分布式電源接入配電網可靠性研究

趙景濤，趙仰東，陳娜，孫國城，楊菠

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業大學，江蘇南京211816)

分布式電源接入配電網可靠性研究

趙景濤1，趙仰東1，陳娜1，孫國城1，楊菠2

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；2.南京工業大學，江蘇南京211816)

簡單介紹了分布式電源(DG)，分析了DG的并網方式、接入方式和運行方式對配電網可靠性的影響，指出不同方式對配電網可靠性的影響各不相同。并在此基礎上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網孤島劃分。最后，從可靠性指標方面對算例進行分析計算，驗證DG接入配電網的可靠性。

分布式電源；配電網；可靠性

隨著常規能源的衰竭、環境污染的加劇和全球氣候的變暖，人們越來越多地認識到清潔能源的重要性。分布式電源(DG)作為一種可靠、經濟、高效的發電方式，近年來在國內外受到了廣泛關注。

DG通常是安裝在靠近負荷中心的小型發電單元。DG接入配電網的主要優點有：(1)電源靠近用戶側，傳輸成本減少；(2)屬小型發電站，施工時間和投資成本降低；(3)削峰填谷，提高供電可靠性。

然而，DG接入配電網后，原有的單輻射網絡變為了雙端或多端供電網絡，參與配電網規劃和操作的不確定性變得比過去更大，因此研究分布式電源接入配電網的可靠性具有重要的意義[1]。

1 DG接入對配電網可靠性的影響因素

1.1 DG的并網方式

針對不同的電壓等級，配電網有不同的接線方式，因此DG的并網方式也有所不同。一般情況下，DG有兩種并網方式：(1)集中直接接入到低壓側母線，如圖1(a)所示。此時，DG作用與配電網系統側電源相同，僅在中壓側出現故障時，能夠恢復低壓側供電，對系統可靠性的提高作用不大；(2)通過分支饋線分散接入到低壓配電網中的各個負荷點，如圖1(b)。若低壓側發生故障，在非故障區仍然可以持續供電，從而提高系統的可靠性[2]。

圖1 DG的并網方式

1.2 DG的接入方式

DG接入配電網的方式有兩種[3]：并聯接入及通過聯絡開關切換接入，如圖2所示。

并聯接入時，DG和配電網系統側電源同時保證與負荷連接，且互為備用，以防出現停電情況；通過聯絡開關切換接入時，任意時刻負荷僅與DG或配電網系統側的一者保證連接，當主電源發生故障，需要經過手動或自動倒閘操作投入另一電源，因此發生短時供電中斷的情況不可避免，且負荷停電時間等于開關操作時間。

圖2 DG接入電網方式

與未接入DG的配電網相比，DG的接入可以減少年平均停電時間，從而提高配電網可靠性。

1.3 DG的運行方式

DG主要有三種運行方式，不同方式對配電網可靠性的影響各不相同[4]。

(1)DG作為配電網的備用電源

DG作為配電網的備用電源時，需要滿足電網運行的基本條件：DG的輸出功率穩定，能夠滿足一定范圍內重要負荷的電力需求；能夠確保持續供電；能夠提供良好的電能質量。當配電系統因故障中斷而停止供電時，DG啟動，配電系統通過自動裝置控制，將負荷轉移到DG繼續供電；當故障消除時，通過開關操作，再轉回配電網正常供電。因此，通過優化DG的配置，可以減少用戶的停電時間和停電次數，提高配電網可靠性。

(2)配電網作為DG的備用電源

DG在此種情況下獨立運行，把配電網作為備用電源。DG、儲能裝置、負載和自動控制裝置組成微網，可對微網內部提供電能和熱量。當DG的發電量超過負載需求時，儲能裝置吸收多余的電量，若儲能裝置飽和，多余的電量就會輸送到配電網中，由配電網進行消化；當DG的發電量不能滿足內部負載需求時，儲能裝置將會向負載輸出電量，若仍然不能滿足電力負荷需求，則由配電網向負載供電。

因此，配電網作為DG的備用電源，對提高微網內部供電可靠性有很大幫助，但是對提高配電網的可靠性沒有幫助。

(3)DG與配電網并網運行

DG與配電網并網運行時，配電網從原本的單輻射網絡變為了雙端或多端供電網絡。此時DG與配電網互為備用，通過協調DG與配電網的運行，能夠有效地提高電能質量與供電可靠性。

2 DG接入配電網可靠性分析

2.1 DG的可靠性模型討論

本文將DG的可靠性模型分為三類考慮，即：將DG作為普通的配網變電站，將DG作為等值發電機，將DG作為隨機電源[5]。

將DG作為普通的配網變電站考慮。這種模型下當某段饋線發生故障時，通過斷路器跳閘將故障段隔離，而非故障部分可由DG繼續供電。這種模型對配網可靠性的提高很大，但只是一種理想化模型，實際應用價值不大。

將DG作為等值發電機考慮(如柴油機組發電、水力發電、燃氣輪機組發電)。這種模型由于其功率輸出穩定，保持不變，可能會出現負荷會超過DG所能提供功率的情況，為了確保孤島內電力的供需平衡，須對配網進行孤島劃分，以保證形成的孤島運行穩定。這種模型只能提高孤島內負荷點的供電可靠性。

將DG作為隨機電源考慮(如風電、光伏發電)。這種模型除了額定功率輸出外，還有多個非額定運行狀態，輸出功率隨機性大，且需要考慮其形成孤島的概率問題，一般由歷史負荷和DG的功率輸出數據統計得到。此種模型比較符合常見DG的實際情況。

2.2 含DG的配電網孤島劃分

包含DG的供電網與主配電網分離后，仍繼續向部分負荷供電，則此包含DG的供電網稱之為孤島。孤島這種運行方式可以減小停電面積，提高配電網的供電可靠性。

配電網中各個負荷點由于其本身的特點，可能對供電可靠性的要求各不相同。根據其等級不同，我們對負荷點賦予不同的權重系數。因此，等值負荷可以定義為負荷大小和負荷點權重系數的乘積。

根據定義，含DG的配電網孤島劃分的目標函數就是使孤島內所包含的負荷點的等值負荷之和最大，可以表示為

約束條件：

式中：w(i)為負荷點i的權重系數，對應負荷的重要程度，Lα(i)為負荷點i處的負荷值，PDG為孤島內所有分布式電源出力，D為孤島內所有負荷點組成的區域，j為分布式電源所在的饋線編號。

2.3 DG接入配電網可靠性指標

可靠性指標能夠定量評估配電系統可靠性，清晰地反映配電系統的可靠性水平，為管理人員提供詳細準確的配電網供電情況。按照評估對象的不同，配電網的可靠性指標可分為負荷點指標和系統指標[6]。

(1)負荷點指標

負荷點指標描述的是單個負荷點的可靠度，主要包含平均故障率li(次/a)，年平均停電時間Ui(h/a)和平均停電持續時間γi(次/a)這三個指標。

(2)系統側指標

根據計算得到的負荷點指標，可以在此基礎上計算出系統側的指標：

系統平均斷電頻率指標[次/(用戶·年)]：

系統平均斷電持續時間指標[h/(用戶·年)]：

用戶平均斷電頻率指標[次/(用戶·年)]：

用戶平均斷電持續時間指標[h/(用戶·年)]：

平均用電有效度指標：

式中：li為負荷點i的平均故障率；Ni為負荷點i的用戶數；Ni'為負荷點i的停電用戶數；Ui為負荷點i的年停運時間。

3 算例分析

某地配電系統架構如圖3所示。

圖3 某地配電系統架構圖

如圖3所示，系統有7個分布式電源，其中5個小水電發電系統(裝機容量共計2 625 kVA，負荷容量約為1 236 kVA)，1個光伏發電系統(10 kWp)，1個儲能系統(200 kWh/100 kW)，與部分負荷(686 kVA)。分布式電源孤島切換的成功概率為0.85。分布式電源及儲能的可靠性參數如表1所示。

假設電網每次停電時間為2 h，根據年停電次數的不同，分析未接入DG、DG作為等值發電機、DG作為隨機電源考慮三種情況下系統SAIDI，ASAI指標情況，DG作為普通的配網變電站為理想情況，不可能實現，暫不考慮，分析結果如表2所示。

對比DG接入前后的配電網可靠性指標，可見接入DG后配電網的SAIDI指標明顯下降，ASAI指標有一定提高，說明DG的適當接入可有效提高配電網的供電可靠性，且DG作為等值發電機考慮時，配電系統的可靠性有進一步提高。

4 結語

本文簡單介紹了DG的概念和接入配電網的主要優點，從DG的并網、接入及運行方式三個方面具體分析了DG的接入對配電網可靠性的影響，并在此基礎上，研究了DG的可靠性模型和含DG的配電網孤島劃分，給出了孤島劃分的數學模型。最后，通過可靠性指標對算例進行分析計算，證明DG的適當接入可有效提高配電網的供電可靠性。

[1]王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自化，2010，34(2)：10-14.

[2]王杰，張振.分布式發電條件下孤島劃分及運行控制的研究[J].江蘇電機工程，2010，29(6)：11-16.

[3]劉宗兵，束洪春，韓武，等.考慮小水電接入的配電系統可靠性評估[J].繼電器，2007，35(2)：55-59，67.

[4]王志群，朱守真，周雙喜，等.分布式發電接入位置和注入容量限制的研究[J].電力系統及其自動化學報，2005，17(l)：53-58.

[5]王源山.考慮分布式電源的配電系統可靠性研究[D].天津：天津大學，2010.

[6]田洪迅，袁蓉，趙淵.含分布式電源的配網可靠性概率計算[J].電網技術，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

國家高技術研究發展計劃“863”(2011AA050203)

趙景濤(1978—)，男，江蘇省人，高級工程師，主要研究方向為分布式光伏發電、微電網和工程應用。