基于分布式电源的接入对配电网重构的影响

摘要：随着全球能源危机和环境污染问题的日益突出，分布式发电技术开始引起世界各国的重视。分布式电源充分利用清洁能源发电，发电容量比较小，一般安装在用户附近，作为配电网运行的补充。但是，大量的分布式电源的接入也会对配电网产生一定的影响，比如可能增加配电网网损、降低供电可靠性等，而含有分布式电源的配电网重构可以有效的提高配电网运行的经济性、可靠性，这对分布式电源发展和配电网经济可靠的运行都有重要的意义。

关键字：配电网重构、分布式电源、新能源

0引言

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。中国国家电网公司在2009年5月举行的特高压输电技术国际会议上，正式公布了 "坚强智能电网"计划。在推进坚强智能电网建设中，要求智能电网不仅能兼容大而集中的电厂，还要能兼容不断增加的分布式发电分布式电源（DG---distributed generation）。

DG是指在用户附近配置较小的发电机组，与环境兼容、节约能源的发电装置。分布式发电技术在电力系统中发挥着越来越重要的作用。美国电力科学研究院的研究表明，到2010年，全球25%的电能将由小于2 MW的DG装置提供，并且DG所占市场份额将达到20%。从可持续发展、国家能源战略和降低环境污染的观点看，发展分布式能源技术是必然选择。

分布式电源是一种新兴的发电形式，具有良好的环境保护性能和较高的能源转换效率，与集中供电的大电网相比有其独特的优势，具体如下

1、减小环境污染：直接安置在用户附近的分布式电源可以减少酸雨、减缓全球变暖、缓解土地资源紧缺等，同时还可以降低架空线路可能产生的电磁对居民生活的影响。

2、减少能耗、提高能源利用率：传统供电模式需要经过电网传输到用户，即使使用超高压电网输电也会布部分损耗，况且，从超高压电网到用户端的降等级比较多，每一次降压又必然导致损耗增加，而建在负荷中心附近的分布式发电没有输电环节，能降低网损。并且分布式电源能够使用清洁能源（例如风力、水力、潮汐、地热等） 发电，不必考虑能源短缺问题，能够提供热电联产发电模式，提高能源利用率。

3、提高供电经济性：如果想要通过大电网覆盖地形复杂的偏远地区的话需要巨额的投资和很长的建设周期，这是不经济的。就地安装分布式电源可以避免大量输配电设备的扩容，提高经济性；

4、提高供电可靠性：DG可以作为后备电源或者紧急备用电源，这样能够提高系统的供电可靠性，并且在电网故障时能够有效的减少停电损失。

1 分布式发电技术的分类

目前，DG研究的热点之一是可再生能源发电技术。其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术；天然气发电、内燃机等技术已经完善；而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。另外，为了降低发电成本并提高能源的利用率往往采用冷热电联产、内燃机、微型燃气轮机及燃料电池等发电技术。目前，太阳能电池的总产量正以每年30%-40%的速度持续增长，风力发电总主机容量正以30%以上的平均年增长率增加。目前最主要的DG技术如下：

1.1风力发电技术

风力发电技术是利用风能来发电的，风力发电机组中的风轮首先将风能转化成机械能，再通过齿轮箱驱动发电机将机械能转化成电能。其输出功率由风能决定。风力发电运行的主要方式有三种：第一种是独立运行，即离网式风力发电，是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用。第二种是风力并网发电，一般在风力资源丰富地区，是指将多台并网型风力发电机组，按照地形和主风向或其他方式排成阵列，成为风力发电场，发出的电能经由变压器输送至电网，这是目前世界上大规模利用风能的主要且有效的运行方式。第三种是风力与其它发电方式相结合互补运行，如风力一柴油机组互补发电、风力一燃料电池发电、风力一太阳能光伏发电等方式，这种方式主要作为电网的虚拟延伸，为海上导航及远距离通信使用。

1.2 太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，把太阳能直接转换为电能，它的整个工作系统主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备具有寿命长、可靠、精炼、安装维护简便等特点。

太阳能光伏发电主要有两方面的用途，一是独立使用，另外一种就是并网发电。其中，并网光伏发电系统是太阳能发电的生流趋势，它能够通过逆变器将太阳能电池产生的直流电转变成符合电网规格的交流电并入电网。使用太阳能光伏发电系统可以免除配置蓄电池，从而能够减小能量的消耗，降低成本；将并行光伏发电系统作为本地交流负载电源，可以降低整个系统的负载缺电率；光伏发屯系统对配电网还可以起到调峰的作用。其他的分布式发电技术还包括：微型燃气轮机、燃料电池等等。

2 配电网的重构优化

随着社会的快速发展和人民生活水平的逐步提高，广大电力用户对供电质量和供电可靠性方面的要求越来越高。由于配电网直接与终端用户相连，它的完善与否直接决定了广大用户的用电可靠性和用电质量。配电网络具有以下特点：

（1）网络结构复杂，存在大量的分段开关和联络开关；

（2）由于总线路距离长，通常运行电压低，线路损耗较大；

（3）由于网络拓扑结构不合理，容易出现负荷不均衡现象，电能质量较差，而配电网系统内经常存在设备扩容与更新，这往往进一步加剧了网络拓扑结构的复杂性。

由于大量的常闭分段开关和常开联络开关存在于配电网中有，调度员在正常、检修或事故运行方式下，需要根据实际情况对分段开关和联络幵关进行操作来调整配电网络结构，以优化配电网运行模式，从而提高电网的安全性、可靠性和经济性。这种方式被称为配电网重构。按照应用侧重点的不同，配电网重构可分为网络优化重构（简称网络重构）和故障后重构（也称故障恢复）。作为配电系统运行和控制的重要手段，配电网重构在配电管理系统中起着重要作用。目前，配电网络广泛采用环状设计、开环运行。

但是，随着分布式发电的大量接入，配电网的网络结构从最初的福射形状逐渐演变成一个高度交叉联结的网络结构，配电网中各支路的潮流将不再是单方向地从变电站母线向各负荷流动，这给配电系统的控制和管理带来了困难。由于基于传统方式的配电网重构均未考虑DG的影响，因此研究DG大量接入后的配电网重构具有重要的意义。

配电网络中的操作开关数量很大，在配电网重构过程中为了找出符合目标的最优的网络结构，需要对全部的开关进行排列组，组合数量将非常巨大，如果使用穷举搜索，将导致“组合爆炸”；如果直接用数学求解，计算量非常大，而且占用大量机时，也无法保证算法的收敛性。传统的优化算法大致分为三种：启发式方法、智能优化算法以及混合算法等。

（1）启发式算法属于传统的优化技术方法，它主要包括支路交换法、最优流模式算法、灵敏度分析法等。

（2）人工智能算法是1956年由美国McCarthy和Minsky等人提出的，是总结了工作人员在实际工作中获得的操作经验所产生的方法。近年来，许多人将人工智能的理论和方法应用十配电网重构中，并取得了不错的效果。用于配电网重构的人工智能算法主要有：人工神经网络（ANN）、遗传算法（GA）和模拟退火算法（SA）等。

（3）有时候只用一种算法求解问题时的优化效果不是很好。如果考虑将不同的算法进行混合，取各种算法的优点，也许会达到更好的优化效果。所以，探索将不同的智能算法混合应用于配网重构的优化计算中，也是未来优化计算发展的一种趋势。

3 分布式电源接入对配电网的影响

分布式电源接入会给配电网带来深远的影响，从根本上来说这些影响来自于分布电源改变了电网的结构和运行环境。大量DG并网后，电网结构由传统电网的单向放射状变成了多电源结构，电网的运行潮流也随之改变。

随着分布式电源在电力系统中所占的比重越来越大，不仅给配电网带来实质性的影响，这也给配电网规划带来了新的难题和挑战，不确定性和随机性随之显著增加，这将使得在考虑以往规划配电网的传统因素时，也要加入分布式电源对配电网规划的影响。分布式电源给配电网规划带来的影响主要在以下几个方面：

（1）负荷预测的难度增加。分布式电源的出现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，由于大量的分布式电源安装在用户侧附近，用户可以根据需求选择分布式电源为其提供电能，配电网的负荷增长部分被分布式电源接入抵消，对规划区负荷增长的模型产生影响，负荷增长情况更加难以预测。

（2）不同于传统电源，部分分布式电源利用的是新能源发电（如太阳能、风能），其输出功率受自然条件约束，无法提供稳定的出力，因此不能简单当作传统电源考虑。

（3）DG虽然可以减少电能损耗，减少电网投资，但DG安装的装机容量和安装位置不合理，反而会导致网络损耗的增加，节点电压降低或者升高出现过电压，从而影响电力公司的经济效益。

（4）配电网规划是一个动态多目标不确定性非线性整数规划问题，其动态属性与其维数相关联，通常包含几千个节点，当网络的节点加入DG将使寻找最优网络布置方案（投资方案最优、运行维护费用最小、网损最少的方案）更加困难。

（5）大量DG并网将对系统结构产生深远影响，系统由单向辐射结构转变为多电源结构，对大型发电厂的依赖会逐步减少，原有的电网潮流也随之变化，包括电压调整、无功平衡、继电保护在内的综合问题将影响系统的运行。在维护电网安全、可靠运行的电力公司和想通过安装DG来进一步提高用电可靠性、减少用电费用的用户间就产生了矛盾。

4结语

伴随着国民经济的不断发展，以及用电需求的不断增加，配电网如何在保证安全、优质、经济供电的前提下最大限度地降低网损，改善电压质量，提高供电可靠性，是当前配电网必须不断深化解决的问题。关于配电网重构目标函数的确立，在传统算法的基础提出新的优化算法模型等多个方面都可以进一步研究。由于节能环保和用电特性不断变化的要求，分布式电源的发展已被提上历史进程。分布式电源（DG）作为功率较小、分布较分散的电源，在配电网中的应用将带来改善调峰调频、填补负荷需求等诸多好处，也伴随而来电压、网损、谐波等一系列问题。含有分布式电源的配电网运行进行优化，目的即在于将分布式电源的优势发挥至最大，并尽量减小分布式电源的劣势，最大化含分布式电源的配电网运行经济性。含分布式电源配电网潮流计算和优化运行都可以提出新的问题和研究。

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