基于新能源接入的配電網(wǎng)可靠性評估

王 璨，侯 強，單 瑩

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司，鐵嶺112000）

能源對人類的發(fā)展至關(guān)重要，長期過度開采能源，導致其使用率處于快速下降趨勢，形成能源嚴重缺乏的局勢，人們對能源的需求量卻越來越大，為社會與環(huán)境增加了很多問題[1]。為解決這些問題，便需想辦法提高能源使用率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，應運而生的則是新能源的概念。新能源具備環(huán)保節(jié)能與使用率高等優(yōu)點[2]，將其接入配電網(wǎng)中會降低其成本與損耗，減少占地面積，加快規(guī)劃建設速度，利于調(diào)峰，減輕對環(huán)境的影響，提高供電安全性等[3]。在配電網(wǎng)內(nèi)接入很多新能源后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改成多電源模式，合理接入新能源會提高新能源利用率與配電網(wǎng)的可靠性，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，因新能源的接入，配電網(wǎng)會出現(xiàn)孤島運行狀態(tài)，利用島內(nèi)繼續(xù)供電，不會出現(xiàn)停電情況[4]，但新能源的隨機性和間歇性會更改傳統(tǒng)的可靠性評估方法，為此研究基于新能源接入的配電網(wǎng)可靠性評估，提升可靠性評估效果。

1 基于新能源接入的配電網(wǎng)可靠性評估方法

1.1 新能源輸出功率

小容量新能源的狀態(tài)為

式中：新能源屬于正常工作狀態(tài)時為1；新能源屬于故障修復狀態(tài)時為0； 新能源正常運行時間在所有時間內(nèi)的占比是a%；u 是任意常數(shù)。

求解新能源在τ 時的正常運行時間，具體為

式中：λd是新能源故障率；μd是新能源修復率；v 是任意常數(shù)。

新能源在故障修復時間TR中輸出的平均功率Pout為

新能源機組在TR中輸出功率為

式中：Nd是新能源數(shù)量。

1.2 新能源負荷削減

負荷削減的前提是新能源功率匹配，新能源在上述兩種狀態(tài)時均需匹配其供電范圍中的功率[5-6]。在該范圍屬于孤島運行情況下，如果Pout和儲能出力低于孤島內(nèi)負荷，那么展開負荷削減，具體：

式中：在時間t 新能源供電范圍m 時，其是否屬于孤島運行狀態(tài)的標記是β（t），若不是孤島狀態(tài)，則β（t）=1，若是孤島狀態(tài)，則β（t）=0；配電母線備用容量是Pres；電量不足地方個數(shù)是Ndef；儲能裝置個數(shù)是Nc；t 時第i 個儲能提供的功率是Pi（t）；m 內(nèi)第j個新能源在t 時的輸出功率是Pout·j（t）；負荷點是n；m 中負荷數(shù)量是NL；在t 時n 的負荷功率是Xn（t）。

在電源固定范圍中，確保最大負荷供電為負荷削減的目的，其目標函數(shù)表達公式如下：

式中：供電范圍總數(shù)量是N；負荷權(quán)重是wn，按照用戶的重要程度計算而來[7-8]；n 的削減狀態(tài)是Kn（t），如果被削減，則Kn（t）=0，如果沒有被削減，則Kn（t）=1。

負荷削減的具體步驟如下：

（1）確定全部供電范圍中Pout、Pi和該范圍中X間的大小，如果不符合公式（6），則儲能充電，否則，執(zhí)行步驟（2）；

（2）求解差額功率，具體為

對比分析P 與儲能最大放電功率Pmax間的大小，如果Pmax>Pc，那么儲能放電符合要求[9]；否則，需要衡量新能源是否屬于孤島狀態(tài)，如果是，那么執(zhí)行步驟3，反之，執(zhí)行步驟4；

（3）令β（t）=0，按照公式（7）對該范圍中的負荷展開削減，以不符合公式（5）為止；

（4）令β（t）=1，對該范圍中功率不足的地方做出記號；

（5）衡量全部β（t）=1 的功率不足地方是否符合公式（5），如果符合，那么按照公式（7）削減全部β（t）=1 范圍的負荷，以不符合公式（5）為止。

1.3 基于蒙特卡洛法的配電網(wǎng)可靠性評估算法

基于蒙特卡洛法的配電網(wǎng)可靠性評估算法的具體步驟如下：

（1）折算參數(shù)。在上行線路內(nèi)，折算元件故障率與TR，折算公式如下：

式中：λ1與t1為折算前元件故障率與修復時間；λ2與t2為上行線路故障率與修復時間；λ 與t 為折算后線路故障率與修復時間。

（2）配電網(wǎng)的矩陣化。主路線的矩陣F 中，從上至下行排列順序是主饋線編號、分支饋線中n 的編號、n 的個數(shù)。令線路至它上級自動開關(guān)間n 的數(shù)量為向量C，剩余線路的矩陣G 中，從上至下行排列順序是線路編號、n 的編號、n 的個數(shù)、向量C。

（3）求解n 的運行和故障時間，全部線路正常運行時間為

式中：線路a 的故障率是λa。

獲取TF內(nèi)最小的線路，確定這條線路出現(xiàn)故障，求解TR，公式如下：

式中：故障線路b 的平均故障修復時間是tb。

（4）求解n 的可靠性指標。求解元件a 出現(xiàn)故障情況下，各n 的停電次數(shù)N′與時間T′；在a=1 情況下，線路1 接入的n1至F（3，1）停電，F(xiàn)（3，1）代表F內(nèi)第三行第一列n 的編號，停電時間即線路1 的TR，剩余n 的停電時間通過P機組、負荷點的用電需求與負荷種類確定。

令主饋線條數(shù)是h，在1＜a≤h 情況下，a 接入的n 在F（2，a）至［F（2，a）+F（3，a）-1］間停電，即a 的TR；a 上面的n 通過電網(wǎng)繼續(xù)供電，這部分停電時間即故障隔離時間Ts，通過P機組、n 的用電需求與負荷種類計算剩余n 的TR。

在a＞h 情況下，就是出現(xiàn)故障的線路屬于分支饋線；其中G（4，i-k）≠0 情況下，代表分支饋線在a前接入了其余負荷點。因為新能源接在主饋線中，所以分支饋線中a 接入的負荷點G（2，i-k）至最后的［G（2，i-k）+G（3，i-k）-1］停電，即a 的TR，a 到主饋線負荷點［G（2，i-k）-G（4，i-k）］至［G（2，i-k）-1］的距離超過a 位于的分支饋線到負荷點［G（2，i-k）-G（4，i-k）］至［G（2，i-k）-1］的距離，此時通過電網(wǎng)恢復供電，停電時間即Ts，剩余負荷點繼續(xù)供電。

G（4，i-k）=0 情況下，就是分支饋線在a 前未接入其余負荷點。因為新能源接在主饋線中，所以分支饋線中a 接入的負荷點G（2，i-k）至最后的［G（2，i-k）+G（3，i-k）-1］停電，停電時間即TR，剩余負荷點繼續(xù)供電。

1.4 評估流程

基于新能源接入的配電網(wǎng)可靠性評估流程如圖1 所示。通過基于蒙特卡洛法的配電網(wǎng)可靠性評估算法獲取TF內(nèi)最小的線路，求解與其相應的TR；計算新能源的輸出功率，如果Pout和儲能出力低于孤島內(nèi)負荷，則削減負荷，以Pout和儲能出力高于孤島內(nèi)負荷為止；求解Pout和儲能出力高于孤島內(nèi)負荷的故障停電次數(shù)與時間，在仿真時間超過指定時間時，利用基于蒙特卡洛法的配電網(wǎng)可靠性評估算法求解可靠性指標，完成接入新能源的配電網(wǎng)可靠性評估。

圖1 可靠性評估流程Fig.1 Reliability evaluation flow chart

2 具體應用實例分析

以某配電網(wǎng)的一條主饋線為實驗對象，利用仿真軟件模擬本文方法對該配電網(wǎng)主饋線的展開可靠性評估，共模擬8×104h，分析接入新能源前后以及不同數(shù)量對配電網(wǎng)可靠性的影響，在出現(xiàn)故障情況下，啟動斷路器，出現(xiàn)2 個孤島，由島內(nèi)負荷供電，分別在分支饋線9 與18 處接入新能源，接入新能源的配電網(wǎng)接線圖如圖2 所示。圖2 中包含6 個斷路器，10 個熔斷器，1 個隔離開關(guān)，25 條分支饋線；其中共包含3 種方案，不接入新能源記作方案Ⅰ，在分支饋線9 處接入一個新能源記作方案Ⅱ，在分支饋線9 與18 處接入兩個新能源記作方案Ⅲ。

圖2 接入新能源的配電網(wǎng)接線圖Fig.2 Wiring diagram of distribution network connected with new energy

分析3 種方案在配電站備用容量不缺乏時，各負荷點的年平均停電時間與故障率，評估該配電網(wǎng)的可靠性，將專家評估結(jié)果作為標準，評估結(jié)果如圖3 與圖4 所示。根據(jù)圖3 可知，本文方法的評估結(jié)果與標準評估結(jié)果基本一致；方案Ⅰ各負荷點的年平均停電時間最高，各負荷點的該指標均值是30.9 h，其次是方案Ⅱ，均值是10.9 h，方案Ⅲ各負荷點的該指標最少，均值是4 h；同時方案Ⅰ各負荷點的該指標變化幅度較大，方案Ⅱ各變化幅度明顯減小，方案Ⅲ較為平穩(wěn)。實驗證明，本文方法能夠精準計算配電網(wǎng)可靠性指標，根據(jù)計算結(jié)果得知在配電網(wǎng)內(nèi)接入新能源可有效改善其年平均停電時間，且接入新能源數(shù)量越多，改善效果越明顯，即配電網(wǎng)可靠性越高。

圖3 年平均停電時間評估結(jié)果Fig.3 Assessment results of average blackout time in years

根據(jù)圖4 可知，計算3 種方案的故障率時，本文方法的評估結(jié)果與標準評估結(jié)果基本一致；方案Ⅰ各負荷點的故障率最高，各負荷點的故障率均值是0.35 次/年，其次是方案Ⅱ，均值是0.22 次/年，方案Ⅲ各負荷點的故障率最少，均值是0.12；方案Ⅱ相比方案Ⅰ的故障率下降了37.14%，方案Ⅲ相比方案Ⅱ的故障率下降了45.45%。實驗證明，本文方法能夠精準計算配電網(wǎng)可靠性指標，根據(jù)計算結(jié)果得知在配電網(wǎng)內(nèi)接入新能源可有效降低其故障率，且接入新能源數(shù)量越多，故障率下降幅度越顯著，即配電網(wǎng)可靠性越高。

圖4 故障率評估結(jié)果Fig.4 Failure rate evaluation results

從上述實驗中可知，方案Ⅲ的可靠性評估結(jié)果最優(yōu)，因此，利用本文方法評估方案Ⅲ在不同配電站備用容量與新能源滲透率時的可靠性，評估配電網(wǎng)可靠性的常用指標是平均停電次數(shù)、用戶停電持續(xù)時間與平均供電可用度，各可靠性指標評估結(jié)果如圖5～圖7 所示。

圖5 平均停電次數(shù)評估結(jié)果Fig.5 Average blackout frequency evaluation results

圖6 用戶停電持續(xù)時間評估結(jié)果Fig.6 Evaluation results of power failure duration for users

圖7 平均供電可用度評估結(jié)果Fig.7 Average power supply availability evaluation results

綜合分析圖5～圖7 可知，隨著配電站備用容量的增加，三種新能源滲透率的三個可靠性評估指標變化趨勢基本相同，在配電站備用容量較小的情況下，平均停電次數(shù)下降幅度較小，當配電站備用容量超過4 MW 時，三種新能源滲透率的平均停電次數(shù)均呈線性趨勢下降，當配電站備用容量超過12 MW 時，三種新能源滲透率的平均停電次數(shù)穩(wěn)定于7 次左右；三種新能源滲透率的用戶停電持續(xù)時間均隨著配電站備用容量的提升呈線性下降趨勢，下降速度較快，當配電站備用容量超過12 MW 時，三種新能源滲透率的用戶停電時間穩(wěn)定于0.5 h 左右；三種新能源滲透率的平均供電可用度均隨著配電站備用容量的提升呈線性上升趨勢，上升速度較快，當配電站備用容量超過12 MW 時，三種新能源滲透率的平均供電可用度趨于穩(wěn)定，無線接近1；綜合分析得知，新能源滲透率對配電網(wǎng)可靠性影響較小，僅當在配電站備用容量較小時，不同新能源滲透率間三種可靠性指標存在差距，滲透率越高，配電網(wǎng)可靠性越好，當配電站備用容量較大時，不同新能源滲透率間的三種可靠性指標完全相同。實驗證明，本文方法能夠有效評估配電網(wǎng)的可靠性，在配電站備用容量較小時，新能源滲透率越高，配電網(wǎng)可靠性越好；配電站備用容量越大，配電網(wǎng)可靠性越好。

3 結(jié)語

新能源具備可持續(xù)發(fā)展與降低污染等優(yōu)點，在電力市場被廣泛應用。新能源的接入對配電網(wǎng)的可靠性存在一定的影響，屬于用戶與電企重點關(guān)注的事情，為此研究基于新能源接入的配電網(wǎng)可靠性評估。實驗證明，在配電網(wǎng)中接入新能源可提升配電網(wǎng)的可靠性。日后可以引進新能源的發(fā)電投資與經(jīng)濟環(huán)境效益等指標，擴展新能源發(fā)電普及范圍，利于國家能源戰(zhàn)略調(diào)整。