含電動(dòng)汽車充電的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法

李驍， 趙曦， 劉志美， 任大為， 郭紅霞， 李付存

(國(guó)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(lái)越廣。常見的新能源汽車多采用電力作為驅(qū)動(dòng)能源，因此，對(duì)車輛配電網(wǎng)的研究正在逐步加深[1-2]。配電網(wǎng)是電動(dòng)汽車的重要組成部分，在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性與可靠性直接影響著用戶的使用體驗(yàn)及滿意度。為此，采用可靠性評(píng)估的形式，對(duì)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(yùn)行可靠性評(píng)估算法主要有基于二次節(jié)點(diǎn)優(yōu)化編號(hào)的大規(guī)模復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性評(píng)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(píng)估方法[7]和考慮光儲(chǔ)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(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，但是計(jì)算過(guò)程較為單一，無(wú)法對(duì)多種充電形式下的車輛配電網(wǎng)展開高精度的評(píng)估。因而，在此次研究中，設(shè)計(jì)含電動(dòng)汽車充電的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法，采用相關(guān)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有方法加以改進(jìn)，解決現(xiàn)有方法評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性不高的問題，以此提升配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法的使用效果。

1 含電動(dòng)汽車充電的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法

1.1 配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估指標(biāo)選取

電動(dòng)汽車配電網(wǎng)可靠性通常以整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況作為導(dǎo)向，因而在指標(biāo)選取過(guò)程中，采用多種指標(biāo)相結(jié)合的形式進(jìn)行評(píng)估。此次研究中的評(píng)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(diǎn)供電可靠性指標(biāo)以及配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)。對(duì)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(cè)試次數(shù);k為元件總個(gè)數(shù)。通過(guò)式(1)可得到電動(dòng)汽車在一個(gè)充電周期內(nèi)配電網(wǎng)的故障率。

配電網(wǎng)斷電持續(xù)時(shí)間期望值：

(2)

式中:K為配電網(wǎng)斷電持續(xù)時(shí)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(jì)算出在一定周期內(nèi)，配電網(wǎng)斷電持續(xù)時(shí)間的期望值。

可容忍斷電時(shí)間期望值：

(3)

式中:J為可容忍斷電時(shí)間期望值;Y(k)為配電網(wǎng)的停運(yùn)時(shí)間。采用式(3)可計(jì)算出電動(dòng)汽車充電時(shí)，當(dāng)配電網(wǎng)斷電后，用戶可容忍的斷電時(shí)長(zhǎng)。

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(yùn)行系統(tǒng)的平均停電次數(shù)。通過(guò)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(diǎn)的負(fù)荷水平;Pi為缺電時(shí)間期望值。通過(guò)式(5)可求得充電過(guò)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(jì)算過(guò)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(yùn)行時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障次數(shù);ti為元件i的運(yùn)行總時(shí)間;αi為指定時(shí)間內(nèi)元件修復(fù)次數(shù)。通過(guò)式(6)可計(jì)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(jì)算公式相結(jié)合，計(jì)算得出配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，作為配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)的組成部分，構(gòu)建配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估指標(biāo)體系，并將此作為配電網(wǎng)評(píng)估的參考基礎(chǔ)。

1.2 配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估模型構(gòu)建

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，完成配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)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(yùn)行可靠性評(píng)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(yùn)狀態(tài)，設(shè)定電網(wǎng)的平均正常運(yùn)行時(shí)間與配電網(wǎng)修復(fù)時(shí)間為Tε與Tδ，則電網(wǎng)的平均正常運(yùn)行時(shí)間與配電網(wǎng)修復(fù)時(shí)間的關(guān)系可以表示為：

(7)

根據(jù)此公式將配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)圖1進(jìn)行展示，將此過(guò)程設(shè)定為時(shí)間軸的形式，則有：通過(guò)圖1可知，配電網(wǎng)的運(yùn)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(yùn)行的情況，通過(guò)公式可表示為：

圖1 配電網(wǎng)運(yùn)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(xiǎn)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(shí)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(guò)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(shí)刻與修復(fù)時(shí)刻高于正常標(biāo)準(zhǔn)的概率。

通過(guò)式(9)可得到配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，將此公式計(jì)算結(jié)果與本文設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)相結(jié)合。至此，含電動(dòng)汽車充電的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法設(shè)計(jì)完成。

2 算例分析

在文中的上述理論部分，實(shí)現(xiàn)了含電動(dòng)汽車充電的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法的設(shè)計(jì)工作。為驗(yàn)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(jì)算指標(biāo)

在此次設(shè)計(jì)中，采用本文設(shè)計(jì)方法與基于二次節(jié)點(diǎn)優(yōu)化編號(hào)的大規(guī)模復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性評(píng)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(píng)估方法(方法2)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比三種評(píng)估方法的運(yùn)行時(shí)間與評(píng)估準(zhǔn)確性。將電動(dòng)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(cè)試中，記錄每次運(yùn)算的時(shí)間與準(zhǔn)確率，并通過(guò)圖像的形式，完成三種方法的對(duì)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(shí)間測(cè)試結(jié)果。

分析圖2可知，在慢充狀態(tài)下，三種方法的評(píng)估響應(yīng)時(shí)間差異較小。為更好地體現(xiàn)本文設(shè)計(jì)方法與其他兩種方法在使用中不同，對(duì)比快充狀態(tài)下的評(píng)估響應(yīng)時(shí)間，得出在不同的電池電壓下，本文設(shè)計(jì)方法的運(yùn)行時(shí)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(jì)方法的使用效果最佳。其他兩種算法的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)相對(duì)過(guò)長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)方法的計(jì)算時(shí)間與響應(yīng)時(shí)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(shí)間均較低，可更快完成配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估計(jì)算。

從上述測(cè)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(shì)。測(cè)試結(jié)果表明，本文方法的使用效果更佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖2 不同狀態(tài)下三種方法響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

此次研究以電動(dòng)汽車配電網(wǎng)可靠性計(jì)算作為研究基礎(chǔ)，得到在充電狀態(tài)下配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法在評(píng)估響應(yīng)時(shí)間和評(píng)估準(zhǔn)確率方面優(yōu)于現(xiàn)有方法，驗(yàn)證了本文方法的有效性與優(yōu)勢(shì)性。在此次研究的過(guò)程中，還存在部分不足：在研究配電網(wǎng)可靠性時(shí)，雖然考慮配電網(wǎng)的功率輸出，但是計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單，因此，若要更加精確地計(jì)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(duì)此部分展開詳盡的研究。