1 绪 论
本章论述了分布式电源（Distributed Generator，DG）与开关协调规划的背景意义，并介绍了配网开关规划、传统能源和可再生能源 DG 规划、储能类 DG 规划、考虑需求侧响应的 DG 规划以及 DG 和开关协调规划的研究现状，针对当前分布式电源与开关的部分关键科学问题：可再生能源分布式发电与开关协调规划、储能类分布式发电与开关协调规划以及传统能源分布式发电与开关协调规划进行了总结归纳，最后给出了本文的研究目标和结构安排。
1.1 选题意义
近几年来，伴随着能源政策的改变、环保意识的加强以及智能电网的发展，使得 DG 技术日益成熟，在电网经济运行和可靠性等各个方面发挥着巨大作用。分布式电源的定义[1-7]是指为了满足用户和电网经济运行的需要，利用各种分散的能源进行发电供能的系统，由此分布式电源依据能源类型可以分为可再生能源类DG、不可再生能源类 DG 和储能类 DG，其小型电源功率在几百千瓦以内，而大型电源功率可达兆瓦级。分布式电源相对传统集中式发电具有具有明显的优势[8, 9]，首先它是紧靠用户的，电力可以就地平衡，由此节省了电网投资和运行费用以及线路损耗；其次它又是按照需求发电，可以与集中供电互为补充，减少电网的总容量，并进一步提高的用户的供电可靠性；同时它还具有能源种类多的优点，发电更为灵活，能源的利用率也更高，更为环保；最后它有多种投资商，并产生不同的效益。例如 DG可以为配电公司投资，由此减少配电公司的外购电费用，当 DG 为用户所有时，则用户可以自发自用无需电力交易，进一步降低用户的用电成本。
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1.2 分布式电源规划和开关规划的研究现状
配电网特点之一便是直接与用户相连，它不仅要保障电网的安全稳定运行，还要保障用户的供电可靠性，因此开关优化配置是配网规划的重要组成部分。它通过分析开关的成本和效益，确定其位置和数量，从而达到减少故障时电网停电范围和用户停电时间，提高用户发供电可靠性。文献[15]—[18]均是以开关投资维护费用与年停电损失费用之和最小为目标，兼顾网络安全约束和可靠性约束确定开关的位置和数量，只是算法不同，其中文献[15] ，通过免疫遗传算法得到开关的最佳配置。文献[17]采用模拟退火算法研究了开关的最佳配置问题。文献[18]则采用蚁群算法求解开关规划问题。文献[19]采用灾变遗传算法求解开关的整数规划问题。文献[16]采用最小生境遗传算法研究开关最佳配置。文献[20]以开关投资维护费用最小与年停电损失费用最小两个目标为研究对象，兼顾网络安全约束，建立了开关的多目标规划模型，利用多目标遗传算法确定开关的最佳位置和数量。由上述文献可知，开关规划主要集中于两类：（1）以开关投资维护费用与年停电损失等费用之和最小的单目标规划模型，通过遗传算法等智能算法确定开关的位置和数量，目前较多的文献用此方法求解；（2）分别以开关投资维护费用最小与年停电损失费用最小等多方面为目标，建立多目标规划模型，利用多目标智能算法确定开关的位置和数量，目前此类文献较少。
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2 分布式风电和开关的协调规划方法
2.1 DWG 和开关协调的规划模型
电网规划中为了简化问题的复杂程度，会出现将电源和网络分开规划的情况，如配网规划中将变电站和网络，以及分布式电源和网架等在设计时分开进行布局，所以传统的 DG 和开关规划是将 DG 和开关分成两个阶段进行规划，如文献[111]中先对网络开关进行规划，然后再对 DG 进行布局，从而达到配置分布式发电设备和开关的目的。从文献[111]中可知分布式风电和开关分段规划模型思路如图 2.1所示，第一阶段先对开关进行规划，确定开关的位置和容量，然后第 2 阶段再对分布式风电源位置和容量进行规划，最终实现开关和 DWG 的布局。鉴于传统 DWG 和开关规划模型的不足，本章对其进行了改进，以考虑 DWG和联络线影响的 ENS 评估为纽带对 DWG 和联络开关、分段开发进行协调规划，建立考虑能量随机性影响的 DWG 和开关协调规划模型，来确定分布式风电源位置容量和联络线位置，由此实现提高配电网供电可靠性、减小网络损损和最大程度地利用风资源的目的。目前，DG 和开关协调规划的文献主要从成本角度配置 DG 位置容量和开关位置，未考虑环境因素对 DG 配置的影响，由此本章从配电公司角度出发，考虑成本、可靠性和环境三方面影响，建立相应的模型。因此，本模型的目标主要由三部分组成：DWG 和开关综合投资最小目标函数f1；采用考虑 DWG 和联络线影响的 ENS 可靠性指标最小作为优化目标，建立供电可靠性最佳的目标函数 f2；安装风能分布式电源后带来的环境效益最大的目标函数f3（节能减排效益代表风电的环境效益）。
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2.2 风电并网配电系统的年缺供电量评估方法
年缺供电量(energy not supplied，ENS)是配网的系统可靠性指标之一，目前 DG和开关协调配置文献中主要利用此指标确定开关的位置，其表达式如下，由此式可知，年缺供电量只与负荷点功率、故障率和故障平均停电持续时间有关。不含储能的分布式风电并网可以增大主变电站的供电范围，由此提高系统的可靠性，所以风电只对其影响范围内的负荷可靠性产生影响。本节借鉴文献[112]中考虑风力发电影响的配电网可靠性评估思路以及文献[113]中的分块思想，建立了风电并网配电系统年缺供电量评估方法。先利用分块算法将网络分块，然后利用风电功率的概率模型和网络结构确定风电的影响范围和对应的网络块概率，最后利用概率公式得到分布式风电影响范围内网络块的可靠性指标。为了减小环境污染，可再生能源在配电网中的比重越来越大，但是，当电网出现故障时，可再生能源因其功率不可控，会直接被切除，使其得不到充分的利用。鉴于此，本文先分析 DWG 输出功率的随机特性，然后通过联络线和间歇式分布式电源配合，利用联络线保障可再生分布式电源在故障时保持合理的频率和电压，扩大联络线的供电范围，提高网络的供电可靠性和间歇式分布式电源的利用率。
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3 电池储能系统和配网开关的协调规划方法.......... 43
3.1 电池储能系统和开关的协调规划模型......... 43
3.2 风/储并网配电系统的年缺供电量评估方法.......... 50
3.3 电池储能系统和开关协调规划的混合智能算法........... 54
3.4 算例结果与分析......... 56
3.4.1 IEEE 三馈线系统算例分析 ............ 57
3.4.2 IEEE 33 节点算例分析 .......... 61
3.5 本章小结......... 65
4 计及需求侧响应的可控 DG 和配网开关协调规划方法.......... 67
4.1 计及需求侧响应的 DG 开关协调规划模型........... 67
4.2 计及需求侧响应和可控 DG 的配电系统年缺供...... 73
4.3 可控 DG 和开关协调规划的多目标混合智能算法........ 76
4.4 算例与分析 ........ 78
4.5 本章小结 .... 84
5 结论与展望 ....87
5.1 本文研究工作的总结 .......... 87
5.2 后续研究工作的展望 .......... 88
4 计及需求侧响应的可控 DG 和配网开关协调规划方法
近年来，智能电网成为电力系统的研究热点，它的重要特征之一是支持大量分布式发电系统接入电网，而随着 DG 的大量接入，对网络可靠性产生了影响，使得传统开关规划已不适应电网需求，由此，有必要通过 DG 和开关协调规划来提高系统可靠性。同时，分布式风电作为最具有发展潜力的 DG 之一，大量的接入配网。其出力的随机性不但造成了风能资源利用不充分，出现“弃风”现象，还对配网可靠性产生了影响，如何应对风电随机波动和改善网络可靠性成为配网规划必须面对的问题。需求侧响应技术（Demand Response，DR）作为智能电网主要技术之一应用越来越广泛，它可以减少风电随机波动，提高配网对风能的消纳，被认为在技术和经济上解决此问题的方案之一。因此，在上述背景下，为了接纳风电，提高配网的可靠性和经济性，有必要在计及需求侧响应条件下，研究 DG 和开关的协调规划问题。有关分布式电源接入配电网规划的研究在理论和实践方面已取得了一些成果，前期主要以单一的 DG 规划为主[123]，但随着智能电网技术的发展，考虑网络响应、负荷响应等影响的含 DG 配网综合规划的研究被逐渐提上日程。目前可控 DG 和开关协调规划还存在以下问题：（1）含 DG 的配网综合规划未全面考虑电源响应（风电与其他 DG 配合）、网络（开关）响应和负荷响应（需求响应）对 DG 位置及容量的影响；（2）DG 和开关协调规划的可靠性研究中未涉及需求响应对网络可靠性的改善。在此背景下，本文在含 DG 的配网综合规划中引入需求响应机制，提出一种计及需求响应影响的可控 DG 和开关协调规划模型。该模型以 DG 和开关的综合投资最小为目标，以计及需求响应和 DG 影响的配网可靠性计算为纽带，兼顾网络安全约束、可靠性约束和需求响应运行约束，确定最佳的 DG 容量位置和开关位置。
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结论
近年来，可再生能源、传统能源、储能系统等形式的分布式电源，因其环保、接近负荷等优点，日益受到电能部门的关注。随着 DG 技术的成熟，越来越多的分布式电源接入到配网中，改变了配网的运行方式，并对网络的功率损耗和可靠性等造成了影响，给配电系统的规划提出了新的挑战。论文综合考虑了可再生能源、储能系统、不可再生能源、开关和需求侧响应的特点，对源-荷-网的协调规划模型与算法进行了深入研究，取得了如下成果：
① 建立了一种分布式风电和开关的协调规划模型，提出了求解模型可靠性指标的非孤岛风电并网配电系统年缺供电量评估方法以及求解模型混合整数多目标规划问题的非劣排序多目标遗传算法。相对现有的可靠性评估方法，论文方法考虑了风电系统在非孤岛运行时的可靠性贡献。相对风电和开关的分阶段规划模型，论文的协调规划模型提高了配电系统的供电可靠性和风电的利用效率，降低了开关的投资。
② 建立了开关和储能系统的协调规划模型，提出了求解模型可靠性指标的风/储并网配电系统的年缺供电量评估方法、以及求解模型混合整数规划问题的离散变量与连续变量子优化问题分解策略和多目标混合智能算法。在可靠性评估方法中，论文方法考虑了风/储系统的孤岛运行能力、储能的充放电特点及其孤岛最优调度策略，保证了风/储并网配电系统可靠性评估的精度。在协调规划模型中，充分利用了开关和储能设备的协调配合对系统可靠性的加强作用，从而通过开关和储能设备的协调规划，提高了系统的可靠性和风电的利用效率，降低了设备的综合投资。
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参考文献（略）