不同分布式電源類型對配電網運行風險的影響研究

沈陽工程學院電力學院 楊博文 趙志剛

由于光伏，風電這種清潔型分布式能源發電的不穩定性接入配電網后會造成復雜多樣的不良影響，因此提出綜合風險評估方法，提高含分布式電源配網運行的可觀性和可控性，探究分布式電源對配電網可靠性影響，提出可靠性評估方法是解決此類問題的重要手段?；诰€路過負荷風險、母線低電壓風險、負荷點停電風險，對其進行加權，提出一種加權風險評估方法，進而分析不同類型分布式電源對配網綜合風險的影響。為分布式電源的運行管理提供必要的技術手段，提高了分布式電源的利用效率和配電網運行的安全性和可靠性。

在飛速的能源發展中，國際社會一直倡導從傳統的發電模式向清潔能源轉型，各個發達國家對風能、太陽能的高效利用越來越重視，因此小型可再生的分布式能源在未來會成為當今社會發展低碳經濟的主要能源形態。如何全面掌握快速變化的分布式電源發展情況，在風險邊界內接納龐大的分布式電源，是建設先進智能電網面臨的嚴峻挑戰也是很難打破的技術壁壘，這些難以解決的問題在某種程度上關系著智能電網建設的未來，同樣也影響著電網未來發展的方向。使用可信度理論來解決電力系統中發電機被迫停運、元件停運、保護裝置失靈等包含不確定因素的波動性故障。在配網風險評估中依然存在數據不足問題，主要與統計樣本不足、統計時間久等因素有關。針對以上問題問題設計了一種基于模糊故障率的元件停運模型，可用于解決歷史數據不足的情況。構建了基于氣象因素的配電線路故障率模型，模型中充分利用了地線以及避雷器等部件的實時數據未能對不同類型的分布式電源接入配電網進行綜合三種風險評估分析。

1 風險指標

風險評估指標可以表明事故的嚴重度，可以幫助當配電網存在遭受停電損失程度就行較為準確的度量，是為工作人員提供可靠易懂的指導性指標。

1.1 線路過負荷風險指標

在出現故障時容易引發設備功率過載，一般可以通過線路過負荷風險指標進行評價，分析此類故障發生是概率以及導致的后果。其嚴重度函數表示為SOD(C / E)，主要認為與經過設備的電流有關，需要基于與額定電流之間的關系確定取值，如果設備電流未超過額定電流的80%，則可以得到SOD(C / E) =0，而二者之間呈現出一定的正相關性，即設備電流增大的過程中，SOD(C / E)保持了增長的趨勢，并且增幅逐步增大。

線路過負荷風險指標可以寫為：

在上述公式內：NFl代表由E以及轉供方案導致的全部過負荷設備總量。p(i)表示第i個故障狀態的概率；l表示過載線路編號。

1.2 母線電壓越限風險

在現有的研究中認為，母線電壓越限風險嚴重度主要與其電壓幅值有關，在母線電壓等于1.0pu，對應的嚴重度函數SLV(C / E)等于零。

母線電壓越限風險指標為：

在上述公式內，NFb代表由預想事故集中E及其所對應的轉供方案所引起的所有負荷停電的總數。b為母線節點編號p(i)表示第i個故障狀態的概率。

1.3 負荷點停電風險

負荷點停電風險主要指的是由于故障引發系統內負荷受到切除的概率以及產生的影響。一般將其嚴重度函數表示為SLT(C / E)。本文設定當負荷點不存在切除停電時，SLT(C / E) = 0；隨著負荷切除數值的增加，負荷點停電風險嚴重度保持了增大的趨勢。

負荷點停電風險指標為：

在上述公式內，NFc代表由預想事故集中E及其所對應的轉供方案所引起的所有切除負荷的總數。c為負荷編號，p(i)表示第i個故障狀態的概率。

1.4 風險權重

在本次研究中針對配電網綜合風險指標進行了分析和設計，主要涉及到了線路過負荷風險、母線低電壓風險、負荷點停電風險，它可以反映出配電網絡的綜合安全水平。三個指標的權重系數對應著λ1,λ2,λ3，并且有λ1+λ2+λ3= 1，基于各個系數的大小可以對指標的重要性程度進行分析。需要結合電網運行狀態以及用戶需求大小來設置合適的權重系數。如果用戶對于電壓的要求比較高，則對應的低電壓風險權重系數需要增大；而對于線路過載的要求較高時，則應該適當增大過負荷風險權重系數；如果停電引發負面影響，降低用戶滿意度，則應該適當增大負荷點停電風險權重系數。所以基于合適的指標權重設置才能得到準確的評估結果。

2 分布式電源接入配電網的風險評估方法

2.1 狀態采樣

采用狀態釆樣方法能夠合理準確分析出系統中所有元件狀態的組合的方法，可以精確地綜合地評估到每一種狀態影響的風險后果。本文采用的是模擬法（蒙特卡羅方法），基于對模型或觀察過程進行抽樣實驗，搭建的概率模擬參數等于問題的解，統計所求參數的特征，得到問題的相似解，該方法很好的解決了解析法計算量大的問題。

2.2 配電網供電安全風險評估流程

（1）首先需要將原始數據輸入。主要涉及到了元件停運率、網絡拓撲參數；元件磨損期，磨合期的相關參數以及天氣統計數據等。此外還有元件惡劣天氣和良好天氣下的故障率風機以及光伏模型參數。

（2）系統狀態抽樣包括元件狀態抽樣、風速和光照強度抽樣、分布式電源狀態抽樣，反孤島設備狀態抽樣。

（3）系統狀態分析。如果分布式電源與部分負荷形成非計劃孤島形成非計劃孤島，根據非計劃孤島算法劃分非計劃孤島區域，計算非計劃孤島區域內系統潮流，統計系統各支路過負荷、各母線電壓越限情況。

2.3 不同分布式電源類型對系統運行風險的影響

本文采用IEEE69節點輻射狀配電網作為算例。對于69節點系統，需要接入微型燃氣輪機、風機、光伏電源各五臺，具體為7、20、31、48、67節點。各分布式電源額定出力的比值分別為2:3:1:3:1。探究滲透率分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.6時，分布式電源對系統的影響。仿真時間為30年。由于仿真中涉及隨機變量，結果存在不確定性，因此采用仿真9次求取平均值作為仿真結果。仿真結果如圖1所示。

圖1 69節點系統不同分布式電源類型接入下的系統風險

在69節點系統中，當接入5臺風機時母線過電壓風險最高，且風險值隨分布式電源滲透率提高所增長的速度最快。當滲透率為60%時達到最高為3.5。在分布式電源滲透率逐漸提高過程中電壓最穩定的為5臺光伏電源接入下的情況，整體風險值偏低且增長速度最慢。當滲透率為60%時達到最高為0.22。從不同類型的分布式電源來看，風電接入下系統的過負荷風險低，光伏與微型燃氣輪機則始終處于較高位置。

風機為PQ節點，對電壓無控制作用，其電壓僅與饋線壓降有關，隨著傳輸功率增高，饋線流過的逆功率大幅抬升上級系統至電源點間節點電壓，使得風機接入下的系統過電壓風險遠高于其他分布式電源。光伏有功出力存在隨機性，總體出力小于燃氣輪機，所帶負荷較少，更多負荷需要通過上級系統供電，造成了系統過負荷風險較高。

3 接納能力預警分析

分布式電源節點主要為PV節點和PQ節點，分別將配網中五個分布式電源全部設置為PQ節點或PV節點，分析可知：透率下，可以發現當DG節點全部為PV節點時，過電壓風險降低。PV節點類型DG給定值是DG輸出有功和電壓幅值，這類分布式電源一般有足夠的可調無功容量，用來維持節點電壓恒定在給定值。所以PV類型的DG也相當于向系統注入了一定的有功和無功，對節點電壓有一定的支撐作用，節點電壓越限的可能性降低。PV類型DG注入的無功由維持電壓所需的無功量決定，當無功量大于一定限值(QMAX= 0.2)，則按照最大限值輸出。相比較于PQ類型DG，PV類型的DG會注入較多的無功，在有功相同的時，配網線路傳入的容量增大，則過負荷嚴重度增加。

結論：基于風險評估方法采用IEEE69節點輻射狀配電網作為算例，分析不同類型分布式電源對配網綜合風險的影響，計算線路過負荷風險、母線電壓越限風險以及負荷點停電風險，并對三種風險指標進行加權，最后通過配電網對不同類型分布式電源的接納能力預警分析實現配電網運行風險的準確評價。