1研究背景

傳統(tǒng)的變電站優(yōu)化規(guī)劃理論已經(jīng)比較成熟，但對于大規(guī)模，高滲透率的分布式電源接入配電網(wǎng)后對變電站選址定容影響的研究較少。一些研究將分布式電源裝機容量或者將其乘以一定系數(shù)來代替分布式電源出力，且考慮了分布式電源加入后對變電站容量及投資的影響，但忽略了分布式電源出力的間歇性特點以及分布式電源出力與負荷特性之間的匹配關(guān)系，因此不能準確衡量分布式電源的容量價值。針對以上問題，本文在基于加權(quán)Voronoi圖的傳統(tǒng)變電站規(guī)劃方法基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)可靠性角度分析分布式電源的容量價值，將分布式電源的置信容量加入系統(tǒng)電力電量平衡計算，以變電站及線路投資運行維護費用最小為目標，建立變電站優(yōu)化規(guī)劃模型。該模型通過量化分布式電源的容量價值指導變電站規(guī)劃，延緩和節(jié)省變電站投資，提高配電網(wǎng)的精細化規(guī)劃水平。

2分布式電源置信容量的評估方法與影響要素

分布式電源發(fā)電具有隨機性、間歇性的特點，在中國電網(wǎng)中所占比例較低，尚不參與電力平衡，因此認為分布式發(fā)電只提供電量價值，不提供容量價值，即傳統(tǒng)機組完全可以承擔電網(wǎng)的峰荷需求。但隨著分布式電源的滲透率不斷增加，其容量價值已不可忽略，因此，迫切需要對分布式電源發(fā)電的容量價值進行深入研究。在電力電量平衡中，電源的容量價值表現(xiàn)為可被信任的容量，即置信容量。

1評估方法

本文采用了ELCC作為分布式電源置信容量的評估指標。其工作原理如下：在維持系統(tǒng)可靠性水平不變至達到相同EENS的情況下，分布式電源發(fā)電使系統(tǒng)負荷供應能力增加的大小為：

式中：R0為電源加入前的可靠性指標;P為可靠性估算函數(shù);L和?L分別為系統(tǒng)的初始負荷和新增負荷;GD，G和?G分別為分布式電源發(fā)電容量、系統(tǒng)初始裝機容量和需新增的參考機組容量，如圖1所示。

圖1中，曲線1和曲線2分別為分布式電源加入前、后系統(tǒng)可靠性指標同變電站供電負荷大小之間的關(guān)系曲線。在滿足同一可靠性水平R0的場景下，含分布式電源的系統(tǒng)的負荷供應能力提高了?L，因此，分布式電源發(fā)電的置信容量CCD=?L。該指標將分布式電源發(fā)電等效為傳統(tǒng)電源，應用更加方便。具體步驟如下：

1)輸入變電站容量及供電范圍內(nèi)的負荷數(shù)據(jù);

2)依據(jù)上節(jié)方法評估系統(tǒng)的可靠性水平R0;

3)利用2.1節(jié)的模型生成光伏及風電的時序出力模型;

4)評估分布式的電源加入后系統(tǒng)的可靠性水平;

5)利用弦切法調(diào)整負荷大小，使得分布式電源加入后系統(tǒng)的可靠性水平為R0;

6)此時系統(tǒng)增加的負荷?L即為分布式電源的置信容量。

2影響因素

DG的容量置信度與變電站供電范圍內(nèi)的負荷多少、變電站容量、初始可靠性參數(shù)、分布式電源的裝機容量以及分布式電源中風機與光伏的裝機容量比例都有密切關(guān)系。為了能使分布式電源的容量價值得到更大的發(fā)揮，從而最大程度地減少常規(guī)能源發(fā)電設施建設投資。本文選取兩個場景對DG的容量置信度影響因素進行定量分析。

1)場景1：變電站容量：2×40MVA;風機：20臺，每臺裝機容量335kW;光伏：10000kW。

分布式電源總裝機容量：16700kW。

只考慮主變故障，可靠性參數(shù)EENS初始值：1238.9kW。分布式電源的置信度隨負荷大小的變化趨勢如表1和圖2,3所示。

表1置信度與負荷大小的關(guān)系

圖2分布式電源加入前后系統(tǒng)的可靠性指標隨負荷變化趨勢

圖3分布式電源的置信度隨負荷變化趨勢

由表1和圖2，3中的數(shù)據(jù)可知，隨著負載率的不斷增加，DG的置信容量和置信度是不斷增加的，但同時可靠性指標EENS也是在不斷增加的。因此，為使DG的容量價值得到最大發(fā)揮，應使可靠性指標選作規(guī)劃要求允許的臨界值。

2)場景2：變電站容量：2×40MVA，負荷：50MW。

表2置信度與分布式電源構(gòu)成的關(guān)系

由表2可以看出，當風機與光伏的裝機容量以同一比例組合時，分布式電源的容量置信度是基本保持一致的。可以看出，當分別替換為相同裝機容量的光伏與風機時，風機的容量置信度更高，而光伏發(fā)電夜間出力比較小，故置信度較低。

3基于分布式電源置信容量的變電站優(yōu)化規(guī)劃模型

傳統(tǒng)的變電站規(guī)劃中變電站的負載率滿足“N─1”原則，且允許主變短時1.3倍過載運行，而當高滲透率的分布式電源接入配電網(wǎng)后，其出力僅供應一部分負荷，因此變電站的負載率已不能實際表征變電站出力與所供區(qū)域內(nèi)負荷之間的關(guān)系。

本文從可靠性的角度對變電站規(guī)劃問題進行分析：當變電站一臺主變發(fā)生故障時，系統(tǒng)的可靠性指標(例如缺供電量)應滿足一定的要求。在此要求的基礎(chǔ)上，以變電站及線路投資運行維護費用最小為目標，建立變電站優(yōu)化規(guī)劃模型。

通過上述分析，變電站優(yōu)化規(guī)劃的目標函數(shù)可以由以下公式描述：

式中：station為變電站建設及維護年費用;Feeder為變電站低壓側(cè)的線路投資年費用;CQ為變電站低壓側(cè)線路網(wǎng)損年費用;Relfol(i)為第i個變電站供電范圍內(nèi)考慮分布式電源加入后的可靠性;Relstd(i)為第i個變電站供電范圍內(nèi)的可靠性標準，通常選作分布式電源加入前系統(tǒng)的可靠性指標;Si為第i個變電站的容量;cosφ為功率因數(shù);CCPV(i)為第i個變電站供電范圍內(nèi)所有光伏電源的置信容量;CCWTG為第i個變電站供電范圍內(nèi)所有風機電源的置信容量;N為已有和新建變電站的總數(shù);Ji為第i個變電站所供負荷的集合;J為全體負荷點的集合;lik為第i個變電站與第k個負荷的連線距離;Ri為第i個變電站供電半徑限制。

具體的實現(xiàn)流程如下：

1)首先根據(jù)目標年負荷、已有站容量以及事先給定的變電站候選容量集，確定N個新建變電站個數(shù)及容量組合方案。

2)在不考慮分布式電源的接入條件下，針對每個方案，基于加權(quán)Voronoi圖算法對規(guī)劃區(qū)域進行傳統(tǒng)變電站規(guī)劃得到變電站站址容量，及每個變電站的供電范圍，作為初始解;

3)計算每個變電站供電范圍內(nèi)的可靠性指標EENS;

4)計算分布式電源接入后的可靠性指標EENS'，進而計算各變電站供電范圍內(nèi)的分布式電源的置信容量。

5)變電站容量優(yōu)化。對滿足條件Sicosφ≤Sdxicosφ+CCD(i)的新建變電站，將其變?yōu)槿萘繛镾dxi的變電站。其中，CCD(i)為第i個變電站供電范圍內(nèi)所有分布式電源的置信容量，Sdxi為變電站可選的下一級待選容量。

6)更新變電站容量，將變電站的有功與分布式電源的置信容量之和視作變電站的等效有功容量，根據(jù)上述模型進行變電站選址定容。

7)如果所有變電站站址移動距離小于設定的閾值且變電站容量沒有變化，則進入第八步;否則，進行下一次迭代，進入第三步。

8)輸出變電站站址，容量，供電范圍以及費用。如果所有方案都已遍歷，進入第九步;否則，帶入下一個方案數(shù)據(jù)，進入第二步。

9)對N種方案結(jié)果按費用大小排序，選擇費用最小的方案作為最終規(guī)劃方案。

4算例驗證

本算例為某占地面積63.08km2的開發(fā)區(qū)。根據(jù)用地規(guī)劃將其分為368個小區(qū)進行空間負荷預測，規(guī)劃目標為20年，其目標年預測總負荷為744.5MW。該規(guī)劃區(qū)為無已有站的待規(guī)劃區(qū)。

實現(xiàn)該區(qū)域變電站規(guī)劃所需備選變電站容量為：2×31.5MVA、2×40MVA、2×50MVA、3×40MVA和3×50MVA四種規(guī)格，功率因數(shù)為0.9。

規(guī)劃區(qū)域預測光伏發(fā)電額定容量為250.5MW，風機總臺數(shù)為378臺，每臺額定容量為335kW。風機的切入風速為2.5m/s，額定風速為12.5m/s，切出風速為25m/s;平均風速為19.56km/h，風速分布標準差為10.06km/h。光伏模型的參數(shù)為額定光照強度為1kW/m2，抽樣年數(shù)為5萬年，故障參數(shù)如表3所示。

表3設備故障率

不考慮分布式電源的影響，使用傳統(tǒng)算法對規(guī)劃區(qū)域進行傳統(tǒng)變電站選址定容，結(jié)果如圖4所示。

圖4傳統(tǒng)變電站優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果

圖4中的數(shù)字表示變電站編號和變電站容量(MW)，空心圓為負荷點，實心圓為變電站。變電站選址定容結(jié)果如表4所示。

表4傳統(tǒng)變電站選址定容結(jié)果數(shù)據(jù)

考慮分布式電源的接入，以上述結(jié)果的可靠性指標作為本文方法的可靠性標準，用本文方法對規(guī)劃區(qū)域進行變電站選址定容規(guī)劃的結(jié)果如圖5所示。圖中，空心圓為負荷點，實心小圓為分布式電源(光伏)，三角為分布式電源(風機)，實心大圓為變電站。

圖5考慮分布式電源置信容量的變電站選址定容結(jié)果

由表5數(shù)據(jù)可以看出，考慮了分布式電源出力后的變電站建站容量雖然減小了，但其可靠性參數(shù)EENS卻沒有變大，變電站及線路投資及維護費用大大減少。傳統(tǒng)變電站選址的貼現(xiàn)年投資費用為11012萬元，而本文考慮分布式電源出力后的貼現(xiàn)年投資費用為7352萬元。其原因如下：

1)分布式電源出力對變電站出力的替代作用，分布式電源的容量價值得到充分的發(fā)揮;

2)傳統(tǒng)變電站規(guī)劃中考慮容量滿足“N-1”的約束，雖然容量充裕度高，但投資費用高出很多，造成變電站容量的浪費，而本文用可靠性指標來衡量變電站容量設定是否合理，在保持相同可靠性指標的情況下盡量減少新建變電站的容量，從而達到節(jié)省投資的目的。

5結(jié)語

本文提出了一種考慮規(guī)劃區(qū)域大規(guī)模分布式電源接入的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法，主要創(chuàng)新點與結(jié)論如下：

1)依照分布式電源接入前后可靠性指標不變的原則，提出了一種分布式電源出力的置信容量評估方法。

2)改變了傳統(tǒng)變電站選址都是以變電站滿足“N-1”條件的負載率為約束條件的思路。從可靠性角度出發(fā)，綜合考慮變電站故障及分布式電源出力，提出了一種考慮規(guī)劃區(qū)域大規(guī)模分布式電源接入的變電站選址定容方法。

3)通過實際算例的計算結(jié)果以及與不考慮分布式電源的變電站優(yōu)化規(guī)劃方法進行對比，驗證了本文方法的科學性和實用性。