含風(fēng)電場(chǎng)的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估研究

楊 勁，肖文成，楊 飛

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006)

風(fēng)能具有無(wú)污染、可再生、成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，但它的隨機(jī)性和不可調(diào)度性對(duì)電網(wǎng)可靠性和電能質(zhì)量帶來(lái)了不可忽視的負(fù)面影響。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量和所占比例的增大，尤其是大量新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投入使用和多個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)直接并入配電網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)［1］。因此，迫切需要研究多風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的影響，這對(duì)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［2］。

考慮到風(fēng)能的隨機(jī)特性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)率等不確定因素，用概率性方法統(tǒng)計(jì)風(fēng)力發(fā)電概率成本較為合理。風(fēng)電接入配電網(wǎng)可靠性分析方法可分為模擬法和解析法，評(píng)估含風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)時(shí)，模擬法具有足夠的可行性，而解析法不能很好地模擬風(fēng)速隨時(shí)間的隨機(jī)變化和反映真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，適用于電力系統(tǒng)的規(guī)劃研究。文獻(xiàn)［3］分別運(yùn)用了序貫蒙特卡羅法和解析法計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)容量可信度，并提出在模擬復(fù)雜系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析中蒙特卡羅模擬法更加適用。文獻(xiàn)［4－5］計(jì)及氣候因素對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，采用了蒙特卡羅法模擬天氣的隨機(jī)變化進(jìn)行分析建模。文獻(xiàn)［6］運(yùn)用FMEA計(jì)算了含多風(fēng)電場(chǎng)的地區(qū)電網(wǎng)可靠性指標(biāo)，但它未計(jì)及氣候因素對(duì)元件故障率的影響。

本文從普通配電網(wǎng)可靠性評(píng)估入手，在綜合分析各種影響配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估精度的因素基礎(chǔ)上，建立了計(jì)及開(kāi)關(guān)元件拒動(dòng)和元件氣候因素的兩狀態(tài)可靠性參數(shù)修正模型，將此模型和FMEA法應(yīng)用于含風(fēng)電場(chǎng)的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，研究了基于孤島模式下的含多風(fēng)電場(chǎng)的配網(wǎng)系統(tǒng)可靠性，并根據(jù)孤島劃分模型將系統(tǒng)負(fù)荷劃分為孤島內(nèi)和孤島外，研究了不同孤島劃分對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

1 風(fēng)電場(chǎng)的可靠性模型

由于風(fēng)速的隨機(jī)性，可以把風(fēng)電場(chǎng)出力等效為在0～Pmax之間變化的隨機(jī)函數(shù)［7－8］。風(fēng)電機(jī)組出力Pt與風(fēng)速Vt的關(guān)系可由下式近似表示:

式中:Pt為風(fēng)電機(jī)組出力;Vi、Vr和Vo分別表示風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速;Pr為風(fēng)電機(jī)組額定功率;參數(shù)a、b的表達(dá)式為

根據(jù)風(fēng)速大小的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律來(lái)描述一個(gè)地區(qū)風(fēng)速大小的分布函數(shù)有很多，但普遍認(rèn)為威布爾(Wei－bull)分布雙曲線［9］最適合用于描述風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的概率密度函數(shù)，其表達(dá)式為

式中:v為作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速;k和c分別為威布爾分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

根據(jù)式(1)可以得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為P時(shí)的概率密度函數(shù)［10］，其表達(dá)式為

此概率密度函數(shù)為一個(gè)分段函數(shù)，其函數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率對(duì)應(yīng)的概率曲線Fig.1 Probability curves corresponding wind generator output power

當(dāng)只有風(fēng)電機(jī)組對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電時(shí)，負(fù)荷為p，風(fēng)電機(jī)組若滿足負(fù)荷需求，就必須要求其輸出功率大于負(fù)荷p，也就是其輸出功率要落在圖1所示的陰影部分區(qū)域內(nèi)，這部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)的供電概率為

2 配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

配電系統(tǒng)可靠性是指供電點(diǎn)到用戶，包括變電所、高低壓線路和接戶線在內(nèi)的整個(gè)配電系統(tǒng)及設(shè)備，按可接受標(biāo)準(zhǔn)及期望數(shù)量滿足用戶電力及電能量需求能力的度量［11］。系統(tǒng)可靠性主要指標(biāo)如下:

系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)為

系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間為

用戶平均停電持續(xù)時(shí)間為

平均供電可用率指標(biāo)為

系統(tǒng)缺供電量指標(biāo)為

式中:λi和W1、W2和W3分別為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶停運(yùn)率和用戶數(shù);Ui為負(fù)荷點(diǎn)i平均年停運(yùn)時(shí)間，h/a;Pai為負(fù)荷點(diǎn)i的平均負(fù)荷，kW。

負(fù)荷側(cè)可靠性指標(biāo)如下:

用戶平均停電時(shí)間為

用戶平均停電頻率為

平均停電持續(xù)時(shí)間為

式中:Prk為故障k發(fā)生的概率;fraci.k是故障i，k的相關(guān)系統(tǒng)，0 ≤ fraci.k≤ 1。

3 元件的氣候兩狀態(tài)等效模型

在傳統(tǒng)可靠性評(píng)估中，未考慮暴風(fēng)雪、冰凍、咫風(fēng)等災(zāi)害氣候?qū)﹄娏ο到y(tǒng)可靠性的影響，其可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果不符合實(shí)際情況，存在很大誤差。現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，元件故障發(fā)生在惡劣天氣的概率相比正常天氣大的多。因此，在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中考慮天氣變化對(duì)可靠性的影響十分必要［12］。

將天氣變化等效為正常天氣和惡劣天氣的隨機(jī)過(guò)程，在時(shí)間T內(nèi)天氣隨機(jī)變化的情況如圖2所示。

圖2 天氣隨機(jī)變化圖Fig.2 Stochastic weather change diagram

正常天氣的期望持續(xù)時(shí)間為N=∑ni/T，惡劣天氣的期望持續(xù)時(shí)間為S=∑Si/T。統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)正常天氣和惡劣天氣期望時(shí)間值如圖3所示。

圖3 統(tǒng)計(jì)時(shí)間T兩種天氣持續(xù)時(shí)間的期望值Fig.3 Two weather duration expectations in statistical time T

元件的平均故障率可以表示為

設(shè)惡劣天氣下發(fā)生故障的概率為0≤F≤1，則由式(2)可知

本文采用蒙特卡羅模擬方法，對(duì)元件所處的天氣狀況隨機(jī)抽樣，建立相應(yīng)的元件氣候等效模型。

4FMEA法原理

FMEA法是解析法中最經(jīng)典的方法［13］，F(xiàn)MEA法根據(jù)選定的可靠性準(zhǔn)則將配電系統(tǒng)劃分為故障狀態(tài)和正常運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)各種預(yù)想故障狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的可靠性影響，計(jì)算出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。在分析過(guò)程中，一般以連續(xù)性作為準(zhǔn)則，供電連續(xù)性遭到破壞即為故障狀態(tài)，否則為正常。FMEA法具體流程是:首先根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖建立故障模式影響分析表，分析各個(gè)元件故障概率及停運(yùn)時(shí)間并確定該故障的影響范圍;然后做出綜合考慮分析;最后計(jì)算出系統(tǒng)和負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。FMEA法的流程如圖4所示。典型的FMEA分析法的故障模式影響分析表如表1所示。

圖4FMEA法流程圖Fig.4 FMEA method flow diagram

表1 典型FMEA分析表Tab.1 Typical FMEA analysis table

5 IEEE RTBS算例分析

5.1 算例數(shù)據(jù)

采用 IEEE－RBTS Bus6［14］系統(tǒng)為展開(kāi)可靠性評(píng)估研究算例模型，該系統(tǒng)包括30段線路、23個(gè)負(fù)荷點(diǎn)、23個(gè)熔斷器(裝設(shè)在各負(fù)荷支路首端)、21個(gè)隔離開(kāi)關(guān)、23個(gè)配變、4臺(tái)斷路器和1183戶用戶，如圖5所示，其中隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)間為0.5 h。

5.2 研究方案及結(jié)果分析

5.2.1 不含風(fēng)機(jī)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方案研究

方案1:不接入風(fēng)電場(chǎng)，不計(jì)斷路器和熔斷器拒動(dòng)的概率，不考慮氣候因素對(duì)元件故障率的影響。

方案2:不接入風(fēng)電場(chǎng)，計(jì)及斷路器和熔斷器拒動(dòng)的概率，不考慮氣候因素對(duì)元件故障率的影響，假設(shè)斷路器和熔斷器拒動(dòng)的概率為0.1。

圖5 RBTS－BUS6配電系統(tǒng)接線圖Fig.5 RBTS－BUS6 power distribution system wiring diagram

方案3:不接入風(fēng)電場(chǎng)，不計(jì)斷路器和熔斷器拒動(dòng)的概率，考慮氣候因素對(duì)元件故障率的影響，假設(shè)全年正常天氣241 d，壞天氣124 d，故障發(fā)生在壞天氣的概率為0.75，生成相應(yīng)的故障率天氣模型，分析氣候因素對(duì)配電系統(tǒng)的影響，修正后的元件故障參數(shù)如表2所示。

將上述3個(gè)方案計(jì)算結(jié)果匯總分析，3種方案下部分負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)如表3所示，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表4所示。

表2 修正后的元件故障參數(shù)Tab.2 Modified element fault parameters

表3 部分負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)Tab.3 Part of load point reliability index

表4 不同方案系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.4 System reliability index of different schemes

由表3、表4可以看到:

1)將方案1和方案2比較，考慮了斷路器和熔斷器拒動(dòng)后，負(fù)荷點(diǎn)及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)都有了明顯變化，但計(jì)及斷路器和熔斷器拒動(dòng)的概率，能更加真實(shí)地反應(yīng)配電網(wǎng)可靠性的實(shí)際情況。

2)將方案1與方案3相比，考慮了氣候條件，負(fù)荷點(diǎn)的停電率和停電時(shí)間都有了明顯升高，系統(tǒng)的年停電次數(shù)和停電時(shí)間都有一定程度的增加，而可用度卻降低了。因此，在考慮氣候因素下，對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估更加準(zhǔn)確。

5.2.2 風(fēng)電場(chǎng)接入位置的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方案分析

方案4:考慮氣候因素對(duì)元件故障率的影響，分別在區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3接入容量為1 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)僅滿足區(qū)域內(nèi)供電，接入饋線點(diǎn)分別是24、16、26，分析風(fēng)電場(chǎng)不同接點(diǎn)接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。

方案5:考慮氣候因素對(duì)元件故障率的影響，同時(shí)在區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3接入容量為1 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)僅滿足區(qū)域內(nèi)供電，接入饋線點(diǎn)分別是24、16、26，分析多風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。

部分負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)如表5所示，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表6所示。

由表5、表6可以看到:

1)將方案4結(jié)果與方案3結(jié)果比較，接入風(fēng)機(jī)后系統(tǒng)的年停運(yùn)率和停電時(shí)間指標(biāo)都有了明顯降低，系統(tǒng)的可用率有一定程度的優(yōu)化提升，說(shuō)明接入適量的風(fēng)機(jī)對(duì)提升系統(tǒng)的可靠性是十分可行的。從負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)對(duì)比來(lái)看，在風(fēng)機(jī)區(qū)域范圍內(nèi)的負(fù)荷點(diǎn)，可靠性指標(biāo)都有了一定程度優(yōu)化，負(fù)荷停電頻率有所升高，但平均停電時(shí)間和全年停電時(shí)間都明顯下降，這是因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)負(fù)荷受到風(fēng)機(jī)的故障率影響。而對(duì)于區(qū)域外的負(fù)荷點(diǎn)，可靠性指標(biāo)無(wú)變化。方案4中不同點(diǎn)接入風(fēng)電場(chǎng)，系統(tǒng)的可靠性變化也不一致，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)的接入位置對(duì)系統(tǒng)的可靠性提升有很大的影響。

2)將方案5結(jié)果與方案4相比較，多地區(qū)接入風(fēng)電場(chǎng)，負(fù)荷和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)都有了更好的優(yōu)化，說(shuō)明在配電系統(tǒng)中接入適當(dāng)容量的風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性提升更加明顯。

5.2.3 風(fēng)電場(chǎng)孤島劃分對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方案的影響分析

方案7:區(qū)域3饋線點(diǎn)25接入2 MW風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)并網(wǎng)線重合閘停用。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力滿足其等值負(fù)荷最大為原則，帶部分本地負(fù)荷形成孤島運(yùn)行，孤島內(nèi)負(fù)荷為 LP7、LP8、LP9、LP10、LP11、LP12、LP19、LP20、LP21、LP22、LP23。

表5 部分負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)Tab.5 Part of load point reliability index

表6 不同方案系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.6 System reliability index of different schemes

表7 不同方案系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.7 System reliability index of different schemes

方案8:在區(qū)域3饋線點(diǎn)25接入2 MW風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，故障時(shí)解列形成孤島，孤島外的負(fù)荷通過(guò)重合閘恢復(fù)供電。根據(jù)事先確定的解列點(diǎn)，將饋線25處的斷路器F7斷開(kāi)形成孤島，孤島內(nèi)負(fù)荷為L(zhǎng)P19、LP20、LP21、LP22、LP23。

方案9:在區(qū)域3饋線點(diǎn)25接入2 MW風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，故障時(shí)解列形成孤島，孤島外的負(fù)荷通過(guò)重合閘恢復(fù)供電。根據(jù)事先確定的解列點(diǎn)，將饋線10處的斷路器F8斷開(kāi)形成孤島，因?yàn)楣聧u內(nèi)負(fù)荷超過(guò)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量，所以減去負(fù)荷LP13，維持孤島穩(wěn)定運(yùn)行，孤島內(nèi)負(fù)荷為 LP8、LP9、LP10、LP11、LP12、LP19、LP20、LP21、LP22、LP23。

不同方案系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表7所示。

由表7可以看到:

1)方案7與方案1相比，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)都有明顯變差，這是因?yàn)椴⒕W(wǎng)線停用重合閘，使孤島外的負(fù)荷經(jīng)歷持續(xù)停電，降低了系統(tǒng)的可靠性，由此可見(jiàn)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)不一定能提高系統(tǒng)的可靠性。

2)方案8和方案9因線路瞬時(shí)性故障和永久性故障時(shí)，通過(guò)斷開(kāi)解列開(kāi)關(guān)形成孤島運(yùn)行，孤島外的負(fù)荷通過(guò)重合閘恢復(fù)供電，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。比較方案8和方案9，發(fā)現(xiàn)解列點(diǎn)不同時(shí)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)也不同，從系統(tǒng)可靠性方面來(lái)說(shuō)方案9比方案8好。因此為了使系統(tǒng)的可靠性達(dá)到最優(yōu)，需要預(yù)先規(guī)劃好解列點(diǎn)，預(yù)先完善系統(tǒng)的自動(dòng)控制措施和運(yùn)行方式。

6 結(jié)論

1)為了使仿真結(jié)果更加真實(shí)地反應(yīng)配電系統(tǒng)實(shí)際情況，分析了氣候因素、開(kāi)關(guān)元件拒動(dòng)對(duì)配電系統(tǒng)可靠性分析的影響。

2)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)配電系統(tǒng)的影響，分析了風(fēng)機(jī)不同節(jié)點(diǎn)、不同數(shù)量接入對(duì)可靠性的影響，并得出在配電系統(tǒng)中接入適量的風(fēng)電場(chǎng)能夠改善配電可靠性。

3)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，合理計(jì)劃孤島劃分，能更好地提高系統(tǒng)可靠性。

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