含分布式电源配电网可靠性的评估方案研究

方卫东

（福建工程学院信息科学与工程学院，福建福州350118）



含分布式电源配电网可靠性的评估方案研究

方卫东

（福建工程学院信息科学与工程学院，福建福州350118）

摘要：在原有配电网引入分布式电源的情况下，提出一种基于应用改进最小路法结合可靠性指标求解评估含分布式电源distributed generation（DG）的配电网可靠性评估方案。以IEEE-RBTS Bus6系统为例进行不同方案的仿真。仿真结果表明，所提出的可靠性评估模型可以明显地改善配电网系统对用户提供电能的可靠性。

关键词：配电网；分布式电源；最小路法；可靠性评估

配电网在众多distributed generation（DG）接入并网后，配电网不再像传统电网一样，而是产生了显著的转变。辐射式的供电方式是传统的配电网采用的供电方式，这种方式是通过起点的发电厂进行发电，将电能送入大电网，各地的区域配电系统网络通过高压输电线路接受来自大电网的电能，用户普遍的情况就是通过这样的方法得到电能。然而当数量很多的DG引入配电系统，整个配电系统变成了一个遍布DG和电力用户的网络，电力用户的用电不再单一地依靠电网的输送，DG也成了重要的电力保障环节。这些转变对于传统配电网的结构和电网的运行影响很大，因而原来构建的传统可靠性评估模型以及相应的评估指标体系也将发生一定的变化［1-2］。

评估系统可靠性的一个重要基础假设，就是系统电源供电完全可以达到系统内全部负荷正常工作的需要。但是加入并入DG以后的配电网，对于形成的某个孤岛来说，并没有办法时时满足这个前提，DG所能提供的电量与负荷的需求往往是变化的，这就需要我们考虑根据运行状况的不同，合理地划分孤岛范围，采取适当增加负荷，切断部分的负荷，或者选择性断开部分DG等不同的方案［3］。因此，如果我们把DG当成一般的传统电源来讨论显然不是很合理。比较合理的方案是根据DG自身的特点、参数，以及在系统中分布状况，投入运行的情况，进行相应的可靠性研究，建立相应的模型，完善相应的配电网可靠性指标，才能更好地评估配电网的可靠性。

1　配电系统可靠性指标

常用的配电系统可靠性指标按照不同的分类标准可以有不同的划分。按评估对象划分的两类配电系统指标通过负荷点指标、系统指标来确定配电系统的可靠性［4-6］。

1.1 负荷点指标

系统中的负荷点是否能够向电能的使用者可靠地提供电能是进行分析可靠性的重要指标，主要有三个指标:λ（故障率）、γ（停运时间）以及U（年平均停运时间）。

（1）串联关系的等值系统

串联系统，指的是一旦整个系统包含范围内中出现其中某一个元件失效，这时都会造成整个系统无法工作的系统。

负荷点故障率λ所指的是在一年中负荷点因故障原因而引起的停电次数的总和，其公式为:负荷点每次故障平均停运时间γ所指的是从停电至恢复供电所需时长的均值，其公式为:

负荷点年平均停电持续时间U所指的是同一年中某一个负荷点的停电总时长，其公式为:

U=λγ（3）

其中，λi为设备i的故障率（次/a）；γi为设备i的故障修复时间（h/次）。

（2）并联关系的等值系统

并联系统故障发生的条件是所有的元件都产生故障，系统中只要有元件是正常的，系统就可以正常工作。以下是并联系统的负荷点可靠性公式。

负荷点故障率公式为:

负荷点每次故障平均停电持续时间的公式为:

负荷点年平均停电持续时间的公式为:

1.2 系统指标

（1）系统平均停电频率指数（system average interruption frequency index，SAIFI）

这一指数表示配电系统中的电力使用者在一段时长内因为发生故障而造成停电的次数总和。这个指标能够用在一年中某一系统内电力使用者停电的数量之和与该年度由这个系统负责供电的电力用户数相除进行预测:

式中的Ni表示负荷点i的用户的数量；λi表示负荷点i的故障率。

（2）系统平均停电持续时间指数（SAIDI）（system average interruption duration index，SAIDI）

这一指数指的是配电网中在一段时间内每个电力用户因为系统发生故障造成停电所持续的时长，该指标能够使用电力使用者在一年中停电持续总时长与该年度由这个系统负责供电的电力用户数相除来进行预测:

式中的Ui表示的是负荷点i的等值年平均停电时间。

（3）系统平均供电可用率指数（average service availability index，ASAI）

这一指数所指的是配电系统中用户需求的年用电时长跟实际所得到的用电时长的比。假设8 760 h是电力用户在一年中需求的供电时长，则ASAI可以如式9求解:

（4）电量不足指标（energy not supplied index，ENS）

这一指数所指的是在一年的时间中因元件无法正常工作而导致的给电力用户提供电量出现的缺额，其计算式为:

上式中La（i）指的是与停电负荷点i相连接的平均负荷（单位为kW），可以用相应负荷点的年峰荷与其负荷系数相乘求得La（i）。

（5）平均电量不足指标（average energy not supplied index，AENS）

这一指数所指的是由于整个系统在一整年间的供电量不足从而导致电力使用者的相对停电损失的电量期望值，其单位为kW·h/（用户数· a）。

（6）用户平均停电持续时间指标（customer average interruption duration index，CAIDI）

这一指数所指的是一年中被停电的用户的平均停电持续时长，可以用一年中用户停电持续时长的总和与该年停电用户次数总和相除来进行估计:

2　最小路法在含分布式电源配电网可靠性评估中的应用

本文提出了计及DG的配电网最小路可靠性分析方法。该方法通过对整个系统拓扑结构的矩阵化处理以及DG的孤岛划分方式的分析，采用最小路法对含DG的配电网可靠性进行评估。

2.1 最小路法原理分析

以下图较小型的辐射型系统 （图1）解释关于利用最小路法进行可靠性评估方法具体处理过程。

在图1中的小型系统中，一旦处于最小路上的元件产生故障状况时，就会影响相应负荷点的可靠性，一旦处于非最小路上的元件无法正常工作的话，当然也会对其可靠性产生影响。先求取最小路。

图1　简单辐射系统Fig.1 Sim p le radiation（power）system

为了求解时的方便，对处于非最小路的元件产生故障对负荷点的影响，依据系统的实际状况可以等值计算到相应的最小路的节点上；这样的话，如果要求取某个负荷点的可靠性指标，就可以略去非最小路的影响，直接求解该最小路上的元件与节点。对于最小路上元件处理有几个原则:

（1）在系统没有备用电源的情况下，任意的元件如果发生故障情况都会导致该负荷点无法正常工作。如图1中如果LP2其最小路上的馈线1以及馈线2和分支线b上的元件出现故障，均会导致LP2停止工作；

（2）在系统有备用电源并且其主馈线上都装设了分段装置的情况下。馈线1产生故障情况，LP2无法正常工作的时间是分段开关的最大动作时间，假如对馈线1进行维护，那么LP2依然可以正常工作。如果最小路的某一元件发生故障状况，则会使LP2无法正常工作。对于非最小路元件处理原则如图2所示。

2.2 孤岛划分模型的求解

孤岛的划分方案主要是依据两个点，一个是依据发生故障状况时具体的故障位置，以及故障时该区域配电网的时时运行情况，以此来确定孤岛的划分。在进行孤岛划分时需要考虑两个最重要的原则:一是在DG提供的电能能够满足岛内的总负荷正常工作需求的条件下，使岛内含有的负荷尽量地多；二是在考虑孤岛应该包含哪些负荷时，尽量优先考虑负荷等级更高的负荷。本文遵从上述两个原则，并结合功率圆确定的最大孤岛范围来划分孤岛。

2.3 计及DG最小路法可靠性分析方法

系统引入DG后，一旦产生故障，如果能够形成孤岛的话，那么DG将可以给孤岛包含的全部负荷点提供电能，这样该岛内包含的所有负荷点

的可靠性就得到了改善。此时处于岛外的其他负荷点，因为其所处的位置超出了DG的供电最大范围，将不会造成影响［7-8］。计算方法与无DG的类似，需多加考虑加入DG后的影响，即要先进行孤岛的划分，根据约束条件结合功率圆确定孤岛范围，得出孤岛内的负荷点数，计算得出孤岛内负荷点可靠性受影响的改变，求解得到孤岛内负荷点可靠性相关指标结果，通过相关公式就可以求解出整个系统的相关指标。

图2　非最小路元件处理原则Fig.2 Non-m inimal path elements treatment principles

3　IEEE-RBTS Bus 6系统可靠性算例分析

IEEE-RBTSBus6系统如图3所示，系统包含23个负荷点，23个熔断器，23台变压器，21个隔离开关，5个断路器。系统原始数据如表1-4。对评估配电系统时做一些基本假设:

（1）系统电源可靠性均为100%，即假设电源完全可靠；

（2）假设隔离开关、熔断器的动作百分之百可靠，假设0.5 h是所有隔离开关操作时间；

图3　IEE-RBTSBus6系统主馈线F4Fig.3 M ain feeder F4in IEE-RBTS Bus 6

表1　设备的可靠性指标Tab.1 Equipment reliability index

表2　线路数据Tab.2 L ine data

（3）假设无备用变压器，在变压器故障时，相关负荷点必须等变压器修复成功投入运行后才能恢复供电；

（4）当分支馈线发生故障时，由于有熔断器，故一个负荷点停电，不会影响其他负荷点。

（5）由于孤岛形成的概率计算十分复杂，假设孤岛形成概率为1。

表3　负荷数据Tab.3 Loading data

表4　负荷点可靠性指标Tab.4 Reliability index for load ing points（data）

续表4

本文从以下两种方案对配电系统进行可靠性的计算:方案一:系统主馈线未接入分布式电源，系统只由主网供电；方案二:在系统主馈线接入一个分布式电源，形成孤岛，如图4所示。

图4　含DG IEEE-RBTSBus 6系统主馈线Fig.4 Main feeder in IEE-RBTSBus 6 with DG

1）方案一:系统主馈线未接入分布式电源，系统只由主网供电，计算出系统性指标如表5。

2）方案二:在系统主馈线接入一个分布式电源，形成第一孤岛，第二孤岛不作用。

表5　系统可靠性指标Tab.5 System reliability index

DG位于负荷点15。

LP（15）+LP（14）=0.186 1+0.155 4=0.341 5 ＜PDG=0.5

LP（15）+LP（16）=0.186 1+0.158 5=0.344 6 ＜PDG＜LP（15）+LP（16）+LP（17）=0.594 7，所以该孤岛包括LP14、LP15、LP16三个负荷点，则该孤岛负荷点可靠性参数如表6所示。

表6　DG位于LP15的孤岛内负荷点可靠性参数Tab.6 Loading points reliability parameter with DGin LP15

｀计算如下:

LP14:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ22+λT= 1.670 0

U=4·λ19+0.5·（λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+ λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+λ15+λ20+λ22）+ 30·λT=4×0.16+0.5×1.495+30×0.015= 1.837 5

LP15:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ21+λ22+λT= 1.710 0

U=4·（λ19+λ20+λ21）+0.5·（λ1+λ2+ λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+λ15+λ22）+30·λT=2.257 5

LP16:

λ=λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+ λ11+λ12+λ14+λ15+λ19+λ20+λ22+λT= 1.670 0

U=4·（λ19+λ20+λ22）+0.5·（λ1+λ2+ λ3+λ4+λ5+λ6+λ8+λ10+λ11+λ12+λ14+ λ15）+30·λT=2.587 5

综合表4与表6，得表7。

表7　DG位于LP15时负荷点可靠性指标Tab.7 Loading points reliability index with DG in LP15

综合以上指标数据与表5比较结果，显然可以得到这样的结论:在DG并网后，对于配电网的负荷点和系统系列可靠性指标有明显的改善。但从不同的方案下的对比结果我们可以得出结论:如果在不同的位置并入DG，或者并入不同数量的DG，以及并入的DG的容量大小不同，这些对于系统的可靠性指标的改善程度不一样，以及对于负荷点的影响范围也有所不同。所以在接入DG的时候，应该注意接入DG的位置及容量，最大程度发挥DG的作用。

4　结语

通过构建实际运行情况的DG可靠性模型，通过采用最小路法方法引入DG的系统可靠性求解，实现对系统的可靠性进行准确评估。以IEEERBTSBus6系统为例，采用不同的方案，求解一系列的负荷点和系统可靠性指标，从而得出含DG的配电网的可靠性指标变化情况，验证了文中使用的方案的合理性。

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（责任编辑：肖锡湘）

中图分类号：TM712

文献标志码：A

文章编号：1672-4348（2016）03-0262-07

doi：10.3969/j.issn.1672-4348.2016.03.011

收稿日期:2016-05-15

基金项目:福建省重大专项专题项目（2013HZ0002-1）；福建省教育厅科技项目（JA12230）；福建工程学院基金项目（GY-Z10053、GY-Z11070）

作者简介:方卫东（1969-），男，安徽黄山人，高级工程师，硕士，研究方向:电动汽车融入现代电网。

A study of reliability assessm ent schemes of distribution network w ith DGs

FangWeidong
（College of Information Science and Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China）

Abstract:Amodifiedminimal pathmethod-based reliability assessment scheme（method）of distribution network considering distributed generations（DGs）was proposed to resolve the reliability of power grid.A distributed sourcemodel was established and power circle method was used to determine themaximum range of the island.IEEE-RBTSBus6 system with the island modelwas set as an example to verify the proposed algorithm.The results show that the reliability evaluation scheme is effective in improving the distribution network reliability.

Keywords:distribution network；distributed generation；minimal path method；reliability assessment