技术领域
[0001] 本
发明涉及配电系统可靠性评估领域，更具体地讲，涉及一种考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法。
背景技术
[0002] 配电系统位于整个电
力系统的末端，直接与用户相连，是影响
电网供电可靠性的重要环节，而且统计表明大部分停电事故都是由于配网侧故障引起，因此配电系统可靠性评估一直以来都受到广泛的关注。
[0003] 近年来，分布式电源(Distributed Generation，DG)凭借其高效、灵活、环境友好等特点被越来越多地接入配电系统中，配电系统由单一电源
辐射式网络变成多电源与负荷互联的网络，网络结构发生了很大的变化；同时，分布式电源的接入极大地影响着配电系统的运行方式，使其更加复杂多变。因此，分布式电源的接入对配电系统可靠性分析提出了新的挑战，急需一种适用于含分布式电源的配电系统可靠性评估方法。
[0004]
现有技术中，关于配电系统可靠性评估的方法主要分为两大类：模拟法和
解析法。模拟法以模特卡洛模拟法为
基础，需要考虑所有元件(包括DG)的时序状态，消耗时间长，计算结果不够准确；解析法中以故障模式后果分析法为代表，思路简单，计算结果准确，但通常只适用于单电源辐射状配电系统，或者只考虑了恒功率DG接入配电系统后的情况，难以反映负荷的
波动性和不同类型DG实际出力
水平。
发明内容
[0005] 针对现有技术的
缺陷，本发明的目的在于提供一种考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法，旨在解决现有技术中消耗时间长、计算结果不准以及难以反映负荷的波动性和不同类型DG实际出力水平的问题。
[0006] 本发明提供了一种考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法，包括如下步骤：
[0007] S1：建立分布式电源输出功率概率模型；
[0008] S2：建立负荷时序动态模型；
[0009] S3：基于
孤岛内分布式电源输出功率概率模型和负荷时序动态模型，计算孤岛成功运行概率；
[0010] S4：对于孤岛内的负荷点，根据孤岛成功运行概率和改进后的最小路法获得第二类负荷点可靠性指标；
[0011] S5：获得第一类负荷点可靠性指标，并根据第一类负荷点可靠性指标和第二类负荷点可靠性指标获得系统可靠性指标，根据系统可靠性指标对配电系统可靠性进行评估；
[0012] 其中，所述第一类负荷点可靠性指标是指传统的配电系统中负荷点可靠性指标，所述第二类负荷点可靠性指标是指含分布式电源的配电系统中孤岛内负荷点可靠性指标。
[0013] 更进一步地，在步骤S1中，所述分布式电源输出功率概率模型包括：传统分布式电源输出功率概率模型和可再生分布式电源输出功率概率模型；所述传统分布式电源输出功率概率模型包括：当电源故障时，输出功率为0，对应的概率为机组强迫停运率FOR；当电源正常工作时，输出功率为机组额定功率Prated，对应的概率为(1-FOR)；所述可再生分布式电源输出功率概率模型包括： 其中，P(v)为输出功率，v为
风速，vci、vr和vco分别为
切入风速、额定风速和
切出风速；Prated为额定功率。
[0014] 更进一步地，在步骤S2中，所述负荷时序动态模型包括：L(t)＝LyPwPdPh(t)；其中，L(t)为负荷点第t小时的负荷，Ly为负荷点的年负荷峰值；Pw为周负荷曲线上各值与年负荷峰值的比值；Pd为日负荷曲线上各值与周负荷峰值的比值；Ph(t)为时负荷曲线上各值与日负荷峰值的比值。
[0015] 更进一步地，在步骤S3中，孤岛成功运行的条件包括：(3.1)只有孤岛内方分布式电源的输出功率大于或等于负荷需求，才可以进行
孤岛运行操作；(3.2)孤岛内任一分布式电源发生故障，孤岛运行失败；(3.3)分布式电源在孤岛运行前后可以不间断地给岛内负荷供电。
[0016] 更进一步地，所述孤岛成功运行概率其中， 表示孤岛内所有负荷和分布式电源的所有可能运行状态的组合
总数；Nd表示孤岛内所有负荷点数目；Ng表示孤岛内所有分布式电源数目； 表示孤岛内第i个负荷点的负荷水平等级数； 表示孤岛内第j个分布式电源的输出功率等级数 和
分别表示第s个组合状态下孤岛内所有负荷的总负荷量大小和所有分布式电源的总输出功率大小；ρg表示孤岛内第g个分布式电源的故障率； 表示第s
个组合状态的概率。
[0017] 更进一步地，在步骤S4中，在采用改进的最小路法之前还包括下述步骤：
[0018] 求取每个负荷点到主电源的最小路，将系统中所有元件分为最小路上的元件和非最小路上的元件，得到最小路元件集和非最小路元件集。
[0019] 根据孤岛划分范围判断负荷点类型，对于孤岛外负荷点，按照传统的最小路法计算其可靠性指标；对于孤岛内负荷点，按照改进的最小路法计算其可靠性指标。
[0020] 更进一步地，改进的最小路法满足以下原则：
[0021] 对于最小路上的元件处理原则：
[0022] 原则1：如果最小路上的元件在计划孤岛范围内，那么该元件故障，孤岛内DG自动退出运行，元件故障引起负荷点的停电，停电时间为元件的故障修复时间；
[0023] 原则2：如果最小路上的元件在计划孤岛范围外，那么该元件故障，孤岛
断路器及相关控制元件自动动作，孤岛会以一定的概率形成并运行。如果孤岛成功运行，则孤岛内负荷点由DG供电，元件故障对负荷点的供电可靠性没有影响；如果孤岛运行失败，则孤岛内负荷点停电，停电时间为元件故障修复时间；
[0024] 对于非最小路上的元件处理原则：
[0025] 原则3：对于非负荷点所在的负荷支路元件，其首端装有熔断器，负荷支路上的元件故障，熔断器自动熔断，负荷点可靠性不受影响；
[0026] 原则4：对于主
馈线以及分支馈线上的非最小路元件，分别寻找离其最近的上游断路器和上游隔离
开关，再根据断路器和
隔离开关的
位置判断元件故障对负荷点可靠性的影响；
[0027] 原则4.1：如果断路器不在负荷点最小路上，则元件故障引起断路器自动断开，负荷点可靠性不受影响；
[0028] 原则4.2：如果断路器在负荷点最小路上，隔离开关不在负荷点最小路上，则元件故障对负荷点可靠性的影响参考原则2，不同之处在于孤岛运行失败后，负荷点停电时间为隔离开关操作时间；
[0029] 原则4.3：如果断路器在负荷点最小路上且隔离开关也在负荷点最小路上，则元件故障对负荷点可靠性的影响参考原则2。
[0030] 更进一步地，所述的第二类负荷点可靠性指标包括：孤岛内第j个负荷点的故障率λj、年停电时间Uj和平均故障停电时间γj；其中，λj＝ρsoλj'+(1-ρso)λj”，Uj＝ρsoU'j+(1-ρso)U”j，γj＝Uj/λj，λj、Uj、γj分别为孤岛内第j个负荷点的故障率、年停电时间、平均故障停电时间；λ'j、U'j分别为孤岛成功运行时孤岛内第j个负荷点的故障率和年停电时间；λ”j、U”j分别为孤岛运行失败时孤岛内第j个负荷点的故障率和年停电时间；ρso为孤岛成功运行概率。
[0031] 更进一步地，所述系统可靠性指标包括：系统平均停电
频率指标SAIFI、系统平均停电时间指标SAIDI和平均供电可靠率指标ASAI；其中，
[0032]
[0033] nLP为负荷点数目Ni为连接到负荷点i的用户数目；λi为负荷点i的故障率；Ui为负荷点i的年停电时间。
[0034] 本发明提供了一种基于解析法的考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法。通过研究各种分布式电源的发电特性，建立了不同类型分布式电源的输出功率概率模型，较为准确的反映了不同类型分布式电源的实际出力水平；建立了负荷时序动态模型，反映出实际电网负荷的波动特性；在此基础上，计算了孤岛成功运行概率，并引入改进的最小路
算法，计算了配电系统可靠性指标，结果准确。所提评估方法能够反映分布式电源实际出力水平和负荷动态特性，并充分考虑了配电系统孤岛运行方式，符合电网实际运行情况，适用于含分布式电源的配电系统可靠性评估。
附图说明
[0035] 图1为考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法
流程图；
[0036] 图2为风
电机组输出功率与风速关系曲线图；
[0037] 图3为年时序负荷曲线图；
[0038] 图4为改进最小路法的配电系统可靠性评估流程图。
具体实施方式
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040] 本发明提供的一种基于解析法的考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法，包括步骤：
[0041] I、建立分布式电源输出功率概率模型；
[0042] II、建立负荷时序动态模型；
[0043] III、基于孤岛内分布式电源输出功率概率模型和负荷时序动态模型，计算孤岛成功运行概率；
[0044] IV、对于孤岛内的负荷点，根据孤岛成功运行概率和改进后的最小路法获得第二类负荷点可靠性指标；
[0045] V、获得第一类负荷点可靠性指标，并根据第一类负荷点可靠性指标和第二类负荷点可靠性指标获得系统可靠性指标，根据系统可靠性指标对配电系统可靠性进行评估；
[0046] 其中，所述第二类负荷点可靠性指标是指含分布式电源的配电系统中孤岛内负荷点可靠性指标；所述第一类负荷点可靠性指标是指传统的配电系统中负荷点可靠性指标；
[0047] 在步骤I中的DG输出功率概率模型包括传统DG(如柴油
发电机组)输出功率概率模型和可再生DG(如风电机组)输出功率概率模型；其中，传统分布式电源输出功率概率模型，计及了机组强迫停运率和机组额定功率，是一种两状态输出功率模型；可再生分布式电源输出功率模型，综合考虑了
可再生能源概率分布和分布式电源输出功率特性，是一种多状态输出功率模型。
[0048] 步骤II中的负荷时序动态模型为年时序负荷模型，负荷点第t小时的负荷表示为：L(t)＝LyPwPdPh(t)；式中：Ly为负荷点的年负荷峰值；Pw为周负荷曲线上各值与年负荷峰值的比值；Pd为日负荷曲线上各值与周负荷峰值的比值；Ph(t)为时负荷曲线上各值与日负荷峰值的比值；在此基础上，利用聚类技术将负荷水平分成若干等级，得到不同负荷等级的负荷水平及相应的概率。
[0049] 步骤III所述的孤岛成功运行的条件包括：(1)只有DG的输出功率大于或等于负荷需求，才可以进行孤岛运行操作；(2)孤岛内任一DG发生故障，则孤岛运行失败；(3)配电系统正常运行时，原计划孤岛内的负荷可以同时由主电源和DG供电，配电系统发生故障时，DG在孤岛运行前后可以不间断地给岛内负荷供电。
[0050] 步骤IV所述的改进最小路算法，适用于计算孤岛内负荷点可靠性指标，在划分负荷点最小路元件集和非最小路元件集的基础上，分别分析最小路上的元件和非最小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响，再将这些影响进行累加，得到孤岛内各负荷点的可靠性指标。
[0051] 步骤V所述的传统的配电系统中负荷点可靠性指标包括故障率λ、平均故障停电时间γ和年停电时间U，系统可靠性指标包括系统平均停电频率指标(SAIFI)、系统平均停电时间指标(SAIDI)、平均供电可靠率指标(ASAI)等。
[0052] 为了更进一步的详细说明本发明提供的考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法，现结合附图及具体实例详述如下：
[0053] 如图1所示，考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法流程图，包括以下步骤：
[0054] 步骤一：建立分布式电源输出功率概率模型；
[0055] 步骤二：建立负荷时序动态模型；
[0056] 步骤三：基于分布式电源输出功率概率模型和负荷时序动态模型，计算孤岛成功运行概率；
[0057] 步骤四：对于孤岛内的负荷点，根据孤岛成功运行概率和改进后的最小路法获得孤岛内负荷点可靠性指标；
[0058] 步骤五：获得第一类负荷点可靠性指标，并根据第一类负荷点可靠性指标和第二类负荷点可靠性指标获得系统可靠性指标，根据系统可靠性指标对配电系统可靠性进行评估；
[0059] 其中，第二类负荷点可靠性指标是指含分布式电源的配电系统中孤岛内负荷点可靠性指标；第一类负荷点可靠性指标是指传统的配电系统中负荷点可靠性指标。
[0060] 在步骤一中，建立分布式电源输出功率概率模型：
[0061] 本发明将分布式电源分为传统分布式电源和可再生分布式电源两类，分别针对两类分布式电源建立其输出功率概率模型。
[0062] (1)传统DG模型
[0063] 传统分布式电源(如柴油发电机、微型
燃气轮机等)以化石能源为
燃料，出力稳定且连续可调，用两状态发电机模型表征其输出功率：当电源故障时，输出功率为0，对应的概率为机组强迫停运率FOR；当电源正常工作时，输出功率为机组额定功率Prated，对应的概率为(1-FOR)。
[0064] (2)可再生DG模型
[0065] 可再生分布式电源(如
风力发电、
光伏发电等)的输出功率与
可再生能源模型密切相关，本发明主要考虑以风力发电(Wind Turbine Generator，WTG)为代表的可再生DG输出功率模型，确定WTG输出功率的两大主要因素为：风速分布和所选风机的输出功率特性曲线。
[0066] 风速分布模型采用威布尔分布模型，威布尔概率
密度函数表达式为：式中：k＝(σ/vm)-1.086，称为形状参数；c＝vm/Γ(1+1/k)，称为比例
参数；vm和σ分别表示风速的均值和标准差。
[0067] WTG的输出功率特性曲线描述了风机的输出功率与风速的关系特性，可由风机的额定功率，切入风速，额定风速和切出风速等参数表征，风电机组输出功率与风速关系曲线如图2所示。
[0068] 根据图2可以得到W TG 输出功率P(v) 与风速v的关 系表达式 ：式中：vci、vr和vco分别为切入风速、额定风速和切出风速；
Prated为额定功率。
[0069] 由于风速变化区间很大，本发明以小时平均风速代替实时风速进行分析，按1m/s的间隔将风速划分为若干等级，再根据风机的输出功率特性和当地的风速分布情况，得到WTG的输出功率状态和相应的概率。
[0070] 某WTG的额定输出功率为1MW，切入风速为4m/s，额定风速为14m/s，切出风速为25m/s，当地的平均风速为10.0643m/s，标准差为4.8426m/s，则该WTG输出功率概率模型如表1所示。
[0071] 表1 WTG输出功率概率模型
[0072]
[0073]
[0074] 在步骤二中，建立负荷时序动态模型：
[0075] 本发明负荷模型采用年时序负荷模型，年时序负荷曲线图如图3所示。负荷点第t小时的负荷L(t)表示为：L(t)＝LyPwPdPh(t)；式中：Ly为负荷点的年负荷峰值；Pw为周负荷曲线上各值与年负荷峰值的比值；Pd为日负荷曲线上各值与周负荷峰值的比值；Ph(t)为时负荷曲线上各值与日负荷峰值的比值；在时序负荷模型的基础上，利用聚类技术将负荷水平分成若干等级，得到不同负荷等级的负荷水平及相应的概率。
[0076] 步骤三中，基于分布式电源输出功率概率模型和负荷时序动态模型，计算孤岛成功运行概率；
[0077] 孤岛成功运行的条件包括：(1)只有DG的输出功率大于或等于负荷需求，才可以进行孤岛运行操作；(2)孤岛内任一DG发生故障，则孤岛运行失败；(3)配电系统正常运行时，原计划孤岛内的负荷可以同时由主电源和DG供电，配电系统发生故障时，DG在孤岛运行前后可以不间断地给岛内负荷供电。
[0078] 孤岛成功运行概率ρso计算公式为： 式中： 表示孤岛内所有负荷和DG的所有可能运行状态的组合总数；Nd表示
孤岛内所有负荷点数目；Ng表示孤岛内所有DG数目； 表示孤岛内第i个负荷点的负荷水平等级数； 表示孤岛内第j个DG的输出功率等级数；ρg表示孤岛内第g个DG的故障率；
表示第s个组合状态的概率； 表示第s个组合状态下孤岛
内所有DG的总输出功率大小，与步骤一中WTG输出功率P(v)相关， 表示第s
个组合状态下孤岛内所有负荷的总负荷量大小，与步骤二中负荷点的负荷L(t)相关，
[0079] 步骤四中，对于孤岛内的负荷点，根据孤岛成功运行概率和改进后的最小路法获得第二类负荷点可靠性指标；
[0080] 第二类负荷点可靠性指标是指含分布式电源的配电系统中孤岛内负荷点可靠性指标，第二类负荷点可靠性指标由下式确定：λj＝ρsoλj'+(1-ρso)λj”，Uj＝ρsoU'j+(1-ρso)U”j，γj＝Uj/λj；式中：λj、Uj、γj分别为孤岛内第j个负荷点的故障率、年停电时间、平均故障停电时间；λ'j、U'j分别为孤岛成功运行时孤岛内第j个负荷点的故障率和年停电时间；λj”、U”j分别为孤岛运行失败时孤岛内第j个负荷点的故障率和年停电时间；ρso为孤岛成功运行概率。
[0081] 在本发明实施例中，改进后的最小路法基本思想为：
[0082] (1)首先，求取每个负荷点到主电源的最小路，将系统中所有元件分为最小路上的元件和非最小路上的元件，得到最小路元件集和非最小路元件集。
[0083] (2)根据孤岛划分范围判断负荷点类型，对于孤岛外负荷点，按照传统的最小路法计算其可靠性指标；对于孤岛内负荷点，按照以下改进的方法计算其可靠性指标。
[0084] 传统的最小路法的具体计算过程可以参见《基于最小路的配电网可靠性快速评估法，电力自动化设备，戴雯霞》。
[0085] 其中，对于最小路上的元件处理原则：
[0086] 原则1：如果最小路上的元件在计划孤岛范围内，那么该元件故障，孤岛内DG自动退出运行，元件故障引起负荷点的停电，停电时间为元件的故障修复时间。
[0087] 原则2：如果最小路上的元件在计划孤岛范围外，那么该元件故障，孤岛断路器及相关控制元件自动动作，孤岛会以一定的概率形成并运行。如果孤岛成功运行，则孤岛内负荷点由DG供电，元件故障对负荷点的供电可靠性没有影响；如果孤岛运行失败，则孤岛内负荷点停电，停电时间为元件故障修复时间。
[0088] 其中，对于非最小路上的元件处理原则：
[0089] 原则3：对于非负荷点所在的负荷支路元件，其首端装有熔断器，负荷支路上的元件故障，熔断器自动熔断，负荷点可靠性不受影响。
[0090] 原则4：对于主馈线以及分支馈线上的非最小路元件，分别寻找离其最近的上游断路器和上游隔离开关，再根据断路器和隔离开关的位置判断元件故障对负荷点可靠性的影响。
[0091] 原则4.1：如果断路器不在负荷点最小路上，则元件故障引起断路器自动断开，负荷点可靠性不受影响。
[0092] 原则4.2：如果断路器在负荷点最小路上，隔离开关不在负荷点最小路上，则元件故障对负荷点可靠性的影响参考原则2，不同之处在于孤岛运行失败后，负荷点停电时间为隔离开关操作时间。
[0093] 原则4.3：如果断路器在负荷点最小路上且隔离开关也在负荷点最小路上，则元件故障对负荷点可靠性的影响参考原则2。
[0094] 在本发明实施例中，改进的最小路法的配电系统可靠性评估流程图如图4所示。
[0095] 步骤五，获得第一类负荷点可靠性指标，并根据第一类负荷点可靠性指标和第二类负荷点可靠性指标获得系统可靠性指标，根据系统可靠性指标对配电系统可靠性进行评估；
[0096] 其中，第一类负荷点可靠性指标是指传统的配电系统中负荷点可靠性指标，配电系统可靠性指标包括负荷点可靠性指标和系统可靠性指标两个层面，第一类负荷点可靠性指标包括故障率、平均故障停电时间和年停电时间，计算公式如下：γi＝Ui/λi；式中：λi,k、γi,k分别表示对负荷点i可靠性有影响的元件k的故障率和故障修复时间；λi、Ui、γi分别表示孤岛外第i个负荷点的故障率、年停电时间、平均故障停电时间；n表示对负荷点i可靠性有影响的元件数目。
[0097] 系统可靠性指标包括系统平均停电频率指标(SAIFI)、系统平均停电时间指标(SAIDI)和平均供电可靠率指标(ASAI)，计算公式如下：
[0098]
[0099] 式中：nLP为负荷点数目Ni为连接到负荷点i的用户数目；λi为负荷点i的故障率；Ui为负荷点i的年停电时间。
[0100] 本发明提供了一种考虑分布式电源的配电系统可靠性评估方法，通过研究不同类型分布式电源的发电特性，建立了分布式电源的输出功率概率模型，考虑实际电网负荷波动特性，建立了负荷时序动态模型，在此基础上，计算了孤岛成功运行概率，并引入改进的最小路算法，计算了配电系统可靠性指标，评估了系统可靠性，所提评估方法能够反映分布式电源实际出力水平和负荷动态特性，并充分考虑了配电系统孤岛运行方式，更符合工程实际，适用于含分布式电源的配电系统可靠性评估。
[0101] 最后应当说明的是：以上内容是通过具体的实施方式对本发明所作的较为详细的说明，而不能理解为本发明的具体实施仅仅局限于这些说明。对于本领域的技术人员来说，在没有脱离本发明构思的前提下，所做出的若干简单改进和替换，都属于本发明的保护范围。
