计及微电源出力随机性与负荷分级的微电网供电可靠性分析 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.64M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 计及微电源出力随机性与负荷分级的微电网供电可靠性分析# 郭思琪，袁越，傅质馨，解翔，曹阳** 5 10 （河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，南京，211100）摘要：随着微电网相关技术的不断成熟，制定完整的微电网供电可靠性评估体系已经成为了最为重要的理论研究环节之一。本文在故障模式分析法和蒙特卡洛模拟法的基础上，提出了一种计及微电源出力随机特性的可靠性指标计算方法，并利用该方法对某算例系统的系统可靠性指标和用户可靠性指标进行了计算。接着引入负荷分级机制，并在该算例中分析了不同分级方法下用户和微网系统的可靠性指标的变化，据此对微电网负荷分级模式提出相关建议。关键词：电力系统自动化；微网；可靠性指标；故障模式分析法；离网失效率；负荷分级中图分类号：TM 734 15 Reliability Evaluation of Microgrid Power Supple Considering the random characteristics of Microgeneration’s Output and Load Classification 20 (Research Center for Renewable Energy Generation Engineering of Ministry of Education, HoHai GUO Siqi, YUAN Yue, FU Zhixin, XIE Xiang, CAO Yang University, Nanjing, 211100) 25 30 indexs considering Abstract: With the microgrid and its correlated technologies becoming more and more mature, formulating a complete system of microgrid reliability evaluation has become one of the most important theoretical researches. Based on the Failure Mode Analysis method and the sampleing process of Monte Carlo simulation method, this paper puts forward an algorithm of evaluating microgrid reliaibity the random characteristics of microgeneration’s output. With this algorithm, the reliability indexes of load points in microgrid and the whole microgrid system indexes are both achieved in a simulative system. Next, the mechanism of load classification is introduced, the variations about reliability indexs of customers and microgrid system in different classification methods are analysised, some recommendations about mode of mircogrid’s load classification are given in the point of view of this mechanism. Key words: power system and its automation; microgrid; reliability index; failure mode analysis method; failure rate; load classification the influence of 0 引言 35 近年来微电网（以下简称“微网”）以其具有自治、稳定、兼容、灵活、经济的特点受到越来越多的关注。微网能高效地利用分布式电源，提高电网的利用率，改善用户供电可靠性和电能质量，实现电网的安全运行[1]。微网有并网和自治两种运行方式[2-4]，并网运行时由大电网和微网内分布式电源联合给网内负荷供电。当大电网出现故障或存在电能质量问题时，微网自治（离网）运行，即仅由内部分布式电源对负荷进行供电。 40 在传统的配电网可靠性评估中，由于配电系统“环网设计，开环运行”的特点，馈线由单一电源点供电，任何一条馈线上发生故障，都可能导致馈线后所有负荷停电[5]。微网的接基金项目：高校博士点基金资助项目（20090094110016）作者简介：郭思琪（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向：微电网可靠性，微电网能量管理系统通信联系人：袁越（1961-），男，博士生导师，主要研究方向：可再生能源发电技术，分布式发电与供电技术，微电网，智能电网等. E-mail: yyuan@hhu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 入，使配电网成为一个多电源与多用户相连的网络。因此，含微网的配电系统可靠性及微网内负荷点的可靠性评估从理论和方法上都将发生变化，原有配电系统可靠性评估方法将无法适用于微网[6]。 45 目前已有国内外文献提出了考虑微网特性的可靠性评估方法。文献[7]认为微网的引入可改善配电网中部分非微网用户的平均停电时间参数，但是其并没有对微网内用户和整个配电网的可靠性指标进行更为细化的计算；文献[8]对含微网的配电网供电可靠性指标做了综合的计算和评估，是目前较为全面的微网供电可靠性研究方法，但该文献中并未考虑微电源出力以及微网内负荷波动性对微网离网运行过程的影响，这在一定程度上影响了计算的精 50 度。在微网自治运行时，网内某些重要负荷会因微电源容量或出力的限制而失去供电，这不仅降低了微网供电可靠性，也造成能源的浪费。负荷分级机制的引入，可进一步提高微网内某些重要用户的供电可靠性。文献[9]建立了含微网的配电系统应对极端灾害的规划模型，并提出了在极端灾害条件下负荷的分级方法。但是由于极端灾害通常造成大面积长时间停 55 电，在应对因元件故障造成的小面积短时停电时，该分级方法有一定的局限性。本文采用蒙特卡洛法对微网离网运行时间进行抽样，模拟微网离网运行过程。在离网运行中，将微电源的有功出力量化，折算到微网外元件的可靠性参数中。然后以传统故障模式分析法计算可靠性指标为基础[10]，计算微网内用户的可靠性指标与微网系统可靠性指标。在此基础上，引入负荷分级机制[11]重新进行计算，比较不同分级方案下，微网内负荷点可 60 靠性指标和微网整体孤岛失效率的变化情况，最后根据计算和分析结果对微网负荷分级模式提出建议。 1 微网可靠性指标 1.1 微网内负荷点可靠性指标计算文献[8]中提出在微网发载比远大于 1 时，微网内用户的可靠性指标计算方法如下： 65 (1) 其中，为微网内馈线集合，为微网至上层网络连接点的所有馈线。和分别为对应馈线或元件的年故障率和年平均停运持续时间。为微网用户的年故障率，和分别为微网用户的年平均停运时间和年停运时间。设定为微网离网运行过程的失效率[7]，包含切换过程失去暂态稳定、电力电子元件故障、微网控制中心异常以及网内供能不足导致 70 负荷断电等情况。本文研究的主要是由于供能不足导致的离网失效。从理论上讲，当发载比远大于 1 时，微网外元件故障并不会造成网内负荷点停运。但实际系统中,微电源不具有足够大的容量，且出力受环境（温度、光照以及风速）影响[12]。在实际离网运行时，微电源的出力不能完全确保对网内所有用户的可靠供电。当出现微电源出 - 2 - upupMijimjfiijjimjfMMMMMMMPrPrrurmupfrMMrMuMP

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 力无法满足此时负荷需求时，网内负荷就因能源供给不足而导致离网运行失效。因此，公式 75 (1)中网外故障致离网运行的时间指标将不再是网外故障修复时间，也就是说，将会有更多的离网运行过程是不成功的，从而离网失效率也将发生变化。这是微网可靠性计算中不容忽视的一点，也是之前可靠性研究文献中所未涉及的内容。计算负荷点平均停电时间，与网外故障率以及网外故障导致负荷点的停电时间有关。首先定义为网外编号为的故障修复时间，将网内负荷停运时间重新定义为，离网失效 80 率。由定义可知的取值范围为：，而以及的具体数值需要对每次离网过程进行具体分析得到。只有当网内负荷点在离网运行时停电，此次离网运行才被计及到离网失效率中去，在计算微网内负荷点可靠性指标时，公式(1)中将被替代，将被替代，计算微网内负荷点可靠性指标的公式为： (2) 85 可首先建立固定时间内风电、光伏等新能源发电系统出力数据库，后用蒙特卡洛模拟法以不同元件故障可能造成的微网离网运行时间为时间变量进行抽样，模拟离网运行过程，得到计算微网内用户可靠性的元件可靠性指标。这相当于将微电源出力和负荷的随机特性折算到所有元件的可靠性指标上，如此就可采用传统的故障模式分析法细化。另考虑到微网内元件以及微网至上层网络馈线元件发生故障的概率会因为外界环境 90 [13-14]（温度、湿度、雷击等因素）有所不同，例如：线路在冬季易因导线收缩造成断线故障，在夏季易因高温弧垂变大造成短路故障，雨季因雷击造成线路跳闸导致供电中断，而不同季节负荷结构又有一定差别，加入季节权重系数的蒙特卡洛法抽样离网时间可使的计算更加精确。因此，负荷点运行失效的时间为： (3) 95 其中，为模拟次数，为第种网外故障进行第次模拟时离网失效时间，即上层网络故障修复时间内，首次能源供给不足之前正常供能的时间，能源供给不足关系如式(4)：其中，和分别为采样时间网内风电机组和光伏电站的全部出力水平，为网内负荷消耗的电量，为网内备用电源的最大出力，为备用电源出力率（微网内备用电源在 100 并网运行时不启动，当微网控制器执行离网操作时启动，考虑到开机动作时间以及自身的爬坡效应，定义此出力率）。当模拟离网运行采样时间内大于时，此时间内不 (4) - 3 - jrjjrMPjr0jjrrjrMPjrjrMPMPupupMiMjimjfiiMjjimjfMMMMMPrPrrurjrjr010SijijrrS0Sijrji++wvdlPPPPwPvPlPdP++wvdPPPlP

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 会出现负荷点断电，继续模拟下一个采样时间，一旦出现小于，微电源出力不能满足网内用户供电需求，导致负荷点停运，微网离网失效，进行下一次模拟计算。离网失效率为对应的每一个元件故障导致离网失效率的总和，元件故障导致离网失效率 105 和失效时间的计算流程图见图1：图1 计算负荷点停运折算时间及失效率的流程图 Fig.1 Flowchart of calculating corrected outage time and failure rate 这里需要说明的是：微网内包含一定容量蓄电池，考虑到蓄电池运行经济性以及微网内 110 部控制策略，当电压或频率发生波动时，储能装置起到稳定作用，保证微网内的电能质量。所以在计算能源供求关系时并不计及蓄电池出力；对于风电光伏出力全年数据库的建立虽然会因为地理位置的不同而有很大差别，然而整体输出特性依然存在规律性[15]，在满足一定抽样模拟次数的基础上，得到的结果可以保证一定的准确性。在计算某地区微网供电可靠性之前需首先查阅和建立当地风光历史数据，并根据所要建立的新能源机组的型号建立微网出 115 力数据库。 1.2 微网的系统可靠性指标计算微网的系统可靠性指标体系可参照配电网可靠性指标制定，依次为系统平均停电频率指标 SAIFI，系统平均停电持续时间指标 SAIDI，用户平均停电持续时间指标 CAIDI 和平均供电可用率 ASAI[10]。并且，孤岛失效率也是衡量微网离网可靠运行的重要指标，是反映 120 微电源出力对微网离网运行可靠性的最直接的参数，所以之后的算例中将会对这个指标进行单独的计算分析。 - 4 - ++wvdPPPlPMPCPCPjr模拟次数S=1按照一定规律随机抽样故障起始时间T=1设置故障n的故障修复时间为rj开始T=1?否是Pw + Pv +ε× Pd >PloadPw + Pv + Pd >Pl是是否否初始化模拟次数S0故障n离网时间Rn=0离网失效次数Pc=0读取T时刻数据是是否否S=S+1S=S0?Rn=Rn+N-T+1Pc=Pc+1T=T+1T=rj?rj´=Rn/S0Pc´=Pc/S0输出结果MP

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2 微网内负荷分级 2.1 负荷分级原则对微网内用户进行负荷分级，分为重要负荷、过渡负荷以及可中断负荷。不同等级的用 125 户，在微网离网运行时用电方式和微网运行者的停电赔偿特性不同。微网在离网运行时应首先保证重要负荷用户的供电，一旦电能供应中断导致该负荷点停电，微网运行者将赔偿用户的停电损失；网内微电源所发电能在满足重要负荷需求后，若仍有剩余电能，则继续给过渡负荷供电，所以网内负荷分级机制的引入可进一步改善网内某些用户以及微网整体供电的可靠性，并且从可靠性角度来说，每一个微电网都会有一个最优的 130 分级制度。因不同负荷点可靠性指标不同，当微网离网运行时，运用分级机制可保证一部分负荷的正常供能。但不同的分级方法会使微网处于不同能源分配状态，对应不同微网系统指标。当用户接入不同负荷点时，也会因负荷点位置不同而有不同可靠性指标，针对不同等级的用户，应根据具体要求尽可能选择与之相对应的负荷点。 135 2.2 负荷分级后可靠性指标由于分级之后，每个负荷点可靠性计算公式中的离网失效率将不再相同。为了方便比较不同负荷点可靠性的差异，这里可以将离网失效率的概念进一步的扩大，即微网中每一个负荷都对应一个失效率。也就是说研究一个负荷点可靠性时，离网过程中这个负荷点断电则微网离网失效；这个负荷点没有断电则离网过程成功。这里称为负荷点的离网失效率， 140 微网内任一负荷点的可靠性计算公式如下： (5) 其中，为分级后负荷点的年故障率，和分别为负荷点年平均停运时间和年停运时间。为分级后负荷点的离网失效率。微网的总体指标，以 ASAI 一个参数为例，计算公式为： 145 (6) 其中：为微网内重要负荷的集合，为过渡负荷的集合，为可中断负荷的集合。、和为其对应负荷点的故障率，、和为对应的用户数。为总用户数。 - 5 - MPLPupupijLimjfiijjLimjfLLLLLLPrrPrurLLrLuLP123LiiLjjLkkiCjCkCSAIFINNNIN1C2C3CLiLjLkiNjNkNN

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2.3 微网内负荷分级后负荷点停运时间折算 150 计及负荷分级机制的折算负荷点停运时间与原负荷点停运时间计算方法大致相同，但是需要依次判断每个离网时间内，网内微电源所发电能应首先满足重要负荷。若满足重要负荷需求后仍有剩余电能，则继续为过渡负荷供电，若仍满足，为可中断负荷供电。设和分别为采样时间内重要负荷用户和过渡负荷用户的用电量，负荷分级机制核心思想的流程图如下： 155 图 2 负荷点计及负荷分级的停运时间流程图 Fig.2 Flowchart of calculating corrected outage time considering of load classification 3 算例分析 3.1 网内负荷点停运时间折算 160 算例中压配电网采用 IEEE RBTS-Bus 6 配电系统，将微网连接在负荷点 6 处，算例中微网内部结构图参照文献[16]设定为图 3。图3 低压微网 Fig.3 Low-voltage microgrid network - 6 - jraPbPT=1?否是Pw + Pv +ε× Pd > PaPw + Pv + Pd > Pa读取T时刻数据是是否否故障n离网时间=故障n离网时间+N-T+1T=T+1Pw + Pv +ε× Pd > Pa + PbPw + Pv + Pd >Pa + Pb否是是否否20kv其它负荷…负荷点1…30kW蓄电池…负荷点3断路器750kW风电机组2…100kW柴油发电机组…负荷点41MW光伏电站隔离开关1负荷点20.4kVL1L2L3L4L5L6L7L8L9L10负荷点5750kW风电机组1DG1DG2DG3DG4DG5隔离开关2

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 165 其中配电网中 11kV 线路的故障率为每公里 0.065 次/年，平均修复时间为 5 小时；33kV 线路的故障率为每公里 0.046 次/年，平均修复时间为 8 小时；微网内 400V 线路的故障率为每公里 0.085 次/年，平均修复时间为 3 小时；蓄电池故障率为 0.000279 次/年，平均修复时间为 4 小时；馈线中所有隔离开关动作时间为 1 小时。在模拟计算中，负荷、风电出力和光伏出力均采用某地实测数据，采样时间为 1 小时。 170 每个负荷点用户数均取为 1，传统计算方法的值取为 0.3，在模拟计算中则认为，未分级情况下微网离网运行过程中出现负荷断电则认为离网运行失效；分级情况下重要负荷出现一次断电则认为微网离网运行失效。在非微网结构下将负荷点直接连入 400V 配电网馈线。中压配网中自负荷点 6 到上层网络馈线共有 11 个元件或线路，元件平均停电持续时间指标和采用蒙特卡洛模拟法折算之后的适合计算微电网可靠性的折算指标如图 4 所示，其中 175 编号 1-11 为对应故障编号。图 4 元件原平均停电持续时间参数与折算后参数 Fig.4 Average outage duration time indices of components and their corrected indices 对比三种不同结构不同计算方法的微网内负荷点可靠性指标： 180 表 1 非微网结构下负荷点可靠性指标 Tab1. Load point reliability indexes of non-microgrid structure 负荷点编号 λ(次/年) r(小时/年) u(小时/年) 1 2 3 4 5 1.1213 1.0888 1.1538 1.1863 1.1213 4.1980 4.3233 4.1361 4.1323 4.3719 4.7071 4.7071 4.7721 4.9021 4.9021 表 2 微网结构传统算法计算负荷点可靠性指标 Tab2. Load point reliability indexes of microgrid structure in traditional calculation method 负荷点编号 λ(次/年) r(小时/年) u(小时/年) 1 2 3 4 5 0.5186 0.4861 0.5511 0.5836 0.5186 3.3764 3.5353 3.3542 3.4458 3.7524 1.7509 1.7184 1.8484 2.0109 1.9459 185 Tab3. Load point reliability indexes which are revised by the new calculation method 表 3 采用新算法修正之后的负荷点可靠性指标负荷点编号 1 2 3 λ(次/年) 0.7200 0.6875 0.7525 r(小时/年) u(小时/年) 2.1221 2.1751 2.1600 1.5278 1.4953 1.6253 - 7 - MP

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4 5 0.7850 0.7200 2.2776 2.3930 1.7878 1.7228 再根据表 3 中得到的修正指标来计算微网系统可靠性指标（见图 5），离网失效率和 ASAI 的对比如表 4：图 5 传统结构以及微网结构的系统可靠性指标对比 190 Fig.5 The comparison of reliability indexes between the traditional structure and the microgrid structure 表 4 传统结构与微网结构的 ASAI 值与离网失效率指标对比 Tab4. The comparison of ASAI and failure rate indexes between the traditional structure and the microgrid ASAI 传统结构 0.9995 / structure 微网结构传统算法 0.9998 0.3 新算法 0.9998 0.5258 由以上数据可知：在采用本文所述算法修正之后，由于计算出了传统算法中忽略的微电 195 源出力不足造成的断电并精确计算了平均停电时间，负荷点可靠性指标与传统故障模式分析法相比有了明显差异，年平故障率增大，年平均停运时间减小，这与之前的理论分析是相吻合的，而孤岛失效率也比文献 7 中提出的数值要高。可见分布式电源还不能够有效的保证整个微网系统的长时间可靠运行，这里就要引入负荷分级制度来合理规划微电网的离网运行。 3.2 负荷分级方案对比 200 3.2.1 调整负荷分级制度对用户进行不同的分级，首先设置每个用户用电量相等。选取负荷点故障率不同的三个负荷点 1、2 和 3 分别作为重要用户，模拟三种不同的分级方案（见表 5）。为使结果更加精细，定义过渡用户分为过渡用户 a 与过渡用户 b，首先满足过渡用户 a 的负荷需求，有剩余电量再向过渡用户 b 供电。计算每种分级方案的整体微网指标（见表 6）。 205 表 5 三种不同的分级方案 Tab.5 Three different classification schemes 分级方案重要用户过渡用户可中断用户 1 2 3 1 2 3 2 和 3 1 和 3 2 和 1 表 6 不同分级方案下的微网系统可靠性指标 Tab.6 Microgrid reliability index of different classification schemes 分级方案 SAIFI(次/户·年) SAIDI(时/户·年) 1 1.2278 0.7802 2 1.7298 0.7873 4 和 5 4 和 5 4 和 5 3 2.2303 0.7673 - 8 - MP

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