基于故障模式分析法对含D G的配电网供电可靠性评估

陈真清，黄民德

（天津城建大学，天津 300384）

未来配电网要朝着智能的方向发展，就必须将信息技术、通信技术、计算机技术和原有的输、配电基础设施高度集成，由此形成的新型配电网的可靠性将面临考验。

DG是集中供电方式的一种补充，主要包括风力发电、太阳能发电、小水电、微型燃气轮机及燃料电池等，由于可供分布式发电的能源分布地域广、能量密度低、环境依赖性强，所以对这些能源的利用具有分散性和不确定性。随着传统配电系统向智能化电网的发展，有利于推动DG的接入[1]。

随着大量DG接入配电网，使其可靠性的分析计算模型发生了根本变化。传统的可靠性评估考虑的是，配电网的馈线都由单一的电源点供电，在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，系统出现大面积的停电[2]。

1 分布式电源接入电网的形式

DG的不同接入方式对配电网供电可靠性的影响，从目前国内外对DG的研究来看，DG接入配电网主要有3种形式，每种形式对供电可靠性的影响是不同的。

1.1 DG与传统电网并网运行

DG与传统电网并网运行时，配电网从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互连的网络。它对可靠性的影响既有积极的影响，也有消极的影响。如果控制不好可能使系统供电可靠性水平下降，满足不了用户对供电可靠性的要求，反之，就可以提高配电网的可靠性。DG与传统电网并网后，传统的配电网可靠性模型就需要考虑新的因素，如孤岛的出现。因此，需要新的可靠性模型来评估加入DG后对配电网供电可靠性的影响，并对可靠性的指标影响进行定量分析[3-4]。

1.2 DG作为传统配电网的备用电源

当配电网发生系统故障中断供电时，DG启动，通过开关的操作，将负荷转移到DG继续供电。当配电网故障消除时，再转由配电网正常供电。在这种情况下，只要DG协调合理，DG可以提高配电网的供电可靠性。但这种供电的经济性差，除非为了满足特殊重要负荷的需要。否则大量的DG投资，只能满足故障情况下少量切负荷，在电力市场环境下难以刺激投资。经济性、可靠性难以达到双赢[5-6]。

1.3 传统配电网作为DG的后备电源

DG独立运行，电力负荷的波动，难以保证发电机满足连续波动负荷运行。把配电网作为DG的后备电源，当DG发电量超过所供给的负荷时，机组的多余电量就会注入配电网中，当DG所发电量不足以满足负荷需求时，不足部分由配电网补充，由于有大的配电网支撑，用户的用电质量得到改善。这样可以使发电机始终运行在一个比较经济的工况下。而且通过测量注入配电网和从配电网吸收的电量，用户只需支付电量的差值。这样可以最大程度的提高DG的经济性，充分考虑了投资者的利益，并且更好地体现了智能电网的概念，但对配电网的可靠性方面却是未知的[7-8]。

本文配电网供电可靠性模型的分析研究，就是基于传统配电网作为DG的后备电源接入模式。

2 配电网供电可靠性评估

2.1 评估原理

评估原理是在给定的可靠性准则的条件下定量地评估配电系统可靠性的模型和方法，比较典型的有故障模式影响分析法和可靠度预测分析法[9]。

2.1.1 故障模式分析法

根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障2类状态，然后根据故障状态计算出相应的可靠性指标的分析方法。通常在配电系统可靠性评估中采用连续性（continuity）作为故障准则，即供电连续性遭破坏（停电）为故障状态，保持连续供电为完好状态。它是用于评估配电系统可靠性的基本方法。本文即采用了此种方法进行配电网供电可靠性计算。

2.1.2 可靠度预测分析法

这是一种以裕度为基础的方法，这种方法主要用于日本。该法中引入联络率α和有效运行率η的概念。α是表示馈电各区段联络程度的指标。当α=1时，表示该馈电线可以切换。α描述了故障时线路的倒送能力。η表示负荷有效切换的指标。η以100%为临界值，是馈线发生故障时所有各区段是否都可切换的判据。当η在100%以下时，表示有裕度。

2.2 配电系统可靠性指标

目前中国和世界各国根据各自的国情定义了数目不同的可靠性指标，比较典型的有[10]：

1）用户平均停电频率指标（customer average interruption frequency index，CAIFI）。

2）用户平均停电持续时间指标（customer average interruption duration index，CAIDI）。

3）系统平均停电频率指标（system average interruption frequency index，SAIFI）。

4）系统平均停电持续时间指标（system average interruption duration index，SAIDI）。

5）平均供电可用率指标（average service availability index，ASAI）。

6）平均供电不可用率指标（average service unavailability index，ASUI）。

7）期望缺供电能量（expected energy not served，EENS）。

2.3 配电系统可靠性的故障模式分析法

故障模式法是建立故障模式及后果分析表，即查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合。进行故障分析采用3个指标：

1）负荷点故障率λ（次/a）。

2）负荷点每次故障平均停电持续时间r（h/次）。

3）负荷点的年平均停电时间U（h/a）。

对n个串联可修复元件，计算时刻采用以下公式：

对2个并联可修复元件，采用以下公式：

传统配电系统的元件主要包括配电主干线、分支线、断路器、变压器等，评价各元件的可靠性指标主要有故障率、平均运行时间、平均修复时间等。DG接入传统配电系统后，系统中增加了发电元件，发电机组的可靠性指标就应引入配电系统。故DG接入配电系统可靠性评估指标也包括发电机组的故障率、平均无故障可用小时、启动可靠度等。

3 DG接入后配电网供电可靠性的算例分析

采用故障模式分析法对以下算例进行计算，分析DG接入对配电网供电可靠性的影响。在图1和图2中全部隔离开关是常闭的。负荷点a、b、c由供电干线装有熔断器的分支线供电。假定该系统由配电站母线单电源供电，又假定配电站母线和供电主干线的断路器是完全可靠的。当系统中某一部分发生故障时，可以手动操作隔离开关，断开故障部分是系统恢复供电[11-12]。图1和图2配件系统中各元件的参数见表1。

图1 无DG接入电源、手动分段的配电系统Fig.1 A manually segmented distribution system without DG

图2 有DG接入电源、手动分段的配电系统Fig.2 A manually segmented distribution system with DG

图中，QF为配电干线断路器；FU1、FU2、FU3为熔断器；QS、QS′、QS1、QS2为隔离开关；a、b、c为负荷点；MS、AS为传统电源；DG为分布式电源。

表1 配电系统的各元件参数Tab.1 The element parameters of the distribution system

利用故障模式后果分析法对图1和图2中的配电网模型进行计算和分析，分别对负荷点a、b、c处接入DG前和接入DG后的λ、r、u进行计算，计算结果分别见表2、表3、表4。

表2 负荷点a处故障模式后果分析法的计算结果Tab.2 Failure mode and effects analysis（at the a position）

表3 负荷点b处故障模式后果分析法的计算结果Tab.3 Failure mode and effects analysis（at the b position）

表4 负荷点c处故障模式后果分析法的计算结果Tab.4 Failure mode and effects analysis（at the c position）

根据故障后果模式分析法计算得结果如表5所示。

对比DG接入前后，各个可靠性指标的变化，不难发现，考虑DG接入所带来的发电机故障的可能，用户平均停电次数有所增加，但用户平均停电时间是减少的，也就是说明DG接入后，配电系统的供电可靠性得到改善。

表5 DG接入对供电可靠性各指标的影响Tab.5 Effects of DG access on the index of power supply reliability

4 结语

DG作为一种有潜力的新能源发电技术，是对传统的集中式电源供电的有益补充。DG的接入也可以使整个电网运行更加灵活，正确考虑DG接入配电网后对电网的影响，并采取合理的措施，可以提高配电网供电可靠性。

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