计及多电源的配电网规划研究

张 凯，张唤桥，王心怡，王宏茹，王晓博

（国网郑州供电公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

目前，随着环境污染和资源危机的加剧，人们对能量的需求越来越大，而光电、风电等新能源具有环境污染小、参与面广、生态效益高等特点。考虑到太阳能和风能的随机性、可变性和不稳定性，在配电网规划过程中有效地解决了这一问题，构建多电源的配电网规划方法具有重要的意义[1]。而多电源规划模型主要有两种：第一种是确定性规划模型，第二种是随机规划模型。利用光伏电源并将其与传统能源连接是规划的决定性因素之一。因此，传统的配电网数学模型可以在此基础上继续，整个规划模型可以在没有实质性变化的情况下完成。随机模型主要考虑配电网中与光、风电源供电相关的不确定性因素，光、风电源供电改变传统配电网的电压和电容，增加每个节点的功率，改变电流[2]。

1 计及多电源的配电网规划原则

配电系统为分布式电力系统，与小用户相邻，可独立发电。分布式电源通常在几千瓦到50 MW之间。分布式能源包括可再生能源和不可再生能源，用于能源生产的可再生能源包括风能、太阳能、地热能、海洋能等；不可再生的能源包括内燃机、燃料电池、微型燃气轮机等。小型光伏发电机作为一种分散发电方式，在清洁能源的生产过程中受到了广泛关注[3]。因此，需要以分布式电源为例，分析配电网规划中可再生能源分布的不确定性因素。利用有限容量，建立了配电网规划模型，考虑分散在孤立网络中的风电场和其他发电机的最佳位置；考虑风能和太阳能的随机性，风速对风力发电机生产的影响，光照强度、温度、环境和风速对太阳能发电机生产的影响，燃气轮机发动机的环境成本；考虑内燃机燃料电池和微电网的优化布置方案等情况，从而进行计及多电源的配电网规划分析。

2 计及多电源配电网规划阶段步骤

太阳能的生产取决于许多因素，尤其是天气条件。在雨天、阴天和下雪天，太阳能功率明显低于额定功率。因此，光伏发电是不可持续和偶然的，地球自转意味着太阳能具有“白天有能源，晚上没有能源”的间歇性。由于太阳能的不稳定性、随机性和间歇性，与电网的融合将影响电网的运行，其影响程度与其位置和容量密切相关。风能取决于天气条件，风力大小对风能的发电情况有着最为直接的影响。

多电源配电网规划阶段步骤包括：（1）收集和分析原始数据，包括能源消耗、用户能源需求、现有能源供应条件、负荷分布、区域环境条件、国家政策等；（2）负荷预测，包括用户在预期水平和网络上所需的能量；（3）在负荷预测的基础上，建立了配电网规划的数学模型，优化了配电网规划算法，确保配电网满足最大负荷要求；（4） 根据实际环境条件，对多电源接入的电力负荷进行预测；（5）为了找到更有效的解决方案，对接入系统的多电源规划方案进行了评估[4]。

3 配电网规划模型的构建

3.1 空间数据挖掘与集成

根据不同类型配电网的基本结构，安装数据采集装置，并获取实时产生的空间电力负荷数据。其中典型的配电网结构如图1所示。

图1 典型的配电网结构

由图1可知，配电网主要由变电站、配电线路、配电变压器、分段开关、联络开关和刀闸等组成，因此本文将负荷数据采集装置安装在各模块中，将实时的数据采集结果作为预测空间电力负荷的参考数据。

3.2 电力负荷预测

在对综合空间电力负荷数据进行挖掘的基础上，根据电力负荷的变化规律，判断和预测负荷的分布与未来发展趋势[5]。采用弹性系数法预测多电源配电网的空间电力负荷水平，电力弹性系数定义为：

式中，变量Δα和Δβ分别表示当地的国民经济生产总值的年平均增长率和电量平均年增长率。由此可以得出空间电力负荷的预测公式为：

式中，E表示基准年用电量，该参数的取值与历史负荷数据有关。在确定电网规划年度的总电量后，利用式（3）求取规划年度的计算最大负荷，即：

式中，Tmax为年最大负荷持续时间。联立式（1）～式（3），可以得出单位地区内空间电力负荷的预测值，同理将研究范围进行分区，并分别计算各个区域的电力负荷预测结果，并得出电力负荷的空间分布规律。

3.3 配电网动态规划模型

在计及多电源的配电网规划中，采用动态规划法对其进行规划，采用未来阶段与现有阶段进行分离，并且又将两者的结果进行规划的一种方法[5]。因此，每次规划都是从全局出发，对整个问题进行全优解的计算，基于动态规划法设计的多电源配电网规划模型建立流程如图2所示。

图2 计及多电源的配电网规划模型建立流程

4 实验分析

为了测试本文方法设计的计及多电源的配电网规划方法的应用效果，选择某地区计及风电、光伏等多电源接入的配电网作为研究对象，进行实验分析。根据配电网的情况分为多个区域，分别进行A、B、C、D编号，其中A区域的负荷分布密度最高。利用上文的配电网规划模型进行不同区域的配电网规划，得出如表1所示的配电网规划基本情况。

表1 实验区域多电源配电网基本情况

4.1 规划前后的多电源配电网规划效果

规划前后的多电源配电网结构如图3所示。分析可知，优化后增加了辐射式网络8回，单联络式网络11回，两联络式网络7回，且各个节点之间的连通性好，不存在孤立节点，说明利用本文方法的多电源配电网规划效果更好。

图3 多电源配电网动态规划结果

4.2 负荷预测结果

为了形成实验对比，除了本文所设计模型外，还设置了计及谐波指标影响的含分布式电源配电网多目标规划的文献[6]模型和计及分布式电源的配电网优化规划的文献[7]模型作为实验的两个对比模型[6,7]。得出如图4所示的配电网规划预测准确率。

图4 预测准确率

由图4可知，本文模型方法的配电网负荷预测准确率高达95%左右，文献[6]和文献[7]方法的负荷预测准确率分别为80%和85%左右，远低于本文模型方法。表明本文模型方法的配电网负荷预测准确率更高。主要是由于本文方法根据不同类型配电网的基本结构，安装数据采集装置，并获取实时产生的空间电力负荷数据，使得预测准确率更高。

4.3 规划效率

在上述实验的基础上，对不同模型的电源规划和网架规划所用时间进行比较，结果如表2所示。

表2 电源规划和网架规划所用时间比较（单位/s）

由表2可知，本文模型方法的电源规划和网架规划所使用的时间比文献[6]模型方法与文献[7]模型方法所有的时间都短，表明本文模型方法的配电网规划效果更高，主要是由于本文方法采用了动态规划法，使得规律效率更高。

5 结 论

太阳能和风能具有不确定性供电的特点，多电源接入配电网将从传统的单极辐射网络切换到更复杂的多极系统，也将对配电网的稳定运行带来影响，因此采用合理的配电网规划方法，对于提高配电网的稳定运行具有重要的作用。本文方法的多电源配电网规划效果好，规划效率高，实际应用效果好。