基于馈线路径集合法的并网型微电网可靠性评估

吴治均 李明昆

（西华大学电气与电子信息学院，成都 610039）

基于馈线路径集合法的并网型微电网可靠性评估

吴治均 李明昆

（西华大学电气与电子信息学院，成都 610039）

微电源越来越多的被接入到配电系统中，在改变配电网运行方式的同时也给配电网的可靠性评估方法带来影响。本文重点分析了负荷点与电源间的连通性，在充分考虑微网运行模式的基础上，针对负荷点故障类型提出了基于馈线路径集合的判别方法。其次分别提出了微网并网协调运行方案以及离网模式下的负荷削减策略。最后通过时序蒙特卡洛模拟法计算并网型微电网的可靠性指标。以改进的IEEE RBTS BUS6系统进行算例分析，验证了所提出方法的有效性。

并网型微电网；馈线路径；可靠性；时序模拟

近些年现代电力技术取得大量研究成果，以分布式发电技术为基础的微电网技术取得了迅猛发展。随着微电网大量的接入配电系统，这对以“闭环设计开环运行”的传统配电系统带来了极大挑战，使其在配电结构和运行方式都产生了改变。

并网型的微电网具有离网和并网两种灵活运行模式，可视情况实现快速切换。目前，关于并网型微电网的可靠性评估方法已经有了一定的研究。文献［1-2］研究了分布式电源接入配电网后的孤岛划分模型及其求解方法，在改进最小路法的基础上评估系统可靠性。文献［3-4］建立了DG和储能装置联合发电的可靠性模型，重点分析了基于故障影响遍历算法的可靠性评估方法，但在故障条件下忽视了负荷的时序特性，对微网并网运行特性也考虑较少。文献［5］则重点分析了对风机出力以及系统故障进行时序模拟的方法，但并未考虑微网离网运行时，通过负荷削减使得重要电力负荷得以持续供电。

本文分析了微网接入后负荷点和电源间馈线路径的连通性，针对系统负荷点故障类型，提出了基于馈线路径集合的判别方法。其次，根据微网离网运行特性，在负荷分块的基础上，综合考虑电力负荷重要程、负荷位置和负荷块用户平均负荷率［11］三项因素，提出负荷削减策略，再在微网并网运行条件下，提出计及DG和储能系统的微网并网协调运行方案。最后通过时序蒙特卡洛模拟法对改进的IEEE RBTS BUS6算例系统进行可靠性评估。

1 并网型微电网的馈线路径集合

1.1 负荷点停电影响类型划分

为了全面分析系统发生故障时对系统可靠性所产生的影响，本文对系统进行故障模式后果分析，得到以下四类负荷点停电影响类型：

Ⅰ类：系统故障时对该类负荷的供电不会产生影响，其供电正常。

Ⅱ类：该类故障影响下，负荷点只有等待相关故障元件修复或替换以后才能够恢复供电。该类负荷点的停电时间为故障修复时间Tr。

Ⅲ类：该类故障影响下，负荷点通过相关的隔离开关或联络开关的倒闸操作，由主电源恢复供电。该类负荷点的停电时间为故障隔离时间Tg。

Ⅳ类：该类故障影响下，负荷点处于由公共连接点（PCC点）开断而形成的微网内。

1.2 基于负荷点与电源间连通性的馈线路径分类

根据负荷点与电源间馈线路径的连通性，本文将配电网中任意两节点之间的最短路径用该路径上所有节点的集合来表示［6］。设负荷点LPi到配网主电源的最短路径为主最短路径，到微电源的最短路径为微最短路径。根据负荷点与电源间的连通性，可将所有节点归类到以下四类路径上。

1）L1i：主最短路节点与其微最短路节点交集形成的路径。

2）L2i：主最短路节点与其非微最短路节点交集形成的路径。

3）L3i：非主最短路节点与微最短路节点交集形成的路径。

4）L4i：非主最短路节点与非微最短路节点交集形成的路径。

上述四类馈线路径为负荷点 LPi的分类路径。不同分类路径上的节点故障对负荷点与电源间的连通性造成的影响不同，从而影响电源对该负荷点LPi的供电。

1.3 负荷点故障影响判别

用A、B、C、D分别表示系统故障后，负荷点LPi停电类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的节点集合，称之为该负荷点的故障集合。图1所示，根据负荷点与电源间馈线路径的连通性，本文给出负荷点 LPi四类故障集合的判别方法。

图1 负荷点故障集合的判别

1）如图 1（a）所示，对于故障η1∈L1i，负荷点 LPi与主电源、微电源的馈线路径均被中断，只有当故障修复时，负荷点 LPi才恢复供电。因此，η1∈B。

2）如图 1（b）所示，对于故障η2∈L2i，负荷点与主电源间的供电路径被中断，仅可能由微电源供电。其中，设La表示故障η2到负荷点LPi的最短馈线与η2到微电源最短馈线的公共路径，则考虑以下两种情况：

（1）若La上含有公共连接点PCC，此时负荷点LPi处于PCC开断而形成的微网内，微网切换为离网运行模式，则η2∈D。

（2）若La上无PCC点，则故障η2∈B。

3）如图 1（c）所示，对于此类故障，负荷点LPi与微电源的供电路径被中断，仅可能由主电源供电。其中，设Lb表示故障η3到负荷点LPi的最短馈线与η3到主电源最短馈线的公共路径，则考虑以下两种情况：

（1）若Lb上含有公共连接点PCC，则系统故障时被隔离，负荷点LPi正常供电，此时η3∈A。

（2）若Lb上无PCC点：若路径上有隔离开关，系统故障时被隔离，则η3∈C；若路径上无隔离开关，则故障修复后才能恢复供电，此时η3∈B。

4）如图 1（d）所示，对于此类故障，故障发生在配网分支馈线上，由于分支馈线到主馈线端设有断路器，能在其内部元件故障时切断故障电流，不对主馈线路径造成影响，微电网选择并网模式运行。此时，则η4∈A。

2 基于时序模拟的可靠性评估算法

2.1 元件模型

1）负荷模型。采用文献［7］的时序负荷模型。

2）风电机组模型。本文采用经典的风速威布尔分布建立实时风速模型，再根据风机出力特性曲线来描述风机出力和实时风速的关系［8］。

3）储能系统的充放电模型［9］。本文在充分考虑对储能系统进行充放电功率限制，以及储能容量上下限设定的情况下，储能系统模型建立如下。

充电模型：

放电模型：

式（1）、式（2）中，Pbat（t）为储能系统的实时充放电功率，Pcd-max、Pfd-max分别为储能系统的最大充、放电功率；EESS（t）为储能系统的实时容量；EESS-max、EESS-min分别为储能系统的最大、最小容量限制。

2.2 负荷削减策略

微网在离网运行时，当微电源出力不能满则网内负荷需求［10］，则需要削减负荷。

图3为IEEE RBTS BUS6中F4主馈线［13］下的分支馈线经过相关改进后所组成的的一个微型电网。线路10是与上级电网连接的公共连接点（PCC），线路4装有风储联合发电系统，相关线路上装有智能开关用以切断负荷电流。

图2 微网孤岛运行结构图

本文在负荷分块的基础上，综合考虑负荷块内负荷重要程度参数、负荷块位置参数以及负荷块用户平均负荷率参数［11］，并定义负荷削减系数（Cutting load factor，CLF）。

式中，Xi是 Ai第 i个负荷块的重要程度参数；ILPn是第n个负荷的重要程度参数，通过考虑负荷重要性，优先保障重要程度高的用户供电。

Yi是第 i个负荷块的位置参数；DLPn是第 n个负荷到微电源的电气距离，设相邻两负荷点电气距离为 1，以微电源的位置为参考点，由远及近依次切除远端负荷。显然，负荷点DLPn之和越大，该负荷块Yi值越小，表示该负荷块在网内离微电网距离越远。

Zi是第 i个负荷块的用户平均负荷率参数，负荷块用户平均负荷率高表明该地区负荷峰谷差较小，负荷比较平均，负荷率低说明该地区峰谷差异较大，需要削峰填谷，使各时段负荷变化减小。其中，PLPn是第 n个负荷点的年负荷峰值，MLPn是第n个负荷点年负荷平均值，由该负荷点年时序负荷曲线得出；NLPn是第n个负荷点的用户数，Ni是第i个负荷块内的用户总数。综合以上3项因素，定义负荷块的负荷削减系数，CLFi表示第i个负荷块的负荷削减系数。

2.3 计及DG和储能系统的微网并网协调运行方案

在并网运行时，微网内部负荷由大电网和网内的分布式电源联合供电。在风电机组和储能装置联合发电的基础上，本文提出计及DG和储能系统的微网并网协调运行方案。

为了尽可能提高微电源在电网中的渗透率和高效性，在微网并网运行时，优先考虑让风机尽可能的出力，其次是储能系统和大电网对其按需补充。故提出微网并网运行协调方案如下。

1）在微网正常工作时，优先利用风电机组供电。判断风机实时出力大小，当其出力满足网内负荷需求时，此时对储能系统进行循环充电；当充电功率大于储能系统最大充电功率时调整风机出力，并按其最大充电功率充电；当充电达到储能系统的最大储能容量时，充电停止。

图3 并网型微网协调运行方案

2）当风机出力不能满足网内负荷需求时，储能系统按照设定的最大放电功率进行放电。若储能系统放电功率能够达到负荷的需求且未降至设定的最小状态时，此时储能系统维持放电运行状态并保持网内负荷功率平衡。

3）如果风储联合发电仍不能满足负荷需求，此时微网的供电就需要外部大电网的功率支持。外部主网根据微网内负荷需求与风储出力之和的缺额对微网内负荷需求进行功率补充。

炎性因子:患者于治疗前、治疗后,抽取晨间空腹外周静脉血,检测IL-6(白介素-6)、IL-8(白介素-8)、TNF-α(肿瘤坏死因子-α)水平。

2.4 基于时序蒙特卡洛模拟法的可靠性评估算法

在综合考虑微网运行模式灵活切换的基础上，本文采用馈线路径集合方法对负荷点 LPi的分类路径进行存储，形成故障集合。然后通过建立时序负荷模型和风储联合发电系统模型，设计了微网并网协调运行方案。综合以上因素，提出基于蒙特卡洛模拟法［11］的并网型微电网可靠性评估算法，其具体流程如下：

1）数据初始化。录入初始状态下系统的各项参数，设定数据初值，并确定仿真时间。

2）随机产生n个服从（0，1）区间均匀分布的随机数，M1，M2，…，Mn，其中n值与系统元件数相同。再根据公式TTF=-lnMn/λ 求取每个元件的无故障工作时间TTF。

3）选取所有系统元件中最小的 TTF值所对应的元件，作为此次模拟的故障元件，并以该最小TTF值作为系统的无故障工作时间，累计仿真时间。

4）确定故障元件后，再生成一个随机数X，并根据公式TTR=-lnX/μ 计算出的值，作为此次故障的修复时间，其中μ 为元件修复率。

本文随机生成一个（0，1）间服从均匀分布的的随机数S来表示离网模式的成功切换概率。在四类故障集合中，集合A不受故障影响，不发生停电；对于集合B和C，计算停电时间，断电次数加1。对于集合D类情况，过程如下：

（1）离网模式数据初值设定。令t=1，离网模式运行初始时，储能系统容量ESSl为满充状态（即储能系统容量的最大值）；ESSmin为储能系统设定的最低荷电状态容量值。

（2）计算模拟时刻风电机组的实时出力PW（t）。

（3）据时序负荷功率曲线求出t时刻里微网内负荷的功率需求值PL（t）。

（4）比较风机出力与网内负荷需求的大小，若PW（t）≥PL（t），则集合D内负荷正常供电，此时为储能系统充电 Pbat（t）=Pw（t）-PL（t）；储能系统实时容量ESSl（t+1）=ESSl（t）+Pbat（t），若 PW（t）≤PL（t），则按负荷削减策略按需甩负荷，其所切负荷停电次数加 1并累计其停电时间，否则进入下一步。

（5）比较t是否到达故障修复时间，t如果未到达修复时间，则t推进到下一时刻，重回步骤（2）；若已经到达故障修复时间，此时停止模拟，输出结果。

6）判断当前模拟时间是否到达预设模拟时间，如果达到，计算各个负荷点和系统的可靠性指标；如果没有，则t向前推进一个时刻，回到步骤（2）继续进行模拟。

3 算例分析

3.1 算例数据

本文采用IEEE RBTS BUS6测试系统主馈线F4加以相应改进进行仿真验证［13］。其中，线路15处为微电网PCC点，在线路25处接入风电机组和储能系统，系统接线图如图4所示。

图4 改进的Bus6 F4馈线系统

该系统有线路30条，负荷点总计23个，配电变压器总共23台。每条分支线路均设有熔断器。所有系统元件可靠性参数见文献［13］，其中负荷点LP20变为工业用户，负荷点LP21变为商业用户。

设风机切入风速为10km/h，额定风速30km/h，切除风速 65km/h。储能装置参数：额定容量为2MW·h，最大充放电功率为0.5MW·h。

根据本文提出的负荷削减策略，对微网内部负荷进行分块，并根据式（3）求得负荷削减削减系数见表1。

表1 负荷削减系数

3.2 可靠性评估

本文按所述方法对系统进行2000年的模拟，计算得到的微网接入与否负荷点的可靠性指标对比情况如图5、图6所示。

图5 微网接入与否网内负荷点故障率情况

图6 微网接入与否系统负荷点年停电时间情况

表2为传统配电系统和含微网接入的系统可靠性评估结果对比情况。

表2 系统可靠性指标

通过微网接入与否两种方案下负荷点和系统可靠性指标的对比，可以看出：

1）微网根据系统元件故障情况合理选择离网或并网模式运行。微网的离网运行能在配电系统故障时保证网内负荷的供电，大大缩短了停运时间。并且通过适当的负荷削减策略，使网内重要负荷得以持续供电，从而提高微网内负荷供电可靠性。并网模式下的协调运行策略充分考虑了风机发电充裕性，提高了微电源的利用率，也较为全面地反映了并网型微电网持续稳定的供电能力。

2）表2对微网接入与否系统的可靠性指标进行了对比。由结果对比可以知道，微网接入后，系统的供电可用率也由原来的0.9987上升至0.9991，系统的年期望缺供电量也同比降低了18.2%。

4 结论

本文主要对并网型微电网的可靠性进行分析和计算，通过馈线路径的连通性判别了负荷故障类型，再基于并网型微网的运行特性，定量地分析了微网接入对配电系统可靠性指标的改善情况。评估结果表明，微网接入可以有效地提高配电系统的可靠性指标，不同运行方式的灵活切换以及并网协调运行等因素对并网型微电网的可靠性评估有着重要意义，结果也验证了本文方法的有效性。

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Reliability Evaluation of Grid-connected Micro-grid based on Feeder Path Set Methods

Wu Zhijun Li Mingkun
（School of Electrical and electronicInformation Engineering，Xihua University，Chengdu 610039）

More and more micro-grid is connected to the distribution system，in the way of changing the distribution network operation，but also to the distribution network reliability assessment methods to bring the impact.This paper focuses on the analysis of the connection between the load points and the power suppliers，and based on the full consideration of the operation modes of the micro-grid，this paper proposes a method to determine the type of the feeder path set based on theload points.According to the two different operation modes of micro-grid，the coordinated operation scheme of micro-grid and the load reduction strategy are proposed.Finally，the reliability index of grid-connected micro-grid is calculated by sequential Monte Carlo simulation method.By the improved IEEE RBTS BUS6 system example analysis，the effectiveness of the proposed method is verified.

grid-connected micro-grid； feeder path； reliability；timesequential simulation

吴治均（1989-），男，汉族。硕士研究生，主要研究方向是电力系统可靠性评估。