基于故障模式分析法對(duì)含D G的配電網(wǎng)供電可靠性評(píng)估

陳真清，黃民德

（天津城建大學(xué)，天津 300384）

未來(lái)配電網(wǎng)要朝著智能的方向發(fā)展，就必須將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，由此形成的新型配電網(wǎng)的可靠性將面臨考驗(yàn)。

DG是集中供電方式的一種補(bǔ)充，主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、小水電、微型燃?xì)廨啓C(jī)及燃料電池等，由于可供分布式發(fā)電的能源分布地域廣、能量密度低、環(huán)境依賴性強(qiáng)，所以對(duì)這些能源的利用具有分散性和不確定性。隨著傳統(tǒng)配電系統(tǒng)向智能化電網(wǎng)的發(fā)展，有利于推動(dòng)DG的接入[1]。

隨著大量DG接入配電網(wǎng)，使其可靠性的分析計(jì)算模型發(fā)生了根本變化。傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估考慮的是，配電網(wǎng)的饋線都由單一的電源點(diǎn)供電，在任何一條饋線上發(fā)生故障，將導(dǎo)致饋線后面的負(fù)荷全部停電，系統(tǒng)出現(xiàn)大面積的停電[2]。

1 分布式電源接入電網(wǎng)的形式

DG的不同接入方式對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性的影響，從目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DG的研究來(lái)看，DG接入配電網(wǎng)主要有3種形式，每種形式對(duì)供電可靠性的影響是不同的。

1.1 DG與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行

DG與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)從一個(gè)輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)遍布電源和用戶互連的網(wǎng)絡(luò)。它對(duì)可靠性的影響既有積極的影響，也有消極的影響。如果控制不好可能使系統(tǒng)供電可靠性水平下降，滿足不了用戶對(duì)供電可靠性的要求，反之，就可以提高配電網(wǎng)的可靠性。DG與傳統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)后，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性模型就需要考慮新的因素，如孤島的出現(xiàn)。因此，需要新的可靠性模型來(lái)評(píng)估加入DG后對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性的影響，并對(duì)可靠性的指標(biāo)影響進(jìn)行定量分析[3-4]。

1.2 DG作為傳統(tǒng)配電網(wǎng)的備用電源

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)故障中斷供電時(shí)，DG啟動(dòng)，通過(guò)開關(guān)的操作，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到DG繼續(xù)供電。當(dāng)配電網(wǎng)故障消除時(shí)，再轉(zhuǎn)由配電網(wǎng)正常供電。在這種情況下，只要DG協(xié)調(diào)合理，DG可以提高配電網(wǎng)的供電可靠性。但這種供電的經(jīng)濟(jì)性差，除非為了滿足特殊重要負(fù)荷的需要。否則大量的DG投資，只能滿足故障情況下少量切負(fù)荷，在電力市場(chǎng)環(huán)境下難以刺激投資。經(jīng)濟(jì)性、可靠性難以達(dá)到雙贏[5-6]。

1.3 傳統(tǒng)配電網(wǎng)作為DG的后備電源

DG獨(dú)立運(yùn)行，電力負(fù)荷的波動(dòng)，難以保證發(fā)電機(jī)滿足連續(xù)波動(dòng)負(fù)荷運(yùn)行。把配電網(wǎng)作為DG的后備電源，當(dāng)DG發(fā)電量超過(guò)所供給的負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的多余電量就會(huì)注入配電網(wǎng)中，當(dāng)DG所發(fā)電量不足以滿足負(fù)荷需求時(shí)，不足部分由配電網(wǎng)補(bǔ)充，由于有大的配電網(wǎng)支撐，用戶的用電質(zhì)量得到改善。這樣可以使發(fā)電機(jī)始終運(yùn)行在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的工況下。而且通過(guò)測(cè)量注入配電網(wǎng)和從配電網(wǎng)吸收的電量，用戶只需支付電量的差值。這樣可以最大程度的提高DG的經(jīng)濟(jì)性，充分考慮了投資者的利益，并且更好地體現(xiàn)了智能電網(wǎng)的概念，但對(duì)配電網(wǎng)的可靠性方面卻是未知的[7-8]。

本文配電網(wǎng)供電可靠性模型的分析研究，就是基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)作為DG的后備電源接入模式。

2 配電網(wǎng)供電可靠性評(píng)估

2.1 評(píng)估原理

評(píng)估原理是在給定的可靠性準(zhǔn)則的條件下定量地評(píng)估配電系統(tǒng)可靠性的模型和方法，比較典型的有故障模式影響分析法和可靠度預(yù)測(cè)分析法[9]。

2.1.1 故障模式分析法

根據(jù)選定的可靠性準(zhǔn)則，將配電系統(tǒng)劃分為完好和故障2類狀態(tài)，然后根據(jù)故障狀態(tài)計(jì)算出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)的分析方法。通常在配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中采用連續(xù)性（continuity）作為故障準(zhǔn)則，即供電連續(xù)性遭破壞（停電）為故障狀態(tài)，保持連續(xù)供電為完好狀態(tài)。它是用于評(píng)估配電系統(tǒng)可靠性的基本方法。本文即采用了此種方法進(jìn)行配電網(wǎng)供電可靠性計(jì)算。

2.1.2 可靠度預(yù)測(cè)分析法

這是一種以裕度為基礎(chǔ)的方法，這種方法主要用于日本。該法中引入聯(lián)絡(luò)率α和有效運(yùn)行率η的概念。α是表示饋電各區(qū)段聯(lián)絡(luò)程度的指標(biāo)。當(dāng)α=1時(shí)，表示該饋電線可以切換。α描述了故障時(shí)線路的倒送能力。η表示負(fù)荷有效切換的指標(biāo)。η以100%為臨界值，是饋線發(fā)生故障時(shí)所有各區(qū)段是否都可切換的判據(jù)。當(dāng)η在100%以下時(shí)，表示有裕度。

2.2 配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

目前中國(guó)和世界各國(guó)根據(jù)各自的國(guó)情定義了數(shù)目不同的可靠性指標(biāo)，比較典型的有[10]：

1）用戶平均停電頻率指標(biāo)（customer average interruption frequency index，CAIFI）。

2）用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)（customer average interruption duration index，CAIDI）。

3）系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)（system average interruption frequency index，SAIFI）。

4）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)（system average interruption duration index，SAIDI）。

5）平均供電可用率指標(biāo)（average service availability index，ASAI）。

6）平均供電不可用率指標(biāo)（average service unavailability index，ASUI）。

7）期望缺供電能量（expected energy not served，EENS）。

2.3 配電系統(tǒng)可靠性的故障模式分析法

故障模式法是建立故障模式及后果分析表，即查清每個(gè)基本故障事件及其后果，然后加以綜合。進(jìn)行故障分析采用3個(gè)指標(biāo)：

1）負(fù)荷點(diǎn)故障率λ（次/a）。

2）負(fù)荷點(diǎn)每次故障平均停電持續(xù)時(shí)間r（h/次）。

3）負(fù)荷點(diǎn)的年平均停電時(shí)間U（h/a）。

對(duì)n個(gè)串聯(lián)可修復(fù)元件，計(jì)算時(shí)刻采用以下公式：

對(duì)2個(gè)并聯(lián)可修復(fù)元件，采用以下公式：

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的元件主要包括配電主干線、分支線、斷路器、變壓器等，評(píng)價(jià)各元件的可靠性指標(biāo)主要有故障率、平均運(yùn)行時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間等。DG接入傳統(tǒng)配電系統(tǒng)后，系統(tǒng)中增加了發(fā)電元件，發(fā)電機(jī)組的可靠性指標(biāo)就應(yīng)引入配電系統(tǒng)。故DG接入配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)也包括發(fā)電機(jī)組的故障率、平均無(wú)故障可用小時(shí)、啟動(dòng)可靠度等。

3 DG接入后配電網(wǎng)供電可靠性的算例分析

采用故障模式分析法對(duì)以下算例進(jìn)行計(jì)算，分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性的影響。在圖1和圖2中全部隔離開關(guān)是常閉的。負(fù)荷點(diǎn)a、b、c由供電干線裝有熔斷器的分支線供電。假定該系統(tǒng)由配電站母線單電源供電，又假定配電站母線和供電主干線的斷路器是完全可靠的。當(dāng)系統(tǒng)中某一部分發(fā)生故障時(shí)，可以手動(dòng)操作隔離開關(guān)，斷開故障部分是系統(tǒng)恢復(fù)供電[11-12]。圖1和圖2配件系統(tǒng)中各元件的參數(shù)見表1。

圖1 無(wú)DG接入電源、手動(dòng)分段的配電系統(tǒng)Fig.1 A manually segmented distribution system without DG

圖2 有DG接入電源、手動(dòng)分段的配電系統(tǒng)Fig.2 A manually segmented distribution system with DG

圖中，QF為配電干線斷路器；FU1、FU2、FU3為熔斷器；QS、QS′、QS1、QS2為隔離開關(guān)；a、b、c為負(fù)荷點(diǎn)；MS、AS為傳統(tǒng)電源；DG為分布式電源。

表1 配電系統(tǒng)的各元件參數(shù)Tab.1 The element parameters of the distribution system

利用故障模式后果分析法對(duì)圖1和圖2中的配電網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算和分析，分別對(duì)負(fù)荷點(diǎn)a、b、c處接入DG前和接入DG后的λ、r、u進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3、表4。

表2 負(fù)荷點(diǎn)a處故障模式后果分析法的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Failure mode and effects analysis（at the a position）

表3 負(fù)荷點(diǎn)b處故障模式后果分析法的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Failure mode and effects analysis（at the b position）

表4 負(fù)荷點(diǎn)c處故障模式后果分析法的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Failure mode and effects analysis（at the c position）

根據(jù)故障后果模式分析法計(jì)算得結(jié)果如表5所示。

對(duì)比DG接入前后，各個(gè)可靠性指標(biāo)的變化，不難發(fā)現(xiàn)，考慮DG接入所帶來(lái)的發(fā)電機(jī)故障的可能，用戶平均停電次數(shù)有所增加，但用戶平均停電時(shí)間是減少的，也就是說(shuō)明DG接入后，配電系統(tǒng)的供電可靠性得到改善。

表5 DG接入對(duì)供電可靠性各指標(biāo)的影響Tab.5 Effects of DG access on the index of power supply reliability

4 結(jié)語(yǔ)

DG作為一種有潛力的新能源發(fā)電技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)的集中式電源供電的有益補(bǔ)充。DG的接入也可以使整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行更加靈活，正確考慮DG接入配電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的影響，并采取合理的措施，可以提高配電網(wǎng)供電可靠性。

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