含分布式光伏的配電網可靠性評價方法

鞠　非，畢　銳，葛　虎

（1.常州供電公司，常州 213017；2.合肥工業(yè)大學教育部光伏系統工程研究中心，合肥 230009）

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含分布式光伏的配電網可靠性評價方法

鞠非1，畢銳2，葛虎2

（1.常州供電公司，常州 213017；2.合肥工業(yè)大學教育部光伏系統工程研究中心，合肥 230009）

摘要：為了評價我國含分布式光伏的配電網可靠性綜合水平，研究了配電網的可靠性綜合評價的方法與指標體系問題。通過統計配網常用的26個可靠性指標，結合分布式光伏接入的影響，給出可靠性指標其工程統計算法。基于AHP（層次分析法）提出了含光伏的配電網可靠性評價指標體系。依據近年基層指標屬于高、中、低水平的概率提出了不同的評分標準。結合同級指標的權重和評分值，利用AHP法對配電網可靠性綜合指標進行計算。算例計算結果驗證了所建體系的正確性和可行性。

關鍵詞：分布式光伏；配電網；層次分析法；可靠性；指標體系

電力系統可靠性問題包括發(fā)電系統可靠性、輸變電系統可靠性及配電系統可靠性等幾部分［1］。由于發(fā)輸電系統與配電系統相比具有設備相對集中、一次投資大、建設周期長、發(fā)電量不足造成的停電事故影響較大等特點，電力系統可靠性研究側重于發(fā)電系統或以發(fā)電和輸變電組成的大電力系統的可靠性［2］。隨著經濟技術的發(fā)展，用戶對配電系統可靠性要求越來越高，建立一個相對完整全面的配電網可靠性評價指標體系是評價供電質量的基礎和重要手段［3］。特別是2013年以來，為進一步消納分布式光伏，提高新能源發(fā)電的滲透率，對含有分布式光伏配電網可靠性的研究也變得日趨緊迫［4］。

目前配電網可靠性研究集中在故障停電可靠性指標的計算，方法主要包括解析法［5-8］和模擬法［9-10］（下文統稱理論分析算法），對于可靠性評估指標體系的研究不多。文獻［11］對比分析了國內外城市配電網供電可靠性，指出我國同發(fā)達國家可靠性水平的差距。文獻［12］給出了一些我國配電網可靠性指標，嘗試建立了包含配電網可靠性的電網評價指標體系。但文獻［11-12］所述的指標體系不夠完整，沒有給出指標體系結構圖，沒有考慮分布式光伏對配網可靠性指標體系的影響。文獻［13］基于AHP對電網安全性進行綜合評價，但存在指標評分標準單一、誤差較大等問題。

本文分析了傳統配電網可靠性指標理論計算方法的不足，統計歸納了常用的配電網可靠性指標，并結合分布式光伏接入后對配電網的影響，給出了考慮分布式光伏的配電網可靠性指標的工程統計算法?；贏HP，按照故障停電可靠性、預安排停電可靠性、設備性能3大類建立含分布式光伏的配電網可靠性指標體系。按近年基層指標屬于高、中、低水平的概率統計情況提出不同的評分標準。結合算例進行指標計算和評分，對配電網可靠性進行綜合評價。

1　配電網可靠性指標

1.1配電網可靠性指標算法

1.1.1理論分析算法

理論分析算法是根據配電系統線路和變壓器年平均故障率、修復時間計算各負荷點的故障率和平均停電時間，計算系統的可靠性指標，主要用于電網故障可靠性的預評估。常用的配電系統可靠性指標包括系統平均停電頻率指標SAIFI（system average interruption frequency index）、用戶平均停電頻率指標CAIFI（customer average interruption fre?quency index）、系統平均停電持續(xù)時間指標SAIDI （system average interruption duration index）、用戶平均停電持續(xù)時間指標CAIDI（customer average inter?ruption frequency index）、平均供電可用度指標ASAI （average service availability index）、系統電量不足指標ENS（energy not supplied）等。理論分析算法具有以下特點：

（1）預評估結果與實際存在偏差。線路和變壓器年平均故障率、修復時間的值與設備投入時間、所處地理環(huán)境、當年天氣狀況、人工或自動化修復故障能力等諸多因素有關，具有不確定性。單憑某一年的設備故障率、修復時間評估某個系統的可靠性，結果會與實際產生一定的偏差。

（2）計算復雜。實際配電系統通常結構復雜、設備和負荷點偏多，采用理論分析算法計算負荷點故障率和平均停電時間，計算過程會相當復雜，且電網有改動時，需要重新計算評估。

（3）忽略了實際配電網聯絡開關的作用。傳統理論分析算法進行可靠性評估時，首先要確定每個負荷固定的通電回路。但實際配電網存在一定量的聯絡開關，某一設備故障時，該設備下游的全部負荷或者部分負荷可以通過聯絡開關繼續(xù)供電，每個負荷可能存在多種通電路徑。

（4）可靠性指標不全面。理論分析算法通常只能評估配電網故障停電可靠性指標，不能計算預安排停電可靠性指標，基于理論分析算法建立的可靠性評估指標體系不夠完整。

1.1.2工程統計算法

工程統計算法是通過統計配電網基本的停電數據直接計算系統的可靠性指標，不需要計算各負荷點的故障率、平均停電時間等，主要用于電網可靠性后評價。計算均采用統計的實測數據，真實性高，計算結果準確；只需進行基本的算術運算，不涉及復雜的評估算法，系統結構對計算難度影響不大；不需要考慮聯絡開關的作用，同樣適用于帶有大量聯絡開關的配電系統；能夠計算預安排停電指標、經濟可靠性指標等［14］，建立相對完整、全面的可靠性指標體系，適用于電網可靠性指標體系的綜合評價。

1.2可靠性指標工程統計算法

對于某一配電系統設已知參數為：總用戶數N（戶），總裝變容量S（MVA），總線路長度L（km），總變壓器臺數T（臺）。采用工程統計算法計算可靠性指標需要統計的數據包括（以1 a為單位）：故障（預安排）停電次數MF（MS）（次），每次故障（預安排）停電時間HFi（HSi）（h），每次故障（預安排）停電用戶數NFi（NSi）（戶），每次故障（預安排）停電負荷容量PF（iPSi）（MW·h）和裝變容量SF（iSSi）（MVA），線路、變壓器故障次數分別為MFL、MFT（忽略開關、斷路器故障情況，MFL+MFT=MF），線路、變壓器停運總時間分別為 HFL、HFT（HFL+HFT=）。

表1給出了一些我國常用的配電網可靠性指標名稱及工程統計算法計算表達，包括故障停電類可靠性指標、預安排停電類可靠性指標、故障（預安排）停電類經濟可靠性指標及設備性能指標。

1.3分布式光伏對可靠性指標的影響

分布式光伏對配電網可靠性影響在于配電網停電時光伏電源可對附近負荷繼續(xù)供電，形成一個隔離的供電區(qū)域，即孤島效應。孤島效應會影響孤島范圍內的負荷可靠性，從而影響系統可靠性。

由于預安排停電是人為有計劃的停電（某一段時間電源供電不足、負荷容量過高、計劃檢修、改造擴建等），預安排停電負荷涉及光伏供電區(qū)域時，應斷開光伏電源，以免破壞停電計劃，因此認為光伏電源接入對預安排停電指標無影響；線路、變壓器等設備的故障率及修復時間與光伏電源的接入無關。光伏電源接入對預安排停電指標和設備性能指標無影響。

分布式光伏對故障停電可靠性有一定的影響，根據故障停電負荷位置分為以下3種場景。

（1）停電負荷全部在孤島范圍外或故障停電發(fā)生在夜晚或負荷停電時光伏電源也在故障狀態(tài)，設此場景的故障停電次數為MFa。光伏電源對該場景下的HFi、NFi、PFi、SFi均無影響。

（2）停電負荷部分在孤島范圍內，設此場景的故障停電次數為MFb。接入光伏電源后，該場景下的HFi無影響，Ni、Pi、Si均減小為N、P、S（N、P、S為該場景下每一次故障停電孤島外的停電用戶數、停電負荷容量、停電裝變容量）。

（3）停電負荷全部在孤島范圍內，設此場景的故障停電次數為MFc（MFa+MFb+MFc=MF）。接入光伏電源后，該場景下全部停電負荷均由光伏電源恢復供電，若不計故障隔離和電源切換時間，MFc=0，MFc對應的HFi、NFi、PFi、SFi均為0。

在原有指標右上角加入上標，表示含分布式光伏的配電網各可靠性指標，如AFTC'表示光伏接入配電網后用戶平均故障停電次數。接入分布式光伏后配電網故障停電可靠性指標工程算法的表達式為

表1　常用配電網可靠性指標及工程統計算法表達式Tab.1　Common distribution system reliability indexes and engineering statistical algorithm expressions

從表達式可以看出，光伏電源的接入可能會改變HFi、NFi、PFi、SFi的值，從而影響到可靠性指標的值。

2　可靠性評價指標體系

2.1指標體系結構

基于層次分析法［13］，以配電網可靠性為總指標，選擇故障停電可靠性、預安排?？煽啃?、設備性能3方面作為一級指標；故障停電常規(guī)可靠性、故障停電經濟可靠性、預安排停電常規(guī)可靠性、預安排停電經濟可靠性作為二級指標，表1中各指標為基層指標，構成的配電網可靠性評價指標體系如圖1所示。

圖1　配電網可靠性指標體系及層次結構Fig.1　Index system for distribution system reliability and hierarchy

2.2可靠性指標體系評價

配電網可靠性指標體系綜合評價需要考慮以下因素：①基層可靠性指標的選擇。應選取一些常用的、有代表性的、同時方便統計計算的指標。②可靠性指標體系建立。建立的指標體系應分類科學、完整全面。③配電網可靠性基層指標值的計算方法。④基層指標評分標準。⑤同層各指標間的權重系數確定方法。配電網可靠性綜合評價流程如圖2所示。

2.2.1基層指標評分標準

上述指標體系中，含有“效益型”指標和“成本型”指標。對于RS-F、RS-S等指標，其值越大越好，稱之為“效益型”指標；對于AFTC、AIHC-F等指標，其值越小越好，稱之為“成本型”指標。由于兩種類型指標價值導向各異，不同量綱的指標之間也不具有可比性。本文根據基層指標性能水平分布概率提出不同評分標準，對指標進行一致化和量化評分。

圖2　配電網可靠性綜合評價流程Fig.2　Comprehensive evaluation flow chart of distribution system reliability

設近些年某地區(qū)各基層指標屬于高、中、低水平的概率分別為p1、p2、p3（p1+p2+p3=1）。

（1）對于max｛p1，p2，p3｝≥60%的指標，其性能集中分布在高、中、低水平中的一種。該類指標的評分標準為pmax的評分段分數詳細劃分，其余評分段的分數粗略劃分，簡稱單集型指標評分標準。指標性能集中段分別為高、中、低水平時對應的評分準則簡稱優(yōu)集型指標評分標準、中集型指標評分標準、差集型指標評分標準。

（2）對于max｛p1，p2，p3｝≤60%且max｛｛p1+p2，p2+p3，p1+p3｝≥80%的指標，其性能集中分布在高、中、低水平中的兩種。該類指標評分標準為max｛p1+p2，p2+p3，p1+p3｝的評分段分數詳細劃分，其余評分段的分數粗略劃分，簡稱雙集型指標評分標準。指標性能集中段分別為高和中、中和低、高和低時對應的評分準則簡稱中優(yōu)集型指標評分標準、差中集性指標評分標準、差優(yōu)集型指標評分標準。

（3）對于p1、p2、p3的分布不屬于以上兩種情況的指標，其性能近似均勻分布在高、中、低3種水平。該類指標評分標準為100分均勻劃分，簡稱均勻型指標評分標準。

以用戶平均故障停電次數AFTC（A1.1）為例，A1.1采用上述各評分標準時，評價分數劃分方法和各分數對應的A1.1值見表2。

表2　不同評分標準下指標A1.1的工程統計統計值的百分制評分劃分方法Tab.2　Ratings division percentile marking the engineering statistical values of index A1.1 under different evaluation criteria

表2中A1.1值為參考值，實際值以專家綜合意見為準，指標性能高、中、低所屬評分段分別為80～100、50～80、0～50（分）。假設A1.1的p1=0.45、p2= 0.4、p3=0.15，則按中優(yōu)集型指標評分標準制定A1.1的評分標準，即50～100評分段詳細劃分，0～50分數段粗略劃分。

通過統計計算配電網各基層指標的p1、p2、p3值，確定各指標評分時分別選擇何種評分標準。2.2.2同層各指標權重確定

采用相對權重法確定同層各指標的權重，具體步驟如下。

（1）指標個數小于3時，其權重由專家直接確定；指標個數等于或大于3，將同層指標兩兩進行比較，得到采用Saaty的1～9標度表示各指標相對重要性的判斷矩陣。

（2）計算判斷矩陣的一致性指標（CR），檢驗判斷矩陣一致性程度。

（3）若判斷矩陣一致性檢驗合格，計算判斷矩陣的最大特征根和對應的特征向量，歸一化處理后的特征向量即為各指標的權重；若判斷矩陣一致性檢驗不合格，重新確定判斷矩陣中部分元素直至其一致性滿足要求。

（4）若計算的部分權重值與實際值相差較大，由專家進行直接修正。

2.2.3基層指標評分值計算

確定評分標準后，計算基層指標值的量化評分值，其計算式為

式中：Vui為基層指標i的評分值；［x1x2］為指標i的計算值在評分標準中的區(qū)間范圍；y1、y2分別為指標值x1、x2對應的評分值。

2.2.4配電網可靠性指標體系綜合評分

在基層指標值計算、評分和同層次各指標權重確定后，采用層次分析法，逐層向上計算，得到配電網可靠性指標體系綜合評分為

式中：SR為任一非底層指標的評分；Vi為下層指標i的評分；Wi為下層指標i的權重；n為指標SR的下層指標個數。從基層指標評分和權重加權求和逐層往上計算，最高層SR值即為總目標綜合評分值。

3　算例分析說明

以某市含分布式光伏的10 kV中壓配電網數據為基礎，N=620戶，S=359 MVA，L=245.53 km，T=170臺，MFL=56次，MFT=12次，HFL=104.2 h，HFT=28 h。停電數據統計值見表3，基層指標值計算結果如下。AFTC′=2.68；AIHC-F′=6.00；MID-F′=2.24；RSF′=0.999 3；ENS-F′=489.492；MIC-F′=24.4；ASTC= 2.32；AIHC-S=20.7；MID-S=8.92；RS-S=0.997 6；ENS-S=2 030.707；MIC-S=30.6；AFETC′=1.62；AIEHC-F′=1.36；MIED-F′=0.84；ERS-F′=0.999 8；AENTF′=7.20；ASETC=1.67；AIEHC-S=5.66；MIED-S=3.39；ERS-S=0.9994；AENT-S=43.2；RIFI=22.8；RTFI=7.06；MDLOI=1.86；MDTOI=2.33。

表3　某市含光伏的10 kV配電網停電數據Tab.3　Outage data of a 10 kV city with PV

按照文中所提方法確定基層指標評分標準、評分值和同層各指標間權重，得到該配電網的可靠性評分情況如表4所示。由表4可以看出，該配電網可靠性綜合評分為88分，可靠性為高，供電質量為優(yōu)。

4　結語

本文歸納了一些我國中壓配電網常用的可靠性指標，嘗試建立了一種含分布式光伏的配電網可靠性指標體系并對其進行綜合評價。得到以下結論：

（1）工程統計算法具有計算簡單、實用性廣、結果準確、能夠計算預安排停電可靠性和經濟可靠性指標等優(yōu)點，適用于配電網可靠性綜合評價；

（2）分布式光伏可能會影響配電網故障可靠性指標，具體與故障停電負荷位置有關；

（3）評分標準單一會增加評分誤差，分數段劃分過多能減小誤差但會增加指標值量化難度，本文提出的多種評分標準可以解決這些問題；

表4　配電網可靠性評分結果Tab.4　Score results of distribution system reliability

（4）本文所建指標體系相對完整全面，在配電網可靠性綜合評價研究與工程應用中有可行性和參考意義。

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鞠非（1977—），男，碩士，高級經濟師，研究方向為電力系統的運行、營銷管理。Email：scrtry@126.com

畢銳（1979—），男，博士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術及能量管理系統。Email：biruizz@126.com

葛虎（1991—），男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術研究。Email：gehu20082244@163.com

中圖分類號：TM732

文獻標志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）06-0037-06

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.007

作者簡介：

收稿日期：2014-11-07；修回日期：2016-01-18

基金項目：江蘇省2014科技資助項目

Reliability Evaluation Method of Distribution System with Distributed PV

JU Fei1，BI Rui2，GE Hu2
（1.Changzhou Power Supply Company，Changzhou 213017，China；2.Photovoltaic System Research Center of Ministry of Education，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：To evaluate the comprehensive reliability of distribution network with distributed photovoltaic，the compre?hensive reliability evaluation method and index system is studied in the paper.The engineering statistical algorithm is given by statistical 26 reliability indexes commonly used of distribution system and analysis of the impact of distributed photovoltaic（PV）access.A reliability evaluation index system for distribution system with PV is proposed based on ana?lytic hierarchy process（AHP）.Different scoring criteria are given by statistical probability of high，medium and low lev?el for the basal indexes in recent years.The comprehensive reliability index of distribution system is calculated by AHP，using the weights and scores of indexes in the same level.The results of calculation example show that the pro?posed system is right and feasible.

Key words：distributedphotovoltaic（PV）；distributionsystem；analytichierarchyprocess（AHP）；reliability；indexsystem