含有光伏系統的配電網可靠性評估

劉 鵬

（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

含有光伏系統的配電網可靠性評估

劉 鵬

（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統的各種運行狀態，特別適合應用于含間歇性分布式電源的電力系統可靠性評估當中。通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結合負荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，計算了考慮間歇性的光伏系統接入后配電系統的可靠性指標。針對實際系統的計算結果表明，光伏發電系統合理接入配電網，可以提高配電網的可靠性水平。

光伏發電系統；配電網；可靠性評估；序貫蒙特卡羅模擬

0 引言

可再生能源的使用滿足社會對節能減排，環境保護和可持續發展的要求。太陽能就是可再生能源之一，光伏發電與傳統發電形式相比具有較大競爭優勢[1-2]。但光照具有較強的間歇性與隨機性[3]，這使得光伏系統的接入給電網帶來了許多不確定的因素[4]。光伏系統接入配網后，將使電網由原來的輻射狀拓結構變成一個多電源供電的結構，其可靠性評估模型也將發生改變[5]。

對電力系統進行可靠性評估的方法主要是解析法[6-11]和蒙特卡洛法[12-17]。解析法通過數值計算方法分析故障事件對系統可靠性的影響，從而獲得系統的各項可靠性指標。模擬法則是對配電網各元件狀態的概率分布抽樣進行狀態選擇，對狀態后果進行評估，同時利用概率統計方法獲得可靠性指標。基于解析法進行可靠性分析主要缺點是對光伏的時序特性無法進行考慮，因此無法準確評估其隨機性與間歇性對相關指標的影響，而蒙特卡洛模擬法在處理光伏電源出力波動性方面在評估大規模網絡時具有先天優勢，而且隨著研究問題的不斷深入和考慮要素的不斷增多，蒙特卡洛模擬法的優勢也越加凸顯。因此，本文通過建立光伏電源的可靠性概率模型，結合負荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，完成了考慮間歇性的光伏電源接入后配電系統的可靠性指標的計算，并將計算結果與光伏系統接入前的可靠性指標進行對比，比較分析光伏系統接入對配電網可靠性的影響。

1 光伏電源模型和負荷模型

由于光伏發電為間歇式可再生能源發電，可將其看作隨機電源。這種模型將DG等效為一個有多個運行狀態的發電機，即除了額定出力外，電源還有多個非額定出力運行狀態。由于這種DG受到各類隨機因素的影響較大，輸出功率的隨機性也較大，比較符合常見DG的實際情況。此處根據每一季度的日光伏發電曲線建立其年出力時間序列。負荷模型根據電力部門提供的季度負荷點統計數據形成全年負荷時序模型。

2 儲能裝置模型

為了平滑可再生電源出力的波動性，往往還需要配置儲能裝置。本文中儲能裝置考慮采用負荷跟隨策略。負荷跟隨策略下，僅由光伏電源的過剩出力為蓄電池充電，即：當光伏電源出力大于當前負荷時，由光伏電源的過剩功率為蓄電池充電，外部系統不為其充電；當光伏電源出力小于負荷時，蓄電池放電，蓄電池與外部系統共同承擔剩余負荷的供電，其中蓄電池優先供應負荷。

3 序貫蒙特卡羅模擬

3.1 光伏系統的可靠性評估方法

用于評估發電系統充裕度的指標主要有缺電時間期望 LOLE(Loss of Load Expectation)和電量不足期望LOEE(Loss of Energy Expectation)。缺電時間期望LOLE和電量不足期望 LOEE 的單位分別是“h/年”和“MWh/年”，分別表示發電系統在評估期間內總發電容量小于總負荷的總時間期望和總發電容量不足的總電量期望。

利用序貫蒙特卡洛模擬法中的狀態持續時間抽樣法對光伏電源的發電充裕度進行評估。取模擬間隔為1h，模擬總時長為N年，模擬過程如下：

（1）取一年時長范圍，生成光伏出力和負荷大小的時序序列；

（2）在一年時長內，采用狀態持續時間抽樣法序貫抽樣各元件的運行-停運循環狀態序列。得到每個抽樣時長內系統的缺電持續時間和電量不足；

（3）重復以上兩步直至模擬總時長達到N年，求取N年中系統缺電持續時間和電量不足的平均值即為DG的可靠性指標。

3.2 負荷點的可靠性評估方法

基于序貫蒙特卡羅法的負荷點可靠性評估步驟如下：

（1）讀取數據并進行初始化，形成8760h的負荷水平。設定仿真年數NY，并設開始仿真時間t=0；

（2）對每個元件產生[0,1]內均勻分布的隨機數Ui，求出各個元件的正常工作時間TTFi；

（3）找到TTFi最小的元件i，認為此時元件i故障。產生一個服從[0,1]均勻分布的隨機數Ui，求出元件i的故障時間TTRi；

（4）根據系統結構確定受元件i影響的負荷點。判斷有無可以由DG繼續供電的負荷點。若有轉到（5），否則轉到（6）；

（5）在孤島運行期間內，對應DG的輸出功率P，查找此時的負荷水平Lt，若P≥Lt，則負荷點不會停電，反之負荷點失電。統計這些負荷點的正常工作時間Tu和故障時間Td；

（6）能由DG繼續供電的負荷點，統計其正常工作時間Tu和故障時間Td；

（7）總的模擬時間t是否小于NY×8760h，是則轉入（2），否則轉入（8）；

（8）按照以下公式計算負荷點的可靠性指標：

其中，Nfi為故障事件的總次數；為負荷點i的正常運行總時間；為負荷點i的故障停運總時間。

4 算例分析

本文結合鄂州配電系統的實際情況，以賽維光伏電站的并網型光伏發電模式為對象進行相關計算研究。圖1為鄂州電網汀祖變電氣主接線，郎汀線為汀祖變110kV高壓側進線；汀祖變主變為110/38.5/10kV三繞組變壓器，額定容量31.5MVA；賽維光伏電站通過0.3/35kV升壓變壓器經汀賽線接入主變35kV側，容量15MW；主變10kV帶一段10kV母線，出線7回，一回接入無功補償電容器組。

4.1 光伏系統的可靠性評估

在賽維光伏系統供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機關線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負荷點，在賽維光伏電源采用負荷跟隨策略進行儲能的情況下，對其充裕度進行評估。所得結果見表1。

表1 發電系統可靠性評估

圖1 汀祖變電站電氣主接線示意圖

4.2 負荷點的可靠性評估

在賽維光伏系統供電的線路中，取泉塘I回、泉塘II回、機關線、陳盛線及火炬專線等5條饋線作為負荷點對其進行可靠性評估。設備可靠性參數見表2：

表2 設備可靠性參數

為了確保可靠性指標收斂，模擬時間定為 10000年。為了分析 DG 接入對配電網可靠性的影響，對原系統（無 DG）可靠性指標也進行了計算，并對計算結果進行了對比分析。

方案一：不考慮分布式電源的作用

不考慮分布式電源的作用，計算出的負荷點可靠性指標見表3。

表3 不含光伏系統時負荷點可靠性指標

方案二：接入賽維光伏系統

計算出接入光伏系統同后各個負荷點的可靠性指標見表4。

表4 含光伏系統時負荷點可靠性指標

由表3和表4的負荷點可靠性指標可知，賽維光伏的接入降低了負荷點的故障率，縮短了其平均停電時間，從而提高了系統的可靠性。

5 結論

本文通過建立光伏系統的可靠性概率模型，結合負荷和其他元件的概率模型，采用序貫蒙特卡羅模擬法，以鄂州市賽維光伏發電接入電網為對象，進行了含有間歇性光伏系統的配電網的供電可靠性評估。實例計算結果表明，序貫蒙特卡羅模擬法能夠模擬系統的各種運行狀態，且適合應用于具有間歇性的光伏電源的電力系統可靠性評估當中，光伏系統的合理接入可以提高配電網的可靠性水平。

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審稿人：宮海龍

Reliability Assessment of Distribution Networks Containing Photovoltaic System

LIU Peng
(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Sequential Monte Carlo simulation method can simulate various operating states, particularly being suitable for reliability evaluation of power system containing intermittent distributed power. By establishing photovoltaic power reliability probability model, combining probabilistic model of loads and other elements, the sequential Monte Carlo simulation method was used to compute reliability index of distribution power system including photovoltaic system. The calculation results for the actual system showed that photovoltaic power generation system can improve the level of reliability of the distribution network.

photovoltaic power generation system; distribution network; reliability assessment; sequential Monte Carlo simulation

TM615

A

1000-3983(2016)02-0047-03

2015-09-25

劉鵬(1990-)，武漢大學碩士，研究方向為電能質量分析與控制，電壓暫降的風險性評估等。