本科毕业设计（论文）
中期报告
毕业设计题目：分布式电源并网对配电系统可靠性的影响
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指 导 老 师 ：
二〇##年三月
中国 南京
分布式电源并网对配电系统可靠性的影响
一、研究背景与意义
配电系统处于电力系统的末端，是向用户分配电能和供给电能的重要环节，包括配电变电所、高低压配电线路及接户线在内的整个配电网络及其设备。所谓配电系统可靠性，实质上就是研究直接向用户供给电能和分配电能的配电系统本身及其对用户供电能力的可靠性[1]。供电可靠性指标是供电企业对用户的供电能力和企业自身设备健康状况、管理水平的综合反映。在我国，随着科学技术的发展，人民生活水平日益提高，用户对供电可靠性的要求越来越高，供电可靠性问题越来越为人们所关注。因此提高供电系统供电可靠率的研究是保证供电质量，实现电力工业现代化的重要手段，对促进和改善电力工业生产技术和管理，提高经济效益和社会效益，进行城市网络建设和改造都有着重要的作用。
近年来，分布式发电(DG—distributed generation)技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。传统的配电网是单电源的辐射状系统，DG的接入改变了原有配电网的结构，使之成为多电源的网状网络，配电网中各支路的潮流不再是单方向地流动，因此，DG的引入将会给整个电网带来深刻的影响。除了各种形式的DG技术本身还有待进一步研究和完善外，从DG与传统电网连接的角度，必须针对含有DG的电网规划与运行方式、继电保护、安全及可靠性、对控制中心的影响等一系列问题进行深入的研究。英国、美国、日本等发达国家，在进行能源结构调整过程中，已经把DG技术放在了相当重要的位置上。在我国，充足保障电力供应对经济的持续发展必将起到决定性作用，在已建中央电站及电网的基础上，大力发展DG技术将是我国电力系统未来发展的必然趋势。
二、国内外研究现状
2.1 传统配电网可靠性评估方法
2.1．1 解析法
故障后果分析法[1]是利用元件的可靠性数据，建立故障模式后果表，然后逐个分析各个故障事故及后果，最后综合形成可靠性指标，只适用于较简单配电系统的可靠性评估。对带有复杂分支馈线的系统，由于故障模式太多，直接使用FMEA法有一定困难。文献[2,3]提出了利用网络等值法对复杂网络进行等效简化的方法,其主要思路是将带子馈线的问题通过等值转化为不带子馈线的问题，然后用FMEA法求解等值后的可靠性指标。文献[4,5]提出基于最小路的配电系统可靠性评估算法，但当系统复杂时，花费时间长。文献[6]提出的故障扩散法是在故障后果分析法的基础上，通过判断故障的影响范围来进行可靠性评估的，对带子馈线的配电网络可靠性计算十分有效。它的缺点仍然是计算量很大。由于实际应用中常常需要考虑容量的约束，如过负荷或电压越界等，所以，有必要考虑容量约束的评估算法[7]。故障遍历算法[8]是基于故障枚举思想，并利用遍历技术而发展成的一种可靠性评估方法，能更好地适应配电系统可靠性的实时评估和优化，缺点是计算过程复杂。文献[9]在文献[6]的基础上提出了复杂中压电网的分块算法，大大减少计算时间。为了解决解析法在复杂配电网中应用时遇到数据录入工作繁琐、进行转供方案搜索所需的计算时间等困难，文献[10]提出了大规模配电网可靠性指标的近似估测算法。
2.1.2 蒙特卡洛模拟法
在电力系统的可靠性评估中，分析过程一般由3个步骤组成：(1)状态选择；(2)状态估计；(3)计算指标。对于蒙特卡洛法和解析法而言，状态估计过程在这两种方法中都是相同的，即对每一被检验的系统状态进行潮流计算，确定线路是否有过负荷出现，母线电压是否在允许的范围之内，判断系统是否出现故障以及采取补救措施后系统的故障状态是否得以缓解。蒙特卡洛法和解析法的差异在于第l步和第3步，即蒙特卡洛法用抽样的方法进行状态选择，用统计的方法得到可靠性指标；而解析法用故障枚举法进行状态选择，用解析的方法计算出可靠性指标。在蒙特卡洛法中，系统的状态是从设备概率分布函数中抽样确定的，然后对产生状态进行状态估计。一个模拟序列表示一个实际的样本，系统的可靠性指标是在累积了足够数目的样本后，对每次状态估计的结果进行统计而得到的。
蒙特卡洛法的计算量(抽样次数)几乎不受系统规模或复杂程度的影响，因此，该法非常适用于处理各种复杂因素，如相关负荷、共同模式故障以及各种运行控制策略等；该方法的计算量与估计精度的平方成反比，也就是说，在一定的精度下，减少抽样次数的唯一途径就是减小方差，因此，研究各种减小方差的技巧是提高蒙特卡洛法收敛速度的关键。它的主要不足在于计算时间与计算精度的紧密相关性，也就是说，为了获得精度较高的可靠性指标，往往需要很长的计算时间[11]。
2.2 计及分布式发电的配电网可靠性研究现状
DG可作为备用电源为要求不问断供电的用户提供电能，在峰谷电价的情况下，该措施可保障电力的可靠性，并减少电费支出。同时，由于DG装置与大电网的接人和断开具有相对自主性，当大电网发生故障时，通过启动断开装置，使DG与电网断开，由DG独立为用户供电。20##年8月14日美加大停电，以及随后发生的伦敦大停电，引起了世界各国的高度重视。但在北美大停电时，那些拥有分布式能源系统的企业、单位和机构，依靠分布式电源形成的“孤岛”得到了基本的电力供应，保证了正常的运行和生活需要[12]。
但并非DG只要接入配电网就会给配电网带来好处，DG并网后不合理的运行方式将降低系统供电可靠性，与重合闸结合的孤岛模式则可以提高原配电网的供电可靠性[13]。
文献[14]对传统可靠性计算中的最小路法进行改进，使之适用于含DG的配电网供电可靠性分析计算，结果表明，分布式电源合理接入配电网后，可以提高配电网供电的可靠性。
文献[15]指出，如果DG安装和运行得合适，通过估量持续停电相关指标来看，DG所有者的供电可靠性会明显提高。然而，由于系统中拥有DG的用户数量有限，因此部分用户可靠性指标的提高不能说明整个配电系统的可靠性指标提高了。但当系统中DG数量很多或者DG容量很大，足以带起大部分负荷时，就能够显示出DG给整个配电系统可靠性带来好处。三、研究内容与技术路线
本文主要研究分布式电源并网后对电网供电可靠性的影响。主要内容包括：
n 首先分析了配电系统可靠性研究的重要性和必要性；阐述了传统配电系统可靠性评估的方法，包括解析法和Monte Carlo模拟法等，并分析了它们的优缺点；初步介绍了计及分布式发电的配电网可靠性研究现状。
n 介绍了配网可靠性评估概念和方法及其相关评估指标，给出了数学模型；介绍了影响配电网可靠性的因素以及提高配网可靠性的措施；通过一简单辐射状配电网络为算例加以说明。
n 最后介绍了孤岛的概念以及计划孤岛最优划分策略，并基于计划孤岛，建立了考虑在传统配电网中加入分布式电源（DG）后系统可靠性指标的数学模型，同时通过算例与不含DG的情况做了对比分析。
3.1 配电网可靠性预测评估指标[1]
3.1.1串联系统主要故障分析指标
所谓串联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，若其中一个元件故障，系统就算故障。换句话说，必须所有元件同时完好，系统才算完好。根据马尔柯夫过程理论，可以推导实用于工程计算的公式：
（1）
（2）
（3）
式中
——系统负荷点的等效故障率（或平均故障率），
；
——元件
的故障率，
；
——元件的故障修复时间（或称故障停电时间），
；
——系统负荷点每次故障的等效修复时间（或平均停电持续时间），；
——系统不可用率（或负荷点的年平均停电时间），
。
3.1.2并联系统主要故障分析指标
所谓并联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，必须所有元件同时故障，系统才算故障。换句话说，只要其中一个元件工作，系统就算处于工作状态。
两元件并联的计算公式
（4）
（5）
（6）
式中
、
——分别为元件1、2的故障率，；
、 
——分别为元件1、2的故障修复时间（或故障停电时间），；
——系统负荷点的等效故障率（或平均故障率），；
——系统负荷点的等效故障修复时间（或平均停电持续时间），；
——系统负荷点的不可用率（或年平均停电时间），。
3.1.3与用户有关的配电系统可靠性预测评估指标
系统平均停电频率指标（
）
(7)
式中
——系统平均停电频率指标，次/（用户·年）；
——故障率；
——负荷点的用户数。
用户平均停电频率指标（
）
（8）
式中
——用户平均停电频率指标，次/（停电用户·年）。
受停电影响的总用户数的统计方法是受停电影响的用户一年内不管其被停电的次数有多少，每户只按一次计算。
系统平均停电持续时间指标（
）
（9）
式中
——系统平均停电持续时间指标，min/(用户·年)或h/(用户·年)；
——年停电时间；
——负荷点的用户数。
用户平均停电持续时间指标（
）
（10）
式中
——用户平均停电持续时间指标，min/(停电用户·年)或h/(停电用户·年)；
——故障率；
——年停电时间；
——负荷点的用户数。
平均供电可用率指标（
）
（11）
式中
——平均供电可用率指标；
8760——一年的小时数。
平均供电不可用率指标（
）
(12)
3.1.4与负荷和电量有关的指标
平均负荷停电指标（
）
(13)
平均系统缺电指标（
）
(14)
式中
——平均系统缺电指标，kVA·h/用户或kWh/用户。
平均用户缺电指标（
）
(15)
式中
——平均用户缺电指标，kVA·h/受影响用户或kWh/受影响用户。
总的电量不足（ENS）为
(16)
(17)
式中
——连接在每个负荷点上的平均负荷；
——负荷点的年平均停电时间；
——负荷点的峰荷；
——负荷系数。
上述指标中与用户有关的可靠性预测评估指标以及与负荷和电量有关的指标，既可以用于现有配电系统可靠性的统计分析（即评估过去），又可用以对配电系统未来的可靠性进行预测。对过去的评估既可以确定系统行为的年度变化，从而确定系统的薄弱环节及需要采取的增强性措施，又可以依此制定指标，作为未来可靠性评估的参考，而且可以通过预测同实际运行情况进行比较，应用非常广泛。
本文采用配网可靠性评估中常用的指标、、、、
来评估配网可靠性。其中、分别反映了配电系统一年之中平均每个用户可能遭受的停电次数和停电时间；反映了配电系统每次停电可能持续的时间；反映了用户能以多大的概率得到持续供电；反映了一年之中配电系统因停电而造成的缺供电量，可用于计算系统因停电而造成的经济损失。
3.2 影响配电网可靠性的因素及提高措施
在不存在分布式电源的配电网中，影响配电网可靠性的因素主要分为两大类，一类是系统的接线方式的影响，另一类是元件可靠性的影响。本文认为分布式发电技术的发展，必然有越来越多的分布式电源接入传统配电网中，因此分布式电源也成为影响配电网可靠性的一个重要因素，分布式电源不合理的运行方式将会给配电网带来消极的影响。
基于上述原因，只有研究出配电系统合理的接线方式，以及配网中分布式电源合理的运行方式，并采用高可靠性的元件，才可以保证整个配电系统以较高的可靠性运行。
3.3 传统配电网可靠性评估模型
图1 一简单辐射状配电系统
如图1所示一简单辐射状配电系统，含有8条供电干线段和8个负荷点，其中，DL是主馈线出现断路器，用来投入或切掉主馈线；
是第i段主馈线，长度可以不同；
是分段开关，故障时用来配合主馈线出线断路器隔离故障区段，以保证无故障区域的继续供电；用变压器支路代表各段供电干线等效负荷
，变压器首端均配有熔断器保护。
为便于本文计算分析，作如下假设：
（1）故障时，主馈线出线断路器及各分段开关均正常动作，故不考虑断路器和分段开关故障对可靠性的影响；
（2）分支线变压器故障时，变压器首端熔断丝可靠熔断，故分支线故障对主馈线没有影响；
（3）负荷统一分布在供电干线上，因此每一段干线上的所有负荷都等效成一个负荷点；
（4）各分支线变压器故障特征相同。实际运行中，各分支线变压器会因电压等级、容量、接线方式等因素而有不同的故障特性，但本文在计算可靠性指标时认为其故障特性相同，以便于理论上的计算分析。
从负荷侧向电源侧搜索出线断路器，直到搜索到出线断路器为止，其中包含线路元件最少的那条通路为该负荷的最小路。因分支线配有熔断器保护，故障时不影响其他供电干线及分支线，所以对该负荷点来说，只有最小路上的元件对其供电可靠性有影响。每一元件都有表征故障特性的参数，通常用于可靠性评估的故障参数为元件故障率
和故障停电（或修复）时间
。由于最小路上的元件发生二重及二重以上故障的概率很低，所以计算负荷点可靠性指标时可以不考虑二重及其以上元件故障的影响。对于图1某负荷点，其最小路是一串联通路，在忽略二重及以上故障后可以根据串联系统可靠性评估实用公式计算其可靠性指标。
比如对于负荷点
,其最小路集合为{
，
，
，
，
，
，
}，不考虑出线断路器和分段开关后集合变为
{，，，}，将该集合中所有元件的故障率和年故障修复时间分别相加，便可得到负荷点的等效故障率和年平均停电时间。
数学描述如下：
（18）
（19）
（20）
式中
——代表某种元件；
——故障模式集合；
——元件的故障率，；
——元件的故障修复时间（或称故障停电时间），；
——负荷点的等效故障率（或平均故障率），；
——负荷点的不可用率（或年平均停电时间），
；
——负荷点每次故障的等效修复时间（或平均停电持续时间），。
按照式（18）、（19）、（20）计算出所有负荷点的等效故障率和不可用率后，便可进一步获得系统的可靠性指标。
3.4 含DG的配电网可靠性评估模型
本文在研究传统配电网结构及其可靠性指标的基础上，考虑了DG的故障特性以及它接入到配电网的工作方式，建立了含DG配电网的可靠性模型。本次推导演绎的含DG的配电网的结构如图2所示。
图2 含DG的简单配电网结构图
图2中各符号的涵义在图1中已作过解释。如图2所示，DG通过供电干线段
接入配电系统，本文在计算图2所示含DG的配电系统可靠性指标时，除满足图1计算所作的假设外，另作如下的假设：
（1）DG等效成恒定功率的电源，与电网并联运行将，它只能满足孤岛内不超过其额定容量的那部分负荷；
（2）故障时，重合闸装置能可靠保证进行孤岛操作，只要满足DG输出功率大于岛内负荷，就能进入孤岛运行继续向岛内负荷供电。
在典型的配电网结构中，当在负荷点上游的供电干线段发生故障，必然引起该负荷点的停电。在引入DG后，这种情况发生了变化，该负荷点还可以通过DG继续维持供电。如在图2中的段故障，通过分段开关的操作，就可以继续向孤岛内非故障段的负荷供电。为了让孤岛可靠的形成，因此在图2中必须有若干自动重合闸开关，故障时，准确的跳开开关，准确形成孤岛，岛内负荷供需重新平衡，继续维持供电，提高可靠性。
当孤岛形成时，假设孤岛的划分范围在
段之间，因此在
与
处有2个自动重合闸开关，如图中R所示。与传统的配电网可靠性分析相比，在该孤岛范围内的负荷点的等值故障率和等值年平均停电时间发生了变化。文献[16]中考虑了供电干线的二重故障，由于供电干线的故障率低，二重故障的影响几乎可以忽略，而DG的故障率相对比较高，该部分不可以忽略，故本文仅考虑DG和供电干线的二重故障。
对图2 所示的简单配电网络，将其负荷节点分为两大类，一类是孤岛外的负荷节点，一类是孤岛内的负荷节点。
（1）对于孤岛外的负荷节点，不论位于DG上游还是下游，当供电干线发生故障时，即便系统成功进入孤岛运行状态，由于DG容量有限，没有向孤岛外负荷提供支持的能力，因此孤岛外的负荷节点故障不受DG的影响。故障模式仍由其上游供电干线和本身故障组成。因此可按照式（18）、（19）、（20）计算故障参数。
（2）对于孤岛内的负荷节点，当上游供电干线障后，通过分段开关的操作，DG可以继续向孤岛内非故障段的负荷供电，因此供电可靠性得到了提高。
对于孤岛内位于系统母线和DG之间的负荷节点，由DG和上游供电干线的二重故障引起的该负荷点故障率和故障平均停电持续时间为：
（21）
（22）
当连接负荷的供电干线故障或负荷变压器故障时，不管有没有DG，该负荷点均故障，因此考虑了连接负荷点的供电干线和负荷变压器故障后，有：
（23）
（24）
对孤岛内DG下游的负荷节点，当位于DG和该负荷节点之间的供电干线故障时，也会导致给负荷节点故障，因此该类节点的故障率和故障持续停电时间为：
（25）
（26）
式中
,——负荷节的故障率和故障停电持续时间；
,
——DG的故障率和故障修复时间；
,
——第
段供电干线的股故障率和故障修复时间；
——在DG和负荷点上游的供电干线数；
——在DG和负荷点之间（包括接入DG的供电干线）的供电干线数。
利用上述算式（23）～（26）获得各负荷点的等值故障率和故障停电持续时间，进而可以求得含DG的配电网供电的可靠性指标。
综合以上关于传统配电网及含DG的配电网可靠性分析可知，只要知道了系统中各元件（线路、配电变压器、DG）的故障率和故障修复时间，确定算例，便可应用上述算式获得系统的相关可靠性指标，初步拟定以下的计算流程：
图3 可靠性指标计算流程
后期工作中，算法的设计和Matlab代码的编写是主要内容，按图3所示流程计算出传统电网和含DG的配电网可靠性指标后，分析两种情况下的输出结果，就可以得出相应的结论。
四、后期工作计划与论文结构
4.1 论文目录
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 计及分布式发电的配电网可靠性研究现状
1.3 传统配电网可靠性分析方法
第二章 传统配电网可靠性评估
2.1 配电网可靠性预测评估指标
2.2 影响配电网可靠性的因素
2.3 提高供电可靠性的措施
2.4 算例
2.5 小结
第三章 计及分布式发电的配电网可靠性评估
3.1 孤岛运行方式及孤岛划分策略
3.2 数学模型分析
3.3 计算步骤与流程
3.3 算例与比较分析
3.4 小结
第四章 全文总结与展望
致谢
参考文献
4.2 时间计划安排
五、参考文献
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