含分布式能源的醫(yī)院配電網(wǎng)可靠性評估體系研究

李 鵬，吳 湛，張詩建

（1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣州 510515；2.廣州南方電力集團電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

隨著節(jié)能降耗相關(guān)政策和標準的不斷推進，大型公立醫(yī)院內(nèi)新建的光伏發(fā)電項目也逐漸增多。能源的多樣化和可靠性，是滿足大型公立醫(yī)院用能安全性的根本途徑［1－2］。分布式電源（Distributed Generation，DG）的應(yīng)用是20 世紀末最受重視的高科技領(lǐng)域之一，具體指發(fā)電功率在千瓦至兆瓦級的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元［3－4］，大型公立醫(yī)院主要有以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機（發(fā)電機）、太陽能發(fā)電（光伏電池、光熱發(fā)電）、UPS 電源等。隨著能源審計對大型公立醫(yī)院的要求不斷提高，上述分布式電源在醫(yī)療院區(qū)內(nèi)的廣泛應(yīng)用是可以預(yù)見的［5］。

DG 接入電網(wǎng)后對傳統(tǒng)電網(wǎng)的許多方面都產(chǎn)生了不可忽視的影響［6－8］。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般是給定配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，考慮最嚴重工況的情形對線路的最大容量裕度進行規(guī)劃。所有運行情況都能夠得以統(tǒng)計與分析，并尋求最優(yōu)解。而分布式能源接入后的配電網(wǎng)在進行預(yù)測時需要考慮負荷需求側(cè)響應(yīng)和分布式電源注入容量的雙重影響，運行時需要考慮DG存在的主動管理模式以及DG的不確定性造成的影響，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃時需要考慮DG 的不確定性帶來的影響［9－11］。對分布式接入電網(wǎng)的影響大多從可靠性、經(jīng)濟性建立定量評估模型，定量評估分布式電源對配電網(wǎng)典型接線模式的影響，以及協(xié)調(diào)分布式電源及與配網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)之間的關(guān)系，確定最優(yōu)的接入位置以及最優(yōu)的配網(wǎng)接線方式。

光伏、柴油發(fā)電機等分布式能源接入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、運行方式，同時分布式能源的多樣性、不確定性給配電網(wǎng)可靠性評估帶來了挑戰(zhàn)。醫(yī)院用電安全尤為重要，不僅影響設(shè)備安全，更有可能會影響到患者的生命安全，所以，醫(yī)院的安全用電十分重要［12－14］。在此背景下，本文結(jié)合光伏、柴油發(fā)電機的孤網(wǎng)運行方式，通過故障模式后果分析法分析了分布式能源接入對配電網(wǎng)可靠性的影響，建立了一套考慮分布式能源接入的配電網(wǎng)安全運行評估體系，通過關(guān)鍵指標對含分布式能源的配電網(wǎng)的可靠性進行定量評估，為醫(yī)院選址和醫(yī)院用電安全風險防控能力和可靠性水平提供參考。

1 配電網(wǎng)可靠性影響因素

所謂配電網(wǎng)可靠性評估，是對已運行的配電網(wǎng)，或是新設(shè)計的配電網(wǎng)，在所選用相關(guān)元器件在故障前提下對供電可靠性做出評價，從而得到配電網(wǎng)供電可靠性。

配電網(wǎng)的供電可靠性就是指供電系統(tǒng)對用戶持久供電能力的表現(xiàn)，它的質(zhì)量直接體現(xiàn)了醫(yī)院能源保障部門等單位或企業(yè)的供電水平以及電能的質(zhì)量［15］。評估如具有量化指標會使人對評估對象有直觀認識，電網(wǎng)可靠性評估也就是通過量化的可靠性指標進行評估，通過其指標也能知道影響配電網(wǎng)可靠性的相關(guān)主要因素，如圖1所示。

2 含分布式能源配電網(wǎng)可靠性評估體系

分布式能源的接入改變了院區(qū)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的供電可靠性，為評估分布式能源的接入對配電網(wǎng)可靠性的影響，本文從負荷點供電可靠性和系統(tǒng)供電可靠性兩個維度選取可靠性評估指標，并建立可靠性評估模型。其中，負荷點可靠性指標用于描述接入分布式能源后單個負荷點的供電可靠性水平，系統(tǒng)可靠性指標用于描述接入分布式能源后整個系統(tǒng)的供電可靠性水平，系統(tǒng)可靠性指標由負荷點可靠性指標計算得到。通過對比分布式能源接入前后負荷點可靠性水平及系統(tǒng)可靠性水平的變化，即可評估分布式能源的接入對配電網(wǎng)可靠性的影響。

2.1 負荷點可靠性指標

負荷點可靠性指標從負荷點停電頻率、負荷點停電時間、負荷點缺供電量3 個維度來評估負荷點供電可靠性水平，其中負荷點可靠性指標包括故障可靠性指標和預(yù)安排可靠性指標。

（1）負荷點故障停電率期望值

某負荷點平均每年的故障停電次數(shù)，記作λLP－F，單位為次／年，可按下式計算：

式中：N為故障后會造成該負荷點停電的設(shè)施的集合；λef，i為設(shè)施i故障停運率。

（2）負荷點預(yù)安排停電率期望值

某負荷點平均每年的預(yù)安排停電次數(shù)，記作λLP－S，單位為次／年，可按下式計算：

式中：M為故障后會造成該負荷點停電的設(shè)施的集合；λeo，i為設(shè)施i預(yù)安排停運率。

（3）負荷點故障停電時間期望值

某負荷點平均每年的故障停電小時數(shù)，記作μLP－F，單位h／a，可按下式計算：

（4）負荷點預(yù)安排停電時間期望值

某負荷點平均每年的預(yù)安排停電小時數(shù)，記作μLP－S，單位h／a，可按下式計算：

式中：tef，i為設(shè)施i預(yù)安排停電時間。

（5）負荷點供電可靠率期望值

在單位年度內(nèi)，對某負荷點有效供電總小時數(shù)期望值與單位年度總小時數(shù)的比值，記作RASAILP，可按下式計算：

（6）負荷點缺供電量期望值

某負荷點平均每年因停電缺供的總電量，記作WENSLP，單位為kW·h／a，可按下式計算：

式中：P為負荷點負荷容量，kW。

（7）負荷點等效系統(tǒng)停電小時數(shù)期望值

某負荷點平均每年停電的影響折成全系統(tǒng)停電的等效小時數(shù)，記作TSIEHLP，單位為h／a，可按下式計算：

式中：S為系統(tǒng)總負荷容量，kW。

2.2 系統(tǒng)可靠性指標

系統(tǒng)可靠性指標從系統(tǒng)停電頻率、系統(tǒng)停電時間、系統(tǒng)缺供電量3 個維度來評估負荷點供電可靠性水平，其中系統(tǒng)可靠性指標包括故障可靠性指標和預(yù)安排可靠性指標。

（1）系統(tǒng)平均故障停電頻率期望值

供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)的平均故障停電次數(shù)，記作NSAIFIF，單位為次／（戶·a），可按下式計算：

式中：n為負荷點用戶數(shù)；N為總用戶數(shù)。

（2）系統(tǒng)平均預(yù)安排停電頻率期望值

供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)的平均預(yù)安排停電次數(shù)，記作NSAIFIS，單位為次／（戶·a），可按下式計算：

（3）系統(tǒng)平均故障停電時間期望值

供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)的平均故障停電小時數(shù)，記作TSAIDIF，單位為h／（戶·a），可按下式計算：

（4）系統(tǒng)平均預(yù)安排停電時間期望值

供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)的平均預(yù)安排停電小時數(shù)，記作TSAIDIS，單位為h／（戶·a），可按下式計算：

（5）系統(tǒng)平均供電可靠率期望值

在單位年度內(nèi)，對用戶有效供電總小時數(shù)期望值與單位年度總小時數(shù)的比值，記作RASAI，可按下式計算：

（6）系統(tǒng)平均缺供電量期望值

供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)因停電缺供的平均電量，記作WAENS，單位為kWh／（戶·a），可按下式計算：

3 含分布式能源配電網(wǎng)可靠性評估方法與流程

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型簡化

網(wǎng)絡(luò)模型簡化處理后包含變電站母線、電纜線路、配電變壓器、斷路器、負荷開關(guān)和熔斷器等設(shè)施模型及其連接關(guān)系。

配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)簡化原則：（1）網(wǎng)絡(luò)模型中的架空線路、電纜線路等設(shè)施模型均包括設(shè)施本體及其附屬設(shè)施；（2）線段中的多個設(shè)施可用串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)法進行等效，在工程近似計算中，常忽略兩個及以上設(shè)施同時停運的情況，其網(wǎng)絡(luò)等效模型如圖2 所示，等效后的網(wǎng)絡(luò)元件可靠性參數(shù)計算方法如式（14）所示。

圖2 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效模型

式中：λ為設(shè)施停運率，次／a；r為設(shè)施平均修復(fù)時間；μ為設(shè)施停運修復(fù)率，即設(shè)施平均停運修復(fù)時間的倒數(shù)，次／a；各變量下標為設(shè)備編號。

3.2 設(shè)施停運模型

電力設(shè)施在日常運行中所處狀態(tài)常被分為正常運行狀態(tài)、故障停運狀態(tài)和預(yù)安排停運狀態(tài)，如圖3 所示的三狀態(tài)模型。圖中：λP為設(shè)施預(yù)安排停運率，次／a；μP為設(shè)施預(yù)安排停運的修復(fù)率，即設(shè)施平均預(yù)安排停運持續(xù)時間的倒數(shù)，次／a；λF為設(shè)施故障停運率，次／a；μF為設(shè)施故障停運的修復(fù)率，即設(shè)施平均故障修復(fù)時間的倒數(shù)，次／a。

圖3 三狀態(tài)模型

3.3 故障模式后果分析法

不管配電網(wǎng)是開環(huán)還是閉環(huán)運行，故障模式后果分析法均適用，也是評估可靠性的常用方法。該方法評估步驟如下所示。

（1）評估列舉每個設(shè)施故障的停電影響，確定負荷點的故障停電時間、停電率。

（2）根據(jù)單獨故障后的故障停電率和故障停電時間信息整理成故障模式后果分析表。設(shè)施集為N，設(shè)施集中第i個設(shè)施的故障停運率和故障修復(fù)時間分別為λi、ri。該負荷點的故障停電率和故障停電時間期望分別為λLP－F、μLP－F。則有：

（3）根據(jù)負荷點λLP－F、μLP－F計算其他可靠性指標。

（4）逐步計算所有負荷點的可靠性指標，根據(jù)此結(jié)果得到系統(tǒng)可靠性指標。

通過設(shè)施停運狀態(tài)可知，系統(tǒng)停電不僅包含故障停電，還包括預(yù)安排停電。在計算預(yù)安排停電的影響時，計算原理和過程與故障停電類似，只是停電過程及停電時間有所差別。

4 評估算例

分布式能源不同接入位置對配網(wǎng)可靠性影響不同，本文設(shè)置相關(guān)算例進行評估。簡化后仿真模型如圖4所示。

圖4 簡化仿真模型

4.1 算例參數(shù)設(shè)置

本文設(shè)置10 kV 線路線型為LGJ－240，根據(jù)載流量計算得到其最大供電能力為9.509 MW，設(shè)分段線路和分支線路長度均為2 km。考慮到饋線主干線分段設(shè)置時遵循各分段負荷盡可能均勻的原則，本文結(jié)合饋線最大供電能力，設(shè)置每分段負荷最大值為1 MW，用戶數(shù)為300，饋線負載率在30%左右。在后續(xù)可靠性案例評估時，區(qū)域1、2、3 負荷大小和用戶數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為分段負荷容量最大值1 MW，用戶數(shù)為300。

網(wǎng)絡(luò)元件可靠性參數(shù)如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)元件可靠性參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

在圖3 中區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3 中分別接入分布式能源，并假設(shè)分布式能源支撐時間大于故障時間，計算負荷點可靠性指標和系統(tǒng)可靠性指標分別如表2和表3 所示。

表2 不同接入位置時負荷點可靠性指標

表3 不同接入位置時系統(tǒng)可靠性指標

從表2 可看出，在區(qū)域1 接入分布式能源時，負荷點1 的年平均停電時間明顯縮短了；在區(qū)域2 接入分布式能源時，負荷點2 的年平均停電時間明顯縮短了；在區(qū)域3 接入分布式能源時，負荷點3 的年平均停電時間明顯縮短了，這是因為含分布式電源的配電網(wǎng)在元件故障時會出現(xiàn)孤島，處于孤島范圍內(nèi)的負荷點可由分布式電源恢復(fù)供電，停電時間將大大縮短；而孤島區(qū)域外的負荷點的年平均停電時間基本不變，可見分布式能源的接入對孤島區(qū)域外的負荷點的可靠性沒有改善作用，因此，院區(qū)靠近分布式電源位置選址或自身帶有分布式電源可大大提高醫(yī)院的工供電可靠性。

從表2～3 可看出，分布式能源接入點的不同會引起負荷點可靠性指標以及系統(tǒng)可靠性指標不同程度的變化，其中分布式電源接入?yún)^(qū)域3 時系統(tǒng)可靠性優(yōu)于分布式能源接入其他區(qū)域，這是由于區(qū)域3 在饋線末端，在網(wǎng)絡(luò)元件出現(xiàn)故障造成停電事故時，區(qū)域3 最容易受到影響且停電時間最長，故在區(qū)域3 接入分布式能源時，負荷點可靠性指標以及系統(tǒng)可靠性指標改善程度最大，其次是區(qū)域2、區(qū)域1。因此在初期進行配電網(wǎng)規(guī)劃時，應(yīng)合理選擇分布式電源的接入點，保證配電網(wǎng)可靠性最高。

5 結(jié)束語

隨著分布式能源的不斷發(fā)展，其對大型公立醫(yī)院的供電可靠性影響也隨之增大。用電安全是醫(yī)院能源保障的重中之重，分布式電源接入后如何保障電網(wǎng)的可靠性具有十分重要的地位。本文從負荷點供電可靠性和系統(tǒng)供電可靠性兩個維度選取可靠性評估指標，并建立可靠性評估模型。其中，負荷點可靠性指標用于描述接入分布式能源后單個負荷點的供電可靠性水平，系統(tǒng)可靠性指標用于描述接入分布式能源后整個系統(tǒng)的供電可靠性水平，系統(tǒng)可靠性指標由負荷點可靠性指標計算得到。通過對比分布式能源接入前后負荷點可靠性水平及系統(tǒng)可靠性水平的變化，即可評估分布式能源的接入對院區(qū)配電網(wǎng)可靠性的影響，其結(jié)果為醫(yī)院選址和醫(yī)院用電安全風險防控能力和可靠性水平可提供重要參考。