分布式电源接入配电系统可靠性分析方法

袁兆祥，孔祥玉，赵帅

（1．国网北京经济技术研究院，北京 100052；2．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

分布式电源接入配电系统可靠性分析方法

袁兆祥1，孔祥玉2，赵帅2

（1．国网北京经济技术研究院，北京 100052；2．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

分布式电源接入电网后，对配电系统将会产生很大影响，使原有配电系统可靠性计算模型和评估方法发生改变。文中提出了一种基于蒙特卡洛方法的分布式电源接入配电系统后的可靠性分析方法。该方法主要针对分布式电源与系统电源并列运行情况，重点考虑了分布式电源在配电网中的作用，以及在系统发生故障时分布式电源对供电负荷的转带策略等因素。通过实际仿真算例的分析，验证了该方法的有效性。关键词：高渗透率；分布式电源；蒙特卡洛方法；可靠性分析

随着清洁可再生能源的利用和开发工作受到重视，分布式电源DG（distributed generation）大量接入配电系统，导致传统的配电网结构和运行模式发生改变。通常将渗透率定义为局部地区整个配网系统内分布式发电系统容量占配网系统容量的比率，一般情况下渗透率到达70%即被认为是高渗透[1]。目前，分布式发电系统在一些地区的配电网已形成高渗透。

传统配电网通常是由单一电源点辐射式供电，采用的模型也是单电源模型，当电网上任一条馈线发生故障时，此馈线故障点后面的负荷将全部停电；而分布式接入配电系统后，配电系统变为一个多电源网络，当馈线上发生故障时，若馈线后接有分布式电源，则故障馈线后的负荷点能够与分布式电源形成孤岛而不停电[2]。由于分布式电源（如风能、太阳能）输出具有随机性和不可控性，在高渗透分布式电源接入的情况下，配电系统的可靠性评估模型和方法与传统方法有所不同，可靠性分析方法也变得复杂[3]。

针对分布式电源接入对配电系统的影响，文献[4-7]针对分布式电源接入前后配电系统的可靠性指标分别给出提高可靠性的不同改进方法。本文提出一种适于高渗透含分布式电源接入情况下的配电系统可靠性分析方法，该方法采用蒙特卡洛方法，针对分布式电源与系统电源并列运行情况，充分考虑了分布式电源在系统发生故障时的作用和分布式电源转带负荷的策略等因素。

1 分布式电源接入配电网的运行方式及模型

1.1 分布式电源的运行方式

分布式电源的运行方式会对配电网供电可靠性产生不同影响[8]，主要包含3种情况。

（1）分布式电源作为系统电源的备用电源。当配电系统发生故障中断供电或由于其他原因切除馈线后负荷时，接在负荷侧的分布式电源启动，通过开关的操作，将负荷转移到分布式电源继续供电。此种运行方式有助于提高配电系统可靠性，但经济性差，会造成分布式电源的浪费。

（2）系统电源作为分布式电源的后备电源。此种运行方式下，分布式电源独立运行给负荷供电，由于分布式电源的间歇性和不可控性，需要加入系统电源来平衡两者。这种运行方式最大程度地提高分布式电源的经济性，也充分考虑了投资者的利益，但对配电网的可靠性却没有帮助。

（3）分布式电源与系统电源并列运行，共同为区域内的负荷点供电。此时配电网变为一个多电源网络，用户可从多个电源获得电能，相当于为负荷点增加了备用电源。在该种方式下，系统电源和分布式电源故障时，可互为备用提高配电系统的可靠性。当然若控制措施不当，则可能面临解孤岛时的系统不同步，严重时甚至影响系统稳定。

在高渗透率的分布式电源接入配电网情况下，考虑到效率及稳定性问题，分布式电源与系统电源并列运行将成为主流[9]。本文以并列运行方式作为研究对象，其他方式可采用相同方法分析。

1.2 分布式电源接入配电网方式

根据国家电网公司《分布式电源接入电网技术规定》，分布式电源接入电压等级宜按照200 kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网，200 kW以上分布式电源接入10 kV（6 kV）及以上电压等级电网。接入配电系统主要包括两种形式[10]。

（1）分布式电源通过配电网的分支馈线分散接入到低压配网中的各个负荷点，该种方式主要是对小规模的分布式电源，通常接入380 V电压，方式连接如图1（a）。这种接入方式分布式电源与负荷点间经过的配电环节较少，其优点是能够发挥分布式电源安装灵活、能量来源广泛的特点，缺点是配电系统的运行调度方式实现难度较大。

（2）分布式电源集中接入到配电系统的低压侧母线上，该种方式主要是对于中等规模的分布式电源，通常接入10 kV（6 kV）电压等级，方式连接如图1（b）。分布式电源集中接到低压侧母线上时，其作用与系统侧电源相同。当配电系统发生故障而失去系统侧电源时，分布式电源可代替系统电源继续向低压侧用户供电。但由于分布式电源的出力受到诸多因素影响，并不恒定，此时通常仅能对重要负荷供电，所带负荷需进行优选。

图1 分布式电源接入配电网方式Fig.1Connection modes of DG into distribution network

当系统发生故障后，两种方式都可形成区域不等的孤岛以支持所供负荷不停电。

2 含分布式电源的配电网可靠性分析

2.1 分布式电源和负荷的分组策略

配电系统每条馈线都装有断路器，对某一故障，发生故障的馈线分成前向区域、中间区域、后向区域。当有分布式电源加入后，需考虑断路器跳闸策略和分布式电源的孤岛运行，同时馈线前向和后向区域受故障影响可能不同，前向区域和后向区域需根据断路器跳闸策略进行不同分组。

例如某些负荷在断路器跳闸后不进行开关操作就能够被某个分布式电源转带，此种情况下，可将该负荷与所供能的分布式电源分为同枝组，分布式电源和负荷可形成孤岛运行；不可能被分布式电源转带的则视为分布式电源的不同枝组。利用该种分组方法，可将故障的前向区域、后向区域分成分布式电源的前向同枝/不同枝组、后向同枝/不同枝组[9]。当前向区域或后向区域含有多个分布式电源时，不同的分布式电源允许具有不同的同枝组，对于不能被任何分布式电源转带的负荷点，同传统配电网没有分布式电源接入的其他负荷一样，归结于不可转供的不同枝组。

2.2 分布式电源转带负荷的策略

当系统发生故障期间，分布式电源直接或通过快速操作对前向区域和后向区域负荷进行恢复供电，即让分布式电源转带一部分负荷。此时的转带策略是：分布式电源优先转带其同枝组内重要的负荷，若有能力，转带同枝组内的其他负荷，若还有剩余出力时，再转带不同枝组负荷。这样做的目的在于减少开关操作次数，减少供电损耗。

对于后向区域，分布式电源是一直在运行的，在故障发生时，由于有断路器跳闸策略保护，分布式电源将不会退出运行，故分布式电源的同枝负荷点将可能不停电，而其是否会停电取决于故障时间内分布式电源的出力与负荷量间的大小对比关系。若分布式电源能将同枝负荷点全部转带，则同枝点负荷将不会停电，且分布式电源的剩余出力还可用来转带不同枝组内的其他负荷；若分布式电源的出力不能将同枝组内的负荷点全部转带，则在同枝组内对重要负荷进行负荷点优选。

对于故障的前向区域，当断路器隔离故障跳闸时，也会形成含分布式电源的孤岛。此时需对故障前向区域内的负荷点和分布式电源进行分组。对于某些负荷点，由于同枝组内有分布式电源存在，这些负荷有可能不停电，但是否会停电取决故障时间内分布式电源出力以及与所需供负荷量间的大小关系。若分布式电源与同枝负荷点相比足够大，则组内负荷点将不会停电；若分布式电源不能全部转带，则需对所带负荷按重要性优选。

2.3 停电指标

电力系统可靠性评估的目的是获得能够量化的可靠性指标。对于含有分布式电源的配电网分析，本文选用负荷停电概率LOLP（loss of load probability）和负荷年平均停电时间AAID（annual average interruption duration）两个指标。

LOLP描述的是系统中负荷出现停电事件的概率，计算公式为

3 配电系统可靠性分析算法

3.1 假设条件

当较多太阳能、风能等分布式电源接入配电系统后，分布式电源的间歇性和不可控性增加了可靠性分析的难度[11]。为简化分析，在不影响计算精度的情况下，假设系统发生故障时，配电网的保护断路器等开关设备不会产生误动、拒动等，该种情况下，即可认为系统并网运行和孤岛运行模式间能够快速完成且不会产生切换失败的情况。

3.2 算法流程

算法流程如图2所示。

图2 含分布式电源的配电系统可靠性分析流程图Fig.2Distribution system reliability analysis flow chart for considering DG

对一个配电系统进行可靠性分析，需要将各种类型的故障在不同地点按照不同的发生时序进行组合，此时的计算将是海量的，因此本文对系统的故障状态采用蒙特卡罗抽样进行分析。

首先需要根据编号将割集内分成分布式电源同枝的负荷点集和不与分布式电源同枝的负荷点集；然后基于判断割集所属馈线，分析割集内分布式电源数目，并读取相应馈线负荷数据。之后，运用Mento-Carlo方法对系统的运行状态进行抽样，形成运行状态序列，并评估运行期间发电系统是否正常运行，对于配电网发生在馈线上的故障，根据故障前、后区域，分布式电源和拟供负荷量的大小，以及所供应负荷的重要度进行转供分析，并最终获得配电系统可靠性指标。

在应用该方法时，需要注意光伏、风电等分布式电源受气候因素影响，具有间歇性和不可控性，在进行可靠性分析时，气候因素会对配电网可靠性有较大影响。解决方法可通过对不同时期、不同气候情况下的设备可靠性乘以一个权重系数，利用气候权重系数实现不同气候状态的模拟。

4 算例分析

本文采用IEEE-RBTS的BUS6配电系统研究，此系统具体参数可参考文献[12]。如图3所示，采用分散式接入方式，在节点22和29处加入两个分布式电源，并配有小容量储能设备，负荷14～18及19～23可在故障时刻由独立运行的孤网供电。

图3 IEEE-RBTS BUS6测试网络结构Fig.3Case study of IEEE-RBTS BUS6

算例对该可靠性评估方法的收敛性和精度进行分析。由表1可知随着蒙特卡罗抽样次数的增加，停电概率LOLP和停电时间AAID分别收敛于2.54%和4.01 h，计算结果具有较高的收敛性。

表1 抽样次数已知的蒙特卡罗抽样的评估结果Tab.1Monte-Carlo sampling occasions and assessment results

通过算例仿真分析可知，抽样次数和计算精度间呈反比关系，为确保可靠性指标测试方差足够小，需有一定量的抽样次数，如图4所示。

图4 蒙特卡罗抽样的计算精度与抽样次数的关系曲线Fig.4Sampling occasions curve with Monte Carlo sampling calculation accuracy

虽然分布式电源及逆变器可能由于自身的故障会引起配电系统故障率上升，但通常分布式电源本身的故障不会导致所供负荷停电。而由于带分布式电源的馈线可在故障下孤岛运行，所在线路上的负荷发生停电的概率有所降低。如图5，分布式电源接在节点22和29，负荷1～13归入不转供枝组，因此停电概率LOLP没有变化；而对节点20～30，发生故障时可形成孤岛由分布式电源给予供电，因此这些节点负荷的LOLP有所减少。

图5 负荷点故障率/LOLP变化趋势图Fig.5Trend graph of load node failure rates/LOLP

另外，当较大容量的分布式电源接入配电系统后，由于本身容量及各个负荷点的负荷情况，与分布式电源划在一个分区的负荷点的可靠性指标将有所增加，而不能转供的负荷点，其可靠性指标将保持不变，如图6。接入分布式电源附近的馈线故障年平均停电时间指标将有较明显减少。

图6 年平均停电时间变化趋势图Fig.6Trend charts of average annual outage time

5 结语

分布式电源具有多样性、间歇性和不可控性，在配电系统实际运行过程中，分布式电源的类型、接入和控制方式、所处的气候条件，以及配电系统的自动化程度等，都会对配电网的可靠性产生影响。本文提出的基于Mento-Carlo方法的分布式电源接入配电系统可靠性分析方法，需要综合考虑各种影响因素，才能获得最佳效果。

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Reliability Analysis Method for Distribution System with Distributed Generation

YUAN Zhao-xiang1，KONG Xiang-yu2，ZHAO Shuai2
（1.State Power Economic Research Institute，Beijing 100052，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

With high penetration of distributed generation connected to the grid，distribution system will have some huge impacts，and system reliability calculation models and assessment methods are changing.Based on Mento-Carlo method，a reliability analysis method for distribution system with distributed generations was proposed in the paper，which focuses on the mode of distributed generation in parallel to system power supply.Functional role of distributed generation in the power distribution system failure and distributed power adapter with load strategies were analyzed in this method.Cases simulation analysis was used to verify its effectiveness.

high penetration；distributed generation；Mento-Carlo method；reliability analysis

TM727

A

1003-8930（2013）04-0112-05

袁兆祥（1970—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统规划、设计。Email：yuanzhaoxiang@126.com

2013-01-28；

2013-03-22

国家自然科学基金资助项目（51107086）；教育部人文社科基金（12YJC790200）

孔祥玉（1978—），男，博士，副教授，研究方向为新能源接入、电力系统优化运行与控制、智能用电技术。Email：eekongxy06@tju.edu.cn（通信作者）

赵帅（1986—），男，博士研究生，研究方向为电力系统稳定性分析、风电并网稳定性分析和优化控制。Email：zm_darst19860702@126.com