， ，，，

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041;2. 廈門(mén)大學(xué)儀器與電氣系，福建 廈門(mén) 361005；3. 積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引 言

隨著電力需求的日益增長(zhǎng)，能源危機(jī)和環(huán)境污染的不斷加劇，越來(lái)越多的清潔能源被加以利用，并以分布式電源(distributed generation,DG)的形式并入電網(wǎng)。為了充分利用分布式清潔能源，并降低分布式能源間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響，主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

主動(dòng)配電網(wǎng)不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)，除了有大電網(wǎng)連接以外，自身還包含了多種電源以及多個(gè)用戶，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中還安裝了主動(dòng)管理設(shè)備，在多種復(fù)雜情況下可以進(jìn)行不同的控制管理，更大程度發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢(shì)并盡量避免其對(duì)配電系統(tǒng)的干擾。因此，針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方法已經(jīng)不再適用于主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估理論與方法展開(kāi)了一系列研究。文獻(xiàn)[2]提出的配電系統(tǒng)可靠性算法是基于編號(hào)法和蒙特卡洛模擬法展開(kāi)的，并說(shuō)明了分布式電源的接入對(duì)系統(tǒng)可靠性水平的提升有積極的影響。文獻(xiàn)[3]探討了在加入分布式電源后，配電網(wǎng)可靠性的研究理論和計(jì)算方法，同樣說(shuō)明了分布式電源并網(wǎng)一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

下面通過(guò)運(yùn)用序貫蒙特卡洛模擬法，提出了一種適用于含分布式電源的主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性分析方法，該方法結(jié)合傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)和針對(duì)分布式電源的可靠性指標(biāo)進(jìn)行研究，并解決了在評(píng)估過(guò)程中，不同系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)類型的潮流計(jì)算與潮流平衡調(diào)整問(wèn)題，總結(jié)出了完整的可靠性評(píng)估步驟。

1 可靠性評(píng)估指標(biāo)

結(jié)合TOPSIS法[4]和本征向量法，綜合傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)和針對(duì)分布式電源的可靠性指標(biāo)[5]，提出了適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠性綜合評(píng)估值。該綜合評(píng)估值既包含了頻率、時(shí)間、電量的信息和孤島運(yùn)行時(shí)的電力供求狀況，又反映了分布式電源接入對(duì)系統(tǒng)的影響。傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)有：系統(tǒng)平均停電頻率(system average interruption frequency index, SAIFI)、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(system average interruption duration index, SAIDI)、系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)(energy not supplied, ENS)和電能質(zhì)量指標(biāo)(voltage quality, VOL)。針對(duì)分布式電源的新指標(biāo)包括：DG對(duì)SAIDI的貢獻(xiàn)系數(shù)DSAIDI，DG對(duì)SAIFI的貢獻(xiàn)系數(shù)DSAIFI和孤島電力不足期望(expected demand not supplied when being island, EDNSI)。

1.1 傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)

1)系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)(SAIFI)

(1)

式中：λi為負(fù)荷點(diǎn)i故障率的平均值；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；SAIFI的單位為次/(戶·年)。該指標(biāo)也被定義為用戶平均停電次數(shù)(average interruption times of customer, AITC)。

2)系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(SAIDI)

(2)

式中：Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時(shí)間平均值；SAIDI的單位為小時(shí)/(戶·年)。該指標(biāo)還被定義為用戶平均停電時(shí)間(average interruption hours of customer, AIHC)。

3)系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)(ENS)

ENS=∑LaiUi

(3)

式中，Lai為接入負(fù)荷點(diǎn)i的負(fù)荷平均值。

4)電能質(zhì)量指標(biāo)(VOL)

(4)

式中：(Vr-Vmin)(Vmax-Vr)∑|Pj|表示系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)在額定電壓下的總體電壓水平；K為主動(dòng)配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；Vmax、

Vmin和Vr分別為節(jié)點(diǎn)電壓上、下限值和額定值；Pi為節(jié)點(diǎn)i注入功率；Pj為節(jié)點(diǎn)j注入功率。當(dāng)電壓水平越優(yōu)時(shí)，VOL會(huì)越高；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓是額定值時(shí)，該指標(biāo)值為最大值為1[3]。

1.2 針對(duì)分布式電源的指標(biāo)

1)DSAIDI為DG對(duì)SAIDI的貢獻(xiàn)系數(shù)，是DG并網(wǎng)后SAIDI的減少量與DG容量之比，計(jì)算方法為

(5)

式中：SAIDI0代表DG并網(wǎng)前的系統(tǒng)停電時(shí)間平均值；SAIDI1代表DG并網(wǎng)后的系統(tǒng)停電時(shí)間平均值；PDG是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)分布式電源的額定容量。

(2)DG對(duì)SAIFI的貢獻(xiàn)系數(shù)DSAIFI，是DG并網(wǎng)后配電網(wǎng)SAIFI的削減值與DG容量的比值。計(jì)算公式為

(6)

式中，SAIFI0和SAIFI1分別代表DG并網(wǎng)前后的系統(tǒng)平均停電頻率。

3)孤島電力不足期望

EDNSI=∑(P(t)C(t))

(7)

式中：C(t)為孤島運(yùn)行t時(shí)刻負(fù)荷削減量；P(t)為此刻該事件發(fā)生的概率。其中分布式電源出力和負(fù)荷削減特性均對(duì)C(t)的值有一定影響。

2 序貫蒙特卡洛仿真

序貫蒙特卡洛模擬方法是在固定時(shí)段內(nèi)，按照時(shí)間順序，通過(guò)抽樣模擬元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程，最終獲取系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的虛擬過(guò)程[6]。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)于系統(tǒng)中的元件，只考慮正常運(yùn)行和故障停運(yùn)兩種狀態(tài)。抽樣的元件考慮了風(fēng)機(jī)、光伏、蓄電池以及線路。一般來(lái)說(shuō)，元件的正常狀態(tài)持續(xù)時(shí)間和故障修復(fù)時(shí)間都服從指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)為

f(t)=λe-λt

(8)

g(t)=μe-μt

(9)

式中：λ為失效率；μ為修復(fù)率；f(t)為t時(shí)刻發(fā)生故障的概率；g(t)為t時(shí)刻被修復(fù)完成的概率。

對(duì)概率密度函數(shù)求積分得到概率與時(shí)間的關(guān)系后，通過(guò)產(chǎn)生[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，運(yùn)用概率密度函數(shù)的反函數(shù)來(lái)確定系統(tǒng)元件的具體工作狀態(tài)，用于抽樣的反函數(shù)公式為

(10)

(11)

式中，R1、R2為[0,1]間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。對(duì)無(wú)故障工作時(shí)間TTF和失效時(shí)間TTR進(jìn)行圖1所示的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣。

圖1 故障與修復(fù)狀態(tài)抽樣

通過(guò)序貫蒙特卡洛模擬抽樣得到各個(gè)元件的運(yùn)行狀態(tài)后，便可獲得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

3 可靠性評(píng)估流程

3.1 網(wǎng)絡(luò)類型分類

在蒙特卡洛仿真過(guò)程中，部分線路或者分布式電源可能發(fā)生故障，使得配電網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)裂解成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，形成不同類型的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。所以在進(jìn)行潮流計(jì)算之前，應(yīng)先對(duì)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域類型進(jìn)行分類。網(wǎng)絡(luò)區(qū)域類型可分為3類：第1類為網(wǎng)絡(luò)中含有電源節(jié)點(diǎn)(類型1)；第2類為網(wǎng)絡(luò)中不含有電源節(jié)點(diǎn)，但含有PV節(jié)點(diǎn)(類型2)；第3類為網(wǎng)絡(luò)中既不含有電源節(jié)點(diǎn)，又不含有PV節(jié)點(diǎn)(類型3)。

第1類網(wǎng)絡(luò)可直接按照第3.2節(jié)所述的改進(jìn)的前推回代潮流計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。第3類網(wǎng)絡(luò)無(wú)電源，不需要進(jìn)行潮流計(jì)算。第2類網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)參考平衡節(jié)點(diǎn)和部分線路進(jìn)行處理。由于第2類網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有電源點(diǎn)，故需要選擇一個(gè)PV節(jié)點(diǎn)作為參考平衡節(jié)點(diǎn)，這里以PV節(jié)點(diǎn)編號(hào)最小的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參考平衡節(jié)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，某一線路的始節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)是相對(duì)于給定電流正方向而言的，這樣便于前推回代潮流計(jì)算時(shí)確定迭代方向。因此當(dāng)參考平衡節(jié)點(diǎn)改變之后，需要調(diào)整部分線路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。如圖2所示，如果電源點(diǎn)0節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則該網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)6定為參考平衡節(jié)點(diǎn)，部分線路始末節(jié)點(diǎn)調(diào)整如表1所示。因此，對(duì)于第2類網(wǎng)絡(luò)，需要先選定新的參考平衡節(jié)點(diǎn)，調(diào)整線路的始末節(jié)點(diǎn)，然后才可根據(jù)第3.2節(jié)所述的改進(jìn)的前推回代潮流計(jì)算方法進(jìn)行潮流計(jì)算。

圖2 節(jié)點(diǎn)編號(hào)調(diào)整

線路編號(hào)故障前始節(jié)點(diǎn)末節(jié)點(diǎn)故障后始節(jié)點(diǎn)末節(jié)點(diǎn)2122132332434435455465665

3.2 潮流計(jì)算

分布式電源接入配電網(wǎng)，給配電網(wǎng)的功率損耗、電壓分布和潮流計(jì)算帶來(lái)了巨大的影響。當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，潮流的流向也會(huì)發(fā)生變化，不僅僅是從變電站母線流向負(fù)荷的單一方向，也可能會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，其電壓變化更加復(fù)雜，因此有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布進(jìn)行進(jìn)一步分析。

這里將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池等效為PV節(jié)點(diǎn)處理；蓄電池等效為PV節(jié)點(diǎn)；負(fù)荷等效為PQ節(jié)點(diǎn)。采用改進(jìn)的前推回代潮流計(jì)算方法，通過(guò)無(wú)功修正，將有分布式電源接入的PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[8]。其計(jì)算方法如下：

1)形成PV型分布式電源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電抗矩陣，并給定無(wú)功初始值，將其轉(zhuǎn)化為PQ型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

2)從線路末端開(kāi)始前推計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)支路的損耗和傳輸功率，直至前推到始端電源節(jié)點(diǎn)。

3)從始端電源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，通過(guò)已知首段電壓和前推得到的功率，回代計(jì)算支路電壓降和支路末端電壓，直至回代到網(wǎng)絡(luò)線路最末端。

4)判斷收斂情況。對(duì)于PQ型節(jié)點(diǎn)，連續(xù)兩次迭代的電壓幅值之差小于或等于給定收斂精度即達(dá)到收斂。對(duì)于PV型節(jié)點(diǎn)，本次迭代電壓幅值與該P(yáng)V節(jié)點(diǎn)原給定電壓幅值之差小于或等于預(yù)設(shè)精度即為收斂。若收斂，繼續(xù)下一步；否則，則轉(zhuǎn)至步驟2)。

5)輸出潮流計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)束。

3.3 潮流平衡調(diào)整策略

在潮流計(jì)算收斂的前提下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)電能富余或者電能缺供的情況，針對(duì)不同的情況，需要對(duì)蓄電池的出力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的出力以及負(fù)荷供給進(jìn)行調(diào)整，以使得系統(tǒng)潮流平衡。不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的調(diào)整策略。類型3中既沒(méi)有電源節(jié)點(diǎn)也沒(méi)有PV節(jié)點(diǎn)，故無(wú)需進(jìn)行調(diào)整。類型1和類型2的潮流平衡調(diào)整策略如圖3和圖4所示。

電量富余時(shí)，逐步減小蓄電池的出力，每次調(diào)整之后檢驗(yàn)蓄電池荷電狀態(tài)約束并重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到電源點(diǎn)的出力符合其出力限制或者所有蓄電池都達(dá)到調(diào)整下限。當(dāng)?shù)?類網(wǎng)絡(luò)(不含電源點(diǎn)，但含有PV節(jié)點(diǎn))系統(tǒng)電量不足時(shí)，逐步增加平衡節(jié)點(diǎn)之外所有蓄電池出力，最后才調(diào)整平衡節(jié)點(diǎn)上蓄電池的出力；同樣，當(dāng)系統(tǒng)電量富余時(shí)，逐步減小平衡節(jié)點(diǎn)之外蓄電池的出力，最后才調(diào)整平衡節(jié)點(diǎn)上蓄電池的出力，每次調(diào)整之后檢驗(yàn)蓄電池荷電狀態(tài)約束并重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到平衡節(jié)點(diǎn)的出力符合平衡節(jié)點(diǎn)出力限制或者所有蓄電池都達(dá)到調(diào)整極限。

圖3 潮流平衡調(diào)整(類型1)

圖4 潮流平衡調(diào)整(類型2)

2)負(fù)荷削減

當(dāng)系統(tǒng)電力不足，而所有的蓄電池都達(dá)到了最大出力時(shí)，則需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行削減。逐步削減負(fù)荷，每次調(diào)整之后重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到平衡節(jié)點(diǎn)符合出力約束。

3)棄風(fēng)棄光

當(dāng)系統(tǒng)電力富余，而所有的蓄電池都達(dá)到了最小出力時(shí)，則需要減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的出力。對(duì)于第1類網(wǎng)絡(luò)(含電源點(diǎn))，應(yīng)逐步減小所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的出力，每次調(diào)整后需重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到平衡節(jié)點(diǎn)的出力符合出力限制；對(duì)于第2類網(wǎng)絡(luò)(不含電源點(diǎn)，但含有PV節(jié)點(diǎn))，先減小平衡節(jié)點(diǎn)之外的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的出力，最后才調(diào)整平衡節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的出力，每次調(diào)整后都應(yīng)重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到平衡節(jié)點(diǎn)的出力符合出力限制。

3.4 可靠性評(píng)估步驟

1)給定初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分布式電源安裝位置及裝機(jī)容量、負(fù)荷需求量以及線路與分布式電源的故障率、修復(fù)率。

2)逐個(gè)按時(shí)刻進(jìn)行蒙特卡洛仿真，得到每個(gè)時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3)對(duì)每個(gè)時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，判斷網(wǎng)絡(luò)斷裂成的網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流分析。若潮流不平衡，則需根據(jù)潮流不平衡調(diào)整策略進(jìn)行調(diào)整。

4)根據(jù)潮流計(jì)算的結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算可靠性指標(biāo)。

5)基于TOPSIS法和本征向量法計(jì)算可靠性綜合評(píng)估值，再根據(jù)綜合評(píng)估值來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性高低。

4 算例分析

為驗(yàn)證所提出可靠性評(píng)估方法的有效性，以IEEE 33節(jié)點(diǎn)為例，對(duì)9個(gè)方案進(jìn)行了可靠性評(píng)估。

方案1至方案9的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和線路參數(shù)均參照IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，PQ節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù)均為10，其他節(jié)點(diǎn)不連接用戶。9個(gè)方案的分布式電源參數(shù)如表2所示。電壓上限設(shè)置為1.05 p.u.，電壓下限設(shè)置為0.95 p.u.，線路傳輸功率限制為7000 kW，線路故障率為0.001，修復(fù)率為0.6。蓄電池的初始荷電狀態(tài)為1。蒙特卡洛總仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為8760 h，仿真10次。統(tǒng)計(jì)9個(gè)方案10次的仿真數(shù)據(jù)，可靠性綜合評(píng)估指標(biāo)如圖5所示。

表2 分布式電源參數(shù)

圖5 可靠性綜合評(píng)估指標(biāo)

方案1和方案2的風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置和裝機(jī)容量不相同，方案1和方案5、方案6的風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置不同，但是裝機(jī)容量相同。在10次試驗(yàn)中，這4個(gè)方案的可靠性差異較大，可靠性從大到小排列為方案5、方案1、方案6、方案2，可見(jiàn)，合理設(shè)置風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置和裝機(jī)容量對(duì)于系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

方案3、方案4與方案1的風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置相同，但方案3的裝機(jī)容量是方案1的0.5倍，方案4的裝機(jī)容量是方案1的2倍。在10次試驗(yàn)中，這3個(gè)方案可靠性從大到小排列為方案4、方案1、方案3，可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置一致時(shí)，在一定范圍內(nèi)裝機(jī)容量越大，系統(tǒng)的可靠性越高。

方案1、方案7、方案8和方案9中，風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置相同，不同之處在于，方案7光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量是方案的2倍，方案8風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量是方案1的2倍，方案9蓄電池的容量是方案1的2倍。通過(guò)對(duì)比10次試驗(yàn)的結(jié)果，4個(gè)方案的可靠性相差不大，但方案7和方案8可靠性會(huì)略微大于方案1和方案9。綜上所述，在一定程度上，風(fēng)、光、儲(chǔ)的裝機(jī)容量越大，系統(tǒng)可靠性越高。合理選擇風(fēng)、光、儲(chǔ)的接入位置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了綜合評(píng)估主動(dòng)配電網(wǎng)的可靠性，運(yùn)用了兩類可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，即傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)和針對(duì)分布式電源的可靠性指標(biāo)。運(yùn)用序貫蒙特卡洛模擬法確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，從而進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)類型分成3類。應(yīng)用改進(jìn)的前退回代潮流計(jì)算方法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)潮流，并對(duì)潮流不平衡進(jìn)行調(diào)整，最終計(jì)算系統(tǒng)的綜合可靠性指標(biāo)。隨著主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的逐步發(fā)展，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，用戶側(cè)作為獨(dú)立的利益主體將更多地參與到配網(wǎng)中來(lái)，考慮源—網(wǎng)—荷三方互動(dòng)的主動(dòng)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估是未來(lái)重要的研究方向。