含分布式電源的配電網可靠性研究

國網江蘇省電力有限公司淮安供電分公司 朱月堯

引言

隨著風力發電、光伏發電技術的日趨成熟，含分布式電源的配電網受到廣泛關注。為了實現“雙碳”目標，越來越多的分布式電源接入到電力系統中。分布式電源具有不確定性、隨機性等特點，它的接入使得配電網的結構從單一電源網絡轉向多電源網絡，使得對含有分布式電源的配電網的可靠性研究變得更加復雜，不僅增加了計算的難度且改變了原有的可靠性評估模型。

當前對含有分布式電源的可靠性研究主要集中在分布式電源建模、可靠性計算、建立相關指標體系等方面：文獻[1]建立以居民、商業、工業為基礎的時序負荷模型，采用蒙特卡洛方法對含分布式電源配電網可靠性進行評估；文獻[2]并采用序貫蒙特卡洛方法對電網可靠性進行了計算，分析了分布式電源并入配電網的位置、容量等對電網可靠性的影響；文獻[3]以分布式電源的負荷出力模型為基礎，將饋線分區與故障模式相結合，計算了配電網可靠性指標；文獻[4]對分布式電源接入配電網的安全性進行研究，分析了分布式電源接入對電壓波動及網損的影響，建立了含分布式電源的配電網安全態勢指標體系。

本文一共分為三部分：第一部分分別從系統側和負荷側建立可靠性指標，并介紹了解析法和模擬法兩種可靠性評估方法；第二部分分析了解析法中的最小路法，給出了最小路的定義及基于最小路法的可靠性分析過程；第三部分結合具體的例子，對配電網絡的負荷側可靠性指標和系統側指標分別進行了計算，結合計算結果分析了分布式電源對系統供電可靠性的影響。

1 分布式電源的配電網可靠性分析

1.1 分布式電源

隨著環境保護、節能減排、新能源等方面的問題日趨突出，分布式電源的相關發電技術被逐漸注重，目前分布式電源在電網的占比劇增。光伏發電是將太陽發出的太陽能轉換成電能的一種發電裝置，基本原理是：半導體PN結受到陽光照射后，內部的載流子分布和濃度發生變化產生光生電動勢。光伏板安裝在光伏支架上，安裝在最佳入射角度的位置以提高轉換效率；風力發電的主要原理是利用風力帶動葉片轉動，將風能轉化為機械能，再通過增速機提升旋轉的速度帶動發電機發電，使機械能轉化為電能。風力發電使用的是清潔能源風能，無需使用化石燃料，不會對空氣產生污染，因而受到越來越廣泛的關注。

1.2 含分布式電源的配電網可靠性指標

1.2.1 負荷側的可靠性指標

負荷側指標反映的是負荷側的供電可靠程度，三個基本的負荷側可靠性指標分別為平均故障率、年平均停運時間和平均停運持續時間[5]。

平均故障率λi的定義是，某一負荷點在一定的時間范圍內由配電網元件發生故障引發的停電次數，時間范圍通常取一年。它反映的是負荷點 的供電系統的可靠性，λi的計算公式為式中：i為研究對象的負荷點編號，j為負荷點i與電源點連線之間的元件編號，平均故障率λi的單位是次/年。

年平均停電時間Ui的定義是，某負荷點在一年內發生停電的總時間，它反映的是負荷點i的供電系統的供電能力，Ui對應的時間越長則代表停電時間越長、供電能力越弱，Ui的計算公式為

停運持續時間ri的定義是，負荷點i(一般是在一年時間內)每次停電持續的時間，由于ri受到多重因素的影響，所以只看其值無法得出準確結論，如故障次數和停電時間等比例增長，雖然其值并未變化，但系統供電可靠性降低了，ri的計算公式為：

1.2.2 系統側可靠性指標

可靠性評估需從多個方面來分析配電網可靠性。本文提出的系統側可靠性指標一共有八個，其中常用的指標有四個，分別是：系統平均停電頻率SAIFI、系統平均停電持續時間SAIDI、平均供電可用率ASAI、用戶平均停電持續時間CAIDI。

平均用戶缺點量指一年內每個停電用戶分攤的供電缺額，單位為“千瓦時/戶·年”，計算公式：系統總的電量不足/停電總用戶數；平均電量不足指標指一年內每個用戶分攤的供電缺額，單位為“千瓦時/戶·年”，計算公式：系統總的電量不足/總用戶數。

通過整合負荷側以及系統側的兩個可靠性指標，便可對配電網系統的可靠性進行具體評估。其中，經常用到的評估指標有SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI。

1.3 可靠性評估方法

解析法。包括故障模式后果分析法、最小路法、裕度法、擴散法等，主要是根據配電網系統結構、各部件功能以及它們之間的邏輯關系，建立對應的可靠性概率模型。在建立可靠性概率模型之后，利用相應的數學方法，如遞推迭代法，對模型進行精確求解，計算出對應的可靠性指標。由于解析法計算較為精確，因此適用于網絡結構較為簡單的小規模系統。

模擬法。主要是指蒙特卡洛模擬法，這種模擬法又可分為序貫蒙特卡洛法和非序貫蒙特卡洛法。其主要原理是，根據配電網絡系統各元件的原始可靠性參數，通過隨機抽樣模擬可能的運行狀態，從而計算出可靠性指標。模擬法雖然計算便捷，但計算時間較長、誤差較大，適用于網絡結構較為復雜的大規模系統。

2 基于最小路法的配電網可靠性分析

最小路法屬于可靠性評估方法中解析法中的一種，其基本思路是：先求出配電網所有的負荷到電源點的最小路，再將配電網中的元件分為在最小路上的元件和非最小路上的元件兩類，把非最小路上元件可靠性參數折算到對應的最小路節點上，且對該最小路的元件及其節點進行計算，從而求出負荷側及系統側的可靠性指標。

2.1 最小路的定義

路徑的數學定義是指連接任意兩個節點的所有無向或有向弧的整體稱為它們之間的路徑。最小路的定義是，如果一條路徑中任何一條弧被刪除，此路徑就不再是一條通路，則該路徑就稱之為兩個節點之間的最小路。最小路集是所有最小路的集合。應用最小路法進行可靠性分析過程的第一步便是求取負荷點與電源點之間的最小路集，以圖1所示系統結構圖為例，最小路集為：x1x4、x2x5、x1x3x5、x2x3x4。

2.2 基于最小路法的可靠性計算過程

以圖2所示的4負荷點配電網系統為例來說明應用最小路法求解的步驟。

第一步，確定某一個負荷點為研究對象，并將整個配電網系統的元件分為兩類，分別是最小路元件和非最小路元件。以圖中負荷點3為例，配電網線路中LM1、L12、L23、l3和變壓器T3屬于最小路元件，其余元件都屬于非最小路元件。

第二步，計算最小路元件的可靠性指標。在計算時要分別考慮配電網有無備用電源的情況。

第三步，經過計算得出負荷點的等效最小路，將系統中非最小路元件對負荷點可靠性指標的影響折算到相應的最小路節點上。在等效的過程中，按照非最小路元件發生故障所在的饋線位置的不同來分別處理。

第四步，重復步驟一至三，直至計算出所有負荷側可靠性指標。

第五步，通過整合求出的負荷側可靠性指標，得出系統側可靠性指標。

3 算例分析

3.1 網絡結構及其參數

圖3是一個含分布式電源的配電網絡，該系統的母線電壓為33kV，共有10負荷節點、8臺變壓器、4臺斷路器、1臺隔離開關，負荷點總用戶數為668戶，負荷點1、2、5、6、7為第二類負荷，其余負荷點為第三類負荷，饋線（主、分支）的故障率為0.065次/km，年平均故障修復時間為5h，變壓器的故障率為0.015次/臺，年平均故障修復時間為200h，隔離開關操作時間為30min。在饋線L34和饋線L7-10處分別加入分布式電源，并以并聯方式運行。各饋線參數 ：線路長度 l1、l4、l6、l9、l10、l89均為0.1km，l2為0.75km，l5為0.8km，l8、L67均為1.6km，LF1、L7-10、L78均為2.8km，L36、L45均為3.2km，L23為4.8km，L34為4.3km。

3.2 可靠性指標計算結果

據前文基于最小路法的配電網可靠性計算方法，對圖4中33kV的含分布式電源的配電網絡進行可靠性指標計算，編號1~10負荷點的故障率λS、平均停電持續時間rS、點年平均停電時間US分別為 ：0.9835/6.8963/6.7825、1.0323/6.8065/7.0263、0.4278/11.8849/5.0838、0.4798/11.0969/5.3238、0.9835/7.9741/7.8426、1.2695/7.3041/9.2725、1.1655/7.5097/8.2725、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325；系統側可靠性指標計算結果為：SAIFI 0.9742、SAIDI 7.3841、CAIDI 7.5795、ASAI 99.92%

由以上數據可知，在含分布式電源的配電網中，負荷側可靠性指標中負荷點故障率λS和負荷點年平均停電時間US均有所減少，而系統側可靠性指標中的系統平均停電頻率指標SAIFI和系統平均停電時間指標SAIDI均減小，而代表供電可靠性的平均供電可用率ASAI上升，因此系統供電可靠性得到了提高。