电网之前，配电网的有功潮流是单向分布的，潮流的大小随与变电站距离的增加而减少。DG接入配电网，使配电网由单电源供电系统变为多电源供电系统，配电网有功潮流的方向发生了改变，可能发生潮流逆流现象，此时潮流可能会增加，也可能会减少，而配电网的潮流的改变势必引起配电网网络损耗的变化，受多方面条件影响，配电网网络损耗既有可能增加，也可能减小，可利用DG的优良特性，通过改变配电网潮流分布来减小配电网自身的网络损耗，但是如果对DG并网优化不合理，则会增加配电网网络损耗

第4章含DG配电网优化运行中存在的主要问题在过去的几年国内外学者一直在研究DG并网影响，并且形成了初步有效成果，许多控制方法出现并解决这些问题，但主要都是针对较大容量DG并入电网的问题，尤其是关于大电网系统的无功优化、稳定运行等方面的研究，几乎不考虑小容量DG接入电网的影响。中小容量DG研究也甚少，主要针对其继电保护装置的进行研究（裴玮等，2014）。电压稳定在配电网运行中有着重要的地位，是众中之重，是其稳定运行的前提。DG具有很大的不确定性和随机性，这是因为它易受自然因素的影响，人为不能控制，配电网的稳定性会大大降低。含DG的配电网运行稳定性控制和怎样提高配电网系统可靠性是学者们还要深入研究的问题。迄今为止，研究含DG的低压配电网供电质量问题是一直存在的，没有学者提出更好的解决措施。现有的研究只是在设备协调控制和本地电压调控以及无功补偿方面，电压偏差大，网络损耗大，运行稳定性差，结果仍不令人满意。同时当前的控制方法由于光伏电源的无功能力较小，难以实现无功优化的效果。由于DG接入电网的位置不同和容量大小不同分别都影响电网运行情况，因此配电网运行研究重点主要研究这两个方面（张立梅等，2011）。大多数分布式电源具有随机性和不确定性，我们要进一步提高配电网无功优化水平。

第5章含分布式电源的配电网优化算法电力行业的不断发展和人们生活水平的提高，总是会遇到更大的能源挑战。我们需要采取一些方法来应对生活中的困难，不断地创新。人类解决问题的方法通常结合生活常识和社会经验，将生理规律联系在电学研究上，提出解决问题的新算法。这些算法在经过长久的研究与试验之后，人们将电力提供给千家万户，方便，了人们的生活，是人们生产与生活不可或缺的能源。算法归纳为启发式优化算法和人工智能优化算法这两大类。第三章介绍了配电网运行优化问题是多目标函数的非线性优化问题，需要选择适当的算法优化配电网5.1启发式算法启发式算法是一种通过直观或经验计算的算法，是相对于最优算法提出。实质上是根据一个问题的最优算法推断出其他问题的最优解。在寻找最优解的过程中花费可以接受的时间和空间计算每一个实例的一个可行解。缺点是不能预计可行解和最优解的偏离程度。这种算法主要包括最优流模式算法和支路算法等5.1.1最优流模式算法1989年，DariushShrimohammadi等人提出一种最优流模式算法（OFP-OptimalFlowPattern）（苏鹏等，2009）。最优流模式算法的优化目标是最小功率损耗。具体计算过程是首先确定各个节点接入电网的负荷大小，用节点电流表示这些负荷。转化为节点电流是为了将不确定量用一个确定量表示，方便计算，结果可信度更高。最后通过代入计算公式求出结果（邓佑满等，1995）。最优流模式算法在电网重构问题上有效解决了许多问5.1.2支路交换算法1988年S.Civanlar等人提出支路交换算法（BEM），又称开关法。支路交换算法是一种开关控制支路改变潮流分布，使其降低网损的算法（F.Wang,J.L.Duarte，2010）。支路交换算法通过潮流计算确定网损大小，之后为了计算方便将负荷转变为恒定电流。通过控制联络开关和分段开关改善潮流分布实现优化目的题5.2人工智能算法如今随着科技进步和人类的进步，计算机智能应用充分发展。与其他算法相比，人工智能算法没有具体公式，而是根据人类生活智慧推导得出（RekhaTJ,GhadirR，2007）。人们的智慧是无穷的，利用大自然的规律，解决工程设计上遇到的难题。已经被应用的人工智能算法有模拟退火算法、人工神经网络、粒子群算法（PSO）、遗传算法（GA）、蚁群算法等。本小节简单的概述几种较为成熟的人工智能算法。5.2.1遗传算法遗传算法是由一位美籍教授J.Holland提出，主要是模拟生物界的遗传原理进行随机搜索。受达尔文进化论中的自然选择和孟德尔的遗传学机制的启发而命名为遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）。达尔文进化论认为，生物之间是存在竞争关系的。由于环境不是一层不变，会随着时间的推移逐渐改变，这就使得适应环境的生物存活下来，不适应环境的生物就将被淘汰，这就是自然选择定律。生物就是按照这样的自然选择，一代一代繁衍下去。物种的每一代都有遗传上一代的基因，也有一些变异的基因（王瑞琪等，2011）。基因遗传是孟德尔遗传学的主要内容。孟德尔提出细胞染色体中的基因是遗传信息传递工具，遗传信息的传输形式是代码。基因在遗传的工程中保留其适宜的生物特征，当环境改变时发生突变和变异，生物通过自然选择将最合适的基因保留继承下来。遗传算法是要解决配电网优化运行问题，将遗传算法与孟德尔遗传学作类比，算法的优化解比作“染色体”，确立的适应函数。通过自然选择保留并复制染色体，该染色体一定是具有较大的继承可能性的，经过交叉、变异等方式被环境舍弃的染色体，最后形成一种新的染色体，可以适应环境，并且用这种方式继续繁殖遗传再到变异遗传，最后就会筛选出那个最适合环境的染色体，就是算法要求得的最后结果。5.2.2免疫算法遗传算法创造之后，有人提出免疫算法。在这段时间内，人们不断地进行关于生命奥秘地探索，发现四种综合信息系统构成了生物体。巨噬细胞、T细胞和淋巴细胞等主要构成人体免疫系统。免疫系统保护人们不受外界细菌的感染，系统工作过程是利用巨噬细胞先对抗病原体，将病原体击碎瓦解，与巨噬细胞结合在一起形成抗原。T细胞的作用是释放淋巴细胞，并随之产生抗体，抵制细菌，不让人体得病。采用免疫算法解决优化问题流程是，首先随机选取一个初始父代种群为；如果最优个体在初始父代种群中有流程，则停止计算，直接输出结果，如果没有主要流程则继续计算，经过遗传可得当前第k代父代种群，所得到一个新型种群；由于环境