实践｜含分布式发电的配电网损耗分摊问题研究

目前,随着经济的快速发展,不断增长的电能需求使得集中发电满足负荷需求变得越来越困难。集中化的发电为配电网带来了线路阻塞等相关问题, 因此世界各国都开始转向可再生能源发电,这种能源基于配电网末端,增加了电力系统的可靠性,称为分布式发电( Distributed Generation) 。

从20世纪90年代开始,世界各国进行了电力体制改革实行电力市场化,其本质是电力系统的管制放松,这种电力管制的放松改变了电力系统的工作方式,采用纵向一体化系统形式,因此将发电、输电和配电三个部分进行分拆,使之各自进入到自治系统单元中。

这一变化目的就是结束输电公司和配电公司的垄断服务, 并且为发电商和用户提供可靠的服务,以遵守他们之间按照规定的税费所签订的相关协议。这些税费包括向发电商和用户提供的服务,以及与电力损耗分摊相关费用。

因此,网络损耗在确定发电商和用户的税费中起着决定性的作用,因此对于网络损耗应该正确合理地去分配。

分布式电源(DG)的存在将配电网从传统的具有单向功率流的无源网络变成具有双向功率流的有源网络。除此之外,分布式电源改变网络总损耗取决于位置和功率额定值的情况。

因此,根据分布式发电对网络损耗的影响对其进行奖励或者惩罚。此外,由于分布式发电机和负荷,支路的损耗与其通过的电流(功率)成二次函数关系。由于在网络参与者之间的这种非线性关系,网络损耗不能直接在他们之间进行分摊。

采用任何方法进行分摊的损耗总是含有一定程度的随意性。因此,配电网损耗分摊的意义在于如何提高和实现准确的损耗分摊,如何找到在经济和技术上是都合理的方法。

尽管采用各种损耗分摊方法使得配电网损耗分摊结果不唯一,但是为了获得有效的损耗分摊结果,应该使损耗分摊方法满足一定的要求,这些要求如下:

准确性、连续性、经济高效、计算简单,算法易于理解和实施,便于实现过程透明; 

将分布式发电机和负载的有功和无功功率信号正确发送出去,各用户可清晰地掌握自身和其他用户承担损耗量的额度收支平衡;

算法具有实用性,能够利用现场的实时网络数据进行计算; 

根据计算方法所得结果对分布式发电商和消费者提供适当的奖励或者惩罚。 

损耗分摊问题最初在输电领域进行研究,随着配电网中分布式发电的日益增多,输电系统中可用的损耗分摊方法被扩展到放射式配电网中,并且大多数方法都是可用的,下面对其进行详细地阐述。

将整个配电网络损耗根据电力市场参与者功率的比例进行分配,而不考虑它们在网络中的位置,因此具有相同功率但是位于不同位置的参与者就会分摊到相同的损耗,很显然对于位于变电站附近的参与者来说,这是不公平的。

该算法简单,不考虑配电网络结构和输送功率的收发点位置,缺乏有力的电力市场经济激励机制,由于不能避免用户间的交叉补贴还常常受到无法获益的用户的抱怨。

尽管该算法存在这种缺点,但是仍然被西班牙和巴西的电力监管所采用。兆瓦-公里法( MW -mile)考虑每一个市场参与者输电距离及其额定功率,克服了比例分摊方法缺点。

比例分摊法和兆瓦-公里法两种算法都很并且容易实施,但是都忽略了网络中的潮流。

广泛使用于输电网络中,该方法实质是灵敏度方法,将损耗分摊给不同的分布式电源和负载,存在计算结果与平衡节点位置相关的问题。因此,要收集准确的网络损耗,通常还要采取归一化方法。

采用分布式平衡节点的方法解决了边际增量法中的平衡节点位置问题。

通过节点的有功/无功功率与网络损耗之间的直接关系来分摊网络的总损耗。该方法基于牛顿拉夫逊法的潮流结果,因为配电网的电阻与电抗之比远远大于输电网的电阻与电抗之比,牛顿拉夫逊法不适合与配电网。

根据节点功率比例分配原则,追溯潮流走向,从而确定输电用户功率在每个输电设备所通过功率中所占份额,以此作为输电功率损耗分摊的依据。

该方法的不足在于采用了线性原理,导致网络总损耗只能单一分摊给分布式发电机或者分摊给负荷。

该方法需要形成Z-bus 矩阵。此方法有助于减少网络损耗的分布式发电机和负载产生负的损耗分摊,如果架空线路中的分流元件被忽略,就不能得到Z- bus 矩阵,因此,该方法不适用于配电网。

通过评估每个市场参与者单独对网络总损耗的影响分摊给每个参与者相应的损耗。根据每个双边交易追加后对整个系统功率损耗的影响程度来确定每个双边交易合同应分摊的损耗份额。

这类方法虽然可计入双边交易对系统的影响,但存在其不足,即双边交易追加次序计算结果对双边交易追加的次序非常敏感而且单个双边交易累加到系统中所引起的功率损耗变化的和并不等于所有双边交易同时加入系统中引起的损耗变化。

采用人工智能技术给正常和递增负荷分摊输电损耗。在损耗分摊之前,需要分配输电线路上的实际负荷,它只考虑发电机和负荷的有功功率,以优化负荷和损耗分摊的结果。

上述方法都是假定为发电机、负荷各占50%损耗分配方案。在这种方案下,网络总损耗的50%分配给发电机,剩余50% 分配给负荷。平衡节点被视为网络参与者,因此50%的网络总损耗的很大一部分被分配给平衡节点。

在放射式配电网中,没有发电机连接到平衡节点上,因此在损耗分摊中不考虑该节点。这一事实使得发电机、负荷各占50%损耗分配方案不适合放射式配电网。

为了解决上述方法的这一不足,许多学者提出了基于支路的损耗分摊方法,该方法不是分摊整个网络损耗,而是将支路中的损耗分摊给那些获得功率的节点。

下面对各种基于支路的损耗分摊方法进行详细地阐述。

首先，是一种基于电路的损耗分摊方法,该方法将支路电流分解为注入电流和节点电流。同时还阐述了带有分布式发电机的各种损耗分摊方法的特点。提出了一种基于节点电压与节点注入电流差值的准确损耗分摊方法。还提出了电力市场中配电网重构前和重构后损耗分摊方法。并将上述算法扩展到各种负荷水平下。

其次，提出了应用于含分布式发电的配电网的功率求和的损耗分摊方法,该算法对在一个节点上连接的分布式电源和负载采用二次方的损耗分摊方案。

同时，还提出了基于支路的能量损耗分配方法,该方法应用于含分布式发电的配电网中,利用日发电量曲线和日负荷曲线的统计进行损耗分摊。

另外，提出了基于电流二次损失分配方案,该方案与比例分摊法类似,通过采用向上追踪或向下追踪寻找算法对分布式发电机或负载进行分摊损耗。

还有一种，使用三步程序对分布式发电机和负荷进行分摊损耗: 

• 第一步,损耗被分配给分布式发电能力大于负荷能力的节点上发电机;

• 第二步,损耗被分配到负载能力大于分布式发电能力的节点上的负荷; 

• 第三步也是最后一步,损耗分摊结果进行归一化。

通过以上分析看出,仅仅从技术的角度出发任何一种方法都无法完全公平合理地分摊含分布式发电的配电网损耗问题。

对于电力市场中的含分布式发电的配电网损耗分摊问题,应该综合考虑各方面因素,例如配电网的运行状态、分布式发电机的接入位置等,同时应结合我国电力市场中关于含分布式发电机的配电网的具体问题,探索出适合我国的基于分布式发电机的配电网损耗分摊方法。

对目前含有分布式发电的配电网损耗分摊问题进行了研究,提出了损耗分摊方法应遵循的基本原则,同时对已有的损耗分摊方法进行比较分析,指出其优点和不足,为我国含分布式发电的配电网损耗分摊问题研究提供理论参考和借鉴。 

（来源：吉林工程技术师范学院学报  第34卷 第十期）

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