不同分布式电源类型对配电网运行风险的影响研究

沈阳工程学院电力学院 杨博文 赵志刚

由于光伏，风电这种清洁型分布式能源发电的不稳定性接入配电网后会造成复杂多样的不良影响，因此提出综合风险评估方法，提高含分布式电源配网运行的可观性和可控性，探究分布式电源对配电网可靠性影响，提出可靠性评估方法是解决此类问题的重要手段。基于线路过负荷风险、母线低电压风险、负荷点停电风险，对其进行加权，提出一种加权风险评估方法，进而分析不同类型分布式电源对配网综合风险的影响。为分布式电源的运行管理提供必要的技术手段，提高了分布式电源的利用效率和配电网运行的安全性和可靠性。

在飞速的能源发展中，国际社会一直倡导从传统的发电模式向清洁能源转型，各个发达国家对风能、太阳能的高效利用越来越重视，因此小型可再生的分布式能源在未来会成为当今社会发展低碳经济的主要能源形态。如何全面掌握快速变化的分布式电源发展情况，在风险边界内接纳庞大的分布式电源，是建设先进智能电网面临的严峻挑战也是很难打破的技术壁垒，这些难以解决的问题在某种程度上关系着智能电网建设的未来，同样也影响着电网未来发展的方向。使用可信度理论来解决电力系统中发电机被迫停运、元件停运、保护装置失灵等包含不确定因素的波动性故障。在配网风险评估中依然存在数据不足问题，主要与统计样本不足、统计时间久等因素有关。针对以上问题问题设计了一种基于模糊故障率的元件停运模型，可用于解决历史数据不足的情况。构建了基于气象因素的配电线路故障率模型，模型中充分利用了地线以及避雷器等部件的实时数据未能对不同类型的分布式电源接入配电网进行综合三种风险评估分析。

1 风险指标

风险评估指标可以表明事故的严重度，可以帮助当配电网存在遭受停电损失程度就行较为准确的度量，是为工作人员提供可靠易懂的指导性指标。

1.1 线路过负荷风险指标

在出现故障时容易引发设备功率过载，一般可以通过线路过负荷风险指标进行评价，分析此类故障发生是概率以及导致的后果。其严重度函数表示为SOD(C / E)，主要认为与经过设备的电流有关，需要基于与额定电流之间的关系确定取值，如果设备电流未超过额定电流的80%，则可以得到SOD(C / E) =0，而二者之间呈现出一定的正相关性，即设备电流增大的过程中，SOD(C / E)保持了增长的趋势，并且增幅逐步增大。

线路过负荷风险指标可以写为：

在上述公式内：NFl代表由E以及转供方案导致的全部过负荷设备总量。p(i)表示第i个故障状态的概率；l表示过载线路编号。

1.2 母线电压越限风险

在现有的研究中认为，母线电压越限风险严重度主要与其电压幅值有关，在母线电压等于1.0pu，对应的严重度函数SLV(C / E)等于零。

母线电压越限风险指标为：

在上述公式内，NFb代表由预想事故集中E及其所对应的转供方案所引起的所有负荷停电的总数。b为母线节点编号p(i)表示第i个故障状态的概率。

1.3 负荷点停电风险

负荷点停电风险主要指的是由于故障引发系统内负荷受到切除的概率以及产生的影响。一般将其严重度函数表示为SLT(C / E)。本文设定当负荷点不存在切除停电时，SLT(C / E) = 0；随着负荷切除数值的增加，负荷点停电风险严重度保持了增大的趋势。

负荷点停电风险指标为：

在上述公式内，NFc代表由预想事故集中E及其所对应的转供方案所引起的所有切除负荷的总数。c为负荷编号，p(i)表示第i个故障状态的概率。

1.4 风险权重

在本次研究中针对配电网综合风险指标进行了分析和设计，主要涉及到了线路过负荷风险、母线低电压风险、负荷点停电风险，它可以反映出配电网络的综合安全水平。三个指标的权重系数对应着λ1,λ2,λ3，并且有λ1+λ2+λ3= 1，基于各个系数的大小可以对指标的重要性程度进行分析。需要结合电网运行状态以及用户需求大小来设置合适的权重系数。如果用户对于电压的要求比较高，则对应的低电压风险权重系数需要增大；而对于线路过载的要求较高时，则应该适当增大过负荷风险权重系数；如果停电引发负面影响，降低用户满意度，则应该适当增大负荷点停电风险权重系数。所以基于合适的指标权重设置才能得到准确的评估结果。

2 分布式电源接入配电网的风险评估方法

2.1 状态采样

采用状态釆样方法能够合理准确分析出系统中所有元件状态的组合的方法，可以精确地综合地评估到每一种状态影响的风险后果。本文采用的是模拟法（蒙特卡罗方法），基于对模型或观察过程进行抽样实验，搭建的概率模拟参数等于问题的解，统计所求参数的特征，得到问题的相似解，该方法很好的解决了解析法计算量大的问题。

2.2 配电网供电安全风险评估流程

（1）首先需要将原始数据输入。主要涉及到了元件停运率、网络拓扑参数；元件磨损期，磨合期的相关参数以及天气统计数据等。此外还有元件恶劣天气和良好天气下的故障率风机以及光伏模型参数。

（2）系统状态抽样包括元件状态抽样、风速和光照强度抽样、分布式电源状态抽样，反孤岛设备状态抽样。

（3）系统状态分析。如果分布式电源与部分负荷形成非计划孤岛形成非计划孤岛，根据非计划孤岛算法划分非计划孤岛区域，计算非计划孤岛区域内系统潮流，统计系统各支路过负荷、各母线电压越限情况。

2.3 不同分布式电源类型对系统运行风险的影响

本文采用IEEE69节点辐射状配电网作为算例。对于69节点系统，需要接入微型燃气轮机、风机、光伏电源各五台，具体为7、20、31、48、67节点。各分布式电源额定出力的比值分别为2:3:1:3:1。探究渗透率分别为0.15、0.25、0.35、0.45、0.6时，分布式电源对系统的影响。仿真时间为30年。由于仿真中涉及随机变量，结果存在不确定性，因此采用仿真9次求取平均值作为仿真结果。仿真结果如图1所示。

图1 69节点系统不同分布式电源类型接入下的系统风险

在69节点系统中，当接入5台风机时母线过电压风险最高，且风险值随分布式电源渗透率提高所增长的速度最快。当渗透率为60%时达到最高为3.5。在分布式电源渗透率逐渐提高过程中电压最稳定的为5台光伏电源接入下的情况，整体风险值偏低且增长速度最慢。当渗透率为60%时达到最高为0.22。从不同类型的分布式电源来看，风电接入下系统的过负荷风险低，光伏与微型燃气轮机则始终处于较高位置。

风机为PQ节点，对电压无控制作用，其电压仅与馈线压降有关，随着传输功率增高，馈线流过的逆功率大幅抬升上级系统至电源点间节点电压，使得风机接入下的系统过电压风险远高于其他分布式电源。光伏有功出力存在随机性，总体出力小于燃气轮机，所带负荷较少，更多负荷需要通过上级系统供电，造成了系统过负荷风险较高。

3 接纳能力预警分析

分布式电源节点主要为PV节点和PQ节点，分别将配网中五个分布式电源全部设置为PQ节点或PV节点，分析可知：透率下，可以发现当DG节点全部为PV节点时，过电压风险降低。PV节点类型DG给定值是DG输出有功和电压幅值，这类分布式电源一般有足够的可调无功容量，用来维持节点电压恒定在给定值。所以PV类型的DG也相当于向系统注入了一定的有功和无功，对节点电压有一定的支撑作用，节点电压越限的可能性降低。PV类型DG注入的无功由维持电压所需的无功量决定，当无功量大于一定限值(QMAX= 0.2)，则按照最大限值输出。相比较于PQ类型DG，PV类型的DG会注入较多的无功，在有功相同的时，配网线路传入的容量增大，则过负荷严重度增加。

结论：基于风险评估方法采用IEEE69节点辐射状配电网作为算例，分析不同类型分布式电源对配网综合风险的影响，计算线路过负荷风险、母线电压越限风险以及负荷点停电风险，并对三种风险指标进行加权，最后通过配电网对不同类型分布式电源的接纳能力预警分析实现配电网运行风险的准确评价。