有源智能配電網供電安全性與脆弱性的研究

張龍斌　袁瑤　孟晗輝

摘 要：針對分布式電源在智能配電網中的影響，該文著重分析了配電網現有變化，以及這些變化在配電網安全性與脆弱性評估產生的新挑戰，并且研究了蒙特卡洛仿真法在配電網絡概率指標計算中的應用。

關鍵詞：分布式電源 智能配電網 蒙特卡洛法 安全性 脆弱性

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0015-02

隨著工業時代的快速發展，世界各國政府都在不同程度的鼓勵倡導發展可再生能源，以解決全球環境問題。這些新能源的利用，已經成為人類社會節能減排、綠色低碳生活的重要手段。其中風能和太陽能得到了飛速的發展，逐漸出現了小功率安裝。由于公眾的積極參與，形成了按總體平均功率量化的風電場和太陽能發電場。

大力改善分布式發電并網的目標是不斷吸收新的發電容量，又能確保電力系統的穩定運行。然而事實上，配電網原本不是用來直接接入發電廠的，更況且這些發電還是隨機的、間歇性的、不可調度的。因此，大多數新能源發電方式給配電網運行帶來了安全性和脆弱性的問題，配電網的相關評估方法也不得不適應這些變化。

1 分布式電源對智能配電網供電質量的影響

當配電網接入分布式電源后，電網結構將由單電源輻射型網絡變成了遍布電源和用戶互聯的網絡。如果只是引入少量的分布式電源對整個電網不會構成太大的影響，然而，當電網中存在較多的分布式電源單元時，將對電壓質量、供電可靠性、線損等都會產生較大影響。

1.1 分布式發電對配電網電壓分布的影響

分布式電源接入配電網后，在穩態情況下，由于饋線上減少了傳輸功率以及其輸出無功功率，使得并網點附近出現電壓提升。電壓被抬高的程度與其安裝位置和容量大小有關。分布式電源總出力越多，與負荷的比值越高，電壓提升的幅度就越大，整體電壓水平就越高；安裝點越接近系統母線，對線路電壓分布的影響越小；安裝位置如果集中在同一節點，對電壓的提升效果要小于分布在多個節點上的情況。同步發電機型設備的并網對系統靜態電壓穩定性具有負面影響，異步發電機型設備和逆變器型設備并網能改善系統的靜態電壓穩定性。因此，合理的規劃分布式電源接入位置、接入容量，以及有效的協調其輸出有功、無功的配比，就能使其對配電網電壓，尤其是末端電壓起到良好的支撐作用。

1.2 分布式電源對配電網頻率的影響

在正常運行工作狀態下，整個電力系統在任意瞬間的頻率都應該是相同的。頻率反應了同步發電機組的轉速，有功功率的供需平衡確保了頻率的穩定性，改變負荷容量或者發電機功率都可以改變頻率。對于風力發電機組來說，或者通過改變出力來參與調頻調節，或者通過增加儲能來獲得功率儲備。目前尚無明確要求風力發電機組參與調頻，只要它們的裝機容量還保留有邊際功率，它們就很少影響系統的頻率穩定。

1.3 分布式電源對配電網電壓波動的影響

分布式電源引起配電網電壓波動的原因在于其輸出的功率波動很大，不確定性高。對于自然能發電系統來說，外界能源輸入的變動是重要原因；對于熱電聯產機組，供熱要求的變動會引起輸出功率改變；分布式電源的調度和運行由設備產權所有者控制，可能會出現隨機啟停機組；異步發電機在運行過程中需要吸收無功功率，采用異步發電機的大容量風力發電機組要配置動態無功補償設備以抑制電壓波動。此外，控制器的算法和參數設定也可能導致輸出功率變動，帶有良好控制系統的逆變器，能夠很好的實現恒功率電壓源外特性，減少其不良影響。

1.4 分布式電源對配電網網絡損耗的影響

分布式電源的位置、容量與負荷的相對大小以及電網的拓撲結構等因素都能影響網損。當其容量較小時，接入點的位置越靠近負荷中心，網損呈下降趨勢；而當其容量大到某一限度時，網損開始增加，甚至會大于并網前的網損。所以，引入分布式電源既可以增大網損，也可能減少網損。

1.5 分布式電源對配電網諧波的影響

很多分布式電源是通過逆變器接入配電網的，電子開關器件頻繁的開斷可產生開關頻率附近的諧波分量，功率變換器的設計結構決定了諧波的類型和嚴重程度，其中以IGBT為基礎的逆變器在正常運行時能輸出較高質量的電壓波形。而且，分布式電源的總容量占總負荷的比例越高，對諧波的影響越大；其安裝位置越接近線路末端，電壓波形畸變也越嚴重。

2 分布式電源對智能配電網繼電保護的影響

分布式電源接入配電網后，單一電源輻射型網絡變成雙端或多端網絡，潮流分布及故障電流的幅值與方向都會發生改變。這些變化會給繼電保護的配置變得更復雜，主要表現為：（1）分布式電源提供的故障電流降低了所在線路保護的測量值，使相應的保護不能啟動；（2）相鄰線路發生故障時，分布式電源提供短路電流，使其所在的線路檢測到電流越限，從而引起保護誤動作；（3）如果某地區的分布式電源容量很大，將導致故障電流有大幅度的變化，因此必須提高其斷路器的容量，并且調整相應保護的整定值；（4）大容量分布式電源并網使電壓升高很多，而在其退出后又導致線路電壓越下限，因此必須考慮電壓調整的問題。

目前，我國對含有分布式電源的配電網繼電保護的研究還處于探索階段，主要有如下研究方向：對配電網絡進行合理調整，減少分布式電源對保護的不利影響；研究分布式發電設備本身的特點，提出新的保護配置理論；研發新型的繼電保護設備。

3 分布式電源對智能配電網自愈的影響

故障后快速恢復供電是智能電網自愈的基本要求。在故障恢復過程中，分布式電源的首要作用是支持電網從故障后到恢復正常的“黑啟動”過程，其次為重要負荷提供持續供電的“孤島”模式。按照故障后分布式電源的狀態可以將孤島分為計劃孤島和非計劃孤島兩種類型。其中，非計劃孤島是一個沒有條件控制的網絡，發電和供電之間存在功率不平衡，孤島電網中沒有電壓、頻率控制，所以其特性是不確定的。非計劃孤島對配電網的自愈也將產生不利影響：非計劃孤島的電壓和頻率得不到有效的控制，無法保障用戶的供電質量，而且還有可能損壞用電設備；系統故障后需要維修線路，而由于分布式電源的存在，將對線路檢修人員造成不可預計的人身危險；非計劃孤島重新并網時，有可能會對外部電網造成沖擊，也有可能損壞孤島系統內部的發電設備。endprint

4 智能配電網安全性與脆弱性評估方法

對電網安全性、脆弱性評估的概率指標很多，其中包括年平均故障率、平均修復時間、年平均停電時間等等。從計算方法上可以分成以客戶為導向的指標和以能源為導向的指標兩種類型。以能源供給為導向的計算指標有：未提供能源指數和平均未提供能源指數。以客戶為導向的計算指標有：平均停電時間（配電網中運行的客戶在一年時間內的平均停電次數）、平均停電持續時間（電網中運行的用戶在一年內經受的平均停電持續時間）、客戶平均停電頻率指標（每個受停電影響的客戶在一年時間里面經受的平均停電次數）、客戶平均停電持續時間指標（在一年中被停電的客戶所經受的平均停電持續時間）。

為了計算安全性與脆弱性指標，一般有解析法和隨機仿真法。解析法給出系統的數學簡化模型，由數學方法直接計算出指標。隨機仿真法是將問題處理為一連串的仿真實驗，當事件發生時，它通過記錄事件的次數來評估概率指標。隨機仿真方法很多，其中經常使用的是蒙特卡洛法，其一般算法包括六個方面的內容：（1）概率密度函數；（2）隨機數發生器；（3）采樣原則（規定采樣方法）；（4）將仿真結果的和累積；（5）評估誤差；（6）減小方差（用來減少給定精度下的計算時間）。蒙特卡洛仿真法可以得到每個用戶的概率指標，為了提高計算效率，可以將供電層次和區域相同的用戶集合起來計算。

對分布式發電設備而言，當配電網出現故障后，可以作為后備電源啟動，這樣就極大地提高了供電的可靠性，從而改善系統的安全性與脆弱性指標。分布式電源安裝位置越接近客戶端，相關指標改善的效果就越好。

5 結語

分布式電源影響了配電網的運行的安全性，同時也帶來了許多供電質量問題，并將在未來幾十年內更為明顯，可能需要重新考慮配電網的運行規則，甚至是改變配電網的結構。與此同時，配電網安全性與脆弱性的評估方法也逐步完善，以找到可靠性水平與投資成本的最佳結合點。在供電安全性與脆弱性指標研究方面，蒙特卡洛方法的地位越來越重要，而且隨著計算量呈指數增加，該方法很可能成為主流研究方法。蒙特卡洛仿真法不必為每個用戶分別建立研究模型，就可以計算出完整的概率評估指標。也可以將蒙特卡洛法與解析法結合起來，根據系統的詳細程度和計算速度要求，對電網進行分區處理，以達到更好的計算效果。

參考文獻

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