計(jì)及綜合能源系統(tǒng)接入影響的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法

繆惠宇，史明明，費(fèi)駿韜，張宸宇

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 211103)

0 引 言

隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的日益突出，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源體系已成為該領(lǐng)域發(fā)展的主要方向[1-2]。綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System, IES)通過合理調(diào)度、分配異質(zhì)能源，可以實(shí)現(xiàn)不同能源間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高能源利用效率，緩解環(huán)境污染問題[3]。經(jīng)電氣接口接入配電網(wǎng)后[4]，IES內(nèi)部多能流通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備與配電網(wǎng)發(fā)生耦合，并產(chǎn)生雙向的電功率交互，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法已不再適用，評(píng)估IES接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響成為亟需解決的問題。

目前，配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法已較為成熟，基于蒙特卡洛原理的狀態(tài)隨機(jī)抽樣方法[5-6]不受系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的影響，被廣泛應(yīng)用于多種分布式資源協(xié)同控制下的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[7]考慮大規(guī)模分布式光伏接入，評(píng)估了不同數(shù)量、容量和位置的光伏接入下配電網(wǎng)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[8]分析了不同可靠性約束條件下含風(fēng)-光-儲(chǔ)微網(wǎng)的配電網(wǎng)可靠性水平；文獻(xiàn)[9]對(duì)負(fù)荷聚合商的負(fù)荷削減與負(fù)荷轉(zhuǎn)移兩種需求響應(yīng)進(jìn)行決策優(yōu)化，改善配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性指標(biāo)；文獻(xiàn)[10]基于電動(dòng)汽車的時(shí)空轉(zhuǎn)換模型，探討了大規(guī)模集群電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響。然而，在配電網(wǎng)可靠性評(píng)估領(lǐng)域，考慮IES接入影響的相關(guān)研究尚處于起步階段。

IES接入配電網(wǎng)后，能夠充分發(fā)揮其多能互補(bǔ)的靈活性，為配電網(wǎng)的可靠性提升提供新的途徑；同時(shí)，IES與配電網(wǎng)間雙向的電能交互改變了IES的運(yùn)行策略[11-12]，對(duì)IES自身供能可靠性產(chǎn)生的影響同樣不可忽視。現(xiàn)階段對(duì)于IES自身供能的可靠性已有大量研究，文獻(xiàn)[13]在考慮多能存儲(chǔ)和柔性負(fù)荷的需求響應(yīng)的情況下，以IES成本最低為目標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷削減，以統(tǒng)計(jì)其供能可靠性；文獻(xiàn)[14]提出“閥級(jí)”以表征設(shè)備的重要程度，明確了IES供能的薄弱環(huán)節(jié)；文獻(xiàn)[15]提出IES多能互補(bǔ)的基本運(yùn)行策略，對(duì)熱負(fù)荷慣性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模，提升IES運(yùn)行的可靠性。文獻(xiàn)[16]考慮元件的兩狀態(tài)故障，構(gòu)建綜合能源可靠供能區(qū)間模型，分析儲(chǔ)能裝置運(yùn)行策略對(duì)IES供能可靠性的影響。然而，上述研究?jī)H以IES微網(wǎng)為研究對(duì)象，并未考慮IES與外部能源系統(tǒng)的耦合對(duì)于二者可靠性的相互影響。

基于上述研究現(xiàn)狀，提出一種計(jì)及IES接入影響的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法。首先，對(duì)IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的設(shè)備和負(fù)荷建模，以一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，分別建立IES和配電網(wǎng)的最優(yōu)負(fù)荷削減模型；其次，將聯(lián)絡(luò)線功率作為耦合變量，采用目標(biāo)級(jí)聯(lián)法(Analysis Target Cascading, ATC)分布式求解聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)負(fù)荷削減量；然后，考慮配電網(wǎng)與IES設(shè)備兩狀態(tài)單階故障，基于馬爾可夫鏈蒙特卡洛評(píng)估計(jì)及IES接入影響的配電網(wǎng)可靠性；最后，在不同的IES運(yùn)行方式、并網(wǎng)方式下對(duì)算例系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，計(jì)算不同運(yùn)行場(chǎng)景下聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，通過供能可靠性提升率分析IES接入后制約配電網(wǎng)可靠性的因素，并通過靈敏度分析得到IES中不同能量轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)可靠性的重要度。

1 IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)建模

IES經(jīng)電氣接口接入配電網(wǎng)，與配電網(wǎng)自有負(fù)荷共同構(gòu)成IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)，如圖1所示。IES消納區(qū)域可再生能源，合理調(diào)度電、氣、熱三種儲(chǔ)能充放，向氣源購(gòu)買天然氣以維持熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃?xì)忮仩t運(yùn)行，通過電鍋爐平衡電、熱負(fù)荷差異。同時(shí)，IES通過聯(lián)絡(luò)線與配電網(wǎng)進(jìn)行靈活的購(gòu)售電交易，在區(qū)域能源短缺時(shí)購(gòu)電，滿足自身負(fù)荷需求，在區(qū)域功率過剩時(shí)售電，與上級(jí)電網(wǎng)共同為配電網(wǎng)負(fù)荷聯(lián)合供電，并在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)提供一定程度的功率支撐，從而實(shí)現(xiàn)IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行。

圖1 IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

IES中能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t和電鍋爐，其出力可統(tǒng)一表示為：

(1)

1.2 儲(chǔ)能設(shè)備模型

電、氣、熱三種儲(chǔ)能設(shè)備可采用統(tǒng)一的充放能模型[17]表示：

(2)

1.3 負(fù)荷模型

(1)IES負(fù)荷

將IES中的電、熱負(fù)荷視為完全可中斷的柔性負(fù)荷，且積極參與需求響應(yīng)[18-19]，在供能不足的情況下通過負(fù)荷削減和轉(zhuǎn)移，維持聯(lián)合系統(tǒng)的電功率平衡：

(3)

(2)配電網(wǎng)用戶負(fù)荷

將配電網(wǎng)用戶的負(fù)荷視為部分可中斷負(fù)荷，在條件允許時(shí)必須保證供電，否則按一定比例削減，可表示為：

(4)

2 IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減

IES并網(wǎng)運(yùn)行后，需要通過IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)負(fù)荷削減，在不同的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下優(yōu)化調(diào)度各響應(yīng)資源，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行的目的。在合理的運(yùn)行策略下，應(yīng)當(dāng)滿足：

(1)系統(tǒng)無故障正常運(yùn)行時(shí)，IES充分消納區(qū)域光伏、風(fēng)電，若無法滿足自身負(fù)荷需求，IES需要向配電網(wǎng)購(gòu)電以維持自身運(yùn)行；反之，IES售出多余電能；

(2)當(dāng)IES中設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過聯(lián)絡(luò)線向配電網(wǎng)購(gòu)電以滿足自身負(fù)荷需求，故障嚴(yán)重情況下IES進(jìn)行負(fù)荷削減，IES自身負(fù)荷供能會(huì)受到影響；

(3)當(dāng)配電網(wǎng)主饋線發(fā)生故障時(shí)，IES調(diào)度各設(shè)備出力，通過聯(lián)絡(luò)線向配電網(wǎng)售電，為配電網(wǎng)負(fù)荷提供功率支撐，二者協(xié)商得到動(dòng)態(tài)的孤島運(yùn)行方案。

2.1 IES最優(yōu)負(fù)荷削減

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

IES最優(yōu)負(fù)荷削減模型的目標(biāo)函數(shù)為IES在研究周期T內(nèi)購(gòu)售能、棄光、棄風(fēng)、負(fù)荷削減和需求響應(yīng)成本之和最低：

minFIES=fPSE+fALW+fEHC+fDR

(5)

(1)購(gòu)售能成本

(6)

式中PE,t、PG,t為t時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線上IES購(gòu)/售電功率和IES向氣源的購(gòu)氣功率；PE,t為正代表IES向配電網(wǎng)購(gòu)電；PE,t為負(fù)代表IES向配電網(wǎng)售電；pG,t為t時(shí)刻購(gòu)氣價(jià)格，pE,t為t時(shí)刻購(gòu)/售電價(jià)格：

(7)

(2)棄光、棄風(fēng)成本[20]

(8)

式中RPV,t、RWT,t為t時(shí)刻棄光、棄風(fēng)功率；pPV、pWT為棄光、棄風(fēng)單價(jià)。

(3)負(fù)荷削減成本

(9)

(4)需求響應(yīng)成本

(10)

2.1.2 約束條件

(2)功率平衡約束

(11)

(2)設(shè)備出力約束

(12)

(3)氣源出力約束

0≤PG,t≤PG,max

(13)

式中PG,max為氣源出氣功率上限。

(4)儲(chǔ)能約束

(14)

(5)爬坡約束

(15)

(6)負(fù)荷削減與需求響應(yīng)約束

以電負(fù)荷為例，其削減量與轉(zhuǎn)移量滿足：

(16)

(7)聯(lián)絡(luò)線容量約束

PE,min≤PE,t≤PE,max

(17)

式中PE,max、PE,min為聯(lián)絡(luò)線電功率上下限。

2.2 配電網(wǎng)最優(yōu)負(fù)荷削減

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

配電網(wǎng)最優(yōu)負(fù)荷削減模型的目標(biāo)函數(shù)為配電網(wǎng)在研究周期T內(nèi)購(gòu)售電與負(fù)荷削減成本最低：

minFDN=fPSP+fEC

(18)

(1)購(gòu)售電成本

(19)

式中PD,t為t時(shí)刻配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電量；pD,t為t時(shí)刻配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格。

(2)負(fù)荷削減成本

定義Ψ為故障后無法由上級(jí)電網(wǎng)供電的負(fù)荷點(diǎn)集合，Π為故障發(fā)生后可以由IES恢復(fù)供電的負(fù)荷點(diǎn)集合，則配電網(wǎng)負(fù)荷削減成本可表示為：

(20)

2.2.2 約束條件

(1)購(gòu)電約束

0≤PD,t≤PD,max

(21)

式中PD,max為配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電功率上限。

(2)聯(lián)絡(luò)線容量約束

同式(17)。

(3)負(fù)荷削減約束

(22)

式中δi為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i負(fù)荷的可削減比例。

(4)功率平衡與拓?fù)溥B接約束約束

若故障后不產(chǎn)生孤島，配電網(wǎng)功率平衡約束為：

(23)

若故障后產(chǎn)生孤島，配電網(wǎng)滿足功率平衡和拓?fù)溥B接約束：

(24)

式中Φ為表述配電網(wǎng)負(fù)荷上下游關(guān)系的集合。

式(24)第二項(xiàng)含有0-1變量與連續(xù)變量相乘的結(jié)構(gòu)，令:

(25)

則式(24)第二項(xiàng)可改寫為：

(26)

2.3 聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減分布式求解策略

配電網(wǎng)與IES屬于不同的利益主體，有著各自的運(yùn)行目標(biāo)，且二者的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息并不互通，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，以任何一方的負(fù)荷削減方案作為最終的調(diào)度運(yùn)行方案必然會(huì)損害另一方的經(jīng)濟(jì)利益，為平衡二者的對(duì)立關(guān)系，最大化聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的整體可靠性，采用基于ATC理論的分布式求解方法，將IES與配電網(wǎng)交互的聯(lián)絡(luò)線功率作為耦合變量，迭代求解聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)負(fù)荷削減，確定系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行方案。具體算法步驟如下：

(27)

(28)

(5)判斷式(29)收斂條件是否滿足，若滿足，則輸出優(yōu)化結(jié)果，否則轉(zhuǎn)到步驟(6)：

(29)

(6)由式(30)更新罰函數(shù)乘子，令K=K+1，然后轉(zhuǎn)到步驟(2)，重新開始循環(huán)。

(30)

3 考慮IES接入的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估

3.1 馬爾科夫鏈蒙特卡洛狀態(tài)抽樣

配電網(wǎng)與IES設(shè)備元件均采用故障的兩狀態(tài)模型，元件在正常運(yùn)行與故障停運(yùn)兩種狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，假設(shè)配電網(wǎng)與IES僅發(fā)生單階故障，考慮到IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間連續(xù)性，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法進(jìn)行抽樣[15]。由各自設(shè)備元件的故障率和修復(fù)率建立配電網(wǎng)與IES的轉(zhuǎn)移概率矩陣，設(shè)置初始狀態(tài)均為正常運(yùn)行，分別得到配電網(wǎng)與IES的馬爾科夫鏈，從中抽樣即可得到的IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。馬爾科夫狀態(tài)空間轉(zhuǎn)移圖可由圖2表示。

圖2 狀態(tài)空間轉(zhuǎn)移圖

3.2 IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算

為全面評(píng)估IES接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，在統(tǒng)計(jì)配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，計(jì)算配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，并統(tǒng)一采用ENNS指標(biāo)計(jì)算聯(lián)合系統(tǒng)供能可靠性提升率，以直觀比較不同運(yùn)行場(chǎng)景下IES電、熱負(fù)荷和配電網(wǎng)負(fù)荷可靠性的變化程度，分析制約聯(lián)合系統(tǒng)可靠性的影響因素：

(31)

同時(shí)，為衡量IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備在不同維護(hù)狀態(tài)下對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，對(duì)配電網(wǎng)可靠性關(guān)于能量轉(zhuǎn)換設(shè)備故障率的靈敏度進(jìn)行分析，計(jì)算能量轉(zhuǎn)換設(shè)備k在故障率變?yōu)閟%初始值，且其余設(shè)備故障率不變的情況下，配電網(wǎng)負(fù)荷的EENS變化程度：

(32)

進(jìn)一步得到IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的相對(duì)重要度：

(33)

式中M為IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備總數(shù)。

3.3 考慮IES接入的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估流程

在合理的容量配置下，聯(lián)合系統(tǒng)無故障正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生負(fù)荷削減，因此對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估只需統(tǒng)計(jì)故障日的可靠性指標(biāo)。采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法抽樣得到故障日的系統(tǒng)設(shè)備元件狀態(tài)，在Matlab下采用商業(yè)求解器CPLEX分布式求解聯(lián)合系統(tǒng)的負(fù)荷削減問題，ATC迭代收斂后得到最終的故障日調(diào)度優(yōu)化結(jié)果，從而統(tǒng)計(jì)IES負(fù)荷削減量和配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)停電情況，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。當(dāng)IES與配電網(wǎng)EENS指標(biāo)的方差系數(shù)均小于給定值，或模擬總年數(shù)達(dá)到上限時(shí)，輸出可靠性指標(biāo)。

4 算例分析

算例采用改進(jìn)的IEEE RBTS-BUS6主饋線F4及其分支饋線[21]，系統(tǒng)共包括30條饋線、23臺(tái)配電變壓器、23個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，各負(fù)荷點(diǎn)用戶數(shù)、時(shí)序負(fù)荷曲線參考文獻(xiàn)[22]，并在圖3所示位置接入如圖1所示結(jié)構(gòu)的IES，假設(shè)保護(hù)裝置和開關(guān)均可靠動(dòng)作，且孤島成功切換的概率為100%。

4.1 可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

圖4給出了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行2000年可靠性評(píng)估后配電網(wǎng)負(fù)荷EENS指標(biāo)和IES電、熱負(fù)荷EENS指標(biāo)的方差系數(shù)收斂曲線，在模擬年數(shù)到達(dá)500年時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的方差系數(shù)均小于0.05，且配電網(wǎng)指標(biāo)收斂速度快于IES指標(biāo)，說明在所提出的基于馬爾可夫鏈蒙特卡洛的可靠性評(píng)估方法下，可以在有限的模擬年數(shù)內(nèi)得到準(zhǔn)確的可靠性評(píng)估結(jié)果。

圖3 改進(jìn)的IEEE RBTS-BUS6 F4配電系統(tǒng)

圖4 方差系數(shù)收斂曲線

IES接入前后配電網(wǎng)各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)如圖5、圖6所示?？梢?，在IES接入前，配電網(wǎng)主饋線上越靠近饋線末端的負(fù)荷供電可靠性越差，越靠近電源處的負(fù)荷供電可靠性越好。在IES接入后，負(fù)荷點(diǎn)1～6、17、18的供電可靠性指標(biāo)基本不變；對(duì)于其他負(fù)荷點(diǎn)，年平均故障停運(yùn)率相對(duì)IES接入前均有不同程度的提高，但其平均停運(yùn)時(shí)間大幅下降，配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)可靠性總體得到了提升。

表1給出了IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)?？梢姡贗ES接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)中除了系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI稍有惡化，其余指標(biāo)均明顯改善；而IES各項(xiàng)可靠性指標(biāo)均大幅改善。IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)可靠性得到了顯著提升。

圖5 配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)年平均故障停運(yùn)率

圖6 配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)年平均停運(yùn)時(shí)間

表1 IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

4.2 IES運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)可靠性影響分析

4.2.1 熱電耦合

將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中的余熱鍋爐、電鍋爐移除，即IES中電能與熱能無法相互轉(zhuǎn)換，此時(shí)配電網(wǎng)EENS指標(biāo)上升為31.026 6 MW·h/yr，IES電、熱負(fù)荷EENS指標(biāo)分別上升為20.396 6 MW·h/yr、43.636 2 MW·h/yr。可見，在熱電解耦運(yùn)行的情況下，IES電、熱充裕度均有所下降，因而在配電網(wǎng)故障時(shí)提供支撐的能力也隨之下降。

4.2.2 多能存儲(chǔ)和綜合需求響應(yīng)

設(shè)置不同的儲(chǔ)能和需求響應(yīng)場(chǎng)景，以分析IES接入后儲(chǔ)能與需求響應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)可靠性和自身可靠性的影響：場(chǎng)景1：基準(zhǔn)場(chǎng)景，配置儲(chǔ)能和需求響應(yīng)；場(chǎng)景2：配置儲(chǔ)能，不考慮需求響應(yīng)；場(chǎng)景3：考慮需求響應(yīng)，不配置儲(chǔ)能；場(chǎng)景4：不考慮需求響應(yīng)，不配置儲(chǔ)能。

四種儲(chǔ)能與需求響應(yīng)配置場(chǎng)景下聯(lián)合系統(tǒng)供能可靠性提升率如圖7所示，可見，在場(chǎng)景4中IES的熱負(fù)荷EENS指標(biāo)則由于熱儲(chǔ)能和熱需求響應(yīng)的缺失有所惡化。配置多能存儲(chǔ)或單獨(dú)考慮綜合需求響應(yīng)不僅可以減少IES本身的負(fù)荷削減量，而且顯著提高了配電網(wǎng)的供電可靠性，這是由于儲(chǔ)能設(shè)備與可轉(zhuǎn)移負(fù)荷能夠在IES或配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)主動(dòng)響應(yīng)聯(lián)合系統(tǒng)的供能不足情況，并在一定程度上提供功率支撐。此外，在場(chǎng)景1同時(shí)考慮儲(chǔ)能和需求響應(yīng)的情況下，聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性提升最大?？梢姸嗄艽鎯?chǔ)與綜合需求響應(yīng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化可以進(jìn)一步擴(kuò)大聯(lián)合系統(tǒng)的調(diào)度空間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，從而提升區(qū)域供能的可靠性。

圖7 不同儲(chǔ)能和需求響應(yīng)場(chǎng)景下可靠性提升率

4.2.3 運(yùn)行策略

IES接入后具體的運(yùn)行策略對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性有重大影響，記所提ATC求解方法得到的運(yùn)行策略為策略1，分別設(shè)計(jì)策略2：以IES最優(yōu)負(fù)荷削減為目標(biāo)確定聯(lián)絡(luò)線功率和策略3：IES接入后以配電網(wǎng)最優(yōu)負(fù)荷削減為目標(biāo)確定聯(lián)絡(luò)線功率。

表2和圖8給出了三種策略下聯(lián)合系統(tǒng)的故障日平均運(yùn)行成本和供能可靠性提高率。可見，通過ATC方法得到的最優(yōu)負(fù)荷削減策略可以更好地平衡配電網(wǎng)和IES之間的可靠性關(guān)系，使聯(lián)合系統(tǒng)總失負(fù)荷量最低，從而最大限度降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

表2 不同運(yùn)行策略下故障日平均運(yùn)行成本

圖8 不同運(yùn)行策略下可靠性提升率

在策略2中，配電網(wǎng)可靠性最低。IES在保證自身可靠用能的前提下只根據(jù)日前電價(jià)向配電網(wǎng)購(gòu)售電，在配電網(wǎng)故障時(shí)供給的電量相對(duì)于策略1更少，但對(duì)比沒有IES接入，配電網(wǎng)的可靠性仍得到一定提升。在策略3中，配電網(wǎng)可靠性最高。一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障，IES必須向配電網(wǎng)最大程度地提供功率支撐，甚至削減自身負(fù)荷以保證配電網(wǎng)供電可靠性。同時(shí)，IES自身設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)并不主動(dòng)向IES賣電，因此在配電網(wǎng)主導(dǎo)的運(yùn)行策略下，IES相比接入配電網(wǎng)前電負(fù)荷可靠性反而大幅下降。

4.3 IES并網(wǎng)方式對(duì)系統(tǒng)可靠性影響分析

4.3.1 聯(lián)絡(luò)線容量

IES與配電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線的能量交互實(shí)現(xiàn)互濟(jì)運(yùn)行，設(shè)置不同的聯(lián)絡(luò)線容量，以分析IES接入后聯(lián)絡(luò)線容量對(duì)配電網(wǎng)可靠性和自身可靠性的影響。圖9給出了五種聯(lián)絡(luò)線容量下聯(lián)合系統(tǒng)供能可靠性提升率?？梢姡S著聯(lián)絡(luò)線容量的增大，配電網(wǎng)與IES間交互功率上限提升，在故障場(chǎng)景下相互支撐的作用更加顯著，聯(lián)合系統(tǒng)的供能可靠性將得到提升。

圖9 不同聯(lián)絡(luò)線容量下可靠性提升率

然而，該提升作用在聯(lián)絡(luò)線容量增大到一定程度后逐漸趨于平穩(wěn)，這是由于配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電量的上限和IES設(shè)備容量限制了二者的交互功率，在一定的容量配置下，IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性水平難以再通過提高聯(lián)絡(luò)線功率上限進(jìn)行提升。同時(shí)，對(duì)于IES電負(fù)荷，其供能可靠性提升率出現(xiàn)輕微下降，以支撐其熱負(fù)荷和配電網(wǎng)負(fù)荷的供能可靠性的繼續(xù)提升，達(dá)到聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減的目的。因此，應(yīng)根據(jù)配電網(wǎng)與IES的設(shè)備容量水平，配置合適的聯(lián)絡(luò)線容量，從而充分利用IES設(shè)備的冗余功率，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。

4.3.2 接入位置

將該IES分別接入饋線18、30、10后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，得到不同接入位置下供能可靠性提升率如表3所示?？梢姡?dāng)IES的接入位置越靠近饋線末端時(shí)，配電網(wǎng)可靠性越高，同時(shí)IES電負(fù)荷可靠性越低，而IES熱負(fù)荷可靠性則不受影響，這是由于IES接入位置越靠近上級(jí)電網(wǎng)，配電網(wǎng)故障形成孤島的概率越小，IES和配電網(wǎng)同時(shí)發(fā)生故障的概率也越小。同時(shí)，配電網(wǎng)的具體可靠性水平也受IES接入位置附近配電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率大小限制。

4.4 IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)可靠性的重要度

將IES某一能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障率改為s%的初始故障率，在其余設(shè)備故障率保持不變的情況下對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)重新抽樣，得到可靠性評(píng)估結(jié)果后，計(jì)算配電網(wǎng)可靠性關(guān)于IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備故障率的靈敏度。如圖10所示，隨著IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備故障率的下降，配電網(wǎng)可靠性逐步得到改善，降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組故障率的效果最顯著，其次是電鍋爐，燃?xì)忮伖收下实淖兓瘜?duì)配電網(wǎng)可靠性幾乎不產(chǎn)生影響。即配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的故障率變化的靈敏度最高，因此，在IES設(shè)備維護(hù)經(jīng)費(fèi)有限的情況下，優(yōu)先維護(hù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以為配電網(wǎng)提供最高的可靠性增益。

表3 不同接入位置下可靠性提升率

圖10 配電網(wǎng)可靠性靈敏度

在靈敏度計(jì)算的基礎(chǔ)上得到設(shè)備重要度如圖11所示，可見IES中相同能量轉(zhuǎn)換設(shè)備在不同故障率下對(duì)于配電網(wǎng)可靠性的相對(duì)重要存在差異，但熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在不同故障率下對(duì)于配電網(wǎng)的可靠性都是最重要的。

圖11 IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備重要度

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)建立最優(yōu)負(fù)荷削減模型，采用ATC方法確定系統(tǒng)的運(yùn)行策略，基于馬爾科夫鏈蒙特卡洛，提出計(jì)及IES接入影響的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，通過算例驗(yàn)證了所提方法的有效性和正確性，并得到以下結(jié)論：

(1)IES接入后，在聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)負(fù)荷削減策略下，通過聯(lián)絡(luò)線與配電網(wǎng)互濟(jì)運(yùn)行，提高了除SAIFI以外的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，并改善了IES的供能可靠性；

(2)在IES中配置多種儲(chǔ)能，并考慮綜合需求響應(yīng)的協(xié)同作用，能夠提升IES-配電網(wǎng)聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性，聯(lián)絡(luò)線功率、接入位置和運(yùn)行策略的不同也深刻影響著聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性；

(3)IES能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)配電網(wǎng)可靠性的重要度最高，優(yōu)先維護(hù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以為配電網(wǎng)提供最優(yōu)的可靠性增益。