分布式電源對配電網的可靠性影響

1、分布式電源對配電網的可靠性影響摘要：憑借運行方式靈活、環(huán)境友好等特點，越來越多的分布式電源被接入到配電網中，這在對配電系統(tǒng)的結構和運行產生一系列影響的同時，也將改變原有的配電系統(tǒng)可靠性評估的理論與方法。由于用戶可以同時從傳統(tǒng)電源和分布式電源兩方面獲取電能，配電系統(tǒng)的故障模式影響分析過程將發(fā)生根本性改變，需要考慮系統(tǒng)的孤島運行。止匕外，風機、光伏等可再生分布式電源出力波動性以及儲能裝置運行特性的影響更加劇了問題的復雜性。本文使用一種分布式電源低滲透率情形下配電系統(tǒng)可靠性評估的準序貫蒙特卡洛模擬方法，計算與用戶相關的配電類可靠性指標，指標分別為EENS,SAIDI,和SAIFI。應用饋線區(qū)的概念，

2、研究了分布式電源接入后配電系統(tǒng)的故障模式影響分析過程，對系統(tǒng)中的孤島進了分類，并采用啟發(fā)式的負荷削減方法維持孤島內的電力平衡。在上級電源容量充足的前提下，該方法對系統(tǒng)中非電源元件的狀態(tài)進行序貫抽樣，而對風機、光伏、蓄電池組等分布式電源的狀態(tài)進行非序貫抽樣，可以在確保一定計算精度的同時提高模擬速度。關鍵詞：配電系統(tǒng)，可靠性評估，分布式電源，饋線區(qū)，準序貫蒙特卡洛模擬1、分布式發(fā)電發(fā)展概況作為集中式發(fā)電的有效補充，分布式發(fā)電近年來備受關注，分布式發(fā)電技術也日趨成熟，其發(fā)展正使得現代電力系統(tǒng)進入了一個嶄新的時代。盡管到目前為止，分布式發(fā)電尚無統(tǒng)一的定義，但通常認為，分布式發(fā)電(Distributed

3、Generation,DG)是指發(fā)電功率在幾千瓦至幾十兆瓦之間的小型化、模塊化、分散化、布置在用戶附近為用戶供電的小型發(fā)電系統(tǒng)。它既可以獨立于公共電網直接為少量用戶提供電能，又可以接入配電系統(tǒng)，與公共電網一同為用戶提供電能。按照分布式電源(DistributedEnergyResource,DER或DistributedGenerator,DG)是否可再生，分布式發(fā)電可分為兩類：一類是可再生能源，包括太陽能、風能、地熱能、海洋能等發(fā)電形式；另一類是不可再生能源，包括內燃機、熱電聯產、微型燃氣輪機、燃料電池等發(fā)電形式。止匕外，分布式發(fā)電系統(tǒng)中往往還包括儲能裝置。分布式發(fā)電的優(yōu)勢包括：1)經濟性：

4、由于分布式發(fā)電位于用戶側，靠近負荷中心，因此大大減少了輸配電網絡的建設成本和損耗；同時，分布式發(fā)電規(guī)劃和建設周期短，投資見效快，投資的風險較小。2)環(huán)保性：分布式發(fā)電可廣泛利用清潔可再生能源，減少化石能源的消耗和有害氣體的排放。3)靈活性：分布式發(fā)電系統(tǒng)多采用性能先進的中小型模塊化設備，開停機快速，維修管理方便，調節(jié)靈活，且各電源相對獨立，可滿足削峰填谷、對重要用戶供電等不同的需求。4)安全性：分布式發(fā)電形式多樣，能夠減少對單一能源的依賴程度，在一定程度上緩解能源危機的擴大；同時，分布式發(fā)電位置分散，不易受意外災害或突發(fā)事件的影響，具有抵御大規(guī)模停電的潛力。上述分布式發(fā)電的獨特優(yōu)勢是傳統(tǒng)的集中

5、式發(fā)電所不具備的，這成為了其蓬勃發(fā)展的動力。為此，世界上很多國家和地區(qū)都制定了各自的分布式發(fā)電發(fā)展戰(zhàn)略。例如，在2001年，美國的DG容量就占到了當年總發(fā)電容量的6%,而其于同年制定完成的DG互聯標準IEEEP1574,則規(guī)劃在10-15年后DG容量將占到全國發(fā)電量的10-20%;歐盟也于2001年制定了旨在統(tǒng)一協調歐洲各國分布式電源的“Integration”計劃，預計在2030年DG容量達到發(fā)電總裝機容量的30%左右；我國對DG的發(fā)展也十分重視，相繼頒布了可再生能源法和可再生能源中長期發(fā)展計劃，計劃在2020年DG容量達到總裝機容量的8%。但是，在伴隨著諸多好處的同時，分布式發(fā)電的發(fā)展給電

6、力系統(tǒng)，特別是配電系統(tǒng)的規(guī)劃、分析、運行、控制等各個環(huán)節(jié)都帶來了全新的挑戰(zhàn)。分布式電源自身的特性決定了一些電源的出力將隨著外部條件的變化而變化，因此這些電源不能獨立地向負荷供電，且不可調度。而對于配電系統(tǒng)而言，當DG規(guī)模化接入配電系統(tǒng)后，配電系統(tǒng)由原來單一的分配電能的角色轉化為集電能收集、電能傳輸、電能存儲和電能分配于一體的“電力交換系統(tǒng)"(PowerExchangeSystem或“主動配電網絡"(ActiveDistributionNetworks),配電網的結構出現了根本性的變化，不再是傳統(tǒng)的輻射狀的、潮流單向流動的被動系統(tǒng)，給電壓調節(jié)、保護協調和能量優(yōu)化帶來了新的問題

7、。特別是當配電系統(tǒng)中DG的容量達到較高的比例，即高滲透率時，要實現配電網的功率平衡和安全運行，并保證用戶的供電可靠性有著很大的困難。2、分布式電源對配電系統(tǒng)可靠性評估的影響在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)可靠性評估中，由于配電網“閉環(huán)設計、開環(huán)運行”的特點，電網正常運行時負荷點僅由單一電源供電。當系統(tǒng)內元件發(fā)生故障時，位于故障饋線段的負荷點因通路中斷而停電，而位于故障饋線段后的負荷點則可根據是否存在聯絡或聯絡備用容量是否充足恢復供電，故障分析過程明確而清晰。但分布式電源接入配電系統(tǒng)后，電網變成一個多電源與負荷點相連的網絡，配電網的根本特性發(fā)生了改變，這給配電系統(tǒng)的可靠性評估過程帶來了許多新的影響和問題，具體包

8、括以下幾個方面：1）分布式電源出力的波動性傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)可靠性評估中，通常采用將上級電網等效的方式，只考慮單一電源（變電站、母線）的可用性。并且與上級電源相比，單條配電饋線的容量是很小的，因而當上級電源可用時，可以認為其容量是充足的，無需作過多考慮。而分布式電源則不同，分布式電源的輸出功率一般較小，而且由于分布式發(fā)電的一次能源種類多樣，分布式電源的出力具有隨機性、間歇性和不可控性等波動性特征。在進行可靠性分析的時候，單純考慮負荷變化因素的影響已經在一定程度上增加了問題的復雜性，而與此同時還要再考慮大量分布式電源出力波動性的影響，就更加劇了分析過程的復雜程度。2）系統(tǒng)狀態(tài)規(guī)模的增加分布式電源接入

9、后，成為了配電系統(tǒng)的重要組成部分，因此同樣需要建立其停運模型，計及分布式電源的失效狀態(tài)。另外，與饋線、變壓器等非電源元件不同，分布式電源屬于電源元件，通常具有多個失效狀態(tài)，其停運模型的建立相對復雜。而對于配電系統(tǒng)而言，配電網本身的元件數量已經很多，在大量的分布式電源接入后，將會導致系統(tǒng)狀態(tài)規(guī)模的進一步增加。3）儲能裝置運行特性的影響儲能裝置是支撐分布式發(fā)電系統(tǒng)自主穩(wěn)定運行不可或缺的重要組成部分，由于分布式電源出力的波動性，分布式發(fā)電系統(tǒng)中需要配置儲能裝置以平滑其出力，在分布式電源出力過剩時為儲能裝置充電，在分布式電源出力不足時釋放電能。因此，與常規(guī)電源不同，儲能裝置的狀態(tài)實際上屬于控制變量，其

10、出力大小受到分布式電源出力變化的控制，無法用傳統(tǒng)元件的可靠性建模方式事先獲得。此外，儲能裝置充放電策略的不同也會影響其出力狀態(tài)的變化情況，從而影響系統(tǒng)的可靠性分析過程。4）系統(tǒng)運行方式的改變分布式電源的最顯著影響在于其將導致配電系統(tǒng)的運行方式發(fā)生深刻變化。分布式電源的運行模式有兩種：孤島運行和并網運行。在孤島模式下，分布式電源和部分負荷將組成一個自給自足的孤島，由分布式電源獨立向負荷供電。雖然孤島運行時可能會產生一些電壓、頻率不滿足要求的情況及安全性等問題，但這種運行方式仍被視為分布式電源的最大特點之一。當配電網發(fā)生故障時，分布式電源如果能夠運行于孤島方式，將對孤島內負荷的供電可靠性有著重要意

11、義。但是，孤島的形成和劃分則需要綜合考慮分布式電源出力波動性、負荷的不確定性以及保護開關配置等因素的影響，這些都是傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估中涉及不到的新問題。而當分布式電源運行于并網模式時，也會對配電系統(tǒng)的可靠性評估過程產生影響。在并網模式下，負荷可以同時從電網和分布式電源獲取電能，看似供電更加可靠。但是，如果考慮到經濟性的因素，在分布式電源大量接入后，就應該適當減少上級電源的冗余容量，這將有可能導致分布式電源故障時，上級電源因容量不足而無法供應所有負荷的情況，反而會造成系統(tǒng)可靠性的降低。另外，為了減少分布式電源對電網的負面影響，將不同類別的分布式電源、儲能裝置、負荷以及相應的控制裝置以微網（M

12、icrogrid）的形式接入到配電網中，是發(fā)揮分布式電源效能的最有效方式。對微網自身的可靠性評估以及對微網接入后整個配電系統(tǒng)的可靠性評估，實際上是含分布式電源的配電系統(tǒng)可靠性評估問題的延展，同樣需要予以考慮。2、分布式電源對配電系統(tǒng)可靠性評估指標配電系統(tǒng)（distributionsystem）是電力系統(tǒng)中從輸電系統(tǒng)的變壓點（transformationpoints）向電力用戶傳送電能的部分，也是將電能分配到各個用戶的最終環(huán)節(jié)，包括不同電壓等級的配電站、配電變壓器、配電線路以及把不同用戶連接起來的其它電氣設施。在我國，配電系統(tǒng)又稱為供電系統(tǒng)（power3supplysystem）,主要是指220

13、kV380V系統(tǒng)。通常稱35kV以上系統(tǒng)為高壓配電系統(tǒng)，10kV（20kV、6kV）系統(tǒng)為中壓配電系統(tǒng)，380V/220V系統(tǒng)為低壓配電系統(tǒng)。當然，這幾個部分也不能只按電壓來嚴格區(qū)分，而必須考慮系統(tǒng)設施的功能。根據大多數電力公司對用戶停電事件統(tǒng)計數據的分析表明，配電系統(tǒng)對于用戶的停電事件具有更大的影響。據不完全統(tǒng)計，用戶的停電事件中有80%95%是由配電系統(tǒng)的故障引起的。而且隨著現代社會對可靠性要求的不斷提高，即使是局部電網故障，對電力企業(yè)、用戶和社會的影響都日益增大，因此，近年來配電系統(tǒng)可靠性問題逐漸受到更多的關注。而相對于高壓配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)，中壓配電系統(tǒng)對用戶可靠性的影響最大，也是

14、可靠性評估的研究重點。本文亦以中壓配電系統(tǒng)為研究對象，文中所出現的配電系統(tǒng)也均指代中壓配電系統(tǒng)。1）負荷點可靠性指標：常用的負荷點可靠性指標主要包括負荷點平均故障率、負荷點年平均停電時間和負荷點每次故障平均停電持續(xù)時間。2）負荷點可靠性指標并不總是能完全表示系統(tǒng)的特性。例如，不管負荷點連接的是1個用戶還是100個用戶，也不管負荷點的平均負荷是10千瓦還是100兆瓦，負荷點可靠性指標都是相同的。為了反映系統(tǒng)停電的嚴重程度和重要性，需要從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)對其可靠性進行考量，常用的系統(tǒng)可靠性指標包括：系統(tǒng)平均停電頻率指標（SAIFI）CAICI用戶停電總次數SAIFI=用戶總數式中，A為負荷點i的

15、平均故障率，Ni為負荷點i的用戶數，SAIFI的單位為次/戶年。根據我國供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程的規(guī)定，該指標又被稱為用戶平均停電次數（AITC）。用戶平均停電頻率指標（CAIFI）用戶停電總次數工九iNiCAIFI二二'_-停電總用戶數'Mi式中，Mi為負荷點i的故障停電用戶數，CAIFI的單位為次/戶年，該指標與SAIFI的區(qū)別僅在于分母的值。計算該指標時需要注意，不管一年中停電用戶的停電次數是多少，對其只應該計數一次。qUN“Ni系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標（SAIDI）uzm用戶停電持續(xù)時間總和SAIDI用戶總數式中，U為負荷點i的年平均停電時間，SAIDI的單位為h

16、/戶年用戶平均停電持續(xù)時間指標（CAIDI）CAIDI用戶停電持續(xù)時間總和用戶停電總次數“UN“iNCAIDI的單位為h/次或min/次。在我國，該指標又被稱為故障停電平均持續(xù)時間（AID）。平均供電可用度指標（ASAI）AOA1實際供電總時戶數87604N-£5岫.SAIDIASAI=1一要求供電總時戶數8760MzNi8760ASAI可以通過SAIDI直接得到，其單位為。在我國，該指標又被稱為“供電可靠率（RS）。系統(tǒng)總電量不足指標（EENS）ENS=系統(tǒng)總的電量不足=2LaiUi式中Lai為接入負荷點i的平均負荷。ENS的期望值為EENS（expectedenergynotsu

17、pplied）,單位為kWh/年或MWh/年。系統(tǒng)平均電量不足指標（AENS）系統(tǒng)總的用電不足XLaiNiAENSS用戶總數'、NjAENS的單位為kWh/戶年或MWh/戶年。本文用的指標分別為EENS,SAIDI,和SAIFI。3、配電系統(tǒng)可靠性評估方法系統(tǒng)可靠性評估主要有兩大方法，蒙特卡洛模擬法與解析法。1）解析法：根據配電系統(tǒng)的模式、復雜程度、以及所需求的分析深度的不同，采用的評估方法也有所不同。對于輻射型配電系統(tǒng)，直接運用串聯系統(tǒng)可靠性評估原理，通過對逐個元件進行故障分析、觀察并列出每個負荷點的故障后果表的方法計算負荷點和系統(tǒng)的平均性能指標。而對于復雜配電系統(tǒng)，往往先采用狀態(tài)空

18、間法和其它一些簡化方法（例如網絡化簡法、狀態(tài)枚舉法等）選擇系統(tǒng)失效狀態(tài)，然后根據各失效狀態(tài)的后果及其出現的概率計算整個系統(tǒng)的可靠性指標。當系統(tǒng)元件數量較多時，解析法中的系統(tǒng)狀態(tài)選擇及概率計算過程將變得十分繁瑣。2）蒙特卡洛模擬法（MonteCarloSimulation,MCS）蒙特卡洛模擬法：蒙特卡洛模擬法又稱統(tǒng)計實驗方法（StatisticalTestMethod或隨機抽樣技術（RandomSamplingTechnique,它通過計算機產生的隨機數對元件的狀態(tài)進行抽樣，進而組合得到整個系統(tǒng)的狀態(tài)。系統(tǒng)的可靠性指標是在積累了足夠的系統(tǒng)狀態(tài)樣本數目后，統(tǒng)計每次狀態(tài)估計的結果得到。采用蒙特卡洛

19、模擬法進行可靠性評估有著諸多優(yōu)勢：第一，蒙特卡洛模擬法容易模擬負荷隨機波動、元件隨機故障、氣候隨機變化等隨機因素和系統(tǒng)的矯正控制策略，計算結果更加貼近實際。第二，在滿足一定計算精度的要求下，蒙特卡洛模擬法的抽樣次數與系統(tǒng)的規(guī)模無關，因此特別適用于大型復雜系統(tǒng)的可靠性評估。第三，除了能夠計算表征系統(tǒng)平均性能的指標外，蒙特卡洛模擬法還能獲得可靠性指標的概率分布，評估結果更加全面。第四，蒙特卡洛法的模擬過程非常簡單和直觀，易于被工程技術人員理解和掌握。正是由于上述優(yōu)點，蒙特卡洛模擬法在電力系統(tǒng)的可靠性評估中獲得了十分廣泛的應用。蒙特卡洛模擬法與解析法的不同之處僅在于系統(tǒng)失效狀態(tài)的選擇方法和可靠性指標

20、的計算方式不同，確定元件停運模型的過程和失效狀態(tài)后果分析評估的過程與解析法是相同的。根據是否考慮系統(tǒng)狀態(tài)的時序性，蒙特卡洛模擬法可以分為非序貫模擬法、序貫模擬法和準序貫模擬法（或偽序貫模擬法）。本文利用準序貫模擬法進行可靠性評估。準序貫模擬法（Pseudo-sequentialSimulation是一類綜合非序貫模擬和序貫模擬的方法的統(tǒng)稱，其基本思想是將隨機模擬和順序模擬有機結合，既發(fā)揮非序貫模擬收斂速度快的優(yōu)勢，又具有序貫模擬法能夠處理時序事件的特點。4、系統(tǒng)模型本文講述了一種含分布式風機、光伏陣列及蓄電池的配電系統(tǒng)可靠性準序貫蒙特卡洛評估方法。在建立系統(tǒng)各元件時序模型的基礎上，對系統(tǒng)中的非

21、電源元件進行序貫抽樣，而對風光蓄元件進行非序貫抽樣。建立風機、光伏陣列、負荷和蓄電池的時序模型，該模型以1h為基本步長,即認為1h內具時序值不變。1）由實驗得到的風機出力曲線描述了出力與風速的關系，雖然不同類型風機0MMMVci<Vt<VrVr三MMVcoVtVco的出力曲線不盡相同，但都可近似表示為：02(A+BVtCVt2)RPV=Pr0式中：匕為風機出力;VcoPVtVci,Vr,Vco和Pr分別為切入風速、額定風速、切出風速和額定功率；A,B,C為出力曲線非線性部分的多項式擬合系數；Vt為第t小時的風速即：Vt二tytv=v+ota0a8-Ba0yt1yt12yt-2nyt

22、-ntt=1t-22t-mm式中：3為歷史平均風速；5為風速分布的標準差；yt為時間序列；歸也,，明為自回歸系數；01,為，勾為滑動平均系數；%為白噪聲系數，服從均值為0、方差為仃;的獨立正態(tài)分布。2）光伏陣列模型光伏陣列的實時出力采用如下模型：/2PsnGbt0<Gbt<RcGstdRcPb=PGREGbt<GstdFbPSnGbtGstdRcGstdPGbt-Gstd1sn式中：Pb為光伏出力；P3n為光伏陣列的額定功率，即在標準測試條件下，單位光強所能產生的功率；Gbt為第t小時的光強系數；Gstd為單位光強；Rc為特定強度的光強。3）負荷模型：負荷點第t小時的負荷Lt為：Lt=Lpawadah式中：Lt為負荷點的年負荷峰值；aw為周負荷曲線上各值與年負荷峰值的比值;ad為日負荷曲線上各值與周負荷峰值的比值；為為日負荷曲線上各值與日負荷峰值的比值。4）蓄電池模型蓄電池的狀態(tài)由其荷電狀態(tài)