考虑微电网非计划解列运行的配电网可靠性评估

2013-10-24祁彦鹏傅正财

电力自动化设备 2013年9期

王枫，祁彦鹏，傅正财

（1.上海交通大学电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200030；2.国网天津经研院，天津 300171）

0 引言

近年来，分布式发电（DG）技术获得了越来越多的应用［1-3］。但DG直接接入大电网也会给电网带来一些不稳定因素［4］。DG相对大电网而言，是一个不可控源，往往采用限制与隔离的方式以应对其带来的问题，难以充分发挥DG的优势。为更好地解决此问题，人们引入现代电力电子技术和控制理论，提出了微电网的概念［5］。微电网将发电设备、储能装置、负荷以及控制装置等相结合，形成一个单一的可控单元，向用户供电的同时也可能对公用电网进行逆向供电［6-9］。

文献［3，10-11］分别进行了微电网的可靠性评估以及含微电网的配电网的可靠性分析，但是都没有考虑微电网运行模式对用户可靠性的具体影响。文献［12］在配电网可靠性评估中考虑了DG孤岛运行的情况，但是DG不能够完全代替微电网的运行特点。

微电网具有多种运行模式，既可并网运行，亦可孤岛运行，而孤岛又有计划孤岛与非计划孤岛之分［5］。此外，为避免因微电网内部故障而引起整个微电网停电，微电网还必须备有非计划解列方案。为分析微电网各种运行模式尤其是非计划解列运行模式对配电网可靠性的影响，本文结合微电网的结构、控制与运行特点，改进了传统的故障模式后果分析FMEA（Failure Mode and Effect Analysis）法，进行了含微电网的配电网的可靠性评估。

1 微电网非计划解列运行

正常情况下，微电网处于并网运行状态，此时可以由大电网和微电网内部的DG联合给电网内负荷供电。当大电网出现故障或存在电能质量问题时，微电网中心控制系统将断开微电网与大电网的连接而进入自治运行模式，即仅由微电网内部DG给负荷供电，这就是非计划孤岛运行模式。有时为追求DG最大的经济效益，微电网可主动与大电网隔离，独立运行，称为计划孤岛运行［5］。

理想情况下，微电网成功进入孤岛运行模式的概率应为100%，但是在实际运行中，情况并非如此［13］。由于微电网内部控制系统反应延迟、微电网内部功率不平衡引起频率振荡或者微电网内部设备故障等，都有可能引起微电网的自治运行过程失败，这种失败的概率称为孤岛失效率，其和微电网的控制系统运行特点（主要指对控制信号的反应速度）、储能设备的大小、负荷的削减机制以及微电网内部发电功率与负荷大小的协调性等密切相关。精确的孤岛失效率的大小需要进行动态评估才能确定［13-15］，本文为简便计算，仅设定为静态值。

以上都是从经济性或者从大电网故障的角度来考虑微电网的运行控制模式，为避免因微电网内部故障而引起整个微电网停电情况的发生，微电网还必须预备有非计划解列方案［16-18］，用以保证微电网内部重要负荷的供电。

非计划解列方案不需预先设定，但必须预建孤岛划分模型并根据实际运行情况决定非计划解列方案，可采用基于功率圆的最优孤岛划分方法：

其中，D为孤岛范围；PDG为DG容量；li为负荷点i所带负荷的大小；ωi为权重系数。

模型采用深度优先搜索DFS（Depth First Search）方法来进行求解。首先从微电源所在馈线出发，访问此顶点，然后依次从未被访问的邻接点出发，在满足式（1）的范围内，遍历功率圆图（指以微电源为圆心，以微电源的额定容量为半径的圆内所包含的负荷点的集合），直至目标函数达到最大值。多次重复以上步骤，即可得到故障后的最优孤岛划分方案。这个孤岛的端点是孤岛方案执行时需要动作的开关的位置。

2 网络分区简化模型

含微电网的配电网中含有大量的开关。由于计算方向的不同，开关在配电网的可靠性评估过程中所起的作用也有较大差异，本文对和潮流方向一致的方向叫顺流方向，反之称逆流方向，见图1，图中SPi为电源点，Si为开关，ei为设备，C 为用户，downstream、upstream分别为顺、逆流方向，实线箭头表示潮流方向，虚线箭头表示可靠性计算方向。

图1 开关因子模型Fig.1 Switch factor model

顺流方向计算过程中，开关与普通设备在可靠性分析上性质类同，其本身故障与其后对应的普通设备故障所引起的停电范围与效果相同，两者对下游电网可靠性的影响为：

其中，λi、ri为设备 ei的故障率、平均修复时间；λsi、rsi为开关 Si的故障率、平均修复时间；λe、re、Ue为开关与设备对电网下游负荷点可靠性参数，即故障率、平均修复时间以及年平均停电时间的影响的等效值。

逆流方向计算时则有较大不同，设备故障时，相应开关所起的作用是断开该设备与上游电网的连接，成功率以其工作的可靠度来反映，考虑到一般配电网均配置有备用电源，故平均故障时间取为分段开关操作时间与设备故障修复时间的小者。两者对上游电网负荷点可靠性的影响的等效值为：

其中，rmin｛ri，rd｝为 ri与 rd的小者；rd为隔离开关操作时间；pi为开关可靠工作的概率。

图2是典型的辐射状结构馈线，图中L1、L2、…表示馈线段，S1、S2、…表示开关（断路器、分段 /隔离开关、熔断器等），T11、T21、…表示变压器，LP11、LP21、…表示负荷点，N/O表示联络开关，各虚线所围Z1、Z2、…、Z11、…表示分区。任意选取一个支路如S11-T11-L11-LP11为研究对象，依据开关的因子模型中式（2）、（5），得到式（8）、（9）。

图2 复杂馈线的分区简化模型Fig.2 Simplified zone model of complex feeder

顺流方向：

逆流方向：

其中，λt11为变压器T11的故障率，λl11为线路L11的故障率，λ（t11+l11）为支路 T11-L11的故障率。

同理，如果开关（熔断器）S11后面有n个设备，那么以替代 λ（t11+l11）即可。对等效年平均停电时间 Ue的处理方式类同，所用到的公式为式（3）、（6），且有 re=Ue/λe。

由式（8）、（9）可知，开关之间所包含的区域（本文称之为分区）在可靠性逻辑上属串联关系，同一分区内任一设备故障，系统中开关的动作情形完全相同，亦都会引起整个分区停电，故可采用多元件串联公式计算该分区的等效可靠性参数：

其中，λZij、rZij为第 i个分区中第 j个设备的故障率、修复时间；λZi、rZi、UZi为第 i个分区的等效故障率、等效平均修复时间、等效年平均停电时间。

3 基于分区简化模型的FMEA法

3.1 分区故障类型分析

分区故障类型分析是确定负荷点停运类型和计算可靠性指标的基础［19］。传统的FMEA法首先找出引起某一个负荷点全部停电或部分停电的故障类型或故障组合，然后形成故障列表［20］，最后计算可靠性指标，致使故障组合的搜索与分析比较复杂。本文以分区为核心，从分区故障对负荷点影响的角度来分析和计算负荷点的可靠性。当分区中设备故障时，根据所引起的负荷点停电时间的不同，将分区分成4类［21］，设第i个分区的故障率、平均修复时间、年平均停电时间为 λZi、rZi、UZi，则有如下结论。

a.零停电时间分区Z0，即该分区内部有设备故障时，对负荷点无影响，负荷点停电时间为零。

b.rd停电时间分区Zrd，即该分区内部有设备故障时，负荷点停电时间为隔离开关操作时间rd，其对第j个负荷点分区可靠性参数的贡献值为：

c.rd+rt停电时间分区Zrd+rt，即该分区内部有设备故障时，负荷点停电时间为隔离开关操作时间与切换操作时间之和，该分区对第j个负荷点分区可靠性参数的贡献值为：

d.rZi停电时间分区ZrZi，即该分区内部有设备故障时，负荷点停电时间为设备故障的平均修复时间，其对第j个负荷点分区可靠性参数的贡献值为：

3.2 负荷点可靠性参数计算

把所有分区对各个负荷点分区的可靠性贡献值进行累加，即为负荷点分区的可靠性参数，然后计入本分区可靠性参数，即得到各个负荷点的可靠性参数，计算公式如下：

3.3 FMEA法可靠性计算框图

含微电网的配电网分区故障类型的分析可通过最小路的搜索得到［22-23］，最小路搜索可采用深度优先搜索和广度优先搜索（BFS）法［24］，首先分析某一分区对各个负荷点分区的影响，判断该分区类型，然后根据开关分区对应信息，建立最小路矩阵列表。完整的可靠性评估算法的计算框图如图3所示。

图3 FMEA法可靠性评估流程图Fig.3 Flowchart of reliability evaluation based on FMEA

4 含微电网的配电网的潮流计算

含微电网的配电网除了能够从上级电网接受电能量之外，其本身还含有多个微电源，是一个多电源、辐射状结构。这既与传统输电系统的多电源、环网状结构不同，也和传统配电网的单电源、辐射状结构存在差异，故必须对传统的潮流计算方法进行改进。本文针对微电网的不同运行模式对配电网潮流计算的牛顿法进行改进。

4.1 微电网并网运行

传统配电网中一般只包含平衡节点和PQ节点2种类型。其中变电站出口母线通常视为平衡节点，而其他节点一律视为PQ节点。

随着微电网的接入，当微电网处于并网运行模式时，含微电网的配电网中出现了多个微电源，故必须对这些微电源进行如下预处理。

a.PQ节点：即有稳定功率输出的微电源，视为“负的负荷”，当成PQ节点。

b.PV节点：迭代过程中，若无功功率越限，则把无功功率作为已知参数，即把PV节点转换成PQ节点；如果电压越界，则重新转换为PV节点。

c.PI节点：求出第k次迭代时该节点的无功功率注入量，在第k+1次迭代过程中把PI节点转换为PQ节点。

d.PQ（V）节点：该节点无功为节点电压函数，每次迭代前把PQ（V）节点转换为PQ节点，其中有功为微电源输出的有功功率，无功为微电源吸收的无功功率与补偿无功功率的差值。

4.2 微电网孤岛运行

微电网孤岛运行时的潮流计算和并网运行时的方法大同小异。微电源的处理方式类同，但此时还要注意如下几点。

a.此时含微电网的配电网处于解列状态，孤岛运行的微电网还需要设定一个平衡节点，一般选择具有旋转机构的微电源，如微型燃气轮机作为其平衡节点。

b.除去孤岛运行的微电网外的其他部分的处理方式类似微电网并网运行时的处理方式。

c.在潮流计算的流程中需加入孤岛判据，可通过微电网PCC的状态进行判定。

4.3 微电网非计划解列运行

此时微电网内部发生故障，须切除故障馈线，其余部分的处理方式类似微电网并网运行时的处理方式。

4.4 潮流计算步骤

基于牛顿法的含微电网的配电网的潮流计算迭代步骤如下。

a.输入原始数据。

b.判断微电网的运行状态：若微电网均并网运行，则进行下一步；若有微电网孤岛运行，则为其设定平衡节点，然后进行下一步；若微电网非计划解列运行，则首先切除故障馈线，然后进行下一步。

c.形成导纳矩阵。

d.给定各节点的电压初值 U（0）和相位初值 θ（0）。

e.对网络中的PV节点设置无功功率限额。

f.将网络中的PI节点和PQ（V）节点转化为PQ节点。

g.将电压初值 U（0）和相位初值 θ（0）代入式（25）求修正方程的常数项 ΔP（0）、ΔQ（0）。

其中，r为PV节点数。

h.求解式（26）所示的修正方程式，求出修正量ΔU（0）、Δθ（0）。

i.修正各节点的电压和相位：

j.以 U（1）、θ（1）代入式（25）中求 ΔP（1）、ΔQ（1）。

k.检验是否收敛，若收敛，则求各支路潮流并输出结果；否则，再以 U（1）、θ（1）为初值，返回步骤 f进行下一次迭代。同时检验PV节点的无功功率输出是否越限，若越限，则在以后的迭代中作为PQ节点处理，且该节点无功功率值为越限值；否则，继续作为PV节点参与下一次迭代，并在下一次迭代结束后做无功功率的越限检查。

5 可靠性计算流程

本文完整的可靠性评估的流程如下。

a.输入原始数据。

b.建立网络的分区简化模型，依据式（10）—（12）进行参数归并。

c.假定分区Zi内部设备故障，调用潮流计算模块进行潮流计算。

d.判断需要进行微电网的非计划解列与否，若需要，采用式（1）进行解列方案的确定，然后进行下一步；否则，直接进行下一步。

e.调用可靠性计算模块进行可靠性计算。

f.令i=i+1，转步骤c，直至完成所有分区。

g.输出结果。

6 算例分析

6.1 算例简介

本文采用经过改造的Roy Billinton可靠性测试系统母线6［25］的馈线4作为算例（在原标准系统上加入熔断器、分段开关、微电源等），系统的单线图如图 4 所示，共包含 F4、F5、F6、F7这 4 个馈线分支。分别在原网络的馈线段20和馈线段28处安装DG，且设DG1为5 MW，DG2为6 MW，整个馈线分支F5和馈线分支F7分别组成2个微电网，各原始数据见文献［25］。

图4 含2个微电网的配电网结构图Fig.4 Distribution network containing two microgrids

6.2 结果分析

本文把负荷的重要性分为3种，即ω1=0.5，ω2=0.3，ω3=0.2，并分以下几种情况进行了可靠性的分析计算。

a.情况1：不含微电网，即设2个DG的容量均为零。

b.情况2：只考虑微电网的非计划孤岛运行，此时微电网以一定的概率（本文取为0.8）［10］进入稳定自治运行模式。

c.情况3：考虑微电网的非计划解列运行，采用基于功率圆的最优孤岛划分方法。

表1—3列出了部分负荷点的可靠性参数，表4列出了系统可靠性指标，表中SAIFI为系统平均停电频率指标，单位为次/（系统用户·a）；SAIDI为系统平均停电持续时间指标，单位为h/（系统用户·a）；CAIDI为用户平均停电持续时间指标，单位为h/（停电用户·a）；ASAI为平均可用率指标。可以得出以下结论。