（电力系统及其自动化专业论文）考虑分布式发电的配电网优化规划研究.pdf

声明尸明 m i l l l l1 11i i ii l l ll l l ll l lt l l l l l y 1 7 8 5 9 7 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑分布式发电的配电网优化 规划研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学 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 做的任何贡献均已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：圭! _ 竹 日期：蛰夕：墨：! 尹 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 下哆 作者签名：圭导师签名： 日期：日期： 纽殇纫型殇 加夕了，彤 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对含分布式发电的配电网整体优化规划问题进行了深入研究。首先在考虑 经济性和安全性基础上，建立了含分布式发电的配电网优化规划模型，该模型以配 电网网架投资和运行费用、分布式发电投资费用和常规电源购电费用总和最小为目 标函数。然后针对常规遗传算法的不足，对遗传算法的编码规则、选择方法、初始 垂种群的产生、交叉概率和变异概率等环节进行了改进，使之适于规划模型的求解。 最后采用1 0 节点和5 7 节点配电系统算例进行计算分析，验证本文所提模型及算法 “ 的可行性及实用性。 关键词：分布式发电；配电网规划；遗传算法 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r o b l e ma b o u tt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gc o n s i d e r i n gd g i s r e s e a r c h e d f i r s t l y , b a s e d o ne c o n o m ya n d s e c u r i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i t c o n s t r u c t sad i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m a lm o d e l t h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h em o d e li st h e m i n i m u mt o t a lv a l u eo ft h ei n v e s t m e n tc o s to ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ed gt l a e p o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ec o s to fp u r c h a s i n gp o w e r s e c o n d l y , i no r d e r t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fg e n e t i ca l g o r i t h m ，an e w i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ， w h i c hi n c l u d e st h ei m p r o v e m e n to ft h ec o d e ，t h es e l e c t i o n ，t h ei n i t i a lp o p u l a t i o n ，t h e c r o s s i n ga n dm u t a t i n g ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r l a s t l y , t h ep a p e ru s e st w od i s t r i b u t i o n l n e t w o r k sa sc a l c u l a t i o n s ，w h i c hs h o wt h a tt h ep r o p o s e dm o d e la n da l g o r i t h ma r ef e a s i b l e a n dp r a c t i c a l 一 w a n gn i n g ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k p l a n n i n g ，g e n e t i c a l g o r i t h m t 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 问题的提出及研究意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 分布式发电规划问题的研究现状2 1 2 2 配电网络规划的研究现状3 1 3 本文的主要研究工作5 第二章分布式发电对配电网的影响6 2 1 分布式发电的特点6 2 2 分布式发电对配电网运行的影响7 2 3 分布式发电对配电网规划的影响8 2 4 考虑分布式发电的配电网潮流计算9 2 4 1 基本前推回代法l o 2 4 2 改进前推回代法1 l 第三章考虑分布式发电的配电网优化规划模型1 5 3 1 配电网规划概述1 5 3 2 考虑分布式发电的电网规划的一般思路1 5 3 2 1d g 在电网中的布点规划1 6 3 2 2 含d g 的配电网扩展规划1 6 3 3 考虑分布式发电的配电网规划数学模型1 8 3 3 1 优化模型目标函数1 8 3 3 2 约束条件2 2 第四章考虑分布式发电的配电网规划优化算法2 4 4 1 基本遗传算法简介2 4 4 2 遗传算法的改进策略2 7 4 2 1 初始种群的产生2 8 4 2 2 染色体的改进2 9 华北电力大学硕士学位论文目录 4 2 3 选择操作3 0 4 2 4 交叉和变异操作3 0 4 2 5 约束条件的处理3 2 4 2 6 不可行解的修复3 2 4 2 7 改进的遗传算法求解流程3 3 第五章算例与分析3 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章引言 在全球一次能源逐渐衰竭和电力企业解除管制的背景下，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 ，d g ) 受到越来越多的关注【l 】。大电网与分布式发电相结 合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可 靠性和灵活性的主要方式，是2 1 世纪电力工业的发展方向【2 1 。d g 具有节能、环保、 投资少、占地小的特点，d g 对高峰期电力负荷的供电比集中式供电更加经济，是 集中供电的有益补充。d g 与集中式供电联合运行，可以节省投资、降低能耗、提 高电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。另一方面，d g 引入电力系统又造成 了一些负面影响，例如电压闪变、短路电流增大、继电保护误动等。因而，要更好 的利用d g 的优点，充分发挥其作用，配电网规划人员必须对d g 接入配电网进行 合理规划，在满足供电质量和供电可靠性的同时，实现效益最大化。 分布式发电的出现使电力系统的负荷预测、配电网规划和运行与过去相比有更 大的不确定性。由于d g 的接入，使得配电网潮流不再单向地由电源流向用户侧， 潮流方式的改变也会对配电网产生重要影响。分布式发电的出现给传统的配电网规 划带来了实质性的挑战。 ( 1 ) 随着并网d g 数目的增多，分布式发电的投入和退出影响负荷节点的注入 功率，而分布式发电有多种能源发电形式，其运行的随机因素很多，如太阳能和风 能发电受自然条件的影响等等，更加难以准确预测配电网负荷的变化趋势，从而影 响配电网规划。 ( 2 ) 分布式发电的引入虽然可以减少电网的电能损耗和配电网建设投资费用， 但是如果d g 的建厂位置和装机容量不够合理时，有可能导致电能损耗的增加，或 使得配电网建设投资费用增加，降低配电网运行的经济性和可靠性。 因此在配电网规划问题中，合理的选择d g 的位置和容量十分重要。合理的d g 建厂位置，要考虑到周边的能源、交通运输、地理环境等因素，还要考虑如何布置 才能使线路损耗尽可能小，这样才可能提高系统的经济性、可靠性和灵活性。 d g 的规划建设包括3 部分：d g 类型的确定、位置的确定和容量的确定，其求解 过程相当复杂。另外，配电网的规划问题本身就是非常复杂的大规模的组合优化问 题，使得计及d g 的电网规划问题难上加难。除此之外，由于d g 固有的不确定性， 特别是可再生能源发电，能量密度低、稳定性差，并具有随机性，这些不确定因素 均会给供电公司电网规划和运行带来一定的风险。因此，解决方案还需要考虑d g 华北电力大学硕士学位论文 的不确定性而带来的风险，这使得d g 与配电网协调规划问题目前尚无令人满意的解 决方法。另外，供电公司现在所面临的不仅仅是技术问题，还涉及如何由被动到主 动( 电压调整、保护政策、干扰和接口问题) 管理电网的问题。因此，电网的规划 和运行与过去相比有更大的不确定性，这就需要在以后的研究中积极探索d g 与电网 协调规划的新方法，采用新的观念和工具来进行电网的规划。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 分布式发电规划问题的研究现状 d g 规划需要考虑负荷的需求范围、系统的经济性、可靠性和损耗等电力规划问 题。国内对分布式发电的研究还处于起步阶段，已经开始在北京、上海等地兴建基 于冷、热、电联产的d g ，在西部和沿海兴建基于可再生能源( 太阳能、风能等) 、生 物质能的d g ，这些大多是属于示范性的，规模相对较小。文献 3 】研究了放射状链 式配电网络在并入一定容量分布式电源后各负荷节点电压幅值的变化，然后推广到 一般性连续解析形式，继而对电压分布的特点、分布式发电的可行接入位置以及注 入容量限制进行了理论探讨，从电压分布角度理论分析了负荷平衡点、分布式发电 可行接入位置和邻接注入容量等应用问题。文献 4 】建立了分布式发电投资成本最 小、网损最小和静态电压稳定裕度最大的多目标规划模型，采用模糊优化理论将三 个优化子目标转化为单目标函数，并用改进的自适应遗传算法求解。但不能得到完 整的p a r c t o 解集，很难得到最优解。文献 5 】应用遗传算法优化配电网扩展规划中分 布式发电的位置和容量。对遗传过程中生成的每个分布式发电位置和容量的方案个 体，运用基于支路交换的模拟退火算法规划扩展网络，对分布式发电和网络的综合 规划结果进行经济性评估以衡量个体方案的优劣。但在算法求解中每个分布式发电 的规划方案要通过两个变量来表示，当可接入分布式发电的数量很多时就会导致求 解变量过多、求解计算速度过慢等问题。文献 6 】提出孤岛划分方案，利用配电网简 化模型，根据孤岛运行时的功率平衡要求以及各种负荷对供电可靠性的不同要求， 根据故障前的实际运行情况动态的生成优化的孤岛划分方案。 国外已有一些学者对分布式电源的规划问题进行了研究。文献【7 】在给定分布式 电源容量情况下，采用解析法研究了单条辐射线路上分布式电源的最优安装位置。 该模型假定负荷沿馈线按一定规律分布( 如均匀分布、递增分布、递减分布等) ，但 实际配电网中负荷分布往往是随机的。文献【8 】讨论了现有网络负荷值及负荷点个数 均不变情况下的分布式电源优化规划问题，没有考虑到网络扩展的情况。文献【9 】从 用户安装d g 的情况下出发，考虑了d g 的附加服务费用以及减少用户能量成本、投 资成本和配电网网损，建立了配电网规划新的框架。文献 1 0 】以最小化全网网损为 目标，使用禁忌搜索方法来确定d g 的安装位置。文献 1 l 】考虑了配电网中d g 容量 2 华北电力大学硕士学位论文 和数量的限制以及电压偏离的约束，使用模糊非线性目标规划将问题转化为相应的 多目标非线性规划问题，并用遗传算法求得配电网网损最小的d g 最佳安装位置问 题。文献 1 2 】以最小化网络损耗为目标，同时保证系统一定的可靠性水平和电压水 平，通过比较安装d g 的投资和运行成本与其收益之间的关系，以此确定d g 的最佳 位置和容量。文献 1 3 】建立了d g 规划的多目标模型，以网络投资成本、购电成本、 电能损失成本和缺电成本作为优化子目标，并采用遗传算法和s 约束法获得多目标 规划的非劣最优解集。文献【1 4 】提出了一种新的综合模型，在目标函数中不仅计入 了新增变压器和新建线路所需的费用，同时还考虑了待选的分布式电源的投资和运 行成本、配电公司用于购买新增负荷所需电力的费用、用于赔偿供电损失的费用。 由于模型的成立是建立的没有新增的负荷节点的前提下，且文中没有提出相应的求 解算法，故仅适用于负荷节点较少的情况。 1 2 2 配电网络规划的研究现状 ( 1 ) 配电网规划模型的研究现状 正常运行情况下的配电网络规划模型按规划时间段可分类为单阶段模型及多 阶段模型，按目标函数又可分为单目标函数模型及多目标函数模型。 单阶段模型与多阶段模型 单阶段模型属静态模型，它是在假设负荷需求不变的情况下来对规划问题进行 求解，其发展主要经历了单阶段子系统模型、单阶段全系统模型两个阶段【”】。由于 子系统模型把负荷描述为相对于时间静止的，因此适宜于单独确定特定时间条件下 配电线路子系统的规划，即确定线路的路径和导线截面，或是单独确定特定时间条 件下变电站子系统规划，即确定变电站的容量和位置。 馈线子系统模型是在各变电站位置和容量及负荷分布已知的情况下，确定一个 既满足负荷需求又使得投资运行费用最小的馈线合理布局，由于单纯辐射线路的规 划是在变电站已知条件下的局部规划，不能解决配电网的整体布局问题，因此仅适 于线路的近期规划或优化设计。 变电站子系统模型则是在预先给定现有及待建的变电站位置及可供选择容量 的情况下，首先规划出变电站的位置和大小，然后确定配电网络的最佳结构，通过 它们的相互协调确定配电设备的投入。 从各子系统模型中得到的结果并不一定是系统的综合最优解，而全系统模型则 是同时包含了变电站及馈线的规划方案，由过去单一地确定变电站的位置和容量或 确定配电线路路径逐渐发展为同时进行变电站和配电线路的规划，文献1 1 6 1 提出了 解决变电站最优容量、位置、变电站之间的负荷转移以及配电线路尺寸问题的模型， 华北电力大学硕士学位论文 在早期属于较为完善的规划模型。 多阶段模型属于动态模型，动态负荷整体系统规划模型在理论上是最精确的， 它是一种负荷在规划水平年内变化的动态模型，通过考虑不同时间段的负荷变动情 况，将规划动态的分成几个阶段来进行求解，但并不是几个单阶段模型的简单组合。 1 9 8 2 年由s u n 等人提出将多阶段问题分解成多个单阶段模型【1 7 】，首先求解第一阶 段，得到一个基本的网络配置，再从第一阶段选择的设备中选择网络元件，应用单 阶段模型从前一年扩展得到中间年的网络，如此反复，直到水平年。但这种方法并 不能保证模型的总体最优，随后出现了e l k a d y 的问题分解法【1 8 】、r a m i r e z r o s a d o 的准动态规划法i l9 】等，都是通过将动态模型利用不同的方法分解成静态模型进行求 解。 单目标函数模型与多目标函数模型 早期的配电网络规划模型为单目标函数模型，它仅从经济费用上考虑变电站及 馈线的投资、运行费用总和。文献【2 0 】采用的规划模型即为典型的单目标经济性模 型，在规划模型中将配电网的年综合费用包括变电站、线路的固定投资费用、运行 费用以及网损费用之和作为目标函数，并计及了功率潮流的等式约束条件以及变电 所和支路容量约束、辐射状网架结构约束、节点电压约束等不等式约束条件。 单目标函数仅基于经济性考虑，忽略了用户对供电质量以及可靠性等因素的要 求。随着经济的发展，需求侧管理的兴起，人们的可靠性观念发生了变化，用户对 供电可靠性的要求不断提高，不再仅以供电方节省投资为目的，开始注重投资的效 益，于是将经济性与可靠性相结合来进行配电网络规划已经成为一种趋势，由此产 生了多目标函数模型。文献【2 l 】提出将供电可靠性作为一个重要指标应用于配电网 络规划运行中；文献 2 2 】中提出在约束条件中增加可靠性指标检验；文献 2 3 】在此基 础上将可靠性指标转化为用户停电损失费用，直接加入到目标函数中，建立了综合 考虑经济型与可靠性的函数模型，以取得更好的经济及社会效益。目前多目标函数 模型已经越来越多地应用到配电网络规划中。 ( 2 ) 规划算法的研究现状 为解决配电网络规划问题，国内外己有一些文献资料论述了概率统计理论、优 化技术、可靠性分析、专家系统和计算机科学等在该领域内的应用。自从d e s a l v o 和s m i t h 在1 9 6 5 年提出启发式的规划方法开始，电网规划的求解经历了从启发式方法 到数学优化方法，到后来又回到启发式方法的里程。9 0 年代以来，新理论和新技术 对电网规划的思维方式起着巨大的作用，已研究开发出一系列建立在经济比较和可 靠性分析基础上的配电网络规划方法。主要包括支路交换算法、遗传算法、进化规 划和进化策略、禁忌算法、模拟退火算法、粒子群算法等。 但是，即使对于最理想的数学规划方法，由于配电网规划中变量的数目和约束 4 华北电力大学硕士学位论文 条件很多，使用该类方法进行求解仍然非常困难，更不用说再在配电网规划中加入 其他的考虑，如不确定因素等。而启发式方法又分为传统启发式方法、专家式启发 方法和现代式启发方法。传统启发式方法( 如支路交换算法和最小生成树算法) 具 有较高的计算效率，但是容易陷入局部最优解：专家式启发方法目前还不成熟，有 待进一步研究；在现代启发式方法中蚁群算法是用转换概率确定每个新节点的向上 节点，但在转换概率中添加新的选择因素就要有新的表达式，这影响了规划结果的 稳定性，不易灵活应用；禁忌搜索算法用于大规模配电网规划时由于编码过长，通 过禁忌表逐一移动线路，寻优效率不高，且禁忌表长度是根据经验确定的，规划结 果随经验变动；遗传算法具有良好的全局寻优能力，但是计算效率低，而且对于大 规模配电网络规划产生“维数灾力问题。粒子群算法通过记忆与反馈机制实现了高 效的寻优搜索，但是也极易陷入局部最优。 1 3 本文的主要研究工作 本文研究了考虑分布式发电的配电网优化规划问题，主要工作如下： ( 1 ) 分析分布式发电对配电网运行和规划的影响，并给出考虑分布式发电后 的配电网潮流的计算方法。 ( 2 ) 研究含分布式发电的配电网扩展规划问题。综合考虑配电网网架投资和 运行费用、分布式发电投资费用和常规电源购电费用，建立含分布式发电的配电网 优化规划数学模型。 ( 3 ) 针对常规遗传算法自身的不足，对遗传算法中的编码原则、初始种群的 产生、选择、交叉和变异操作、不可行解修复等环节进行改进，使该方法能有效的 解决含分布式发电的配电网优化规划问题。 ( 4 ) 通过算例来验证模型及算法的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章分布式发电对配电网的影响 2 1 分布式发电的特点 ( 1 ) 分散的资源和需求 可再生能源与化石能源相比，一般较分散、能量密度较低。按目前的技术可再 生能源利用系统规模较小，难以实现集中供能，而较适合以分散供能形式出现。此 外，在偏远地区，避免建设投资大的电网，而直接利用当地资源，选择分散发电方 式更为恰当。 在一些特殊的场合，如集会、庆典、运动会等为保证供电的安全、除电网供电 外，还要设置自己的分散供电设施，可以是固定式的，也可以是处于热备用状态的 移动( 车载) 分散发电装置，则供电可靠性大大提高。 ( 2 ) 节省投资提高效率 分布式发电可以延缓输、配电网升级换代所需的巨额投资。分布式发电装置除 太阳能、风能之外，其他一些装置的效率与中心电厂传统发电机组的效率出入不大， 其中有一些如燃料电池发电效率大大超过传统发电方式，并且分布式发电电源布置 在用户附近，容易实现热( 冷) 电联供，可以在满足用户需求的同时实现能量的综合 梯级利用，再加上减少了输电损失，分布式发电系统具有高的供电效率。 ( 3 ) 互为补充提高可靠性 世界对电力需求越来越大，电网急速膨胀对供电安全与稳定有不利的一面。分 布式电源与大电网配合可以大大提高供电的可靠性。在分布式电源与电网连接的情 况下，电网供电与分布式电源供电可以互为备用电源，提高供电可靠性。分布式电 源可在电网意外事故( 战争、人为破坏、地震、暴风雨雪、操作失误等) 或解列情况 下维持重要用户供应。在因种种原因发生电力危机时，分布式发电可以不受( 拉闸 限电) 影响，自行发电满足生活、生产、经济活动的需要。在电力短缺时，用户将 会自发地投资建设容量小、占地面积小、投资少、安装方便的分布式发电装置。 ( 4 ) 环境友好 可再生能源如风能、太阳能是清洁能源，其他分布式发电装置使用的多数是清 洁燃料，如天然气、沼气、生物质能等( 传统发电以煤为主) ，并且这些装置应用了 现代污染物控制技术，减少了观、0 r 、m 、废水、废渣的排放。 ( 5 ) 调峰性能好 电网峰谷差距越来越大是一个客观存在的现实，分布式发电装置可缓解对中心 6 华北电力大学硕士学位论文 电站需求压力，化解电网峰谷差大的矛盾，均衡电网电力负荷，提高电网安全性和 经济性。 2 2 分布式发电对配电网运行的影响 ( 1 ) 分布式发电对线路潮流和网络损耗的影响 在配电网中的负荷近旁接入分布式发电( d g ) 系统后，整个配电网的负荷分布将 发生变化，主要有3 种情况：所有负荷节点处的负荷量均大于该节点处d g 的输 出量；至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点处d g 的输出量，但系统的总 负荷量大于所有d g 的输出总量；至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点处 d g 的输出量，且系统的总负荷量小于所有d g 的输出总量。对于情况，d g 的引 入使配电网中所有线路的损耗减小；对于情况，d g 的引入可能导致配电网中某 些线路的损耗增加，但配电网的总体线路损耗将减小；对于情况，如果所有d g 的发电总量小于2 倍的负荷总量，那么d g 的影响与情况相同，否则将使配电网 的线路损耗增加。由此可见，分布电源的引入可能增大也可能减小系统损耗，这取 决于分布式电源的位置、与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。 如果配电网中含有风力发电和或光伏( p v ) 发电系统，由于它们的输出受天气 的影响很大，具有随机变化的特性，所以以上3 种负荷分布情况可能会在配电网中 交替出现，使系统的潮流具有随机性，传统的潮流算法将不再适用。 ( 2 ) 分布式发电对系统电压的影响【2 4 1 d g 接入配电网后，会影响系统电压的波动，使其增大或减小，主要通过2 种 方式：d g 与当地的负荷协调运行，即当该负荷增加( 或减小) 时，d g 的输出量 增加( 或减小) ，此时d g 将抑制系统电压的波动；d g 不与当地的负荷协凋运行， 如利用自然资源发电的d g ，由于其输出受自然资源的可利用性影响很大，一般很 难控制，所以这类d g 很难与当地的负荷协调运行，此时d g 将增大系统电压的波 动。 传统配电网一般呈辐射状，稳态运行状况下，沿馈线潮流方向，电压逐渐降低。 接入d g 后，在稳态运行情况下( 视负荷恒定不变) ，由于馈线上的传输功率减小以 及d g 输出无功的支持，使得沿馈线的各负荷节点处的电压被抬高。电压被抬高多 少与接入的d g 的位置及总容量的大小有关。 ( 3 ) 分布式发电对电能质量的影响 d g 接入配电网后，会引入各种扰动，从而对系统的电能质量产生影响。其影 响主要有2 个方面：电压闪变。d g 引起电压闪变的主要原因有：某大型d g 单 元的启动、输出功率的突然变化以及d g 单元和反馈环节的电压反馈控制设备相互 7 华北电力大学硕士学位论文 作用的影响等；易产生大量谐波。由于d g 本身就是一个谐波源，并且d g 是通 过基于电力电子技术的逆变器接入配电网，因此会不可避免的带来大量谐波。 ( 4 ) 分布式发电对系统保护的影响 d g 接入配电网后，辐射式的网络将变成一个遍布电源和用户的互联网络，潮流 也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的根本性变化使得网络各种保护定 值与机理发生了深刻变化。文献【2 5 】提出，故障发生时为确保保护装置正确动作， 应切断电网中的分布式电源。从而引发以下问题：过电流故障的切除与d g 的切断 在时限上的配合；自动重合闸开断时间间隔内，确保d g 快速切断；在架空线和 地下电缆的混合线路中切断d g ，变压器空载运行，电缆对地电容与变压器的线圈发 生铁磁谐振，产生不规则的高电压大电流严重威胁线路的电力器件。 ( 5 ) 分布式发电对可靠性的影响 如果d g 仅作为备用电源可以提高系统供电的可靠性，但如果d g 与电网并联 运行，就可能降低系统的可靠性。另外，在系统中出现扰动时，由于d g 的高度不 确定性，也可能降低系统的可靠性。d g 对故障电流的影响取决于很多因素，目前 对这些因素造成的影响还没有清楚地认识，所以d g 的出现可能会提高配电网的故 障电流水平。含有大量d g 系统的配电系统的供需平衡问题及实现d g 与配电网互 联的等技术问题都需要作深入地研究。 2 3 分布式发电对配电网规划的影响 分布式发电是未来电力系统发展的重要方向，但是在一定时期内不可能代替传 统的集中式大电网，部分分布式电源要与传统电网相结合，发挥其优势，尽可能的 弥补传统电网的不足，成为传统电网的重要补充。分布式发电的出现，给传统的配 电网规划带来了实质性的挑战，使得电网规划人员在选择最优方案的时候必须考虑 由它所带来的影响，因此成为配电网规划研究的一个焦点。 分布式发电给配电网规划所带来的影响可以概括为以下几个方面【2 6 - 2 8 】： ( 1 ) d g 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。大量的用户安装d g 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，从而影响规划。另外分布式发电虽然可以减少电能损耗，推迟 或减少对电网升级的投资，但是如果分布式电源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d g 的影响做 出准确的评估。即最优化工具必须能够准确评估d g 对所在电网的影响，给出d g 的最佳位置和规模，使得d g 加入到原电网中不会破坏电网运行的安全性和经济性。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 规划问题的动态属性同其维数密切相联，若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。 ( 3 ) d g 并入配电网对配电系统的网损和电压分布有重要影响。而潮流计算是 在配电网规划中进行量化分析的重要手段，由于目前的配电网潮流计算方法中没有 考虑各种形式的d g ，因而随着各种不同形式d g 的并网，配电网潮流计算难度增 大。这就需要去研究能够计及d g 对配电网络影响的潮流计算新方法。 ( 4 ) 对于想在配电网安装d g 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d g 接入配 电系统并网运行，这将对配电网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、继电保护等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、 稳定的运行，必须使d g 能够接受调度，要实现这个目标，通过电力电子设备对其 进行必要的控制和调节，将d g 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，还要由被动到主动( e g 压调整、保护政策、干扰和接口问题) 地管理电网。 ( 5 ) d g 机组类型及所采用能源的多样化，使得如何在配电网中确定合理的电 源结构、如何协调和有效地利用各类型的电源成为迫切需要解决的问题。因此d g 的广泛应用，使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到与d g 有关的电力系统规 划中，并影响规划的决策过程。 2 4 考虑分布式发电的配电网潮流计算 分布式发电并入配电网对配电系统的网损和电压分布有重要影响，而潮流计算 是对其影响进行量化分析的主要手段。配电网规划的目的是找到符合要求且经济性 最优的规划方案，而在对方案的经济性进行评价的时候必然要用到潮流计算，因此 潮流计算就成为配电网规划的一个重要基础。同时在规划过程中由于要对大量的方 案进行计算，所以要求潮流计算方法能够对不同的方案都适合，尤其是当遗传算法 应用于配电网规划时，由于其操作的随机性和方案的不确定性，导致所计算的配电 网络的拓扑结构的不确定性，而在进行配电网潮流计算时就要求能够很好的解决这 些问题，并满足要求。 与输电网相比，配电网在结构方面存在特殊性，使得用传统的n p 法( 牛顿一拉 夫逊法) 和p q 分解法求解潮流时往往出现病态，潮流计算难以收敛。因此，人们基于 配电网的特殊结构，研究提出了各种各样的潮流算法，如求解辐射网潮流的逐支路 法、电流电压法、求解少网孔配电网潮流的基于补偿的方法、回路分析法和改进 9 华北电力大学硕士学位论文 的牛顿算法等，其中以逐支路的前推回代法 2 9 , 3 0 1 最为成功，它收敛性好、稳定性高。 但是前推回代法是逐支路进行计算，需要对节点和支路按一定的规则进行分层和编 号，不适应实际配电网络运行方式的改变。因此能否在拓扑不断变化的情况下正常 进行潮流计算成为应用此算法的关键。参考文献 3 l 】的计算方法，并对其进行适当 的改进，有效地避免对网络进行规则编号，只要明确网络的节点总数刀，用1 ，2 ，刀 的自然数给各个节点进行标号即可，支路的编号任意。另外，为了适应分布式电源 在配电网侧大量引入的状况，本文考虑在潮流计算过程中将分布式电源作为p q 节点 进行处理。 2 4 1 基本前推回代法 对于辐射型网络，前推回代法的基本原贝l j 3 2 , 3 3 如下。 ( 1 ) 令根节点为已知电压幅值和相角的松弛节点，初始化所有节点的电压等 于根节点的电压，依此推算网络中的线路功率分布。 ( 2 ) 假定支路功率不变，利用已知的根节点( 电源节点) 电压推算节点电压分 布。 如此迭代几次就可以得到最后结果。前推回代法在每次前推迭代中由网络的电 压求得潮流分布，回代迭代中由功率分布推算电压的分布。为了说明这个过程，以 图2 1 为例来说明。 0 根结点 图2 1 放射型配电网络图 ( 1 ) 支路潮流前推算式 对于上图所示的支路i ，其支路潮流输入输出表达式为： 。= j + j m + i 弦 m l l ( 2 1 ) 式中，为支路f 的支路电流模值；气= 气+ _ ，g 为支路f 由首端到末端的支路潮 1 0 华北电力大学硕士学位论文 流；瓯为支路f 的所有直接下层支路由首端到末端的支路潮流之和；岛= p j + j q j i = t 为节点_ ，的注入功率；之= 弓+ 为支路f 阻抗。 将上式代入支路电流，并进行虚实部分解得到支路潮流前推公式： 喇+ 警墨 q 锄警五 耳 式中，弓= 弓+ 厶，踢= g + ，为节点的电压幅值。 m = lm l l ( 2 ) 节点电压回代算式 根据欧姆定律有： u j = u i 一4 z , ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) k 篡一 协4 ， b 一盟堕辩坐 一 式中，谚= q + 崩为节点i 电压。 2 4 2 改进前推回代法 图2 2 为取自配电网的一条典型馈线段，假设在节点j 处引入分布式电源，假设 分布式电源具有恒定功率因数五，则有潮流递推公式如下： 弓= 一吃( 只2 + q 2 ) 研一罡，+ ， ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 踢= q 一毛( 砰+ 岔) 研一如+ 蜴g ( 2 - 6 ) q = 昕一2 ( r b p ，+ q ) + ( 彳+ # ) ( 乎+ 研) 叼 2 ( 2 7 ) 岛= 4 一t a n 。1 ( 耽一q 吃) ( 斫一只吃一q ；屯) ( 2 8 ) 式中，i ，歹分别为支路6 的首节点和末节点；曰为支路6 首端有功功率；q 为支 路6 首端无功功率；u 为节点i 的电压幅值；r b 为支路6 电阻；毛为支路b 电抗； ，= ，+ 为节点处安装的分布式电源容量；乞和q ! 。为节点的有功负 荷和无功负荷：磊为节点i 的电压相角。 图2 2 配电网中一条典型馈线段 对于包含多条分支的辐射型配电网络，根据前推回代的特点，前推时，每条支 路的功率都由该支路的下一层支路功率决定，回代时，节点电压都由上一层节点决 定。这种特点一方面限制了不同层次间的功率前推和电压回代不能同时进行，另一 方面也说明同一层次的支路功率之间没有前后关联，因此同一层次内完全可以实现 功率或电压的并行计算。尤其对于大规模辐射型网络，由于分层数显著少于支路总 数，所以分层后能够充分发挥并行计算的优势，提高计算速度。 根据树的广度优先搜索算法【3 4 1 ，从某一电源点看，由其供电的各节点从拓扑结 构上可看作是一种以电源点为树根的树形结构。配电网正常运行时，可分解为多个 树状辐射网络。图2 3 为一个分层树状网络。 对于图2 3 来说，在这个网络中，支路l ，2 属于同一层次，当计算支路功率损耗和 电压损耗时，彼此不相关，可以并行计算。同样，支路3 ，4 ，5 ，6 ，也属同一层，其功 率损耗和电压损耗也可以并行计算。这样，根据图中网络的拓扑结构，可以直观地看到 网络支路共分为3 层，且可以知道每一层的支路情况以及每一支路的上层节点和下层节 点。显然，只要了解了这些信息，就能够分层实现功率前推和电压回代的并行计算，而 且无需对节点和支路重新编号。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 圈 图2 3 网络层次分析示意图 第一层 第三层 ( 1 ) 形成网络层次矩阵，支路上层节点矩阵厂和支路下层节点矩阵t 建立网络层次矩阵、支路上层节点矩阵和支路下层节点矩阵。网络层次矩阵是一个 表示网络层次关系的矩阵，它的每一行代表网络的一个层次，每行中的每一个元素代表 一条线路，通过这个矩阵可以实现将整个配电网络用一个矩阵实现层次表示；支路上层 节点矩阵和支路下层节点矩阵，通过对原始网络编号建立支路上层节点矩阵和支路下层 节点矩阵，编号方式没有严格要求，但是要求与电源点连接的线路的其上层节点都设为 电源节点。 r t 2 0 o l 对于图2 弓来说其网络层次矩阵为：l ：l3 4 5 6l ，支路上层节点矩阵为： 1 7 8 oo j 厂= 【o 0112 2 5 5 】，支路下层节点矩阵为：f = 【l 2 3 4 5 6 7 8 】o ( 2 ) 形成层次支路关联矩阵c 。 除了第l 层支路没有上层支路外，任意1 条支路只有1 条直接相连的上层支路， 而且始终遵循这样的原则：该支路的送端节点就是与其直接相连的上层支路的受端 节点。通过支路送端节点和受端节点矩阵( 即支路上层节点矩阵和支路下层节点矩 阵) ，可以很容易地找到任意一条支路的直接上层支路，比如由支路上层节点矩阵厂 找到任意支路i 的送端节点2 5 l ，然后由支路受端节点矩阵t 找到受端节点为岛的支路 ，这就意味着支路f 的上一层支路为支路，即矩阵的f 行j 列元素为l 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 对于图2 3 来说其层次支路关联矩阵为： c = 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 o 0 00 oo 0 0 0 0 l0 1o 式中行和列分别表示支路l 8 。 通过支路层次矩阵和支路关联矩阵c 可以得到每条支路所处的层次和与之直 接相连的上下层支路。通过这些信息，可以方便地利用前推回代法计算出支路潮流。 实现步骤： ( 1 ) 通过对网络进行编号建立支路上层节点矩阵和支路下层节点矩阵，矩阵 中元素排列顺序按照支路编号顺序进行排序。 ( 2 ) 通过对和电源点连接的投建支路进行搜索找到整个网络的第一层支路， 并将其存储在网络层次矩阵中。同时将这一层支路的下层节点编号记录在网络下层 节点矩阵中。搜索过程中不断应用支路上层节点矩阵和支路下层节点矩阵进行支路 的识别和矩阵的建立。 ( 3 ) 重复上述搜索过程直至整个网络搜索完毕并建立了四个矩阵。 ( 4 ) 根据网络层次矩阵从最后一层开始向上进行前推计算并记录下前推计算 得出的节点功率。 ( 5 ) 根据网络层次矩阵和网络下层节点矩阵从电源点开始进行回代计算并记 录下节点的电压值。 ( 6 ) 重复前推回代过程直至收敛( 收敛的判断标准是某节点电压在前后两次迭代时 的误差值) 。 1 4 o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o 0 o 0 0 o o 0 l 1 o 0 0 o l l 0 o 0 o 华北电力大学硕士学位论文 第三章考虑分布式发电的配电网优化规划模型 3 1 配电网规划概述 配电网规划的基本内容包括长期规划和短期规划等，在选用模型时，应根据实 际需要采用不同的模型。配电网规划的优化模型主要有以下几种【3 5 】： ( 1 ) 单独的线路模型。这种模型主要用于线路的设计，它的目的是在投资和 运行最经济的条件下，确定线路的长度、截面积、电压等级。 ( 2 ) 系统模型。这种模型主要用于在给定变电站( 负荷供应点) 和负荷需求点 的网架条件下，确定配电网络连接线路方式，使得规划投资最经济。 ( 3 ) 两阶段模型。这种模型分为两个阶段：第一阶段( 0 - 1 l p 模型) 考虑负荷 分配来确定变电站的建设，第二阶段根据第一阶段确定的变电站容量使用运输模型 来确定线路最优潮流。 ( 4 ) 变压器模型。这种模型能同时确定变电站容量和线路的安装。 ( 5 ) 可靠性模型。可靠性模型包括停电损失、分段器开关的投资、变电站和 线路的投资、维护费和网损。常用于为提高供电可靠性而进行配电网改造和规划优 化。 在含有d g 的配电网规划中，按决策变量的类型可以分为单一规划和综合协调 规划2 类【3 6 1 。前者以电源规划为出发点，后者以电网规划为出发点。单一规划是在 不改变系统馈线和变电站配置的情况下，对d g 的安装位置和容量进行优化；综合 协调优化则是d g 与配电网中变电站或馈线等设备的整体规划，决策变量类型比单 一规划多，是一种配电网全局优化规划。在含d g 的配电网规划建模中，常用到的 目标函数有如下几类：从投资的角度，以配电公司投资成本最小为优化目标： 从损耗的角度，以配电系统网损最小为优化目标；从可再生能源利用的角度，以 d g 安装能量最大为优化目标，因为d g 容量增大可以减小传统机组的污染物排放 量，从这个角度看，d g 容量最大化也等价于环保利益的最大化。 3 2 考虑分布式发电的电网规划的一般思路 d g 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d g 作为唯一的供电电源外，大部分选择d g 的用户希望既能使用d g 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d g 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 华北电力大学硕士学位论文 网络必须考虑与d g 的配合，当大量的d g 出现在规划方案中时，大量的随机变化 使系统的复杂性在增加。传统的规划方法没有充足的能力解决包含d g 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。 目前在包含分布式电源的电网( 主要是配电网) 规划中需要解决以下几个方面 的问题： ( 1 ) 利用可再生能源发电的d g ( 如太阳能、风能) ，和传统发电厂相比其输出 是经常波动的，这种波动受气候、环境等自然条件的影响，无法进行有效准确的调 节，因此它们的输出能量具有明显的随机特性。所以非常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电网侧负荷增长模式的影响。 ( 3 ) 分布式电源的规模、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