含电动汽车充电的配电网运行可靠性评估算法

李骁， 赵曦， 刘志美， 任大为， 郭红霞， 李付存

(国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002)

0 引 言

在石油能源紧缺的背景下，新能源汽车的应用越来越广。常见的新能源汽车多采用电力作为驱动能源，因此，对车辆配电网的研究正在逐步加深[1-2]。配电网是电动汽车的重要组成部分，在使用过程中的稳定性与可靠性直接影响着用户的使用体验及满意度。为此，采用可靠性评估的形式，对配电网的使用状态及效果展开分析[3-5]。

现阶段常用的配电网运行可靠性评估算法主要有基于二次节点优化编号的大规模复杂中压配电网可靠性评估方法[6]、基于拓扑相似性分析的配电网网架可靠性评估方法[7]和考虑光储可持续带载能力的配电网可靠性分析方法[8]。上述方法虽然都能够实现对配电网运行状态的评估，但是计算过程较为单一，无法对多种充电形式下的车辆配电网展开高精度的评估。因而，在此次研究中，设计含电动汽车充电的配电网运行可靠性评估算法，采用相关技术对现有方法加以改进，解决现有方法评估结果准确性不高的问题，以此提升配电网运行可靠性评估算法的使用效果。

1 含电动汽车充电的配电网运行可靠性评估算法

1.1 配电网运行可靠性评估指标选取

电动汽车配电网可靠性通常以整个电力系统运行状况作为导向，因而在指标选取过程中，采用多种指标相结合的形式进行评估。此次研究中的评估指标设置由三部分组成，分别为：元件可靠性指标、负荷点供电可靠性指标以及配电网可靠性指标。对指标体系进行展开，获取具体指标如式(1)所示。

配电网故障率期望值：

(1)

式中:U为配电网故障率期望值;P(k)为配电网的故障状态概率;α(k)为配电网正常状态概率;N为测试次数;k为元件总个数。通过式(1)可得到电动汽车在一个充电周期内配电网的故障率。

配电网断电持续时间期望值：

(2)

式中:K为配电网断电持续时间期望值;O(k)为配电网断电故障发生概率。采用式(2)可以计算出在一定周期内，配电网断电持续时间的期望值。

可容忍断电时间期望值：

(3)

式中:J为可容忍断电时间期望值;Y(k)为配电网的停运时间。采用式(3)可计算出电动汽车充电时，当配电网断电后，用户可容忍的断电时长。

断电频率期望值：

(4)

式中:U(SAIFI)为断电频率期望值;SAIFI(k)为配电网电力运行系统的平均停电次数。通过此指标可得到配电网的断电频率期望值，并以此确定配电网的稳定系数。

电量不足期望值：

(5)

式中:G为电量不足期望值;T为配电网中负荷点的负荷水平;Pi为缺电时间期望值。通过式(5)可求得充电过程中由于配电网元件故障造成用户供电电量的缺额。

在上述指标中，部分指标涉及到元件的使用效果，因此，将部分元件使用效果计算过程设定如下：

(6)

式中:α为元件使用效果系数;i为某元件;ai为某元件i在系统运行时间内发生的故障次数;ti为元件i的运行总时间;αi为指定时间内元件修复次数。通过式(6)可计算出配电网中元件的故障发生率。

将式(6)与此次研究中设定的指标计算公式相结合，计算得出配电网可靠性指标，作为配电网评估指标的组成部分，构建配电网运行可靠性评估指标体系，并将此作为配电网评估的参考基础。

1.2 配电网运行可靠性评估模型构建

通过上述设计，完成配电网运行可靠性评估的准备工作，在此基础上，将采用模拟法构建配电网运行可靠性评估模型。在模型构建前，将配电网中的元件设定为停运状态，设定电网的平均正常运行时间与配电网修复时间为Tε与Tδ，则电网的平均正常运行时间与配电网修复时间的关系可以表示为：

(7)

根据此公式将配电网运行状态转换过程通过图1进行展示，将此过程设定为时间轴的形式，则有：通过图1可知，配电网的运行可靠性具有周期性，因而，可采用指数分布技术[9]分析配电网运行的情况，通过公式可表示为：

图1 配电网运行循环状态

Eαβ=T[v(t)-αo-∂]+T[z(t)-βo-∂]

(8)

式中:Eαβ为故障导致的停电风险概率;β为配电设备使用效果系数;v(t)、z(t)分别为配电网在充电t时刻的故障概率与修复概率;

o-∂为配电网各区段故障概率。通过此公式可得到配电网发生故障的概率分布函数[10]如下：

(9)

式中:V(t)、Z(t)分别为配电网故障时刻与修复时刻高于正常标准的概率。

通过式(9)可得到配电网的运行状态，将此公式计算结果与本文设计评估指标相结合。至此，含电动汽车充电的配电网运行可靠性评估算法设计完成。

2 算例分析

在文中的上述理论部分，实现了含电动汽车充电的配电网运行可靠性评估算法的设计工作。为验证此方法的有效性，采用算例分析的形式，分析其使用效果。

2.1 计算指标

在此次设计中，采用本文设计方法与基于二次节点优化编号的大规模复杂中压配电网可靠性评估方法(方法1)和基于拓扑相似性分析的配电网网架可靠性评估方法(方法2)进行对比，对比三种评估方法的运行时间与评估准确性。将电动汽车的充电模式设定为快速充电与慢速充电两种充电状态。在此次测试中，记录每次运算的时间与准确率，并通过图像的形式，完成三种方法的对比。

2.2 结果分析

图2为慢充状态和快充状态下不同方法的响应时间测试结果。

分析图2可知，在慢充状态下，三种方法的评估响应时间差异较小。为更好地体现本文设计方法与其他两种方法在使用中不同，对比快充状态下的评估响应时间，得出在不同的电池电压下，本文设计方法的运行时间明显低于其他两种方法。由此可知，在快充状态下，本文设计方法的使用效果最佳。其他两种算法的响应时长相对过长。本文设计方法的计算时间与响应时间在不同的电池电压下较为稳定，且不论是快充状态还是慢充状态，本文方法的响应时间均较低，可更快完成配电网运行可靠性评估计算。

从上述测试结果可知，不论是在慢充状态下还是快充状态下，本文方法都具有一定的优势。测试结果表明，本文方法的使用效果更佳。

3 结束语

图2 不同状态下三种方法响应时间测试结果

此次研究以电动汽车配电网可靠性计算作为研究基础，得到在充电状态下配电网运行可靠性评估算法。试验结果表明,本文方法在评估响应时间和评估准确率方面优于现有方法，验证了本文方法的有效性与优势性。在此次研究的过程中，还存在部分不足：在研究配电网可靠性时，虽然考虑配电网的功率输出，但是计算过程较为简单，因此，若要更加精确地计算配电网的功率输出，需要进一步研究电源的出力变化。在日后的研究中，应针对此部分展开详尽的研究。