基于分布式电源的配电网运行安全风险评估策略

李 理

（广西电网有限责任公司桂林兴安供电局）

0 引言

随着光伏发电技术、风力发电技术等新能源技术的飞速发展，分布式电源已经成为配电网能源的主要来源，分布式电源接入配电网运行的同时，也有可能对配电网运行的安全性、稳定性、可靠性造成一定程度的影响，因此必须对分布式电源接入情况下配电网的安全风险进行评估［1-2］。安全风险评估就是对可能存在的风险进行科学辨识，分析由故障造成影响的严重程度。本文从分布式电源模型的角度出发，基于风险理论和效用理论，从低电压风险、过负荷风险、失负荷风险三个主要方面对配电网的运行进行安全风险评估，为新能源发电单元接入配电网运行提供科学、合理、有效的指导性意见［3］。

1 分布式电源模型

1.1 风力发电模型

风力发电具有随机性强的特点，并且会受到空气密度、风速等多种因素的影响［4-5］，本文专门针对理想工况进行研究，风机的输出功率为：

式中，ρ为空气密度；S为风机桨叶扫过的面积；v为风速；CW为风能利用效率参数。

1.2 光伏发电模型

光伏发电具有随机性强的特点，但是输出电能质量较高，输出电压稳定性好，并且会受到光照强度、光伏阵列受光面积、光线入射角度等多种因素的影响［6-7］，光伏发电单元的输出功率为：

式中，υ为光照强度；λPV为最大功率点跟踪控制效率；UPV为光伏阵列面积；ρPV为光伏电池工作效率；θ为太阳光入射角度。

1.3 储能单元模型

储能单元工作效率高，环保性好，通常作为备用电源，在削峰填谷上作用显著［8］。

当储能装置工作在充电状态时，其功率方向向内，即输出功率为负，当前时刻的存储能量为：

当储能装置工作在放电状态时，其功率方向向外，即输出功率为正，当前时刻的存储能量为：

式中，Soc（t）和Soc（t-1）为当前时刻和前一时刻的储能装置存储的能量；PBattle（t）为储能装置的实时输出功率；ηC和ηD为储能装置的充电和放电效率。

1.4 燃气发电模型

燃气发电单元以可燃性气体作为燃料，燃烧产生的热量可以进行有效利用，电能转换效率高，其输出功率为：

对于上述提到的四种发电模型，输出功率明确的发电单元（风力发电），认定为负的负荷，作为PQ节点；通过电压逆变器接入配电网的发电单元（储能单元），作为PV节点；通过电流逆变器接入配电网的发电单元（光伏发电、燃气发电），作为PI节点。

2 风险理论与效用理论

2.1 风险理论

风险理论用于描述事故灾害可能性大小及严重性程度，风险参数可以定量表示为：

式中，m为出现事故的数量；Yn为没有发生的事故；E为发生的事故；Q为事故产生的后果；P（E／Yn）为发生事故的概率；S（Q／E）为事故后果的严重程度。

2.2 效用理论

效用理论是指一种主观满意程度，已经广泛应用于风险决策中，本文中采用效用函数来描述损失造成的不满意程度，即事故给配电网造成的影响程度，假设事故为θ，f（θ）为事故造成的影响程度。随着事故程度的加剧，事故造成的影响程度也在加剧，事故造成的影响程度加深的速度也在加剧，即f′（θ）＞0，f″（θ）＞0。f′（θ）＞0表示随着事故程度的加深，事故造成的影响程度也在加剧，f″（θ）＞0表示事故造成的影响程度加深的速度也在加剧。因此效用函数可以采用指数形式进行表达：

3 基于层次分析的安全风险评估策略

3.1 风险指标体系

风险指标能够将被评估对象面临的风险情况进行数据量化。由风险发生的概率和造成的影响程度来描述，配电网出现故障时，可能会引起低电压风险、过负荷风险、失负荷风险。

1）低电压风险：反映的是配电网故障引起的母线电压降低的可能性及其影响程度。假设母线m的电压为Um，U0为母线电压的阈值，则母线电压偏移便可以表示为：

由此得到整个配电网的低电压影响程度为：

式中，N为配电网母线的数量。低电压影响程度随着母线电压的升高而降低。

2）过负荷风险：过负荷反映的是线路中流过的电流超过其允许输送能量的阈值，决定线路的过载严重程度。由于配电网普遍都呈现辐射状的主电路结构，越接近配电网的末端，电流就越小，发生过负荷的可能性就越低，末端电流的情况也能够反映首端电流的情况，因此研究中只考虑首端的过负荷情况。假设发生故障后，线路m的电流为Im，I0为母线电压的阈值，则线路电流过载便可以表示为：

由此得到整个配电网的过负荷影响程度为：

式中，N为配电网馈线的数量。过负荷影响程度随着电流的升高而升高。

3）失负荷风险：配电网中，失负荷分为两种情况，即故障隔离引起的失负荷和由配电网辐射状结构引起的失负荷。故障隔离引起的失负荷可以通过负荷转移尽量减小影响程度，在负荷转移上，由配电网的拓扑结构和配电网的负荷承载量进行约束，得到数学表达式：

约束条件为：

3.2 风险值计算方法

本文对单项风险指标进行了研究，假设存在向量σ＝（σ1，σ2，…，σn）T为单项风险指标向量，n为事故的数量，σi为单个事故的风险指标，则得到单项风险指标为：

本文从低电压、过负荷、失负荷三个方面对配电网采用层次分析法进行风险评估，得到综合风险参数为：

4 基于零序电流瞬态能量法的单相接地故障稳态特性分析

当其中某线路出现单相接地故障时，由于有灭弧线圈的存在，在接地点处的电阻与大地之间的电流通路中的电流可以分为感性分量和容性分量，则灭弧线圈中产生的电流为：

5 实例验证

基于IEEE-33节点构建配电系统进行算法验证，如下图所示为配电网的电路结构，配电网的三相功率基准参数为SB＝100MVA，线电压基准为11kV，分布式电源接入节点31位置，输出功率150kW，输出电流15A。

图 基于IEEE-33节点的配电网架构

原系统出现故障的分析结果如表1所示。

表1 原系统出现故障的分析结果

含有分布式发电单元时出现故障的分析结果如表2所示。

表2 含有分布式发电单元时出现故障的分析结果

（续）

切除联络线22-12后含有分布式发电单元时出现故障的分析结果如表3所示。

表3 切除联络线22-12后含有分布式发电单元时出现故障的分析结果

6 结束语

本文首先构建风力发电单元、光伏发电单元、储能单元、燃气发电单元的数据模型，并以此为基础提出基于层次分析的风险评估策略，根据效用理论和风险理论建立基于分布式电源的安全风险评估指标架构，该安全风险评估指标体系涵盖低电压风险、过负荷风险和失负荷风险三个主要方面。经过实际运用验证，本文提出的控制策略能够对不用故障所造成的影响程度进行科学合理的定量评估，能够为配电网的规划和运营维护提供科学的参考意见，适合进行大规模的推广应用。