1、中文譯名電力系統(tǒng)規(guī)劃中中斷電負荷和分布式電源的確定外文原文版出處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譯 文：摘要：電網(wǎng)中電力負荷的分配是電力系統(tǒng)規(guī)劃中基礎(chǔ)的一步。介于電力市場的實際結(jié)構(gòu)和分布式電源的巨大而迅速的發(fā)展

2、，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中考慮這些連接點的影響是非常有必要的，包括分析它如何影響電網(wǎng)中的有功功率損耗以及負荷分布。本文概述了分布式電源單元定位和一種電網(wǎng)負荷預(yù)測的方法。該方法基于空間負荷分配、電網(wǎng)參數(shù)和由每個新的發(fā)電設(shè)備引起的有功損耗，且已被運用到實際系統(tǒng)中，展現(xiàn)了其使用潛力。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)規(guī)劃模型；分布式電源；空間負荷預(yù)測；有功功率損耗一、緒論 現(xiàn)如今帶有競爭力、大規(guī)模電力市場的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，鼓勵引進新代理商和產(chǎn)品、客戶合作、新的消費行為和利益相關(guān)者（比如電力生產(chǎn)者、電網(wǎng)運營商、電力供應(yīng)商（如交易員）的專業(yè)化。這個新的結(jié)構(gòu)使得市場參與者力圖設(shè)施最大化，同時盡量減少成本。在這個情況下，發(fā)展可確定和減

3、少成本的電力系統(tǒng)是可行的，特別是在電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行中，考慮到分布式發(fā)電單元的巨大數(shù)量以及可能受需求側(cè)管理項目影響的一種新的電力消費行為。電網(wǎng)成本的一部分分配給有功功率損耗（APL），這部分損耗顯然受到可帶來更加高效能源利用率的新政策實施的影響。有一種情形是，新的代理商在低壓、中壓網(wǎng)進行交易，電力產(chǎn)品相應(yīng)出現(xiàn)同時減少了潮流中的功率損耗。這個情況直接取決于電力系統(tǒng)中的負荷水平及其分布。目前，減少有功功率損耗是使電力系統(tǒng)規(guī)劃和未來系統(tǒng)運行成本最小化的一個方向，因此將電壓控制、可靠性水平的提高及供應(yīng)安全性作為主要的技術(shù)目標。在當前的能源形勢下，在規(guī)劃模型中考慮有影響力的變量是有必要的，比如：1.

4、可使能量矩陣多元化新技術(shù)的發(fā)展2. 引進能源高效利用新政策的智能電網(wǎng)這兩種變量都會影響經(jīng)典的有功功率損耗預(yù)測模型，使它們發(fā)揮有利影響的方法之一是給這些新的代理商確定一個戰(zhàn)略位置使得有功功率損耗系統(tǒng)地減少。分布式電源的位置和應(yīng)用直接取決于電網(wǎng)中負荷水平及其分布。在這個背景下，本文的目的是從有功功率損耗APL和負荷分布兩方面來尋求使能源成本最小化的方法。在電力系統(tǒng)規(guī)劃模型中，估算有功損耗和負荷分布并定義其為新模型的起始點，確定分布式發(fā)電單元和消耗量的首選新連接點，預(yù)測它們在電網(wǎng)中的影響。整體目標應(yīng)該包括考慮當發(fā)生電網(wǎng)故障時，它們支持電力供應(yīng)的潛力。已提出的方法是基于一個時間負荷預(yù)測方法的結(jié)果。一種

5、新的空間負荷分布預(yù)測方法將被提出，其分析模型包括：1. 一個新的基于統(tǒng)計模型的空間負荷預(yù)測方法包含： 1) 代表性區(qū)域中經(jīng)濟和人口數(shù)據(jù)的聯(lián)系 2) 測量點的位置 3) 負荷預(yù)測值2. 對電網(wǎng)可供應(yīng)最大負荷和基于潮流結(jié)果的每個變電站的損耗系數(shù)的分析3. 變電站之間采用最短的地理距離，將電網(wǎng)中各分配負荷連接4. 一條損耗系數(shù)準則，要求確定中斷電負荷（Unserved Load，UL）地區(qū)、新變電所的位置和發(fā)電單元的連接建議。第二章概述了電網(wǎng)未來規(guī)劃中供應(yīng)點辨識的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，第三章內(nèi)容有負荷分配方案、中斷電負荷以及可能的供應(yīng)點的辨識，第四章介紹了數(shù)學問題的結(jié)構(gòu)及其求解算法，第五章介紹了將該方案直

6、接應(yīng)用于實際城區(qū)電網(wǎng)中的情況。最后，第六章提出了分析、結(jié)論和未來在該領(lǐng)域的研究工作。2、 新建供應(yīng)點辨別的研究現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃模型需要考慮負荷及其分布在電網(wǎng)中的暫時性增長。新建變電站的位置及其裝機容量是電網(wǎng)擴建的基礎(chǔ)。對于任何現(xiàn)有的或計劃的變電站，至少在大多數(shù)情況下，不論是從經(jīng)濟意義上還是在技術(shù)意義上都各有一個首選地點。從成本的角度來看，一個變電站的最佳位置是總成本的各要素之間的最佳折衷。供應(yīng)點辨識影響?zhàn)伨€和變電站的規(guī)模。因此，服務(wù)領(lǐng)域被劃分為變電站服務(wù)區(qū)，每一個變電站服務(wù)區(qū)再根據(jù)電壓等級來劃分子區(qū)。另外，每個變電站有一個最佳大小或最佳容量，可以實現(xiàn)理想的服務(wù)成本關(guān)系。有了這些先決條件，建立一個

7、新供應(yīng)點需要聯(lián)系到被分配到每個配電和輸電公司的服務(wù)區(qū)，同時能夠承擔安全提供新的或當前電力消費的義務(wù)。為確定新供應(yīng)點的位置及其對應(yīng)容量，規(guī)劃系統(tǒng)中有幾種方法是可行的。它們是基于規(guī)劃者的經(jīng)驗或?qū)ω摵勺匀辉鲩L的預(yù)測。除此之外，電網(wǎng)中新的組成部分例如分布式電源需要以戰(zhàn)略性的方式融入規(guī)劃過程。現(xiàn)有論文分析了分布式電源對系統(tǒng)的影響、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)行為以及穩(wěn)定性。照此發(fā)展趨勢，在確定最優(yōu)電網(wǎng)連接點時，應(yīng)該將減少有功功率損耗作為另一條標準（在確定UL的標準之上）。3、 對現(xiàn)有方法的概述 3.1 空間負荷預(yù)測模型已提出的方案是基于一個由人口發(fā)展趨勢統(tǒng)計數(shù)據(jù)決定的時間負荷預(yù)測模型，通過包含典型負荷信息的分布函數(shù)來表示

8、的，負荷信息包括如居民人數(shù)和他們的地理位置分布，商業(yè)消費的位置等。工業(yè)園區(qū)和商業(yè)建筑中，不同類型消費和消費模式中的土地利用同樣也將被考慮入內(nèi)。有了這個方法，每種類型消費模式下每個區(qū)域的負荷分布可以獲得千瓦/平方公里單位預(yù)測指標。 3.2 因素特征網(wǎng)絡(luò)的確定電力網(wǎng)絡(luò)中的負荷戰(zhàn)略分配遵循電網(wǎng)負載最小化的準則。其次，確定可供應(yīng)最大容量以及電網(wǎng)中各供應(yīng)點相關(guān)損耗系數(shù)，它們是由某些參數(shù)定義的。這些供應(yīng)點按照它們的消費能力和由電網(wǎng)利用率決定的損耗程度（與有功功率損耗有關(guān)）來排列等級。除了有功功率損耗，系統(tǒng)的狀態(tài)變量（如發(fā)電量、電壓和電流水平）可以通過潮流獲得。當考慮靜態(tài)峰值負荷的情況下，每個電源供應(yīng)點都要

9、計算一個損耗因數(shù)。損耗系數(shù)是每臺運行設(shè)備最大容量的函數(shù)，表征了每個供應(yīng)點的負荷水平。有了這些電力參數(shù)，電網(wǎng)也可能將空間分布負荷和地理分布負荷聯(lián)系到電網(wǎng)連接點和各供應(yīng)點的相關(guān)損耗系數(shù)。 3.3 電網(wǎng)中的負荷連接根據(jù)配電網(wǎng)負荷預(yù)測和電網(wǎng)特性，電網(wǎng)中負荷連接必須通過最小地理距離來實現(xiàn)。此外，損耗因數(shù)應(yīng)該小，指定變電站容量必須合適。在這個原則下，低電壓水平時電網(wǎng)損耗是最小的。為防止各母線和負荷之間距離相等，認為最小損耗因數(shù)對電網(wǎng)損耗水平造成的影響最小，最后是母線容量。 3.4 中斷電負荷和電網(wǎng)新項目如果電網(wǎng)中存在中斷電負荷，大小和位置都將要被確定。在已經(jīng)供給負載的消費中，如果出現(xiàn)新建商業(yè)設(shè)備的大量增長

10、，中斷電負荷會相應(yīng)出現(xiàn)?？紤]到規(guī)劃電力網(wǎng)絡(luò)和負載之間的聯(lián)系，這些中斷電負荷應(yīng)設(shè)置在離當前供應(yīng)點最遠的區(qū)域。如果所有中斷電負荷的負荷中心具備領(lǐng)域供應(yīng)點的平均特性（如容量，電壓等），供應(yīng)點就可能被確定。另一方面分布式電源的安裝和運行的實現(xiàn)基于損耗因數(shù)分析，例如，此處分布式電源減小電網(wǎng)潮流的能力需要考慮在內(nèi)?？紤]到分布式電源的定位和新供應(yīng)點，損耗因數(shù)以及負荷的最后分布得以確定。在最后分布中，認為電網(wǎng)中的中斷電負荷容量為零。4、 電網(wǎng)中負荷分配和連接的現(xiàn)有方法 4.1 空間負荷預(yù)測模型負荷性能中關(guān)于負荷大小和分布的幾個影響因素：圖1. 空間潛在影響因素模型單元其主要目標是獲得地區(qū)電力消費量及其地理位置

11、。圖一描述了一個城市電力網(wǎng)絡(luò)的形成過程，可用于城市電力消費，其組成內(nèi)容有：(1) 時間負荷：時間負荷結(jié)果與新工程擴展有關(guān)；(2) 城市背景：城市的特點及其居民，比如城市區(qū)域、人口密度（人/平方千米）、每戶電力負荷分配、貿(mào)易密度（貿(mào)易/平方千米）以及人口增長率和土地利用；(3) 過程：根據(jù)已知條件，指標（千瓦/平方千米）可以被預(yù)測，在總區(qū)域中分為各個分區(qū)，過程如下：1) 已知每一個區(qū)的居民數(shù)、人口密度和區(qū)域的劃分，可以得到一個指標用于描述每區(qū)居民數(shù)。用類似的方法，可以得到每區(qū)民用工業(yè)指標和每區(qū)農(nóng)業(yè)指標；2) 每次測量中，居民數(shù)需考慮到實測住宅數(shù)，和，可通過測量獲得居民的以下聯(lián)系：住宅實測也包括了

12、小型交易。代表每個區(qū)i里的所測得的交易數(shù)量。其他實測的商業(yè)和工業(yè)數(shù)量被看作是單一用戶。3) 根據(jù)人口分布，每個區(qū)中的生活和商業(yè)消費，以及每個測量點測得的生活和商業(yè)中家庭人均消費值，可確定如下：表示有功功率實測值，和分別代表生活和商業(yè)消費在總電力消費中的百分比。4) 每個區(qū)中各區(qū)域的負載，根據(jù)區(qū)域劃分，和需考慮在內(nèi)。因此，考慮最大和最小的人均消費，可以算得到每平方千米的負荷：(4) 空間分布考慮到實際可用測量的數(shù)量：如果考慮節(jié)點(i,j)，定義其最大值為Vmax，坐標(Xmax,Ymax)，最小值Vmin，坐標(Xmin,Ymin)。提出正態(tài)分布N(x,y)及最大值Vmax，著重于坐標(Xmax

13、,Ymax)和方差N(Xmin,Ymin) = Vmin。鑒于該方案沒有實際測量，該分析在相鄰部分的影響考慮在內(nèi)。最后，所有區(qū)都要考慮其最大值Vmax,這些最大值包含在帶有（千瓦/平方千米）值的矩陣當中。 4.2 電網(wǎng)表征因素根據(jù)3.2中解釋的準則，首先考慮一個簡單的電力系統(tǒng)。圖2. 可供應(yīng)最大負荷圖2展示了由某電力系統(tǒng)供電的n條母線(b1,b2.bn)。連接在中電壓水平母線Bm上的最大負荷Lmaxi，是母線上發(fā)電和輸電設(shè)施上游最大容量的函數(shù)。(1) 最大負荷。母線的當前容量是每條母線上設(shè)施上游的最小容量，更多電力生產(chǎn)直接與母線連接，可表示如下：Capi對應(yīng)設(shè)備i的最小容量。在此情況下，對饋線

14、的供電相當于對。每條饋線的容量是其它與相連饋線容量以及關(guān)于特定母線和其它母線橫向進給的電力參數(shù)的函數(shù)。如果考慮SF（即負載的比例因子），就可以得到連接在bi上的最小負荷：表示饋線的阻抗，代表饋線的最小容量。這個方法可以遞歸地用于每一條母線。得到每條母線的最小負荷和潮流結(jié)果，每個設(shè)備的有功功率損耗APLs便可以獲得。損耗系數(shù)也可以計算得到。(2) 供應(yīng)母線的損耗系數(shù)是電網(wǎng)中滿載設(shè)備損耗的函數(shù)。由于網(wǎng)絡(luò)的拓撲（分支），一臺設(shè)備饋送不止一個負載。因此，有必要導出以下準則：潮流計算結(jié)果給出了母線i和母線j之間每臺設(shè)備的有功功率損耗APLs。它們?nèi)Q于從母線i到母線j的潮流，直接流至負載n的潮流以及剩余

15、電力消費的總和。等式(7)考慮了配電系統(tǒng)中直接饋送母線的設(shè)備的有功損耗，這些設(shè)備承載了負載n和上游設(shè)備部分有功損耗。它們再乘以反映負荷n在總負荷中的比例因子，減去與母線n相連的分布式發(fā)電單元的影響：取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及與母線n相連的設(shè)備數(shù)量。然后可得母線n的損耗系數(shù)如下：是母線n 的最大負荷，單位MW。輸電系統(tǒng)中，損耗計算也可用同樣方法。 4.3 負載與電網(wǎng)的連接 在已提出的電網(wǎng)擴建方法下，損耗系數(shù)最小的母線將在新負荷連接中被最先考慮。圖3. 負載與電網(wǎng)的連接 圖3對該區(qū)損耗系數(shù)更小的母線A進行分析。負載到每一條相鄰供應(yīng)母線的歐幾里得距離可以計算得到，且連接起來。 表示負載i，通過最小的地理

16、距離連接到母線，容量為。如果的總和大于，最小距離和最小損耗系數(shù)的第二條母線也要考慮在內(nèi)。如果兩條母線距離相等，則選擇損耗系數(shù)最小的那一條母線。 4.4 電網(wǎng)中的中斷電負荷和新項目已知電網(wǎng)負荷分布，可知中斷電負荷UL的大小和母線數(shù)量的定義是被分析區(qū)域各個區(qū)容量和數(shù)量的函數(shù)。 如果考慮分區(qū)的數(shù)量，每個區(qū)的中斷電負荷水平(i=section)和同一區(qū)域相鄰母線的平均容量可以計算得到。二者都用于決定每區(qū)所需母線數(shù)量：如果在相鄰區(qū)域內(nèi)有類似行為覆蓋所有中斷電負荷，計算結(jié)果就是一個向下取整函數(shù)。下一步驟是確定一條新的母線中負荷中心的位置。負荷中心是基于已識別的中斷電負荷間的地理距離來確定的。起始點是坐標為

17、(x0,y0)的負荷，再加上相鄰中斷電負荷。表達式如下： 表示坐標和在單位km上的值。 4.5 損耗系數(shù)的定義和分布式發(fā)電單元的使用隨著新建母線最后位置的確定，除去相鄰分布式發(fā)電單元的影響，定義它們的初始損耗系數(shù)成為可能。損耗系數(shù)定義為電壓相同的相鄰母線的平均損耗系數(shù)，考慮到它們到新建母線的地理距離，例如： 是母線j到母線k的歐幾里得距離。于是，新的負荷分配方案成為可能，該方案中運用相同的方法，不考慮中斷電負荷的存在，同時忽略分布式發(fā)電單元的影響。然而，考慮到分布式發(fā)電單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，負荷分配標準應(yīng)當稍作修正，損耗系數(shù)成為設(shè)備容量的函數(shù)。給連接母線的分布式發(fā)電單元建模，需要考慮帶有負荷的設(shè)備影

18、響。作為副效應(yīng)，對當前設(shè)備的依賴性將會降低，可供應(yīng)容量會任意增加。 母線n的損耗系數(shù)是的函數(shù)。如果分布式電源使得對的供應(yīng)變少，對于母線n上所有連接設(shè)備，DG也使其在電網(wǎng)中的利用率減小，損耗系數(shù)也改變。 總的來說，分布式發(fā)電單元的戰(zhàn)略定位，減輕了電網(wǎng)的壓力，對負荷分配有重要的影響，同時給電網(wǎng)發(fā)展指出了一個戰(zhàn)略性的方向。為了平衡有功功率損耗，這些發(fā)電單元位置的確定參考了主要的損耗系數(shù)。由于新建母線連接到電網(wǎng)不是最佳連接，的近似結(jié)果用于得到新的，與相鄰母線的類似，除了考慮分布式發(fā)電單元的影響。該方案如下：電網(wǎng)負荷分布中分布式發(fā)電單元介紹的近似影響用來分析。理論上講，分布式電源的容許水平是最大消耗量的

19、兩倍。如果，則在母線n上產(chǎn)生了優(yōu)先效應(yīng)；如果，則母線n相當于一條電量為，損耗系數(shù)的母線，且對相鄰母線產(chǎn)生影響。有了這個新方法，可以得到最終的負荷分布。五、實際電網(wǎng)中的驗證和應(yīng)用本章給出了一個實際配電公司（DisCo）中該方案的應(yīng)用情況。5.1 系統(tǒng)概述及負荷分布 該公司服務(wù)對象大概有50萬。所用測量數(shù)據(jù)包含2000年至2004年的生活消費和商業(yè)消費10。所服務(wù)城市面積有297.6平方千米，分成64個區(qū)?；A(chǔ)信息在參考文獻11,12中給出。給該區(qū)供電的電力系統(tǒng)設(shè)有110kV母線和10kV母線共771條，發(fā)電容量600MW包含1.8MW分布式發(fā)電容量。時間負荷預(yù)測結(jié)果在每一個測量站點都被考慮，具體

20、分析如下：圖4. 負荷預(yù)測，394站點 圖4表示的是市中心測量點的負荷水平分布，清楚地展現(xiàn)了近年負荷水平的波動。每個區(qū)的負荷指標（千瓦/平方千米）的空間位置與測量點的坐標有關(guān)，并呈現(xiàn)正態(tài)分布。圖5. 負荷的空間分布圖5表示了2001年和2010年的負荷分布（相對于每年最大負荷）。這是根據(jù)64個區(qū)所用方案得到的關(guān)于指標（千瓦/平方千米）的統(tǒng)計分布預(yù)測結(jié)果。所得結(jié)果反映了近年市中心的電力消費趨勢。5.2 電網(wǎng)分析與負荷連接 2010年的電網(wǎng)潮流計算結(jié)果（給出了實例中的負荷預(yù)測）以及4.2中提出算法中對峰荷需求的仿真，在兩個極端案例中進行了分析。一個是負載比例因子SF=0.9，類似于實際可靠性或?qū)Ξ?/p>

21、前電網(wǎng)的供電依賴性，另一個是極端值是SF-0.5，表示對當前電網(wǎng)50%的依賴性，最后案例中，尋找新的電力供應(yīng)點成為可能。結(jié)果如下表所示：表1. 潮流計算結(jié)果 表1表示了最大可能負載Max Load作為負載比例因子SF的函數(shù)的變化情況。SF代表了每臺設(shè)備的總?cè)萘浚虼送瑫r決定電力供應(yīng)的限制。圖6. 負荷分布，SF=0.9 圖6展示了電網(wǎng)中負荷與母線利用率之間的聯(lián)系，母線利用率是距離和損耗系數(shù)的函數(shù)，2010年SF=0.9。負載比例因子為0.9，表示負荷不可超過最大允許消費量。在這個案例中，不存在中斷電負荷。新的潮流分布和負荷分布如下所示。表2. 新潮流計算結(jié)果，2010表2顯示通過這個案例，有功功率損耗減少了0.6%，表明了該方法的優(yōu)勢。最后，考慮同樣的負荷預(yù)測，只是SF=0.5，則2010年中斷電負荷容量將會達到93.72MW。圖7. 負荷分布，SF=0.5 圖7表明了中斷電負荷的位置，負荷與電網(wǎng)通過100%容量母線的連接關(guān)系（見右圖）。5.3 中斷電負荷的定義以及電網(wǎng)新項目 如果考慮案例中SF=0.