基于分布式電源的配電網(wǎng)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略

李 理

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林興安供電局）

0 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式電源已經(jīng)成為配電網(wǎng)能源的主要來源，分布式電源接入配電網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)，也有可能對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性造成一定程度的影響，因此必須對(duì)分布式電源接入情況下配電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估［1-2］。安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)辨識(shí)，分析由故障造成影響的嚴(yán)重程度。本文從分布式電源模型的角度出發(fā)，基于風(fēng)險(xiǎn)理論和效用理論，從低電壓風(fēng)險(xiǎn)、過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)主要方面對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為新能源發(fā)電單元接入配電網(wǎng)運(yùn)行提供科學(xué)、合理、有效的指導(dǎo)性意見［3］。

1 分布式電源模型

1.1 風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且會(huì)受到空氣密度、風(fēng)速等多種因素的影響［4-5］，本文專門針對(duì)理想工況進(jìn)行研究，風(fēng)機(jī)的輸出功率為：

式中，ρ為空氣密度；S為風(fēng)機(jī)槳葉掃過的面積；v為風(fēng)速；CW為風(fēng)能利用效率參數(shù)。

1.2 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電具有隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是輸出電能質(zhì)量較高，輸出電壓穩(wěn)定性好，并且會(huì)受到光照強(qiáng)度、光伏陣列受光面積、光線入射角度等多種因素的影響［6-7］，光伏發(fā)電單元的輸出功率為：

式中，υ為光照強(qiáng)度；λPV為最大功率點(diǎn)跟蹤控制效率；UPV為光伏陣列面積；ρPV為光伏電池工作效率；θ為太陽光入射角度。

1.3 儲(chǔ)能單元模型

儲(chǔ)能單元工作效率高，環(huán)保性好，通常作為備用電源，在削峰填谷上作用顯著［8］。

當(dāng)儲(chǔ)能裝置工作在充電狀態(tài)時(shí)，其功率方向向內(nèi)，即輸出功率為負(fù)，當(dāng)前時(shí)刻的存儲(chǔ)能量為：

當(dāng)儲(chǔ)能裝置工作在放電狀態(tài)時(shí)，其功率方向向外，即輸出功率為正，當(dāng)前時(shí)刻的存儲(chǔ)能量為：

式中，Soc（t）和Soc（t-1）為當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)的能量；PBattle（t）為儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)輸出功率；ηC和ηD為儲(chǔ)能裝置的充電和放電效率。

1.4 燃?xì)獍l(fā)電模型

燃?xì)獍l(fā)電單元以可燃性氣體作為燃料，燃燒產(chǎn)生的熱量可以進(jìn)行有效利用，電能轉(zhuǎn)換效率高，其輸出功率為：

對(duì)于上述提到的四種發(fā)電模型，輸出功率明確的發(fā)電單元（風(fēng)力發(fā)電），認(rèn)定為負(fù)的負(fù)荷，作為PQ節(jié)點(diǎn)；通過電壓逆變器接入配電網(wǎng)的發(fā)電單元（儲(chǔ)能單元），作為PV節(jié)點(diǎn)；通過電流逆變器接入配電網(wǎng)的發(fā)電單元（光伏發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電），作為PI節(jié)點(diǎn)。

2 風(fēng)險(xiǎn)理論與效用理論

2.1 風(fēng)險(xiǎn)理論

風(fēng)險(xiǎn)理論用于描述事故災(zāi)害可能性大小及嚴(yán)重性程度，風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)可以定量表示為：

式中，m為出現(xiàn)事故的數(shù)量；Yn為沒有發(fā)生的事故；E為發(fā)生的事故；Q為事故產(chǎn)生的后果；P（E／Yn）為發(fā)生事故的概率；S（Q／E）為事故后果的嚴(yán)重程度。

2.2 效用理論

效用理論是指一種主觀滿意程度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)決策中，本文中采用效用函數(shù)來描述損失造成的不滿意程度，即事故給配電網(wǎng)造成的影響程度，假設(shè)事故為θ，f（θ）為事故造成的影響程度。隨著事故程度的加劇，事故造成的影響程度也在加劇，事故造成的影響程度加深的速度也在加劇，即f′（θ）＞0，f″（θ）＞0。f′（θ）＞0表示隨著事故程度的加深，事故造成的影響程度也在加劇，f″（θ）＞0表示事故造成的影響程度加深的速度也在加劇。因此效用函數(shù)可以采用指數(shù)形式進(jìn)行表達(dá)：

3 基于層次分析的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略

3.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)能夠?qū)⒈辉u(píng)估對(duì)象面臨的風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)量化。由風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和造成的影響程度來描述，配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)引起低電壓風(fēng)險(xiǎn)、過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。

1）低電壓風(fēng)險(xiǎn)：反映的是配電網(wǎng)故障引起的母線電壓降低的可能性及其影響程度。假設(shè)母線m的電壓為Um，U0為母線電壓的閾值，則母線電壓偏移便可以表示為：

由此得到整個(gè)配電網(wǎng)的低電壓影響程度為：

式中，N為配電網(wǎng)母線的數(shù)量。低電壓影響程度隨著母線電壓的升高而降低。

2）過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)：過負(fù)荷反映的是線路中流過的電流超過其允許輸送能量的閾值，決定線路的過載嚴(yán)重程度。由于配電網(wǎng)普遍都呈現(xiàn)輻射狀的主電路結(jié)構(gòu)，越接近配電網(wǎng)的末端，電流就越小，發(fā)生過負(fù)荷的可能性就越低，末端電流的情況也能夠反映首端電流的情況，因此研究中只考慮首端的過負(fù)荷情況。假設(shè)發(fā)生故障后，線路m的電流為Im，I0為母線電壓的閾值，則線路電流過載便可以表示為：

由此得到整個(gè)配電網(wǎng)的過負(fù)荷影響程度為：

式中，N為配電網(wǎng)饋線的數(shù)量。過負(fù)荷影響程度隨著電流的升高而升高。

3）失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)：配電網(wǎng)中，失負(fù)荷分為兩種情況，即故障隔離引起的失負(fù)荷和由配電網(wǎng)輻射狀結(jié)構(gòu)引起的失負(fù)荷。故障隔離引起的失負(fù)荷可以通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移盡量減小影響程度，在負(fù)荷轉(zhuǎn)移上，由配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配電網(wǎng)的負(fù)荷承載量進(jìn)行約束，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式：

約束條件為：

3.2 風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算方法

本文對(duì)單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行了研究，假設(shè)存在向量σ＝（σ1，σ2，…，σn）T為單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)向量，n為事故的數(shù)量，σi為單個(gè)事故的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，則得到單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為：

本文從低電壓、過負(fù)荷、失負(fù)荷三個(gè)方面對(duì)配電網(wǎng)采用層次分析法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得到綜合風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)為：

4 基于零序電流瞬態(tài)能量法的單相接地故障穩(wěn)態(tài)特性分析

當(dāng)其中某線路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，由于有滅弧線圈的存在，在接地點(diǎn)處的電阻與大地之間的電流通路中的電流可以分為感性分量和容性分量，則滅弧線圈中產(chǎn)生的電流為：

5 實(shí)例驗(yàn)證

基于IEEE-33節(jié)點(diǎn)構(gòu)建配電系統(tǒng)進(jìn)行算法驗(yàn)證，如下圖所示為配電網(wǎng)的電路結(jié)構(gòu)，配電網(wǎng)的三相功率基準(zhǔn)參數(shù)為SB＝100MVA，線電壓基準(zhǔn)為11kV，分布式電源接入節(jié)點(diǎn)31位置，輸出功率150kW，輸出電流15A。

圖 基于IEEE-33節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)架構(gòu)

原系統(tǒng)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果如表1所示。

表1 原系統(tǒng)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果

含有分布式發(fā)電單元時(shí)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果如表2所示。

表2 含有分布式發(fā)電單元時(shí)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果

（續(xù)）

切除聯(lián)絡(luò)線22-12后含有分布式發(fā)電單元時(shí)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果如表3所示。

表3 切除聯(lián)絡(luò)線22-12后含有分布式發(fā)電單元時(shí)出現(xiàn)故障的分析結(jié)果

6 結(jié)束語

本文首先構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、燃?xì)獍l(fā)電單元的數(shù)據(jù)模型，并以此為基礎(chǔ)提出基于層次分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略，根據(jù)效用理論和風(fēng)險(xiǎn)理論建立基于分布式電源的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)架構(gòu)，該安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系涵蓋低電壓風(fēng)險(xiǎn)、過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)主要方面。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證，本文提出的控制策略能夠?qū)Σ挥霉收纤斐傻挠绊懗潭冗M(jìn)行科學(xué)合理的定量評(píng)估，能夠?yàn)榕潆娋W(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)營維護(hù)提供科學(xué)的參考意見，適合進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。