分布式电源对配电网的可靠性影响

分布式电源对配电网的可靠性影响
摘要：凭借运行方式灵活、环境友好等特点，越来越多的分布式电源被接入到配电网中，这在对配电系统的结构和运行产生一系列影响的同时，也将改变原有的配电系统可靠性评估的理论与方法。

由于用户可以同时从传统电源和分布式电源两方面获取电能，配电系统的故障模式影响分析过程将发生根本性改变，需要考虑系统的孤岛运行。

此外，风机、光伏等可再生分布式电源出力波动性以及储能装置运行特性的影响更加剧了问题的复杂性。

本文使用一种分布式电源低渗透率情形下配电系统可靠性评估的准序贯蒙特卡洛模拟方法，计算与用户相关的配电类可靠性指标,指标分别为EENS，SAIDI,和SAIFI。

应用馈线区的概念，研究了分布式电源接入后配电系统的故障模式影响分析过程，对系统中的孤岛进了分类，并采用启发式的负荷削减方法维持孤岛内的电力平衡。

在上级电源容量充足的前提下，该方法对系统中非电源元件的状态进行序贯抽样，而对风机、光伏、蓄电池组等分布式电源的状态进行非序贯抽样，可以在确保一定计算精度的同时提高模拟速度。

关键词：配电系统，可靠性评估，分布式电源，馈线区，准序贯蒙特卡洛模拟
1、分布式发电发展概况
作为集中式发电的有效补充，分布式发电近年来备受关注，分布式发电技术也日趋成熟，其发展正使得现代电力系统进入了一个崭新的时代。

尽管到目前为止，分布式发电尚无统一的定义，但通常认为，分布式发电（Distributed Generation,DG）是指发电功率在几千瓦至几十兆瓦之间的小型化、模块化、分散化、布置在用户附近为用户供电的小型发电系统。

它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，又可以接入配电系统，与公共电网一同为用户提供电能。

按照分布式电源（Distributed Energy Resource, DER或Distributed Generator,DG）是否可再生，分布式发电可分为两类：一类是可再生能源，包括太阳能、风能、地热能、海洋能等发电形式；另一类是不可再生能源，包括内燃机、热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。

此外，分布式发电系统中往往还包括储能装置。

分布式发电的优势包括：
1）经济性：由于分布式发电位于用户侧，靠近负荷中心，因此大大减少了输配电网络的建设成本和损耗；同时，分布式发电规划和建设周期短，投资见效快，投资的风险较小。

2）环保性：分布式发电可广泛利用清洁可再生能源，减少化石能源的消耗和有害气体的排放。

3）灵活性：分布式发电系统多采用性能先进的中小型模块化设备，开停机快速，维修管理方便，调节灵活，且各电源相对独立，可满足削峰填谷、对重要用户供电等不同的需求。

4）安全性：分布式发电形式多样，能够减少对单一能源的依赖程度，在一定程度上缓解能源危机的扩大；同时，分布式发电位置分散，不易受意外灾害或突发事件的影响，具有抵御大规模停电的潜力。

上述分布式发电的独特优势是传统的集中式发电所不具备的，这成为了其蓬勃发展的动力。

为此，世界上很多国家和地区都制定了各自的分布式发电发展战略。

例如，在2001年，美国的DG容量就占到了当年总发电容量的6%，而其于同年制定完成的DG互联标准IEEE P1574，则规划在10-15年后DG容量将占到全国发电量的10-20%；欧盟也于2001年制定了旨在统一协调欧洲各国分布式电源的“Integration”计划，预计在2030年DG容量达到发电总装机容量的30%左右；我国对DG的发展也十分重视，相继颁布了《可再生能源法》和《可再生能源中长期发展计划》，计划在2020年DG容量达到总装机容量的8%。

但是，在伴随着诸多好处的同时，分布式发电的发展给电力系统，特别是配电系统的规划、分析、运行、控制等各个环节都带来了全新的挑战。

分布式电源自身的特性决定了一些电源的出力将随着外部条件的变化而变化，因此这些电源不能独立地向负荷供电，且不可调度。

而对于配电系统而言，当DG规模化接入配电系统后，配电系统由原来单一的分配电能的角色转化为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的“电力交换系统”（Power Exchange System）或“主动配电网络”（Active Distribution Networks），配电网的结构出现了根本性的变化，不再是传统的辐射状的、潮流单向流动的被动系统，给电压调节、保护协调和能量优化带来了新的问题。

特别是当配电系统中DG的容量达到较高的比例，即高渗透率时，要实现配电网的功率平衡和安全运行，并保证用户的供电可靠性有着很大的困难。

2、分布式电源对配电系统可靠性评估的影响
在传统的配电系统可靠性评估中，由于配电网“闭环设计、开环运行”的特点，电网正常运行时负荷点仅由单一电源供电。

当系统内元件发生故障时，位于故障馈线段的负荷点因通路中断而停电，而位于故障馈线段后的负荷点则可根据是否存在联络或联络备用容量是否充足恢复供电，故障分析过程明确而清晰。

但分布式电源接入配电系统后，电网变成一个多电源与负荷点相连的网络，配电网的根本特性发生了改变，这给配电系统的可靠性评估过程带来了许多新的影响和问题，具体包括以下几个方面：
1)分布式电源出力的波动性
传统的配电系统可靠性评估中，通常采用将上级电网等效的方式，只考虑单一电源（变电站、母线）的可用性。

并且与上级电源相比，单条配电馈线的容量是很小的，因而当上级电源可用时，可以认为其容量是充足的，无需作过多考虑。

而分布式电源则不同，分布式电源的输出功率一般较小，而且由于分布式发电的一次能源种类多样，分布式电源的出力具有随机性、间歇性和不可控性等波动性特征。

在进行可靠性分析的时候，单纯考虑负荷变化因素的影响已经在一定程度上增加了问题的复杂性，而与此同时还要再考虑大量分布式电源出力波动性的影响，就更加剧了分析过程的复杂程度。

2)系统状态规模的增加
分布式电源接入后，成为了配电系统的重要组成部分，因此同样需要建立其停运模型，计及分布式电源的失效状态。

另外，与馈线、变压器等非电源元件不同，分布式电源属于电源元件，通常具有多个失效状态，其停运模型的建立相对复杂。

而对于配电系统而言，配电网本身的元件数量已经很多，在大量的分布式电源接入后，将会导致系统状态规模的进一步增加。

3)储能装置运行特性的影响
储能装置是支撑分布式发电系统自主稳定运行不可或缺的重要组成部分，由于分布式电源出力的波动性，分布式发电系统中需要配置储能装置以平滑其出力，在分布式电源出力过剩时为储能装置充电，在分布式电源出力不足时释放电能。

因此，与常规电源不同，储能装置的状态实际上属于控制变量，其出力大小受到分布式电源出力变化的控制，无法用传统元件的可靠性建模方式事先获得。

此外，储能装置充放电策略的不同也会影响其出力状态的变化情况，从而影响系统的可靠性分析过程。

4)系统运行方式的改变
分布式电源的最显著影响在于其将导致配电系统的运行方式发生深刻变化。

分布式电源的运行模式有两种：孤岛运行和并网运行。

在孤岛模式下，分布式电源和部分负荷将组成一个自给自足的孤岛，由分布式电源独立向负荷供电。

虽然孤岛运行时可能会产生一些电压、频率不满足要求的情况及安全性等问题，但这种运行方式仍被视为分布式电源的最大特点之一。

当配电网发生故障时，分布式电源如果能够运行于孤岛方式，将对孤岛内负荷的供电可靠性有着重要意义。

但是，孤岛的形成和划分则需要综合考虑分布式电源出力波动性、负荷的不确定性以及保护开关配置等因素的影响，这些都是传统配电系统可靠性评估中涉及不到的新问题。

而当分布式电源运行于并网模式时，也会对配电系统的可靠性评估过程产生影响。

在并网模式下，负荷可以同时从电网和分布式电源获取电能，看似供电更加可靠。

但是，如果考虑到经济性的因素，在分布式电源大量接入后，就应该适当减少上级电源的冗余容量，这将有可能导致分布式电源故障时，上级电
源因容量不足而无法供应所有负荷的情况，反而会造成系统可靠性的降低。

另外，为了减少分布式电源对电网的负面影响，将不同类别的分布式电源、储能装置、负荷以及相应的控制装置以微网（Microgrid ）的形式接入到配电网中，是发挥分布式电源效能的最有效方式。

对微网自身的可靠性评估以及对微网接入后整个配电系统的可靠性评估，实际上是含分布式电源的配电系统可靠性评估问题的延展，同样需要予以考虑。

2、分布式电源对配电系统可靠性评估指标
配电系统（distribution system ）是电力系统中从输电系统的变压点
（transformation points ）向电力用户传送电能的部分，也是将电能分配到各个用户的最终环节，包括不同电压等级的配电站、配电变压器、配电线路以及把不同用户连接起来的其它电气设施。

在我国，配电系统又称为供电系统（power 3 supply system ），主要是指220kV －380V 系统。

通常称35kV 以上系统为高压配电系统，10kV （20kV 、6kV ）系统为中压配电系统，380V/220V 系统为低压配电系统。

当然，这几个部分也不能只按电压来严格区分，而必须考虑系统设施的功能。

根据大多数电力公司对用户停电事件统计数据的分析表明，配电系统对于用户的停电事件具有更大的影响。

据不完全统计，用户的停电事件中有80%－95%是由配电系统的故障引起的。

而且随着现代社会对可靠性要求的不断提高，即使是局部电网故障，对电力企业、用户和社会的影响都日益增大，因此，近年来配电系统可靠性问题逐渐受到更多的关注。

而相对于高压配电系统和低压配电系统，中压配电系统对用户可靠性的影响最大，也是可靠性评估的研究重点。

本文亦以中压配电系统为研究对象，文中所出现的配电系统也均指代中压配电系统。

1)负荷点可靠性指标：常用的负荷点可靠性指标主要包括负荷点平均故障率、负荷点年平均停电时间和负荷点每次故障平均停电持续时间。

2)负荷点可靠性指标并不总是能完全表示系统的特性。

例如，不管负荷点连接的是1个用户还是100个用户，也不管负荷点的平均负荷是10千瓦还是100 兆瓦，负荷点可靠性指标都是相同的。

为了反映系统停电的严重程度和重要性，需要从整个系统的角度出发对其可靠性进行考量，常用的系统可靠性指标包括：
①系统平均停电频率指标（SAIFI ）
∑∑==i
i i N N SAIFI λ用户总数用户停电总次数 式中，i λ为负荷点i 的平均故障率，i N 为负荷点i 的用户数，SAIFI 的单位为次/户·年。

根据我国《供电系统用户供电可靠性评价规程》的规定，该指标又被称为用户平均停电次数(AITC)。

②用户平均停电频率指标(CAIFI ）
∑∑==i
i i M N CAIFI λ停电总用户数用户停电总次数 式中，i M 为负荷点i 的故障停电用户数，CAIFI 的单位为次/户·年，该指标与SAIFI 的区别仅在于分母的值。

计算该指标时需要注意，不管一年中停电用户的停电次数是多少，对其只应该计数一次。

③系统平均停电持续时间指标（SAIDI ）
∑∑==i
i i N N U SAIDI 用户总数用户停电持续时间总和 式中，i U 为负荷点i 的年平均停电时间，SAIDI 的单位为h/户·年。

④用户平均停电持续时间指标（CAIDI ）
∑∑==i
i i i N N U CAIDI λ用户停电总次数用户停电持续时间总和 CAIDI 的单位为h/次或min/次。

在我国，该指标又被称为故障停电平均持续时间(AID)。

⑤平均供电可用度指标（ASAI ）
8760
187608760SAIDI N N U N ASAI i i i i -=⨯-⨯==∑∑∑要求供电总时户数实际供电总时户数 ASAI 可以通过SAIDI 直接得到，其单位为%。

在我国，该指标又被称为“供电可靠率(RS)。

⑥系统总电量不足指标（EENS ）
∑==i ai U L ENS 系统总的电量不足
式中ai L 为接入负荷点i 的平均负荷。

ENS 的期望值为EENS （expected energy not supplied ），单位为kWh/年或MWh/年。

⑦系统平均电量不足指标（AENS ）
∑∑==j
i ai N N L AENS 用户总数系统总的用电不足 AENS 的单位为kWh/户·年或MWh/户·年。

本文用的指标分别为EENS ，SAIDI,和SAIFI 。

3、配电系统可靠性评估方法
系统可靠性评估主要有两大方法，蒙特卡洛模拟法与解析法。

1)解析法：
根据配电系统的模式、复杂程度、以及所需求的分析深度的不同，采用的评估方法也有所不同。

对于辐射型配电系统，直接运用串联系统可靠性评估原理，通过对逐个元件进行故障分析、观察并列出每个负荷点的故障后果表的方法计算负荷点和系统的平均性能指标。

而对于复杂配电系统，往往先采用状态空间法和其它一些简化方法（例如网络化简法、状态枚举法等）选择系统失效状态，然后根据各失效状态的后果及其出现的概率计算整个系统的可靠性指标。

当系统元件数量较多时，解析法中的系统状态选择及概率计算过程将变得十分繁琐。

2)蒙特卡洛模拟法（Monte Carlo Simulation, MCS ）
蒙特卡洛模拟法：蒙特卡洛模拟法又称统计实验方法（Statistical Test Method ）或随机抽样技术（Random Sampling Technique ），它通过计算机产生的随机数对元件的状态进行抽样，进而组合得到整个系统的状态。

系统的可靠性指标是在积
累了足够的系统状态样本数目后，统计每次状态估计的结果得到。

采用蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估有着诸多优势：
第一，蒙特卡洛模拟法容易模拟负荷随机波动、元件随机故障、气候随机变化等随机因素和系统的矫正控制策略，计算结果更加贴近实际。

第二，在满足一定计算精度的要求下，蒙特卡洛模拟法的抽样次数与系统的规模无关，因此特别适用于大型复杂系统的可靠性评估。

第三，除了能够计算表征系统平均性能的指标外，蒙特卡洛模拟法还能获得可靠性指标的概率分布，评估结果更加全面。

第四，蒙特卡洛法的模拟过程非常简单和直观，易于被工程技术人员理解和掌握。

正是由于上述优点，蒙特卡洛模拟法在电力系统的可靠性评估中获得了十分广泛的应用。

蒙特卡洛模拟法与解析法的不同之处仅在于系统失效状态的选择方法和可靠性指标的计算方式不同，确定元件停运模型的过程和失效状态后果分析评估的过程与解析法是相同的。

根据是否考虑系统状态的时序性，蒙特卡洛模拟法可以分为非序贯模拟法、序贯模拟法和准序贯模拟法（或伪序贯模拟法）。

本文利用准序贯模拟法进行可靠性评估。

准序贯模拟法（Pseudo-sequential Simulation ）是一类综合非序贯模拟和序贯 模拟的方法的统称，其基本思想是将随机模拟和顺序模拟有机结合，既发挥非序贯模拟收敛速度快的优势，又具有序贯模拟法能够处理时序事件的特点。

4、系统模型
本文讲述了一种含分布式风机、光伏阵列及蓄电池的配电系统可靠性准序贯蒙特卡洛评估方法。

在建立系统各元件时序模型的基础上，对系统中的非电源元件进行序贯抽样，而对风光蓄元件进行非序贯抽样。

建立风机、光伏阵列、负荷和蓄电池的时序模型，该模型以1h 为基本步长，即认为1h 内其时序值不变。

1)由实验得到的风机出力曲线描述了出力与风速的关系， 虽然不同类型风机的出力曲线不尽相同， 但都可近似表示为：
co t co t r r t ci ci t r
r t t w V V V V V V V V V V P P CV BV A P >≤≤<≤<≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=00
)(02 t r co V P V
式中：w P 为风机出力； ci V ， r V ， co V 和 r P 分别为切入风速、 额定风速、 切出风速和额定功率；A ，B ，C 为出力曲线非线性部分的多项式拟合系数； t V 为第t 小时的风速即：
t t t t y V σμ+=
m m t t t t n t n t t t y y y y θαθαθααφφφ----------+++= 22112211
式中：
t μ为历史平均风速；t σ为风速分布的标准差；t y 为时间序列；n φφφ，，， 21为自回归系数；m θθθ，，， 21为滑动平均系数；i α为白噪声系数，服从均值为0、
方差为2ασ的独立正态分布。

2)光伏阵列模型
光伏阵列的实时出力采用如下模型：
std
bt std bt c c bt sn std bt sn c std bt sn b G G G G R R G P G G P R G G P P ≥<≤<≤⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=02c std bt sn b R G G P P 式中：b P 为光伏出力； sn P 为光伏阵列的额定功率，即在标准测试条件下，单位 光强所能产生的功率；bt G 为第t 小 时的光强系数； std G 为单位光强；c R 为特定强度的光强。

3)负荷模型：
负荷点第t 小时的负荷t L 为：
h d w p t a a a L L =
式中：t L 为负荷点的年负荷峰值；w a 为周负荷曲线上各值与年负荷峰值的比值；
d a 为日负荷曲线上各值与周负荷峰值的比值；h a 为日负荷曲线上各值与日负荷峰值的比值。

4)蓄电池模型
蓄电池的状态由其荷电状态表征。

当蓄电池处于并网模式时，系统可以随时对其充放电， 因而其状态与系统的运行策略有关。

以周期循环充放电策略为例，该策略下蓄电池的荷电状态变化情况如图1所示。

图1中：SOC S 为蓄电池的荷电状态序列；m ax SOC S 和m in SOC S 分别为荷电状态序列的
上、 下限；321T T T T ++=为一个充放电周期。

在孤岛模式下， 蓄电池的状态主要由岛内的净交换功率ex P （负荷减去DG 出力）决定。

当ex P 为负（充电）时，蓄电池1h 内能够吸收的功率in P 为：
),,,max (3,2,1,in in in ex c in P P P P P --=η
其中：
)
1(1)1(1max 1,k k k k in e k c e e Qkc e kQ kcQ P ----+-+--++-= ))(1(max 2
,Q Q e P in --=-α 1000
max 3,nom batt in V I N P = 式中：c η为蓄电池的充电效率； m ax Q 总容量；1Q 为充电前的第1池容量；Q 为充电前容量；k c ,,α为铅酸蓄电池模型参数，其中c 为2池容量比例，α为最大充电率，k 为常数；batt N 为电池个数；m ax I 为最大充电电流；nom V 为额定工作电压。

当ex P 为正（放电） 时，1h 内能释放的功率out P 为：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=1,,min out d ex out P P P η 其中
)
1(1)1(11,k k k k out e k c e e Qkc e kQ P ----+-+--+= 式中：d η为蓄电池的放电效率。

充放电1h 后，蓄电池的荷电状态序列为：
max ,2,1Q Q Q S end
end end
soc +=
k e k Pc k e P Qkc e Q Q k k k
end )1()1)((1,1---+----+=
k e k c P e c Q e Q Q k k
k end )1)(1()1)(1(2,2---+----+= 式中：in P P =或out P P =；2Q 为充电前的第2池容量。

当已知孤岛期间岛内净交换功率序列和孤岛开始时刻蓄电池的初始荷电状态序列时，可反复应用该模型得到孤岛期间蓄电池的荷电状态序列。

5、系统状态的准序贯抽样。