微網對城市配電網接線模式可靠性的影響

龔小雪，程浩忠，陳 楷，李子韻

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.南京供電公司，南京 210019）

微網（micro grid），也稱微電網，是將分布式電源、負荷、儲能裝置及控制裝置等有機結合，形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能和熱能。微網既可與大電網聯網運行，也可在電網故障或需要時與主網斷開孤島運行[1，2]。按照范圍、大小和所有權不同，微網具有多種形式，可以分為單元級，多單元級、饋線級和變電站級[3]。

微網采用了大量先進的現代電力技術，如快速的電力電子開關與先進的變流技術、高效的新型電源及多樣化的儲能裝置等，可以提高重要負荷的供電可靠性、滿足用戶定制的多種電能質量需求、更好地發揮分布式電源的作用。微網通過一個公共連接點（point of common coupling，PCC）與大電網連接，它可以看作電網中一個可控的單元，可以在數秒內反應來滿足外部輸配電網絡的需求；對于用戶來說，微網可以滿足他們特定的需求，增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，通過利用余熱提供更高的效率，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。目前對微網的研究受到國內外學者的高度重視，其主要研究方向包括微網系統中的并網、保護與通信技術、微網系統的規劃設計、運行控制與能量管理、系統建模與仿真等[4]。隨著微網技術的發展和成熟，它將成為可再生能源綜合利用最有效的方式。

文獻 [5]針對不同負荷密度和不同變壓器容量、臺數的組合，對不同網架結構進行了可靠性和經濟性的定量分析比較研究；文獻[6]從經濟性、可靠性、網損率和母線電壓水平等方面對城市中壓10 kV配電網絡常用接線模式進行了分析比較和研究；文獻[7]引入分布式電源以后，結合配電網孤島運行方式，對傳統可靠性計算中的最小路法進行改進，使之適用于含分布式電源的配電網供電可靠性分析計算。文獻[8]建立了接線模式對比因素體系和研究思路，并構建了理論分析模型。從可靠性、電壓質量、經濟性和適應性等角度全面分析和對比各類城市中壓配電網典型接線模型的優缺點，為電網規劃運行人員提供了實際指導。

上述文獻通過建立評估模型，從不同角度比較了城市配電網接線模式的差異，并提出了不同接線模式適用的供電區域，但均未涉及微網的加入對接線模式的影響。微網作為配電網的一部分，隨著其數量和規模的不斷擴大，會影響配電網的規劃，而其中對接線模式的影響將是一個非常重要的方面。為此，本文結合微網的特性，考慮基于微網的配電網接線模式研究，對典型接線模式進行定量分析，提出符合微網供電要求的接線模式及微網接入方式的相關建議。

1 典型配電網接線模式分析

配電網接線模式類型多樣，各種結構有其各自的使用條件、應用范圍及優缺點，使用時要充分考慮安全可靠性、經濟性、操作靈活性及可發展性等多個因素。常見的配電網接線模式包括輻射狀結構、不同母線出線的環式接線、不同母線出線連接開關站接線、中介點放射狀、T型接線，“3-1”主備接線等多種模式[9]。本文考慮到微網用戶大多作為重要電力負荷往往處于城市中心，這里選取幾種典型中壓配電網的接線模式進行分析。

1.1 單電源輻射接線

如圖1所示，單電源輻射接線的優點是比較經濟，配電線路較短，投資小，新增負荷時連接也比較方便，但其缺點主要是線路故障會導致全線停電，當電源故障時也將導致全線癱瘓。故障影響時間長、范圍較大，供電可靠性較差。

圖1 單電源輻射狀接線Fig.1 Radial connection mode of single power source

如果在含微網的配電網規劃中使用該接線結構，那么微網的接入形式可以是圖1中所示的任意一個或多個負荷點（圖中MG表示可以形成微網的負荷點）。此時該結構不但具有傳統輻射狀接線模式的優點，同時還可以通過微網的孤島運行能力，提高微網內重要負荷的供電可靠性。

1.2 不同母線環式接線

圖2所示為不同母線（變電站）出線的環式接線，在兩回線路的末端設置一聯絡開關，每回線路的負載率為50%。這種接線模式適用于負荷密度較大且供電可靠性要求高的城區供電，其最大優點是可靠性比單電源輻射接線模式大大提高，接線清晰，運行比較靈活。

圖2 不同母線環式接線Fig.2 Ring connection of different bus

結合微網的接入及合理的控制，可靠性必然可以得到進一步提升，但因為其線路利用率較低，線路投資原本就比單電源輻射接線大的情況下，加上微網的相關投資費用，其經濟性相對較差，所以在具體選擇的時候需要視情況綜合考慮是否選擇該接線。

1.3 不同母線出線連接開關站接線

雙電源出線連接開關站接線，開關站兩回進線互為備用，其出線可根據用戶的實際要求選擇是否采用雙電源供電。此接線主要應用于負荷中心距電源較遠、出線較多、線路走廊困難的情況。特殊情況下，開關站出線間也可以形成小環網，進一步提高可靠性，如圖3所示。

如果在使用這一接線模式的供電區域中結合微網，可靠性進一步提高，并且其投資相比不同母線出線的環式接線相差不大。由于開關站出線可以呈放射狀，也可以形成小環網，其結構簡單靈活，可靠性也能得到保障，因此該接線模式也具有廣闊的應用空間。

圖3 不同母線出線連接開關站接線Fig.3 Switch substation connection of different bus

2 可靠性評估指標及方法

2.1 可靠性評估指標

常用的可靠性評價指標有：系統平均供電可用率（average service availability index，ASAI）、系統平均斷電頻率指標（system average interruption frequency index，SAIFI）、系統平均斷電持續時間（system average interruption duration index，SAIDI）等[10，11]。傳統的指標計算中若負荷點i故障，則該點的用戶數全部停電，然而若該處形成微網，由于其孤島運行能力，保證一部分重要負荷繼續供電，則相應的可靠性指標計算公式如下。

（1）系統平均停電持續時間（h/（戶·a）），即一年中用戶的停電持續時間總和除以該年中由系統供電的用戶總數來估計，即

（2）系統平均供電可用率，即一年中用戶經受的不停電時間總數與用戶要求的總供電時間之比，即

式中：Ui為負荷點i的平均停電時間；Ni為負荷點i的用戶數，ni為負荷點i由于微網接入，在i點故障時通過孤島運行維持繼續供電的用戶數。那么此時負荷點i故障的實際停電用戶數為Ni-ni。若沒有接入微網，則ni=0，即為傳統計算相關指標的公式。

2.2 可靠性計算方法

本文基于負荷均勻分布建立模型，所分析的結構及規模均不復雜，因此采用了解析法中的故障模式影響分析法。即以段作為負荷轉移的最小單位，以每一個線路元件為對象，分析每一個基本故障事件及其后果，然后結合元件的可靠性數據，如故障率、故障排除時間[12]等，求得所有的故障狀態，綜合形成系統可靠性指標。其基本步驟如下。

（1）產生（或枚舉）系統網絡可能的故障事件；

（2）每一個故障事件，進行系統網絡的行為分析，形成系統網絡的失效事件集；

（3）根據所形成的“系統網絡的失效事件集”，結合元件的可靠性數據，累積形成系統可靠性指標。

以圖1為例，假設負荷沿線路均勻分布，總用戶數為N，線路的分段數為k，則線路的用戶停電時間計算式為

式中：R為供電半徑，km；λL為線路的平均故障率，次/km·a；λb為分段開關的故障率，次/a；λMG為微網故障率；t0為線路的平均修復時間，h/次；t1為線路的倒閘時間h/次；t2為分段開關的修復時間，h/次；t3為微網故障的修復時間，h/次。

3 可靠性模型建立

為了實現各種接線模式并計算相應的可靠性，實際中需要確定相應的規劃區域及街道、負荷分布情況等。然而作為理論性分析，為計算的方便且不失一般性，做模型的以下邊界條件假設[13]。

（1）供電區域設為圓形且負荷均勻分布；

（2）電源容量及負載率。這里中壓配網的上級電源統一取110 kV變電站，容量取3×40 MVA，主變負載率為66.7%。同一方案中各個變電所的變壓器容量、臺數和負載率均相同；

（3）接線模式負載率。接線模式均取其最高負載率，單電源輻射狀接線負載率取為100%，不同母線出線的環式接線負載率取為50%，不同母線出線連接開關站接線中的開關站每回進線負載率取為50%；

（4）變電站功率因數統一取為0.95；

（5）不考慮微網內部結構，微網自身具有一定的故障率；各種接線模下，微網的容量、分布相同；

（6）不考慮微網從并網到孤島運行的時間，即可以無縫過渡；

（7）所有斷路器和聯絡開關均能成功動作，不考慮拒動情況；

（8）連接開關站接線中不考慮開關站出線后形成小環網的情況。

在以上假設條件下，形成各種接線的最優布線，統一線路型號及各元件故障率，故障修復時間，通過故障模式影響分析法計算可靠性指標。

4 計算結果及分析

4.1 微網接入容量不同

假設所有負荷點能均勻形成微網，且微網孤島運行時能繼續供應該負荷點15%和30%的用戶，即式（1）和式（2）中 ni分別為 15%Ni、30%Ni，根據故障后果模式分析法對上述接線模式計算結果（ASAI）如表1所示。

從表中可以看到形成微網后，不同接線模式的可靠性均有不同程度的提高，而且微網容量越大，可靠性提升越高。

保持線路和分段開關的故障率不變，如果考慮微網自身的故障率，則系統的可靠性反而可能降低，所以這就要求微網容量不能太小，也就是說微網加入后對可靠性的提升程度要大于因微網自身故障引起的可靠性的降低程度。

表1 不同微網容量下的ASAI對比Tab.1 Comparison of ASAI with different MG capacity%

假設每個微網綜合故障率為0.02次/a，每次修復時間為1 h，并以放射狀接線為例，帶入式（3）可以計算得出，當ni=8.03%Ni時，其供電可用率指標與不接入微網時相同。可見，接入微網的容量不能小于該值。不同接線模式的下限值不同，該值大小與微網數量，微網的故障率，修復時間相關。

4.2 微網接入位置不同

各種接線模式中，微網接入位置不同的可靠性計算結果如表2所示，其中僅有MG1表示在且僅在距離母線或者開關站最近的負荷點形成微網，MG2和MG3分別表示在較遠和最遠處形成微網。

表2 微網接入位置不同下ASAI對比Tab.2 Comparison of ASAI with different MG position%

4.3 結果分析

從表1和表2得出以下結論。

（1）所計算的三種接線模式中放射狀接線模式可靠性最低，其次為不同母線環式接線，不同母線出線連接開關站最高。

（2）接入相同容量的微網，且微網分布方式相同的情況下，對放射狀接線的可靠性提高最為明顯。其原因是放射狀接線只能從一端獲得電源，一旦線路發生故障，其后面整條線路均失電，而微網接入后，通過它的孤島運行能力使分布式電源成為了它的“備用”，從而很好地提高了其可靠性。

（3）微網接入容量越大，對可靠性提升越高。考慮微網自身的故障率，則微網的接入容量不能太小，從而保證其對系統可靠性提高程度大于因其自身故障率引起的可靠性降低程度；另外，實際中還要考慮微網接入的成本，同時要考慮分布式電源對電網穩定性的影響，即微網的滲透率應控制在一定范圍內，確保配網的安全穩定。最終通過綜合考慮以上因素來確定微網的接入容量。

（4）微網的接入位置對可靠性也有一定影響。對于放射狀接線，負荷均勻分布情況下，相同容量的微網接入距離母線較遠的負荷點，其可靠性提高大，這是因為放射狀接線中越是線路末端故障率越高，前面任何一條線路的故障都會引起其停電。如果不考慮負荷的重要程度，那么將微網接入放射狀接線模式的末端性價比是最高的。

（5）同樣，在連接開關站的情況下，不考慮開關站出線形成小環網的情況，那么相同容量的微網接入距離開關站越遠的負荷點對系統可靠性提高越大。

（6）在環網接線中，微網的接入位置對整體可靠性影響并不明顯，其原因是任一負荷點均可通過聯絡線及開關倒閘從不同電源獲得供電，在這種情況下，不同位置的微網接入對可靠性的影響原因主要來自分段開關和聯絡開關之間的動作時間差異，比如圖2中MG1處故障，MG2可通過聯絡開關閉合繼續獲得供電，若MG2處故障，只需將它與MG1間的分段開關斷開，MG1可繼續獲得供電。兩者的動作時間差相比線路修復時間小很多，固對整個網絡的可靠性影響很小。

5 結語

微網技術正在不斷的發展和成熟，傳統配電網的接線模式是否仍然合適已經成為配網規劃者備受關注的問題之一。本文從城市配網的接線模式出發，結合微網的特性，對比計算了放射狀接線、不同母線出線的環式接線和不同母線出線連接開關站的接線之間的差異。從計算結果看出盡管放射狀接線模式的可靠性最低，但其經濟性最好，且加入微網后可靠性提升最明顯，其今后很可能成為含微網的配電網重點關注的接線模式。對于微網的接入容量，需要充分考慮微網自身的故障率、微網的造價、網絡安全以及期望達到的可靠性水平，共同確定微網的最終接入容量。同時，對于微網的接入位置，一方面需要考慮圍繞重要負荷來規劃，另一方面，可以考慮建在線路較長、可靠性較差的供電區域末端，從而獲得更高的性價比。

[1]魯宗相，王彩霞，閔勇，等（Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al）.微電網研究綜述（Overview on microgrid research） [J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（19）：100-107.

[2]盛鹍，孔力，齊智平，等（Sheng Kun，Kong Li，Qi Zhiping，et al）.新型電網-微電網（Microgrid）研究綜述（A survey on research of microgrid-a new power system）[J].繼電器（Relay），2007，35（12）：75-81.

[3]Bose S，Liu Y，Bahei-Eldin K，et al.Tieline controls in microgrid applications[C]//IREP Symposium-Bulk Power System Dynamics and Control，Charleston，USA：2007.

[4]丁明，張穎媛，茆美琴（Ding Ming，Zhang Yingyuan，Mao Meiqin）.微網研究中的關鍵技術（Key technologies for microgrids being researched）[J].電網技術（Power System Technology），2009，33（11）：6-11.

[5]葛少云，郭明星，王成山，等（Ge Shaoyun，Guo Mingxing，Wang Chengshan，et al）.城市高壓配電網接線模式比較研究（Comparative study of connection modes in high-voltage distribution networks）[J].電力自動化設備（Electric Power Automation Equipment），2004，24（2）：33-37.

[6]陳庭記，程浩忠，何明，等（Chen Tingji，Cheng Haozhong，He Ming，et al）.城市中壓配電網接線模式研究（Research on connection modes of urban middle voltage distribution networks）[J].電網技術（Power System Technology），2000，24（9）：35-38.

[7]劉傳銓，張焰（Liu Chuanquan，Zhang Yan）.計及分布式電源的配電網供電可靠性 （Distribution network reliability considering distribution generation）[J].電力系統自動化 （Automation of Electric Power Systems），2007，31（22）：46-49.

[8]謝曉文，劉洪（Xie Xiaowen，Liu Hong）.中壓配電網接線模式綜合比較（Integrated contrast on connection modes of mid-voltage distribution networks）[J].電 力 系 統 及 其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（4）：94-99.

[9]程浩忠.電力系統規劃 [M].北京：中國電力出版社，2008.

[10]郭永基.電力系統可靠性原理和應用[M].北京：清華大學出版社，1986.

[11]Roy B.Reliability Evaluation of Power Systems[M].New York：Plenum Press，1996.

[12]吳開貴，王韶，張安邦，等（Wu Kaigui，Wang Shao，Zhang Anbang，et al）.基于RBF神經網絡的電網可靠性評估模型研究（The study on reliability assessment of electrical power systems using RBF neural network）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2000，20（6）：9-12.

[13]謝瑩華，王成山，葛少云，等（Xie Yinghua，Wang Chengshan，Ge Shaoyun，et al）.城市配電網接線模式經濟性和可靠性分析（Economy and reliability analysis of connection modes in urban distribution networks）[J].電力自動 化 設 備 （Electric Power Automation Equipment），2005，25（7）：12-17.