方衛(wèi)東

（福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350118）

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含分布式電源配電網(wǎng)可靠性的評估方案研究

方衛(wèi)東

（福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350118）

摘要：在原有配電網(wǎng)引入分布式電源的情況下，提出一種基于應(yīng)用改進(jìn)最小路法結(jié)合可靠性指標(biāo)求解評估含分布式電源distributed generation（DG）的配電網(wǎng)可靠性評估方案。以IEEE-RBTS Bus6系統(tǒng)為例進(jìn)行不同方案的仿真。仿真結(jié)果表明，所提出的可靠性評估模型可以明顯地改善配電網(wǎng)系統(tǒng)對用戶提供電能的可靠性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；分布式電源；最小路法；可靠性評估

配電網(wǎng)在眾多distributed generation（DG）接入并網(wǎng)后，配電網(wǎng)不再像傳統(tǒng)電網(wǎng)一樣，而是產(chǎn)生了顯著的轉(zhuǎn)變。輻射式的供電方式是傳統(tǒng)的配電網(wǎng)采用的供電方式，這種方式是通過起點(diǎn)的發(fā)電廠進(jìn)行發(fā)電，將電能送入大電網(wǎng)，各地的區(qū)域配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過高壓輸電線路接受來自大電網(wǎng)的電能，用戶普遍的情況就是通過這樣的方法得到電能。然而當(dāng)數(shù)量很多的DG引入配電系統(tǒng)，整個配電系統(tǒng)變成了一個遍布DG和電力用戶的網(wǎng)絡(luò)，電力用戶的用電不再單一地依靠電網(wǎng)的輸送，DG也成了重要的電力保障環(huán)節(jié)。這些轉(zhuǎn)變對于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的運(yùn)行影響很大，因而原來構(gòu)建的傳統(tǒng)可靠性評估模型以及相應(yīng)的評估指標(biāo)體系也將發(fā)生一定的變化［1-2］。

評估系統(tǒng)可靠性的一個重要基礎(chǔ)假設(shè)，就是系統(tǒng)電源供電完全可以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)全部負(fù)荷正常工作的需要。但是加入并入DG以后的配電網(wǎng)，對于形成的某個孤島來說，并沒有辦法時時滿足這個前提，DG所能提供的電量與負(fù)荷的需求往往是變化的，這就需要我們考慮根據(jù)運(yùn)行狀況的不同，合理地劃分孤島范圍，采取適當(dāng)增加負(fù)荷，切斷部分的負(fù)荷，或者選擇性斷開部分DG等不同的方案［3］。因此，如果我們把DG當(dāng)成一般的傳統(tǒng)電源來討論顯然不是很合理。比較合理的方案是根據(jù)DG自身的特點(diǎn)、參數(shù)，以及在系統(tǒng)中分布狀況，投入運(yùn)行的情況，進(jìn)行相應(yīng)的可靠性研究，建立相應(yīng)的模型，完善相應(yīng)的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，才能更好地評估配電網(wǎng)的可靠性。

1　配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

常用的配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以有不同的劃分。按評估對象劃分的兩類配電系統(tǒng)指標(biāo)通過負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)、系統(tǒng)指標(biāo)來確定配電系統(tǒng)的可靠性［4-6］。

1.1 負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)

系統(tǒng)中的負(fù)荷點(diǎn)是否能夠向電能的使用者可靠地提供電能是進(jìn)行分析可靠性的重要指標(biāo)，主要有三個指標(biāo):λ（故障率）、γ（停運(yùn)時間）以及U（年平均停運(yùn)時間）。

（1）串聯(lián)關(guān)系的等值系統(tǒng)

串聯(lián)系統(tǒng)，指的是一旦整個系統(tǒng)包含范圍內(nèi)中出現(xiàn)其中某一個元件失效，這時都會造成整個系統(tǒng)無法工作的系統(tǒng)。

負(fù)荷點(diǎn)故障率λ所指的是在一年中負(fù)荷點(diǎn)因故障原因而引起的停電次數(shù)的總和，其公式為:負(fù)荷點(diǎn)每次故障平均停運(yùn)時間γ所指的是從停電至恢復(fù)供電所需時長的均值，其公式為:

負(fù)荷點(diǎn)年平均停電持續(xù)時間U所指的是同一年中某一個負(fù)荷點(diǎn)的停電總時長，其公式為:

U=λγ（3）

其中，λi為設(shè)備i的故障率（次/a）；γi為設(shè)備i的故障修復(fù)時間（h/次）。

（2）并聯(lián)關(guān)系的等值系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)故障發(fā)生的條件是所有的元件都產(chǎn)生故障，系統(tǒng)中只要有元件是正常的，系統(tǒng)就可以正常工作。以下是并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)荷點(diǎn)可靠性公式。

負(fù)荷點(diǎn)故障率公式為:

負(fù)荷點(diǎn)每次故障平均停電持續(xù)時間的公式為:

負(fù)荷點(diǎn)年平均停電持續(xù)時間的公式為:

1.2 系統(tǒng)指標(biāo)

（1）系統(tǒng)平均停電頻率指數(shù)（system average interruption frequency index，SAIFI）

這一指數(shù)表示配電系統(tǒng)中的電力使用者在一段時長內(nèi)因?yàn)榘l(fā)生故障而造成停電的次數(shù)總和。這個指標(biāo)能夠用在一年中某一系統(tǒng)內(nèi)電力使用者停電的數(shù)量之和與該年度由這個系統(tǒng)負(fù)責(zé)供電的電力用戶數(shù)相除進(jìn)行預(yù)測:

式中的Ni表示負(fù)荷點(diǎn)i的用戶的數(shù)量；λi表示負(fù)荷點(diǎn)i的故障率。

（2）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指數(shù)（SAIDI）（system average interruption duration index，SAIDI）

這一指數(shù)指的是配電網(wǎng)中在一段時間內(nèi)每個電力用戶因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生故障造成停電所持續(xù)的時長，該指標(biāo)能夠使用電力使用者在一年中停電持續(xù)總時長與該年度由這個系統(tǒng)負(fù)責(zé)供電的電力用戶數(shù)相除來進(jìn)行預(yù)測:

式中的Ui表示的是負(fù)荷點(diǎn)i的等值年平均停電時間。

（3）系統(tǒng)平均供電可用率指數(shù)（average service availability index，ASAI）

這一指數(shù)所指的是配電系統(tǒng)中用戶需求的年用電時長跟實(shí)際所得到的用電時長的比。假設(shè)8 760 h是電力用戶在一年中需求的供電時長，則ASAI可以如式9求解:

（4）電量不足指標(biāo)（energy not supplied index，ENS）

這一指數(shù)所指的是在一年的時間中因元件無法正常工作而導(dǎo)致的給電力用戶提供電量出現(xiàn)的缺額，其計算式為:

上式中La（i）指的是與停電負(fù)荷點(diǎn)i相連接的平均負(fù)荷（單位為kW），可以用相應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)的年峰荷與其負(fù)荷系數(shù)相乘求得La（i）。

（5）平均電量不足指標(biāo)（average energy not supplied index，AENS）

這一指數(shù)所指的是由于整個系統(tǒng)在一整年間的供電量不足從而導(dǎo)致電力使用者的相對停電損失的電量期望值，其單位為kW·h/（用戶數(shù)· a）。

（6）用戶平均停電持續(xù)時間指標(biāo)（customer average interruption duration index，CAIDI）

這一指數(shù)所指的是一年中被停電的用戶的平均停電持續(xù)時長，可以用一年中用戶停電持續(xù)時長的總和與該年停電用戶次數(shù)總和相除來進(jìn)行估計:

2　最小路法在含分布式電源配電網(wǎng)可靠性評估中的應(yīng)用

本文提出了計及DG的配電網(wǎng)最小路可靠性分析方法。該方法通過對整個系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣化處理以及DG的孤島劃分方式的分析，采用最小路法對含DG的配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行評估。

2.1 最小路法原理分析

以下圖較小型的輻射型系統(tǒng) （圖1）解釋關(guān)于利用最小路法進(jìn)行可靠性評估方法具體處理過程。

在圖1中的小型系統(tǒng)中，一旦處于最小路上的元件產(chǎn)生故障狀況時，就會影響相應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性，一旦處于非最小路上的元件無法正常工作的話，當(dāng)然也會對其可靠性產(chǎn)生影響。先求取最小路。

圖1　簡單輻射系統(tǒng)Fig.1 Sim p le radiation（power）system

為了求解時的方便，對處于非最小路的元件產(chǎn)生故障對負(fù)荷點(diǎn)的影響，依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際狀況可以等值計算到相應(yīng)的最小路的節(jié)點(diǎn)上；這樣的話，如果要求取某個負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，就可以略去非最小路的影響，直接求解該最小路上的元件與節(jié)點(diǎn)。對于最小路上元件處理有幾個原則:

（1）在系統(tǒng)沒有備用電源的情況下，任意的元件如果發(fā)生故障情況都會導(dǎo)致該負(fù)荷點(diǎn)無法正常工作。如圖1中如果LP2其最小路上的饋線1以及饋線2和分支線b上的元件出現(xiàn)故障，均會導(dǎo)致LP2停止工作；

（2）在系統(tǒng)有備用電源并且其主饋線上都裝設(shè)了分段裝置的情況下。饋線1產(chǎn)生故障情況，LP2無法正常工作的時間是分段開關(guān)的最大動作時間，假如對饋線1進(jìn)行維護(hù)，那么LP2依然可以正常工作。如果最小路的某一元件發(fā)生故障狀況，則會使LP2無法正常工作。對于非最小路元件處理原則如圖2所示。

2.2 孤島劃分模型的求解

孤島的劃分方案主要是依據(jù)兩個點(diǎn)，一個是依據(jù)發(fā)生故障狀況時具體的故障位置，以及故障時該區(qū)域配電網(wǎng)的時時運(yùn)行情況，以此來確定孤島的劃分。在進(jìn)行孤島劃分時需要考慮兩個最重要的原則:一是在DG提供的電能能夠滿足島內(nèi)的總負(fù)荷正常工作需求的條件下，使島內(nèi)含有的負(fù)荷盡量地多；二是在考慮孤島應(yīng)該包含哪些負(fù)荷時，盡量優(yōu)先考慮負(fù)荷等級更高的負(fù)荷。本文遵從上述兩個原則，并結(jié)合功率圓確定的最大孤島范圍來劃分孤島。

2.3 計及DG最小路法可靠性分析方法

系統(tǒng)引入DG后，一旦產(chǎn)生故障，如果能夠形成孤島的話，那么DG將可以給孤島包含的全部負(fù)荷點(diǎn)提供電能，這樣該島內(nèi)包含的所有負(fù)荷點(diǎn)

的可靠性就得到了改善。此時處于島外的其他負(fù)荷點(diǎn)，因?yàn)槠渌幍奈恢贸隽薉G的供電最大范圍，將不會造成影響［7-8］。計算方法與無DG的類似，需多加考慮加入DG后的影響，即要先進(jìn)行孤島的劃分，根據(jù)約束條件結(jié)合功率圓確定孤島范圍，得出孤島內(nèi)的負(fù)荷點(diǎn)數(shù)，計算得出孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)可靠性受影響的改變，求解得到孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)可靠性相關(guān)指標(biāo)結(jié)果，通過相關(guān)公式就可以求解出整個系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)。

圖2　非最小路元件處理原則Fig.2 Non-m inimal path elements treatment principles

3　IEEE-RBTS Bus 6系統(tǒng)可靠性算例分析

IEEE-RBTSBus6系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)包含23個負(fù)荷點(diǎn)，23個熔斷器，23臺變壓器，21個隔離開關(guān)，5個斷路器。系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)如表1-4。對評估配電系統(tǒng)時做一些基本假設(shè):

（1）系統(tǒng)電源可靠性均為100%，即假設(shè)電源完全可靠；

（2）假設(shè)隔離開關(guān)、熔斷器的動作百分之百可靠，假設(shè)0.5 h是所有隔離開關(guān)操作時間；

圖3　IEE-RBTSBus6系統(tǒng)主饋線F4Fig.3 M ain feeder F4in IEE-RBTS Bus 6

表1　設(shè)備的可靠性指標(biāo)Tab.1 Equipment reliability index

表2　線路數(shù)據(jù)Tab.2 L ine data

（3）假設(shè)無備用變壓器，在變壓器故障時，相關(guān)負(fù)荷點(diǎn)必須等變壓器修復(fù)成功投入運(yùn)行后才能恢復(fù)供電；

（4）當(dāng)分支饋線發(fā)生故障時，由于有熔斷器，故一個負(fù)荷點(diǎn)停電，不會影響其他負(fù)荷點(diǎn)。

（5）由于孤島形成的概率計算十分復(fù)雜，假設(shè)孤島形成概率為1。

表3　負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.3 Loading data

表4　負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)Tab.4 Reliability index for load ing points（data）

續(xù)表4

本文從以下兩種方案對配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的計算:方案一:系統(tǒng)主饋線未接入分布式電源，系統(tǒng)只由主網(wǎng)供電；方案二:在系統(tǒng)主饋線接入一個分布式電源，形成孤島，如圖4所示。

圖4　含DG IEEE-RBTSBus 6系統(tǒng)主饋線Fig.4 Main feeder in IEE-RBTSBus 6 with DG

1）方案一:系統(tǒng)主饋線未接入分布式電源，系統(tǒng)只由主網(wǎng)供電，計算出系統(tǒng)性指標(biāo)如表5。

2）方案二:在系統(tǒng)主饋線接入一個分布式電源，形成第一孤島，第二孤島不作用。

表5　系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.5 System reliability index

DG位于負(fù)荷點(diǎn)15。

LP（15）+LP（14）=0.186 1+0.155 4=0.341 5 ＜PDG=0.5

LP（15）+LP（16）=0.186 1+0.158 5=0.344 6 ＜PDG＜LP（15）+LP（16）+LP（17）=0.594 7，所以該孤島包括LP14、LP15、LP16三個負(fù)荷點(diǎn)，則該孤島負(fù)荷點(diǎn)可靠性參數(shù)如表6所示。

表6　DG位于LP15的孤島內(nèi)負(fù)荷點(diǎn)可靠性參數(shù)Tab.6 Loading points reliability parameter with DGin LP15

｀計算如下:

LP14:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ22+λT= 1.670 0

U=4·λ19+0.5·（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+ λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+λ15+λ20+λ22）+ 30·λT=4×0.16+0.5×1.495+30×0.015= 1.837 5

LP15:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ21+λ22+λT= 1.710 0

U=4·（λ19+λ20+λ21）+0.5·（λ1+λ2+ λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+λ15+λ22）+30·λT=2.257 5

LP16:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ22+λT= 1.670 0

U=4·（λ19+λ20+λ22）+0.5·（λ1+λ2+ λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+ λ15）+30·λT=2.587 5

綜合表4與表6，得表7。

表7　DG位于LP15時負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)Tab.7 Loading points reliability index with DG in LP15

綜合以上指標(biāo)數(shù)據(jù)與表5比較結(jié)果，顯然可以得到這樣的結(jié)論:在DG并網(wǎng)后，對于配電網(wǎng)的負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)系列可靠性指標(biāo)有明顯的改善。但從不同的方案下的對比結(jié)果我們可以得出結(jié)論:如果在不同的位置并入DG，或者并入不同數(shù)量的DG，以及并入的DG的容量大小不同，這些對于系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的改善程度不一樣，以及對于負(fù)荷點(diǎn)的影響范圍也有所不同。所以在接入DG的時候，應(yīng)該注意接入DG的位置及容量，最大程度發(fā)揮DG的作用。

4　結(jié)語

通過構(gòu)建實(shí)際運(yùn)行情況的DG可靠性模型，通過采用最小路法方法引入DG的系統(tǒng)可靠性求解，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確評估。以IEEERBTSBus6系統(tǒng)為例，采用不同的方案，求解一系列的負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，從而得出含DG的配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)變化情況，驗(yàn)證了文中使用的方案的合理性。

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（責(zé)任編輯：肖錫湘）

中圖分類號：TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-4348（2016）03-0262-07

doi：10.3969/j.issn.1672-4348.2016.03.011

收稿日期:2016-05-15

基金項(xiàng)目:福建省重大專項(xiàng)專題項(xiàng)目（2013HZ0002-1）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA12230）；福建工程學(xué)院基金項(xiàng)目（GY-Z10053、GY-Z11070）

作者簡介:方衛(wèi)東（1969-），男，安徽黃山人，高級工程師，碩士，研究方向:電動汽車融入現(xiàn)代電網(wǎng)。

A study of reliability assessm ent schemes of distribution network w ith DGs

FangWeidong
（College of Information Science and Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China）

Abstract:Amodifiedminimal pathmethod-based reliability assessment scheme（method）of distribution network considering distributed generations（DGs）was proposed to resolve the reliability of power grid.A distributed sourcemodel was established and power circle method was used to determine themaximum range of the island.IEEE-RBTSBus6 system with the island modelwas set as an example to verify the proposed algorithm.The results show that the reliability evaluation scheme is effective in improving the distribution network reliability.

Keywords:distribution network；distributed generation；minimal path method；reliability assessment