第23卷第6期 能 源 技 木 经 济 Energy I echnology and Economics Vo1.23 No 6 2011年6月 Jun 2011 智能电网 e 文章编号:1674—8441(201 1)06・0025—06 雷 振,韦 钢,蔡 阳,言大伟 (上海电力学院上海市电站自动化技术重点实验室,上海200090) 量接入对配电网可靠性评估指标体系、可靠性评估模型、评估方法 ;响。分析表明,含DG的配电网可靠性评估是个整体体系,所涉及 相互联系,研究DG对配电网可靠性评估的影响具有重要意义。 电可靠性;智能电网 文献标志码:A Impact of Mass Connection of Distributed Generation Sources on Reliability Evaluation ofDistribution LEI Zhen,WEI Gang,CAI Yang,YAN Dawei (Shahghai Key Laboratory ofPower Static n Automation Technology,Shanghai University ofElectric Power,Shanghai 200090,China) Abstract:A study is made on the impact of a large amount of distributed generation(DG)connection on the reliabili够 of the distribution system in terms of the reliability index system,reliabiliy modelting and reliability assessment method,and coordination between reliability and economical benefits.The result suggests that reliability assessment of the distribution network with DG connected is a holistic system with all the involved factors inter—conditioning each other.It is of great significance to inten,;ively study the impact of the DG on the reliability assessment of a distribution network. This work is supported by Key Subjects Construction Foundation ofShanghai Education Commission(No.J5 1 303). Keywords:distributed generation;distribution network;reliability ofpower supply;smart grid 0 引言 分布式电源(Distributed Generation,DG)是集中 供电方式的一种补充,主要包括风力发电、太阳能 和不确定性,将传统的配电系统建成智能化电网 , 有利于推动DG的接入。未来配电电网要朝着智能的 方向发展,就必须将信息技术、通信技术、计算机 技术和原有的输、配电基础设施高度集成,由此形 成的新型配电网的可靠性将面临考验 2]。本文将分 发电、小水电、微型燃气轮机及燃料电池等,由于可 供分布式发电的能源分布地域广、能量密度低、环 境依赖性强 ,所以对这些能源的利用具有分散性 收稿日期:2011—03—04 析DG对配电网可靠性评价指标体系、评估模型、评 估方法及其与经济性协调研究等方面的影响,可为 基金项目:上海市教育委员会重点学科建设项目(J51303) |I●■圆 智能电网 锨 泺 技 锻 济 第23卷 进一步研究含DG配电网的可靠性计算提供参考。 网可靠性评估算法之前,应先选择适用的DG计算模 型。目前DG的计算模型主要有以下几种: (1)稳态潮流计算模型。该模型将系统中的DG 模拟成PQ节点或PV节点 6J。对PQ节点,在没有 1 DG对配电网可靠性评估指标的影响 配电系统可靠性指标㈣的确立是进行可靠性评估 的关键,而DG大量接人配电系统,将对可靠性评估 指标体系产生如下影响: 电流注入母线时,可将其等同于恒功率负荷模型; 对于PV节点,当输出无功Q越界时,可将其转为 PQ节点处理;对于利用同步机接人电网的DG,如 (J)需将发电机组的可靠性指标引入配电系统。 传统配电系统中的元件主要包括主馈线、分支线、 配变及联络开关等,评价各元件可靠性的指标主要 有故障率、维修率、平均运行时间及平均修复时间 等。DG接入配电系统后,系统中增加了发电元件, 发电机组的可靠性指标就应引入配电系统。故大量 接入DG的配电系统可靠性评估指标也应包括发电机 组的故障率、平均无故障可用小时、启动可靠度等。 (2)需对DG的接入容量进行评估。由于DG接 人配电网后将引发其运行及协调问题,所以需对其 接入的容量进行评估,并用安全性指标来评估DG的 容量可靠度,使系统在引入DG后能达到预定的可靠 性水平。 (3)需协调系统与DG的保护设备及其控制方 案。DG接人系统后,将导致短路电流增大、电压因 功率输出与负荷不协调而产生波动,从而干扰电压 控制、减少或增加网络损耗等,如果系统与DG的保 护设备及其控制方案设置不当或不协调,将会削弱 系统的供电可靠性和安全性,为此,需引入衡量DG 保护控制对配电系统影响的指标。 (4)需在系统指标中引入评估DG影响的指标。 传统可靠性评估的系统指标主要有系统停电频率、 停电持续时间和平均供电可用率等指标,这些指标 依据负荷点指标的加权均值求得,因此DG对配电网 可靠性的影响将被弱化,或系统指标体现不出DG接 入的不利影响㈣,故有必要在系统可靠性指标中引入 合理评价DG影响的指标。 2 DG接入对配电网可靠性评估模型的影响 2.1 DG计算模型的分类 配电网中各元件的可靠性模型将影响配电网可 靠性评估的有效性和准确性,因此在研究含DG的配 圜■■_ 风力发电等,可用PQ节点模拟,并考虑节点电压对 无功功率的影响。 (2)RX模型。该模型主要用于风机的稳态潮流 计算n 7l,根据风机的功率变化曲线和风速计算出风机 (异步机)的滑差,利用滑差及风机本身的参数将风 机等值为一个稳态阻抗。此模型充分考虑了风力发 电机的输出功率特性,在对整个风电场进行潮流计 算时,无需对不同类型的风机单独建模,而只要计 算各种风机在不同风速下的等值阻抗即可。 (3)随机功率模型。此模型应考虑DG能源的不 确定及不稳定因素,根据影响DG出力的因素建立其 有功功率的概率密度函数。文献[18]依据风力发电和 太阳能发电分别依赖风速大小和光照强度的变化, 建立了风力发电和太阳能发电2种DG的随机分析模 型,并通过计算验证了模型的准确性和有效性。 (4)蓄电池模型l19J。风能、太阳能都受外界环境 条件的影响,其功率的输出都具有不稳定的特点, 储能装置可以将不稳定的能量储存起来,并根据电 网的需求通过自身控制提供电能。目前研究最多的 分布式储能方式是蓄电池储能,为此,将此种DG计 算模型定为蓄电池模型。 针对以上模型,结合可靠性评估的需要(主要 考虑DG的功率输出及运行状态)进行如下分析: ①稳态潮流计算模型,该模型较简单,DG的功率输 出有明确的值,但对于依赖外部条件变化很强的DG (如风电和太阳能发电),这种模拟显然不够精确; @Rx模型,目前,该模型仅用于风机中,而对于其 他任意一种形式的DG,要建立其功率变化曲线,并 根据自身参数将其等效为一个等值阻抗,还存在一 定困难;③随机功率模型,该模型综合考虑了影响 DG功率输出的各种因素,对于不同大小的功率输出 都有一定的概率,能体现实际情况,但因其比较复 杂,在对含DG的配电网可靠性评估中使用不便; 第6期 雷振等:分布式电源大量接入对配电网可靠性评估的影响 智能电网 e ④蓄电池模型,由于其T作方式是变化的,在放电 时充当电源,而在充电时其实质是个负荷,该模型 的多变给可靠性的评估带来困难。 对含DG的配电网进行可靠性评估时,首先需明 确DG的模型,因为不同的DG计算模型不仅功率输 出不同,而且其在配电网中承担的任务(即DC的运 行方式)也会有所差异,这些都将绐配电网可靠性 评估带来影响l1 4】。 2_2孤岛运行对配电网可靠性的影响 在传统的配电网中,负荷只能 上级电网获取 电能,在没有备用的情况下,上级电网中的元件发 生故障都将会对负荷产生影响,而在含DC.的配电网 中.. 级电网中的元件发生故障时,在DG容量范围 内的负荷却可以维持供电,DG可以孤岛运行,这也 是含DG配电网呵靠性计算模型的特点。孤岛运行是 含DG配电网的特殊运行方式,其对可靠性评估模型 的影响较大。 由于传统配电网中的孤岛运行给电力系统带来 丁许多问题120/,因此,早期[EEE颁布的标准IEEE Std 929--2000规定 :含DG的配电 系统应尽量避免 孤岛的发生。这一规定限制了能源利用效率,随着 孤岛检测及控制技术的不断发展,IEEE又颁布了 IEEE 1547—20()3,其中详细规定了DG与电力系统 互连的标准 ,该标准现已发展为一系列对DG与系 统互连的具体要求(IEEE P1547.1~IEEE P1547.6), 包括电能质量、系统可靠性、系统保护、系统通信、 安全标准等,鼓励可控制的孤岛为用户供电,进一 步提高系统可靠性。按照IEEE 1547的规定,DG与 系统互连的形式如图1所示。图1中,含DG的配电 网存在2种典型的运行方式,即孤岛的并网运行方 式和系统故障时孤岛的独立运行方式。孤岛运行对 配电网用户及配电网可靠性的影响主要表现在以下 方面: (】)孤岛形成的概率。孤岛形成以前,需要准 确地评价配电网中含DG孤岛形成的影响因素、孤岛 的运行方式、以多大概率进入孤岛 行方式以及孤 岛的范围等。 (2)孤岛运行的可靠性。对于一个已经形成的 运行孤岛,其对供电可靠性评价将广 生一定的影响: 大部分DG不能像大电源一样提供稳定的功率输出, 区域电力系统 本地系统 本地系统 本地系统 图1 DG接入电网形式 功率输出随负荷变化的响应能力有限,而且由于DG 状态变化等因素,都会对孤岛运行的稳定性产生一 定影响。 建立含DG配网的可靠性评估模型,其难点是如 何准确地对孤岛特性作出评估:在孤岛范围内的负 荷与大系统相比更具有随机性,但若考虑负荷的随 机模型,将使问题更复杂;在一个含DG较多的配网 中,孤岛的数量也不唯一,这就需要综合协调各孤 岛的供电能力,以提高系统的可靠性。 3 DG对配电网可靠性评估方法的影响 3.1 DG对配电网可靠性解析求解方法的影响 配电网可靠性的解析求解法是在考虑故障发生 概率的基础上,通过建立系统可靠性数学模型以及 对预想故障事件进行分析后计算得到的系统各种概 率指标。主要的解析法有故障模式后果分析法、最 小路径法、最小割集法、网络等值法以及各种方法 的结合等。解析法受网络的规模及复杂程度限制, 简单网络通过解析方法可以得到精确解,而对于复 杂配电网(尤其是在DG大量接入的情况下),由于 DG运行方式的多变,使得系统的预想故障事件复杂 化,且计及故障影响模式的可靠性模型涉及NP组合 问题(组合数学领域仍未解决的多项式复杂程度的 非确定性问题),DG的运行复杂性使得故障影响模 式更为复杂,这些都为含DG的酉己电网利用解析法求 解可靠性指标带来困难。 3.2 DG对配电网可靠性模拟求解方法的影响 配电网可靠性模拟求解法采用Monte.Carlo模拟, ¨_■囝 智能电网 能 泺 技 木 缠 淆 第23卷 通过对元件特性的概率分布进行抽样,利用计算机 进行随机实验对可靠性指标进行评估。相对于解析 法,模拟法最大的优点是可以不受网络规模限制, 随机模拟次数与系统规模无关,适合于对大型复杂 配电网的安全可靠性进行评估,包括处理各种复杂 将 因素。然而,在含DG的配电网中如何描述不同电源 及配电元件特性的概率分布以及如何协调配电网中 各种不同类型的DG,成为用模拟法求解含DG配电 网可靠性的关键。 3.3其他影响 除以上2类传统评估方法外,还有一些系统工 程的理论方法和智能算法被开发运用到了配电网可 靠性的计算中,该类方法具有对配电网网络的适应 性强、计算精度高等优点,能很好地解决可靠性计 算中原始参数的不确定性影响。如:文献[221提出了 基于区间计算的含DG配电可靠性研究,然而该研究 只考虑了DG作为备用电源的情况,却没有考虑分布 式发电的不稳定及不确定性因素;文献[231提出将人 工智能方法运用到配电系统可靠性评估中,建立具 有3层前馈网络的误差回传人工智能算法(BP算 法),通过对真实配电网进行评估,其计算结果与传 统方法相比,误差减小了1%,且在网络结构改变时 该算法更具适用性和灵活性。但运用人工智能方法 对含DG的配电网进行可靠性评估,其难点是输人层 单元难以确定,而中间层节点数的选取也不好解决, 造成神经网络设计困难。 目前的相关研究主要是从DG对配电网的可靠性 所产生的影响人手,综合考虑网络损耗、电压质量 等,为DG接人配电网寻求最优的接人位置、接入容 量以及合适的运行方式,而很少能够定量分析DG接 人配电网后对供电可靠性的影响以及对含DG的配电 网供电可靠性进行评估。 4 DG对配电网可靠性经济分析的影响 4.1 DG对配电网成本效益分析的影响 配电网的可靠性经济分析是可靠性的优化问题, 其采用的方法是成本一效益分析 去,主要因素包括 为保证可靠性所投入的设备成本和维修费用F(r)、 可靠性提高所带来的效益G(r)(反映在用户停电损失 ■固■■● r0 可靠性水平 图2配电网可靠性成本一效益分析原理 的降低),目标函数c(r)=F(r)+G(,.),其优化过程见 图2。 由图2可知,协调可靠性投入和可靠性效益, 可使综合成本一效益曲线c(r)达到最低点,是配电 网可靠性优化的最终目标。DG接入配电网的重要作 用是提供经济低碳的电力能源,进一步提高用户的 用电可靠性,其与传统配电网可靠性成本一效益分 析的不同之处主要体现在: (1)DG接人配电网的政策影响。DG的投资主 体可以是配电公司、发电企业或者用户,而且DG对 不同的投资主体影响也不同[251,在进行成本一效益分 析时,需根据不同的主体明确可靠性投入的核算。 (2)对停电损失评估方法的影响。配电网停电 损失的统计和计算是非常复杂的,因为不同国家、 不同地区、不同用户类型,其停电损失计算方法都 不同,且与停电负荷及停电持续时间也都不是线性 关系,在引入DG后,不同的DG类型由于发电成本 的不同,造成其停电损失的计算方法也不相同,此 举更加大了对停电损失的评估难度。 (3)应扩展可靠性效益评估的范畴。提高供电 可靠性、减少用户停电损失只是DG所带来效益的一 个方面,而DG接人配电网的推动因素更多的是其良 好的社会效益和环境效益,如何将这些效益体现在 传统成本~效益分析的目标函数中,是可靠性效益 评估应解决的一个关键问题。 4.2 DG对配电网重构的影响 本文将配电网重构纳入可靠性经济分析闭,是考 虑到重构的目的主要是为了提高网络的可靠性和经 济性。成本一效益分析可以为网络中设备的投人提 第6期 雷振等:分布式电源大量接入对配电网可靠性评估的影响 智能电网 供决策支持,而配电网重构则是在 J络结构变化的 情况下优化配电网的运行,以实现配电网运行的可 靠性与经济性协调。国内外对配电网重构的研究比较 多[27-28],目标是达到隔离故障、平衡负荷、提高电压 质量和供电可靠性、降低网损以提高经济性等[29-30]。 配电网重构分为事故重构和运行重构,在DG大量接 人配电网以后,将给配电网的重构策 }带来如下影响: (1)在配电网故障情况下,需要通过开关重置 隔离故障,同时形成计划孤岛,即有计划地人为形 成的孤岛。一方面合理的规划和有效的控制避免了 DG对电力系统安全稳定的不利影响 另一方面继续 给部分用户供电,充分利用DG对提 亩供电可靠性的 积极作用。 (2)在正常运行情况下,为提高经济性,在对 配电网进行重构时,应该尽量避免孤岛的发生,因 为在系统与DG均带电的情况下,突然解列和下次并 网都会在一定程度上给DG带来冲击,并影响供电质 量和可靠性,给运行人员带来安全隐患。 针对以上特点,对含DG配电网重构的算法值得 深究,一个良好的算法可以实现DG功能的最大化。 5结语 含DG配电网可靠性评估无论从评估指标、评估 模型和评估方法等方面来讲,与传统配电网的可靠 性评估均有所不同,DG的大量接人给配电网可靠性 评估带来以下新的挑战: (1)需形成完整合理的含DG配电网可靠性评估 的指标体系,包括评价DG机组可靠性指标、容量约 束指标、体现DC与保护控制设备协调性的指标以及 能更加直观地体现DG对系统影响的可靠性指标等。 (2)在DG大量接人时,应针对不同的DG,结 合DG在配电网中的运行方式,建立与之对应的、适 合的模型,方能准确评估DG在并 J与孤岛运行时的 可靠性。 (3)应根据DG功率输出的特点,探索含DG配 电网可靠性评估的准确有效的方法,使之适用于多 种DG计算模型以及运行复杂的情况,而模拟法因其 概率抽样的特点将更适用于含DG配电网可靠性评 估中。 参考文献: [1]行健.电力工业的发展方向——分布式发电[J].电力技术经济, 2000,12(1):64. 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