白忠彬

(福建省配电售电有限责任公司，福建省 福州市 350001)

0 引言

在新一轮电力改革背景下，我国稳步推进售电侧改革，逐步向市场放开售配电业务，推动了增量配电网的快速发展，提高了主体电网的运营效率[1-3]。在源、荷不确定因素的影响下，如何优化增量配电网接入主体电网的接入点，这一问题亟待解决。

增量配电网内部众多新元素的引入，如可再生能源、电化学储能等，将对增量配电网的接入规划产生较大影响。分布式清洁能源呈现出的随机性与间歇性，给主体电网的电能质量与运行经济性带来巨大压力[4-5]。文献[6]兼顾了新能源接入的投资与运行费用，提出了分布式电源接入微网的优化方法;文献[7]计及分布式光伏接入配电网下对主体电网的影响，并研究了典型场景下不同接入方式的电压合格率。

为了保证增量配电网区域内供电稳定性，提高清洁能源的消纳率，需要配置一定的储能系统[8-10]。文献[11]综合考虑了供电可靠性与稳定性，兼顾了投资、运维成本，优化分布式清洁能源与储能接入配电网的接入方案。

然而，上述文献一方面未能充分考虑源、荷的不确定性，而机会约束规划则能描述这一不确定性，约束不确定性不利条件下的决策在一定程度上不满足约束条件，即约束条件成立的概率不低于某一置信水平，使得约束条件具有一定的弹性;另一方面，目前的分布式电源与储能系统作为独立节点接入，增量配电网接入规划的研究尚且不完善。如何应用机会约束规划描述增量配电网中源、荷的不确定性，并进一步构建增量配电网的接入规划与主体电网的评价模型，尚需深入研究。

本文提出一种基于机会约束规划的增量配电网接入规划研究方法。首先，综合考虑增量配电网接入的输电线路架设成本、供电可靠性、网损与电压质量，分别构建了增量配电网投资主体的接入规划模型与主体电网对于接入方案的评价模型;其次，采用机会约束规划刻画分布式电源与负荷的不确定性，并对机会约束规划中的不确定性进行线性化;最后，通过改进IEEE 33节点的仿真算例分析增量配电网与主体电网的接入点选择，验证方法的有效性。

1 增量配电网建模

1.1 分布式风电模型

在本文中，分布式风力发电为随机变量，假设风电的实际出力由风电预测出力与预测偏差二者共同决定，则风力发电的出力为

式中:PW(t))分别为风电t时刻的实际功率与预测功率;N为t时刻风力发电预测偏差，一般认为其满足均值为0的正态分布[12];eW(t)为风力发电正态分布的标准差。

1.2 储能系统充放电模型

储能系统作为优质调峰调频资源，具有响应快、动作迅速的特点，通过调控储能充放电行为，优化增量配电网的运行。

储能系统的充放电模型为

式中:E(t)为储能t时刻的荷电量;Pcha(t)、Pdis(t)为t时刻充、放电功率;ηcha为充电效率;ηdis为放电效率;Δt为优化时段，取为1 h。

1.3 电力负荷模型

电力负荷与风力发电均为随机变量，电力负荷也是由电力负荷预测数据与预测偏差二者组成，即

式中:PL(t)分别为负荷t时刻的实际功率与预测功率;N为t时刻负荷需求预测偏差;eL(t)为负荷功率正态分布的标准差。

2 增量配电网接入评价指标

增量配电网规划的目的是在满足运行条件的基础下，尽可能使得运行主体效益最优化。本文从经济性、供电可靠性以及电压质量3个方面着手，构建增量配电网接入规划模型与评价模型。

2.1 经济性

经济性包括新建线路全寿命周期净年值[13]、增量配电网的网损成本以及主体配电网的损耗费用。新建线路运行损耗成本、新建线路的净现值、新建线路的净年值、增量配电网的网损成本以及整个配电网的总网损成本分别为

式中:CP(l)为第l条支路上的年网损;I(l，t)为第l条支路t时刻的电流;R(l)为第l条支路上的电阻;Ty为目标优化时段，本算例中取为1年;pg为单位电能的价格;CNPV为新建线路的全寿命周期净现值;CCI、CP(y)、CCM(y)、CCF(y)、CCD分别 为 接入支路初始投资成本、第y年的运行损耗成本、第y年的维护成本、第y年的检修成本以及期末退役成本，其中年维护成本与年检修成本均取为初始投资成本的1.5%;q为贴现率，取为6%;N为线路的最大生命周期，取为20年;CL为新建线路全寿命周期净年值;CPZ为增量配电网的网损成本;CPC为主体配电网的损耗费用;NC为线路总数[14]。

2.2 供电可靠性

配电网的供电可靠性是研究配电网接入规划与评价建模的基础[15]。本文选取增量配电网缺额电费用CR作为增量配电网的可靠性评估，CR表达式为

式中:K为线路的供电可靠性系数;P(t)为t时刻新建线路上的有功功率;psell(t)为t时刻的售电价格。

2.3 电压质量

本算例中选取电压偏移量作为增量配电网的电压质量评估指标[16]，增量配电网的电压偏移的惩罚的表达式分别为

式中:Uj(t)为t时刻节点j的电压为t时刻节点j的额定电压;Nz为增量配电网的节点数;pu为单位电压偏移量的惩罚。

式中:CPC为增量配网接入下整个配电网的网损;CSC为增量配网接入下整个配电网电压偏移的惩罚。

3.2 约束条件

(1) 潮流约束。

式中:Uj-max、Uj-min分别为节点j电压的上、下限;α-、α+为支路电流的置信度，本算例中取为95%;Il-max、Il-min分别为支路l电流的上、下限。

(2) 节点功率平衡约束。

式中:Pi(t)、Qi(t)分别为t时刻节点i的有功功率与无功功率;Gij、Bij分 别为支路ij的电导与电纳;θij为节点i和节点j电压的相角差。

(3) 储能运行约束。

3 增量配电网接入规划与评价建模

3.1 目标函数

考虑不确定场景的情况下，研究并确定增量配网接入方法与评价方法，即增量配电网与主体电网的网架结构已确定的基础上进行接入规划。配电网接入规划的目的是在满足安全运行条件的基础上，尽可能使得增量配电网的效益最优化，接入评价的目的是针对不同接入方式下，主体电网运行效益的评估[17]。本文从经济性、供电可靠性以及电压质量3个方面建立增量配网的接入设计规划模型，从经济性与电压质量2个方面建立主体电网对增量配网的接入设计评价模型。目标函数表达式分别为

式中:E(t)为储能t时段荷电量;EN为储能额定容量;γmax、γmin为荷电状态的上、下限;Pcha-max、Pdis-max为充、放电功率的上限。

(4) 发电机组运行约束。

式中:PG-max、QG-max为火电机组出力上限;PW-max、QW-max为风电机组出力上限。

(5) 欧姆定律约束。

式中:rij、xij分别为线路i、j的阻抗、感抗;Pij(t)、Qij(t)、Iij(t)分别为t时刻的有功、无功以及电流。

3.3 机会约束规划线性化

机会约束规划公式可以通过线性化为

式中:NG、NW、NL分别为火电的机组数量、风电机组的数量与负荷的数量;ζG(n，l)、ζW(m，l)、ζL(r，l)分别为第n台火电机组、第m台风电机组与第r个负荷有功功率的变化对支路l电流的影响;βl(t)为t时刻支路l最大的过流概率[18]。

4 仿真分析

4.1 算例概括

本文采用IEEE 33节点作为主体电网，将一个含有风电、储能的2节点作为增量配网，其结构如图1所示。单位线路的投资成本为6万元/km，单位长度导线的可靠运行概率为0.998，储能系统的充、放电功率分别取为0.935与0.944。风电功率、负荷功率的预测曲线如图2所示，主体电网平衡节点外负荷曲线如图3所示，分时电价如表1所示。

表1 分时电价Table 1 Time of use electricity price of power grid

图1 原始线路图Fig.1 Original circuit diagram

图2 增量配电网风电功率、负荷功率预测曲线Fig.2 Wind power and load forecasting curve of incremental distribution network

图3 主体电网2—32节点负荷功率曲线Fig.3 Load curve of 2-32 nodes of main power grid

节点34、35为增量配电网节点，待选的接入位置并网线路数据如表2所示，单位长度电阻参数为0.666 88Ω/km，电抗参数为1.048 62Ω/km[19]。

表2 并网线路数据Table 2 Grid connected line data

4.2 结果分析

4.2.1 增量配电网接入规划结果分析

增量配电网的接入设计优化结果如表3所示，由表3可知:

表3 增量配电网的接入设计优化结果Table 3 Optimization results of access of incremental distribution network 元

(1) 网损成本与线路的接入点相关，增量配电网从35节点接入的网损仅为34节点接入产生网损的22.70%，由于风电-负荷节点相较于荷-储节点更能够满足自身的用电需求，节省了增量配网区域内部功率传输所产生的电能损耗。

(2) 增量配电网运行稳定性对于接入规划的成本影响最小，增量配电网从35节点接入的电压偏移量仅为34节点接入的42.03%。

本节算例得出的数据中，可以得出接入点为21、34所对应的成本是最小的，年成本为2 334.34元。但从增量配网损耗成本与电压偏移角度来看，35节点中的储能设施能够优化配网的运行稳定性。

4.2.2 主体电网接入评价结果分析

主体电网的接入设计评价结果如表4所示，由表4可知:

表4 主体电网的接入设计评价结果Table 4 Evaluation results of access design of main power grid元

(1) 主体电网的年网损费用占比较大，对于接入方案评价影响的占比高，当接入点选择为19、35的年网损费用最低的，响应的年成本也是最低的。

(2) 主体电网的电压偏移量惩罚成本同样对接入方案的评价有较大的影响，当增量配网从22节点接入时，增量配电网中风电可以提高线路末端的电压，避免线路末端节点电压下降产生惩罚成本。

本节算例得出的数据中，可以得出接入点为19、35所对应的年成本是最小的，年成本为407 635.28元。但从增量配电网电压偏移角度开看，增量配电网中的分布式电源与储能设施能够显著优化存量配电网末端的节点电压。

5 结论

针对增量配电网的接入优化设计与评价问题，综合考虑了增量配电网接入电网的经济性、可靠性与稳定性，兼顾了各类的约束条件，建立了基于机会约束规划的增量配电网接入规划模型与评价模型。通过机会约束规划条件的线性化，得到不同接入点选择下的经济性。通过仿真分析，得到以下结论:

(1) 对于增量配电网的投资用户而言，选择更接近主体电网的联络线接入能够节约其线路架设成本的净年值，提高其供电可靠性。

(2) 从主体电网的角度上来看，更期待增量配电网接入其配电网的末端提高其各个节点的电压质量，从灵活性资源较为丰富的含储能节点接入，利用储能的高效充、放电减少整个电网运行损耗。