配電網規(guī)劃

配電網規(guī)劃是指在分析和研究未來負荷增長情況以及城市配電網現(xiàn)狀的基礎上，設計一套系統(tǒng)擴建和改造的計劃。在盡可能滿足未來用戶容量和電能質量的情況下，對可能的各種接線形式、不同的線路數(shù)和不同的導線截面，以運行經濟性為指標，選擇最優(yōu)或次優(yōu)方案作為規(guī)劃改造方案，使電力公司及其有關部門獲得最大利益的過程。

配電網規(guī)劃的主要內容如下：負荷預測、變電站優(yōu)化、配電網網架優(yōu)化、配電網潮流計算、正常和故障狀態(tài)下的可靠性分析等。

配電網規(guī)劃是配電網發(fā)展和改造的總體計劃。包括近期（1～5年）、中期（6～15年）和遠期（16～30年）規(guī)劃。規(guī)劃制定的順序是從長期開始，依次為中期規(guī)劃和近期規(guī)劃。遠期規(guī)劃屬于戰(zhàn)略規(guī)劃，它主要決策城市電網發(fā)展的重大問題和發(fā)展方向（如建立新的電壓等級、確定新的城市電網電源點、論證規(guī)劃末期的城市需電量以及城市可能發(fā)生的改造和擴展方向），為中期和近期規(guī)劃制定目標。中期和近期規(guī)劃屬于戰(zhàn)役規(guī)劃，主要為遠期規(guī)劃的任務和目標如何實施確定時間表。遠期規(guī)劃要求中期和近期的城市電網建設和改造是遠期電網發(fā)展目標的一部分，保證近期和遠期投入的設備在規(guī)劃期間不會發(fā)生拆除的現(xiàn)象。一般是以長期規(guī)劃指導中期和近期規(guī)劃，以中期、近期規(guī)劃落實和調整長期規(guī)劃。配電網規(guī)劃的流程如下：

(1)原始資料的收集準備：配電設施從負荷密度大的大城市到負荷密度小的鄉(xiāng)村，其對象廣、數(shù)量多，而且是多樣化的。因此，必須掌握各種配電地區(qū)的特性及將來經濟結構的變化趨勢。

(2)確定可能的配電規(guī)劃方案：在整個電力系統(tǒng)中，按地區(qū)從滿足長期供電需要出發(fā)，并考慮經濟等因素。確定各可行方案。

(3)對可行方案進行評價，對各可行方案的供電能力、供電可靠性、供電電壓的要求及對未來發(fā)展和對環(huán)境的適應性進行詳細的積極性評價。

(4)確定最佳配電網規(guī)劃方案。

配電網具有電壓等級多，網絡結構復雜，設備類型多樣，作業(yè)點多面廣，安全環(huán)境相對較差等特點，因此配電網的安全風險因素也相對較多。另外，由于配電網的功能是為各類用戶提供電力能源，這就對配網的安全可靠運行提出更高要求。

配電線路導線線徑比輸電線路的小，且“主線段與分歧線”以及“上、下相鄰線路”導線型號規(guī)格差異大，導致配電線的線路短路阻抗角φ較小，即R/X較大。不僅使得在輸電網中所采用的潮流計算常規(guī)算法難以在配網潮流計算時得到收斂，還會因不同點故障的短路阻抗角不一致，對保護動作靈敏度和可靠性產生一定影響。

配電網一般采用閉環(huán)設計、開環(huán)運行，其結構呈輻射狀。采用閉環(huán)結構是為了提高運行的靈活性和供電可靠性；開環(huán)運行一方面是為了限制短路故障電流，防止斷路器超出遮斷容量發(fā)生爆炸，另一方面是控制故障波及范圍，避免故障停電范圍擴大。

將電力系統(tǒng)中從降壓配電變電站（高壓配電變電站）出口到用戶端的這一段系統(tǒng)稱為配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)是由多種配電設備（或元件）和配電設施所組成的變換電壓和直接向終端用戶分配電能的一個電力網絡系統(tǒng)。

配電網由架空線路、桿塔、電纜、配電變壓器、開關設備、無功補償電容等配電設備及附屬設施組成，它在電力網中的主要作用是分配電能。從配電網性質角度來看，配電網設備還包括變電站的配電裝置。

電網電壓等級一般可劃分為：特高壓（1000kV交流及以上和±800kV直流）、超高壓（330kV及以上至1000kV以下）、高壓（35～220kV）、中壓（6～20kV）、低壓（0.4kV）五類。我國配電系統(tǒng)的電壓等級，根據(jù)（Q/GDW 156-2006）《城市電網規(guī)劃設計導則》的規(guī)定，35kV、63kv、110kv為高壓配電系統(tǒng)；6kV~10kV（20kV）為中壓配電系統(tǒng)；220V（380V）為低壓配電系統(tǒng)。于是，配電網的分類如下：

配電網按電壓等級分類

高壓配電網（6～110kV）；

低壓配電配電網網（0.4kV）。

配電網按供電區(qū)域分類

城市配電網；

農村配電網；

工廠配電網。

配電網按電網功能分類，

主網（66kV及以上）；

配網（35kV及以下）。

66kV（110kV）電網的主要作用是連接區(qū)域高壓（220kV及以上）電網。35kV及以下配網的主要作用是為各個配電站和各類用戶提供電源。10kV及以上電壓等級的高壓用戶直接由供電（農電）變電站高壓配電裝置以及高壓用戶專用線提供電源。

配電網基本情況的數(shù)據(jù)有線路數(shù)、總長度、傳送容量、傳輸距離、絕緣狀態(tài)、開關數(shù)、導線情況等。配電網存在的主要問題有如下7方面：

(1)現(xiàn)存配電網能否滿足負荷發(fā)展的需要；

(2)絕緣老化程度如何；

(3)導線線徑是否過細，有無“瓶頸”線路存在；

(4)各線路供電可靠指標高低；

(5)線路中開關的數(shù)量、投入時間、運行中發(fā)生過哪些故障；

(6)線路損失率指標高低；

(7)線路維修情況。

在配電網規(guī)劃時要考慮規(guī)劃區(qū)的經濟地位，規(guī)劃區(qū)在經濟發(fā)展中的地位對配電網的規(guī)劃任務有著重要的影響。規(guī)劃區(qū)是否為工業(yè)開發(fā)區(qū)、商業(yè)中心、經濟作物區(qū)、旅游區(qū)、農業(yè)開發(fā)區(qū)、科技中心區(qū)等，對規(guī)劃區(qū)負荷的發(fā)展、供電可靠性的要求必將有所不同，也會影響規(guī)劃的電網等級和規(guī)模。

配電網是以使用電能為主要任務的那一部分電力網絡，根據(jù)電壓等級分為高壓、中壓和低壓配電網。

高壓配電網：通常為35-110kV，負荷密度大可用220kV。

中壓配電網：通常6-10kV，6kV為淘汰型。

低壓配電網：220/380V。

電壓等級的選擇問題是一個技術經濟問題。需求隨電壓增大而下降的運行成本曲線與上升的投資成本曲線的交點。

我國中壓配電網以10kV為主。隨著近年來經濟的迅猛發(fā)展，用電需求急劇攀升，10kV配電

系統(tǒng)呈現(xiàn)出容量小、損耗大、供電半徑短、占用通道多等劣勢，配電網建設與土地資源利用的矛盾日益顯現(xiàn)。20kV中壓供電優(yōu)勢：20kV是介于35kV與10kV之間的新供電模式。與35kV相比，20kV可降低造價、節(jié)約土地、減少電壓轉換環(huán)節(jié)、集約利用廊道資源。與10kV相比，20kV供電半徑增加60%，供電范圍擴大1.5倍，供電能力提高1倍，輸送損耗降低75%，通道寬度基本相當，在輸送功率相同時，可減少變電站和線路布點2100433B

由于大量的常閉分段開關和常開聯(lián)絡開關存在于配電網中有，調度員在正常、檢修或事故運行方式下，需要根據(jù)實際情況對分段開關和聯(lián)絡開關進行操作來調整配電網絡結構，以優(yōu)化配電網運行模式，從而提高電網的安全性、可靠性和經濟性。這種方式被稱為配電網重構。按照應用側重點的不同，配電網重構可分為網絡優(yōu)化重構（簡稱網絡重構）和故障后重構（也稱故障恢復）。

作為配電系統(tǒng)運行和控制的重要手段配電網重構在配電管理系統(tǒng)中起著重要作用。目前，配電網絡廣泛采用環(huán)狀設計、開環(huán)運行。通常情況下，在沿饋線方向上分布了一定數(shù)量的常閉分段開關，而在饋線之間裝有常開的聯(lián)絡開關。為了提高電網的可靠性和經濟性，在正常運行狀態(tài)下，根據(jù)負荷的變化需要定期調整這些開關的狀態(tài)來重新建構配電網絡的運行結構，使負荷在各饋線之間自由流動，從而達到合理分配的目的；在故障狀態(tài)下，為了保證供電能夠得到盡快地恢復，網絡運行方式最為經濟合理，相應的網絡結構優(yōu)化也是十分必要的。

實際上，由于配電網中的開關數(shù)目巨大，隨之生成的環(huán)狀網絡樹的數(shù)量也十分可觀，因此在理論上配電網重構問題是一個龐大的非線性整數(shù)組合優(yōu)化問題?？紤]到開關組合數(shù)量巨大，將它們作為優(yōu)化變量進行窮舉搜索將面臨“組合爆炸”問題，從而導致數(shù)學求解過程中計算量過大，占用大量的機時，并且無法確保計算過程的收斂性。為了解決計算速度的問題，研究人員提出了許多不同的方法來解決配電網絡重構問題，目前大家將研究與改進的主要方向集中在優(yōu)化算法和優(yōu)化目標兩個方面。

ADN一般是指由分布式電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構成的配電系統(tǒng)。

配電網是指電力系統(tǒng)中二次降壓變電所低壓側直接或經過降壓變壓器降壓后向用戶供電的網絡。配電網按電壓等級可分為高壓配電網(35~110kV)、中壓配電網(6~10kV)和低壓配電網((0.4kV)，而ADN多指含DG的更靠近用戶側的低壓配電網。

低壓配電網的結構按接線方式大致可分為三種:輻射網、樹狀網、環(huán)狀網。如圖1所示。圖1中位于低壓母線出口處的黑色方塊代表斷路器，饋線上的黑色圓點代表線路節(jié)點，箭頭代表負荷。不管是何種結構，都是由高壓電網經降壓變壓器降壓后通過單個或者多個饋線向某區(qū)域內用戶供電，而用戶則可以處于饋線上的任意節(jié)點。

低壓配電網一般具有如下特點:

1)深入城市中心和居民密集點;

2)傳輸功

率和傳輸距離一般不大;

3)供電容量、用戶性質、供電質量和可靠性要求不同;

4)中性點不接地運行，單相接地時允許運行一段時間。

主動配電網建模變壓器模型

ADN結構中包含一個連接大電網的降壓變壓器，其額定容量等級通常在0.1~1MVA之間。額定容量的等級同時也決定了整個配電網中所能承載的負荷容量。變壓器通常有一個典型的載荷調節(jié)范圍為額定容量的士5%。變壓器負荷率又稱運行率，是影響變壓器容量、臺數(shù)和電網結構的重要參數(shù)，其表達式為:

式中，S₁為變壓器的實際最大負荷，S_sc為變壓器的額定短路容量。K_P取值大，則稱高負荷率;K_P取值小，則稱低負荷率。

變壓器的勵磁電流通常占額定負載電流的百分比很小(正常低于3 %)，故勵磁支路在諧波分析中經常被忽略，所以變壓器一般利用它們的串聯(lián)漏電抗表示。在諧波作用下，變壓器繞組以及繞組匝間的電容將起作用，若諧波次數(shù)不太高，此作用可忽略。故變壓器等值電路可簡化為一個連接變壓器原副邊節(jié)點的阻抗支路，如圖2所示。

主動配電網建模輸電線路模型

ADN中的輸電線路主要有地下電纜和架空線路。前者主要應用在高負荷密度的城市區(qū)域，而后者應用更為普遍，主要材料是絕緣A1芯或Cu芯導體。

在電力系統(tǒng)分析中，用電阻、電抗、電納和電導參數(shù)反映輸電線路特性。實際上，這些參數(shù)沿線均勻分布，即在線路任一微小長度內都存在電阻、電抗、電納和電導，因此精確地建模非常復雜。輸電線路模型可分為等值的集中參數(shù)元件模型和行波模型兩大類。在僅需要分析線路端口狀況，即兩端電壓、電流、功率時，通?？刹豢紤]線路的分布特性，用集中參數(shù)元件模型模擬輸電線路;當線路較長時，則需要用雙曲函數(shù)研究均勻分布參數(shù)的線路。

主動配電網建模負荷模型

ADN中的負荷按其特性分類大致可分為線性負荷和非線性負荷兩類。線性負荷可作為抑制諧波畸變的元件，用接地等值阻抗可以模擬，在諧波頻率下，其電抗隨著頻率變化。非線性負荷主要包括家用電子設備以及換流式開關電源等，這些非線性負荷對配電系統(tǒng)來說相當于離散型諧波源。隨著非線性負荷的大量增加，會加重用戶電流的畸變率，影響供電電流波形。但是由于不同非線性負荷的諧波電流分量存在相角差經常會發(fā)生相互抵消，因而降低了系統(tǒng)對電壓畸變水平的有效影響。

同理，DG作為ADN中的有源非線性負荷，諧波之間也存在相互抵消的現(xiàn)象。有研究表明[[32]，對于同類負荷，低次諧波分量(如3次和5次)只有很少的抵消作用，而高次諧波分量的抵消作用卻很明顯。在對高次諧波需要關注的時候，這類抵消效應是很重要的，諧波之間的相位差、配電網的線路阻抗以及負荷都能消除部分諧波。同時，配電網中固有的單相負荷使得配網具有不對稱的特點。

(1)線性負荷模型

在給定頻率時，線性負荷等值阻抗為常數(shù)，負荷吸收的有功功率和無功功率與負荷的電壓平方成正比。如圖3所示為串聯(lián)和并聯(lián)的恒阻抗負荷模型。

(2)非線性負荷模型

非線性負荷主要包括一些電力電子型設備，比如個人計算機、節(jié)能熒光燈、電視機和熒光照明設備等。這些負荷除了是諧波源之外，還不能用恒定的R, L,C結構來表示，而且其非線性特性不太適合用線性諧波等值模型表示。非線性負荷可以作為諧波注入電流源考慮，對于一些非線性負荷來說，只要實際的電壓畸變低于1%左右，就可以看成是理想的電流源。

主動配電網建模DG模型

由于DG變流器是ADN諧波的主要來源之一，為了對ADN的諧波特性進行研究，有必要通過建立合理的模型研究DG變流器的諧波特性。

1、DG的分類

DG的形式主要包括微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能光伏電池、風力發(fā)電以及儲能裝置等，其中以光伏發(fā)電和風力發(fā)電應用最為廣泛。下面簡要介紹一下儲能裝置、光伏發(fā)電和風力發(fā)電的拓撲結構及工作原理。

(1)儲能裝置

在配電網中接入儲能裝置，可以起到良好的移峰填谷的作用。在電量過剩時，儲能裝置可以吸收能量，反之，在電量緊缺時，儲能裝置釋放能量。同時，為支持ADN的離網運行狀態(tài)，ADN中通常安裝能快速調節(jié)頻率和功率平衡的儲能裝置。該儲能裝置可以是蓄電池組，也可以是飛輪儲能等。其安裝位置多在降壓變壓器低壓側出口母線處。典型的蓄電池接入電網的拓撲結構如圖4所示。

(2)光伏發(fā)電(PV)

由于光伏發(fā)電受光照強度和天氣情況等制約，輸出功率具有隨機性和波動性，故在ADN中通常采用電流型控制策略。其典型雙級式并網拓撲結構如圖5所示，太陽能電池組件發(fā)出的直流電經過直直變換器升壓，再經并網變流器將直流電轉換成工頻交流電，最后經濾波裝置、隔離變壓器之后并網。采用這種雙級式拓撲結構能簡化每一級的控制方法，提高各級的控制效率。

(3)風力發(fā)電(WP)

風力發(fā)電(Wind Power)是一種由傳動裝置將風能轉為機械能，再由發(fā)電機將風能轉換為電能的發(fā)電技術。風力發(fā)電因為風速的不確定性，導致其輸出功率與PV系統(tǒng)一樣具有隨機性和波動性。故其在ADN中同樣采用電流型控制策略。以兩大主流機型直驅型和雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)為例，其典型拓撲結構如圖6所示。圖6中(a)為直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，同步發(fā)電機發(fā)出的電能經過交一直一交變流器轉換為工頻交流電，再經過濾波裝置、隔離變壓器之后并網。圖6中(b)為雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)，雙饋機的定子側輸出工頻交流電直接與電網相連，轉子側則經交一直一交變流器再與電網相連，以提供可控的轉子勵磁電流。與雙饋機組相比，直驅型風力發(fā)電機組由于省去了齒輪箱，具有結構簡單，運行維護成本低，可靠性和效率高等優(yōu)點。

2、DG的接入形式

DG接入系統(tǒng)有兩種方式:并聯(lián)接入電網或通過開關切換，如圖7所示。

在并聯(lián)接入方式中，當DG供電中斷時，電網能瞬時彌補負荷差值。同樣，當電網出現(xiàn)故障時，DG也能瞬時承擔起負荷。這種方式可以保證負荷始終不間斷供電。

在開關切換方式中，任一時刻DG與電網中僅有一個電源與負荷相連，而另一個僅在開關切換后工作，但負荷在開關切換過程中處于停電狀態(tài)。

開關切換方式與并聯(lián)接入方式相比有如下優(yōu)點:

1)設備和運行簡單，控制和調節(jié)回路較少；

2)由于DG一般只在需要時運行，因而DG運行成本較低;而并聯(lián)運行時，DG始終保持運行，這不僅會增加燃料和運行維修費用，還會造成機組磨損等。

3、DG變流器模型

不同種類的DG通常需要通過電力電子裝置接口并網，不考慮不同DG的特性，認為中間直流側己控制恒定，只關注并網逆變器側。以應用最廣范的三相電壓源型兩電平PWM變流器作為研究對象，其輸出電流的諧波與電網電壓、PWM調制策略和開關頻率、控制策略和參數(shù)、工作條件和輸出功率等有關系。

三相PWM變流器最基本的工作原理是在維持直流電壓U_dc恒定的基礎上，通過調節(jié)變流器交流側輸出電壓的幅值和相位，改變網側有功和無功功率的大小。

帶PQ控制策略的Average模型框圖，如圖8所示。

圖8中P_ref和Q_ref是逆變器輸出有功和無功的設定值，與q軸電壓的1.5倍相除可以分別得到d、q軸電流的指令值(

等量變換的有功無功計算公式如下:

在Average模型中，忽略了直流側電壓的變化，在電網電壓不變的條件下，只要改變框圖中有功無功的指令就可改變變流器輸出的有功功率和無功功率，這樣就能模擬PV和WP等DG輸出功率的變化。同時，與Detail模型相比，由于沒有開關過程，Average模型的輸出電壓中不含高次諧波，只有受控制性能影響而產生的少量低次諧波。Average模型適用在不考慮SVPWM產生的低次諧波。