有源智能配电网供电安全性与脆弱性的研究

张龙斌　袁瑶　孟晗辉

摘 要：针对分布式电源在智能配电网中的影响，该文着重分析了配电网现有变化，以及这些变化在配电网安全性与脆弱性评估产生的新挑战，并且研究了蒙特卡洛仿真法在配电网络概率指标计算中的应用。

关键词：分布式电源 智能配电网 蒙特卡洛法 安全性 脆弱性

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0015-02

随着工业时代的快速发展，世界各国政府都在不同程度的鼓励倡导发展可再生能源，以解决全球环境问题。这些新能源的利用，已经成为人类社会节能减排、绿色低碳生活的重要手段。其中风能和太阳能得到了飞速的发展，逐渐出现了小功率安装。由于公众的积极参与，形成了按总体平均功率量化的风电场和太阳能发电场。

大力改善分布式发电并网的目标是不断吸收新的发电容量，又能确保电力系统的稳定运行。然而事实上，配电网原本不是用来直接接入发电厂的，更况且这些发电还是随机的、间歇性的、不可调度的。因此，大多数新能源发电方式给配电网运行带来了安全性和脆弱性的问题，配电网的相关评估方法也不得不适应这些变化。

1 分布式电源对智能配电网供电质量的影响

当配电网接入分布式电源后，电网结构将由单电源辐射型网络变成了遍布电源和用户互联的网络。如果只是引入少量的分布式电源对整个电网不会构成太大的影响，然而，当电网中存在较多的分布式电源单元时，将对电压质量、供电可靠性、线损等都会产生较大影响。

1.1 分布式发电对配电网电压分布的影响

分布式电源接入配电网后，在稳态情况下，由于馈线上减少了传输功率以及其输出无功功率，使得并网点附近出现电压提升。电压被抬高的程度与其安装位置和容量大小有关。分布式电源总出力越多，与负荷的比值越高，电压提升的幅度就越大，整体电压水平就越高；安装点越接近系统母线，对线路电压分布的影响越小；安装位置如果集中在同一节点，对电压的提升效果要小于分布在多个节点上的情况。同步发电机型设备的并网对系统静态电压稳定性具有负面影响，异步发电机型设备和逆变器型设备并网能改善系统的静态电压稳定性。因此，合理的规划分布式电源接入位置、接入容量，以及有效的协调其输出有功、无功的配比，就能使其对配电网电压，尤其是末端电压起到良好的支撑作用。

1.2 分布式电源对配电网频率的影响

在正常运行工作状态下，整个电力系统在任意瞬间的频率都应该是相同的。频率反应了同步发电机组的转速，有功功率的供需平衡确保了频率的稳定性，改变负荷容量或者发电机功率都可以改变频率。对于风力发电机组来说，或者通过改变出力来参与调频调节，或者通过增加储能来获得功率储备。目前尚无明确要求风力发电机组参与调频，只要它们的装机容量还保留有边际功率，它们就很少影响系统的频率稳定。

1.3 分布式电源对配电网电压波动的影响

分布式电源引起配电网电压波动的原因在于其输出的功率波动很大，不确定性高。对于自然能发电系统来说，外界能源输入的变动是重要原因；对于热电联产机组，供热要求的变动会引起输出功率改变；分布式电源的调度和运行由设备产权所有者控制，可能会出现随机启停机组；异步发电机在运行过程中需要吸收无功功率，采用异步发电机的大容量风力发电机组要配置动态无功补偿设备以抑制电压波动。此外，控制器的算法和参数设定也可能导致输出功率变动，带有良好控制系统的逆变器，能够很好的实现恒功率电压源外特性，减少其不良影响。

1.4 分布式电源对配电网网络损耗的影响

分布式电源的位置、容量与负荷的相对大小以及电网的拓扑结构等因素都能影响网损。当其容量较小时，接入点的位置越靠近负荷中心，网损呈下降趋势；而当其容量大到某一限度时，网损开始增加，甚至会大于并网前的网损。所以，引入分布式电源既可以增大网损，也可能减少网损。

1.5 分布式电源对配电网谐波的影响

很多分布式电源是通过逆变器接入配电网的，电子开关器件频繁的开断可产生开关频率附近的谐波分量，功率变换器的设计结构决定了谐波的类型和严重程度，其中以IGBT为基础的逆变器在正常运行时能输出较高质量的电压波形。而且，分布式电源的总容量占总负荷的比例越高，对谐波的影响越大；其安装位置越接近线路末端，电压波形畸变也越严重。

2 分布式电源对智能配电网继电保护的影响

分布式电源接入配电网后，单一电源辐射型网络变成双端或多端网络，潮流分布及故障电流的幅值与方向都会发生改变。这些变化会给继电保护的配置变得更复杂，主要表现为：（1）分布式电源提供的故障电流降低了所在线路保护的测量值，使相应的保护不能启动；（2）相邻线路发生故障时，分布式电源提供短路电流，使其所在的线路检测到电流越限，从而引起保护误动作；（3）如果某地区的分布式电源容量很大，将导致故障电流有大幅度的变化，因此必须提高其断路器的容量，并且调整相应保护的整定值；（4）大容量分布式电源并网使电压升高很多，而在其退出后又导致线路电压越下限，因此必须考虑电压调整的问题。

目前，我国对含有分布式电源的配电网继电保护的研究还处于探索阶段，主要有如下研究方向：对配电网络进行合理调整，减少分布式电源对保护的不利影响；研究分布式发电设备本身的特点，提出新的保护配置理论；研发新型的继电保护设备。

3 分布式电源对智能配电网自愈的影响

故障后快速恢复供电是智能电网自愈的基本要求。在故障恢复过程中，分布式电源的首要作用是支持电网从故障后到恢复正常的“黑启动”过程，其次为重要负荷提供持续供电的“孤岛”模式。按照故障后分布式电源的状态可以将孤岛分为计划孤岛和非计划孤岛两种类型。其中，非计划孤岛是一个没有条件控制的网络，发电和供电之间存在功率不平衡，孤岛电网中没有电压、频率控制，所以其特性是不确定的。非计划孤岛对配电网的自愈也将产生不利影响：非计划孤岛的电压和频率得不到有效的控制，无法保障用户的供电质量，而且还有可能损坏用电设备；系统故障后需要维修线路，而由于分布式电源的存在，将对线路检修人员造成不可预计的人身危险；非计划孤岛重新并网时，有可能会对外部电网造成冲击，也有可能损坏孤岛系统内部的发电设备。endprint

4 智能配电网安全性与脆弱性评估方法

对电网安全性、脆弱性评估的概率指标很多，其中包括年平均故障率、平均修复时间、年平均停电时间等等。从计算方法上可以分成以客户为导向的指标和以能源为导向的指标两种类型。以能源供给为导向的计算指标有：未提供能源指数和平均未提供能源指数。以客户为导向的计算指标有：平均停电时间（配电网中运行的客户在一年时间内的平均停电次数）、平均停电持续时间（电网中运行的用户在一年内经受的平均停电持续时间）、客户平均停电频率指标（每个受停电影响的客户在一年时间里面经受的平均停电次数）、客户平均停电持续时间指标（在一年中被停电的客户所经受的平均停电持续时间）。

为了计算安全性与脆弱性指标，一般有解析法和随机仿真法。解析法给出系统的数学简化模型，由数学方法直接计算出指标。随机仿真法是将问题处理为一连串的仿真实验，当事件发生时，它通过记录事件的次数来评估概率指标。随机仿真方法很多，其中经常使用的是蒙特卡洛法，其一般算法包括六个方面的内容：（1）概率密度函数；（2）随机数发生器；（3）采样原则（规定采样方法）；（4）将仿真结果的和累积；（5）评估误差；（6）减小方差（用来减少给定精度下的计算时间）。蒙特卡洛仿真法可以得到每个用户的概率指标，为了提高计算效率，可以将供电层次和区域相同的用户集合起来计算。

对分布式发电设备而言，当配电网出现故障后，可以作为后备电源启动，这样就极大地提高了供电的可靠性，从而改善系统的安全性与脆弱性指标。分布式电源安装位置越接近客户端，相关指标改善的效果就越好。

5 结语

分布式电源影响了配电网的运行的安全性，同时也带来了许多供电质量问题，并将在未来几十年内更为明显，可能需要重新考虑配电网的运行规则，甚至是改变配电网的结构。与此同时，配电网安全性与脆弱性的评估方法也逐步完善，以找到可靠性水平与投资成本的最佳结合点。在供电安全性与脆弱性指标研究方面，蒙特卡洛方法的地位越来越重要，而且随着计算量呈指数增加，该方法很可能成为主流研究方法。蒙特卡洛仿真法不必为每个用户分别建立研究模型，就可以计算出完整的概率评估指标。也可以将蒙特卡洛法与解析法结合起来，根据系统的详细程度和计算速度要求，对电网进行分区处理，以达到更好的计算效果。

参考文献

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