电力系统规划中可中断负荷和分布式电源的确定图文.docx

中文译名电力系统规划中中断电负荷和分布式电源的确定外文原文版出处Published in:Modern Electric Power Systems (MEPS), 2010 Proceedings of the International SymposiumDate of Conference: 20-22 Sept. 2010Print ISBN: 978-83-921315-7-1Publisher: IEEEINSPEC Accession Number: 12218101译 文：摘要：电网中电力负荷的分配是电力系统规划中基础的一步。介于电力市场的实际结构和分布式电源的巨大而迅速的发展，在电力系统规划中考虑这些连接点的影响是非常有必要的，包括分析它如何影响电网中的有功功率损耗以及负荷分布。本文概述了分布式电源单元定位和一种电网负荷预测的方法。该方法基于空间负荷分配、电网参数和由每个新的发电设备引起的有功损耗，且已被运用到实际系统中，展现了其使用潜力。关键词：电力系统规划模型；分布式电源；空间负荷预测；有功功率损耗一、绪论 现如今带有竞争力、大规模电力市场的电力系统结构，鼓励引进新代理商和产品、客户合作、新的消费行为和利益相关者（比如电力生产者、电网运营商、电力供应商（如交易员）的专业化。这个新的结构使得市场参与者力图设施最大化，同时尽量减少成本。在这个情况下，发展可确定和减少成本的电力系统是可行的，特别是在电力系统的规划和运行中，考虑到分布式发电单元的巨大数量以及可能受需求侧管理项目影响的一种新的电力消费行为。电网成本的一部分分配给有功功率损耗（APL），这部分损耗显然受到可带来更加高效能源利用率的新政策实施的影响。有一种情形是，新的代理商在低压、中压网进行交易，电力产品相应出现同时减少了潮流中的功率损耗。这个情况直接取决于电力系统中的负荷水平及其分布。目前，减少有功功率损耗是使电力系统规划和未来系统运行成本最小化的一个方向，因此将电压控制、可靠性水平的提高及供应安全性作为主要的技术目标。在当前的能源形势下，在规划模型中考虑有影响力的变量是有必要的，比如：1. 可使能量矩阵多元化新技术的发展2. 引进能源高效利用新政策的智能电网这两种变量都会影响经典的有功功率损耗预测模型，使它们发挥有利影响的方法之一是给这些新的代理商确定一个战略位置使得有功功率损耗系统地减少。分布式电源的位置和应用直接取决于电网中负荷水平及其分布。在这个背景下，本文的目的是从有功功率损耗APL和负荷分布两方面来寻求使能源成本最小化的方法。在电力系统规划模型中，估算有功损耗和负荷分布并定义其为新模型的起始点，确定分布式发电单元和消耗量的首选新连接点，预测它们在电网中的影响。整体目标应该包括考虑当发生电网故障时，它们支持电力供应的潜力。已提出的方法是基于一个时间负荷预测方法的结果。一种新的空间负荷分布预测方法将被提出，其分析模型包括：1. 一个新的基于统计模型的空间负荷预测方法包含： 1) 代表性区域中经济和人口数据的联系 2) 测量点的位置 3) 负荷预测值2. 对电网可供应最大负荷和基于潮流结果的每个变电站的损耗系数的分析3. 变电站之间采用最短的地理距离，将电网中各分配负荷连接4. 一条损耗系数准则，要求确定中断电负荷（Unserved Load，UL）地区、新变电所的位置和发电单元的连接建议。第二章概述了电网未来规划中供应点辨识的研究现状与发展，第三章内容有负荷分配方案、中断电负荷以及可能的供应点的辨识，第四章介绍了数学问题的结构及其求解算法，第五章介绍了将该方案直接应用于实际城区电网中的情况。最后，第六章提出了分析、结论和未来在该领域的研究工作。二、 新建供应点辨别的研究现状与发展规划模型需要考虑负荷及其分布在电网中的暂时性增长。新建变电站的位置及其装机容量是电网扩建的基础。对于任何现有的或计划的变电站，至少在大多数情况下，不论是从经济意义上还是在技术意义上都各有一个首选地点。从成本的角度来看，一个变电站的最佳位置是总成本的各要素之间的最佳折衷。供应点辨识影响馈线和变电站的规模。因此，服务领域被划分为变电站服务区，每一个变电站服务区再根据电压等级来划分子区。另外，每个变电站有一个最佳大小或最佳容量，可以实现理想的服务成本关系。有了这些先决条件，建立一个新供应点需要联系到被分配到每个配电和输电公司的服务区，同时能够承担安全提供新的或当前电力消费的义务。为确定新供应点的位置及其对应容量，规划系统中有几种方法是可行的。它们是基于规划者的经验或对负荷自然增长的预测。除此之外，电网中新的组成部分例如分布式电源需要以战略性的方式融入规划过程。现有论文分析了分布式电源对系统的影响、稳态、动态行为以及稳定性。照此发展趋势，在确定最优电网连接点时，应该将减少有功功率损耗作为另一条标准（在确定UL的标准之上）。三、 对现有方法的概述 3.1 空间负荷预测模型已提出的方案是基于一个由人口发展趋势统计数据决定的时间负荷预测模型，通过包含典型负荷信息的分布函数来表示的，负荷信息包括如居民人数和他们的地理位置分布，商业消费的位置等。工业园区和商业建筑中，不同类型消费和消费模式中的土地利用同样也将被考虑入内。有了这个方法，每种类型消费模式下每个区域的负荷分布可以获得千瓦/平方公里单位预测指标。 3.2 因素特征网络的确定电力网络中的负荷战略分配遵循电网负载最小化的准则。其次，确定可供应最大容量以及电网中各供应点相关损耗系数，它们是由某些参数定义的。这些供应点按照它们的消费能力和由电网利用率决定的损耗程度（与有功功率损耗有关）来排列等级。除了有功功率损耗，系统的状态变量（如发电量、电压和电流水平）可以通过潮流获得。当考虑静态峰值负荷的情况下，每个电源供应点都要计算一个损耗因数。损耗系数是每台运行设备最大容量的函数，表征了每个供应点的负荷水平。有了这些电力参数，电网也可能将空间分布负荷和地理分布负荷联系到电网连接点和各供应点的相关损耗系数。 3.3 电网中的负荷连接根据配电网负荷预测和电网特性，电网中负荷连接必须通过最小地理距离来实现。此外，损耗因数应该小，指定变电站容量必须合适。在这个原则下，低电压水平时电网损耗是最小的。为防止各母线和负荷之间距离相等，认为最小损耗因数对电网损耗水平造成的影响最小，最后是母线容量。 3.4 中断电负荷和电网新项目如果电网中存在中断电负荷，大小和位置都将要被确定。在已经供给负载的消费中，如果出现新建商业设备的大量增长，中断电负荷会相应出现。考虑到规划电力网络和负载之间的联系，这些中断电负荷应设置在离当前供应点最远的区域。如果所有中断电负荷的负荷中心具备领域供应点的平均特性（如容量，电压等），供应点就可能被确定。另一方面分布式电源的安装和运行的实现基于损耗因数分析，例如，此处分布式电源减小电网潮流的能力需要考虑在内。考虑到分布式电源的定位和新供应点，损耗因数以及负荷的最后分布得以确定。在最后分布中，认为电网中的中断电负荷容量为零。四、 电网中负荷分配和连接的现有方法 4.1 空间负荷预测模型负荷性能中关于负荷大小和分布的几个影响因素：图1. 空间潜在影响因素模型单元其主要目标是获得地区电力消费量及其地理位置。图一描述了一个城市电力网络的形成过程，可用于城市电力消费，其组成内容有：(1) 时间负荷：时间负荷结果与新工程扩展有关；(2) 城市背景：城市的特点及其居民，比如城市区域、人口密度（人/平方千米）、每户电力负荷分配、贸易密度（贸易/平方千米）以及人口增长率和土地利用；(3) 过程：根据已知条件，指标（千瓦/平方千米）可以被预测，在总区域中分为各个分区，过程如下：1) 已知每一个区的居民数、人口密度和区域的划分，可以得到一个指标用于描述每区居民数。用类似的方法，可以得到每区民用工业指标和每区农业指标；2) 每次测量中，居民数需考虑到实测住宅数，和，可通过测量获得居民的以下联系：住宅实测也包括了小型交易。代表每个区i里的所测得的交易数量。其他实测的商业和工业数量被看作是单一用户。3) 根据人口分布，每个区中的生活和商业消费，以及每个测量点测得的生活和商业中家庭人均消费值，可确定如下：表示有功功率实测值，和分别代表生活和商业消费在总电力消费中的百分比。4) 每个区中各区域的负载，根据区域划分，和需考虑在内。因此，考虑最大和最小的人均消费，可以算得到每平方千米的负荷：(4) 空间分布考虑到实际可用测量的数量：如果考虑节点(i,j)，定义其最大值为Vmax，坐标(Xmax,Ymax)，最小值Vmin，坐标(Xmin,Ymin)。提出正态分布N(x,y)及最大值Vmax，着重于坐标(Xmax,Ymax)和方差N(Xmin,Ymin) = Vmin。鉴于该方案没有实际测量，该分析在相邻部分的影响考虑在内。最后，所有区都要考虑其最大值Vmax,这些最大值包含在带有（千瓦/平方千米）值的矩阵当中。 4.2 电网表征因素根据3.2中解释的准则，首先考虑一个简单的电力系统。图2. 可供应最大负荷图2展示了由某电力系统供电的n条母线(b1,b2.bn)。连接在中电压水平母线Bm上的最大负荷Lmaxi，是母线上发电和输电设施上游最大容量的函数。(1) 最大负荷。母线的当前容量是每条母线上设施上游的最小容量，更多电力生产直接与母线连接，可表示如下：Capi对应设备i的最小容量。在此情况下，对馈线的供电相当于对。每条馈线的容量是其它与相连馈线容量以及关于特定母线和其它母线横向进给的电力参数的函数。如果考虑SF（即负载的比例因子），就可以得到连接在bi上的最小负荷：表示馈线的阻抗，代表馈线的最小容量。这个方法可以递归地用于每一条母线。得到每条母线的最小负荷和潮流结果，每个设备的有功功率损耗APLs便可以获得。损耗系数也可以计算得到。(2) 供应母线的损耗系数是电网中满载设备损耗的函数。由于网络的拓扑（分支），一台设备馈送不止一个负载。因此，有必要导出以下准则：潮流计算结果给出了母线i和母线j之间每台设备的有功功率损耗APLs。它们取决于从母线i到母线j的潮流，直接流至负载n的潮流以及剩余电力消费的总和。等式(7)考虑了配电系统中直接馈送母线的设备的有功损耗，这些设备承载了负载n和上游设备部分有功损耗。它们再乘以反映负荷n在总负荷中的比例因子，减去与母线n相连的分布式发电单元的影响：取决于系统的结构，以及与母线n相连的设备数量。然后可得母线n的损耗系数如下：是母线n 的最大负荷，单位MW。输电系统中，损耗计算也可用同样方法。 4.3 负载与电网的连接 在已提出的电网扩建方法下，损耗系数最小的母线将在新负荷连接中被最先考虑。图3. 负载与电网的连接 图3对该区损耗系数更小的母线A进行分析。负载到每一条相邻供应母线的欧几里得距离可以计算得到，且连接起来。 表示负载i，通过最小的地理距离连接到母线，容量为。如果的总和大于，最小距离和最小损耗系数的第二条母线也要考虑在内。如果两条母线距离相等，则选择损耗系数最小的那一条母线。 4.4 电网中的中断电负荷和新项目已知电网负荷分布，可知中断电负荷UL的大小和母线数量的定义是被分析区域各个区容量和数量的函数。 如果考虑分区的数量，每个区的中断电负荷水平(i=section)和同一区域相邻母线的平均容量可以计算得到。二者都用于决定每区所需母线数量：如果在相邻区域内有类似行为覆盖所有中断电负荷，计算结果就是一个向下取整函数。下一步骤是确定一条新的母线中负荷中心的位置。负荷中心是基于已识别的中断电负荷间的地理距离来确定的。起始点是坐标为(x0,y0)的负荷，再加上相邻中断电负荷。表达式如下： 表示坐标和在单位km上的值。 4.5 损耗系数的定义和分布式发电单元的使用随着新建母线最后位置的确定，除去相邻分布式发电单元的影响，定义它们的初始损耗系数成为可能。损耗系数定义为电压相同的相邻母线的平均损耗系数，考虑到它们到新建母线的地理距离，例如： 是母线j到母线k的欧几里得距离。于是，新的负荷分配方案成为可能，该方案中运用相同的方法，不考虑中断电负荷的存在，同时忽略分布式发电单元的影响。然而，考虑到分布式发电单元的内部结构，负荷分配标准应当稍作修正，损耗系数成为设备容量的函数。给连接母线的分布式发电单元建模，需要考虑带有负荷的设备影响。作为副效应，对当前设备的依赖性将会降低，可供应容量会任意增加。 母线n的损耗系数是的函数。如果分布式电源使得对的供应变少，对于母线n上所有连接设备，DG也使其在电网中的利用率减小，损耗系数也改变。 总的来说，分布式发电单元的战略定位，减轻了电网的压力，对负荷分配有重要的影响，同时给电网发展指出了一个战略性的方向。为了平衡有功功率损耗，这些发电单元位置的确定参考了主要的损耗系数。由于新建母线连接到电网不是最佳连接，的近似结果用于得到新的，与相邻母线的类似，除了考虑分布式发电单元的影响。该方案如下：电网负荷分布中分布式发电单元介绍的近似影响用来分析。理论上讲，分布式电源的容许水平是最大消耗量的两倍。如果，则在母线n上产生了优先效应；如果，则母线n相当于一条电量为，损耗系数的母线，且对相邻母线产生影响。有了这个新方法，可以得到最终的负荷分布。五、实际电网中的验证和应用本章给出了一个实际配电公司（DisCo）中该方案的应用情况。5.1 系统概述及负荷分布 该公司服务对象大概有50万。所用测量数据包含2000年至2004年的生活消费和商业消费10。所服务城市面积有297.6平方千米，分成64个区。基础信息在参考文献11,12中给出。给该区供电的电力系统设有110kV母线和10kV母线共771条，发电容量600MW包含1.8MW分布式发电容量。时间负荷预测结果在每一个测量站点都被考虑，具体分析如下：图4. 负荷预测，394站点 图4表示的是市中心测量点的负荷水平分布，清楚地展现了近年负荷水平的波动。每个区的负荷指标（千瓦/平方千米）的空间位置与测量点的坐标有关，并呈现正态分布。图5. 负荷的空间分布图5表示了2001年和2010年的负荷分布（相对于每年最大负荷）。这是根据64个区所用方案得到的关于指标（千瓦/平方千米）的统计分布预测结果。所得结果反映了近年市中心的电力消费趋势。5.2 电网分析与负荷连接 2010年的电网潮流计算结果（给出了实例中的负荷预测）以及4.2中提出算法中对峰荷需求的仿真，在两个极端案例中进行了分析。一个是负载比例因子SF=0.9，类似于实际可靠性或对当前电网的供电依赖性，另一个是极端值是SF-0.5，表示对当前电网50%的依赖性，最后案例中，寻找新的电力供应点成为可能。结果如下表所示：表1. 潮流计算结果 表1表示了最大可能负载Max Load作为负载比例因子SF的函数的变化情况。SF代表了每台设备的总容量，因此同时决定电力供应的限制。图6. 负荷分布，SF=0.9 图6展示了电网中负荷与母线利用率之间的联系，母线利用率是距离和损耗系数的函数，2010年SF=0.9。负载比例因子为0.9，表示负荷不可超过最大允许消费量。在这个案例中，不存在中断电负荷。新的潮流分布和负荷分布如下所示。表2. 新潮流计算结果，2010表2显示通过这个案例，有功功率损耗减少了0.6%，表明了该方法的优势。最后，考虑同样的负荷预测，只是SF=0.5，则2010年中断电负荷容量将会达到93.72MW。图7. 负荷分布，SF=0.5 图7表明了中断电负荷的位置，负荷与电网通过100%容量母线的连接关系（见右图）。5.3 中断电负荷的定义以及电网新项目 如果考虑案例中SF=0.5，到2010年中断电负荷UL将达到93.72MW。在这个案例中，分析已提出的新建母线成为可能。图8. 新负荷分布，SF=0.5图8展示了新建有178条10kV母线的信负荷分布方案。在这个案例中，中断电负荷UL有可能为0。5.4 作为损耗系数函数的分布式发电单元的连接主要损耗系数高于平均值0.02（参考图8）以及连接发电量50kW的母线，被考虑用来分析分布式发电单元的位置。表3. 新潮流计算结果，2010新的发电方式减少有功功率损耗0.03%，降低损耗系数值24%，同时新建母线的数量也得以减少。分布式发电单元的介绍，关于其对电网运行、对有功损耗APLs和损耗系数Lfs的变化的影响提供了不同的结果。作为这个方法的结论，推迟输电扩展规划是可行的。六、结论作为电网容量函数的负荷分布间接考虑到电网组件的寿命延长，同时保持电力供应具有很高的可靠性。这也更好地完善了电力规划过程，以满足未来电力负荷增长的需求。已提出的方法可以作为电网规划过程中的组成部分以通过最优负荷分配来实现电网损耗最小化。另外，有必要考虑电网中分布式电源的影响，鉴于该新配置有利于提高供电可靠性。已提出的电网负荷连接方法，是基于电网参数上，旨在通过负荷分布和分布式电源的实际使用来减少有功功率损耗。根据由某实际城区电网得到的结果看来，已提出方案具备一定优势。此外，已证明得到，通过到每条母线的欧氏距离有可能可以预测负荷。该信息可以用于整体上减小电网扩建等级。另外，未来中断电负荷可以得到定义，为使得有功损耗最小化，战略配置的分布式发电单元也会得到支持。总之，已提出方案是在分布式发电单元大量存在的情况下，作为电力系统规划的补充分析。 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