基于風險評估的智能配電網規劃評價方法研究

國網張家口供電公司 李國武 周 毅 劉德坤 電力規劃設計總院 李貝貝 張屹然

引言

在信息技術廣泛應用的背景下，以配電網數字化、信息化、自動化、智能化為特征的智能配電網快速興起，在提高配電網運行效率，提升配電網自愈能力，容納分布式電源、電動汽車、儲能等分布式能源，保障配電網安全可靠運行，提高電力資產利用效率[1]等方面，發揮了一定的作用。

但當前的智能配電網規劃方案仍大量沿用傳統配電網規劃技術原則，根據配電網最大負荷等最嚴重運行狀況，依照配電網所需達到的運行水平，通過預留一定容量裕度的方法開展規劃。隨著分布式發電、電動汽車、用戶側儲能等新業態在配電網領域的不斷發展，配電網運行中的隨機性和不確定性越來越顯著，傳統配電網規劃方法由于未能考慮到智能技術在配電網運行中的調控能力，未將智能技術與配電網運行形成有機整體，在實際工程中存在濫用及誤用智能技術的問題。如何評估智能配電網規劃中智能技術應用的有效性，提高配電網建設的經濟性是當前配電網規劃面臨的重要課題。

本文依據風險評估方法，分析提出智能配電網規劃評估指標，量化智能技術應用所帶來的成效，構建智能配電網規劃評估體系。該評估方法綜合配電網網架水平、新業態發展及智能技術應用成效等三方面內容，按照配電網風險指標上量化智能技術應用所帶來的效益，直觀地表現配電網在智能化提升上的必要性，為智能配電網的規劃設計提供決策依據[2]。

1 智能配電網規劃評價技術路線

為適應配電網發展趨勢，明確配電網規劃的合理性，本文提出了基于風險評估的智能配電網規劃評估體系，以配網的安全可靠運行能力為重點，分析配電網存在的風險及規劃的有效性，具體思路如下：結合配電網發展所面臨的新形勢，明確配電網存在的主要風險，指出典型的風險評估范圍，并選取關鍵風險指標，初步形成配電網風險評估體系總體框架，并指明各風險評估指標的計算方法；根據配電網風險評估所考慮的技術范圍，按照驗證智能技術在配電網應用的可行性與必要性的思路，對評估范圍內的配電網風險進行分級，從配電網本體的運行風險、新業態對配電網運行的影響、智能技術應用帶來的成效等三方面完善配電網風險評估體系；按照配電網內各因素的復雜程度，選用合適的計算方法，對完善后的指標體系進行計算，對配電網風險進行整體評估，得到電網整體或局部的風險指標，相應提出配電網規劃補充舉措。

2 智能配電網規劃評價指標體系

2.1 配電網風險基礎指標

按照當前的配電網規劃原則及面臨的新業態、新技術發展情況，可以將智能配電網規劃內容整理為配電網運行水平、新業態發展風險、智能技術應用成效，分別從配電網自身的運行能力、新業態對配電網造成的影響、智能技術應用帶來的效益等三方面描述當前配電網在發展中遇到的問題及技術應用的有效性[3]，從而為當前規劃開展評估參考。

在典型的配電網內，需要考慮分布式發電、儲能、電動汽車、交直流混合配電網、高電能質量配電網、不停電作業、狀態檢修等多種新技術、新業態對配電網運行風險的影響。總體來看，在新技術新業態下，配電網的運行風險仍然主要存在于靜態方面，可以從失負荷、過負荷、電壓越限等三個主要風險類型來全面衡量。

失負荷風險是指由永久性故障導致的負荷損失，與傳統的配電網可靠性評估類似，以系統缺供電量表征，其計算公式為ENS=Σi∈FΣj∈ST(j|i)Poj，式中T(j|i)為在系統故障狀態下i第j個故障的故障持續時間，h；Poj是第i個負荷點的平均負荷，kW。

過負荷風險（Rol）反映了配電網在運行過程中發生設備傳輸功率過載的可能性和危害程度，其計算公式為Rol=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sol，其中P(j|i)為在系統故障狀態i下第j個系統元件發生過負荷風險的概率，Sol為單一設備過負荷嚴重程度。

對于過負荷嚴重程度，Sol引入效用理論定義嚴重度函數為：

其中P為設備運行功率kW；Pmax為設備額定最大功率kW。

電壓越限風險是指在系統內元件失效，由于負荷損失或者負荷轉供導致部分線路負荷過重等因素而產生各支路電壓越限的風險，計算公式為Rov=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sov,j，其中P(j|i)為在系統故障狀態i下第j個系統節點的電壓越限概率；Sov,j為系統故障狀態i下第j個系統節點的電壓越限嚴重程度。

采用效用函數定義電壓越限嚴重度，即：

其中V為節點電壓，V；Vmax為節點最大限定電壓，V；Vmax為節點最小限定電壓，V。

2.2 配電網運行風險評估

配電網運行風險包括網架、配電自動化、預安排停電等多種因素導致的配電網風險，也即由配電網元件故障、檢修停電等情況導致失負荷、過負荷、電壓越限等風險的期望，來評估規劃網架的運行能力。在計算過程上，可將網架結構及配電自動化兩者認為是共同輸入條件，統一計算。預安排停電管理水平主要由預安排停電概率與預安排停電平均持續時間兩項指標表征。預安排停電與系統故障停電共同構成了總體的配電網運行風險，對于不同類型的運行風險，可以計算為RDN=ΣNΣi∈FΣj∈SP(i)SDN，式中N為系統故障、預安排停電等配電網風險的狀態空間，SDN為第j個指標的故障嚴重程度。

2.3 新業態風險評估

分布式發電、儲能、電動汽車等新業態是配電網發展面臨的必要內容。配電網新業態風險是上述新業態隨機性及無序性對配電網運行可靠性的影響[4,5]。 在計算時可將分布式發電、儲能、電動汽車與負荷點打包形成同一負荷曲線進行風險分析，將隨機性納入風險評估中，即P=P0+PDP+PEC+PST，P其中為負荷點的總功率，kW；P0為未計入新業態時的負荷功率，kW；PDP為分布式發電功率，kW；PEC為電動汽車功率，kW；PST為儲能系統功率，kW。

2.4 智能技術應用成效評估

配電網智能技術涵蓋綜合能源調控、狀態檢修、不停電作業、柔性直流合環運行等技術。總體來看，智能技術以增加對區域內部各類資源控制手段為主要途徑，優化配電網運行方式，提升配電網運行的靈活性和經濟性，保障安全可靠供電。其成效可以表征為對于風險頻率及風險程度的影響，可計算為：ΔRN=Σi∈F[P(i)ΔS(i)+ΔP(i)S(i)]，式中N為失負荷、過負荷、電壓越限等風險類型，F為風險狀態空間，S(i)為i所對應的風險程度。

其中，柔性直流合環是基于柔性直流技術的聯網裝置，實現饋線間常態化柔性“軟連接”，提供靈活、快速、精確的功率交換控制與潮流優化能力，降低線路切換對負荷的影響，進一步提高裝置兩端負荷點的供電可靠性。

綜合來看，針對不同的智能技術，可以在運行風險及新業態風險分析的基礎上，進一步根據風險發生頻率及影響程度的改變得到智能技術的成效指標，分別研判不同技術的適用性。

2.5 配電網規劃評價指標體系

以上從失負荷風險、過負荷風險及電壓越限風險等四個領域構建了配電網風險評估整體框架，并分開闡述了配電網網架結構、新業態發展及智能技術應用上的評估指標，構建基于風險評估的智能配電網規劃評估指標體系（表1）。

3 算例分析

本節應用提出的基于風險評估的配電網規劃評估體系，選取冀北電網某智能配電網示范區進行風險評估，論證示范區內的規劃成果及智能技術應用成效，并提出對應的補充措施。到2022年示范區預測總負荷為42.7MW，由13個環網柜共同供電。示范區開展了配電網網架、綜合能源、智能配電網等三部分規劃（圖1）。配電網網架規劃部分構建3個雙環網，配電自動化“三遙”功能配置，總體可靠性要達到99.999%，關鍵區域可靠性要達到99.9999%。在綜合能源規劃中大力開發綠色清潔能源，開發分布式光伏4MW，電動汽車充電負荷達到22.72MW。智能配電網規劃提出構建綜合能源管理系統，建設交直流混合配電網，推行不停電作業，落實狀態檢修體系，著力提升配電網供電能力。

表1 基于風險評估的配電網規劃評價指標

圖1 示范區配電網網架結構

為驗證智能配電網規劃對配電網安全可靠運行能力的影響，借助規劃評估體系對示范區配電網從配電網網架規劃、新業態發展、智能技術應用三個方面對失負荷、過負荷、電壓越限風險進行評價。

3.1 配電網運行風險評價

由表2計算結果可見，示范區配電網采用了堅強的雙環網結構及完善的配電自動化方式，配電網運行具有較大的裕度，風險總體處于較低水平。配電網總失負荷風險為2091.19kWh，供電可靠性在99.999%之上，過負荷風險及電壓越限風險幾乎不存在。

表2 配電網運行風險評估結果表

3.2 業態發展風險

示范區配置了分布式光伏、電動汽車及儲能系統等分布式能源。如表3所示，由于分布式光伏、電動汽車充電、儲能系統運行的隨機性，示范區的失負荷風險少量增長到2119.27kWh，過負荷風險也有微小增長。

表3 新業態發展風險評估結果表

3.3 智能技術應用風險

為提高配電網供電可靠性，差異化滿足區域內供電能力需求，示范區規劃開展綜合能源管理、狀態檢修、不停電作業、交直流混合配電網等技術應用。由于示范區配電網過負荷及電壓越限風險都非常小，在此中不再考慮對過負荷及電壓越限風險的影響。

綜合能源管理系統。綜合能源管理系統實現了區域內能源的協調管控，從時間、空間上依照配電網運行能力和經濟性調控可控資源。對于示范區配電網而言，綜合能源管理系統在配電網安全可靠運行上存在一定的作用，總體失負荷風險減少到1904.85kWh，供電可靠性提升到99.99946%。

表4 綜合能源管理風險評估結果表

狀態檢修。狀態檢修通過狀態分析預測合理制定檢修計劃，降低設備故障風險，減少預安排停電次數。按狀態檢修開展后設備故障概率降低20%、計劃檢修次數減少40%預估，如表4所示，配電網總體失負荷風險減少到1166.57kWh，供電可靠性進一步提升到99.9996%。

不停電作業。由于示范區配電網結構堅強，負荷點故障停電風險可能小，基本能通過負荷轉供的方式完成持續供電，不停電作業不具有充足的推廣應用空間。

交直流混合配電網。交直流混合配電網在關鍵負荷點形成柔性合環運行能力，避免了轉供中造成的負荷損失。如表5所示，對于需要超高可靠性（99.9999%）的區域，交直流混合配電網作用非常明顯。

3.4 算例評價

算例中示范區配電網按照既定規劃采用了高冗余的建設標準，網架結構堅強，配電自動化配置充分，使得配電網具備良好的運行可靠性和充裕性，除關鍵區域外效果并不明顯。在各項智能技術中交直流混合配電網對于可靠性要求達到99.9999%的關鍵負荷點仍然是必須的。

由表6可見，由于算例配電網風險主要為負荷轉供引起的失負荷風險，狀態檢修是各項智能技術中降低失負荷風險最為明顯的技術，綜合能源系統能夠有效控制新業態引入的運行風險，而負荷點故障停電風險很小，不停電作業不具有充足的推廣應用空間。

表5 交直流混合配電網風險評估結果表

表6 基于風險評估的配電網規劃評價結果表

4 結語

隨著分布式發電、電動汽車等新業態的不斷發展，配電網對于智能技術的需求日益迫切。當前智能配電網規劃方法仍不成熟，智能技術濫用及誤用現象愈加突出，配電網的可靠性和經濟性受到影響，如何評估規劃方案中智能技術應用有效性是當前智能配電網規劃面臨的重要問題。本文構建了基于風險評估方法的智能配電網規劃評估體系，在此基礎上以冀北電網某示范區為典型進行基于風險評估的配電網規劃評估。針對分布式發電、儲能、電動汽車、交直流混合配電網和狀態檢修等新業態、智能化技術，從配電網網架水平、新業態發展風險及智能技術應用成效等三方面內容，在配電網失負荷、過負荷、電壓越限等配電網風險評估指標上量化新業態、智能技術對配電網運行能力的影響，為智能配電網規劃提供依據。

從智能配電網規劃評價結果的角度看，配電網智能技術應用仍然需要從實際情況出發，針對配電網建設情況及發展需求，相應的選取合適智能技術應用，保證智能技術有效可靠。此外，如何保證配電網網架及配電自動化建設與智能技術應用在經濟性上的平衡，是下一步指導智能配電網規劃研究的關鍵問題。