李驍， 趙曦， 劉志美， 任大為， 郭紅霞， 李付存

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002)

0 引 言

在石油能源緊缺的背景下，新能源汽車的應(yīng)用越來越廣。常見的新能源汽車多采用電力作為驅(qū)動能源，因此，對車輛配電網(wǎng)的研究正在逐步加深[1-2]。配電網(wǎng)是電動汽車的重要組成部分，在使用過程中的穩(wěn)定性與可靠性直接影響著用戶的使用體驗及滿意度。為此，采用可靠性評估的形式，對配電網(wǎng)的使用狀態(tài)及效果展開分析[3-5]。

現(xiàn)階段常用的配電網(wǎng)運行可靠性評估算法主要有基于二次節(jié)點優(yōu)化編號的大規(guī)模復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法[6]、基于拓?fù)湎嗨菩苑治龅呐潆娋W(wǎng)網(wǎng)架可靠性評估方法[7]和考慮光儲可持續(xù)帶載能力的配電網(wǎng)可靠性分析方法[8]。上述方法雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)對配電網(wǎng)運行狀態(tài)的評估，但是計算過程較為單一，無法對多種充電形式下的車輛配電網(wǎng)展開高精度的評估。因而，在此次研究中，設(shè)計含電動汽車充電的配電網(wǎng)運行可靠性評估算法，采用相關(guān)技術(shù)對現(xiàn)有方法加以改進(jìn)，解決現(xiàn)有方法評估結(jié)果準(zhǔn)確性不高的問題，以此提升配電網(wǎng)運行可靠性評估算法的使用效果。

1 含電動汽車充電的配電網(wǎng)運行可靠性評估算法

1.1 配電網(wǎng)運行可靠性評估指標(biāo)選取

電動汽車配電網(wǎng)可靠性通常以整個電力系統(tǒng)運行狀況作為導(dǎo)向，因而在指標(biāo)選取過程中，采用多種指標(biāo)相結(jié)合的形式進(jìn)行評估。此次研究中的評估指標(biāo)設(shè)置由三部分組成，分別為：元件可靠性指標(biāo)、負(fù)荷點供電可靠性指標(biāo)以及配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)。對指標(biāo)體系進(jìn)行展開，獲取具體指標(biāo)如式(1)所示。

配電網(wǎng)故障率期望值：

(1)

式中:U為配電網(wǎng)故障率期望值;P(k)為配電網(wǎng)的故障狀態(tài)概率;α(k)為配電網(wǎng)正常狀態(tài)概率;N為測試次數(shù);k為元件總個數(shù)。通過式(1)可得到電動汽車在一個充電周期內(nèi)配電網(wǎng)的故障率。

配電網(wǎng)斷電持續(xù)時間期望值：

(2)

式中:K為配電網(wǎng)斷電持續(xù)時間期望值;O(k)為配電網(wǎng)斷電故障發(fā)生概率。采用式(2)可以計算出在一定周期內(nèi)，配電網(wǎng)斷電持續(xù)時間的期望值。

可容忍斷電時間期望值：

(3)

式中:J為可容忍斷電時間期望值;Y(k)為配電網(wǎng)的停運時間。采用式(3)可計算出電動汽車充電時，當(dāng)配電網(wǎng)斷電后，用戶可容忍的斷電時長。

斷電頻率期望值：

(4)

式中:U(SAIFI)為斷電頻率期望值;SAIFI(k)為配電網(wǎng)電力運行系統(tǒng)的平均停電次數(shù)。通過此指標(biāo)可得到配電網(wǎng)的斷電頻率期望值，并以此確定配電網(wǎng)的穩(wěn)定系數(shù)。

電量不足期望值：

(5)

式中:G為電量不足期望值;T為配電網(wǎng)中負(fù)荷點的負(fù)荷水平;Pi為缺電時間期望值。通過式(5)可求得充電過程中由于配電網(wǎng)元件故障造成用戶供電電量的缺額。

在上述指標(biāo)中，部分指標(biāo)涉及到元件的使用效果，因此，將部分元件使用效果計算過程設(shè)定如下：

(6)

式中:α為元件使用效果系數(shù);i為某元件;ai為某元件i在系統(tǒng)運行時間內(nèi)發(fā)生的故障次數(shù);ti為元件i的運行總時間;αi為指定時間內(nèi)元件修復(fù)次數(shù)。通過式(6)可計算出配電網(wǎng)中元件的故障發(fā)生率。

將式(6)與此次研究中設(shè)定的指標(biāo)計算公式相結(jié)合，計算得出配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，作為配電網(wǎng)評估指標(biāo)的組成部分，構(gòu)建配電網(wǎng)運行可靠性評估指標(biāo)體系，并將此作為配電網(wǎng)評估的參考基礎(chǔ)。

1.2 配電網(wǎng)運行可靠性評估模型構(gòu)建

通過上述設(shè)計，完成配電網(wǎng)運行可靠性評估的準(zhǔn)備工作，在此基礎(chǔ)上，將采用模擬法構(gòu)建配電網(wǎng)運行可靠性評估模型。在模型構(gòu)建前，將配電網(wǎng)中的元件設(shè)定為停運狀態(tài)，設(shè)定電網(wǎng)的平均正常運行時間與配電網(wǎng)修復(fù)時間為Tε與Tδ，則電網(wǎng)的平均正常運行時間與配電網(wǎng)修復(fù)時間的關(guān)系可以表示為：

(7)

根據(jù)此公式將配電網(wǎng)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程通過圖1進(jìn)行展示，將此過程設(shè)定為時間軸的形式，則有：通過圖1可知，配電網(wǎng)的運行可靠性具有周期性，因而，可采用指數(shù)分布技術(shù)[9]分析配電網(wǎng)運行的情況，通過公式可表示為：

圖1 配電網(wǎng)運行循環(huán)狀態(tài)

Eαβ=T[v(t)-αo-?]+T[z(t)-βo-?]

(8)

式中:Eαβ為故障導(dǎo)致的停電風(fēng)險概率;β為配電設(shè)備使用效果系數(shù);v(t)、z(t)分別為配電網(wǎng)在充電t時刻的故障概率與修復(fù)概率;

o-?為配電網(wǎng)各區(qū)段故障概率。通過此公式可得到配電網(wǎng)發(fā)生故障的概率分布函數(shù)[10]如下：

(9)

式中:V(t)、Z(t)分別為配電網(wǎng)故障時刻與修復(fù)時刻高于正常標(biāo)準(zhǔn)的概率。

通過式(9)可得到配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，將此公式計算結(jié)果與本文設(shè)計評估指標(biāo)相結(jié)合。至此，含電動汽車充電的配電網(wǎng)運行可靠性評估算法設(shè)計完成。

2 算例分析

在文中的上述理論部分，實現(xiàn)了含電動汽車充電的配電網(wǎng)運行可靠性評估算法的設(shè)計工作。為驗證此方法的有效性，采用算例分析的形式，分析其使用效果。

2.1 計算指標(biāo)

在此次設(shè)計中，采用本文設(shè)計方法與基于二次節(jié)點優(yōu)化編號的大規(guī)模復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法(方法1)和基于拓?fù)湎嗨菩苑治龅呐潆娋W(wǎng)網(wǎng)架可靠性評估方法(方法2)進(jìn)行對比，對比三種評估方法的運行時間與評估準(zhǔn)確性。將電動汽車的充電模式設(shè)定為快速充電與慢速充電兩種充電狀態(tài)。在此次測試中，記錄每次運算的時間與準(zhǔn)確率，并通過圖像的形式，完成三種方法的對比。

2.2 結(jié)果分析

圖2為慢充狀態(tài)和快充狀態(tài)下不同方法的響應(yīng)時間測試結(jié)果。

分析圖2可知，在慢充狀態(tài)下，三種方法的評估響應(yīng)時間差異較小。為更好地體現(xiàn)本文設(shè)計方法與其他兩種方法在使用中不同，對比快充狀態(tài)下的評估響應(yīng)時間，得出在不同的電池電壓下，本文設(shè)計方法的運行時間明顯低于其他兩種方法。由此可知，在快充狀態(tài)下，本文設(shè)計方法的使用效果最佳。其他兩種算法的響應(yīng)時長相對過長。本文設(shè)計方法的計算時間與響應(yīng)時間在不同的電池電壓下較為穩(wěn)定，且不論是快充狀態(tài)還是慢充狀態(tài)，本文方法的響應(yīng)時間均較低，可更快完成配電網(wǎng)運行可靠性評估計算。

從上述測試結(jié)果可知，不論是在慢充狀態(tài)下還是快充狀態(tài)下，本文方法都具有一定的優(yōu)勢。測試結(jié)果表明，本文方法的使用效果更佳。

3 結(jié)束語

圖2 不同狀態(tài)下三種方法響應(yīng)時間測試結(jié)果

此次研究以電動汽車配電網(wǎng)可靠性計算作為研究基礎(chǔ)，得到在充電狀態(tài)下配電網(wǎng)運行可靠性評估算法。試驗結(jié)果表明,本文方法在評估響應(yīng)時間和評估準(zhǔn)確率方面優(yōu)于現(xiàn)有方法，驗證了本文方法的有效性與優(yōu)勢性。在此次研究的過程中，還存在部分不足：在研究配電網(wǎng)可靠性時，雖然考慮配電網(wǎng)的功率輸出，但是計算過程較為簡單，因此，若要更加精確地計算配電網(wǎng)的功率輸出，需要進(jìn)一步研究電源的出力變化。在日后的研究中，應(yīng)針對此部分展開詳盡的研究。