含分布式电源与多元化负荷的配电网可靠性提升研究

王云会, 郑强仁, 郭 淼, 肖焕春, 司 聪, 陈万喜

(1.国网延边供电公司, 吉林 延吉 133299;2.上海博英信息科技有限公司, 上海 200241)

0 引 言

中国是能源需求大国,地大物博,人口众多,对能源的需求量极大。开拓新能源,使新能源为中国能源需求市场注入新活力,成为我国较为迫切的能源发展趋势。同时将使用的能源清洁化,削弱对气候、环境产生的不利影响,也被提上日程。伴随着科学技术的发展,光伏、风电等分布式电源进入人们的视野。电力作为清洁能源被广泛应用,如电动汽车、煤改电等新型负荷日渐发展起来。

传统配电网的成长目标是智能配电网,分布式电源受气候、季节及环境的影响,其出力特性具有随机性、波动性;多元化负荷同样受外界条件变化影响,其出力具有随机性。随着越来越多的分布式电源与多元化负荷被接入配电网,大大冲击了传统配电网运行的稳定性,对配电网的可靠性造成了严重影响。面对这样的问题,有必要对分布式电源及多元化负荷接入配电网的影响及可靠性计算方法进行研究[1]。

1 分布式电源与多元化负荷对配电网可靠性的影响

在电力系统中,随着越来越多的分布式电源被接入,作为配电网中电源来源之一,分布式电源被重视的程度随之升高。电动汽车的不断增加、电采暖等不断发展、用户的负荷种类越来越丰富,显示了电力网络正在一点一点发生深刻的改变。这些改变既体现了新能源在电力系统发展中的环保优势,也对传统电力系统的稳定产生不可忽视的冲击。长期以来,学者们对分布式电源及多元化负荷在电力系统中的安全稳定方面做了大量研究,不同元素接入电网,对整个配电网系统产生的影响各异[2]。

分布式电源及多元化负荷接入配电网会对电网的可靠性产生较大影响,主要表现在电压、谐波及有功无功协调等方面。分布式电源及多元化负荷接入配电网,容易引起电压闪变。电压闪变主要表现为电压波形上的一种快速上升和下降,是瞬时态、高频次的电压极值情况。主要是电网中产生了较大的冲击电流引起的。而分布式电源与多元化负荷受气候、季节等因素影响,其出力具有不确定性,成为引起这一情况的主要因素。部分设备接入电网导致系统大量无功被吸收,以致电力系统无功失衡,分布式电源接入点电压降低,造成电能质量问题。

电力系统正常运行时,潮流的走向是从一端流向另一端,潮流的分布是稳定的。但是,分布式电源接入电力系统后,当其输出的功率比负载大时,就可能会出现逆向流动的情况,接入点的电压升高甚至超限,破坏电压稳定性,降低了电压可靠性。分布式电源输出功率的不稳定性及随机性造成电网潮流的紊乱,且无法预测,这就对配电网可靠性造成了极大的影响。

2 配电自动化介入对配电网可靠性的提升策略

配电自动化的介入对提高配电系统可靠性具有重要作用。通过配电网自动化设备运行分析,可以快速、精确地定位故障位置,迅速缩小故障范围并处理故障,缩短故障停电时间,提高供电可靠性[3]。

针对配电网故障数据的分析得出对供电可靠性影响的主要原因是配电网设备和馈线段故障率高,而在分布式电源及多元化负荷接入后,此类问题则尤为明显。配电自动化的介入可有效提升配电网的可靠性指标。在此,提出了3种提升策略。

(1)明确配网自动化目标。在配电网自动化的建设过程中,首先需要明确自身发展的需要与方向,根据配电网现实情况,通过有效的整改措施,从而实现系统自动化水平的高效发展[4]。由于越来越多的分布式电源及多元化负荷接入,以及电动汽车的不断增加,电采暖等不断发展,这在一定程度上导致电量需求越来越大。因此配电网络自动化的建设显得尤为迫切。在此过程中,需要不断对配电自动化系统进行优化,最大程度提升供电质量与供电效率。在实际设计自动化配电网的过程中,需要结合实际情况以及配电网未来的发展目标,留有一定的发展空间,避免配电网发展后的重复建设,有助于配电网的全面提升,进而节约成本,为企业的发展谋求最大的利益。

(2)合理应用配电自动化。配电自动化系统在配置的过程中会受到诸多因素的影响,因此需要电力企业在制定配电网自动化系统的过程中提高自身标准[5]。充分考虑可预见的影响因素,最大程度上降低影响,同时实时监测配电网工作的数据信息,提升设备的工作效率,及时发现并解决问题,排除设备安全隐患。此外,配电网的建设还需要考虑分布式电源及多元化负荷接入情况,避免因系统超负荷运转而带来安全问题,在实际运行过程中要对主要设备进行重点监测,实时跟进设备运行状态,记录运行信息,有助于配电网自动化高质量发展。

(3)优化配电自动化系统结构。在实现配电网自动化的同时,也带来了一个安全性问题,即配电网自动化系统自身可能存在一定的缺陷。针对该问题,需对系统结构有充分的了解,对其存在的问题进行优化。在配电自动化系统中,主站是核心部分,关乎到整个系统的运行,一旦主站中的数据与终端数据存在差别,就会严重影响配电网的工作[6]。因此,需要不断优化配电自动化系统结构,对节点数据进行科学分析对比,确保数据准确性,进而有助于实现配电网自动化运行。

3 配电自动化介入可靠性计算方法

配电中自动化终端功能配置模式有3种:全“二遥”模式,全“三遥”模式,“二遥”和“三遥”混合模式。理论上来说,不同线路类型、不同功能配置和不同数量配置对应不同的理论供电可靠率[7]。

3.1 全“二遥”模式

在全部安装“二遥”的10 kV架空配电网络中,假设分段线路每段的故障率为fi,由于各分段故障概率相同,所以系统用户平均故障停电时间SAIDI2可表示为

(1)

式中:Tc——故障隔离时间;

F——馈线故障率;

Tr——故障区域修复时间;

n——总用产数;

k——分段开关数。

分支线故障时分支断路器自动跳闸,具有自身切除故障的能力,不影响主干线和其他分支线的正常工作。假设分支线故障时停电户数为分支线自身所带用户数n′i,停电时间为故障修复时间Tr,分支线路发生故障的概率为fi′,系统中用户平均故障停电时间SAIDI′可表示为

(2)

针对电缆网,主干线发生故障后,首先是变电所出口断路器跳闸,整条线路停电;经过Tc时间后故障隔离,所有用户均恢复供电(故障部分没有直接承载用户)。用户平均故障停电时间SAIDI1可表示为[8]

SAIDI1=nTcF/n

(3)

3.2 全“三遥”模式

针对架空网主干线故障,系统中的户均故障停电时间SAIDI3可表示为

(4)

分段开关安装“三遥”终端后,当分支线故障时,既无法缩短停电范围,又不能减少停电时间,因此分支线故障时的计算公式如式(2)所示。

主干线发生故障后,故障线路段两侧的开关快速跳开,成功隔离故障,因此所有接入用户均不停电。

3.3 “二遥”和“三遥”混合模式

在“三遥”和“二遥”自动化配置终端混合使用的情况下,假设馈线中分段开关的“三遥”和“二遥”终端模块总和为K,那么“三遥”终端模块的数量则为K1,若“二遥”自动化终端均匀分布在各个“三遥”切割的区域中,那么每个区域则有R台“二遥”终端模块。计算公式为

K=(K1+1)R+K1

(5)

因此,系统中户均故障停电时间SAIDI23可表示为

(6)

根据分析,分支线路分段开关无论配置“二遥”还是“三遥”终端,用户平均故障停电时间均为SAIDI′,如式(2)所示。

主干线发生故障后,故障线路段两侧的“三遥”开关快速跳开,成功隔离故障;经过Tr时间后故障修复,停电用户均恢复供电。用户平均故障停电时间SAIDI1可表示为

SAIDI1=RTrF/K

(7)

4 配电自动化成效提升及可靠性评估

4.1 层次分析法

配电自动化规划设计方案评估是以建设基础、建设方案、建设效果为系统层,以网架结构、转供能力、终端和通信配置、故障处理模式等各种因素为指标层[9-13]。层次分析模型如图1所示。

图1 配电自动化评估层次分析模型

4.2 故障模式后果分析法

本次可靠性评估采用故障模式后果分析法(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)。FMEA法是配电网可靠性评估最常用的方法,通过对系统所有可能发生的故障进行假设,分析当分布式电源及多元化负荷接入后发生不同类型的故障对负荷造成的影响,最后将不同故障类型情况进行汇总,并对配电网整体进行可靠性评估。FMEA算法流程如图2所示[3]。

图2 FMEA算法流程图

5 算例分析

本文针对某地区各供电分区架空网和电缆网配电自动化终端参数进行调研,并结合本文提出的架空线配电自动化终端配置的计算方法。

某地区各个供电分区的供电可靠性计算结果如表1所示。

表1 某地区各个供电分区可靠性计算结果 %

根据某地区配电终端供电可靠性指标的要求,表1的计算结果中黑色加粗部分为不满足可靠性,其余均满足可靠性。

对于A类供电区域,架空网两分段接线结构即使全部安装“三遥”终端,其供电可靠性仍不满足要求,而三分段接线结构只有全部安装“三遥”终端才可满足供电可靠性要求,四分段接线结构则只需安装一个“三遥”终端即可满足供电可靠性要求。电缆网全“二遥”终端配置即可满足各类供电分区的供电可靠性规划目标。

对于B类供电区域,架空网两分段接线结构即使全部安装“三遥”终端,其供电可靠性仍不满足要求,而三分段接线结构只需安装一个“三遥”终端即可满足供电可靠性要求,四分段接线结构不需要安装“三遥”终端也可满足供电可靠性要求。电缆网可满足供电可靠性规划目标。

对于C类供电区域,架空网两分段接线结构只需安装一个“三遥”终端即可满足供电可靠性要求,三分段和四分段接线结构不需要安装“三遥”终端也可满足供电可靠性要求。

对于D类供电区域,任何接线结构无需安装“三遥”终端均可满足供电可靠性要求。

6 结 语

随着分布式电源及多元化负荷大规模并网,电网系统的整体结构也在不断地发生变化,电力系统的可靠代表着整个变化后的电力网络达到了新的平衡,是电力系统解决问题、优化结构的成果。本文在阐述了计算电力系统可靠性的模型和方法时,以配电自动化为切入点,根据计算结果提出了提升可靠性的建议,为分布式电源及多元化负荷接入后对配电网可靠性提升提供了有力支撑。