一種考慮孤島運行和可再生能源出力不確定性的有源配電網(wǎng)供電可靠性分析方法

朱良管，曾平良，劉愷誠，豐俊杰

(1.杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，杭州 310000; 2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100080;)

0 引言

為應(yīng)對氣候變化和環(huán)境無染，近年來，以風(fēng)電、光伏為代表的分布式可再生能源發(fā)展迅速，截止2019 年底，我國風(fēng)電、光伏裝機容量分別到達210 GW 和205 GW，其中分布式風(fēng)電和光伏占總裝機的25%左右，穩(wěn)居世界第一。隨著可再生能源滲透率的不斷提高，近幾年來，我國棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，2016 年，我國棄風(fēng)和棄光電量分別達到497 億kW·h 和74 億kW·h，嚴(yán)重阻礙了可再生能源的發(fā)展，是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。發(fā)展分布式電源是解決可再生能源消納和高比例清潔能源發(fā)展的重要措施，近幾年來，分布式電源得到了世界各國的高度重視而獲得了快速發(fā)展。分布式電源一般指在用戶側(cè)配置的功率較小的發(fā)電機組，用來滿足一些重要負荷的用電需求，目前典型的分布式電源技術(shù)有光伏、風(fēng)力、小型燃氣機組等。由于分布式可再生電源的靈活性、環(huán)境友好性等特點，越來越多的分布可再生電源被接入配電網(wǎng)，它使配電網(wǎng)更加靈活，但是，分布式可再生電源固有的間歇性和隨機性，對原有配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，研究分布式可再生電源并網(wǎng)后對配電網(wǎng)的可靠性影響至關(guān)重要。文獻［1-3］采用了最小割集法評估了分布式電源接入后配電網(wǎng)的可靠性，該方法適用于評估復(fù)雜的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。文獻［4-5］采用了饋線分析法，該方法能夠得到各個饋線供電區(qū)域的可靠性指標(biāo)，提高評估效率。文獻［6-7］采用了網(wǎng)絡(luò)等值法，求解出配電網(wǎng)區(qū)域的故障影響模式分析表，該方法的概念簡單，求解容易，但是其得到的是中間結(jié)果，若要求取最終狀態(tài)，計算過程較為復(fù)雜。文獻［8］采用狀態(tài)空間法，得出了分布式電源并網(wǎng)后，配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的變化，但是如果配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，元件較多時，該方法將不再適用。

文中提出一種考慮孤島運行和可再生能源出力不確定性的有源配電網(wǎng)供電可靠性分析方法。首先基于兩狀態(tài)馬爾科夫模型建立了配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性模型;其次，可再生能源場站的出力可靠性模型是由場站設(shè)備狀態(tài)和可再生能源潛在出力概率組成，進而建立了考慮場站設(shè)備可靠性的可再生能源場站多狀態(tài)模型;然后，利用饋線分區(qū)的概念劃分孤島運行范圍，分析孤島運行對供電可靠的影響; 最后再結(jié)合序貫蒙特卡洛分析方法求得有源配電網(wǎng)供電可靠性。利用IEEE 測試系統(tǒng)對所提方法進行驗證，證明方法的準(zhǔn)確性。

1 有源配電網(wǎng)可靠性模型

1.1 配電網(wǎng)設(shè)備可靠性模型

配電網(wǎng)由各種配電設(shè)備組成，元件是配電網(wǎng)可靠性評估的最小單元，假設(shè)其中大部分元件都可以被修復(fù)，例如: 配電線路、斷路器、熔斷器、自動重合閘開關(guān)等，因此，配電網(wǎng)元件的可靠性評估模型可采用馬爾科夫兩狀態(tài)模型，只需要考慮其正常運行狀態(tài)和故障修復(fù)狀態(tài)［9-10］，如圖1 所示，λ 代表元件的故障率，μ 代表元件的故障修復(fù)率。

圖1 元件的兩狀態(tài)可靠性模型Fig.1 Two-state reliability model for components

元件的兩狀態(tài)模型如式( 1) 和式( 2) 所示，其中MTTF表示元件平均正常運轉(zhuǎn)時間，MTTR表示元件平均故障修復(fù)時間。

由于配電網(wǎng)設(shè)備元件的故障是隨機發(fā)生的，設(shè)TTF為配電網(wǎng)元件正常工作時的運行時間，TTR為配電網(wǎng)元件的故障修復(fù)時間，TTF與TTR隨時間的變化而變化，MTTF與MTTR分別為TTF與TTR的平均值，圖2 模擬了配電網(wǎng)元件TTF與TTR的循環(huán)過程。

圖2 TTF 與TTR 的循環(huán)過程Fig.2 Cycle process of TTF and TTR

在配電網(wǎng)可靠性分析中，通常認為配電網(wǎng)設(shè)備元件不具備記憶性，即元件任意兩次故障之間沒有關(guān)聯(lián)性，假設(shè)元件故障率λ 和修復(fù)率μ 服從指數(shù)分布，如式(3)所示:

式中f(t) 為t時刻元件故障的概率，g(t) 為在t時刻元件故障修復(fù)的概率。元件正常工作時間和故障修復(fù)時間的概率分布函數(shù)，如式(4) 所示:

對式(4) 進行求導(dǎo)變化，可得式(5) 為:

式中F'(t) 表示元件正常工作時間為t的概率;G'(t) 表示元件故障修復(fù)時間為t的概率。F'(t) 和G'(t) 都是［0-1］之間的數(shù)，通過隨機抽樣也可以產(chǎn)生［0-1］的數(shù)，進一步可以將其轉(zhuǎn)化為服從指數(shù)分布的隨機數(shù)，因此元件正常工作的時間TTF，元件的故障修復(fù)時間TTR可以表示為式(6) :

式中Rt1和Rt2為計算機產(chǎn)生的［0-1］的數(shù)。

1.2 考慮設(shè)備可靠性的分布式可再生能源多狀態(tài)模型

1.2.1 分布式可再生能源多狀態(tài)模型

可再生能源場站的出力可靠性由場站設(shè)備狀態(tài)和可再生能源潛在出力概率分布組成?？稍偕茉礉撛诔隽? Renewable Energy Potential Output，REPO) 為可再生能源場站將風(fēng)光等自然資源轉(zhuǎn)換成電能所發(fā)出的功率，取決于風(fēng)光等資源情況，具有較強的隨機性。對于場站設(shè)備可靠性，文中采用基于馬爾科夫的兩狀態(tài)模型，即正常運行狀態(tài)和故障狀態(tài)，假設(shè)分布式可再生電源場站設(shè)備故障率為λ，修復(fù)率為μ，分布式可再生電源場站設(shè)備正常工作時間TTFres和故障修復(fù)時間TTRres可由式(6) 得出。

針對風(fēng)光等可再生資源固有的間歇性和隨機性，REPO 可用多狀態(tài)模型進行描述，狀態(tài)數(shù)量一般取決于風(fēng)光等資源特征和可靠性分析精度。因此分布式可再生能源場站的多狀態(tài)模型由場站設(shè)備和REPO 多狀態(tài)模型聯(lián)合組成，如式(7) 所示:

式中S 表示可再生能源場站多狀態(tài)矩陣;n為REPO 狀態(tài)數(shù);ρi為REPO 狀態(tài)i的概率?？稍偕茉磮稣径酄顟B(tài)模型如圖3 所示。

圖3 可再生能源場站多狀態(tài)模型Fig.3 Multi-state model of renewable energy station

由式( 7) 可知，在場站設(shè)備故障狀態(tài)下，無論REPO 處于哪種狀態(tài)，可再生能源場站輸出功率都為0，因此，式(7) 可以進一步簡化，如式(8) 所示:

式中，Si表示可再生能源第i個狀態(tài)，i=1 時，為分布式電源場站出力為0 的概率。

1.2.2 分布式光伏REPO 多狀態(tài)模型

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛在出力特性取決于光照強度、太陽能光伏陣列的溫度等因素，其中光照強度是光伏出力的主要因素，本文只考慮光照強度對光伏出力的影響，光伏出力曲線與光照強度的關(guān)系如圖4 所示［11］。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力曲線Fig.4 Output curve of photovoltaic power generation system

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率可用分段函數(shù)近似表示，如式(9) 所示:

式中Pi表示光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率( MW) ;Ps為光伏陣列的額定功率( MW) ;Gi表示第i時刻的光照強度( W/m2) ;Gs表示在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的光照強度，一般取1000 W/m2;Rc表示一個特定大小的光照強度，通常取150 W/m2。

考慮夜間沒有光照以及白天光照受云層等隨機因素影響，光照強度分布一般可用β 分布來描述，如式(10) 所示［12］。

式中Г(z) 為Gamma 函數(shù)，α，β 為參數(shù)，可以通過對歷史光照數(shù)據(jù)進行擬合獲得。x為光照強度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的光照強度之比，即:x=G/Gs。

光照強度的累計概率分布為［13］:

式中Bx( α，β) 為不完全β 函數(shù);Ix( α，β) 為正則不完全β 函數(shù)。正則不完全β 函數(shù)的累計概率為1。

從式(9) 、式( 11) 可以看出，對應(yīng)每一個光照強度，可以得到相應(yīng)的光伏出力和累計概率。通過式(9)把相應(yīng)的光照強度轉(zhuǎn)化為光伏出力，可以從式( 11) 獲得光伏出力為P的累計概率分布，即:

式中ω(P;α，β) 為光伏出力累積概率分布函數(shù);xaP表示把光照強度x通過式(9) 轉(zhuǎn)化為光伏出力P。

為提高計算效率，可把光伏出力曲線簡化為n個離散功率來表示，每個功率Pi代表光伏的一個出力狀態(tài)。則光伏出力狀態(tài)為Pi的概率為:

式中n為光伏出力狀態(tài)數(shù)。

光伏出力狀態(tài)個數(shù)由光伏電站所在區(qū)域的光資源特性、可靠性分析精度要求等因素決定。文中設(shè)n=5，從而得到光伏REPO 5 狀態(tài)模型，隨著光照強度的不斷變化，各個狀態(tài)之間可相互轉(zhuǎn)化，如圖5 所示。當(dāng)光照強度大于等于標(biāo)準(zhǔn)光照強度時，光伏達到最大出力，此時如果光照強度發(fā)生變化，如云層遮掩，光伏出力將會降低，即從狀態(tài)5 轉(zhuǎn)移到狀態(tài)4，但是，值得指出的是即使受云層影響，由于光照強度的變化是連續(xù)的，光伏出力不能從最大躍變?yōu)?，也就是說不能從狀態(tài)5 直接轉(zhuǎn)移到狀態(tài)1，同樣，光伏出力不能從狀態(tài)1 直接轉(zhuǎn)移到狀態(tài)5，因此5 個狀態(tài)之間不能形成一個閉環(huán)。這對采用不同狀態(tài)個數(shù)的光伏可靠性模型同樣適用。

圖5 光伏系統(tǒng)五狀態(tài)模型之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系Fig.5 Conversion relationship between five-state models of photovoltaic systems

1.2.3 分布式風(fēng)電場REPO 多狀態(tài)模型

分布式風(fēng)電廠出力受風(fēng)速等自然因素影響。目前，風(fēng)速概率模型主要有威布爾分布、卡方分布、正態(tài)分布等，其中兩參數(shù)的威布爾分布應(yīng)用較為普遍，本文采用兩參數(shù)威布爾函數(shù)來描述風(fēng)速分布。威布爾分布的概率密度及累計概率分布函數(shù)分別為式(14) 和式(15) 。

式中k為威布爾分布的狀態(tài)參數(shù); λ 為尺度參數(shù)，反映了風(fēng)電場的平均風(fēng)速。計算k和λ 方法有很多，其中主要有HOMER 軟件法，平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計法、最小乘法等。

風(fēng)電機組出力的大小主要取決于風(fēng)速的大小，同時風(fēng)速具有明顯的隨機性，風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速之間曲線如圖6 所示［14］。

圖6 風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the output power of a wind turbine and wind speed

風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速之間的表達式可近似表示為:

式中Pv為風(fēng)電機組的輸出功率;vs為風(fēng)機的啟動風(fēng)速;vo為額定風(fēng)速;vc為切除風(fēng)速;Pc為風(fēng)電機組的額定輸出功率。

與1.2.2 節(jié)光伏出力多狀態(tài)模型的推導(dǎo)相類似，風(fēng)電出力累計概率分布函數(shù)為:

式中ζ(Pv;λ，k) 為風(fēng)電出力累計概率分布函數(shù);vaPv為風(fēng)速v通過式(17) 轉(zhuǎn)化為風(fēng)電出力Pv。

當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速vc時，風(fēng)電出力為0，其概率為:

與光伏REPO 多狀態(tài)模型相類似，可把風(fēng)電場REPO 出力簡化為由n個離散功率來表示，每個功率代表風(fēng)電場的一個出力狀態(tài)，即n個出力狀態(tài)。則風(fēng)電場出力狀態(tài)為Pi的概率為:

當(dāng)i=1 時，風(fēng)電出力為0，其概率由風(fēng)速小于切入風(fēng)速和大于切出風(fēng)速兩部分概率組成。

風(fēng)電出力狀態(tài)個數(shù)與風(fēng)電場風(fēng)資源特性和可靠性分析精度要求有關(guān)。設(shè)n=5，得到風(fēng)電出力5 狀態(tài)模型，如圖7 所示。

可以看出，當(dāng)風(fēng)電處于狀態(tài)5 時，隨著風(fēng)速減小，風(fēng)電出力將由狀態(tài)5 向狀態(tài)4 轉(zhuǎn)移，另一方面，當(dāng)風(fēng)速增大，超過切出風(fēng)速時，風(fēng)電出力將由狀態(tài)5 向狀態(tài)1轉(zhuǎn)移，即從最大出力變?yōu)?。值得指出的是，風(fēng)電出力不能由狀態(tài)1 向狀態(tài)5 轉(zhuǎn)移，因為風(fēng)速具有連續(xù)性。因此，風(fēng)電出力狀態(tài)之間形成一個閉環(huán)轉(zhuǎn)移關(guān)系。這是和光伏出力多狀態(tài)模型不同的地方，是由光伏、風(fēng)電系統(tǒng)運行特性不同所造成的。

2 孤島運行方式

當(dāng)分布式可再生電源并網(wǎng)后，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的模式，使原有的單電源輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時分布式可再生電源與負荷之間的直接相連，使配電網(wǎng)產(chǎn)生了一種新的運行方式—孤島運行［15］，孤島運行可分為計劃孤島與非計劃孤島，我國電網(wǎng)公司嚴(yán)格規(guī)定不允許非計劃孤島的出現(xiàn)，因此本文所述的孤島運行模式是一種不間斷供電的計劃孤島運行模式，在該孤島運行模式下，當(dāng)配電系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生故障時，分布式電源不會被解列，而是通過瞬間跳開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，形成孤島，孤島內(nèi)分布式電源能夠繼續(xù)為部分負荷提供所需的電量，此時，孤島運行過程中的輸出功率與孤島內(nèi)總負荷的關(guān)系如式(20) 所示:

式中n為孤島內(nèi)布式可再生電源的總數(shù);Pi為孤島內(nèi)第i個分布式可再生電源的輸出功率;m為孤島內(nèi)負荷的總數(shù);Lj為孤島內(nèi)第j個負荷的大小。

3 可靠性指標(biāo)

在配電系統(tǒng)的可靠性評估中，主要通過可靠性指標(biāo)來體現(xiàn)，按照評估對象的不同，配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)通常包括負荷點指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)。負荷點指標(biāo)主要用來評估系統(tǒng)中單個負荷點的可靠性程度，系統(tǒng)指標(biāo)主要用來評估整個配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性程度，它以負荷點可靠性指標(biāo)為基礎(chǔ)計算出來的。

負荷點可靠性指標(biāo)主要包括［16］:

1) 負荷點平均故障率λ。

負荷點平均故障率指在統(tǒng)計時間內(nèi)( 一般時間以年為單位) ，負荷點的停電次數(shù)的期望值，單位為次/年。

2) 負荷點年平均停電時間U。

負荷點年平均停電時間指在統(tǒng)計時間內(nèi)( 一般時間以年為單位) ，負荷點因故障停運持續(xù)時間的期望值，單位為小時/年。

3) 負荷點每次故障平均停運持續(xù)時間r。

負荷點每次故障平均停運時間可以由負荷點平均故障率與負荷點年平均停電時間計算得出，單位為小時/次。

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)主要包括:

1) 系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)( System Average Interruption Frequency Index，SAIFI) 。

式中λi為負荷點i的平均故障率;Ni為負荷點i的用戶數(shù)，SAIFI的單位為次/( 戶·年) 。

2) 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標(biāo)( System Average Interruption Duration Index，SAIDI) 。

式中Ui為負荷點i的年平均停電時間;SAIDI的單位為小時/( 戶·年) 。

3) 系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)( Energy Not Supplied，ENS) 。

式中Li為負荷點i的平均負荷，kW·h/年。

4) 系統(tǒng)平均供電可用率( Average Service Availability Index，ASAI) 。

5) 系統(tǒng)平均電量不足指標(biāo)( Average Energy Not Supplied，AENS)

式中AENS的單位為kW·h/戶。

4 考慮可再生能源出力不確定性的有源配電網(wǎng)可靠性分析方法

針對可再生能源出力不確定性的有源配電網(wǎng)可靠性分析，由于經(jīng)典的蒙特卡洛法在抽樣過程中，將配電網(wǎng)元件及風(fēng)光出力狀態(tài)看成是相互獨立的。實際上配電網(wǎng)元件與風(fēng)光出力的狀態(tài)不是相互獨立的，是按照狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)，具有一定的“時序”關(guān)系，例如，在元件故障之后，有一個修復(fù)時間，才能重新恢復(fù)到非故障或其他狀態(tài)，而不是隨機地直接從故障狀態(tài)躍變到非故障狀態(tài)，同樣，風(fēng)光出力從0 到最大值需要經(jīng)過從狀態(tài)1 至狀態(tài)2…至狀態(tài)5的轉(zhuǎn)移過程，而不能隨機地從狀態(tài)1 跳躍至狀態(tài)5。而序貫蒙特卡洛方法能夠根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系矩陣對各狀態(tài)進行準(zhǔn)確抽樣，可靠性評估結(jié)果比經(jīng)典蒙特卡洛方法更準(zhǔn)確，更符合實際。因此文中采用序貫蒙特卡洛模擬法評估，具體的評估流程如下:

1) 根據(jù)所選擇的配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讀取相應(yīng)的參數(shù)，形成8760 h 的負荷等級水平，確定仿真年數(shù)，設(shè)定初始時間為0;

2) 假設(shè)系統(tǒng)中元件處于正常工作狀態(tài)，對系統(tǒng)中的非電源元件產(chǎn)生一個［0-1］之間均勻分布的隨機數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為元件的正常工作時間TTF;

3) 通過比較步驟2) 隨機產(chǎn)生非電源元件的無故障工作時間TTF，找到最小的TTFmin，此時將時間步長推進到TTFmin;

4) 對步驟3) 找到的元件，隨機產(chǎn)生一個［0-1］之間均勻分布的隨機數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為元件的修復(fù)時間TTR;

5) 根據(jù)所選的測試系統(tǒng)，尋找受故障元件影響的其他負荷點，并判斷這些負荷點是否處于孤島內(nèi)。是就執(zhí)行步驟6) ，否則跳轉(zhuǎn)到步驟7) ;

6) 如果負荷點是否可以通過孤島運行繼續(xù)為其供電，在孤島運行過程中，根據(jù)可再生電源的隨機處理的特點，需要每小時產(chǎn)生一個［0-1］之間均勻分布的隨機數(shù)，確定此時孤島內(nèi)分布式電源總的輸出功率P與孤島內(nèi)總的負荷水平L，如果P＞L，負荷點不會停電，如果P＜L，就按照負荷等級的重要程度進行削減負荷，直到滿足P＞L為止，并且統(tǒng)計孤島內(nèi)負荷點的正常運行時間TTF與故障時間TTR;

7) 如果負荷點不可以通過孤島運行繼續(xù)為其供電，統(tǒng)計其正常運行時間TTF與故障時間TTR;

8) 判斷總的模擬時間是否大于模擬年數(shù)乘以8760個小時，如果是就執(zhí)行步驟9) ，否則跳轉(zhuǎn)到步驟2) ;

9) 計算可靠性指標(biāo)。

上述流程下，文中的蒙特卡洛模擬法的流程圖，如圖8 所示。

圖8 蒙特卡洛模擬法的流程圖Fig.8 Flow chart of Monte Carlo simulation method

5 仿真案例

文中采用的是改進的IEEE RBTS Bus6 系統(tǒng)，包括一條33 kV 的母線，30 條饋線、23 個負荷，10 個斷路器，5 個分布式電源，為了表明方法的普遍適用性，光伏和風(fēng)電可以分布在測試系統(tǒng)中所標(biāo)注的DG 上，若干個隔離開關(guān)等，如圖9 所示。

1) 系統(tǒng)中元件的故障率:饋線故障率為0.056 次/( 年·km) ，開關(guān)的故障率為0.005 次/年，平均修復(fù)時間都為3 h，表1 為系統(tǒng)給出的各個饋線的長度。

表1 饋線段長度Tab.1 Length of feeder section

2) 光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)我國某地區(qū)一年的光照強度分布如圖10，根據(jù)1.2.2 節(jié)模型，假設(shè)光伏陣列的故障率λ 為3%，額定功率選為10 kW，標(biāo)準(zhǔn)光照強度Gs選取為1000 W/m2，特定光照強度Rc為150 W/m2，可得分布式光伏REPO 5 狀態(tài)出力概率分布曲線如圖11，具體值如表2 所示。

表2 光伏系統(tǒng)五狀態(tài)模型Tab.2 Five-state model of photovoltaic system

圖10 某地區(qū)一年的光照強度分布圖Fig.10 Annual illumination intensity distribution of a certain region

圖11 光伏5 狀態(tài)出力概率分布曲線Fig.11 PV five-state output probability distribution curve

3) 風(fēng)電數(shù)據(jù)是我國某地區(qū)一年的風(fēng)速，其概率分布如圖12 所示。風(fēng)電機組的設(shè)備故障率為2%，額定功率為1 MW，切入風(fēng)速為4 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，額定風(fēng)速為10 m/s，則風(fēng)電場REPO 5 狀態(tài)出力概率曲線如圖13，具體值如表3 所示。

表3 風(fēng)機出力五狀態(tài)模型Tab.3 Five-state model of wind turbine output

圖12 某地區(qū)一年的風(fēng)速分布圖Fig.12 A yearly wind speed profile of an area

圖13 風(fēng)電5 狀態(tài)出力概率分布曲線Fig.13 Probability distribution curve of wind power five-state output

4) 本文結(jié)合饋線分區(qū)的概念來處理孤島內(nèi)功率和負荷的關(guān)系，如測試系統(tǒng)圖9 所示，假設(shè)LP7 故障時，斷路器6、斷路器19 和隔離開關(guān)11 進行動作來隔離故障同時恢復(fù)非故障區(qū)域的供電，由于斷路器6 的動作使得LP-LP5 區(qū)域，不受故障的影響，能夠正常供電; LP6-LP7 區(qū)域為故障區(qū)，停電時間為故障修復(fù)時間; 由于斷路器19 的保護動作，使得LP14-LP18 區(qū)域形成計劃孤島，孤島內(nèi)運行的狀態(tài)就需要根據(jù)式來判斷是否需要削減負荷，當(dāng)前孤島內(nèi)總負荷大于總出力時，就需要根據(jù)表負荷點的峰值與權(quán)重指標(biāo)進行負荷的削減; 由于隔離開關(guān)11 的保護動作，使區(qū)域LP8-LP9、LP11-LP13、LP19-LP21 和LP22-LP23 形成了一個大范圍的計劃孤島，孤島的運行機制與LP14-LP18 區(qū)域相同。

測試系統(tǒng)圖中的23 個負荷點的負荷點的峰值與權(quán)重指標(biāo)，負荷點的權(quán)重指標(biāo)表示負荷的重要的程度，一般超過0.5 表示重要負荷，如表4 所示。

表4 負荷點的峰值與權(quán)重指標(biāo)Tab.4 Peak value and weight index of load point

為了確保評估結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性，本文將模擬時間設(shè)定為100 年，為分析分布式可再生電源接入對配電網(wǎng)可靠性的影響，文中考慮了分布式可再生電源接入配電網(wǎng)的兩種場景，并對配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)進行了計算和比較。

1) 場景1:不考慮分布式可再生電源接入;

2) 場景2:考慮分布式可再生電源接入。

兩種場景的分析結(jié)果如表5 和表6 所示。

表5 方案1 與方案2 的負荷點可靠性指標(biāo)對比Tab.5 Comparison of load point reliability indices in scheme 1 and scheme 2

表6 方配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對比Tab.6 Comparison of reliability indices of power distribution system

通過對比以上兩種場景的可靠性指標(biāo)，系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI變化如圖14 所示。

圖14 系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI 變化情況Fig.14 Variation of SAIFI of average power failure frequency of the system

不考慮分布式可再生電源時，SAIFI為5.7252 次/( 戶·年) ，考慮分布式可再生電源后，SAIFI變化為4.3652次/( 戶·年) ，有效的降低了用戶的停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)的可靠性。

系統(tǒng)的平均停電持續(xù)時間SAIDI，在未考慮分布式可再生電源時SAIDI為8.7428 小時/( 戶·年) ，考慮分布式電源之后，SAIDI下降到7.4532 小時/( 戶·年) ，降低系統(tǒng)的停電時間，提高了配電網(wǎng)的可靠性，如圖15 所示。

圖15 系統(tǒng)的平均停電持續(xù)時間變化情況Fig.15 Variation of the average outage duration of the system

在不考慮分布式可再生電源時，系統(tǒng)的平均供電可靠率ASAI為0.9990，在考慮分布式可再生電源之后，系統(tǒng)的平均供電可靠率ASAI上升到0.9991，如圖16 所示。

圖16 系統(tǒng)的平均供電可靠率變化情況Fig.16 Change of average power supply reliability rate of the system

在不考慮分布式可再生電源時，系統(tǒng)電量不足ENS為84.2124 MW·h/年，考慮分布式可再生電源之后，ENS降低為81.4501 MW·h/年，提高了系統(tǒng)的可靠性，如圖17 所示。

圖17 系統(tǒng)電量不足變化情況Fig.17 Change of power shortage of the system

綜上所述，在考慮分布式可再生電源之后，系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式可再生電源可以形成計劃孤島，可以提高孤島內(nèi)負荷點的可靠性，從而整體上改善了系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，對配電網(wǎng)的可靠性有積極的影響。

6 結(jié)束語

文章提出了一種基于序貫蒙特卡羅仿真的考慮孤島運行和可再生能源不確定性的有源配電網(wǎng)可靠性評估分析法，首先基于兩狀態(tài)馬爾科夫模型建立了配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備和可再生能源場站設(shè)備的可靠性模型; 其次，建立了由場站設(shè)備狀態(tài)和可再生能源REPO 概率組成的可再生能源場站通用多狀態(tài)模型，提出了基于風(fēng)光資源概率分布函數(shù)的風(fēng)光可再生能源REPO 多狀態(tài)的劃分及其概率計算方法，并進一步提出可再生能源場站5 狀態(tài)可靠性模型，滿足有源配電網(wǎng)可靠性分析要求; 此外，采用饋線分區(qū)的概念，劃分了孤島運行的范圍，并且根據(jù)孤島內(nèi)總出力和總負荷之間的關(guān)系與負荷權(quán)重的大小，進行負荷的削減，提高配電網(wǎng)供電可靠性;最后，通過IEEE RBTS 測試系統(tǒng)分別對考慮和不考慮分布式可再生能源兩種場景進行了仿真分析，結(jié)果表明，在考慮分布式可再生能源時，所求得的各項可靠性指標(biāo)都具有明顯的提升，提高了配電網(wǎng)的可靠性。同時也驗證了所提方法的正確性。