國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司 朱月堯

引言

隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，含分布式電源的配電網(wǎng)受到廣泛關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，越來(lái)越多的分布式電源接入到電力系統(tǒng)中。分布式電源具有不確定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，它的接入使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)從單一電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向多電源網(wǎng)絡(luò)，使得對(duì)含有分布式電源的配電網(wǎng)的可靠性研究變得更加復(fù)雜，不僅增加了計(jì)算的難度且改變了原有的可靠性評(píng)估模型。

當(dāng)前對(duì)含有分布式電源的可靠性研究主要集中在分布式電源建模、可靠性計(jì)算、建立相關(guān)指標(biāo)體系等方面：文獻(xiàn)[1]建立以居民、商業(yè)、工業(yè)為基礎(chǔ)的時(shí)序負(fù)荷模型，采用蒙特卡洛方法對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[2]并采用序貫蒙特卡洛方法對(duì)電網(wǎng)可靠性進(jìn)行了計(jì)算，分析了分布式電源并入配電網(wǎng)的位置、容量等對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響；文獻(xiàn)[3]以分布式電源的負(fù)荷出力模型為基礎(chǔ)，將饋線分區(qū)與故障模式相結(jié)合，計(jì)算了配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)；文獻(xiàn)[4]對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的安全性進(jìn)行研究，分析了分布式電源接入對(duì)電壓波動(dòng)及網(wǎng)損的影響，建立了含分布式電源的配電網(wǎng)安全態(tài)勢(shì)指標(biāo)體系。

本文一共分為三部分：第一部分分別從系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)建立可靠性指標(biāo)，并介紹了解析法和模擬法兩種可靠性評(píng)估方法；第二部分分析了解析法中的最小路法，給出了最小路的定義及基于最小路法的可靠性分析過(guò)程；第三部分結(jié)合具體的例子，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)和系統(tǒng)側(cè)指標(biāo)分別進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析了分布式電源對(duì)系統(tǒng)供電可靠性的影響。

1 分布式電源的配電網(wǎng)可靠性分析

1.1 分布式電源

隨著環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、新能源等方面的問(wèn)題日趨突出，分布式電源的相關(guān)發(fā)電技術(shù)被逐漸注重，目前分布式電源在電網(wǎng)的占比劇增。光伏發(fā)電是將太陽(yáng)發(fā)出的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電裝置，基本原理是：半導(dǎo)體PN結(jié)受到陽(yáng)光照射后，內(nèi)部的載流子分布和濃度發(fā)生變化產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。光伏板安裝在光伏支架上，安裝在最佳入射角度的位置以提高轉(zhuǎn)換效率；風(fēng)力發(fā)電的主要原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)的速度帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電使用的是清潔能源風(fēng)能，無(wú)需使用化石燃料，不會(huì)對(duì)空氣產(chǎn)生污染，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

1.2 含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)

1.2.1 負(fù)荷側(cè)的可靠性指標(biāo)

負(fù)荷側(cè)指標(biāo)反映的是負(fù)荷側(cè)的供電可靠程度，三個(gè)基本的負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)分別為平均故障率、年平均停運(yùn)時(shí)間和平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間[5]。

平均故障率λi的定義是，某一負(fù)荷點(diǎn)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)由配電網(wǎng)元件發(fā)生故障引發(fā)的停電次數(shù)，時(shí)間范圍通常取一年。它反映的是負(fù)荷點(diǎn) 的供電系統(tǒng)的可靠性，λi的計(jì)算公式為式中：i為研究對(duì)象的負(fù)荷點(diǎn)編號(hào)，j為負(fù)荷點(diǎn)i與電源點(diǎn)連線之間的元件編號(hào)，平均故障率λi的單位是次/年。

年平均停電時(shí)間Ui的定義是，某負(fù)荷點(diǎn)在一年內(nèi)發(fā)生停電的總時(shí)間，它反映的是負(fù)荷點(diǎn)i的供電系統(tǒng)的供電能力，Ui對(duì)應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)則代表停電時(shí)間越長(zhǎng)、供電能力越弱，Ui的計(jì)算公式為

停運(yùn)持續(xù)時(shí)間ri的定義是，負(fù)荷點(diǎn)i(一般是在一年時(shí)間內(nèi))每次停電持續(xù)的時(shí)間，由于ri受到多重因素的影響，所以只看其值無(wú)法得出準(zhǔn)確結(jié)論，如故障次數(shù)和停電時(shí)間等比例增長(zhǎng)，雖然其值并未變化，但系統(tǒng)供電可靠性降低了，ri的計(jì)算公式為：

1.2.2 系統(tǒng)側(cè)可靠性指標(biāo)

可靠性評(píng)估需從多個(gè)方面來(lái)分析配電網(wǎng)可靠性。本文提出的系統(tǒng)側(cè)可靠性指標(biāo)一共有八個(gè)，其中常用的指標(biāo)有四個(gè)，分別是：系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間SAIDI、平均供電可用率ASAI、用戶平均停電持續(xù)時(shí)間CAIDI。

平均用戶缺點(diǎn)量指一年內(nèi)每個(gè)停電用戶分?jǐn)偟墓╇娙鳖~，單位為“千瓦時(shí)/戶·年”，計(jì)算公式：系統(tǒng)總的電量不足/停電總用戶數(shù)；平均電量不足指標(biāo)指一年內(nèi)每個(gè)用戶分?jǐn)偟墓╇娙鳖~，單位為“千瓦時(shí)/戶·年”，計(jì)算公式：系統(tǒng)總的電量不足/總用戶數(shù)。

通過(guò)整合負(fù)荷側(cè)以及系統(tǒng)側(cè)的兩個(gè)可靠性指標(biāo)，便可對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行具體評(píng)估。其中，經(jīng)常用到的評(píng)估指標(biāo)有SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI。

1.3 可靠性評(píng)估方法

解析法。包括故障模式后果分析法、最小路法、裕度法、擴(kuò)散法等，主要是根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各部件功能以及它們之間的邏輯關(guān)系，建立對(duì)應(yīng)的可靠性概率模型。在建立可靠性概率模型之后，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，如遞推迭代法，對(duì)模型進(jìn)行精確求解，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)。由于解析法計(jì)算較為精確，因此適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的小規(guī)模系統(tǒng)。

模擬法。主要是指蒙特卡洛模擬法，這種模擬法又可分為序貫蒙特卡洛法和非序貫蒙特卡洛法。其主要原理是，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各元件的原始可靠性參數(shù)，通過(guò)隨機(jī)抽樣模擬可能的運(yùn)行狀態(tài)，從而計(jì)算出可靠性指標(biāo)。模擬法雖然計(jì)算便捷，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)、誤差較大，適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)。

2 基于最小路法的配電網(wǎng)可靠性分析

最小路法屬于可靠性評(píng)估方法中解析法中的一種，其基本思路是：先求出配電網(wǎng)所有的負(fù)荷到電源點(diǎn)的最小路，再將配電網(wǎng)中的元件分為在最小路上的元件和非最小路上的元件兩類(lèi)，把非最小路上元件可靠性參數(shù)折算到對(duì)應(yīng)的最小路節(jié)點(diǎn)上，且對(duì)該最小路的元件及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，從而求出負(fù)荷側(cè)及系統(tǒng)側(cè)的可靠性指標(biāo)。

2.1 最小路的定義

路徑的數(shù)學(xué)定義是指連接任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有無(wú)向或有向弧的整體稱(chēng)為它們之間的路徑。最小路的定義是，如果一條路徑中任何一條弧被刪除，此路徑就不再是一條通路，則該路徑就稱(chēng)之為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最小路。最小路集是所有最小路的集合。應(yīng)用最小路法進(jìn)行可靠性分析過(guò)程的第一步便是求取負(fù)荷點(diǎn)與電源點(diǎn)之間的最小路集，以圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為例，最小路集為：x1x4、x2x5、x1x3x5、x2x3x4。

2.2 基于最小路法的可靠性計(jì)算過(guò)程

以圖2所示的4負(fù)荷點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明應(yīng)用最小路法求解的步驟。

第一步，確定某一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)為研究對(duì)象，并將整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)的元件分為兩類(lèi)，分別是最小路元件和非最小路元件。以圖中負(fù)荷點(diǎn)3為例，配電網(wǎng)線路中LM1、L12、L23、l3和變壓器T3屬于最小路元件，其余元件都屬于非最小路元件。

第二步，計(jì)算最小路元件的可靠性指標(biāo)。在計(jì)算時(shí)要分別考慮配電網(wǎng)有無(wú)備用電源的情況。

第三步，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出負(fù)荷點(diǎn)的等效最小路，將系統(tǒng)中非最小路元件對(duì)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)的影響折算到相應(yīng)的最小路節(jié)點(diǎn)上。在等效的過(guò)程中，按照非最小路元件發(fā)生故障所在的饋線位置的不同來(lái)分別處理。

第四步，重復(fù)步驟一至三，直至計(jì)算出所有負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)。

第五步，通過(guò)整合求出的負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)，得出系統(tǒng)側(cè)可靠性指標(biāo)。

3 算例分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

圖3是一個(gè)含分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)的母線電壓為33kV，共有10負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、8臺(tái)變壓器、4臺(tái)斷路器、1臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)，負(fù)荷點(diǎn)總用戶數(shù)為668戶，負(fù)荷點(diǎn)1、2、5、6、7為第二類(lèi)負(fù)荷，其余負(fù)荷點(diǎn)為第三類(lèi)負(fù)荷，饋線（主、分支）的故障率為0.065次/km，年平均故障修復(fù)時(shí)間為5h，變壓器的故障率為0.015次/臺(tái)，年平均故障修復(fù)時(shí)間為200h，隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)間為30min。在饋線L34和饋線L7-10處分別加入分布式電源，并以并聯(lián)方式運(yùn)行。各饋線參數(shù) ：線路長(zhǎng)度 l1、l4、l6、l9、l10、l89均為0.1km，l2為0.75km，l5為0.8km，l8、L67均為1.6km，LF1、L7-10、L78均為2.8km，L36、L45均為3.2km，L23為4.8km，L34為4.3km。

3.2 可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

據(jù)前文基于最小路法的配電網(wǎng)可靠性計(jì)算方法，對(duì)圖4中33kV的含分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性指標(biāo)計(jì)算，編號(hào)1~10負(fù)荷點(diǎn)的故障率λS、平均停電持續(xù)時(shí)間rS、點(diǎn)年平均停電時(shí)間US分別為 ：0.9835/6.8963/6.7825、1.0323/6.8065/7.0263、0.4278/11.8849/5.0838、0.4798/11.0969/5.3238、0.9835/7.9741/7.8426、1.2695/7.3041/9.2725、1.1655/7.5097/8.2725、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325；系統(tǒng)側(cè)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果為：SAIFI 0.9742、SAIDI 7.3841、CAIDI 7.5795、ASAI 99.92%

由以上數(shù)據(jù)可知，在含分布式電源的配電網(wǎng)中，負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)中負(fù)荷點(diǎn)故障率λS和負(fù)荷點(diǎn)年平均停電時(shí)間US均有所減少，而系統(tǒng)側(cè)可靠性指標(biāo)中的系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)SAIFI和系統(tǒng)平均停電時(shí)間指標(biāo)SAIDI均減小，而代表供電可靠性的平均供電可用率ASAI上升，因此系統(tǒng)供電可靠性得到了提高。