基于风险评估的智能配电网规划评价方法研究

国网张家口供电公司 李国武 周 毅 刘德坤 电力规划设计总院 李贝贝 张屹然

引言

在信息技术广泛应用的背景下，以配电网数字化、信息化、自动化、智能化为特征的智能配电网快速兴起，在提高配电网运行效率，提升配电网自愈能力，容纳分布式电源、电动汽车、储能等分布式能源，保障配电网安全可靠运行，提高电力资产利用效率[1]等方面，发挥了一定的作用。

但当前的智能配电网规划方案仍大量沿用传统配电网规划技术原则，根据配电网最大负荷等最严重运行状况，依照配电网所需达到的运行水平，通过预留一定容量裕度的方法开展规划。随着分布式发电、电动汽车、用户侧储能等新业态在配电网领域的不断发展，配电网运行中的随机性和不确定性越来越显著，传统配电网规划方法由于未能考虑到智能技术在配电网运行中的调控能力，未将智能技术与配电网运行形成有机整体，在实际工程中存在滥用及误用智能技术的问题。如何评估智能配电网规划中智能技术应用的有效性，提高配电网建设的经济性是当前配电网规划面临的重要课题。

本文依据风险评估方法，分析提出智能配电网规划评估指标，量化智能技术应用所带来的成效，构建智能配电网规划评估体系。该评估方法综合配电网网架水平、新业态发展及智能技术应用成效等三方面内容，按照配电网风险指标上量化智能技术应用所带来的效益，直观地表现配电网在智能化提升上的必要性，为智能配电网的规划设计提供决策依据[2]。

1 智能配电网规划评价技术路线

为适应配电网发展趋势，明确配电网规划的合理性，本文提出了基于风险评估的智能配电网规划评估体系，以配网的安全可靠运行能力为重点，分析配电网存在的风险及规划的有效性，具体思路如下：结合配电网发展所面临的新形势，明确配电网存在的主要风险，指出典型的风险评估范围，并选取关键风险指标，初步形成配电网风险评估体系总体框架，并指明各风险评估指标的计算方法；根据配电网风险评估所考虑的技术范围，按照验证智能技术在配电网应用的可行性与必要性的思路，对评估范围内的配电网风险进行分级，从配电网本体的运行风险、新业态对配电网运行的影响、智能技术应用带来的成效等三方面完善配电网风险评估体系；按照配电网内各因素的复杂程度，选用合适的计算方法，对完善后的指标体系进行计算，对配电网风险进行整体评估，得到电网整体或局部的风险指标，相应提出配电网规划补充举措。

2 智能配电网规划评价指标体系

2.1 配电网风险基础指标

按照当前的配电网规划原则及面临的新业态、新技术发展情况，可以将智能配电网规划内容整理为配电网运行水平、新业态发展风险、智能技术应用成效，分别从配电网自身的运行能力、新业态对配电网造成的影响、智能技术应用带来的效益等三方面描述当前配电网在发展中遇到的问题及技术应用的有效性[3]，从而为当前规划开展评估参考。

在典型的配电网内，需要考虑分布式发电、储能、电动汽车、交直流混合配电网、高电能质量配电网、不停电作业、状态检修等多种新技术、新业态对配电网运行风险的影响。总体来看，在新技术新业态下，配电网的运行风险仍然主要存在于静态方面，可以从失负荷、过负荷、电压越限等三个主要风险类型来全面衡量。

失负荷风险是指由永久性故障导致的负荷损失，与传统的配电网可靠性评估类似，以系统缺供电量表征，其计算公式为ENS=Σi∈FΣj∈ST(j|i)Poj，式中T(j|i)为在系统故障状态下i第j个故障的故障持续时间，h；Poj是第i个负荷点的平均负荷，kW。

过负荷风险（Rol）反映了配电网在运行过程中发生设备传输功率过载的可能性和危害程度，其计算公式为Rol=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sol，其中P(j|i)为在系统故障状态i下第j个系统元件发生过负荷风险的概率，Sol为单一设备过负荷严重程度。

对于过负荷严重程度，Sol引入效用理论定义严重度函数为：

其中P为设备运行功率kW；Pmax为设备额定最大功率kW。

电压越限风险是指在系统内元件失效，由于负荷损失或者负荷转供导致部分线路负荷过重等因素而产生各支路电压越限的风险，计算公式为Rov=Σi∈FΣj∈SP(j|i)Sov,j，其中P(j|i)为在系统故障状态i下第j个系统节点的电压越限概率；Sov,j为系统故障状态i下第j个系统节点的电压越限严重程度。

采用效用函数定义电压越限严重度，即：

其中V为节点电压，V；Vmax为节点最大限定电压，V；Vmax为节点最小限定电压，V。

2.2 配电网运行风险评估

配电网运行风险包括网架、配电自动化、预安排停电等多种因素导致的配电网风险，也即由配电网元件故障、检修停电等情况导致失负荷、过负荷、电压越限等风险的期望，来评估规划网架的运行能力。在计算过程上，可将网架结构及配电自动化两者认为是共同输入条件，统一计算。预安排停电管理水平主要由预安排停电概率与预安排停电平均持续时间两项指标表征。预安排停电与系统故障停电共同构成了总体的配电网运行风险，对于不同类型的运行风险，可以计算为RDN=ΣNΣi∈FΣj∈SP(i)SDN，式中N为系统故障、预安排停电等配电网风险的状态空间，SDN为第j个指标的故障严重程度。

2.3 新业态风险评估

分布式发电、储能、电动汽车等新业态是配电网发展面临的必要内容。配电网新业态风险是上述新业态随机性及无序性对配电网运行可靠性的影响[4,5]。 在计算时可将分布式发电、储能、电动汽车与负荷点打包形成同一负荷曲线进行风险分析，将随机性纳入风险评估中，即P=P0+PDP+PEC+PST，P其中为负荷点的总功率，kW；P0为未计入新业态时的负荷功率，kW；PDP为分布式发电功率，kW；PEC为电动汽车功率，kW；PST为储能系统功率，kW。

2.4 智能技术应用成效评估

配电网智能技术涵盖综合能源调控、状态检修、不停电作业、柔性直流合环运行等技术。总体来看，智能技术以增加对区域内部各类资源控制手段为主要途径，优化配电网运行方式，提升配电网运行的灵活性和经济性，保障安全可靠供电。其成效可以表征为对于风险频率及风险程度的影响，可计算为：ΔRN=Σi∈F[P(i)ΔS(i)+ΔP(i)S(i)]，式中N为失负荷、过负荷、电压越限等风险类型，F为风险状态空间，S(i)为i所对应的风险程度。

其中，柔性直流合环是基于柔性直流技术的联网装置，实现馈线间常态化柔性“软连接”，提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化能力，降低线路切换对负荷的影响，进一步提高装置两端负荷点的供电可靠性。

综合来看，针对不同的智能技术，可以在运行风险及新业态风险分析的基础上，进一步根据风险发生频率及影响程度的改变得到智能技术的成效指标，分别研判不同技术的适用性。

2.5 配电网规划评价指标体系

以上从失负荷风险、过负荷风险及电压越限风险等四个领域构建了配电网风险评估整体框架，并分开阐述了配电网网架结构、新业态发展及智能技术应用上的评估指标，构建基于风险评估的智能配电网规划评估指标体系（表1）。

3 算例分析

本节应用提出的基于风险评估的配电网规划评估体系，选取冀北电网某智能配电网示范区进行风险评估，论证示范区内的规划成果及智能技术应用成效，并提出对应的补充措施。到2022年示范区预测总负荷为42.7MW，由13个环网柜共同供电。示范区开展了配电网网架、综合能源、智能配电网等三部分规划（图1）。配电网网架规划部分构建3个双环网，配电自动化“三遥”功能配置，总体可靠性要达到99.999%，关键区域可靠性要达到99.9999%。在综合能源规划中大力开发绿色清洁能源，开发分布式光伏4MW，电动汽车充电负荷达到22.72MW。智能配电网规划提出构建综合能源管理系统，建设交直流混合配电网，推行不停电作业，落实状态检修体系，着力提升配电网供电能力。

表1 基于风险评估的配电网规划评价指标

图1 示范区配电网网架结构

为验证智能配电网规划对配电网安全可靠运行能力的影响，借助规划评估体系对示范区配电网从配电网网架规划、新业态发展、智能技术应用三个方面对失负荷、过负荷、电压越限风险进行评价。

3.1 配电网运行风险评价

由表2计算结果可见，示范区配电网采用了坚强的双环网结构及完善的配电自动化方式，配电网运行具有较大的裕度，风险总体处于较低水平。配电网总失负荷风险为2091.19kWh，供电可靠性在99.999%之上，过负荷风险及电压越限风险几乎不存在。

表2 配电网运行风险评估结果表

3.2 业态发展风险

示范区配置了分布式光伏、电动汽车及储能系统等分布式能源。如表3所示，由于分布式光伏、电动汽车充电、储能系统运行的随机性，示范区的失负荷风险少量增长到2119.27kWh，过负荷风险也有微小增长。

表3 新业态发展风险评估结果表

3.3 智能技术应用风险

为提高配电网供电可靠性，差异化满足区域内供电能力需求，示范区规划开展综合能源管理、状态检修、不停电作业、交直流混合配电网等技术应用。由于示范区配电网过负荷及电压越限风险都非常小，在此中不再考虑对过负荷及电压越限风险的影响。

综合能源管理系统。综合能源管理系统实现了区域内能源的协调管控，从时间、空间上依照配电网运行能力和经济性调控可控资源。对于示范区配电网而言，综合能源管理系统在配电网安全可靠运行上存在一定的作用，总体失负荷风险减少到1904.85kWh，供电可靠性提升到99.99946%。

表4 综合能源管理风险评估结果表

状态检修。状态检修通过状态分析预测合理制定检修计划，降低设备故障风险，减少预安排停电次数。按状态检修开展后设备故障概率降低20%、计划检修次数减少40%预估，如表4所示，配电网总体失负荷风险减少到1166.57kWh，供电可靠性进一步提升到99.9996%。

不停电作业。由于示范区配电网结构坚强，负荷点故障停电风险可能小，基本能通过负荷转供的方式完成持续供电，不停电作业不具有充足的推广应用空间。

交直流混合配电网。交直流混合配电网在关键负荷点形成柔性合环运行能力，避免了转供中造成的负荷损失。如表5所示，对于需要超高可靠性（99.9999%）的区域，交直流混合配电网作用非常明显。

3.4 算例评价

算例中示范区配电网按照既定规划采用了高冗余的建设标准，网架结构坚强，配电自动化配置充分，使得配电网具备良好的运行可靠性和充裕性，除关键区域外效果并不明显。在各项智能技术中交直流混合配电网对于可靠性要求达到99.9999%的关键负荷点仍然是必须的。

由表6可见，由于算例配电网风险主要为负荷转供引起的失负荷风险，状态检修是各项智能技术中降低失负荷风险最为明显的技术，综合能源系统能够有效控制新业态引入的运行风险，而负荷点故障停电风险很小，不停电作业不具有充足的推广应用空间。

表5 交直流混合配电网风险评估结果表

表6 基于风险评估的配电网规划评价结果表

4 结语

随着分布式发电、电动汽车等新业态的不断发展，配电网对于智能技术的需求日益迫切。当前智能配电网规划方法仍不成熟，智能技术滥用及误用现象愈加突出，配电网的可靠性和经济性受到影响，如何评估规划方案中智能技术应用有效性是当前智能配电网规划面临的重要问题。本文构建了基于风险评估方法的智能配电网规划评估体系，在此基础上以冀北电网某示范区为典型进行基于风险评估的配电网规划评估。针对分布式发电、储能、电动汽车、交直流混合配电网和状态检修等新业态、智能化技术，从配电网网架水平、新业态发展风险及智能技术应用成效等三方面内容，在配电网失负荷、过负荷、电压越限等配电网风险评估指标上量化新业态、智能技术对配电网运行能力的影响，为智能配电网规划提供依据。

从智能配电网规划评价结果的角度看，配电网智能技术应用仍然需要从实际情况出发，针对配电网建设情况及发展需求，相应的选取合适智能技术应用，保证智能技术有效可靠。此外，如何保证配电网网架及配电自动化建设与智能技术应用在经济性上的平衡，是下一步指导智能配电网规划研究的关键问题。