考慮饋線容量約束的多微網(wǎng)配電系統(tǒng)可靠性評估

葛少云，王浩鳴，劉 洪

(天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

可靠性和資產(chǎn)利用經(jīng)濟(jì)性一直是配電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作中的一對主要矛盾．為了確保對用戶的可靠供電，配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常需要遵循峰荷情形下的N-1準(zhǔn)則，這就要求電網(wǎng)具備一定的冗余度，造成了設(shè)備負(fù)載率的下降．此外，由于負(fù)荷還存在峰谷差，更加導(dǎo)致了配網(wǎng)資產(chǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)利用率偏低．有統(tǒng)計(jì)表明，美國配網(wǎng)的年平均載荷率(負(fù)載率和負(fù)荷曲線的綜合)僅為44%左右，我國更低[1]．

當(dāng)前，分布式電源(distributed generator，DG)、微網(wǎng)等智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正在給配電系統(tǒng)帶來一場深刻變革，普遍認(rèn)為其具有在改善配電資產(chǎn)利用效率的同時(shí)，提高配電系統(tǒng)對用戶供電可靠性的潛力[2]．為了深入分析智能配電網(wǎng)技術(shù)帶來的這種效果，有必要從定量角度進(jìn)行詳細(xì)研究．

對于含分布式電源[3-9]和微網(wǎng)(或孤島)[10-11]的配電網(wǎng)可靠性評估問題，已有國內(nèi)外學(xué)者開展了卓有成效的探索，但這些研究均假定配電網(wǎng)具備充足的冗余容量．考慮到相對于變電站和配變，配電饋線的冗余容量是否充足是影響配電網(wǎng)用戶供電可靠性的最主要因素，本文在對考慮容量約束的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估方法[12-13]進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，提出了考慮饋線容量約束的多微網(wǎng)配電系統(tǒng)供電可靠性蒙特卡洛評估模型．應(yīng)用該模型，通過實(shí)例對含有多個(gè)微網(wǎng)的配電系統(tǒng)的饋線利用情況(負(fù)載率)和供電可靠性水平之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析．

1 考慮饋線容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估

1.1 TLOC準(zhǔn)測下的可靠性評估

配電系統(tǒng)的可靠性評估通過建立系統(tǒng)各元件狀態(tài)變化的馬爾可夫模型，根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行故障分析，進(jìn)而計(jì)算可靠性指標(biāo)，如系統(tǒng)平均停電次數(shù)(system average interrupption frequency index，SAIFI)、系統(tǒng)平均停電時(shí)間(system average interrupption duration index，SAIDI)等．其中，故障分析過程是可靠性評估的核心環(huán)節(jié)，其方法可以分為故障模式影響分析法(failure modes and effects analysis，F(xiàn)MEA)、最小路集/最小割集法以及人工智能方法等幾類．

FMEA法以系統(tǒng)元件為出發(fā)點(diǎn)分析元件停運(yùn)后系統(tǒng)所有負(fù)荷點(diǎn)受影響的情況，分析過程直觀清晰，是其他幾類故障分析法的基礎(chǔ)．當(dāng)不考慮配電網(wǎng)運(yùn)行約束，即認(rèn)為系統(tǒng)完全滿足N-1時(shí)，F(xiàn)MEA過程可采用全部失去連通性(total loss of continuity，TLOC)故障準(zhǔn)則．

對某個(gè)位于饋線LF的配網(wǎng)元件，TLOC 準(zhǔn)則下其 FMEA過程的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)可采用直接搜索法[14]，其搜索步驟如下.

步驟 1 搜索與故障元件直接相連(未通過開關(guān))的饋線段集合，中負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間為故障修復(fù)時(shí)間．

步驟 2 搜索故障元件上游(變電站側(cè))距離故障元件入口開關(guān)(entry switch)最近的斷路器，找到位于該斷路器與故障元件入口開關(guān)間的饋線段集合，中負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間為故障隔離時(shí)間．

1.2 考慮饋線容量約束的可靠性評估

在配電網(wǎng)中，饋線容量是否充足是影響用戶供電可靠性的最主要因素．在不考慮饋線容量約束情形下，中的所有負(fù)荷點(diǎn)均可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動(dòng)作轉(zhuǎn)移到其相連饋線．但是，當(dāng)相連饋線的容量不足時(shí)，為避免出現(xiàn)過載或低電壓，需要進(jìn)行負(fù)荷削減．考慮到在配電網(wǎng)中，若饋線不過載，則一般不會出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象(因負(fù)荷功率因數(shù)較低導(dǎo)致的低電壓需配置無功補(bǔ)償裝置)．根據(jù)該特點(diǎn)，對第 1.1節(jié)步驟3中的FMEA過程進(jìn)行如下改進(jìn)，使其能夠計(jì)及相連饋線的容量約束．

(1)從故障元件出口開關(guān)向下游搜索與其距離最近的主干線隔離開關(guān)，判斷2個(gè)開關(guān)間的饋線段是否存在聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，如存在則將其記為，K為相連饋線，執(zhí)行(2)；反之繼續(xù)向下游搜索新的隔離開關(guān)直到存在聯(lián)絡(luò)點(diǎn)．

式(2)和式(3)為潮流約束；式(4)為饋線段容量約束．離散型控制變量X為負(fù)荷狀態(tài)向量，xi為X中的元素，xi= 0 表示負(fù)荷被削減，xi= 1 表示被保留；SS為通路 L-K所屬母線節(jié)點(diǎn)(松弛節(jié)點(diǎn))，SC為除母線外剩余節(jié)點(diǎn)集合，SL-K為饋線段集合；Pi、Qi為節(jié)點(diǎn)i所有負(fù)荷點(diǎn)的有功、無功向量，P = [P1,… , Pm]T；PS,i、QS,i為母線(變電站)提供的功率；Pij、Qij為自上游結(jié)點(diǎn)i至下游節(jié)點(diǎn) j的功率；Sl,max=NIl為饋線l最大視在容量．被削減負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間為故障修復(fù)時(shí)間，被保留負(fù)荷點(diǎn)的停電時(shí)間為故障隔離時(shí)間．

(3)從搜索到的隔離開關(guān)開始繼續(xù)向下搜索重復(fù)(1)和(2)，直至到達(dá)饋線末端．

2 含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)可靠性評估

2.1 微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)及其功能特點(diǎn)

作為集中式電源的有力補(bǔ)充，分布式電源及其系統(tǒng)集成技術(shù)已日趨成熟．分布式電源一般靠近負(fù)荷中心，可降低對電網(wǎng)擴(kuò)展的要求，同時(shí)提高供電可靠性．但是，由于現(xiàn)有電網(wǎng)技術(shù)還不能完全適應(yīng)分布式電源的接入要求，數(shù)量眾多的分布式電源的接入給現(xiàn)有配電系統(tǒng)的運(yùn)行和管理帶來很大的困難[15]. 為了降低分布式電源對配電系統(tǒng)的影響，國內(nèi)外出臺了一系列的分布式電源接入導(dǎo)則，如 IEEE1547等，但在一定程度上制約了分布式電源的應(yīng)用．

微網(wǎng)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點(diǎn)，在一個(gè)局部地區(qū)內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò)和本地用戶有機(jī)結(jié)合在一起，能夠充分發(fā)揮分布式電源的能效，同時(shí)減輕其對配電網(wǎng)的沖擊．微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其內(nèi)部饋線多為放射狀，所有饋線可通過母線經(jīng)由一個(gè)公共的連接點(diǎn)(point of common coupling PCC)與外部配電網(wǎng)連接．在PCC處有一個(gè)主接口，通常由微網(wǎng)并網(wǎng)專用靜態(tài)控制開關(guān)——固態(tài)斷路器或背靠背式的AC/DC/AC電力電子換流器構(gòu)成[16]．

圖1 CERTS微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 CERTS microgrid architecture

微網(wǎng)有2種基本的運(yùn)行方式，即并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行．大多數(shù)情況下微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)微網(wǎng)中的負(fù)荷可以從微網(wǎng)或者外部電網(wǎng)得到電力供應(yīng)．當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，靜態(tài)開關(guān)應(yīng)該能自動(dòng)地將微網(wǎng)切換到孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)孤島內(nèi)的電力平衡由能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)；當(dāng)故障消除時(shí)，靜態(tài)開關(guān)將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與外部電網(wǎng)的重新連接[17]．

2.2 含微網(wǎng)配電系統(tǒng)故障影響分析

考慮到上述微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)特征與主要功能特點(diǎn)，含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)的故障影響分析可從故障位于外部配電網(wǎng)和微網(wǎng)內(nèi)部 2方面分別進(jìn)行，如圖 2和圖3所示．

圖2 故障位于外部配電網(wǎng)Fig.2 Failure outside the microgrid

圖3 故障位于微網(wǎng)內(nèi)部Fig.3 Failure inside the microgrid

1) 故障元件位于外部配電網(wǎng)

式中連續(xù)型控制變量g,iP、g,iQ 為節(jié)點(diǎn)i處 DG的有功、無功出力．

此外，由于系統(tǒng)潮流方向可能改變，還需加入饋線容量的逆向潮流約束為

2) 故障元件位于微網(wǎng)內(nèi)部

3 多微網(wǎng)配電系統(tǒng)可靠性蒙特卡洛評估流程

對于一個(gè)具有 m個(gè)元件的系統(tǒng)，其序貫蒙特卡洛可靠性評估的計(jì)算機(jī)流程如下.

步驟1 初始化模擬時(shí)鐘為0．隨機(jī)產(chǎn)生m個(gè)0～1之間的隨機(jī)數(shù)，根據(jù)每個(gè)元件狀態(tài)模型中的平均故障率參數(shù) λ求得 m個(gè)正常運(yùn)行時(shí)間 TTF，TTFi表示元件i的TTF．

步驟 2 找出最小的 TTFi，對第 i個(gè)元件產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，根據(jù)其平均修復(fù)率參數(shù)μ求得故障修復(fù)時(shí)間TTRi；與此同時(shí)，產(chǎn)生故障隔離與轉(zhuǎn)帶時(shí)間ST，并將模擬時(shí)鐘推進(jìn)到TTFi．

步驟 3 找到元件 i停運(yùn)時(shí)影響的負(fù)荷點(diǎn)，記錄這些失電負(fù)荷點(diǎn)的停電次數(shù)、時(shí)間等指標(biāo)．

(1) 判斷故障元件 i在系統(tǒng)中的位置，若元件 i位于外部配電網(wǎng)，執(zhí)行步驟3中的(2)；若元件i位于微網(wǎng)內(nèi)，執(zhí)行步驟3中的(3)．

(2) 判斷元件i在外部配電網(wǎng)中的位置．

③ 按照第1.2節(jié)方法搜索與每個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)對應(yīng)的下游饋線段集合．負(fù)荷點(diǎn)停電的判別方法與②相同．

(3) 判斷元件i在微網(wǎng)中的位置．

步驟4 產(chǎn)生一個(gè)新的隨機(jī)數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為元件i新的運(yùn)行時(shí)間 TTF′i．

步驟 5 判斷模擬時(shí)鐘是否推進(jìn)到了滿足評估精度所需的時(shí)間長度，若達(dá)到則執(zhí)行步驟 6，未達(dá)到則返回步驟2．

步驟 6 模擬過程結(jié)束，統(tǒng)計(jì)各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的停電次數(shù)和停電時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)．

在饋線段搜索過程中，以饋線區(qū)[18]為最小單位進(jìn)行搜索，以提高搜索效率．此外，可事先枚舉所有元件故障后果形成 FMEA表，在模擬過程中直接讀取，以提高模擬仿真速度．

4 算例分析

圖4為傳統(tǒng)單聯(lián)絡(luò)型10,kV配電系統(tǒng)，包括2條饋線、14條饋線段、14個(gè)負(fù)荷點(diǎn)(配變)以及若干開關(guān)．饋線的平均故障率為 0.1次/(a·km)，故障平均修復(fù)時(shí)間為 5,h，服從指數(shù)分布．饋線參數(shù)R=0.17Ω/km，X= 0 .365Ω / km ，每條饋線段長度均為1,km．每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的峰值均為 1,MW，功率因數(shù)均為1．母線、配變與開關(guān)均 100%可靠．故障隔離與轉(zhuǎn)移時(shí)間ST取1,h．假設(shè)饋線的載流量可變，在不同載流量水平下，該系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)見表1．

由表1可以看出，配電饋線載流量(負(fù)載率)對可靠性指標(biāo) SAIDI有較大的影響，而對指標(biāo) SAIFI無影響．當(dāng) 2條饋線的負(fù)載率均達(dá)到 100%左右時(shí)，聯(lián)絡(luò)接線模式的可靠性即等同于輻射接線模式．

圖4 單聯(lián)絡(luò)型傳統(tǒng)配電系統(tǒng)Fig.4 Traditional distribution system

對圖4進(jìn)行改造，構(gòu)成如圖5所示含2個(gè)微網(wǎng)的配電系統(tǒng)．為保證改造前后配網(wǎng)主干線長度一致，饋線段2、5長度變?yōu)?.5,km，饋線段10長度為2,km，其他饋線段長度不變．分布式電源 G1～G4為有功出力恒定且相同的發(fā)電機(jī)，功率因數(shù)均為 1．每臺發(fā)電機(jī)的平均故障率為 0.1次/a，故障平均修復(fù)時(shí)間為20,h，服從指數(shù)分布．在不同的DG出力水平下，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)隨饋線負(fù)載率變化情況見表 2～表 4，分別對應(yīng)微網(wǎng)從外部電網(wǎng)吸收功率、就地平衡和反送功率3種情形．

表1 傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.1 Reliability indices for traditional distribution system

圖5 含2個(gè)微網(wǎng)的配電系統(tǒng)Fig.5 Distribution system with two microgrids

總體來看，多微網(wǎng)配電系統(tǒng)可達(dá)到的最高可靠性水平高于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，而且能夠降低饋線容量，節(jié)省配電網(wǎng)建設(shè)投資．在同等可靠性水平下，多微網(wǎng)配電系統(tǒng)的饋線利用效率高于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)．此外，多微網(wǎng)配電系統(tǒng)在減少用戶停電次數(shù)方面還具有優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)配電系統(tǒng)無法相比的．

正常運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)從外部配電網(wǎng)吸收功率的情形下，系統(tǒng)的最高可靠性水平低于就地平衡與反送功率2種情形．這是由于當(dāng)外部電網(wǎng)故障時(shí)，孤島運(yùn)行的微網(wǎng)因存在功率缺額必須切除某些負(fù)荷以維持島內(nèi)電力平衡．

反送功率情形的最低可水平低于吸收功率和就地平衡2種情形的最低可靠性，甚至低于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，這是因?yàn)橄鄬︷伨€，發(fā)電機(jī)的年平均停運(yùn)總時(shí)間較長．一旦外部電網(wǎng)無法提供足夠備用，系統(tǒng)可靠性水平將急速下降．

表2 多微網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)(DG1.5 MW)Tab.2 Reliability indices with microgrids(DG1.5 MW)

表3 多微網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)(DG2.0 MW)Tab.3 Reliability indices with microgrids(DG2.0 MW)

表4 多微網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)(DG2.5 MW)Tab.4 Reliability indices with microgrids(DG2.5 MW)

反送功率情形的最高可靠性水平與就地平衡情形相同，但反送功率情形要求外部電網(wǎng)在為相連線路提供備用容量的同時(shí)，還要作為微網(wǎng)的備用．因此雖然其外部電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模仍相對較小，但最高可靠性水平下的資產(chǎn)利用率有所下降．

5 結(jié) 語

為了建立資產(chǎn)利用的經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性之間的聯(lián)系，將考慮容量約束的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估方法擴(kuò)展到智能配電網(wǎng)領(lǐng)域，建立了考慮饋線容量約束的多微網(wǎng)配電系統(tǒng)供電可靠性蒙特卡洛模擬法評估模型．應(yīng)用該模型對實(shí)例進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：大部分情況下，多微網(wǎng)配電系統(tǒng)的供電可靠性與饋線利用率的綜合水平均優(yōu)于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)．但是，在分布式電源滲透率過高且配網(wǎng)備用容量不足情況下，多微網(wǎng)配電系統(tǒng)的供電可靠率將低于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)．

此外，由于分布式電源出力的隨機(jī)性與間歇性，實(shí)際中多微網(wǎng)配電系統(tǒng)的可靠性水平很可能低于本文模型的理論計(jì)算值．這一方面需要在微網(wǎng)中配置儲能裝置以彌補(bǔ)分布式電源的出力波動(dòng)，另一方面還需要在今后的研究中計(jì)及分布式電源出力波動(dòng)性與儲能裝置的影響．

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