吳治均 李明昆

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039）

基于饋線路徑集合法的并網(wǎng)型微電網(wǎng)可靠性評估

吳治均 李明昆

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039）

微電源越來越多的被接入到配電系統(tǒng)中，在改變配電網(wǎng)運行方式的同時也給配電網(wǎng)的可靠性評估方法帶來影響。本文重點分析了負荷點與電源間的連通性，在充分考慮微網(wǎng)運行模式的基礎(chǔ)上，針對負荷點故障類型提出了基于饋線路徑集合的判別方法。其次分別提出了微網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案以及離網(wǎng)模式下的負荷削減策略。最后通過時序蒙特卡洛模擬法計算并網(wǎng)型微電網(wǎng)的可靠性指標。以改進的IEEE RBTS BUS6系統(tǒng)進行算例分析，驗證了所提出方法的有效性。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)；饋線路徑；可靠性；時序模擬

近些年現(xiàn)代電力技術(shù)取得大量研究成果，以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)技術(shù)取得了迅猛發(fā)展。隨著微電網(wǎng)大量的接入配電系統(tǒng)，這對以“閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行”的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)帶來了極大挑戰(zhàn)，使其在配電結(jié)構(gòu)和運行方式都產(chǎn)生了改變。

并網(wǎng)型的微電網(wǎng)具有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種靈活運行模式，可視情況實現(xiàn)快速切換。目前，關(guān)于并網(wǎng)型微電網(wǎng)的可靠性評估方法已經(jīng)有了一定的研究。文獻［1-2］研究了分布式電源接入配電網(wǎng)后的孤島劃分模型及其求解方法，在改進最小路法的基礎(chǔ)上評估系統(tǒng)可靠性。文獻［3-4］建立了DG和儲能裝置聯(lián)合發(fā)電的可靠性模型，重點分析了基于故障影響遍歷算法的可靠性評估方法，但在故障條件下忽視了負荷的時序特性，對微網(wǎng)并網(wǎng)運行特性也考慮較少。文獻［5］則重點分析了對風(fēng)機出力以及系統(tǒng)故障進行時序模擬的方法，但并未考慮微網(wǎng)離網(wǎng)運行時，通過負荷削減使得重要電力負荷得以持續(xù)供電。

本文分析了微網(wǎng)接入后負荷點和電源間饋線路徑的連通性，針對系統(tǒng)負荷點故障類型，提出了基于饋線路徑集合的判別方法。其次，根據(jù)微網(wǎng)離網(wǎng)運行特性，在負荷分塊的基礎(chǔ)上，綜合考慮電力負荷重要程、負荷位置和負荷塊用戶平均負荷率［11］三項因素，提出負荷削減策略，再在微網(wǎng)并網(wǎng)運行條件下，提出計及DG和儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案。最后通過時序蒙特卡洛模擬法對改進的IEEE RBTS BUS6算例系統(tǒng)進行可靠性評估。

1 并網(wǎng)型微電網(wǎng)的饋線路徑集合

1.1 負荷點停電影響類型劃分

為了全面分析系統(tǒng)發(fā)生故障時對系統(tǒng)可靠性所產(chǎn)生的影響，本文對系統(tǒng)進行故障模式后果分析，得到以下四類負荷點停電影響類型：

Ⅰ類：系統(tǒng)故障時對該類負荷的供電不會產(chǎn)生影響，其供電正常。

Ⅱ類：該類故障影響下，負荷點只有等待相關(guān)故障元件修復(fù)或替換以后才能夠恢復(fù)供電。該類負荷點的停電時間為故障修復(fù)時間Tr。

Ⅲ類：該類故障影響下，負荷點通過相關(guān)的隔離開關(guān)或聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘操作，由主電源恢復(fù)供電。該類負荷點的停電時間為故障隔離時間Tg。

Ⅳ類：該類故障影響下，負荷點處于由公共連接點（PCC點）開斷而形成的微網(wǎng)內(nèi)。

1.2 基于負荷點與電源間連通性的饋線路徑分類

根據(jù)負荷點與電源間饋線路徑的連通性，本文將配電網(wǎng)中任意兩節(jié)點之間的最短路徑用該路徑上所有節(jié)點的集合來表示［6］。設(shè)負荷點LPi到配網(wǎng)主電源的最短路徑為主最短路徑，到微電源的最短路徑為微最短路徑。根據(jù)負荷點與電源間的連通性，可將所有節(jié)點歸類到以下四類路徑上。

1）L1i：主最短路節(jié)點與其微最短路節(jié)點交集形成的路徑。

2）L2i：主最短路節(jié)點與其非微最短路節(jié)點交集形成的路徑。

3）L3i：非主最短路節(jié)點與微最短路節(jié)點交集形成的路徑。

4）L4i：非主最短路節(jié)點與非微最短路節(jié)點交集形成的路徑。

上述四類饋線路徑為負荷點 LPi的分類路徑。不同分類路徑上的節(jié)點故障對負荷點與電源間的連通性造成的影響不同，從而影響電源對該負荷點LPi的供電。

1.3 負荷點故障影響判別

用A、B、C、D分別表示系統(tǒng)故障后，負荷點LPi停電類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的節(jié)點集合，稱之為該負荷點的故障集合。圖1所示，根據(jù)負荷點與電源間饋線路徑的連通性，本文給出負荷點 LPi四類故障集合的判別方法。

圖1 負荷點故障集合的判別

1）如圖 1（a）所示，對于故障η1∈L1i，負荷點 LPi與主電源、微電源的饋線路徑均被中斷，只有當故障修復(fù)時，負荷點 LPi才恢復(fù)供電。因此，η1∈B。

2）如圖 1（b）所示，對于故障η2∈L2i，負荷點與主電源間的供電路徑被中斷，僅可能由微電源供電。其中，設(shè)La表示故障η2到負荷點LPi的最短饋線與η2到微電源最短饋線的公共路徑，則考慮以下兩種情況：

（1）若La上含有公共連接點PCC，此時負荷點LPi處于PCC開斷而形成的微網(wǎng)內(nèi)，微網(wǎng)切換為離網(wǎng)運行模式，則η2∈D。

（2）若La上無PCC點，則故障η2∈B。

3）如圖 1（c）所示，對于此類故障，負荷點LPi與微電源的供電路徑被中斷，僅可能由主電源供電。其中，設(shè)Lb表示故障η3到負荷點LPi的最短饋線與η3到主電源最短饋線的公共路徑，則考慮以下兩種情況：

（1）若Lb上含有公共連接點PCC，則系統(tǒng)故障時被隔離，負荷點LPi正常供電，此時η3∈A。

（2）若Lb上無PCC點：若路徑上有隔離開關(guān)，系統(tǒng)故障時被隔離，則η3∈C；若路徑上無隔離開關(guān)，則故障修復(fù)后才能恢復(fù)供電，此時η3∈B。

4）如圖 1（d）所示，對于此類故障，故障發(fā)生在配網(wǎng)分支饋線上，由于分支饋線到主饋線端設(shè)有斷路器，能在其內(nèi)部元件故障時切斷故障電流，不對主饋線路徑造成影響，微電網(wǎng)選擇并網(wǎng)模式運行。此時，則η4∈A。

2 基于時序模擬的可靠性評估算法

2.1 元件模型

1）負荷模型。采用文獻［7］的時序負荷模型。

2）風(fēng)電機組模型。本文采用經(jīng)典的風(fēng)速威布爾分布建立實時風(fēng)速模型，再根據(jù)風(fēng)機出力特性曲線來描述風(fēng)機出力和實時風(fēng)速的關(guān)系［8］。

3）儲能系統(tǒng)的充放電模型［9］。本文在充分考慮對儲能系統(tǒng)進行充放電功率限制，以及儲能容量上下限設(shè)定的情況下，儲能系統(tǒng)模型建立如下。

充電模型：

放電模型：

式（1）、式（2）中，Pbat（t）為儲能系統(tǒng)的實時充放電功率，Pcd-max、Pfd-max分別為儲能系統(tǒng)的最大充、放電功率；EESS（t）為儲能系統(tǒng)的實時容量；EESS-max、EESS-min分別為儲能系統(tǒng)的最大、最小容量限制。

2.2 負荷削減策略

微網(wǎng)在離網(wǎng)運行時，當微電源出力不能滿則網(wǎng)內(nèi)負荷需求［10］，則需要削減負荷。

圖3為IEEE RBTS BUS6中F4主饋線［13］下的分支饋線經(jīng)過相關(guān)改進后所組成的的一個微型電網(wǎng)。線路10是與上級電網(wǎng)連接的公共連接點（PCC），線路4裝有風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，相關(guān)線路上裝有智能開關(guān)用以切斷負荷電流。

圖2 微網(wǎng)孤島運行結(jié)構(gòu)圖

本文在負荷分塊的基礎(chǔ)上，綜合考慮負荷塊內(nèi)負荷重要程度參數(shù)、負荷塊位置參數(shù)以及負荷塊用戶平均負荷率參數(shù)［11］，并定義負荷削減系數(shù)（Cutting load factor，CLF）。

式中，Xi是 Ai第 i個負荷塊的重要程度參數(shù)；ILPn是第n個負荷的重要程度參數(shù)，通過考慮負荷重要性，優(yōu)先保障重要程度高的用戶供電。

Yi是第 i個負荷塊的位置參數(shù)；DLPn是第 n個負荷到微電源的電氣距離，設(shè)相鄰兩負荷點電氣距離為 1，以微電源的位置為參考點，由遠及近依次切除遠端負荷。顯然，負荷點DLPn之和越大，該負荷塊Yi值越小，表示該負荷塊在網(wǎng)內(nèi)離微電網(wǎng)距離越遠。

Zi是第 i個負荷塊的用戶平均負荷率參數(shù)，負荷塊用戶平均負荷率高表明該地區(qū)負荷峰谷差較小，負荷比較平均，負荷率低說明該地區(qū)峰谷差異較大，需要削峰填谷，使各時段負荷變化減小。其中，PLPn是第 n個負荷點的年負荷峰值，MLPn是第n個負荷點年負荷平均值，由該負荷點年時序負荷曲線得出；NLPn是第n個負荷點的用戶數(shù)，Ni是第i個負荷塊內(nèi)的用戶總數(shù)。綜合以上3項因素，定義負荷塊的負荷削減系數(shù)，CLFi表示第i個負荷塊的負荷削減系數(shù)。

2.3 計及DG和儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案

在并網(wǎng)運行時，微網(wǎng)內(nèi)部負荷由大電網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)的分布式電源聯(lián)合供電。在風(fēng)電機組和儲能裝置聯(lián)合發(fā)電的基礎(chǔ)上，本文提出計及DG和儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案。

為了盡可能提高微電源在電網(wǎng)中的滲透率和高效性，在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，優(yōu)先考慮讓風(fēng)機盡可能的出力，其次是儲能系統(tǒng)和大電網(wǎng)對其按需補充。故提出微網(wǎng)并網(wǎng)運行協(xié)調(diào)方案如下。

1）在微網(wǎng)正常工作時，優(yōu)先利用風(fēng)電機組供電。判斷風(fēng)機實時出力大小，當其出力滿足網(wǎng)內(nèi)負荷需求時，此時對儲能系統(tǒng)進行循環(huán)充電；當充電功率大于儲能系統(tǒng)最大充電功率時調(diào)整風(fēng)機出力，并按其最大充電功率充電；當充電達到儲能系統(tǒng)的最大儲能容量時，充電停止。

圖3 并網(wǎng)型微網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案

2）當風(fēng)機出力不能滿足網(wǎng)內(nèi)負荷需求時，儲能系統(tǒng)按照設(shè)定的最大放電功率進行放電。若儲能系統(tǒng)放電功率能夠達到負荷的需求且未降至設(shè)定的最小狀態(tài)時，此時儲能系統(tǒng)維持放電運行狀態(tài)并保持網(wǎng)內(nèi)負荷功率平衡。

3）如果風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電仍不能滿足負荷需求，此時微網(wǎng)的供電就需要外部大電網(wǎng)的功率支持。外部主網(wǎng)根據(jù)微網(wǎng)內(nèi)負荷需求與風(fēng)儲出力之和的缺額對微網(wǎng)內(nèi)負荷需求進行功率補充。

炎性因子:患者于治療前、治療后,抽取晨間空腹外周靜脈血,檢測IL-6(白介素-6)、IL-8(白介素-8)、TNF-α(腫瘤壞死因子-α)水平。

2.4 基于時序蒙特卡洛模擬法的可靠性評估算法

在綜合考慮微網(wǎng)運行模式靈活切換的基礎(chǔ)上，本文采用饋線路徑集合方法對負荷點 LPi的分類路徑進行存儲，形成故障集合。然后通過建立時序負荷模型和風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，設(shè)計了微網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行方案。綜合以上因素，提出基于蒙特卡洛模擬法［11］的并網(wǎng)型微電網(wǎng)可靠性評估算法，其具體流程如下：

1）數(shù)據(jù)初始化。錄入初始狀態(tài)下系統(tǒng)的各項參數(shù)，設(shè)定數(shù)據(jù)初值，并確定仿真時間。

2）隨機產(chǎn)生n個服從（0，1）區(qū)間均勻分布的隨機數(shù)，M1，M2，…，Mn，其中n值與系統(tǒng)元件數(shù)相同。再根據(jù)公式TTF=-lnMn/λ 求取每個元件的無故障工作時間TTF。

3）選取所有系統(tǒng)元件中最小的 TTF值所對應(yīng)的元件，作為此次模擬的故障元件，并以該最小TTF值作為系統(tǒng)的無故障工作時間，累計仿真時間。

4）確定故障元件后，再生成一個隨機數(shù)X，并根據(jù)公式TTR=-lnX/μ 計算出的值，作為此次故障的修復(fù)時間，其中μ 為元件修復(fù)率。

本文隨機生成一個（0，1）間服從均勻分布的的隨機數(shù)S來表示離網(wǎng)模式的成功切換概率。在四類故障集合中，集合A不受故障影響，不發(fā)生停電；對于集合B和C，計算停電時間，斷電次數(shù)加1。對于集合D類情況，過程如下：

（1）離網(wǎng)模式數(shù)據(jù)初值設(shè)定。令t=1，離網(wǎng)模式運行初始時，儲能系統(tǒng)容量ESSl為滿充狀態(tài)（即儲能系統(tǒng)容量的最大值）；ESSmin為儲能系統(tǒng)設(shè)定的最低荷電狀態(tài)容量值。

（2）計算模擬時刻風(fēng)電機組的實時出力PW（t）。

（3）據(jù)時序負荷功率曲線求出t時刻里微網(wǎng)內(nèi)負荷的功率需求值PL（t）。

（4）比較風(fēng)機出力與網(wǎng)內(nèi)負荷需求的大小，若PW（t）≥PL（t），則集合D內(nèi)負荷正常供電，此時為儲能系統(tǒng)充電 Pbat（t）=Pw（t）-PL（t）；儲能系統(tǒng)實時容量ESSl（t+1）=ESSl（t）+Pbat（t），若 PW（t）≤PL（t），則按負荷削減策略按需甩負荷，其所切負荷停電次數(shù)加 1并累計其停電時間，否則進入下一步。

（5）比較t是否到達故障修復(fù)時間，t如果未到達修復(fù)時間，則t推進到下一時刻，重回步驟（2）；若已經(jīng)到達故障修復(fù)時間，此時停止模擬，輸出結(jié)果。

6）判斷當前模擬時間是否到達預(yù)設(shè)模擬時間，如果達到，計算各個負荷點和系統(tǒng)的可靠性指標；如果沒有，則t向前推進一個時刻，回到步驟（2）繼續(xù)進行模擬。

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

本文采用IEEE RBTS BUS6測試系統(tǒng)主饋線F4加以相應(yīng)改進進行仿真驗證［13］。其中，線路15處為微電網(wǎng)PCC點，在線路25處接入風(fēng)電機組和儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 改進的Bus6 F4饋線系統(tǒng)

該系統(tǒng)有線路30條，負荷點總計23個，配電變壓器總共23臺。每條分支線路均設(shè)有熔斷器。所有系統(tǒng)元件可靠性參數(shù)見文獻［13］，其中負荷點LP20變?yōu)楣I(yè)用戶，負荷點LP21變?yōu)樯虡I(yè)用戶。

設(shè)風(fēng)機切入風(fēng)速為10km/h，額定風(fēng)速30km/h，切除風(fēng)速 65km/h。儲能裝置參數(shù)：額定容量為2MW·h，最大充放電功率為0.5MW·h。

根據(jù)本文提出的負荷削減策略，對微網(wǎng)內(nèi)部負荷進行分塊，并根據(jù)式（3）求得負荷削減削減系數(shù)見表1。

表1 負荷削減系數(shù)

3.2 可靠性評估

本文按所述方法對系統(tǒng)進行2000年的模擬，計算得到的微網(wǎng)接入與否負荷點的可靠性指標對比情況如圖5、圖6所示。

圖5 微網(wǎng)接入與否網(wǎng)內(nèi)負荷點故障率情況

圖6 微網(wǎng)接入與否系統(tǒng)負荷點年停電時間情況

表2為傳統(tǒng)配電系統(tǒng)和含微網(wǎng)接入的系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果對比情況。

表2 系統(tǒng)可靠性指標

通過微網(wǎng)接入與否兩種方案下負荷點和系統(tǒng)可靠性指標的對比，可以看出：

1）微網(wǎng)根據(jù)系統(tǒng)元件故障情況合理選擇離網(wǎng)或并網(wǎng)模式運行。微網(wǎng)的離網(wǎng)運行能在配電系統(tǒng)故障時保證網(wǎng)內(nèi)負荷的供電，大大縮短了停運時間。并且通過適當?shù)呢摵上鳒p策略，使網(wǎng)內(nèi)重要負荷得以持續(xù)供電，從而提高微網(wǎng)內(nèi)負荷供電可靠性。并網(wǎng)模式下的協(xié)調(diào)運行策略充分考慮了風(fēng)機發(fā)電充裕性，提高了微電源的利用率，也較為全面地反映了并網(wǎng)型微電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定的供電能力。

2）表2對微網(wǎng)接入與否系統(tǒng)的可靠性指標進行了對比。由結(jié)果對比可以知道，微網(wǎng)接入后，系統(tǒng)的供電可用率也由原來的0.9987上升至0.9991，系統(tǒng)的年期望缺供電量也同比降低了18.2%。

4 結(jié)論

本文主要對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的可靠性進行分析和計算，通過饋線路徑的連通性判別了負荷故障類型，再基于并網(wǎng)型微網(wǎng)的運行特性，定量地分析了微網(wǎng)接入對配電系統(tǒng)可靠性指標的改善情況。評估結(jié)果表明，微網(wǎng)接入可以有效地提高配電系統(tǒng)的可靠性指標，不同運行方式的靈活切換以及并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行等因素對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的可靠性評估有著重要意義，結(jié)果也驗證了本文方法的有效性。

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Reliability Evaluation of Grid-connected Micro-grid based on Feeder Path Set Methods

Wu Zhijun Li Mingkun
（School of Electrical and electronicInformation Engineering，Xihua University，Chengdu 610039）

More and more micro-grid is connected to the distribution system，in the way of changing the distribution network operation，but also to the distribution network reliability assessment methods to bring the impact.This paper focuses on the analysis of the connection between the load points and the power suppliers，and based on the full consideration of the operation modes of the micro-grid，this paper proposes a method to determine the type of the feeder path set based on theload points.According to the two different operation modes of micro-grid，the coordinated operation scheme of micro-grid and the load reduction strategy are proposed.Finally，the reliability index of grid-connected micro-grid is calculated by sequential Monte Carlo simulation method.By the improved IEEE RBTS BUS6 system example analysis，the effectiveness of the proposed method is verified.

grid-connected micro-grid； feeder path； reliability；timesequential simulation

吳治均（1989-），男，漢族。碩士研究生，主要研究方向是電力系統(tǒng)可靠性評估。