计及分布式电源的配电网可靠性研究

李国庆，孙维连，张宇阳

(东北电力大学，吉林吉林132012)

0 引言

随着分布式发电技术的日趋成熟，分布式电源(DG)凭借其发电方式灵活、环境友好等优点越来越多地被接入配电网，对配电系统的结构和运行产生了重大影响［2］。因此，本文根据计划孤岛的划分原则，建立了孤岛划分模型并求解出最优孤岛;基于配电网可靠性评估的最小路算法，以 IEEERBTS Bus 6测试系统为算例定量地分析了DG的接入对配电网供电可靠性的影响。

1 含DG的配电网可靠性模型

传统的配电网可靠性评估中，配电网由单一的电源点供电，是典型的辐射式供电方式。任何一条馈线上发生故障，将导致馈线后面的负荷全部停电。随着DG接入配电网将使其供电结构发生变化，配电网从一个辐射式的网络变为一个遍布电源与用户互联的网络［3－5］。

1.1 DG的主要运行方式

1)DG承担基荷。采用适合长期运行的DG单独为负荷供电，如水电厂等。

2)DG作为配电网备用。一些比较重要的场所如医院、大型商场和超市等需要备用电源。可以由投切比较频繁的DG承担备用。

3)DG与电网并网运行。在正常运行下，DG和电网共同给负荷供电。电网发生故障时，继电保护装置动作，DG可以按照事先制定好的孤岛划分策略对孤岛内部分负荷进行持续供电。在DG出现故障时，将DG退出运行，由电网为负荷供电。

1.2 DG输出功率模型

常见的几种DG有:

1)恒功率输出模型。如果微型燃气轮机的一次能源充足，输出功率就可视为1个恒定值。

2)风力发电机组的功率输出模型。风速的概率分布服从威布尔(Weibull)分布。本文采用了文献［8］提供的风速与功率输出关系模型。

3)光伏发电系统的输出功率模型。在一段时间内，太阳光强可以近似看作Beta分布。假设太阳能电池方阵有N个电池组，每个组件的面积和光电转换效率分别为An和ηn，该方阵总的输出功率为

式中r为一段时间内的实际光照强度。

2 含有DG的配电网孤岛划分

孤岛是引入DG技术以后配电网中出现的一种新的运行方式，指DG独立向一部分配电系统供电的运行状态［9］。当配电网发生故障时，由于电网中含有DG，仍然可以继续向部分用户供电，从而形成孤岛。非计划形成的孤岛会对系统、用户设备及维修人员等造成危害，还可能造成电力供需不平衡，降低了电网的供电可靠性［10］。因此，配电网必须进行计划孤岛划分。一旦出现故障，按照已经制定的策略快速形成孤岛，以减小系统停电损失，提高供电可靠性。

2.1 孤岛划分的数学模型

等值有效负荷(EL)可以定义为负荷的有功功率与负荷的权重系数的乘积。含DG的配电网孤岛划分的目标为求取等值有效负荷的最大值，数学模型为

约束条件为

式中:ω(i)为负荷的权重系数;L(i)为负荷点处负荷的大小;PDG为DG的额定容量;j为DG所在馈线的编号;D为孤岛内所有负荷点L(i)组成的区域。

2.2 模型的求解

本文结合广度优先搜索法和深度优先搜索法求解最优孤岛。先采用广度优先搜索法，由DG所在馈线的负荷点L(i)出发，依次访问与其相连的全部支路，然后访问下层支路，在满足式(3)的范围内访问完整个网络，可以迅速地确定区域D的范围。然后再采用深度优先搜索法遍历区域D，直至目标函数达到最大值，从而得出最优孤岛。

3 计及DG的配电网可靠性指标计算

3.1 配电网可靠性指标

配电网的可靠性指标包括负荷点的可靠性指标和系统的可靠性指标。负荷点的可靠性指标有停电频率λ、停电时间u、故障修复时间r，其表达式分别为

系统的可靠性指标［11］有平均停电频率指标KSAIFI、系统平均停电持续指标KSAIDI、用户平均停电频率指标KCAIDI和系统平均供电可用率指标KASAI，其表达式分别为式中:λi为负荷点i的故障率;Ni为负荷点i的用户数;Ui为负荷点i的平均停电时间。

3.2 最小路算法

最小路算法原理:对每个负荷点取其到电源点的最小路，分为最小路上的设备和非最小路上的设备，将非最小路上的设备故障对负荷点可靠性的影响折算到相应的最小路节点上，仅对其最小路上的设备与节点进行计算即可得到负荷点相应的可靠性指标［12］。

配电网可靠性评估算法的流程图如图1所示。

4 算例仿真与分析

在 IEEE － RBTS Bus 6 系统主馈线 F4［13］的基础上分别在馈线20和28处接入2个DG，改动后的接线如图2所示。

根据3类负荷的重要程度，权重系数ω(i)分别取0.5、0.3、0.2。在馈线20处加入1个0.5 MW的燃料电池，在馈线28处加入1个1 MW的微型燃气轮机。孤岛划分如图2中虚线框所示。

通过仿真计算，其结果如表1和表2所示。

从表1中可以看出，DG接入配电网后，只影响到孤岛内部负荷点的可靠性指标。孤岛内的负荷点故障修复时间明显降低，停电时间大幅减短，停电频率提高小，这是DG靠近负荷点供电、DG故障直接影响到负荷点的停电频率的结果。

从表2可以看出，DG接入配电网后，系统的可靠性指标都得到了改善，但在很多负荷点指标遇到恶化情况时，系统指标可能会受到一定的影响。这是因为系统指标通过对负荷点指标加权求均值得到的，经过加权均值，负荷点处的恶化可靠性指标会被不同程度的削弱。

表1 部分负荷点的可靠性指标

表2 系统的可靠性指标

5 结论

上述配电网评估最小路算法的计算结果表明，DG接入配电网后只影响到孤岛内部负荷点的可靠性指标，孤岛内的负荷点故障修复时间明显降低，DG的合理接入可以改善电网的可靠性水平。但在很多负荷点指标遇到恶化情况时，系统指标可能会受到一定的影响。

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