主動配電網運行模式對微電網可靠性的影響評估

孫鳴，駱燕，譚佳楠(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥市230000)

主動配電網運行模式對微電網可靠性的影響評估

孫鳴，駱燕，譚佳楠
(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥市230000)

主動配電網的提出為分布式電源的高滲透率接入提供了有效的解決方案，控制運行方式的改變使得主動配電網運行模式下微電網的運行與傳統微電網有所出入，分析了主動配電網運行模式對微電網可靠性的影響，構建元件的可靠性模型，探討了基于蒙特卡羅模擬的含微電網的主動配電網可靠性評估方法，并對改造后的IEEE RBTS系統進行可靠性評估，對比分析在不同情境下的系統可靠性。算例的評估結果表明，微電網在主動配電網的運行模式下更能提高其可靠性。

主動配電網;微電網;分布式電源;可靠性;蒙特卡羅方法

0 引言

分布式電源接入配電網越來越受到重視，不久的將來其一定會規模化接入配電網。隨著分布式能源的滲透率在電力系統各層級上的不斷提高，電力系統尤其是配電網的規劃和運行方式也變得相對復雜［1-2］。傳統的配電網最初設計時未考慮DG的接入，為實現DG的規模化、高滲透率接入，2008年國際大電網會議(CIGRE)配電與分布式發電專委會(C6)的C6．11項目組提出主動配電網的概念，即:可以綜合控制分布式能源(DG、柔性負載和儲能)的配電網，可以使用靈活的網絡技術實現潮流的有效管理，分布式能源在其合理的監管環境和接入準則基礎上承擔對系統一定的支撐作用［3］。目前國內外對于主動配電網的研究尚處于早期階段，文獻［4］介紹了主動網絡管理并驗證說明其是實現DG高滲透率接入的有效方式;文獻［1-2］、［5］均分析了主動配電網與傳統配電網、微電網的差異，且在此基礎上，文獻［1］提出了研究主動配電網時需要面臨的五大關鍵問題:電力負荷預測、需求側資源的技術特性、典型集成模式、優化規劃方法及投資的成本—效益分析，文獻［2］對當前主動配電網研究的可行技術進行了歸納和總結，文獻［5］則介紹了主動配電網的綜合規劃技術、分層分布協調控制技術、全局優化能量管理技術及成本效益分析這4個關鍵技術;文獻［6］在分析主動配電網面臨的困難基礎上，提出了功率流、電壓控制主動網絡管理的方案，并根據具體問題提出了解決方案及可能遇到的挑戰;文獻［7］提出了主動配電網的負荷及分布式發電的預測方法，且以此為基礎分析了新型負荷和分布式電源對主動配電網規劃的影響。由于主動配電網控制運行方式的改變，對其進行可靠性評估是必不可少的，文獻［8-9］基于蒙特卡羅模擬的可靠性評估方法對主動配電網進行可靠性評估。本文在分析主動配電網運行特性的基礎上，建立各元件可靠性模型，基于蒙特卡羅模擬方法研究了含微電網的主動配電網可靠性評估算法，并以改造的IEEE RBTS BUS6系統部分線路為例對比分析在不同情境下的系統可靠性。

1 主動配電網的運行特點

主動配電網是由電力企業管理的公共配電網，常態方式下配電網中的分布式電源并網運行，僅在緊急情況下通過合理配置解列點，使得在局部范圍內的分布式電源與相鄰負荷以非常態方式孤島運行，因此主動配電網是一種可以兼容微電網及其他新能源集成技術的開放體系結構［2］。主動配電網與傳統配電網相比有如下特點:(1)在技術標準上，因引入信息及通信技術和先進的計量設施技術，系統的運行更加靈活;(2)在管理模式上，由于智能通信技術的引入，可實現對需求側資源的整合及對系統資產的分散式管理［1］;(3)在網絡結構上，因分布式電源的接入系統變得有源化;(4)在潮流流向上由原本固定的單向流動向不確定的雙向轉變。除以上4點外，主動配電網中的微電網與傳統微電網的概念也不盡相同:并網運行時，傳統的微電網僅能實現區域內的自治，對微電源所發功率僅在網內進行消納，若所發電力過剩，只能降低其出力無法上送至配電網，而主動配電網則具有消納間歇式能源的調節能力［5］，若所發電力過剩可上送至配電網;當配電系統出現故障時，傳統的微電網強調快速無選擇性地跳開與大電網相連的PCC點處開關，主動配電網則需根據不同的故障情況實時判斷動作。

2 主動配電網運行模式對微電網可靠性的影響

2.1 可靠性指標

傳統的配電網可靠性指標可分為負荷點的可靠性指標和系統的可靠性指標［10］。

負荷點可靠性指標主要包括:平均故障率λ(次/年)、平均停運持續時間r(小時/次)，年平均停電時間U(小時/年)。系統可靠性指標比較典型的有:系統平均停電頻率指標(system average interruption frequency index，SAIFI)、系統平均停電持續時間指標(system average interruption duration index，SAIDI)、平均供電可用率指標(average system availability index，ASAI)、期望缺供電能量(expected energy not served，EENS)。上述各可靠性指標可由式(1)至式(6)求得。

2.2 對微電網可靠性影響的分析

對故障影響進行分析是可靠性評估的基礎，本文以圖1為例分析比較微電網在主動配電網及傳統配電網運行模式下的故障影響后果。在傳統配電網的運行模式下，將K2設為PCC處的靜態開關，圖1中紅色區域即為微電網，DG的容量能夠滿足負荷LP2和LP3的需求。一旦系統故障，無論是微電網內部還是外部故障，K2均快速跳開。在主動配電網的運行模式下，假定微電網區域不變，當微電網外發生故障時:外部支線故障，例如饋線1故障，由熔斷器隔離故障，此時受到故障影響的負荷僅有LP1;外部供電主干線故障，則需搜索DG容量與負荷的匹配情況形成孤島，本例中需斷開開關K1，形成孤島運行;當微電網內發生故障時:供電的支線上故障，如饋線3故障時，只需斷開開關K6，受停電影響的只有負荷LP2;供電的主干線上故障，如饋線4發生故障，則需斷開開關K3、K4隔離故障，DG與負荷3構成孤島運行，負荷2繼續由大電網供電。

從上述分析可看出，主動配電網的運行模式從以下2個方面來影響微電網的可靠性:(1)減少孤島運行的次數，只有在可微電網運行的區域供電主干線故障時，才切換至孤島;(2)由于故障時實時動作的特點，可減少一些停電事故的發生。因此，在主動配電網的模式下可靠性有一定的提高，但代價是降低了無縫切換的成功率。

圖1 含DG的配電系統Fig.1 A distribution system with DG

圖2 可靠性評估流程圖Fig.2 The flow chart of reliability evaluation

2.3 含微電網的主動配電網可靠性評估

配電網的可靠性評估方法主要有解析法和模擬法2種，本文采用蒙特卡羅模擬的可靠性評估方法，需要事先獲得系統在指定模擬時刻的分布式電源發電功率、負荷大小以及儲能的狀態等數據［11］。本文參照文獻［12-14］建立風機輸出功率的隨機模型，參照文獻［15-17］建立光伏陣列輸出功率的隨機模型，參照文獻［18］建立分布式電源與儲能裝置的聯合輸出功率模型，參照［19-20］建立負荷模型。

在不影響計算精度的條件下，做出如下假設: (1)只考慮永久性故障，不考慮瞬時性故障;(2)所有元件都是可修復的;(3)元件的無故障工作時間和維修時間均為服從指數分布的隨機變量;(4)不考慮斷路器、熔斷器等開關的誤動、拒動;(5)切換至孤島運行模式時有一定的失敗率;(6)切換至孤島運行需要短暫的開關延時，在這種情況下模擬計算時忽略停電時間，僅在停電次數的記錄上加1。

運用蒙特卡羅模擬的評估方法對含微電網的主動配電網進行可靠性評估的大體思路如下:首先進行系統狀態抽樣，找到工作時間最短(TTFmin)的元件，分析每個故障對負荷的影響情況，將對負荷的影響情況分為以下3類:受故障影響停電時間為故障隔離時間的負荷;受故障影響停電時間為元件修復時間的負荷;受故障影響且負荷所在區域需進行孤島運行的負荷。對于受故障影響停電時間為元件修復時間和停電時間為隔離開關動作時間的負荷，直接記錄停電時間和停電次數;對于受故障影響負荷區域需孤島運行的負荷，則需要抽樣孤島運行期間分布式電源與儲能裝置的聯合出力、負荷大小，計算孤島運行的時間，求得負荷的停電時間，最后結合各負荷的停電時間與停電次數，計算負荷及系統的可靠性指標。評估的流程如圖2所示。

3 算例分析

本文以改造的IEEE-RBTS BUS6系統上的F4主饋線［22］作為算例分析，在饋線18、24、30處分別接入最大輸出功率為0．6 MW的光伏陣列、1 MW的光伏陣列、1 MW的風電機組，且這3個分布式電源都分別配有0．5，0．8，0．8 MW的儲能裝置，改造后的系統如圖3所示。圖3中共有17個斷路器、11個隔離開關(裝設在主干線上的每條饋線上，圖中并未畫出)、23個熔斷器(裝設在每條負荷支路的首段，圖中并未畫出)、23個配電變壓器及3個分布式電源。圖3在傳統配電網模式下，接入的微電網為圖中的3個虛線區域;為具有可比性，在主動配電網模式下可形成的最大微電網區域亦為這3個虛線區域，當主干線上發生故障時，實時動作形成微電網，開關QF1是先于解列開關動作的，如饋線5發生故障，不同于傳統微電網PCC處開關最先動作，因判斷故障位置的需要，QF1先于QF2、QF8、QF14動作，但由于間隔時間很短，本文在此種情況模擬計算時僅在停電次數上加1，停電時間上則忽略不計。

圖3 改造的IEEE-RBTS BUS6 F4配電系統Fig.3 Reformed IEEE-RBTS BUS6 F4 system

本文在建立模型時所用到的參數取值:太陽能電池板的效率η=0．10，閾值KC=200 W/m2，平均晴空指數取為0．495;風機的切入風速、額定風速、切出風速分別為3，8，20 m/s，風速的威布爾分布參數取k= 2．12，c=8．44。主動配電網下切換至孤島及傳統配電網下由于網內故障切換至孤島時的成功概率均設為0．7。對該算例進行10萬h的模擬計算，運用matlab仿真產生的該地年平均光照強度及風速情況分別如圖4～5所示。

負荷點的故障率是較具代表性的負荷點可靠性指標，圖6對比了在沒有微電網、有微電網的傳統配電網以及有微電網的主動配電網這3種情況下的負荷點故障率，分別繪制出這3種情況下的各負荷點故障率折線，圖中橫坐標表示負荷點的編號，共有23個，縱坐標表示在模擬時間內的各負荷點故障率。

圖4 年小時平均光照強度Fig.4 Hourly average light intensity in a year

圖5 年小時平均風速Fig.5 Hourly average wind speed in a year

圖6 3種情況下的負荷點故障率Fig.6 Comparison of load failure proportion in three situations

根據負荷點的可靠性指標計算得到配電系統的可靠性指標，本文運用式3～6得到以下4類比較典型的系統可靠性指標:SAIFI、SAIDI、ASAI、EENS，具體的計算結果見表1。

計算結果表明:(1)與未接入微電網比較，配電網在接入微電網后可靠性得到了提高，這與其他相關文獻的評估結果相同。除此以外，由計算結果還可看出，微電網在不同的運行模式下評估結果也不同，相較傳統配電網中接入微電網的情況，在主動配電網模式下設置微電網時網內負荷點故障率的降低幅度更大，但對網外負荷點的故障率并無影響;(2)對比這3種情況下的系統可靠性指標，可看出在有微電網的主動配電網下各項指標最高，這說明微電網在主動配電網的模式下運行更有利于提高系統的可靠性。

表1 配電網可靠性指標Table 1 Reliability indices of distribution system

4 結論

主動配電網是未來配電網的發展方向，本文研究了該模式下的微電網與傳統微電網概念上的區別，分析了主動配電網的運行模式對微電網可靠性的影響，并討論了基于蒙特卡羅模擬的含微電網的主動配電網可靠性評估算法。通過算例得出如下結論:

(1)微電網接入配電網后，系統可靠性有所提高;

(2)相對于傳統配電網，微電網接入主動配電網后，網內負荷點故障率進一步降低，且主動配電網的系統可靠性指標明顯優于傳統配電網;

(3)接入主動配電網的微電網在切換至孤島運行時，可能會短時停電，若用電負荷可以接受短時停電，主動配電網的運行模式更有利于提高系統的可靠性。

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(編輯:劉文瑩)

Influence Assessment of Active Distribution Network Operation Mode on Micro-Grid Reliability

SUN Ming，LUO Yan，TAN Jianan
(School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei230000，China)

The active distribution network(ADN)provides an effective solution for the high penetration of distributed generators．The change of control and operation mode has made the microgrid operation different from that in traditional mode．In this paper，the influerice of ADN operation mode on the microgrid reliability was analyzed and a reliability model of component was built．Based on Monte Carlo simulation a reliability evaluation algorithm for ADN containing microgrids was discussed，and the reliability of modified IEEE RBTS was evaluated with this algorithm．Moreover，the system reliability in different situations were compared and analyzed．The evaluation results have shown that microgrids in the ADN operation mode will effectively improve the power supply reliability．

active distribution network(ADN);microgrid;distributed generation;reliability;Monte Carlo method

TM 727

A

1000-7229(2015)01-0136-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.021

2014-12-04

2014-12-18

孫鳴(1957)，男，教授，主要從事電力系統及其自動化方向的研究和教學工作;

駱燕(1992)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化;

譚佳楠(1991)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化。