含分布式能源的医院配电网可靠性评估体系研究

李 鹏，吴 湛，张诗建

（1.南方医科大学南方医院，广州 510515；2.广州南方电力集团电器有限公司，广州 510285）

0 引言

随着节能降耗相关政策和标准的不断推进，大型公立医院内新建的光伏发电项目也逐渐增多。能源的多样化和可靠性，是满足大型公立医院用能安全性的根本途径［1－2］。分布式电源（Distributed Generation，DG）的应用是20 世纪末最受重视的高科技领域之一，具体指发电功率在千瓦至兆瓦级的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元［3－4］，大型公立医院主要有以液体或气体为燃料的内燃机（发电机）、太阳能发电（光伏电池、光热发电）、UPS 电源等。随着能源审计对大型公立医院的要求不断提高，上述分布式电源在医疗院区内的广泛应用是可以预见的［5］。

DG 接入电网后对传统电网的许多方面都产生了不可忽视的影响［6－8］。传统配电网一般是给定配电网网架结构，考虑最严重工况的情形对线路的最大容量裕度进行规划。所有运行情况都能够得以统计与分析，并寻求最优解。而分布式能源接入后的配电网在进行预测时需要考虑负荷需求侧响应和分布式电源注入容量的双重影响，运行时需要考虑DG存在的主动管理模式以及DG的不确定性造成的影响，网架结构规划时需要考虑DG 的不确定性带来的影响［9－11］。对分布式接入电网的影响大多从可靠性、经济性建立定量评估模型，定量评估分布式电源对配电网典型接线模式的影响，以及协调分布式电源及与配网网架建设之间的关系，确定最优的接入位置以及最优的配网接线方式。

光伏、柴油发电机等分布式能源接入配电网后，改变了配电网的电源结构、运行方式，同时分布式能源的多样性、不确定性给配电网可靠性评估带来了挑战。医院用电安全尤为重要，不仅影响设备安全，更有可能会影响到患者的生命安全，所以，医院的安全用电十分重要［12－14］。在此背景下，本文结合光伏、柴油发电机的孤网运行方式，通过故障模式后果分析法分析了分布式能源接入对配电网可靠性的影响，建立了一套考虑分布式能源接入的配电网安全运行评估体系，通过关键指标对含分布式能源的配电网的可靠性进行定量评估，为医院选址和医院用电安全风险防控能力和可靠性水平提供参考。

1 配电网可靠性影响因素

所谓配电网可靠性评估，是对已运行的配电网，或是新设计的配电网，在所选用相关元器件在故障前提下对供电可靠性做出评价，从而得到配电网供电可靠性。

配电网的供电可靠性就是指供电系统对用户持久供电能力的表现，它的质量直接体现了医院能源保障部门等单位或企业的供电水平以及电能的质量［15］。评估如具有量化指标会使人对评估对象有直观认识，电网可靠性评估也就是通过量化的可靠性指标进行评估，通过其指标也能知道影响配电网可靠性的相关主要因素，如图1所示。

2 含分布式能源配电网可靠性评估体系

分布式能源的接入改变了院区传统配电网的供电可靠性，为评估分布式能源的接入对配电网可靠性的影响，本文从负荷点供电可靠性和系统供电可靠性两个维度选取可靠性评估指标，并建立可靠性评估模型。其中，负荷点可靠性指标用于描述接入分布式能源后单个负荷点的供电可靠性水平，系统可靠性指标用于描述接入分布式能源后整个系统的供电可靠性水平，系统可靠性指标由负荷点可靠性指标计算得到。通过对比分布式能源接入前后负荷点可靠性水平及系统可靠性水平的变化，即可评估分布式能源的接入对配电网可靠性的影响。

2.1 负荷点可靠性指标

负荷点可靠性指标从负荷点停电频率、负荷点停电时间、负荷点缺供电量3 个维度来评估负荷点供电可靠性水平，其中负荷点可靠性指标包括故障可靠性指标和预安排可靠性指标。

（1）负荷点故障停电率期望值

某负荷点平均每年的故障停电次数，记作λLP－F，单位为次／年，可按下式计算：

式中：N为故障后会造成该负荷点停电的设施的集合；λef，i为设施i故障停运率。

（2）负荷点预安排停电率期望值

某负荷点平均每年的预安排停电次数，记作λLP－S，单位为次／年，可按下式计算：

式中：M为故障后会造成该负荷点停电的设施的集合；λeo，i为设施i预安排停运率。

（3）负荷点故障停电时间期望值

某负荷点平均每年的故障停电小时数，记作μLP－F，单位h／a，可按下式计算：

（4）负荷点预安排停电时间期望值

某负荷点平均每年的预安排停电小时数，记作μLP－S，单位h／a，可按下式计算：

式中：tef，i为设施i预安排停电时间。

（5）负荷点供电可靠率期望值

在单位年度内，对某负荷点有效供电总小时数期望值与单位年度总小时数的比值，记作RASAILP，可按下式计算：

（6）负荷点缺供电量期望值

某负荷点平均每年因停电缺供的总电量，记作WENSLP，单位为kW·h／a，可按下式计算：

式中：P为负荷点负荷容量，kW。

（7）负荷点等效系统停电小时数期望值

某负荷点平均每年停电的影响折成全系统停电的等效小时数，记作TSIEHLP，单位为h／a，可按下式计算：

式中：S为系统总负荷容量，kW。

2.2 系统可靠性指标

系统可靠性指标从系统停电频率、系统停电时间、系统缺供电量3 个维度来评估负荷点供电可靠性水平，其中系统可靠性指标包括故障可靠性指标和预安排可靠性指标。

（1）系统平均故障停电频率期望值

供电系统用户在单位年度内的平均故障停电次数，记作NSAIFIF，单位为次／（户·a），可按下式计算：

式中：n为负荷点用户数；N为总用户数。

（2）系统平均预安排停电频率期望值

供电系统用户在单位年度内的平均预安排停电次数，记作NSAIFIS，单位为次／（户·a），可按下式计算：

（3）系统平均故障停电时间期望值

供电系统用户在单位年度内的平均故障停电小时数，记作TSAIDIF，单位为h／（户·a），可按下式计算：

（4）系统平均预安排停电时间期望值

供电系统用户在单位年度内的平均预安排停电小时数，记作TSAIDIS，单位为h／（户·a），可按下式计算：

（5）系统平均供电可靠率期望值

在单位年度内，对用户有效供电总小时数期望值与单位年度总小时数的比值，记作RASAI，可按下式计算：

（6）系统平均缺供电量期望值

供电系统用户在单位年度内因停电缺供的平均电量，记作WAENS，单位为kWh／（户·a），可按下式计算：

3 含分布式能源配电网可靠性评估方法与流程

3.1 网络模型简化

网络模型简化处理后包含变电站母线、电缆线路、配电变压器、断路器、负荷开关和熔断器等设施模型及其连接关系。

配电网网络简化原则：（1）网络模型中的架空线路、电缆线路等设施模型均包括设施本体及其附属设施；（2）线段中的多个设施可用串联网络法进行等效，在工程近似计算中，常忽略两个及以上设施同时停运的情况，其网络等效模型如图2 所示，等效后的网络元件可靠性参数计算方法如式（14）所示。

图2 串联网络等效模型

式中：λ为设施停运率，次／a；r为设施平均修复时间；μ为设施停运修复率，即设施平均停运修复时间的倒数，次／a；各变量下标为设备编号。

3.2 设施停运模型

电力设施在日常运行中所处状态常被分为正常运行状态、故障停运状态和预安排停运状态，如图3 所示的三状态模型。图中：λP为设施预安排停运率，次／a；μP为设施预安排停运的修复率，即设施平均预安排停运持续时间的倒数，次／a；λF为设施故障停运率，次／a；μF为设施故障停运的修复率，即设施平均故障修复时间的倒数，次／a。

图3 三状态模型

3.3 故障模式后果分析法

不管配电网是开环还是闭环运行，故障模式后果分析法均适用，也是评估可靠性的常用方法。该方法评估步骤如下所示。

（1）评估列举每个设施故障的停电影响，确定负荷点的故障停电时间、停电率。

（2）根据单独故障后的故障停电率和故障停电时间信息整理成故障模式后果分析表。设施集为N，设施集中第i个设施的故障停运率和故障修复时间分别为λi、ri。该负荷点的故障停电率和故障停电时间期望分别为λLP－F、μLP－F。则有：

（3）根据负荷点λLP－F、μLP－F计算其他可靠性指标。

（4）逐步计算所有负荷点的可靠性指标，根据此结果得到系统可靠性指标。

通过设施停运状态可知，系统停电不仅包含故障停电，还包括预安排停电。在计算预安排停电的影响时，计算原理和过程与故障停电类似，只是停电过程及停电时间有所差别。

4 评估算例

分布式能源不同接入位置对配网可靠性影响不同，本文设置相关算例进行评估。简化后仿真模型如图4所示。

图4 简化仿真模型

4.1 算例参数设置

本文设置10 kV 线路线型为LGJ－240，根据载流量计算得到其最大供电能力为9.509 MW，设分段线路和分支线路长度均为2 km。考虑到馈线主干线分段设置时遵循各分段负荷尽可能均匀的原则，本文结合馈线最大供电能力，设置每分段负荷最大值为1 MW，用户数为300，馈线负载率在30%左右。在后续可靠性案例评估时，区域1、2、3 负荷大小和用户数统一设置为分段负荷容量最大值1 MW，用户数为300。

网络元件可靠性参数如表1 所示。

表1 网络元件可靠性参数

4.2 仿真结果分析

在图3 中区域1、区域2、区域3 中分别接入分布式能源，并假设分布式能源支撑时间大于故障时间，计算负荷点可靠性指标和系统可靠性指标分别如表2和表3 所示。

表2 不同接入位置时负荷点可靠性指标

表3 不同接入位置时系统可靠性指标

从表2 可看出，在区域1 接入分布式能源时，负荷点1 的年平均停电时间明显缩短了；在区域2 接入分布式能源时，负荷点2 的年平均停电时间明显缩短了；在区域3 接入分布式能源时，负荷点3 的年平均停电时间明显缩短了，这是因为含分布式电源的配电网在元件故障时会出现孤岛，处于孤岛范围内的负荷点可由分布式电源恢复供电，停电时间将大大缩短；而孤岛区域外的负荷点的年平均停电时间基本不变，可见分布式能源的接入对孤岛区域外的负荷点的可靠性没有改善作用，因此，院区靠近分布式电源位置选址或自身带有分布式电源可大大提高医院的工供电可靠性。

从表2～3 可看出，分布式能源接入点的不同会引起负荷点可靠性指标以及系统可靠性指标不同程度的变化，其中分布式电源接入区域3 时系统可靠性优于分布式能源接入其他区域，这是由于区域3 在馈线末端，在网络元件出现故障造成停电事故时，区域3 最容易受到影响且停电时间最长，故在区域3 接入分布式能源时，负荷点可靠性指标以及系统可靠性指标改善程度最大，其次是区域2、区域1。因此在初期进行配电网规划时，应合理选择分布式电源的接入点，保证配电网可靠性最高。

5 结束语

随着分布式能源的不断发展，其对大型公立医院的供电可靠性影响也随之增大。用电安全是医院能源保障的重中之重，分布式电源接入后如何保障电网的可靠性具有十分重要的地位。本文从负荷点供电可靠性和系统供电可靠性两个维度选取可靠性评估指标，并建立可靠性评估模型。其中，负荷点可靠性指标用于描述接入分布式能源后单个负荷点的供电可靠性水平，系统可靠性指标用于描述接入分布式能源后整个系统的供电可靠性水平，系统可靠性指标由负荷点可靠性指标计算得到。通过对比分布式能源接入前后负荷点可靠性水平及系统可靠性水平的变化，即可评估分布式能源的接入对院区配电网可靠性的影响，其结果为医院选址和医院用电安全风险防控能力和可靠性水平可提供重要参考。