基于新能源接入的配电网可靠性评估

王 璨，侯 强，单 莹

（国网辽宁省电力有限公司铁岭供电公司，铁岭112000）

能源对人类的发展至关重要，长期过度开采能源，导致其使用率处于快速下降趋势，形成能源严重缺乏的局势，人们对能源的需求量却越来越大，为社会与环境增加了很多问题[1]。为解决这些问题，便需想办法提高能源使用率，优化能源结构，应运而生的则是新能源的概念。新能源具备环保节能与使用率高等优点[2]，将其接入配电网中会降低其成本与损耗，减少占地面积，加快规划建设速度，利于调峰，减轻对环境的影响，提高供电安全性等[3]。在配电网内接入很多新能源后，其结构发生改变，改成多电源模式，合理接入新能源会提高新能源利用率与配电网的可靠性，在配电网出现故障时，因新能源的接入，配电网会出现孤岛运行状态，利用岛内继续供电，不会出现停电情况[4]，但新能源的随机性和间歇性会更改传统的可靠性评估方法，为此研究基于新能源接入的配电网可靠性评估，提升可靠性评估效果。

1 基于新能源接入的配电网可靠性评估方法

1.1 新能源输出功率

小容量新能源的状态为

式中：新能源属于正常工作状态时为1；新能源属于故障修复状态时为0； 新能源正常运行时间在所有时间内的占比是a%；u 是任意常数。

求解新能源在τ 时的正常运行时间，具体为

式中：λd是新能源故障率；μd是新能源修复率；v 是任意常数。

新能源在故障修复时间TR中输出的平均功率Pout为

新能源机组在TR中输出功率为

式中：Nd是新能源数量。

1.2 新能源负荷削减

负荷削减的前提是新能源功率匹配，新能源在上述两种状态时均需匹配其供电范围中的功率[5-6]。在该范围属于孤岛运行情况下，如果Pout和储能出力低于孤岛内负荷，那么展开负荷削减，具体：

式中：在时间t 新能源供电范围m 时，其是否属于孤岛运行状态的标记是β（t），若不是孤岛状态，则β（t）=1，若是孤岛状态，则β（t）=0；配电母线备用容量是Pres；电量不足地方个数是Ndef；储能装置个数是Nc；t 时第i 个储能提供的功率是Pi（t）；m 内第j个新能源在t 时的输出功率是Pout·j（t）；负荷点是n；m 中负荷数量是NL；在t 时n 的负荷功率是Xn（t）。

在电源固定范围中，确保最大负荷供电为负荷削减的目的，其目标函数表达公式如下：

式中：供电范围总数量是N；负荷权重是wn，按照用户的重要程度计算而来[7-8]；n 的削减状态是Kn（t），如果被削减，则Kn（t）=0，如果没有被削减，则Kn（t）=1。

负荷削减的具体步骤如下：

（1）确定全部供电范围中Pout、Pi和该范围中X间的大小，如果不符合公式（6），则储能充电，否则，执行步骤（2）；

（2）求解差额功率，具体为

对比分析P 与储能最大放电功率Pmax间的大小，如果Pmax>Pc，那么储能放电符合要求[9]；否则，需要衡量新能源是否属于孤岛状态，如果是，那么执行步骤3，反之，执行步骤4；

（3）令β（t）=0，按照公式（7）对该范围中的负荷展开削减，以不符合公式（5）为止；

（4）令β（t）=1，对该范围中功率不足的地方做出记号；

（5）衡量全部β（t）=1 的功率不足地方是否符合公式（5），如果符合，那么按照公式（7）削减全部β（t）=1 范围的负荷，以不符合公式（5）为止。

1.3 基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估算法

基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估算法的具体步骤如下：

（1）折算参数。在上行线路内，折算元件故障率与TR，折算公式如下：

式中：λ1与t1为折算前元件故障率与修复时间；λ2与t2为上行线路故障率与修复时间；λ 与t 为折算后线路故障率与修复时间。

（2）配电网的矩阵化。主路线的矩阵F 中，从上至下行排列顺序是主馈线编号、分支馈线中n 的编号、n 的个数。令线路至它上级自动开关间n 的数量为向量C，剩余线路的矩阵G 中，从上至下行排列顺序是线路编号、n 的编号、n 的个数、向量C。

（3）求解n 的运行和故障时间，全部线路正常运行时间为

式中：线路a 的故障率是λa。

获取TF内最小的线路，确定这条线路出现故障，求解TR，公式如下：

式中：故障线路b 的平均故障修复时间是tb。

（4）求解n 的可靠性指标。求解元件a 出现故障情况下，各n 的停电次数N′与时间T′；在a=1 情况下，线路1 接入的n1至F（3，1）停电，F（3，1）代表F内第三行第一列n 的编号，停电时间即线路1 的TR，剩余n 的停电时间通过P机组、负荷点的用电需求与负荷种类确定。

令主馈线条数是h，在1＜a≤h 情况下，a 接入的n 在F（2，a）至［F（2，a）+F（3，a）-1］间停电，即a 的TR；a 上面的n 通过电网继续供电，这部分停电时间即故障隔离时间Ts，通过P机组、n 的用电需求与负荷种类计算剩余n 的TR。

在a＞h 情况下，就是出现故障的线路属于分支馈线；其中G（4，i-k）≠0 情况下，代表分支馈线在a前接入了其余负荷点。因为新能源接在主馈线中，所以分支馈线中a 接入的负荷点G（2，i-k）至最后的［G（2，i-k）+G（3，i-k）-1］停电，即a 的TR，a 到主馈线负荷点［G（2，i-k）-G（4，i-k）］至［G（2，i-k）-1］的距离超过a 位于的分支馈线到负荷点［G（2，i-k）-G（4，i-k）］至［G（2，i-k）-1］的距离，此时通过电网恢复供电，停电时间即Ts，剩余负荷点继续供电。

G（4，i-k）=0 情况下，就是分支馈线在a 前未接入其余负荷点。因为新能源接在主馈线中，所以分支馈线中a 接入的负荷点G（2，i-k）至最后的［G（2，i-k）+G（3，i-k）-1］停电，停电时间即TR，剩余负荷点继续供电。

1.4 评估流程

基于新能源接入的配电网可靠性评估流程如图1 所示。通过基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估算法获取TF内最小的线路，求解与其相应的TR；计算新能源的输出功率，如果Pout和储能出力低于孤岛内负荷，则削减负荷，以Pout和储能出力高于孤岛内负荷为止；求解Pout和储能出力高于孤岛内负荷的故障停电次数与时间，在仿真时间超过指定时间时，利用基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估算法求解可靠性指标，完成接入新能源的配电网可靠性评估。

图1 可靠性评估流程Fig.1 Reliability evaluation flow chart

2 具体应用实例分析

以某配电网的一条主馈线为实验对象，利用仿真软件模拟本文方法对该配电网主馈线的展开可靠性评估，共模拟8×104h，分析接入新能源前后以及不同数量对配电网可靠性的影响，在出现故障情况下，启动断路器，出现2 个孤岛，由岛内负荷供电，分别在分支馈线9 与18 处接入新能源，接入新能源的配电网接线图如图2 所示。图2 中包含6 个断路器，10 个熔断器，1 个隔离开关，25 条分支馈线；其中共包含3 种方案，不接入新能源记作方案Ⅰ，在分支馈线9 处接入一个新能源记作方案Ⅱ，在分支馈线9 与18 处接入两个新能源记作方案Ⅲ。

图2 接入新能源的配电网接线图Fig.2 Wiring diagram of distribution network connected with new energy

分析3 种方案在配电站备用容量不缺乏时，各负荷点的年平均停电时间与故障率，评估该配电网的可靠性，将专家评估结果作为标准，评估结果如图3 与图4 所示。根据图3 可知，本文方法的评估结果与标准评估结果基本一致；方案Ⅰ各负荷点的年平均停电时间最高，各负荷点的该指标均值是30.9 h，其次是方案Ⅱ，均值是10.9 h，方案Ⅲ各负荷点的该指标最少，均值是4 h；同时方案Ⅰ各负荷点的该指标变化幅度较大，方案Ⅱ各变化幅度明显减小，方案Ⅲ较为平稳。实验证明，本文方法能够精准计算配电网可靠性指标，根据计算结果得知在配电网内接入新能源可有效改善其年平均停电时间，且接入新能源数量越多，改善效果越明显，即配电网可靠性越高。

图3 年平均停电时间评估结果Fig.3 Assessment results of average blackout time in years

根据图4 可知，计算3 种方案的故障率时，本文方法的评估结果与标准评估结果基本一致；方案Ⅰ各负荷点的故障率最高，各负荷点的故障率均值是0.35 次/年，其次是方案Ⅱ，均值是0.22 次/年，方案Ⅲ各负荷点的故障率最少，均值是0.12；方案Ⅱ相比方案Ⅰ的故障率下降了37.14%，方案Ⅲ相比方案Ⅱ的故障率下降了45.45%。实验证明，本文方法能够精准计算配电网可靠性指标，根据计算结果得知在配电网内接入新能源可有效降低其故障率，且接入新能源数量越多，故障率下降幅度越显著，即配电网可靠性越高。

图4 故障率评估结果Fig.4 Failure rate evaluation results

从上述实验中可知，方案Ⅲ的可靠性评估结果最优，因此，利用本文方法评估方案Ⅲ在不同配电站备用容量与新能源渗透率时的可靠性，评估配电网可靠性的常用指标是平均停电次数、用户停电持续时间与平均供电可用度，各可靠性指标评估结果如图5～图7 所示。

图5 平均停电次数评估结果Fig.5 Average blackout frequency evaluation results

图6 用户停电持续时间评估结果Fig.6 Evaluation results of power failure duration for users

图7 平均供电可用度评估结果Fig.7 Average power supply availability evaluation results

综合分析图5～图7 可知，随着配电站备用容量的增加，三种新能源渗透率的三个可靠性评估指标变化趋势基本相同，在配电站备用容量较小的情况下，平均停电次数下降幅度较小，当配电站备用容量超过4 MW 时，三种新能源渗透率的平均停电次数均呈线性趋势下降，当配电站备用容量超过12 MW 时，三种新能源渗透率的平均停电次数稳定于7 次左右；三种新能源渗透率的用户停电持续时间均随着配电站备用容量的提升呈线性下降趋势，下降速度较快，当配电站备用容量超过12 MW 时，三种新能源渗透率的用户停电时间稳定于0.5 h 左右；三种新能源渗透率的平均供电可用度均随着配电站备用容量的提升呈线性上升趋势，上升速度较快，当配电站备用容量超过12 MW 时，三种新能源渗透率的平均供电可用度趋于稳定，无线接近1；综合分析得知，新能源渗透率对配电网可靠性影响较小，仅当在配电站备用容量较小时，不同新能源渗透率间三种可靠性指标存在差距，渗透率越高，配电网可靠性越好，当配电站备用容量较大时，不同新能源渗透率间的三种可靠性指标完全相同。实验证明，本文方法能够有效评估配电网的可靠性，在配电站备用容量较小时，新能源渗透率越高，配电网可靠性越好；配电站备用容量越大，配电网可靠性越好。

3 结语

新能源具备可持续发展与降低污染等优点，在电力市场被广泛应用。新能源的接入对配电网的可靠性存在一定的影响，属于用户与电企重点关注的事情，为此研究基于新能源接入的配电网可靠性评估。实验证明，在配电网中接入新能源可提升配电网的可靠性。日后可以引进新能源的发电投资与经济环境效益等指标，扩展新能源发电普及范围，利于国家能源战略调整。