煤礦分布式電源供電可靠性評估方法研究

公茂法，　周立人，　張超，　吳娜，　于永進

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266510)

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煤礦分布式電源供電可靠性評估方法研究

公茂法，周立人，張超，吳娜，于永進

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266510)

摘要：針對現有煤礦電網評估方法存在計算效率低、通用性差等問題，提出了一種改進的BFS-最小路評估方法。該方法首先利用廣度優先搜索方法對配電網孤島劃分優化模型進行快速求解，然后結合孤島運行范圍，采用最小路法對供電可靠性進行評估。實驗結果表明，該方法提高了電網薄弱環節的評估速度，評估結果安全可靠、精準有效。

關鍵詞：煤礦分布式電源； 電網孤島； 廣度優先搜索法； 最小路法； 可靠性評估

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1554.008.html

0引言

隨著煤炭開采機械化、自動化水平的不斷提升，煤礦對供電系統的安全可靠性要求越來越高。為避免和減少供電災害事故，優質高效服務煤炭開采工作，分布式電源(Distributed Generation， DG)供電升級改造成為煤礦追逐的熱點。但在改造過程中，配電網出現了新的孤島運行方式，可靠性評估方法因此變得更為復雜[1]，《電業生產事故調查規章》中特別對配電網可靠性評估方法提出了新要求。目前，解析法和蒙特卡羅模擬法為主流的兩大可靠性評估方法。參考文獻[2]指出蒙特卡羅模擬法從大量的模擬實驗結果中統計出了系統的可靠性指標，雖然算法程序結構簡單，但一般只用于靜態復雜網絡評估，而且若要得到較高精度，需花費更多的時間。參考文獻[3]采用解析法中的最小路法評估分布式電源供電系統，通過對非最小路元件故障簡化折算，只需分析最小路上元件故障對相應負荷點的影響，對電網的薄弱環節評估非常有效，但是文中對于孤島劃分沒有給出具體求解辦法。參考文獻[4]介紹了一種基于廣度優先搜索(Breadth First Search，BFS)的拓撲分析方法，該方法網絡拓撲分析快速、簡便、通用性強，適用于孤島范圍的動態劃分。本文在此基礎上，提出了一種改進的BFS-最小路評估方法，在傳統最小路法基礎上，利用BFS法不僅能快速求解孤島范圍，而且提高了最小路集求取速度，減少了評估耗時，提高了評估效能。

1孤島運行方式的產生與評估必要性

模擬的6 kV等級的井下分布式供電系統如圖1所示[5]，LP1—LP4為用電負荷，DG1和DG2為容量不同的分布式電源。如果去掉DG1和DG2，這就是1條傳統的放射型配電線路，線路負荷供電全部依靠從變電站引出的6 kV電壓等級母線，若線路1段發生故障，那么所有的負荷都會失去電力供應，造成供電事故。

圖1　模擬的6 kV等級的井下分布式供電系統

DG1和DG2并網可以避免上述事故。如圖1所示，線路3段發生事故，整個系統被分為3個部分，6 kV母線和電源DG1向區域1中負荷LP1、LP2供電；區域2因故障被隔離，LP3停止用電；區域3中的負荷LP4僅由電源DG2供電，失去和大電網聯系，形成孤島。

孤島的形成和運行，解決了傳統配電方式因前端故障導致后端崩潰的問題。但是，孤島也存在隱患，由于分布式電源容量限制，與大電網失聯可能會造成電能質量下降，負荷之間電壓分配不均衡，易發生安全事故，因此,在對配電網供電可靠性評估時必須考慮孤島運行方式。

2配電網孤島劃分優化模型建立

當系統發生故障時，分布式電源向脫離大電網的孤島上的設備供電，電源容量成為判別負荷是否能正常運行的一個重要指標。設計采用畫功率圓方法對孤島正常運行范圍進行評估[6]，功率圓半徑為分布式電源的容量，原則上是從電源放射出去的任意一條線路的等值電力負荷PEL不超過功率圓半徑，即可認為是孤島正常運行范圍，計算公式如下：

(1)

式中：i為負荷點的標號；D為孤島的負荷所組成的區域；ω(i)為i點的負荷權重系數；La(i)為i點的負荷大??；PDG為分布式電源的等值額定容量。

某廠礦組態簡化配電圖如圖2所示?，F以圖2為例描述用功率圓模型劃分孤島范圍的方法。為描述方便，假設只有1個容量為0.6 MW的分布式電源位于負荷點S1上，所有負荷的權重系數ω設為1，以S1為圓心畫功率圓。可以看出，“S1→S2→S3→S4”和“S1→S5”這2條線路節點的負荷容量和均小于0.6 MW，在功率圓范圍之內，即途中虛線所包圍的A區域為孤島的正常運行范圍。

圖2　某廠礦組態簡化配電圖

3改進的BFS-最小路評估方法

配電網改進的BFS-最小路評估方法大致分為3個步驟：① 將煤礦實際配電圖化為簡圖后，用BFS方法遍歷負荷節點形成訪問隊列；② 根據遍歷結果，借助功率圓模型劃分孤島范圍，寫出網絡關聯矩陣并計算所有路集；③ 根據給出的可靠性指標，用最小路法進行可靠性評估。

3.1常用的可靠性評估指標

常用的可靠性評估指標如下[7]：

系統平均停電頻率指標SAIFI：

(2)

系統平均停電持續時間指標 SAIDI：

(3)

系統平均供電可用率指標 ASAI：

(4)

系統電量不足指標 ENSI：

(5)

用戶平均停電頻率指標 CAIFI：

(6)

用戶平均停電持續時間指標CAIDI：

(7)

式中：Ni，λi分別為負荷節點i的總用戶數量和故障率；Ui為節點i的等值年平均停電時間，h；Lb(i)為停電節點的平均負荷，kW；EFF為包括所有停電節點的集合；Nj為停電節點j的總用戶數。

3.2BFS方法程序設計

BFS方法首先要解決頂點的搜索問題，即將所有具有電氣聯系的節點依照連通關系歸總到一個系統圖中，如將分段母線的幾個母線段當做一個節點計算等[8]。圖化簡完畢之后，從某一個頂點進行遍歷，將頂點放入已訪問列表，橫向搜索所有還沒有訪問過的節點，標記已訪問節點并放入已訪問隊列之中，按照此方法繼續搜索直到沒有剩余可訪問節點[9]，最后寫出網絡關聯矩陣，計算所有路集，提高最小路集求取速度。BFS方法的優點是從近到遠，逐層有序，不重復訪問節點，節省了時間，提高了效率。

本文采用BFS方法快速求解孤島功率圓范圍，將分布式電源所在的負荷點設為頂點，先訪問與頂點相連的支路，然后逐層訪問剩余支路，直至路徑上的負荷點的等值負荷大小滿足式(1)條件后停止搜索，最后得到孤島運行范圍，BFS方法程序流程如圖3所示。

圖3　BFS程序流程

對圖2用BFS方法遍歷各個負荷節點，假設孤島形成，S1為分布式電源所在位置，設S1為起始訪問頂點，訪問順序：S1→S2→S5→S7→S3→S6→S8→S4。

3.3最小路法程序設計

最小路法是建立在BFS方法上的改進方法。如圖1所示，假設線路2段發生故障，用BFS方法遍歷各個負荷點，求取所有路集，以分布式電源DG2為頂點并借助功率圓模型求出區域2和區域3為孤島范圍。線路1、2、3段加上C負荷分支線是對應于負荷LP3的最小路，以這條最小路為例說明最小路上設備故障對負荷LP3故障率和停運時間影響的評估方法。

(1) 線路3段和C負荷分支線上設備在孤島運行的范圍內,若它們發生故障，會使負荷LP3停運。

(2) 線路2段在最小路上，但是不在孤島之內，若2段上設備故障，在評估時負荷LP3的停運計算時間是max{t1，t2}，t1為主饋線上GW2隔離開關動作時間，t2為孤島運行斷路器QF3所需倒閘時間。

對于非最小路來說，需要根據實際情況，按照非最小路上的煤礦電力設備故障時對負荷節點的影響折算到最小路上的負荷節點上[10]，這里以非最小路上元件故障對負荷點LP3故障率和停運時間的影響為例進行說明。

(1) 負荷分支線A裝有熔斷器，若此線路發生故障，熔斷器作用，不影響最小路，所以不計算在評估結果中。

(2) 負荷LP3沒有分支線保護，線路4段在孤島范圍內，其設備故障時，負荷LP3的停運時間等于GW3動作時間，并且檢修時對LP3沒有影響。

(3) 負荷分支線B沒有熔斷器，在孤島范圍之外，當它發生故障時，隔離開關GW2動作和孤島運行斷路器QF3倒閘時間最大值就是LP3停運時間。

按照式(8)—式(10)計算分布式電源和主饋線二重故障時負荷節點的故障率λi以及節點i的等值年平均停電時間Ui[11]。

(8)

(9)

(10)

式中：λD為DG故障率；γD為DG平均故障停運時間；λs,k為第k段線路故障概率；γs,k為第k段線路停電平均時間；ND為分布式電源和負荷節點前的主饋線段數。

改進最小路方法考慮到每臺設備故障對負荷節點的影響情況，有助于提高電網薄弱環節評估可靠性。改進的最小路法程序流程如圖4所示。

圖4　最小路法程序流程

4實驗結果分析

圖5為以IEEE-RBTS Bus6系統主饋線F4為基礎模擬的1條1.1 kV等級煤礦地面配電系統[12]，DG1、DG2為分布式電源，L1—L23為負荷節點，這23條負荷分支都裝有熔斷器和變壓器。圖中負荷數據明細見表1。

實驗假設：各段的斷路器100%可靠動作；隔離開關動作時間為0.5 h；熔斷器故障時必熔斷，且動作時間為0；一、二、三類負荷權重系數ω分別為0.5，0.3，0.2；饋線線路λs,k=0.05，γs,k=4；分布式

圖5　煤礦地面配電系統實例

節點數目編號類型用戶數負荷/MW1L2二類1260.18081L5一類1320.2072L1,L6二類1470.16592L9,L17二類10.19292L4,L12一類10.24312L7,L20三類10.21012L14,L18二類10.28313L3,L23,L11二類10.25014L15,L22,L10,L19三類760.15854L13,L21,L8,L16三類790.1554

電源λD=5，γD=50。

提出2種配電方案。方案1：不考慮分布式電源DG1、DG2影響；方案2：考慮分布式電源影響，DG1、DG2輸出功率均為1 MW。運用BFS-最小路法并結合式(1)—式(10)，在Visual C++ 6.0編譯環境下對配電系統可靠性進行評估，評估結果見表2。

表2　評估結果

從表2可以看出，方案2的系統平均停電頻率指標SAIFI雖然比方案1略高，但是其他指標的數據均要優于方案1，尤其是SAIDI、CAIDI和ENSI指標均有大幅度的下降，這說明在煤礦傳統配電系統中建設分布式電源大大提高了配電系統的可靠性，孤島運行的優勢也體現出來了。

5結語

改進的BFS-最小路評估方法適用于煤礦配電網設計與故障整修方案的評估，故障時利用BFS方法能迅速求出孤島運行范圍和所有路集，發揮出最小路法對電網薄弱環節的評估效能。實驗結果表明，該方法可快速模擬電網故障，準確得出配電系統可靠性指標，有效解決了傳統評估方法對系統薄弱環節計算效率低、故障時不能及時反應的難題，對煤礦故障源頭防控和減少供電災害事故、提高故障快速反應能力有著較高的參考價值。

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Research of reliability evaluation method of distributed generation

supply power for coal mine

GONG Maofa,ZHOU Liren,ZHANG Chao,WU Na,YU Yongjin

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of

Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:In view of problem of low computation efficiency and poor generality of existing evaluation method of coal mine power grid, an improved BFS-the minimal path evaluation method was proposed. The method uses the breadth-first search method to quickly solve division optimization model of distribution network island, and then adopts the minimal path evaluation method to evaluate reliability of power supply according to the operation scope of island. The experimental results show that the method improves evaluation speed of weak links of power grid, and evaluation results are safe, reliable, accurate and effective.

Key words:coal mine distributed generation; grid island; breadth-first search method; the minimal path evaluation method; reliability evaluation

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:54

文章編號：1671-251X(2016)01-0023-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.008