含分布式电源的配电网可靠性研究

国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司 朱月尧

引言

随着风力发电、光伏发电技术的日趋成熟，含分布式电源的配电网受到广泛关注。为了实现“双碳”目标，越来越多的分布式电源接入到电力系统中。分布式电源具有不确定性、随机性等特点，它的接入使得配电网的结构从单一电源网络转向多电源网络，使得对含有分布式电源的配电网的可靠性研究变得更加复杂，不仅增加了计算的难度且改变了原有的可靠性评估模型。

当前对含有分布式电源的可靠性研究主要集中在分布式电源建模、可靠性计算、建立相关指标体系等方面：文献[1]建立以居民、商业、工业为基础的时序负荷模型，采用蒙特卡洛方法对含分布式电源配电网可靠性进行评估；文献[2]并采用序贯蒙特卡洛方法对电网可靠性进行了计算，分析了分布式电源并入配电网的位置、容量等对电网可靠性的影响；文献[3]以分布式电源的负荷出力模型为基础，将馈线分区与故障模式相结合，计算了配电网可靠性指标；文献[4]对分布式电源接入配电网的安全性进行研究，分析了分布式电源接入对电压波动及网损的影响，建立了含分布式电源的配电网安全态势指标体系。

本文一共分为三部分：第一部分分别从系统侧和负荷侧建立可靠性指标，并介绍了解析法和模拟法两种可靠性评估方法；第二部分分析了解析法中的最小路法，给出了最小路的定义及基于最小路法的可靠性分析过程；第三部分结合具体的例子，对配电网络的负荷侧可靠性指标和系统侧指标分别进行了计算，结合计算结果分析了分布式电源对系统供电可靠性的影响。

1 分布式电源的配电网可靠性分析

1.1 分布式电源

随着环境保护、节能减排、新能源等方面的问题日趋突出，分布式电源的相关发电技术被逐渐注重，目前分布式电源在电网的占比剧增。光伏发电是将太阳发出的太阳能转换成电能的一种发电装置，基本原理是：半导体PN结受到阳光照射后，内部的载流子分布和浓度发生变化产生光生电动势。光伏板安装在光伏支架上，安装在最佳入射角度的位置以提高转换效率；风力发电的主要原理是利用风力带动叶片转动，将风能转化为机械能，再通过增速机提升旋转的速度带动发电机发电，使机械能转化为电能。风力发电使用的是清洁能源风能，无需使用化石燃料，不会对空气产生污染，因而受到越来越广泛的关注。

1.2 含分布式电源的配电网可靠性指标

1.2.1 负荷侧的可靠性指标

负荷侧指标反映的是负荷侧的供电可靠程度，三个基本的负荷侧可靠性指标分别为平均故障率、年平均停运时间和平均停运持续时间[5]。

平均故障率λi的定义是，某一负荷点在一定的时间范围内由配电网元件发生故障引发的停电次数，时间范围通常取一年。它反映的是负荷点 的供电系统的可靠性，λi的计算公式为式中：i为研究对象的负荷点编号，j为负荷点i与电源点连线之间的元件编号，平均故障率λi的单位是次/年。

年平均停电时间Ui的定义是，某负荷点在一年内发生停电的总时间，它反映的是负荷点i的供电系统的供电能力，Ui对应的时间越长则代表停电时间越长、供电能力越弱，Ui的计算公式为

停运持续时间ri的定义是，负荷点i(一般是在一年时间内)每次停电持续的时间，由于ri受到多重因素的影响，所以只看其值无法得出准确结论，如故障次数和停电时间等比例增长，虽然其值并未变化，但系统供电可靠性降低了，ri的计算公式为：

1.2.2 系统侧可靠性指标

可靠性评估需从多个方面来分析配电网可靠性。本文提出的系统侧可靠性指标一共有八个，其中常用的指标有四个，分别是：系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、平均供电可用率ASAI、用户平均停电持续时间CAIDI。

平均用户缺点量指一年内每个停电用户分摊的供电缺额，单位为“千瓦时/户·年”，计算公式：系统总的电量不足/停电总用户数；平均电量不足指标指一年内每个用户分摊的供电缺额，单位为“千瓦时/户·年”，计算公式：系统总的电量不足/总用户数。

通过整合负荷侧以及系统侧的两个可靠性指标，便可对配电网系统的可靠性进行具体评估。其中，经常用到的评估指标有SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI。

1.3 可靠性评估方法

解析法。包括故障模式后果分析法、最小路法、裕度法、扩散法等，主要是根据配电网系统结构、各部件功能以及它们之间的逻辑关系，建立对应的可靠性概率模型。在建立可靠性概率模型之后，利用相应的数学方法，如递推迭代法，对模型进行精确求解，计算出对应的可靠性指标。由于解析法计算较为精确，因此适用于网络结构较为简单的小规模系统。

模拟法。主要是指蒙特卡洛模拟法，这种模拟法又可分为序贯蒙特卡洛法和非序贯蒙特卡洛法。其主要原理是，根据配电网络系统各元件的原始可靠性参数，通过随机抽样模拟可能的运行状态，从而计算出可靠性指标。模拟法虽然计算便捷，但计算时间较长、误差较大，适用于网络结构较为复杂的大规模系统。

2 基于最小路法的配电网可靠性分析

最小路法属于可靠性评估方法中解析法中的一种，其基本思路是：先求出配电网所有的负荷到电源点的最小路，再将配电网中的元件分为在最小路上的元件和非最小路上的元件两类，把非最小路上元件可靠性参数折算到对应的最小路节点上，且对该最小路的元件及其节点进行计算，从而求出负荷侧及系统侧的可靠性指标。

2.1 最小路的定义

路径的数学定义是指连接任意两个节点的所有无向或有向弧的整体称为它们之间的路径。最小路的定义是，如果一条路径中任何一条弧被删除，此路径就不再是一条通路，则该路径就称之为两个节点之间的最小路。最小路集是所有最小路的集合。应用最小路法进行可靠性分析过程的第一步便是求取负荷点与电源点之间的最小路集，以图1所示系统结构图为例，最小路集为：x1x4、x2x5、x1x3x5、x2x3x4。

2.2 基于最小路法的可靠性计算过程

以图2所示的4负荷点配电网系统为例来说明应用最小路法求解的步骤。

第一步，确定某一个负荷点为研究对象，并将整个配电网系统的元件分为两类，分别是最小路元件和非最小路元件。以图中负荷点3为例，配电网线路中LM1、L12、L23、l3和变压器T3属于最小路元件，其余元件都属于非最小路元件。

第二步，计算最小路元件的可靠性指标。在计算时要分别考虑配电网有无备用电源的情况。

第三步，经过计算得出负荷点的等效最小路，将系统中非最小路元件对负荷点可靠性指标的影响折算到相应的最小路节点上。在等效的过程中，按照非最小路元件发生故障所在的馈线位置的不同来分别处理。

第四步，重复步骤一至三，直至计算出所有负荷侧可靠性指标。

第五步，通过整合求出的负荷侧可靠性指标，得出系统侧可靠性指标。

3 算例分析

3.1 网络结构及其参数

图3是一个含分布式电源的配电网络，该系统的母线电压为33kV，共有10负荷节点、8台变压器、4台断路器、1台隔离开关，负荷点总用户数为668户，负荷点1、2、5、6、7为第二类负荷，其余负荷点为第三类负荷，馈线（主、分支）的故障率为0.065次/km，年平均故障修复时间为5h，变压器的故障率为0.015次/台，年平均故障修复时间为200h，隔离开关操作时间为30min。在馈线L34和馈线L7-10处分别加入分布式电源，并以并联方式运行。各馈线参数 ：线路长度 l1、l4、l6、l9、l10、l89均为0.1km，l2为0.75km，l5为0.8km，l8、L67均为1.6km，LF1、L7-10、L78均为2.8km，L36、L45均为3.2km，L23为4.8km，L34为4.3km。

3.2 可靠性指标计算结果

据前文基于最小路法的配电网可靠性计算方法，对图4中33kV的含分布式电源的配电网络进行可靠性指标计算，编号1~10负荷点的故障率λS、平均停电持续时间rS、点年平均停电时间US分别为 ：0.9835/6.8963/6.7825、1.0323/6.8065/7.0263、0.4278/11.8849/5.0838、0.4798/11.0969/5.3238、0.9835/7.9741/7.8426、1.2695/7.3041/9.2725、1.1655/7.5097/8.2725、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325、0.4615/11.3380/5.2325；系统侧可靠性指标计算结果为：SAIFI 0.9742、SAIDI 7.3841、CAIDI 7.5795、ASAI 99.92%

由以上数据可知，在含分布式电源的配电网中，负荷侧可靠性指标中负荷点故障率λS和负荷点年平均停电时间US均有所减少，而系统侧可靠性指标中的系统平均停电频率指标SAIFI和系统平均停电时间指标SAIDI均减小，而代表供电可靠性的平均供电可用率ASAI上升，因此系统供电可靠性得到了提高。