光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统

摘要

本发明公开了一种光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统，包括基础数据采集模块，数据处理模块，光伏接入配电网方案设计模块，光伏接入配电网方案分析评估模块，含光伏有源配电网的优化规划模块，含光伏有源配电网的分析评估模块，系统内置参数与案例库。本发明能够满足光伏接入配电网的方案设计与分析评估，以及含光伏有源配电网的分析评估需求，兼容国内配电网信息系统和数据的特点，支持时序分析需求。同时能够为光伏资源的合理利用和光伏发电的有效消纳提供便利工具，并为传统配电网向未来主动式智能配电网发展过渡提供分析支撑工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种配电网规划领域的系统，具体是一种光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统。

背景技术

光伏发电作为太阳能利用的主要手段，对优化能源结构、推动节能减排、实现社会经济可持续发展具有重要意义。随着相关政策和技术标准的相继出台，国内并网光伏容量近年来呈现急剧上升的趋势。大规模分布式光伏接入配电网，将对传统配电网的规划运行等多方面产生影响，传统配电网将转变为具有潮流的双向流动特性、用户的负荷与电源双重角色、负荷与电源的双端不确定性的新型有源配电网，从而导致传统配电网的分析评估工具不再完全适用，如国外的CYMDIST（CYME Distribution，CYME公司的配电网分析系统）、ETAP（ETAP公司的电力电气分析、电能管理综合分析软件系统）、DPlan（Distribution Planning，配电网规划系统）等提供的功能都属于传统的配电网分析功能，没有考虑到配电网中分布式能源大量接入的特点。已有的新能源设计工具如美国可再生能源实验室（NREL ，National Renewable Energy Laboratory）开发的微网经济性分析工具HOMER（Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources，多能源混合优化系统）、德国电力系统分析软件DIgSILENT（Digital Simulation and Electrical Network，数字仿真和电网计算系统）、以及专用的光伏系统分析和设计工具PVsyst（PhotoVoltaic system，光伏系统设计软件）、PV*SOL（PhotoVoltaic Solar，太阳能光伏系统设计软件）等，偏重于光伏电站本体辅助设计和光伏发电的运行模拟分析，并不能贯穿光伏接入工程辅助设计工作的全过程，不支持从电网整体角度衡量整个配电网的光伏容纳能力，且不能兼容国内配电网信息系统及数据的特点。

目前国内以光伏为代表的新能源接入配电网实际工作对辅助工具的需求主要表现在：

1）对光伏接入配电网辅助设计工具的需求

目前国内在开展光伏接入配电网方案设计时，通常都需要先筛选提取配电网相关信息系统中的相关数据，然后转换成PVsyst、PV*SOL等工具要求的格式，还需要组合使用多种工具以实现辅助设计、方案评价的功能，不便于光伏接入配电网方案设计工作的大规模开展。因此需要有专用的光伏接入配电网辅助设计工具，不仅贯穿光伏接入工程辅助设计工作的全过程，而且兼容国内配电网信息系统及数据的特点，可以直接嵌入到电力公司现有的配电网分析工具中。

2）对时序分析的需求

传统配电网分析工具一般采用基于某一典型时间断面的分析方法，如配电网规划通常采用最大负荷时刻的状态进行分析。而光伏发电具有间歇、随机的特点，其出力在一定范围内持续波动，且可能在短时间内急剧变化。若仍使用传统配电网分析工具基于单一时间断面的分析形式，将很有可能产生错误的分析结果，因此有必要采用时序分析方法进行更为细致的分析评估。

所述的“时序分析”，是指能够以多种时间尺度（如单一时间断面、1年、1天、1小时等）进行计算分析的体系，需要建立在具备电网时序运行数据、光伏发电装置出力时序数据等详尽时序数据的基础之上。

随着数据采集速度的提升以及海量数据存储技术的发展，配电网的时序数据采集与存储已经得以实现，电网规划设计层面的时序分析是完全可以实现的，而传统配电网分析工具并没有很好地利用这些数据。

3）对有源配电网综合评估的需求

光伏电源大规模接入配电网后，电网运行状态将会因大量具有随机性的光伏电源而变得更为复杂。由于光伏电源对配电网造成的影响并不是每个光伏电源影响的简单叠加，需要从配电网整体的角度，在时序分析的基础上对配电网进行多方面的分析，从而有效评估配电网对光伏电源接入的适应能力与接纳能力，并以此指导光伏接入配电网的规划、审批和设计，引导并网光伏的科学有序发展。

总之，目前国内亟需一套支持时序分析的光伏接入配电网方案设计与分析评估辅助系统，除能够实现对光伏接入配电网单个工程的方案设计与分析评估外，还能够对含光伏有源配电网的整体进行规划、设计、分析和评估。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术中的问题，而提供一种光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统。

本发明是按照以下技术方案实现的：

本发明的光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统，包括：

基础数据采集模块，数据处理模块，光伏接入配电网方案设计模块，光伏接入配电网方案分析评估模块，含光伏有源配电网的优化规划模块，含光伏有源配电网的分析评估模块，系统内置参数与案例库。其中：

所述的基础数据采集模块，负责获取光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统所需的外部数据，并按照方案设计与分析评估需求对这些分散的数据进行信息融合拼接，生成基础数据并存储；

所述的数据处理模块，负责对基础数据采集模块采集到的基础数据进行数据校验修复及正常运行方式数据还原处理，生成满足方案设计与分析评估需要的熟数据；

所述的光伏接入配电网方案设计模块，读入熟数据和系统内置参数与案例库的典型接入方案库中的光伏并网典型接入方案，完成光伏接入配电网方案的方案图绘制与参数配置，进而估算设备与工程投资，输出光伏接入方案；

所述的光伏接入配电网方案分析评估模块，读入光伏接入配电网方案设计模块输出的光伏接入方案，系统内置参数与案例库的评价体系库中的接入方案评价指标体系，评价规则库中的接入方案评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的接入方案典型评价案例，完成光伏接入方案的评估，对光伏接入方案的适应性与合理性做出评价，输出光伏接入方案评估结果；

所述的含光伏有源配电网的优化规划模块，读入数据处理模块输出的熟数据，系统内置参数与案例库的优化模型库中的电网优化模型和优化规则，规划案例库中的有源配电网典型规划方案，完成含光伏有源配电网的优化规划，输出有源配电网优化规划方案；

所述的含光伏有源配电网的分析评估模块，读入含光伏有源配电网的优化规划模块输出的有源配电网优化规划方案，光伏接入配电网方案分析评估模块输出的光伏接入方案评估结果，系统内置参数与案例库的评价体系库中的有源配电网评价指标体系，评价规则库中的有源配电网评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的有源配电网典型评价案例，完成含光伏有源配电网的综合评估，输出有源配电网综合评估结果；

所述的系统内置参数与案例库，包括评价体系库、评价规则库、评价案例库、典型接入方案库、优化模型库、规划案例库，所存储的数据在需要时由各模块直接读取，其中：

所述评价体系库存储接入方案评价指标体系，有源配电网评价指标体系；

所述评价规则库存储接入方案评价规则、评价判据和指标权值，有源配电网评价规则、评价判据和指标权值；

所述评价案例库存储接入方案典型评价案例，有源配电网典型评价案例；

所述典型接入方案库存储光伏并网典型接入方案；

所述优化模型库存储配电网优化模型和优化规则；

所述规划案例库存储有源配电网典型规划方案。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明能够满足光伏接入配电网的方案设计与分析评估，以及含光伏有源配电网的分析评估需求，兼容国内配电网信息系统和数据的特点，并支持时序分析。同时，本发明适应当前我国光伏产业发展的新形势，能够为过剩光伏产能资源的合理利用和分布式电源的有效消纳提供便利工具，并为传统配电网向未来主动式智能配电网发展过渡提供支撑工具。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的光伏接入配电网方案设计模块的工作流程图；

图3是本发明的光伏接入方案的接入方案图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明的光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统，包括：基础数据采集模块，数据处理模块，光伏接入配电网方案设计模块，光伏接入配电网方案分析评估模块，含光伏有源配电网的优化规划模块，含光伏有源配电网的分析评估模块，系统内置参数与案例库。其中：

所述的基础数据采集模块，负责获取光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统所需的外部数据，并按照方案设计与分析评估需求对这些分散的数据进行信息融合拼接，生成基础数据并存储；

所述的数据处理模块，负责对基础数据采集模块采集到的基础数据进行数据校验修复及正常运行方式数据还原处理，生成满足方案设计与分析评估需要的熟数据；

所述的光伏接入配电网方案设计模块，读入熟数据和系统内置参数与案例库的典型接入方案库中的光伏并网典型接入方案，完成光伏接入配电网方案的方案图绘制与参数配置，进而估算设备与工程投资，输出光伏接入方案；

所述的光伏接入配电网方案分析评估模块，读入光伏接入配电网方案设计模块输出的光伏接入方案，系统内置参数与案例库的评价体系库中的接入方案评价指标体系，评价规则库中的接入方案评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的典型评价案例，完成光伏接入方案的评估，对光伏接入方案的适应性与合理性做出评价，输出光伏接入方案评估结果；

所述的含光伏有源配电网的优化规划模块，读入数据处理模块输出的熟数据，系统内置参数与案例库的优化模型库中的电网优化模型和优化规则，规划案例库中的有源配电网典型规划方案，完成含光伏有源配电网的优化规划，输出有源配电网优化规划方案；

所述的含光伏有源配电网的分析评估模块，读入含光伏有源配电网的优化规划模块输出的有源配电网优化规划方案，光伏接入配电网方案分析评估模块输出的光伏接入方案评估结果，系统内置参数与案例库的评价体系库中的有源配电网评价指标体系，评价规则库中的有源配电网评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的典型评价案例，完成含光伏有源配电网的综合评估，输出有源配电网综合评估结果；

所述的系统内置参数与案例库，包括评价体系库、评价规则库、评价案例库、典型接入方案库、优化模型库、规划案例库，所存储的数据在需要时由各模块直接读取，其中：

所述评价体系库存储接入方案评价指标体系，有源配电网评价指标体系；

所述评价规则库存储接入方案评价规则、评价判据和指标权值，有源配电网评价规则、评价判据和指标权值；

所述评价案例库存储接入方案典型评价案例，有源配电网典型评价案例；

所述典型接入方案库存储光伏并网典型接入方案；

所述优化模型库存储配电网优化模型和优化规则；

所述规划案例库存储有源配电网典型规划方案。

所述基础数据采集模块，包括数据采集子模块和数据融合子模块两个子模块，其中：

所述数据采集子模块，负责从外部数据源采集方案设计与分析评所需的外部数据。采集模式包括自动获取、半自动导入、手工录入。所需的外部数据包括两部分，一部分是传统配电网信息系统中的数据；另一部分是传统配电网信息系统中尚没有，却是光伏接入配电网设计与分析评估所必须的新能源和环境气象数据。传统配电网信息系统中的数据包括：来自于配电网生产系统的设备属性信息、设备缺陷信息、设备试验信息，来自于调度自动化系统的配电网实时数据、历史数据、故障信息、电源信息、厂站拓扑信息、运行方式信息，来自于配电网GIS系统的地理图、拓扑数据、电网设备空间信息、其他地理信息，来自于营销管理系统的电量数据、用户信息、用户故障信息、电量远程抄表、人工抄表、电价信息、电费信息，来自于客户服务系统的用户故障信息、特殊情况信息，来自于负荷控制系统的大用户负荷信息；新能源数据包括光伏设备数据；环境气象数据包括光照数据和温度数据。

所述数据融合子模块，通过数据级的数据融合，将来自外部不同数据源的具有逻辑相关性和时间相关性的零散数据拼接融合，形成基础数据，并以结构化数据和图形文件两种形式存储。所述结构化数据，是可以用二维表结构来表达的数据；所述图形文件，采用Shapefile（ESRI公司的一种描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的格式）、DXF（Drawing Exchange Format，Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式）、DWG（Drawing，AutoCAD的图形文件）格式。这样形成的基础数据仍不能满足方案设计与分析评估需求，还需进一步的处理，因此又称为“生数据”。

所述数据处理模块，包括数据校验修复子模块和正常运行方式数据还原子模块两个子模块，其中：

所述数据校验修复子模块，对基础数据依次进行数据库级校验与修复、电网拓扑结构校验与修复、电气校验与修复。所述校验，是依据规则，对数据的正确性、合理性以及关联有效性进行校验；所述修复，是根据数据修复规则，修补不完整的、缺失的、异常的数据。所述数据库级校验与修复，是依据数据字典中的一致性定义进行的，包括数据表内字段取值的校验与修复，以及数据表间的数据有效性校验与修复；所述电网拓扑结构校验与修复，旨在发现与纠正拓扑关系的错误，包括电磁环及非电磁环校验与修复，以及孤岛校验与修复；所述电气校验与修复，是以满足方案设计与分析评估需要为目的，基于电网拓扑结构，对线路、变压器、开关等核心参数缺失与明显错误进行的校验与修复。

所述正常运行方式数据还原子模块，基于现状信息，对基础数据中不满足方案设计与分析评估需要的数据进行还原处理，得到与历史时间断面相匹配的网架与负荷数据。还原方法包括网架还原、运行方式还原及多口径负荷还原。所述网架还原，是基于现状网架结构，依据规则还原出指定时间断面的网架信息，包括线路走向、接线方式等；所述运行方式还原，由于规划一般需要基于配电网正常运行方式进行，而实际留存的数据总是与正常运行方式存在差距，因此需要基于现状配电网正常运行方式，依据规则还原出指定时间断面电网的正常运行方式，以及历史时间断面的典型运行方式；所述多口径负荷还原，由于负荷与网架信息存在不匹配，在历史负荷数据校验修复的基础之上，需要对来源于不同渠道的历史负荷和电量数据进行还原处理，依据规则，还原出指定时间断面下与网架结构和配电网运行方式相匹配的负荷信息。经过校验修复和正常运行方式还原处理的基础数据成为熟数据，能够直接用于方案设计与分析评估。

所述光伏接入配电网方案设计模块，包括接入方案绘制子模块、参数配置子模块、投资估算子模块三个子模块，其中：

所述接入方案绘制子模块，在熟数据的基础上，从典型接入方案库中选取合适的光伏并网典型接入方案作为参照，绘制出光伏接入方案的方案图；

所述参数配置子模块，采取与光伏并网典型接入方案的参数进行类比的方法，完成光伏接入方案各类参数的配置；

所述的投资估算子模块，对光伏接入方案的设备与工程投资进行估算。

光伏接入配电网方案设计模块的具体实施步骤如下：首先根据待接入配电网的光伏发电装置的规模、接入点的情况选择合适的典型接入方案模板，然后结合具体应用环境绘制出接入方案图；然后进行参数配置；之后通过进行潮流、短路、谐波等基础计算，对设计的光伏接入方案进行安全可靠性校验；若不能满足要求，首先对接入方案的各类参数进行修改，仍无法满足要求时再对方案进行修改，直到满足相关技术规定与配电网安全可靠运行要求并通过校验为止；最后对接入方案的设备与工程投资进行估算，输出光伏接入方案。

所述光伏接入配电网方案分析评估模块，读入其输入数据后，对接入光伏后的配电网进行时序运行模拟分析，将分析结果与接入光伏前的配电网情况进行对比，从光伏接入对配电网潮流、电能质量、配电网调度和运行控制影响的角度，分析评估所设计的光伏接入方案的适应性与合理性，输出光伏接入方案评估结果。

所述含光伏有源配电网的优化规划模块，主要针对现状配电网的问题以及未来的发展需求，完成配电系统规划改造方案。读入其输入数据后，依次进行总量负荷预测、空间负荷预测、变电站选址定容、网架优化规划，输出有源配电网优化规划方案。

所述含光伏有源配电网的分析评估模块，包括供电可靠性评估子模块、电能质量评估子模块、经济效益评估子模块、节能减排效果评估子模块、光伏电源接纳能力评估子模块、有源配电网综合评估子模块六个子模块，其中：

所述的供电可靠性评估子模块，主要从光伏接入对供电可靠性影响的角度，以馈线、馈线组为单位，分析含光伏有源配电网的供电可靠性；

所述的电能质量评估子模块，主要从光伏出力波动性对电压的影响、光伏逆变器产生的谐波的角度评估含光伏有源配电网的电能质量；

所述的经济效益评估子模块，主要从光伏接入方案的投资、运行费用等方面分析评估含光伏有源配电网的经济效益；

所述的节能减排效果评估子模块，主要从减少环境污染、减少碳排放等方面评估含光伏有源配电网的节能减排效果；

所述的光伏电源接纳能力评估子模块，针对配电网接纳光伏的最大安全接纳能力问题，通过综合分析光伏接入对配电网电压、电流、谐波、可靠性等方面的影响，得出配电网可接纳的光伏最大容量；

所述的有源配电网综合评估子模块，根据供电可靠性评估、电能质量评估、经济效益评估、节能减排效果评估、光伏电源接纳能力评估的评估结果，参照有源配电网评估标准进行综合评估，输出有源配电网综合评估结果。

本发明工作时，基础数据采集模块负责与外部各数据源进行交互，其中数据采集子模块将方案设计与分析评估所需的数据从外部数据源获取，数据融合子模块将这些来自不同数据源的数据中具有逻辑相关性和时间相关性的零散数据拼接融合，形成基础数据，并以结构化数据和图形文件两种形式存储。

数据处理模块，读入基础数据，负责对采集到的基础数据进行数据校验修复及正常运行方式数据还原处理。其中数据校验修复子模块对基础数据依次进行数据库级校验与修复、电网拓扑结构校验与修复、电气校验与修复；正常运行方式数据还原子模块，依据方案设计与分析评估要求，基于现状信息还原出与历史时间断面相匹配的网架与负荷数据，包括网架还原、运行方式还原及多口径负荷还原。经过校验修复和正常运行方式还原处理的基础数据成为熟数据，能够直接用于方案设计与分析评估。

光伏接入配电网方案设计模块，读入熟数据，并从典型接入方案库读入光伏并网典型接入方案，依次进行典型接入方案库模板选取、接入方案图绘制、参数配置、分析校验、方案修改，最终完成光伏接入配电网的方案设计与参数配置，进行设备与工程投资估算。输出光伏接入方案。

光伏接入配电网方案分析评估模块，读入光伏接入配电网方案设计模块输出的光伏接入方案，评价体系库中的接入方案评价指标体系，评价规则库中的接入方案评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的接入方案典型评价案例，对接入光伏后的配电网进行时序运行模拟分析，将分析结果与接入光伏前的配电网情况进行对比，从光伏接入对配电网潮流、电能质量、配电网调度和运行控制影响的角度，分析评估所设计的光伏接入方案的适应性与合理性，输出光伏接入方案评估结果。

含光伏有源配电网的优化规划模块，读入数据处理模块输出的熟数据，优化模型库中的电网优化模型和优化规则，规划案例库中的有源配电网典型规划方案，依次进行总量负荷预测、空间负荷预测、变电站选址定容、网架优化规划，输出有源配电网优化规划方案。

含光伏有源配电网的分析评估模块，读入含光伏有源配电网的优化规划模块输出的有源配电网优化规划方案，光伏接入配电网方案分析评估模块输出的光伏接入方案评估结果，评价体系库中的有源配电网评价指标体系，评价规则库中的有源配电网评价规则、评价判据和指标权值，评价案例库中的有源配电网典型评价案例，进行含光伏有源配电网的综合评估，具体从供电可靠性评估、电能质量评估、经济效益评估、节能减排效果评估、光伏电源接纳能力评估五个方面分别进行评估，最后由有源配电网综合评估子模块将五个方面的评估结果综合，输出有源配电网综合评估结果。

本实施例用于一个光伏发电项目接入配电网工程的方案设计和分析评估，以及光伏接入后区域配电网的分析评估。该工程为某公司利用厂内一到四号车间屋顶安装太阳能光伏发电装置，总容量约2.1MW，所发电力均为自用，不向上级电网倒送。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本发明的接入方案绘制子模块的具体工作流程为：首先读入熟数据，以及典型接入方案库中的光伏并网典型接入方案，接入方案绘制子模块对输入数据进行分析，经类比选出了合适的典型接入方案模板，确定本实施例的光伏发电装置应接入用户380V配电柜，光伏发电直接向负荷供电，就地消纳，并通过用户变电站10kV线路接入公用电网。然后绘制出接入方案图：四个车间的太阳能系统经逆变器，首先汇总接至各自光伏发电系统的380V母线，再通过380V线路分别接入某10kV用户站的低压侧母线；为更好地就地平衡光伏发电容量与用电负荷，考虑车间一和车间三的光伏发电系统接入用户站#1主变，车间二和车间四的光伏发电系统接入用户站#2主变，如图3所示；随后参数配置子模块完成接入方案各类参数的配置；然后通过潮流、短路、谐波等基础计算，校验所设计方案的安全可靠性，并不断修改参数配置或重新设计方案，直到满足相关技术规定与配电系统安全可靠运行要求为止；投资估算子模块对本实施例所需要的设备本体与保护、配电自动化、通信等二次设备的投资进行估算。最后输出光伏接入方案。

对本实施例中设计的光伏接入方案进行分析评估所得到的结果如下。分析评估主要从有功平衡、无功平衡、电压波动、谐波水平等角度开展，验证了所设计光伏接入方案的适应性与合理性，同时还发现了一些深层次的细节问题：

1. 本实施例中的光伏发电装置所发电力均为自用，不向上级电网倒送电能，达到自发自平衡；但时序运行模拟仿真显示，不排除部分时段，用电负荷较小情况下，出现电力向电网倒送，从而导致逆功率保护动作，因此建议对光伏发电系统的有功出力进行跟踪控制，尽可能减小有功倒送逆功率保护动作的频次；

2. 本实施例中的光伏发电装置有功功率变化最大值约为0.16MW，满足《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中0.2MW的上限要求；

3. 正常情况下2台主变下送潮流减少，有利于降低配电网无功损耗；但同时由于太阳能发电功率因数更高，一般均为纯有功，因此本实施例中的光伏发电装置可提供的无功功率有限，要求配电网为其提供无功支持；

4. 经计算，本实施例中的光伏发电装置突然切除时，引起图3中变电站10kV母线、某用户站10kV母线及380V母线的电压波动均小于1%，其中380V母线电压变化约为0.5%，在前述规程允许范围以内；

5. 本实施例中的光伏发电装置注入配电网的谐波总量在标称电压10kV的总谐波畸变率限值的4.0%以内，但仍需在与公共电网的连接点加装电能质量监测装置，监测其是否满足相关技术导则和技术规定，如不满足，需采取加装滤波装置等相应措施，避免对公用电网的电能质量造成污染。

本实施例证明，所述光伏发电接入配电网方案设计与分析评估辅助系统能够设计出满足相关技术规定的光伏接入方案；还能通过对含光伏有源配电网进行分析评估，为配电网接纳分布式电源提供更深层次的建议。