基于饋線路徑集合法的并網型微電網可靠性評估

吳治均 李明昆

（西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039）

基于饋線路徑集合法的并網型微電網可靠性評估

吳治均 李明昆

（西華大學電氣與電子信息學院，成都 610039）

微電源越來越多的被接入到配電系統中，在改變配電網運行方式的同時也給配電網的可靠性評估方法帶來影響。本文重點分析了負荷點與電源間的連通性，在充分考慮微網運行模式的基礎上，針對負荷點故障類型提出了基于饋線路徑集合的判別方法。其次分別提出了微網并網協調運行方案以及離網模式下的負荷削減策略。最后通過時序蒙特卡洛模擬法計算并網型微電網的可靠性指標。以改進的IEEE RBTS BUS6系統進行算例分析，驗證了所提出方法的有效性。

并網型微電網；饋線路徑；可靠性；時序模擬

近些年現代電力技術取得大量研究成果，以分布式發電技術為基礎的微電網技術取得了迅猛發展。隨著微電網大量的接入配電系統，這對以“閉環設計開環運行”的傳統配電系統帶來了極大挑戰，使其在配電結構和運行方式都產生了改變。

并網型的微電網具有離網和并網兩種靈活運行模式，可視情況實現快速切換。目前，關于并網型微電網的可靠性評估方法已經有了一定的研究。文獻［1-2］研究了分布式電源接入配電網后的孤島劃分模型及其求解方法，在改進最小路法的基礎上評估系統可靠性。文獻［3-4］建立了DG和儲能裝置聯合發電的可靠性模型，重點分析了基于故障影響遍歷算法的可靠性評估方法，但在故障條件下忽視了負荷的時序特性，對微網并網運行特性也考慮較少。文獻［5］則重點分析了對風機出力以及系統故障進行時序模擬的方法，但并未考慮微網離網運行時，通過負荷削減使得重要電力負荷得以持續供電。

本文分析了微網接入后負荷點和電源間饋線路徑的連通性，針對系統負荷點故障類型，提出了基于饋線路徑集合的判別方法。其次，根據微網離網運行特性，在負荷分塊的基礎上，綜合考慮電力負荷重要程、負荷位置和負荷塊用戶平均負荷率［11］三項因素，提出負荷削減策略，再在微網并網運行條件下，提出計及DG和儲能系統的微網并網協調運行方案。最后通過時序蒙特卡洛模擬法對改進的IEEE RBTS BUS6算例系統進行可靠性評估。

1 并網型微電網的饋線路徑集合

1.1 負荷點停電影響類型劃分

為了全面分析系統發生故障時對系統可靠性所產生的影響，本文對系統進行故障模式后果分析，得到以下四類負荷點停電影響類型：

Ⅰ類：系統故障時對該類負荷的供電不會產生影響，其供電正常。

Ⅱ類：該類故障影響下，負荷點只有等待相關故障元件修復或替換以后才能夠恢復供電。該類負荷點的停電時間為故障修復時間Tr。

Ⅲ類：該類故障影響下，負荷點通過相關的隔離開關或聯絡開關的倒閘操作，由主電源恢復供電。該類負荷點的停電時間為故障隔離時間Tg。

Ⅳ類：該類故障影響下，負荷點處于由公共連接點（PCC點）開斷而形成的微網內。

1.2 基于負荷點與電源間連通性的饋線路徑分類

根據負荷點與電源間饋線路徑的連通性，本文將配電網中任意兩節點之間的最短路徑用該路徑上所有節點的集合來表示［6］。設負荷點LPi到配網主電源的最短路徑為主最短路徑，到微電源的最短路徑為微最短路徑。根據負荷點與電源間的連通性，可將所有節點歸類到以下四類路徑上。

1）L1i：主最短路節點與其微最短路節點交集形成的路徑。

2）L2i：主最短路節點與其非微最短路節點交集形成的路徑。

3）L3i：非主最短路節點與微最短路節點交集形成的路徑。

4）L4i：非主最短路節點與非微最短路節點交集形成的路徑。

上述四類饋線路徑為負荷點 LPi的分類路徑。不同分類路徑上的節點故障對負荷點與電源間的連通性造成的影響不同，從而影響電源對該負荷點LPi的供電。

1.3 負荷點故障影響判別

用A、B、C、D分別表示系統故障后，負荷點LPi停電類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的節點集合，稱之為該負荷點的故障集合。圖1所示，根據負荷點與電源間饋線路徑的連通性，本文給出負荷點 LPi四類故障集合的判別方法。

圖1 負荷點故障集合的判別

1）如圖 1（a）所示，對于故障η1∈L1i，負荷點 LPi與主電源、微電源的饋線路徑均被中斷，只有當故障修復時，負荷點 LPi才恢復供電。因此，η1∈B。

2）如圖 1（b）所示，對于故障η2∈L2i，負荷點與主電源間的供電路徑被中斷，僅可能由微電源供電。其中，設La表示故障η2到負荷點LPi的最短饋線與η2到微電源最短饋線的公共路徑，則考慮以下兩種情況：

（1）若La上含有公共連接點PCC，此時負荷點LPi處于PCC開斷而形成的微網內，微網切換為離網運行模式，則η2∈D。

（2）若La上無PCC點，則故障η2∈B。

3）如圖 1（c）所示，對于此類故障，負荷點LPi與微電源的供電路徑被中斷，僅可能由主電源供電。其中，設Lb表示故障η3到負荷點LPi的最短饋線與η3到主電源最短饋線的公共路徑，則考慮以下兩種情況：

（1）若Lb上含有公共連接點PCC，則系統故障時被隔離，負荷點LPi正常供電，此時η3∈A。

（2）若Lb上無PCC點：若路徑上有隔離開關，系統故障時被隔離，則η3∈C；若路徑上無隔離開關，則故障修復后才能恢復供電，此時η3∈B。

4）如圖 1（d）所示，對于此類故障，故障發生在配網分支饋線上，由于分支饋線到主饋線端設有斷路器，能在其內部元件故障時切斷故障電流，不對主饋線路徑造成影響，微電網選擇并網模式運行。此時，則η4∈A。

2 基于時序模擬的可靠性評估算法

2.1 元件模型

1）負荷模型。采用文獻［7］的時序負荷模型。

2）風電機組模型。本文采用經典的風速威布爾分布建立實時風速模型，再根據風機出力特性曲線來描述風機出力和實時風速的關系［8］。

3）儲能系統的充放電模型［9］。本文在充分考慮對儲能系統進行充放電功率限制，以及儲能容量上下限設定的情況下，儲能系統模型建立如下。

充電模型：

放電模型：

式（1）、式（2）中，Pbat（t）為儲能系統的實時充放電功率，Pcd-max、Pfd-max分別為儲能系統的最大充、放電功率；EESS（t）為儲能系統的實時容量；EESS-max、EESS-min分別為儲能系統的最大、最小容量限制。

2.2 負荷削減策略

微網在離網運行時，當微電源出力不能滿則網內負荷需求［10］，則需要削減負荷。

圖3為IEEE RBTS BUS6中F4主饋線［13］下的分支饋線經過相關改進后所組成的的一個微型電網。線路10是與上級電網連接的公共連接點（PCC），線路4裝有風儲聯合發電系統，相關線路上裝有智能開關用以切斷負荷電流。

圖2 微網孤島運行結構圖

本文在負荷分塊的基礎上，綜合考慮負荷塊內負荷重要程度參數、負荷塊位置參數以及負荷塊用戶平均負荷率參數［11］，并定義負荷削減系數（Cutting load factor，CLF）。

式中，Xi是 Ai第 i個負荷塊的重要程度參數；ILPn是第n個負荷的重要程度參數，通過考慮負荷重要性，優先保障重要程度高的用戶供電。

Yi是第 i個負荷塊的位置參數；DLPn是第 n個負荷到微電源的電氣距離，設相鄰兩負荷點電氣距離為 1，以微電源的位置為參考點，由遠及近依次切除遠端負荷。顯然，負荷點DLPn之和越大，該負荷塊Yi值越小，表示該負荷塊在網內離微電網距離越遠。

Zi是第 i個負荷塊的用戶平均負荷率參數，負荷塊用戶平均負荷率高表明該地區負荷峰谷差較小，負荷比較平均，負荷率低說明該地區峰谷差異較大，需要削峰填谷，使各時段負荷變化減小。其中，PLPn是第 n個負荷點的年負荷峰值，MLPn是第n個負荷點年負荷平均值，由該負荷點年時序負荷曲線得出；NLPn是第n個負荷點的用戶數，Ni是第i個負荷塊內的用戶總數。綜合以上3項因素，定義負荷塊的負荷削減系數，CLFi表示第i個負荷塊的負荷削減系數。

2.3 計及DG和儲能系統的微網并網協調運行方案

在并網運行時，微網內部負荷由大電網和網內的分布式電源聯合供電。在風電機組和儲能裝置聯合發電的基礎上，本文提出計及DG和儲能系統的微網并網協調運行方案。

為了盡可能提高微電源在電網中的滲透率和高效性，在微網并網運行時，優先考慮讓風機盡可能的出力，其次是儲能系統和大電網對其按需補充。故提出微網并網運行協調方案如下。

1）在微網正常工作時，優先利用風電機組供電。判斷風機實時出力大小，當其出力滿足網內負荷需求時，此時對儲能系統進行循環充電；當充電功率大于儲能系統最大充電功率時調整風機出力，并按其最大充電功率充電；當充電達到儲能系統的最大儲能容量時，充電停止。

圖3 并網型微網協調運行方案

2）當風機出力不能滿足網內負荷需求時，儲能系統按照設定的最大放電功率進行放電。若儲能系統放電功率能夠達到負荷的需求且未降至設定的最小狀態時，此時儲能系統維持放電運行狀態并保持網內負荷功率平衡。

3）如果風儲聯合發電仍不能滿足負荷需求，此時微網的供電就需要外部大電網的功率支持。外部主網根據微網內負荷需求與風儲出力之和的缺額對微網內負荷需求進行功率補充。

炎性因子:患者于治療前、治療后,抽取晨間空腹外周靜脈血,檢測IL-6(白介素-6)、IL-8(白介素-8)、TNF-α(腫瘤壞死因子-α)水平。

2.4 基于時序蒙特卡洛模擬法的可靠性評估算法

在綜合考慮微網運行模式靈活切換的基礎上，本文采用饋線路徑集合方法對負荷點 LPi的分類路徑進行存儲，形成故障集合。然后通過建立時序負荷模型和風儲聯合發電系統模型，設計了微網并網協調運行方案。綜合以上因素，提出基于蒙特卡洛模擬法［11］的并網型微電網可靠性評估算法，其具體流程如下：

1）數據初始化。錄入初始狀態下系統的各項參數，設定數據初值，并確定仿真時間。

2）隨機產生n個服從（0，1）區間均勻分布的隨機數，M1，M2，…，Mn，其中n值與系統元件數相同。再根據公式TTF=-lnMn/λ 求取每個元件的無故障工作時間TTF。

3）選取所有系統元件中最小的 TTF值所對應的元件，作為此次模擬的故障元件，并以該最小TTF值作為系統的無故障工作時間，累計仿真時間。

4）確定故障元件后，再生成一個隨機數X，并根據公式TTR=-lnX/μ 計算出的值，作為此次故障的修復時間，其中μ 為元件修復率。

本文隨機生成一個（0，1）間服從均勻分布的的隨機數S來表示離網模式的成功切換概率。在四類故障集合中，集合A不受故障影響，不發生停電；對于集合B和C，計算停電時間，斷電次數加1。對于集合D類情況，過程如下：

（1）離網模式數據初值設定。令t=1，離網模式運行初始時，儲能系統容量ESSl為滿充狀態（即儲能系統容量的最大值）；ESSmin為儲能系統設定的最低荷電狀態容量值。

（2）計算模擬時刻風電機組的實時出力PW（t）。

（3）據時序負荷功率曲線求出t時刻里微網內負荷的功率需求值PL（t）。

（4）比較風機出力與網內負荷需求的大小，若PW（t）≥PL（t），則集合D內負荷正常供電，此時為儲能系統充電 Pbat（t）=Pw（t）-PL（t）；儲能系統實時容量ESSl（t+1）=ESSl（t）+Pbat（t），若 PW（t）≤PL（t），則按負荷削減策略按需甩負荷，其所切負荷停電次數加 1并累計其停電時間，否則進入下一步。

（5）比較t是否到達故障修復時間，t如果未到達修復時間，則t推進到下一時刻，重回步驟（2）；若已經到達故障修復時間，此時停止模擬，輸出結果。

6）判斷當前模擬時間是否到達預設模擬時間，如果達到，計算各個負荷點和系統的可靠性指標；如果沒有，則t向前推進一個時刻，回到步驟（2）繼續進行模擬。

3 算例分析

3.1 算例數據

本文采用IEEE RBTS BUS6測試系統主饋線F4加以相應改進進行仿真驗證［13］。其中，線路15處為微電網PCC點，在線路25處接入風電機組和儲能系統，系統接線圖如圖4所示。

圖4 改進的Bus6 F4饋線系統

該系統有線路30條，負荷點總計23個，配電變壓器總共23臺。每條分支線路均設有熔斷器。所有系統元件可靠性參數見文獻［13］，其中負荷點LP20變為工業用戶，負荷點LP21變為商業用戶。

設風機切入風速為10km/h，額定風速30km/h，切除風速 65km/h。儲能裝置參數：額定容量為2MW·h，最大充放電功率為0.5MW·h。

根據本文提出的負荷削減策略，對微網內部負荷進行分塊，并根據式（3）求得負荷削減削減系數見表1。

表1 負荷削減系數

3.2 可靠性評估

本文按所述方法對系統進行2000年的模擬，計算得到的微網接入與否負荷點的可靠性指標對比情況如圖5、圖6所示。

圖5 微網接入與否網內負荷點故障率情況

圖6 微網接入與否系統負荷點年停電時間情況

表2為傳統配電系統和含微網接入的系統可靠性評估結果對比情況。

表2 系統可靠性指標

通過微網接入與否兩種方案下負荷點和系統可靠性指標的對比，可以看出：

1）微網根據系統元件故障情況合理選擇離網或并網模式運行。微網的離網運行能在配電系統故障時保證網內負荷的供電，大大縮短了停運時間。并且通過適當的負荷削減策略，使網內重要負荷得以持續供電，從而提高微網內負荷供電可靠性。并網模式下的協調運行策略充分考慮了風機發電充裕性，提高了微電源的利用率，也較為全面地反映了并網型微電網持續穩定的供電能力。

2）表2對微網接入與否系統的可靠性指標進行了對比。由結果對比可以知道，微網接入后，系統的供電可用率也由原來的0.9987上升至0.9991，系統的年期望缺供電量也同比降低了18.2%。

4 結論

本文主要對并網型微電網的可靠性進行分析和計算，通過饋線路徑的連通性判別了負荷故障類型，再基于并網型微網的運行特性，定量地分析了微網接入對配電系統可靠性指標的改善情況。評估結果表明，微網接入可以有效地提高配電系統的可靠性指標，不同運行方式的靈活切換以及并網協調運行等因素對并網型微電網的可靠性評估有著重要意義，結果也驗證了本文方法的有效性。

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Reliability Evaluation of Grid-connected Micro-grid based on Feeder Path Set Methods

Wu Zhijun Li Mingkun
（School of Electrical and electronicInformation Engineering，Xihua University，Chengdu 610039）

More and more micro-grid is connected to the distribution system，in the way of changing the distribution network operation，but also to the distribution network reliability assessment methods to bring the impact.This paper focuses on the analysis of the connection between the load points and the power suppliers，and based on the full consideration of the operation modes of the micro-grid，this paper proposes a method to determine the type of the feeder path set based on theload points.According to the two different operation modes of micro-grid，the coordinated operation scheme of micro-grid and the load reduction strategy are proposed.Finally，the reliability index of grid-connected micro-grid is calculated by sequential Monte Carlo simulation method.By the improved IEEE RBTS BUS6 system example analysis，the effectiveness of the proposed method is verified.

grid-connected micro-grid； feeder path； reliability；timesequential simulation

吳治均（1989-），男，漢族。碩士研究生，主要研究方向是電力系統可靠性評估。