分布式电源接入配电网可靠性研究

赵景涛，赵仰东，陈娜，孙国城，杨菠

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106；2.南京工业大学，江苏南京211816)

分布式电源接入配电网可靠性研究

赵景涛1，赵仰东1，陈娜1，孙国城1，杨菠2

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106；2.南京工业大学，江苏南京211816)

简单介绍了分布式电源(DG)，分析了DG的并网方式、接入方式和运行方式对配电网可靠性的影响，指出不同方式对配电网可靠性的影响各不相同。并在此基础上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配电网孤岛划分。最后，从可靠性指标方面对算例进行分析计算，验证DG接入配电网的可靠性。

分布式电源；配电网；可靠性

随着常规能源的衰竭、环境污染的加剧和全球气候的变暖，人们越来越多地认识到清洁能源的重要性。分布式电源(DG)作为一种可靠、经济、高效的发电方式，近年来在国内外受到了广泛关注。

DG通常是安装在靠近负荷中心的小型发电单元。DG接入配电网的主要优点有：(1)电源靠近用户侧，传输成本减少；(2)属小型发电站，施工时间和投资成本降低；(3)削峰填谷，提高供电可靠性。

然而，DG接入配电网后，原有的单辐射网络变为了双端或多端供电网络，参与配电网规划和操作的不确定性变得比过去更大，因此研究分布式电源接入配电网的可靠性具有重要的意义[1]。

1 DG接入对配电网可靠性的影响因素

1.1 DG的并网方式

针对不同的电压等级，配电网有不同的接线方式，因此DG的并网方式也有所不同。一般情况下，DG有两种并网方式：(1)集中直接接入到低压侧母线，如图1(a)所示。此时，DG作用与配电网系统侧电源相同，仅在中压侧出现故障时，能够恢复低压侧供电，对系统可靠性的提高作用不大；(2)通过分支馈线分散接入到低压配电网中的各个负荷点，如图1(b)。若低压侧发生故障，在非故障区仍然可以持续供电，从而提高系统的可靠性[2]。

图1 DG的并网方式

1.2 DG的接入方式

DG接入配电网的方式有两种[3]：并联接入及通过联络开关切换接入，如图2所示。

并联接入时，DG和配电网系统侧电源同时保证与负荷连接，且互为备用，以防出现停电情况；通过联络开关切换接入时，任意时刻负荷仅与DG或配电网系统侧的一者保证连接，当主电源发生故障，需要经过手动或自动倒闸操作投入另一电源，因此发生短时供电中断的情况不可避免，且负荷停电时间等于开关操作时间。

图2 DG接入电网方式

与未接入DG的配电网相比，DG的接入可以减少年平均停电时间，从而提高配电网可靠性。

1.3 DG的运行方式

DG主要有三种运行方式，不同方式对配电网可靠性的影响各不相同[4]。

(1)DG作为配电网的备用电源

DG作为配电网的备用电源时，需要满足电网运行的基本条件：DG的输出功率稳定，能够满足一定范围内重要负荷的电力需求；能够确保持续供电；能够提供良好的电能质量。当配电系统因故障中断而停止供电时，DG启动，配电系统通过自动装置控制，将负荷转移到DG继续供电；当故障消除时，通过开关操作，再转回配电网正常供电。因此，通过优化DG的配置，可以减少用户的停电时间和停电次数，提高配电网可靠性。

(2)配电网作为DG的备用电源

DG在此种情况下独立运行，把配电网作为备用电源。DG、储能装置、负载和自动控制装置组成微网，可对微网内部提供电能和热量。当DG的发电量超过负载需求时，储能装置吸收多余的电量，若储能装置饱和，多余的电量就会输送到配电网中，由配电网进行消化；当DG的发电量不能满足内部负载需求时，储能装置将会向负载输出电量，若仍然不能满足电力负荷需求，则由配电网向负载供电。

因此，配电网作为DG的备用电源，对提高微网内部供电可靠性有很大帮助，但是对提高配电网的可靠性没有帮助。

(3)DG与配电网并网运行

DG与配电网并网运行时，配电网从原本的单辐射网络变为了双端或多端供电网络。此时DG与配电网互为备用，通过协调DG与配电网的运行，能够有效地提高电能质量与供电可靠性。

2 DG接入配电网可靠性分析

2.1 DG的可靠性模型讨论

本文将DG的可靠性模型分为三类考虑，即：将DG作为普通的配网变电站，将DG作为等值发电机，将DG作为随机电源[5]。

将DG作为普通的配网变电站考虑。这种模型下当某段馈线发生故障时，通过断路器跳闸将故障段隔离，而非故障部分可由DG继续供电。这种模型对配网可靠性的提高很大，但只是一种理想化模型，实际应用价值不大。

将DG作为等值发电机考虑(如柴油机组发电、水力发电、燃气轮机组发电)。这种模型由于其功率输出稳定，保持不变，可能会出现负荷会超过DG所能提供功率的情况，为了确保孤岛内电力的供需平衡，须对配网进行孤岛划分，以保证形成的孤岛运行稳定。这种模型只能提高孤岛内负荷点的供电可靠性。

将DG作为随机电源考虑(如风电、光伏发电)。这种模型除了额定功率输出外，还有多个非额定运行状态，输出功率随机性大，且需要考虑其形成孤岛的概率问题，一般由历史负荷和DG的功率输出数据统计得到。此种模型比较符合常见DG的实际情况。

2.2 含DG的配电网孤岛划分

包含DG的供电网与主配电网分离后，仍继续向部分负荷供电，则此包含DG的供电网称之为孤岛。孤岛这种运行方式可以减小停电面积，提高配电网的供电可靠性。

配电网中各个负荷点由于其本身的特点，可能对供电可靠性的要求各不相同。根据其等级不同，我们对负荷点赋予不同的权重系数。因此，等值负荷可以定义为负荷大小和负荷点权重系数的乘积。

根据定义，含DG的配电网孤岛划分的目标函数就是使孤岛内所包含的负荷点的等值负荷之和最大，可以表示为

约束条件：

式中：w(i)为负荷点i的权重系数，对应负荷的重要程度，Lα(i)为负荷点i处的负荷值，PDG为孤岛内所有分布式电源出力，D为孤岛内所有负荷点组成的区域，j为分布式电源所在的馈线编号。

2.3 DG接入配电网可靠性指标

可靠性指标能够定量评估配电系统可靠性，清晰地反映配电系统的可靠性水平，为管理人员提供详细准确的配电网供电情况。按照评估对象的不同，配电网的可靠性指标可分为负荷点指标和系统指标[6]。

(1)负荷点指标

负荷点指标描述的是单个负荷点的可靠度，主要包含平均故障率li(次/a)，年平均停电时间Ui(h/a)和平均停电持续时间γi(次/a)这三个指标。

(2)系统侧指标

根据计算得到的负荷点指标，可以在此基础上计算出系统侧的指标：

系统平均断电频率指标[次/(用户·年)]：

系统平均断电持续时间指标[h/(用户·年)]：

用户平均断电频率指标[次/(用户·年)]：

用户平均断电持续时间指标[h/(用户·年)]：

平均用电有效度指标：

式中：li为负荷点i的平均故障率；Ni为负荷点i的用户数；Ni'为负荷点i的停电用户数；Ui为负荷点i的年停运时间。

3 算例分析

某地配电系统架构如图3所示。

图3 某地配电系统架构图

如图3所示，系统有7个分布式电源，其中5个小水电发电系统(装机容量共计2 625 kVA，负荷容量约为1 236 kVA)，1个光伏发电系统(10 kWp)，1个储能系统(200 kWh/100 kW)，与部分负荷(686 kVA)。分布式电源孤岛切换的成功概率为0.85。分布式电源及储能的可靠性参数如表1所示。

假设电网每次停电时间为2 h，根据年停电次数的不同，分析未接入DG、DG作为等值发电机、DG作为随机电源考虑三种情况下系统SAIDI，ASAI指标情况，DG作为普通的配网变电站为理想情况，不可能实现，暂不考虑，分析结果如表2所示。

对比DG接入前后的配电网可靠性指标，可见接入DG后配电网的SAIDI指标明显下降，ASAI指标有一定提高，说明DG的适当接入可有效提高配电网的供电可靠性，且DG作为等值发电机考虑时，配电系统的可靠性有进一步提高。

4 结语

本文简单介绍了DG的概念和接入配电网的主要优点，从DG的并网、接入及运行方式三个方面具体分析了DG的接入对配电网可靠性的影响，并在此基础上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配电网孤岛划分，给出了孤岛划分的数学模型。最后，通过可靠性指标对算例进行分析计算，证明DG的适当接入可有效提高配电网的供电可靠性。

[1]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自化，2010，34(2)：10-14.

[2]王杰，张振.分布式发电条件下孤岛划分及运行控制的研究[J].江苏电机工程，2010，29(6)：11-16.

[3]刘宗兵，束洪春，韩武，等.考虑小水电接入的配电系统可靠性评估[J].继电器，2007，35(2)：55-59，67.

[4]王志群，朱守真，周双喜，等.分布式发电接入位置和注入容量限制的研究[J].电力系统及其自动化学报，2005，17(l)：53-58.

[5]王源山.考虑分布式电源的配电系统可靠性研究[D].天津：天津大学，2010.

[6]田洪迅，袁蓉，赵渊.含分布式电源的配网可靠性概率计算[J].电网技术，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

国家高技术研究发展计划“863”(2011AA050203)

赵景涛(1978—)，男，江苏省人，高级工程师，主要研究方向为分布式光伏发电、微电网和工程应用。