计及微电源出力随机性与负荷分级的微电.doc

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1、精品论文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（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10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

2、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 73415Reliability Evaluation of Microgrid Power Supple Considering the random characteristics of Microgenerations Output and Load ClassificationGUO Siqi, YUAN Yue, FU Zhixin, XIE Xiang, CAO Yang20(Research Center for Renewable Energy Generation Engineering of Mi

3、nistry of Education, HoHaiUniversity, Nanjing, 211100)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 A

4、nalysis method and the sampleing25process of Monte Carlo simulation method, this paper puts forward an algorithm of evaluating microgrid reliaibity indexs considering the influence of the random characteristics of microgenerations output. With this algorithm, the reliability indexes of load points i

5、n 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 customers30and microgrid system in different classification methods are analysised, some recommendationsab

6、out mode of mircogrids 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 classification0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

7、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（19

8、61-），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- 10 -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

9、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

10、，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：lM65rMuM= li + PM l j imj fup li ri + PM l j rj imj fl=upMMM= l r(1)其中

11、，m 为微网内馈线集合， fup 为微网至上层网络连接点的所有馈线。l 和 r 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。lM 为微网用户的年故障率， rM 和 uM7分别为微网用户的年平均停运时间和年停运时间。PM 设定为微网离网运行过程的失效率 ，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

12、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 rj 为网外编号为 j 的故障修复时间，将网内负荷停运时间重新定义为 r j ，离网失效80率 P 。由定义可知 r 的取值范围为：0 r r ，而 r 以及

13、P 的具体数值需要对每次离Mjj j jM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 rj 将被 r j 替代，PM 将被 PM 替代，计算微网内负荷点可靠性指标的公式为： lM = li + PM l jimj fup li ri + PM l j rjr = imj fup(2)lM MMlr=u MM85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

14、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9013-14（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 r j 的计算更加精确。因此，负荷点运行失效的时间 r j 为：S0 rijjr = i =1 (3)S095其中， S0 为模拟次数， rij 为第 j 种网外故障

15、进行第 i 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)：Pw +Pv +e Pd Pl(4)100其中， Pw 和 Pv 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， Pl 为网内负 荷消耗的电量， Pd 为网内备用电源的最大出力， e 为备用电源出力率（微网内备用电源在 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 Pw +Pv +e Pd 大于 Pl 时，此时间内不会出现负荷点断电，继续模拟下一个采样时间，一旦出现 Pw +Pv

16、 +e Pd 小于 Pl ，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 P 为对应的每一个元件故障导致离网失效率 P 的总和，元件故障导致离网失效率105MCPC 和失效时间 r j 的计算流程图见图1：开始初始化模拟次数S0 故障n离网时间Rn=0 离网失效次数Pc=0设置故障n的 故障修复时间为rj模拟次数S=1按照一定规律随机抽样 故障起始时间T=1读取T时刻数据Pw + Pv +Pd Pload是是T=1?否否 Pw + Pv + Pd Pl 是否Rn=Rn+N-T+1Pc=Pc+1T=T+1是S=S+1T=rj?否是rj=Rn/S

17、0Pc=Pc/S0输出结果S=S0?否图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 rate110115120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

18、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 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M电可用率 ASAI10。并且，孤岛失效率 P 也是衡量微网离网可靠运行的重要指标，是反映 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。2微网内负荷分级1251301351402.1负荷分级原则对微网内用

19、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 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 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

20、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。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 PM 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 PL ，微网内任一负荷点的可靠性计算公式如下：lL li l j PL = + imj fup +

21、li ri up l j rj PLimj fLr =(5)lL = uLlL rL r u 其中，lL 为分级后负荷点的年故障率， L 和 L 分别为负荷点年平均停运时间和年停运时间。PL 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： lLi Ni + lLj N j + lLk Nk145I SAIFI= iC1jC2 NkC3(6)其中：C1 为微网内重要负荷的集合，C2 为过渡负荷的集合，C3 为可中断负荷的集合。lLi 、 lLj 和 lLk 为其对应负荷点的故障率， N i 、 N j 和 Nk 为对应的用户数。 N 为总用 户数。1502.

22、3微网内负荷分级后负荷点停运时间折算计及负荷分级机制的折算负荷点停运时间 rj 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 Pa 和 Pb 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：读取T时刻数据是否T=1?否 否Pw + Pv +Pd Pa Pw 否+ Pv + Pd Pa是是 否否Pw + Pv +Pd Pa + Pb Pw + Pv + Pd Pa + Pb是是 故障n离网时间=故障n离网时间

23、+N-T+1155160T=T+1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 classification3算例分析3.1网内负荷点停运时间折算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。20kv0.4kV负荷点1断路器L2 L1L3L5L4其它负荷 负荷点2DG1 DG230kW蓄电池负荷点3隔离开关1L6L7750kW风电机组1DG3750kW风电 机组2

24、隔离开关2L8L9 负荷点4DG4负荷点5L101MW光伏电站100kW柴油 发电机组DG5图3 低压微网Fig.3 Low-voltage microgrid network165170175180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

25、出力均采用某地实测数据，采样时间为 1 小时。 每个负荷点用户数均取为 1，传统计算方法的 PM 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 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 d

26、uration 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：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(次/年)r(小时/年)u(小时/年)11.12134.19804.707121.08884.32334.707131.15384.13614.772141.18634.13234.902151.12134.37194.9021表 2 微网结构传统算

27、法计算负荷点可靠性指标负荷点编号(次/年)r(小时/年)u(小时/年)10.51863.37641.750920.48613.53531.718430.55113.35421.848440.58363.44582.010950.51863.75241.9459Tab2. Load point reliability indexes of microgrid structure in traditional calculation method185表 3 采用新算法修正之后的负荷点可靠性指标Tab3. Load point reliability indexes which are revis

28、ed by the new calculation method负荷点编号(次/年)r(小时/年)u(小时/年)10.72002.12211.527820.68752.17511.495330.75252.16001.625340.78502.27761.787850.72002.39301.7228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 4：190图 5 传统结构以及微网结构的系统可靠性指标对比Fig.5 The comparison of reliability indexes between the traditional s

29、tructure 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 structure传统结构微网结构传统算法新算法ASAI0.99950.99980.9998PM/0.30.5258195200205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源出力不足造成的断电并精确计算了平均停电时间

30、，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

31、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）。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112 和 34 和 5221 和 34 和 5332 和 14 和 5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123SAIFI(次/户年)1.22781.72982.2303SAIDI(时/户年)0.78020.78730.7673C

32、AIDI(时/户年)0.63540.45510.3440ASAI0.99990.99990.9999210从表 6 的计算结果可以看出，不同的分级方案下微网系统的可靠性指标存在明显差异， 这里选取其中最优的方案进行进一步的分析。2152203.2.2调整负荷点容量根据之前的计算结果设定：负荷点 1 为重要负荷，负荷点 2 和 3 为过渡负荷，负荷点 4和 5 为可中断负荷。调整重要负荷以及过渡负荷用户的容量，其中方案制定9如下： 方案 1：重要负荷占总负荷 20%，过渡负荷分别为 20%和 20%；方案 2：重要负荷占总负荷 30%，过渡负荷分别为 20%和 10%； 方案 3：重要负荷占总负

33、荷 40%，过渡负荷为分别 20%和 10%； 方案 4：重要负荷占总负荷 50%，过渡负荷为分别 20%和 10%。不同的方案得到微网系统可靠性指标见表 7，不同等级负荷点的离网失效率见表 8，不 同方案下对应的微网整体失效率见图 6：表 7 不同容量方案下的微网系统可靠性指标对比Tab.7 The comparison of microgrid reliability index in different capacity schemes方案1234SAIFI(次/户年)1.22781.17671.18921.1867SAIDI(时/户年)0.78020.69540.68820.6382C

34、AIDI(时/户年)0.63540.59100.57870.5378ASAI0.99990.99990.99990.9999表 8 不同等级负荷在不同方案下负荷离网失效率Tab.8 The load failure rate index of different rank load in different classification schemes方案1234重要负荷00.00480.07410.1376过渡负荷 a0.07550.13820.19600.2564过渡负荷 b0.19750.19820.25720.3258可中断负荷0.52620.52550.52520.525922523

35、0图 6 不同容量方案对应的微网整体失效率Fig.6 Failure rate of microgrid system in different capacity schemes分析表 8 与图 6，与负荷未分级算例中微网离网失效率 0.5258 相比，分级后可大幅降低微网离网失效率，并且增加重要负荷与过渡负荷的比例，使得离网失效率发生变化，可靠性 指标最差的可中断负荷，其离网失效率与传统未分级微网中负荷的离网失效率相当。因此适 当的分级制度可大幅提高微网内负荷的可靠性。在保证重要负荷供电的前提下，重要负荷的235240245250255260265270275用电量越高，微网内的能源越能得到

36、充分利用。但重要负荷的比例并不是越大越好，超过一定限值则会使离网故障率再次升高，微网的可靠性下降。具体的限值并不是固定不变的，与 微网的用户容量以及微电源出力水平有关。4结论本文给出了完善的可靠性指标计算，将有利于针对性地提出改善微网可靠性的措施，本 文所提出的网外故障致负荷点停时间的折算方法在一定程度上使微网内负荷点的可靠性指 标以及微网可靠性指标更加完善与精准。负荷分级机制的提出，使微网内供电要求较高的用户可以得到更加优质的电能供应，本 文通过调整不同的用户分级方案，验证了：1)在可靠性指标较优的负荷点接入重要负荷将会得到更高的微网可靠性指标；2)在保证了网内重要用户供电的前提下，在一定范

37、围内适量增加重要负荷以及过渡负 荷的用电量，可以较高限度的利用能源；3)当重要负荷超过一定限制进一步增大容量后，微网的离网失效率将会明显的升高，供电 可靠性也将随之降低。 因此，制定合理的负荷分级方法，可以使得在保证供电可靠性的同时，最大限度地利用能源。在实际应用中，微网运行者应根据用户的重要等级以及预测用电量，与用户签订相应 的负荷等级。参考文献 (References)1 Lasseter R H, Piagi P. Microgrid: a conceptual solutionC. Proceddings of IEEE 35th Annual Power ElectricsSpeci

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