分布式电源不确定性的配电网系统可靠性评估方案探讨

王惠文， 牛轲， 王思敏

(1. 国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司， 石嘴山 753600；2. 中国海洋大学 自动化及测控系， 青岛 266100； 3. 国网新疆电力有限公司克州供电公司， 阿图什 845350)

0 引言

针对于配电网系统可靠性方面的评估工作，早在20世纪60年代起，电力工业的逐步发展就让相关的系统研究工作开始出现，并随着时间的发展逐渐成为一门有效的应用学科。电力系统的可靠性也体现在安全性与充裕度两个方面。我国在1989年由能源部电力可靠管理中心颁布了《供电系统电力客户供电可靠性研究方法》后，也逐渐开始投入相关研究。

1 配电网的评估指标

1.1 可靠性分析

分布式电源有助于提升配电网的有效性，但由于大量DG并入导致结构发生了转变。按照评估对象的差异，可以将可靠性分析的指标分为两种类型，即负荷点指标与系统指标。前者表示的是以反映负荷点的供电稳定性，后者则描述了系统的可靠程度。但负荷点指标仅仅是从整个负荷的角度来对可靠性进行描述，并不能完全地对系统进行说明，因此，在制定的指标上也会存在着差异。

1.2 模型与算法计算

1.2.1 解析法

解析法是建立在模型解析的基础上，通过迭代过程来对模型的结果进行计算，从而对系统的整体性指标进行规划。相比而言，解析模型可以更精确地按照系统结构的要求与元件功能调整两者之间的逻辑关系，并将模型参数等关键的信息以公式、方程式的模式来表示可靠性指标，以此为基础建立可靠性概率模型。这种方案的优点在于借助了严格的数学模型进行了精确分析，物理概念可以具备优秀的准确性[1]。但随着现代电网系统规模的不断增加，配电系统的复杂化也要求解析法需提升计算速度与计算量。

又例如故障模式分析法，就可以对系统中不同元件的状态进行检索，将系统所有可能的状态进行排列，根据可靠性要求来对系统状态进行综合分析，然后在状态集合的基础上得出最准确的系统可靠性指标。相比而言，这种模式准确，原理也相对简便，但如果配电系统结构复杂，其产生故障的可能性也会有明显提升[2]。但对于配网可靠性的分析，仍然可以通过快速搜索技术来控制计算量。

1.2.2 蒙特卡洛模拟法

该模拟法的数据基础是配电网元件的原始数据，并结合计算机产生的随机数量来模拟系统实验结果，从而进行统计试验。而该模拟法还可以借助随机抽样的方式由计算机先产生随机数，并且比较数据与元件状态的频率，按照时间顺序来模拟仿真过程[3]。

1.2.3 人工智能

人工智能是近年来电力系统评估的研究当中，它利用了神经网络的高容错性，让并行处理的优势进一步体现，能够针对许多问题进行准确而快速的判断。不过由于神经网络设计难度较高，尤其是在隐含层节点数的选取方面容易受到外界因素的影响，所以在某些情况下，对参数分析的结果可能会存在误差。如果利用电力系统模糊可靠性评估，就可以同时对随机事件可靠性进行影响分析，对常规评估技术在处理随机事件方面的缺陷[4]。

2 可靠性评估方案设计

2.1 自动区域

系统结构、开关布置和配电系统的可靠性之间有着密切的联系，因此可以将具备自动检测故障并断开性质的开关作为便捷来进行划分，即自动区域，通过多个互相连通的元件组成，且每个自动区域有一个开关装置[5]。具体的方案设计模式为，对配电网络形成邻接矩阵，然后从电源点开始进行分析，将开关装置产生的编号存放在矩阵之中。如果在遍历过程中遇到自动开关装置，便将装置的编号进行存放[6]。

2.2 节点类型

节点类型的划分方面，为了保障计算的便捷性，按照故障类型的不同产生的停电时间差异为基础，对各个不同节点进行分类。例如因故障导致的停电类型记为A类，由故障产生的负荷停运记为B类等。

2.3 区域处理模式

从区域处理模式来看，主要是针对故障进行的有效处理。运算流程方面，首先会根据已有的故障来对故障区域进行分析，并计算其它区域受到的影响，通过故障参数之间的差异来将区域故障纳入处理体系之中，可以分为不同的区域。

(1) 主线区域。主线区域的元件产生故障时，通常会对其它线路产生一定影响，因此当故障元件存在时，区域中负荷停运时间可以被视作元件的修复时间[7]。

(2) 支路区域。支路区域与主线区域的连接是通过断路器进行连接，如果区域完成故障隔离工作，那么可以通过重新恢复供电的方式，配合断路器达到孤岛运行的状态，而合上断路器之后的元件故障修复时间等同于停电时间[8]。

(3) 其它区域。其它区域即主线和支路区域之间不会产生相互影响。

由于系统结构划分为串联与并联两种模式，配电网的拓扑结构也可以按照这一标准来进行划分，在结构中所有元件正常运行的状态下，串联结构可以表现如图1所示。

图1 串联结构图

2.4 区域停运时间计算

负荷故障的修复时间可以通过区域之间的连接关系来进行判定，而停运时间需要考虑到两个方面的因素，即负荷连接到主线区域与支路区域的差异[9]。一般情况下，当负荷能够和主线区域连接时，则任意支路区域的元件产生故障时也不会对该复合产生影响，所以只需要对主线区域的故障类型与故障情况展开分析。因而，系统可靠性评估需要模拟元件停运时间来得到故障参数，最终以区域参数的数值来计算系统的各项指标[10]。

3 分布式电源的孤岛运行模式

3.1 孤岛运行模式

孤岛运行模式是分布式电源在接入配电网之后的运行方式，通过其持续时间的不确定性可以划分为长期孤岛运行和短期孤岛运行。一般情况下，当电网系统出现故障时，为了能在最短时间内恢复正常供电，在结构中会选择三相一次重合闸，不仅可以防止系统出现严重的联络线故障，还能保留系统的进线重合闸功能[11]。当然，如果孤岛中的电源总容量小于负荷，那么孤岛的运行状态可能会受到影响，甚至会在短时间内出现崩溃。防止，如果孤岛电源总容量大于负荷，则孤岛运行可以保持长期的稳定状态[12]。

另一方面，孤岛如果突然与系统断开，那么必然导致供电区域的电能质量降低，尤其是对维修人员的安全产生威胁。因此，为了保障电力系统的安全性，在孤岛运行的状态下需事先确定好合理的孤岛区域，并保持内部功率的平衡，平滑地过渡到新的运行状态之下[13]。

3.2 计划孤岛的划分原则

计划孤岛的划分工作是一项非常复杂的综合性工作，涉及到电力系统稳定控制领域内的各项研究内容。由于在电力系统之中，给用户提供可靠的用电是系统的主要目标，所以在计划孤岛的划分过程中，按照功率平衡的相关原理，孤岛划分需要保留合理的裕度，且尽可能包含负荷等级更高的负荷。另外，需要减少开关操作次数，以提升系统的动作时效性[14]。

3.3 建模方式

孤岛作为系统的一种暂时性运行模式，在产生故障之后，应尽可能多包含DG，以保障最大范围的供电能力，因此从其工作目标来看，可以在非故障单元中形成多个组合集合，在约束条件的范围内加权和达到最大值，并用权值来表示负荷的程度。另外，建模方式需要保障孤岛内的功率平衡与功率裕度，以此为基础来保障其暂态稳定性。系统如果在长距离传输时必然会增加有功损耗，因此在本地补偿时只会考虑到有功功率的平衡。

3.4 算法求解

配电网络现阶段多采用辐射状结构，存在开环运行的状态，此时可以将不同的供电途径看做是不同的树状，噫电源点向负荷供电的有向树，将配电网按照这种模式进行求解。为了减少孤岛搜索的解值范围，需要对配电网进行进一步优化，根据辐射状的规律来建立分成模式。具体来看可以将整个系统分为4层，第一层是节点，可以按照从上到下的模拟结构来对配电网发生故障时的恢复顺序进行模拟，也可以寻找功率平衡[15]。由于线路上存在武功传输时，必然会额外增加有功损耗，此时系统在不进行长距离传输的情况下回在本地进行补偿，因此还需要考虑有功平衡下的状态。

以搜索算法的计算方式来看，算法流程需要先对含有DG的配电网进行简化处理，转化为节点赋权根树后，对配电网进行合理分层，然后按照搜索算法对配电网进行优先遍历。对配电网进行搜索后可以得出孤岛解列点，并对解列点进行RLC与母线电压校验后，将最终得到的解视为可行解，并生成孤岛可行解的策略，视为可行解列点的集合。

考虑到分布式电源的不确定性，DC的输出功率也会随着时间而不断改变。如采用短期分析法进行分析，这可以选取某一个具体的时间范围，在此间隔内将负荷值与孤岛进行概率计算，并将分布式电源的发电量看作是均值与方差的正态分布函数参数，通过历史数据的计算来得出结果[16]。

3.5 仿真研究

首先构建了4个仿真测试场景，场景具体表现形式如下文所述。仿真结果如图2所示。

图2 仿真结果

1、配电网未接入DG，此时可忽略配电网开关可靠性。

2、配电网未接入DG，统计配电网开关拒动影响。

3、在任意节点处分别安置1MW的风机与光伏，检测整体系统运行。

4、在场景3基础上忽略DG容量限制，检测整体系统运行。

其次，针对图4仿真结果进行分析：图中黄色为场景1，绿色为场景2，红色为场景3，黑色为场景4，在此基础上可以看到，场景1在运行初期迅速下滑，但随着时间的推移迅速上涨，说明系统在初期存在不适应，但最终能够达到良好的效果，具有较高的可靠性；场景2在初期上涨，但之后进入最低谷后再次上涨进入到一个相对平稳的阶段，由此可见拒动会导致系统初期不稳定，之后使得系统进入到一个较低水平平稳运行，可靠性相对不足；场景3初期平稳，后期先抑后扬，说明其在风机与光伏的加入后，系统会出现不适应，但之后会达到一个较高的水平，可靠性较高。场景4初期不断下降至低谷，水平相较场景3更高，原因在于DG容量没有限制，之后系统运行不断上涨，达到一个较高的水平，具有较高的可靠性。

4 总结

随着未来社会的发展，人们对于电能的需求量和质量将不断提升，因此，配电网作为电力系统中的关键环节，其可靠性的研究具有显著的现实意义。DG的介入对于配网的运行会产生影响，而配网作为基于分布式电源不确定性的电源引入新运行方式，如果能在满足负荷的重要程度基础上满足安全约束的数学模型，必然能保障孤岛的安全性，从而提升配电网系统的稳定性。由于配电网系统运行复杂，研究结果可能存在一定的误差，所以在未来的研究当中需要重点模拟系统的运行和负荷变化，考虑到元件工作时的状态，全面地反应系统的运行机制。