微电网可靠性评估方法及评估策略研究

岳超

摘  要：微电网作为一种新型的电力供电网络，充当分布式电源和用户之间的传输纽带的作用，对微电网展开可靠性评估，对于电网规划，改善电力生产技术，提高系统运行可靠性都有重要的作用。该文针对微电网可靠性问题，以微电网的运行特性为基础，建立可靠性评估指标，选取高效的可靠性评估算法，通过相关策略抽样统计计算可靠性指标。

关键词：微电网  可靠性分析  蒙特卡洛  孤岛运行  可靠性指标

中图分类号：TM727                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（a）-0046-04

对微电网进行可靠性评估是微电网规划、建设初期不可或缺的阶段。通过分析拟规划的微电网可靠性指标，判断微电网运行能否给系统中的电力负荷正常供电[1]。

1  微电网可靠性评估基础

1.1 微电网基本概念

微电网是由某一种或几种微电源与电力负荷以某种拓扑结构连接在一起所组成的电力系统，可以给负荷提供必要的电力供应，并且通过内部的电力电子器件灵活控制，实现随时随地对负荷進行供电。

1.2 微电网的特征

微电网的主要特征如下。

（1）主要采用辐射状的接线形式，系统中含有微电源、电力电子控制设备、储能系统等。

（2）大多数微电网规模、容量较小，呈现系统的微型化。

（3）微电网与主网通过公共连接点相连，可以实现功率的双向流动。

（4）微电网供电可靠性高，在主网发生故障后能够迅速断开公共连接点，转换为孤岛运行方式[2]。

1.3 系统可靠性指标

1.3.1 系统平均停电频率指标

系统平均停电频率（System Average Interruption Frequency Index，SAIFI），该指标表示在某个单位的时间周期内，接受某个区域内电力系统供电的电力负荷的停电总次数和该区域内用户总数的比值，定义为：

1.3.2 系统平均停电持续时间指标

1.3.3 平均供电可用率指标

1.3.4 用户平均停电持续时间

1.3.5 系统电量不足期望值

2  微电网可靠性分析

2.1 蒙特卡洛抽样法

2.2 微电网可靠性评估算法

2.2.1 可靠性评估方案

该文提出两种方案对微电网进行可靠性评估。可靠性评估所采用的微电网结构图如图1所示。其中，方案一如下。

策略1：根据智能开关将负荷分区，将分布式电源接到节点1处，计算可靠性指标。

策略2：将分布式电源接到节点3处，改变系统结构并计算可靠性指标。

策略3：将分布式电源接到节点7处，计算可靠性指标。

方案二如下。

策略1：针对孤岛运行的微电网，首先在系统中加入风力发电机和柴油发电系统，计算可靠性指标。

策略2：以柴油发电机为微电网内的主电源，计算可靠性指标。

策略3：在策略1的基础上，在系统中加入储能系统，以平滑风电机组的出力，计算系统可靠性指标。

2.2.2 可靠性评估算法

（1）初始化可靠性评估数据。令蒙特卡洛模拟开始时间T=0，假设元件总数为i，并根据元件的编号输入对应元件的故障率和修复率，所有元件初始状态为正常工作状态。

（2）确定故障元件。对数据进行抽样，抽取所有元件的正常工作时间，生成i个随机数i，使得i为[0，1]均匀分布中的随机数。令Ti=-（lni）/λi，Ti为元件的无故障工作时间，即产生i个无故障工作时间。

（3）找出i个无故障工作时间中的最小值Tλi=min（Ti）的元件，该元件j即为系统中的故障元件。Tλi即为系统的无故障工作时间。

（4）对于（2）中抽取的元件j，重新输入[0，1]区间上的均匀分布中的随机数y。计算Tμi=-（Lny）/μi，式中μi为j元件的修复率，Tμi即为故障修复时间。

（5）对于故障元件，根据（3）和（4）中计算的Tλi和Tμi，将数据输入到故障数据处理模块，累积负荷的停电时间和停电次数。

（6）判断模拟时间是否达到设定时间，若达到则跳出循环;若没有达到，令T=Tλi+Tμi+T，转至（2）。

（7）根据公式（1）～（4），计算系统的可靠性指标。

（8）依据方案一中提出的策略1～策略3，改变各个负荷点到分布式电源的电气距离LIP，转至（1），重新对初始化数据，抽取故障元件进行可靠性计算。

（9）输入风速数据和负荷点的时序功率数据，计算风电机组输出功率PWTG、柴油发电机输出功率PDGS。

（10）令模拟时间k=0，负荷点所需总电能为Esum，假设模拟总时间N1=8760。比较模拟的时间段内柴油发电机组和风电机组输出总功率Psum=PWTG+PDGS，如果在当前时间段内总功率Psum小于PL负荷需求，则计算单位时间内负荷点所需总电能为Esum=（PL-Psum）·1。如果分布式电源输出总功率可以满足负荷需求，则令该时间段内Esum=0。当时间到达模拟的总时间，则跳出循环，计算负荷点所需平均功率Laverage=Esum/N1。若没有到达，则继续累加时间进行重复计算。

（11）切除风电机组，重复步骤（10），计算输出总功率Psum=PDGS，如果在当前时间段内总功率Psum小于负荷需求PL，则计算单位时间内负荷点所需总电能Esum=（PL-Psum）·1。如果分布式电源输出功率可以满足负荷需求，则令该时间段内Esum=0。当时间到达模拟的总时间，则跳出循环，计算负荷点所需平均功率Laverage=Esum/N1。若没有到达，则继续累加时间进行重复计算。

（12）加入储能系统，重复步骤（10），计算加入BESS后负荷点所需的平均功率Laverage。

（13）根据（10）～（12）所得出的数据，分别计算3种策略下的可靠性指标EENS。

3  计算分析

3.1 系统简介

在支路1处加入风电机组、柴油发电机和储能系统构成微电网，在支路1、3、7处分别加入智能开关，用来保证系统发生故障后能有效切除负荷电流。在此算例中，将风电机组的参数设置为切入风速3m/s，额定风速8m/s，切出风速15m/s。

可靠性评估所采用的微电网结构图如图1所示。

元件可靠性参数如表1所示。

微电网内各个负荷的参数如表2所示。

3.2 可靠性评估结果分析

3.2.1 负荷点可靠性评估结果

策略1：根据智能开关将负荷分区，将分布式电源接到图1中节点1处，计算可靠性指标。

策略2：将分布式电源接到图1中节点3处，改变系统结构并计算可靠性指标。

策略3：将分布式电源接到图1中节点7处，计算可靠性指标。

可靠性计算结果见表3、表4。

从上述可靠性评估结果可知：

（1）对于策略1～策略3，综合比较年平均故障停电时间，策略2的年平均故障停电时间最低，策略3的年平均故障停电时间最高。

（2）策略2是将分布式电源加入到支路3处，网络供电方式为辐射式供电网络，并且将公共连接点等效为发电机。由于分布式电源接在微电网与配电网相连的公共连接点所在的支路，并且相对其他两种策略来说，每一个负荷的供电半径较小，当系统由故障状态恢复正常供电后，能减少每个负荷的停电时间，并且系统和用户的平均停电频率和停电持续时间最低，平均供电可用率最高。

（3）策略1和策略3是将分布式电源分别加入到节点1和7上，在这两种策略下，电源离末端负荷点距离较远，供电半径较大，使负荷点1或负荷点8的可靠性降低，并且系统和用户的平均停电频率和停电持续时间较高，平均供电可用率较低。

3.2.2 发电系统可靠性评估结果

策略1：针对孤岛运行的微电网，首先在系统中加入风力发电机和柴油发电系统，计算可靠性指标。

策略2：以柴油发电机为微电网内的主电源，计算可靠性指标。

策略3：在策略1的基础上，在系统中加入储能系统，以平滑风电机组的出力，计算系统可靠性指标。

可靠性计算结果见表5。

从上述可靠性评估结果可知：

（1）对于孤岛运行的微电网，当采用不同类型的分布式电源时，系统的可靠性变化程度较大。

（2）从表5中可以看出，对于策略1，系统中仅接入风力发电机和传统柴油发电机，当发电系统发生故障时，系统的电量不足期望值较低。该策略没有储能系统，当发电系统的出力大于负荷需求时，只能采取切除部分发电机组的方式来保持系统的功率平衡。

（3）策略2中，微电网仅以柴油发电机的平均输出功率对负荷供电，由于柴油发电机故障率相对较高，只能即发即用，对于电力需求较小的区域能实时满足需求，而对于电能需求较大的区域，策略2无法满足，这种情况下只能根据不同负荷的等级采取切负荷的方式。因此，系统的电量不足期望值最高，系统可靠性最低。

（4）策略3中，发电系统由风力发电机、柴油发电机和储能系统所组成。当分布式电源的出力大于负荷需求，可以将多余的电能存储到储能系统中以供备用，当电源出力不能满足负荷需求时，通过储能系统的放电保证负荷正常供电。因此，策略3的系统电量不足期望值最低，储能系统的加入提高了风能的利用率，减少了负荷削减率，降低了风力发电机输出功率的波动性，因此供电可靠性最高。

4  结语

微电网作为一种新型的电力供电网络，充当分布式电源和用户之间的传输纽带的作用，对微电网展开可靠性评估，对于电网规划，改善电力生产技术，提高系统运行可靠性都有重要的作用。

參考文献

[1] 王杨.基于时序蒙特卡洛模拟的微电网可靠性分析[D].重庆大学，2014.

[2] 朱小峰.基于以太网和μC/OS-Ⅱ的微电网WEB监控系统的研究[D].合肥工业大学，2013.

[3] 杨尉薇.山西省城市用户供电可靠性分析与措施探讨[J].山西电力，2016（2）：23-26.

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科学技术创新杂志社

2019-10-24