分布式電源接入配電網(wǎng)可靠性研究

趙景濤，趙仰東，陳娜，孫國城，楊菠

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

分布式電源接入配電網(wǎng)可靠性研究

趙景濤1，趙仰東1，陳娜1，孫國城1，楊菠2

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

簡單介紹了分布式電源(DG)，分析了DG的并網(wǎng)方式、接入方式和運行方式對配電網(wǎng)可靠性的影響，指出不同方式對配電網(wǎng)可靠性的影響各不相同。并在此基礎(chǔ)上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網(wǎng)孤島劃分。最后，從可靠性指標方面對算例進行分析計算，驗證DG接入配電網(wǎng)的可靠性。

分布式電源；配電網(wǎng)；可靠性

隨著常規(guī)能源的衰竭、環(huán)境污染的加劇和全球氣候的變暖，人們越來越多地認識到清潔能源的重要性。分布式電源(DG)作為一種可靠、經(jīng)濟、高效的發(fā)電方式，近年來在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。

DG通常是安裝在靠近負荷中心的小型發(fā)電單元。DG接入配電網(wǎng)的主要優(yōu)點有：(1)電源靠近用戶側(cè)，傳輸成本減少；(2)屬小型發(fā)電站，施工時間和投資成本降低；(3)削峰填谷，提高供電可靠性。

然而，DG接入配電網(wǎng)后，原有的單輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榱穗p端或多端供電網(wǎng)絡(luò)，參與配電網(wǎng)規(guī)劃和操作的不確定性變得比過去更大，因此研究分布式電源接入配電網(wǎng)的可靠性具有重要的意義[1]。

1 DG接入對配電網(wǎng)可靠性的影響因素

1.1 DG的并網(wǎng)方式

針對不同的電壓等級，配電網(wǎng)有不同的接線方式，因此DG的并網(wǎng)方式也有所不同。一般情況下，DG有兩種并網(wǎng)方式：(1)集中直接接入到低壓側(cè)母線，如圖1(a)所示。此時，DG作用與配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電源相同，僅在中壓側(cè)出現(xiàn)故障時，能夠恢復(fù)低壓側(cè)供電，對系統(tǒng)可靠性的提高作用不大；(2)通過分支饋線分散接入到低壓配電網(wǎng)中的各個負荷點，如圖1(b)。若低壓側(cè)發(fā)生故障，在非故障區(qū)仍然可以持續(xù)供電，從而提高系統(tǒng)的可靠性[2]。

圖1 DG的并網(wǎng)方式

1.2 DG的接入方式

DG接入配電網(wǎng)的方式有兩種[3]：并聯(lián)接入及通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換接入，如圖2所示。

并聯(lián)接入時，DG和配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電源同時保證與負荷連接，且互為備用，以防出現(xiàn)停電情況；通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換接入時，任意時刻負荷僅與DG或配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)的一者保證連接，當主電源發(fā)生故障，需要經(jīng)過手動或自動倒閘操作投入另一電源，因此發(fā)生短時供電中斷的情況不可避免，且負荷停電時間等于開關(guān)操作時間。

圖2 DG接入電網(wǎng)方式

與未接入DG的配電網(wǎng)相比，DG的接入可以減少年平均停電時間，從而提高配電網(wǎng)可靠性。

1.3 DG的運行方式

DG主要有三種運行方式，不同方式對配電網(wǎng)可靠性的影響各不相同[4]。

(1)DG作為配電網(wǎng)的備用電源

DG作為配電網(wǎng)的備用電源時，需要滿足電網(wǎng)運行的基本條件：DG的輸出功率穩(wěn)定，能夠滿足一定范圍內(nèi)重要負荷的電力需求；能夠確保持續(xù)供電；能夠提供良好的電能質(zhì)量。當配電系統(tǒng)因故障中斷而停止供電時，DG啟動，配電系統(tǒng)通過自動裝置控制，將負荷轉(zhuǎn)移到DG繼續(xù)供電；當故障消除時，通過開關(guān)操作，再轉(zhuǎn)回配電網(wǎng)正常供電。因此，通過優(yōu)化DG的配置，可以減少用戶的停電時間和停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)可靠性。

(2)配電網(wǎng)作為DG的備用電源

DG在此種情況下獨立運行，把配電網(wǎng)作為備用電源。DG、儲能裝置、負載和自動控制裝置組成微網(wǎng)，可對微網(wǎng)內(nèi)部提供電能和熱量。當DG的發(fā)電量超過負載需求時，儲能裝置吸收多余的電量，若儲能裝置飽和，多余的電量就會輸送到配電網(wǎng)中，由配電網(wǎng)進行消化；當DG的發(fā)電量不能滿足內(nèi)部負載需求時，儲能裝置將會向負載輸出電量，若仍然不能滿足電力負荷需求，則由配電網(wǎng)向負載供電。

因此，配電網(wǎng)作為DG的備用電源，對提高微網(wǎng)內(nèi)部供電可靠性有很大幫助，但是對提高配電網(wǎng)的可靠性沒有幫助。

(3)DG與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行

DG與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)從原本的單輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榱穗p端或多端供電網(wǎng)絡(luò)。此時DG與配電網(wǎng)互為備用，通過協(xié)調(diào)DG與配電網(wǎng)的運行，能夠有效地提高電能質(zhì)量與供電可靠性。

2 DG接入配電網(wǎng)可靠性分析

2.1 DG的可靠性模型討論

本文將DG的可靠性模型分為三類考慮，即：將DG作為普通的配網(wǎng)變電站，將DG作為等值發(fā)電機，將DG作為隨機電源[5]。

將DG作為普通的配網(wǎng)變電站考慮。這種模型下當某段饋線發(fā)生故障時，通過斷路器跳閘將故障段隔離，而非故障部分可由DG繼續(xù)供電。這種模型對配網(wǎng)可靠性的提高很大，但只是一種理想化模型，實際應(yīng)用價值不大。

將DG作為等值發(fā)電機考慮(如柴油機組發(fā)電、水力發(fā)電、燃氣輪機組發(fā)電)。這種模型由于其功率輸出穩(wěn)定，保持不變，可能會出現(xiàn)負荷會超過DG所能提供功率的情況，為了確保孤島內(nèi)電力的供需平衡，須對配網(wǎng)進行孤島劃分，以保證形成的孤島運行穩(wěn)定。這種模型只能提高孤島內(nèi)負荷點的供電可靠性。

將DG作為隨機電源考慮(如風(fēng)電、光伏發(fā)電)。這種模型除了額定功率輸出外，還有多個非額定運行狀態(tài)，輸出功率隨機性大，且需要考慮其形成孤島的概率問題，一般由歷史負荷和DG的功率輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。此種模型比較符合常見DG的實際情況。

2.2 含DG的配電網(wǎng)孤島劃分

包含DG的供電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍繼續(xù)向部分負荷供電，則此包含DG的供電網(wǎng)稱之為孤島。孤島這種運行方式可以減小停電面積，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

配電網(wǎng)中各個負荷點由于其本身的特點，可能對供電可靠性的要求各不相同。根據(jù)其等級不同，我們對負荷點賦予不同的權(quán)重系數(shù)。因此，等值負荷可以定義為負荷大小和負荷點權(quán)重系數(shù)的乘積。

根據(jù)定義，含DG的配電網(wǎng)孤島劃分的目標函數(shù)就是使孤島內(nèi)所包含的負荷點的等值負荷之和最大，可以表示為

約束條件：

式中：w(i)為負荷點i的權(quán)重系數(shù)，對應(yīng)負荷的重要程度，Lα(i)為負荷點i處的負荷值，PDG為孤島內(nèi)所有分布式電源出力，D為孤島內(nèi)所有負荷點組成的區(qū)域，j為分布式電源所在的饋線編號。

2.3 DG接入配電網(wǎng)可靠性指標

可靠性指標能夠定量評估配電系統(tǒng)可靠性，清晰地反映配電系統(tǒng)的可靠性水平，為管理人員提供詳細準確的配電網(wǎng)供電情況。按照評估對象的不同，配電網(wǎng)的可靠性指標可分為負荷點指標和系統(tǒng)指標[6]。

(1)負荷點指標

負荷點指標描述的是單個負荷點的可靠度，主要包含平均故障率li(次/a)，年平均停電時間Ui(h/a)和平均停電持續(xù)時間γi(次/a)這三個指標。

(2)系統(tǒng)側(cè)指標

根據(jù)計算得到的負荷點指標，可以在此基礎(chǔ)上計算出系統(tǒng)側(cè)的指標：

系統(tǒng)平均斷電頻率指標[次/(用戶·年)]：

系統(tǒng)平均斷電持續(xù)時間指標[h/(用戶·年)]：

用戶平均斷電頻率指標[次/(用戶·年)]：

用戶平均斷電持續(xù)時間指標[h/(用戶·年)]：

平均用電有效度指標：

式中：li為負荷點i的平均故障率；Ni為負荷點i的用戶數(shù)；Ni'為負荷點i的停電用戶數(shù)；Ui為負荷點i的年停運時間。

3 算例分析

某地配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 某地配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖3所示，系統(tǒng)有7個分布式電源，其中5個小水電發(fā)電系統(tǒng)(裝機容量共計2 625 kVA，負荷容量約為1 236 kVA)，1個光伏發(fā)電系統(tǒng)(10 kWp)，1個儲能系統(tǒng)(200 kWh/100 kW)，與部分負荷(686 kVA)。分布式電源孤島切換的成功概率為0.85。分布式電源及儲能的可靠性參數(shù)如表1所示。

假設(shè)電網(wǎng)每次停電時間為2 h，根據(jù)年停電次數(shù)的不同，分析未接入DG、DG作為等值發(fā)電機、DG作為隨機電源考慮三種情況下系統(tǒng)SAIDI，ASAI指標情況，DG作為普通的配網(wǎng)變電站為理想情況，不可能實現(xiàn)，暫不考慮，分析結(jié)果如表2所示。

對比DG接入前后的配電網(wǎng)可靠性指標，可見接入DG后配電網(wǎng)的SAIDI指標明顯下降，ASAI指標有一定提高，說明DG的適當接入可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性，且DG作為等值發(fā)電機考慮時，配電系統(tǒng)的可靠性有進一步提高。

4 結(jié)語

本文簡單介紹了DG的概念和接入配電網(wǎng)的主要優(yōu)點，從DG的并網(wǎng)、接入及運行方式三個方面具體分析了DG的接入對配電網(wǎng)可靠性的影響，并在此基礎(chǔ)上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網(wǎng)孤島劃分，給出了孤島劃分的數(shù)學(xué)模型。最后，通過可靠性指標對算例進行分析計算，證明DG的適當接入可有效提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

[1]王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自化，2010，34(2)：10-14.

[2]王杰，張振.分布式發(fā)電條件下孤島劃分及運行控制的研究[J].江蘇電機工程，2010，29(6)：11-16.

[3]劉宗兵，束洪春，韓武，等.考慮小水電接入的配電系統(tǒng)可靠性評估[J].繼電器，2007，35(2)：55-59，67.

[4]王志群，朱守真，周雙喜，等.分布式發(fā)電接入位置和注入容量限制的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2005，17(l)：53-58.

[5]王源山.考慮分布式電源的配電系統(tǒng)可靠性研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[6]田洪迅，袁蓉，趙淵.含分布式電源的配網(wǎng)可靠性概率計算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：1-7.

Studieson reliability for distributed generation connected to distribution network

ZHAO Jing-tao1，ZHAO Yang-dong1，CHEN Na1，SUN Guo-cheng1，YANG Bo2
(1.NARITechnology Development Lim ited Company，Nanjing Jiangsu 211106，China;2.Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 211816，China)

The conceptof distributed generation(DG)was introduced，the im pacts of the synchronization mode，connection mode and operation mode that DG connected to distribution network on the reliability of distribution network were analyzed，pointing out that differentways have different influences.On this basis，the reliability model for DG and islanding scheme for distribution network containing DG were studied.The exam ple analysis was taken in the aspects of reliability index to testand verify the reliability for DG connected to distribution network.

distributed generation;distribution network;reliability

TM 934

A

1002-087X(2016)07-1476-03

2015-12-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”(2011AA050203)

趙景濤(1978—)，男，江蘇省人，高級工程師，主要研究方向為分布式光伏發(fā)電、微電網(wǎng)和工程應(yīng)用。