分布式電源接入配電系統(tǒng)可靠性分析方法

袁兆祥，孔祥玉，趙帥

（1．國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100052；2．天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

分布式電源接入配電系統(tǒng)可靠性分析方法

袁兆祥1，孔祥玉2，趙帥2

（1．國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100052；2．天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

分布式電源接入電網(wǎng)后，對配電系統(tǒng)將會產(chǎn)生很大影響，使原有配電系統(tǒng)可靠性計算模型和評估方法發(fā)生改變。文中提出了一種基于蒙特卡洛方法的分布式電源接入配電系統(tǒng)后的可靠性分析方法。該方法主要針對分布式電源與系統(tǒng)電源并列運行情況，重點考慮了分布式電源在配電網(wǎng)中的作用，以及在系統(tǒng)發(fā)生故障時分布式電源對供電負荷的轉(zhuǎn)帶策略等因素。通過實際仿真算例的分析，驗證了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：高滲透率；分布式電源；蒙特卡洛方法；可靠性分析

隨著清潔可再生能源的利用和開發(fā)工作受到重視，分布式電源DG（distributed generation）大量接入配電系統(tǒng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行模式發(fā)生改變。通常將滲透率定義為局部地區(qū)整個配網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式發(fā)電系統(tǒng)容量占配網(wǎng)系統(tǒng)容量的比率，一般情況下滲透率到達70%即被認為是高滲透[1]。目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)在一些地區(qū)的配電網(wǎng)已形成高滲透。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)通常是由單一電源點輻射式供電，采用的模型也是單電源模型，當電網(wǎng)上任一條饋線發(fā)生故障時，此饋線故障點后面的負荷將全部停電；而分布式接入配電系統(tǒng)后，配電系統(tǒng)變?yōu)橐粋€多電源網(wǎng)絡(luò)，當饋線上發(fā)生故障時，若饋線后接有分布式電源，則故障饋線后的負荷點能夠與分布式電源形成孤島而不停電[2]。由于分布式電源（如風(fēng)能、太陽能）輸出具有隨機性和不可控性，在高滲透分布式電源接入的情況下，配電系統(tǒng)的可靠性評估模型和方法與傳統(tǒng)方法有所不同，可靠性分析方法也變得復(fù)雜[3]。

針對分布式電源接入對配電系統(tǒng)的影響，文獻[4-7]針對分布式電源接入前后配電系統(tǒng)的可靠性指標分別給出提高可靠性的不同改進方法。本文提出一種適于高滲透含分布式電源接入情況下的配電系統(tǒng)可靠性分析方法，該方法采用蒙特卡洛方法，針對分布式電源與系統(tǒng)電源并列運行情況，充分考慮了分布式電源在系統(tǒng)發(fā)生故障時的作用和分布式電源轉(zhuǎn)帶負荷的策略等因素。

1 分布式電源接入配電網(wǎng)的運行方式及模型

1.1 分布式電源的運行方式

分布式電源的運行方式會對配電網(wǎng)供電可靠性產(chǎn)生不同影響[8]，主要包含3種情況。

（1）分布式電源作為系統(tǒng)電源的備用電源。當配電系統(tǒng)發(fā)生故障中斷供電或由于其他原因切除饋線后負荷時，接在負荷側(cè)的分布式電源啟動，通過開關(guān)的操作，將負荷轉(zhuǎn)移到分布式電源繼續(xù)供電。此種運行方式有助于提高配電系統(tǒng)可靠性，但經(jīng)濟性差，會造成分布式電源的浪費。

（2）系統(tǒng)電源作為分布式電源的后備電源。此種運行方式下，分布式電源獨立運行給負荷供電，由于分布式電源的間歇性和不可控性，需要加入系統(tǒng)電源來平衡兩者。這種運行方式最大程度地提高分布式電源的經(jīng)濟性，也充分考慮了投資者的利益，但對配電網(wǎng)的可靠性卻沒有幫助。

（3）分布式電源與系統(tǒng)電源并列運行，共同為區(qū)域內(nèi)的負荷點供電。此時配電網(wǎng)變?yōu)橐粋€多電源網(wǎng)絡(luò)，用戶可從多個電源獲得電能，相當于為負荷點增加了備用電源。在該種方式下，系統(tǒng)電源和分布式電源故障時，可互為備用提高配電系統(tǒng)的可靠性。當然若控制措施不當，則可能面臨解孤島時的系統(tǒng)不同步，嚴重時甚至影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

在高滲透率的分布式電源接入配電網(wǎng)情況下，考慮到效率及穩(wěn)定性問題，分布式電源與系統(tǒng)電源并列運行將成為主流[9]。本文以并列運行方式作為研究對象，其他方式可采用相同方法分析。

1.2 分布式電源接入配電網(wǎng)方式

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，分布式電源接入電壓等級宜按照200 kW及以下分布式電源接入380V電壓等級電網(wǎng)，200 kW以上分布式電源接入10 kV（6 kV）及以上電壓等級電網(wǎng)。接入配電系統(tǒng)主要包括兩種形式[10]。

（1）分布式電源通過配電網(wǎng)的分支饋線分散接入到低壓配網(wǎng)中的各個負荷點，該種方式主要是對小規(guī)模的分布式電源，通常接入380 V電壓，方式連接如圖1（a）。這種接入方式分布式電源與負荷點間經(jīng)過的配電環(huán)節(jié)較少，其優(yōu)點是能夠發(fā)揮分布式電源安裝靈活、能量來源廣泛的特點，缺點是配電系統(tǒng)的運行調(diào)度方式實現(xiàn)難度較大。

（2）分布式電源集中接入到配電系統(tǒng)的低壓側(cè)母線上，該種方式主要是對于中等規(guī)模的分布式電源，通常接入10 kV（6 kV）電壓等級，方式連接如圖1（b）。分布式電源集中接到低壓側(cè)母線上時，其作用與系統(tǒng)側(cè)電源相同。當配電系統(tǒng)發(fā)生故障而失去系統(tǒng)側(cè)電源時，分布式電源可代替系統(tǒng)電源繼續(xù)向低壓側(cè)用戶供電。但由于分布式電源的出力受到諸多因素影響，并不恒定，此時通常僅能對重要負荷供電，所帶負荷需進行優(yōu)選。

圖1 分布式電源接入配電網(wǎng)方式Fig.1Connection modes of DG into distribution network

當系統(tǒng)發(fā)生故障后，兩種方式都可形成區(qū)域不等的孤島以支持所供負荷不停電。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性分析

2.1 分布式電源和負荷的分組策略

配電系統(tǒng)每條饋線都裝有斷路器，對某一故障，發(fā)生故障的饋線分成前向區(qū)域、中間區(qū)域、后向區(qū)域。當有分布式電源加入后，需考慮斷路器跳閘策略和分布式電源的孤島運行，同時饋線前向和后向區(qū)域受故障影響可能不同，前向區(qū)域和后向區(qū)域需根據(jù)斷路器跳閘策略進行不同分組。

例如某些負荷在斷路器跳閘后不進行開關(guān)操作就能夠被某個分布式電源轉(zhuǎn)帶，此種情況下，可將該負荷與所供能的分布式電源分為同枝組，分布式電源和負荷可形成孤島運行；不可能被分布式電源轉(zhuǎn)帶的則視為分布式電源的不同枝組。利用該種分組方法，可將故障的前向區(qū)域、后向區(qū)域分成分布式電源的前向同枝/不同枝組、后向同枝/不同枝組[9]。當前向區(qū)域或后向區(qū)域含有多個分布式電源時，不同的分布式電源允許具有不同的同枝組，對于不能被任何分布式電源轉(zhuǎn)帶的負荷點，同傳統(tǒng)配電網(wǎng)沒有分布式電源接入的其他負荷一樣，歸結(jié)于不可轉(zhuǎn)供的不同枝組。

2.2 分布式電源轉(zhuǎn)帶負荷的策略

當系統(tǒng)發(fā)生故障期間，分布式電源直接或通過快速操作對前向區(qū)域和后向區(qū)域負荷進行恢復(fù)供電，即讓分布式電源轉(zhuǎn)帶一部分負荷。此時的轉(zhuǎn)帶策略是：分布式電源優(yōu)先轉(zhuǎn)帶其同枝組內(nèi)重要的負荷，若有能力，轉(zhuǎn)帶同枝組內(nèi)的其他負荷，若還有剩余出力時，再轉(zhuǎn)帶不同枝組負荷。這樣做的目的在于減少開關(guān)操作次數(shù)，減少供電損耗。

對于后向區(qū)域，分布式電源是一直在運行的，在故障發(fā)生時，由于有斷路器跳閘策略保護，分布式電源將不會退出運行，故分布式電源的同枝負荷點將可能不停電，而其是否會停電取決于故障時間內(nèi)分布式電源的出力與負荷量間的大小對比關(guān)系。若分布式電源能將同枝負荷點全部轉(zhuǎn)帶，則同枝點負荷將不會停電，且分布式電源的剩余出力還可用來轉(zhuǎn)帶不同枝組內(nèi)的其他負荷；若分布式電源的出力不能將同枝組內(nèi)的負荷點全部轉(zhuǎn)帶，則在同枝組內(nèi)對重要負荷進行負荷點優(yōu)選。

對于故障的前向區(qū)域，當斷路器隔離故障跳閘時，也會形成含分布式電源的孤島。此時需對故障前向區(qū)域內(nèi)的負荷點和分布式電源進行分組。對于某些負荷點，由于同枝組內(nèi)有分布式電源存在，這些負荷有可能不停電，但是否會停電取決故障時間內(nèi)分布式電源出力以及與所需供負荷量間的大小關(guān)系。若分布式電源與同枝負荷點相比足夠大，則組內(nèi)負荷點將不會停電；若分布式電源不能全部轉(zhuǎn)帶，則需對所帶負荷按重要性優(yōu)選。

2.3 停電指標

電力系統(tǒng)可靠性評估的目的是獲得能夠量化的可靠性指標。對于含有分布式電源的配電網(wǎng)分析，本文選用負荷停電概率LOLP（loss of load probability）和負荷年平均停電時間AAID（annual average interruption duration）兩個指標。

LOLP描述的是系統(tǒng)中負荷出現(xiàn)停電事件的概率，計算公式為

3 配電系統(tǒng)可靠性分析算法

3.1 假設(shè)條件

當較多太陽能、風(fēng)能等分布式電源接入配電系統(tǒng)后，分布式電源的間歇性和不可控性增加了可靠性分析的難度[11]。為簡化分析，在不影響計算精度的情況下，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生故障時，配電網(wǎng)的保護斷路器等開關(guān)設(shè)備不會產(chǎn)生誤動、拒動等，該種情況下，即可認為系統(tǒng)并網(wǎng)運行和孤島運行模式間能夠快速完成且不會產(chǎn)生切換失敗的情況。

3.2 算法流程

算法流程如圖2所示。

圖2 含分布式電源的配電系統(tǒng)可靠性分析流程圖Fig.2Distribution system reliability analysis flow chart for considering DG

對一個配電系統(tǒng)進行可靠性分析，需要將各種類型的故障在不同地點按照不同的發(fā)生時序進行組合，此時的計算將是海量的，因此本文對系統(tǒng)的故障狀態(tài)采用蒙特卡羅抽樣進行分析。

首先需要根據(jù)編號將割集內(nèi)分成分布式電源同枝的負荷點集和不與分布式電源同枝的負荷點集；然后基于判斷割集所屬饋線，分析割集內(nèi)分布式電源數(shù)目，并讀取相應(yīng)饋線負荷數(shù)據(jù)。之后，運用Mento-Carlo方法對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行抽樣，形成運行狀態(tài)序列，并評估運行期間發(fā)電系統(tǒng)是否正常運行，對于配電網(wǎng)發(fā)生在饋線上的故障，根據(jù)故障前、后區(qū)域，分布式電源和擬供負荷量的大小，以及所供應(yīng)負荷的重要度進行轉(zhuǎn)供分析，并最終獲得配電系統(tǒng)可靠性指標。

在應(yīng)用該方法時，需要注意光伏、風(fēng)電等分布式電源受氣候因素影響，具有間歇性和不可控性，在進行可靠性分析時，氣候因素會對配電網(wǎng)可靠性有較大影響。解決方法可通過對不同時期、不同氣候情況下的設(shè)備可靠性乘以一個權(quán)重系數(shù)，利用氣候權(quán)重系數(shù)實現(xiàn)不同氣候狀態(tài)的模擬。

4 算例分析

本文采用IEEE-RBTS的BUS6配電系統(tǒng)研究，此系統(tǒng)具體參數(shù)可參考文獻[12]。如圖3所示，采用分散式接入方式，在節(jié)點22和29處加入兩個分布式電源，并配有小容量儲能設(shè)備，負荷14～18及19～23可在故障時刻由獨立運行的孤網(wǎng)供電。

圖3 IEEE-RBTS BUS6測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3Case study of IEEE-RBTS BUS6

算例對該可靠性評估方法的收斂性和精度進行分析。由表1可知隨著蒙特卡羅抽樣次數(shù)的增加，停電概率LOLP和停電時間AAID分別收斂于2.54%和4.01 h，計算結(jié)果具有較高的收斂性。

表1 抽樣次數(shù)已知的蒙特卡羅抽樣的評估結(jié)果Tab.1Monte-Carlo sampling occasions and assessment results

通過算例仿真分析可知，抽樣次數(shù)和計算精度間呈反比關(guān)系，為確?？煽啃灾笜藴y試方差足夠小，需有一定量的抽樣次數(shù)，如圖4所示。

圖4 蒙特卡羅抽樣的計算精度與抽樣次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4Sampling occasions curve with Monte Carlo sampling calculation accuracy

雖然分布式電源及逆變器可能由于自身的故障會引起配電系統(tǒng)故障率上升，但通常分布式電源本身的故障不會導(dǎo)致所供負荷停電。而由于帶分布式電源的饋線可在故障下孤島運行，所在線路上的負荷發(fā)生停電的概率有所降低。如圖5，分布式電源接在節(jié)點22和29，負荷1～13歸入不轉(zhuǎn)供枝組，因此停電概率LOLP沒有變化；而對節(jié)點20～30，發(fā)生故障時可形成孤島由分布式電源給予供電，因此這些節(jié)點負荷的LOLP有所減少。

圖5 負荷點故障率/LOLP變化趨勢圖Fig.5Trend graph of load node failure rates/LOLP

另外，當較大容量的分布式電源接入配電系統(tǒng)后，由于本身容量及各個負荷點的負荷情況，與分布式電源劃在一個分區(qū)的負荷點的可靠性指標將有所增加，而不能轉(zhuǎn)供的負荷點，其可靠性指標將保持不變，如圖6。接入分布式電源附近的饋線故障年平均停電時間指標將有較明顯減少。

圖6 年平均停電時間變化趨勢圖Fig.6Trend charts of average annual outage time

5 結(jié)語

分布式電源具有多樣性、間歇性和不可控性，在配電系統(tǒng)實際運行過程中，分布式電源的類型、接入和控制方式、所處的氣候條件，以及配電系統(tǒng)的自動化程度等，都會對配電網(wǎng)的可靠性產(chǎn)生影響。本文提出的基于Mento-Carlo方法的分布式電源接入配電系統(tǒng)可靠性分析方法，需要綜合考慮各種影響因素，才能獲得最佳效果。

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Reliability Analysis Method for Distribution System with Distributed Generation

YUAN Zhao-xiang1，KONG Xiang-yu2，ZHAO Shuai2
（1.State Power Economic Research Institute，Beijing 100052，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

With high penetration of distributed generation connected to the grid，distribution system will have some huge impacts，and system reliability calculation models and assessment methods are changing.Based on Mento-Carlo method，a reliability analysis method for distribution system with distributed generations was proposed in the paper，which focuses on the mode of distributed generation in parallel to system power supply.Functional role of distributed generation in the power distribution system failure and distributed power adapter with load strategies were analyzed in this method.Cases simulation analysis was used to verify its effectiveness.

high penetration；distributed generation；Mento-Carlo method；reliability analysis

TM727

A

1003-8930（2013）04-0112-05

袁兆祥（1970—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計。Email：yuanzhaoxiang@126.com

2013-01-28；

2013-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51107086）；教育部人文社科基金（12YJC790200）

孔祥玉（1978—），男，博士，副教授，研究方向為新能源接入、電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制、智能用電技術(shù)。Email：eekongxy06@tju.edu.cn（通信作者）

趙帥（1986—），男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性分析和優(yōu)化控制。Email：zm_darst19860702@126.com