（电气工程专业论文）计及分布式电源的配电网可靠性评估.pdf

i i i i ii ii iii ii ii i i ii iiii y 19 0 7 7 6 8 t h e r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m c o n t a i n i n gt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o r p e n gz h u j i e b e ( h u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uj u e m i n a n d s e n i o re n g i n e e rl iy a n b i n m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个。人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：鹳褓、 日期： v i i 年f 月多；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 垆、一i 炙夕叭、 日期：加lj 年厂月移日 日期。谚年厂月节齐义 碌弧 铑尾 亥参 计及分布式电源的配电网可靠性评估 摘要 随着社会经济发展，用户对电能质量的要求不断提高。电力系统可靠性问题 是影响电能质量的关键因素之一，配电系统处于电力系统的末端，直接面向用户， 据不完全统计，电力客户停电故障中8 0 以上是由电力系统中的配电环节故障引 起的。目前，随着能源与环境问题的日益加剧，分布式发电( d g ) 技术越来越受 到世界各国的重视。分布式电源接入配电网后，对配电网结构和运行都将产生很 大影响，所以研究分布式发电对配电系统可靠性影响具有重要的实际意义。 孤岛是分布式电源引入后的一种运行方式。当系统发生故障时，需要形成合 理的孤岛，非计划孤岛会对生产和人身安全造成威胁。根据分布式电源具有的随 机性，把分布式电源等效为一个具有四状态的发电机组模型，采用短期分析方法 计算其可靠性指标。本文建立了以负荷加权的等效负荷值最大的目标函数，并满 足一定的安全约束的数学模型，对其采用基于根树的搜索加验证的算法，确定合 理的孤岛范围。由于孤岛的存在，在对含有分布式电源的配电网进行评估时，需 要对最小路法进行改进。本文对i e e er b t sb u s6 的馈线f 4 采用本文介绍的搜 索方法和改进的最小路法进行了验证，求出了各个负荷点的可靠性指标，表明了 基于根树的孤岛搜索算法的有效性和合理性，并且证明了分布式电源接入配电网 对可靠性有一定的改善，但是负荷点可靠性的改善程度和d g 的位置有一定的关 系。 关键词：分布式发电；可靠性评估；配电网；计划孤岛；改进最小路 i i 厂 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y ，t h ed e m a n do fp e o p l eo np o w e r q u a l i t yi sf u r t h e rm o r e t h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi so n eo ft h ek e yf a c t o r so f p o w e rq u a l i t y d i s t r i b u t i o ns y s t e m i st h et r i po fp o w e rs y a t e m ，a n dc o n n e c t st ot h e c o n s u m e r s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，t h e8 0 o fo u t a g ee v e n t sd u et o t h ef a i l u r eo f d is t r i b u t i o ns y s t e m n o w d a y s ，u n d e rt h ef o r c eo fe n v i r o n m e n t i s s u ea n de n e r g y i s s u e ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na r ep a i dt ot h er e l i a b i l i t yo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n w i t h t h ep e n e t r a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k so p e r a t i o nm a n n e ra n d c o n s t r u c t i o ni sg r e a t l yc h a n g i n g s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ei m p a c to fd g o nt h e r e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s i s l a n di san e wk i n do fo p e r a t i o nm o d ew h e nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki s i n c o r p o r a t e dw i t hd g o n c eaf a u l th a p p e n e di naf e e d e r ，r e a s o n a li n t e n t i o n a li s l a n d i n g i sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s eo ft h ef l u c t u a t i o no ft h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o r so u t p u t ，t h i s p a p e ru s e sa4 s t a t e m o d e l ，a n dm a k e su s eo ft h e s h o r t t e r ma n a l y s i st oc o p ew i t h t h e s ep r o b l e m sa n dw ea c h i e v e dt h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m c o n t a i n i n go n e d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r t h e nt h ep a p e rv a l i d a t e st h ei m p o r t a n c eo fl o a d s i np o w e rn e t w o r ka n db u i l d sas e p a r a t i o ni s l a n d e dm o d em e t h o d ，w i t ht h em a x i m u m o fe q u i v a l e n tl o a d sa st h ea i mo ff u n c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s o b je c t e d t os o m es e c u r i t yc o n s t r a i n t s t h i sp a p e rp r o p o s e sr o o t e dt r e e a n dt h e a l g o r i t h mo fs e a r c ha n dv e r i f i c a t i o nt o s e a r c ht h er e a s o n a li s l a n d b e c a u s eo ft h e i s l a n d ，i ti sn e e d e dt om a k ean e wv e r s i o no ft h em i n i m a lp a t h m e t h o di nt h e t r a d i t i o n a la s s e s s m e n ta n a l y s i st os u i t f o rt h ea l g o r i t h mc o n s i d e r i n gt h ed g a n i e e e r b t sb u s 6s y s t e mi sa p p l i e dt ot e s t i f yt h ee f f i c i e n c yo ft h em o d i f i e dm o d e l t h ec a s er e s u l t ss h o wt h a td gc a ni n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n d a l s oi td e l l o n s t r a t e st h a tt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a st h ea b i l i t yo fi m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo fs y s t e ma n dc u s t o m e r s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；r e l i a b i l i t ye e v a l u a t i o n ；d i s t r i b u t i o ns y s t e m ； i n t e n t i o n a li s l a n d i n g ；t h ei m p r o v e dm i n i m a lp a t hm e t h o d i i i 计及分布式电源的配电网可靠住评估 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 计及分布式发电的配电网可靠性评估的背景及意义1 1 2 计及分布式发电的配电网可靠性评估的国内外发展与研究现状2 1 3 论文的主要工作4 第2 章配电系统的可靠性评估5 2 1 配电网可靠性评估指标5 2 2 配电网可靠性评估方法7 2 2 1 解析法7 2 2 2 模拟法9 2 2 3 混合法9 2 2 4 人工智能方法9 第3 章含有分布式电源的配电网运行1 1 3 1 分布式发电技术的介绍l l 3 1 1 分布式发电技术的分类1 l 3 1 2 分布式发电接入配电网的影响1 2 3 2 分布式电源的孤岛运行1 3 3 2 1孤岛运行方式13 3 2 2 计划孤岛的划分原则和运行方式1 4 3 3 计划孤岛划分算法1 5 3 3 1 计划孤岛划分数学建模1 5 3 3 2 计划孤岛划分数学模型的求解1 7 3 4 孤岛形成概率2 0 第4 章含有分布式电源的配电网可靠性评估2 2 4 1 分布式电源的可靠性模型2 2 4 2 应用改进最小路对含分布式电源的配电网可靠性分析2 4 4 2 1 最小路2 4 i v 工程硕十学位论文 4 2 2 改进最小路法在可靠性评估中的应用2 6 4 3 算例分析3l 第5 章结论与展望3 6 参考文献3 8 驾c谢41 v 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 计及分布式发电的配电网可靠性评估的背景及意义 随着工业和国民经济的发展，现代电力系统发挥着越来越重要的作用，人们 生活对电力的需求和依赖日益增大，对电网的供电质量要求不断提高。 现代电力系统包容了多个发电厂、变电站、输电线路和用户，这些组元的不 同连接和多变的运行方式，以及各地区网络的互联、交直流混合输电的出现以及 大功率电力电子设备的广泛应用，使得系统已经逐渐从简单辐射状的电力系统演 化为错综复杂的大网络，因而更加具有层次性、开放性和状态突变性。由于其结 构的复杂性，形成了高维强非线性系统的特征，尤其电力工业的商业化运作，使 得现代电力系统安全稳定运行问题更加突出。此时，电力系统的事故将可能造成 大面积和长时间停电，这将严重影响人们的生活和社会经济的发展。 2 0 0 5 年5 月2 5 日，俄罗斯首都莫斯科发生了俄境内近几年来最为严重的停 电事故，莫斯科市大约一半地区的工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪。停 电给莫斯科市及其周边地区所造成的损失为1 7 亿卢布( 约合6 0 0 0 万美元) 。8 月 2 5 日，美国加利福尼亚州南部地区供电的一条主要输电线路出现故障，造成大约 5 0 万居民断电半个小时i l 】。这些事例让我们从反面认识到保证电力可靠、稳定运 行的重要性，而现代电力系统的复杂性、脆弱性以及电力事故后果的严重性，使 得对电力系统可靠性的研究成为了世界上一个亟待解决的大课题。 配电网在系统的末端，直接面向客户，一旦出现故障，将直接影响电力客户 的供电可靠性。据不完全统计，由于配电环节故障引起电力客户停电故障的比例 达到8 0 以上，这说明配电系统对电力客户供电可靠性的影响最大。配电网可靠 性程度直接体现了供电系统对用户的供电能力，反应了电力工业对国民经济电能 需求的满足程度。 目前，电力系统的电能生产、输送和分配的主要方式是由集中发电、远距离 输电的大电网互联来进行的，供电给全世界约9 0 的电力负荷。它存在以下一些 弊端，如：由于集中发电、远距离输电的形式，所以发输电设施不能灵活跟踪负 荷的变化，对偏远地区的负荷不能提供理想的电能质量；错综复杂的大网络互联， 使得局部事故极易扩散，导致大面积的停电甚至是全网瘫痪，造成灾难性后果等。 能源和环境问题是当今世界所面临的两个重要课题。尤其是当前以煤炭、石油等 单一燃料作为集中式发电的国家，化石燃料的有限储存，同时环境污染日益加剧， 因此如何开发和利用清洁型可再生能源进行发电，改善能源结构，减少温室气体 计及分布式电源的配电网可靠性评估 排放，保护人类赖以生存的环境，已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成 部分【2 1 。 鉴于集中式发电的许多问题，以及环境和能源问题的加剧，人们开始转向寻 找新的发电方式。电力系统分布式发电d g ( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 凭借其能与大 电网供电互相补充、协调，能充分综合利用现有资源和设备，为用户提供可靠和 优质的电能等优势，使得d g 成为了一个新的研究热点，成为了一种理想的发电 方式。分布式能源发电是最能体现节能、减排、安全、灵活多重优点的能源发展 方式，我国“十二五 规划纲要明确提出，促进分布式能源系统的推广应用。 分布式电源( d g ) 的接入，使得传统的单一电源辐射状配电系统变成了一个 遍布电源和负荷的多电源复杂系统，配网电压和潮流也发生了改变，从而对系统 的运行和保护产生了一系列的影响，所以配电网传统的可靠性评估模型及算法也 将发生变化。在文献【3 】中，把d g 分别看做配电站( 输出功率没有限制) 和传统 的发电机( 最大输出具有额定功率) 考虑，并且对其分别进行了可靠性评估。但 是分布式电源与传统的电源相比有其独特的特点，如风力发电和光伏发电这些由 间歇性能源发电的电源的输出功率更具有随机性，不应该把它简单的当作传统电 源处理。因此，需要根据分布式电源参数及其自身的运行特点，进行可靠性研究。 分布式电源的接入对配电网可靠性提高有何贡献，是用户和电力公司或企业密切 关注的问题，因此，研究计及分布式发电的配电网的可靠性具有重要的现实意义。 1 2 计及分布式发电的配电网可靠性评估的国内外发展与研究现 状 2 0 世纪6 0 年代，随着电力工业的发展，可靠性工程理论及技术开始逐步引 入到电力工业，电力系统可靠性也因此应运而生，并逐步发展成为一门应用学科。 电力系统可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需数量，不间断地向电力 用户提供电力和电量的能力的量度。电力系统可靠性包括两方面的内容：即充裕 度和安全性。 人们开始研究电力系统可靠性时，主要侧重于发电系统可靠性或者以发电和 输电组成的大电力系统可靠性，配电系统的可靠性研究远未得到应有的重视。国 外对于配电系统供电可靠性评估的研究起步较早，其早期研究以统计分析为主。 英国在上世纪6 0 年代就开始配网可靠性方面的管理工作，是世界上研究电力可靠 性管理最早的国家【4 】i5 1 。加拿大规定了评价供电充裕度的若干实际指标f 6 1 ，并在 1 9 6 3 年发表了第一个统计报告；其它欧美国家和日本也在上个世纪6 0 7 0 年代开 始逐步全面展开了配电网可靠性统计分析的工作。在统计分析的基础上，人们逐 渐开始研究配电系统供电可靠性评估的模型和算法，建立了完善的配电系统供电 2 工程硕士学位论文 可靠性评估的指标体系，并且取得了重要的研究成果【7 母】。现在，供电可靠性评估 已成为许多国家配电系统规划决策中的一项常规性工作。 国内对配电系统供电可靠性的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年，能源部电力可靠 性管理中心颁布供电系统电力客户供电可靠性统计方法，我国的配网可靠性管 理工作才由此全面展开。这些年来，我国积极开展可靠性工作，形成了具有中国 电力工业特点的可靠性管理体系，建立了完整的信息管理系统，培养和造就了一 支精良的可靠性管理队伍，在指导电力规划设计、基建安装、运行生产等各个环 节，在提高电力企业效益，保障社会用电等方面，发挥了重要作用。国内学者对 配电系统可靠性评估的模型和算法也进行了深入的研究，取得了重要的成就，并 且将其应用到了电网规划中。如文献【1 0 】提出了网络等值法，文献【1 1 】将g o 法以 成功为导向的技术引入到配电网络可靠性评估中。学者们已将可靠性评估结果应 用于配电网规划等方面，大大的提高了配电系统的安全性能和经济效益。如文献 【1 2 从数学模型方面分析和比较了电网扩展规划中可靠性和经济性指标的不同处 理方法，为处理好经济性和可靠性关系提供了有意义的参考依据，对电网规划有 一定的指导意义。 但是国内目前对配电网供电可靠性的研究工作仍主要处于理论与方法的研究 阶段以及对可靠性参数的统计和报表上，而且其统计工作只到中压用户，除其中。 一部分专变用户能满足系统要求外，相当一部分所谓“公用配变用户 是虚拟的 用户，不仅不能全面真实的反应用户的供电可靠性，而且与先进国家的可靠性统 计口径脱节。国内缺乏实用的可靠性数据包和软件。 最近几年，在国际上分布式发电得到迅速发展，占有整个发电市场的份额逐 渐加大。到2 0 1 0 年，d g 所占市场份额已经达到2 0 1 3 儿1 4 】。随着大量分布式电 源接入配电网中，使其结构以及运行方式发生了变化，配电网从传统的辐射式网 络变为一个遍布电源和用户互连的网络，网络中的潮流和电压也发生了改变。相 应的在进行配电网可靠性评估时，其模型和方法也将发生根本的变化。 在对含有分布式电源的配电网可靠性评估方面，文献【15 】将分布式电源看作 传统的备用电源来考虑，采用分布式工业系统可靠性评估方法计算系统的可靠性， 得出可以提高配电网的可靠性。然而，若d g 与电网并网运行，则系统的可靠性 可能会降低。这是因为对于含有大量d g 的系统，如果d g 间相互协调不好，d g 就会降低系统的可靠性。另外，在系统中出现扰动时，由于d g 的不确定性( 如受 光照强度影响的伏光发电) ，也可能降低系统的可靠性。文献 1 6 】分析了分散电源 并网对供电可靠性的影响，推导出了不同运行方式下的供电可靠性指标。文献 1 7 提出了考虑风力发电和光伏发电随机性的分布式电源的部分失效模型。文献【l8 】 介绍了分布式电源引入后的运行方式一孤岛，并对其孤岛划分算法进行了研究， 采用启发式搜索策略，在短时间内得到可行的孤岛划分方案。 计及分布式电源的配电网可靠性评估 然而到现在为止，学者们对含有分布式电源的配电系统可靠性的评估才刚刚 起步【1 7 】【1 9 儿2 0 1 ，尚没有成熟的分析方法。因此为适应电力运行环境的变化，借鉴 相关学科的研究成果，寻找更加科学、实用的配电系统可靠性评估模型和方法是 十分必要的，也是很有意义的课题研究。 1 3 论文的主要工作 本文主要工作如下： 1 本文综述了含有分布式电源的配网可靠性研究的背景及意义，研究现状及 其发展趋势，介绍了分布式电源的分类，分析了d g 并网对配网的影响。 2 常用的可靠性评估方法有解析法、模拟法、混合法和人工智能法，本文对 其适用的范围和优缺点进行了介绍和说明。根据分布式电源具有的随机性，将分 布式发电机等效为一个具有四个容量状态的发电机模型，采用短期分析法对分布 式电源进行孤岛形成概率的计算。 3 孤岛是在d g 引入后新出现的一种运行方式。在故障出现后，含有d g 的 小系统与主电网脱离，成为独立的电源单独供电，为了保证供电的可靠性和安全 性需要事先确定孤岛的范围。本文建立了以负荷加权值最大的目标函数，满足一 定的安全约束的数学模型，并对其采用基于根树的搜索算法；确定合理的孤岛范 围。 4 在确定了孤岛范围后，对含有分布式电源的配电网采用改进最小路法对其 进行了可靠性评估，并且对i e e er b t sb u s6 馈线f 4 进行验证，求出各个负荷 点的可靠性指标及系统指标，分析d g 引入后对配网的影响。 4 工程硕士学位论文 第2 章配电系统的可靠性评估 在进行可靠性研究时，可以通过计算可靠性指标来定量评估系统可靠性，而 且一般采用多个指标从多个侧面来描述可靠性水平。考虑到系统性能、负荷性能 和元件故障的概率特性，基于概率的可靠性分析指标已在全世界范围内广泛使用 并不断发展【2 。 本章对我国主要的可靠性指标进行了介绍，并给出了计算公式。配电网评估 的模型主要是概率模型，可以分为两类：解析模型和模拟模型。按照采用的模型， 可靠性评估方法可以分为解析法和模拟法，最近还新兴起了混合法和人工智能法。 2 1 配电网可靠性评估指标 按照评估对象的不同，可以将可靠性指标分为负荷点指标和系统指标。负荷 点指标用于对负荷点可靠性的描述，系统指标描述的是整个系统的可靠程度。系 统可靠性指标一般可由负荷点可靠性指标计算得到。 1 负荷点指标 负荷点指标用以反映各负荷点的供电可靠性程度，主要包含平均故障率、平 均停电时间和平均持续停电时间这3 个指标。 ( 1 ) 平均故障率a ， 表示在一定时间内由于系统元件故障引起负荷点f 停运的次数。五，值越大， 则负荷点的停电次数就越多，供电越不可靠。 冬2 善， ( 2 1 ) ， 。 式中，乃表示_ ，元件故障次数。给定时间区间一般为1 年，九用次a 表示，其 中a 表示年。 ( 2 ) 平均停运时间矾 表示供电用户在一定的时间内的平均停电小时数，等于各元件停电时间总和。 一般给定的时间为一年，其单位为h a ，指用户一年内的平均停电小时数，它反映 了对用户供电的可靠性。u 值越大则系统对负荷的供电越不可靠。 2 与0 0 ( 2 2 ) ( 3 ) 平均停运持续时间， 用平均停电时间除以总的停电次数，单位为h 次。 计及分布式电源的配电网可靠性评估 ：等：辔 亿3 ， 2 系统指标 负荷点指标仅仅是从负荷的角度描述其可靠性，还不能完整的表征整个系统 的可靠性，所以还需要对整个系统进行描述。因为每个地区对可靠性程度需求不 一样，所以制定的指标也会有一定的差异，下面介绍我国主要采用的可靠性指标。 ( 1 ) 用户平均停电次数s a i f i 用户在给定的时间区间内发生的平均停电次数，用供电用户停电的总次数除 以总用户数计算。单位为次( 户a ) 。 。 洲f ：蜷：警 亿4 ， 其中：九为负荷点i 的故障率，为负荷点i 的用户数。 ( 2 ) 停电用户平均停电次数a i c a 停电的用户在给定时间区间内发生的平均停电次数，由用户停电总次数除以 停电总用户数求得。单位为次( 停电用户a ) 。 舭肛甏：鬻 亿5 ， 式中：m 为负荷点f 的故障停电用户数。 ( 3 ) 用户平均停电时间a i h c 用户在给定时间区间内平均持续停电的时间，通过用户停电持续时间总和除 以总用户数计算。a i h c 单位为h ( 户a ) 。 棚c = 躺= 一 心固 其中：u 。为负荷点i 的年停电时间，m 为负荷点f 的用户数。 ( 4 ) 故障停电平均持续时间a i d 停电用户在给定时间区间内的平均持续停电时间，通过用户停电持续时间总 和除以停电用户的总次数计算。单位为h 次或m i n 次。 舳：蝶：雩鬻 亿7 ， 其中：l 为故障率，u ，为年停电时间，m 为负荷点i 的用户数。 6 工程硕士学位论文 ( 5 ) 供电可用率s a 实际供电总时户数与需求供电总时户数之比。 s a = 盟8 7 豇6 0 x n 旷i - i 荟r u i n i ：篆 ( 2 8 ) 一1 8 7 6 0 m 需求供电总时户数 p 一7 f r ( 6 ) 用户平均停电缺供电量e n s 用户在给定时间区间内总的平均停电量。单位为k w h a 。 e n s = 巴， ( 2 9 ) 拒r 式中：只，为接入负荷点f 的平均负荷( k w ) 。 2 2 配电网可靠性评估方法 配电系统可靠性评估中元件或系统的可靠性概率模型可分为两大类：解析模 _ 型( a n a l y t i e a lm o d e l ) 和蒙特卡罗模爱, j ( m o n t ec a r l om o d e l ) 1 2 1 l 【2 2 1 。目前，根据采用 的评估模型是解析模型还是蒙特卡洛模型，配电网可靠性分析方法主要分为两大 类：一种是解析法，另一种是模拟法。最近还新兴起了混合法和人工智能法。 2 2 1 解析法 解析法【2 3 】1 2 4 】是建立在解析模型的基础上，通过递推或迭代等过程精确地求解 此模型，从而计算出系统的可靠性指标。解析模型是根据系统的结构和元件的功 能以及两者之间的逻辑关系，把模型参数、初始条件和其他输入信息以及模拟 时间和结果之间的一切关系均以公式、方程式和不等式来表示可靠性评估指 标，建立的系统可靠性概率模型。 解析法其主要优点是可以采用较严格的数学模型和一些有效的算法( 包括近 似法) 对系统的可靠性进行比较周密的分析，其物理概念清晰、准确度较高。但是 它的计算量是与系统的规模中元件个数和节点的指数函数成正比，计算工作量会 随着系统规模呈指数关系增长。现代配电系统越来越复杂，状态空间数剧增，会 造成维数灾难，很有可能导致解析法最终无解。 因此，在保证计算精度的情况下如何减少计算量和提高计算速度，是应用解 析法来分析复杂配电系统可靠性指标时所面临的主要困难。国内外学者在这方面 做了大量的研究工作，并提出了许多具体的方法，它们有各自的优点，但又都具 有自己一定的局限性，缺乏通用性和推广性。从大的方面讲，解析法主要包括： 网络法和状态空间法。下面对主要常见的解析法作简单的描述。 1 网络法 网络法建立在求解网络逻辑基础上，通过将系统逻辑图不断简化为简单的串、 7 计及分布式电源的配电网可靠性评估 并联回路，计算系统的可靠性指标。 ( 1 ) 故障模式与后果分析法( f m e a ) 故障模式与后果分析法通过对系统中各个元件的所有状态进行搜索，列出全 部可能的系统状态，然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行综合分 析，对系统的故障模式集合，然后在此状态集合的基础上，求得系统的可靠性指 标。 f m e a 原理简单，模式准确，但其计算量却随系统元件数目的增长成指数增 长。对于复杂的配电系统，元件的数量巨大，其故障模式剧增，导致了在建立故 障模式后果分析表时，十分复杂且很繁琐。但是，该方法依然是配网可靠性分析 中，尤其是辐射状网络可靠性分析中最有效的方法之一。主要原因有：配电系 统中不同元件故障影响不同，即使同一元件故障，也有不同影响，有必要对故障 影响进行详细分析；如果在进行分析中，采用一些快速搜索技术进行分析，那 么建立故障模式影响表不会有太多计算量；无论用解析法还是模拟法，f m e a 都是可靠性分析的基础。 ( 2 ) 最小路法( m i n i m a lp a t hm e t h o d s ) 最小路的基本思想是：首先对每一负荷点搜索出其最小路，然后根据网络实 际情况将非最小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响，折算到相应的最小路节 点上，通过计算最终形成整个系统的可靠性指标。该方法可以充分考虑分支线保 护、隔离开关、分段断路器及计划检修的影响，能够处理有无备用电源和变压器 的情况。 ( 3 ) 最小割集法( m i n i m a lc u t s e t sm e t h o d s ) 2 5 】 导致系统失效的元件的最小集合称为最小割集。只有最小割集中的元件全部 失效才能导致系统失效。最小割集法可以将计算的状态限制在最小割集内，避免 计算系统的全部状态，这样一来就大大节省了计算量。 最小割集法适合求解复杂网络系统的可靠性，但是复杂网络一般难以识别最 小割集，因此可以先求取系统的最小路集，然后根据最小路集求取最小割集。 2 状态空间法 状态空间法建立在求解状态空间模型基础上，列举系统可能的状态空间，确 定状态间的转移模式和转移概率，然后根据预先设定的系统故障判据，将状态进 行故障后果分类，根据马尔科夫方程计算状态概率和频率，最后得到可靠性指标。 状态空间法适用于处理多状态元件和不独立的故障，但列举要列举系统所有的状 态是非常繁琐的，所以在配电系统可靠性评估中该方法用的比较少。 状态空间法的主要优点是可以用马尔科夫模型来描述系统状态转移过程。其 特点是从一个状态转移到另一个状态取决于转移前后的两个状态，而与系统以前 的状态无关。 8 工程硕士学位论文 2 2 2 模拟法 模拟法1 2 1 】主要指蒙特卡罗模拟法。蒙特卡罗模拟法是以配电网各元件的可靠 性原始数据为基础，采用计算机产生的随机数量来模拟各种系统运行状态，然后 从大量的模拟实验结果中用统计的方法，统计出系统可靠性指标的方法。它是求 近似解的一种通用方法，属于统计试验类方法。 蒙特卡罗模拟法通常可以分为非序贯仿真法和序贯仿真法两类。 1 非序贯仿真法主要思想是采用随机抽样的方式，先由计算机产生均匀分布 的随机数，然后通过比较该随机数值与元件处于各状态的概率，由此确定元件的 状态。整个仿真过程中不需要考虑系统运行的时间顺序，抽样过程简单，但是不 便于考虑时变因素。此模拟法主要应用在发输电系统的可靠性分析中。 2 序贯仿真法是按照元件寿命满足的概率分布，随时钟的推进分析元件对系 统的影响。此方法的仿真过程是按照时间顺序来进行的，也就是认为首先要产生 模拟系统的运行历史，再计算出可靠性指标。 2 2 3 混合法 解析法模型准确，在系统较简单时，能准确的计算出各可靠性指标。但是当 系统复杂的时候，用此方法就需要耗费很多时间，而且可能无法求解。蒙特卡罗 法比较适合复杂的大型系统，但是计算结果精确度不高。两种方法各有所长，混 合法综合考虑两者的优缺点，把两者综合起来应用在实际工程中，这样能得出比 较令人满意的结果，因此近年来混合法一直是研究者在进行可靠性评估研究的热 点。 混合法的主要思想是：在用蒙特卡罗法模拟求解规模超过解析法的求解能力 的问题的过程中，应尽可能地利用解析法模型精确，物理概念清楚所能提供的信 息，以降低模拟统计量的方差，从而显著地减少蒙特卡罗法所消耗的c p u 时间1 2 3 1 。 混合法首先由c l a n c yd p 应用于多区域电力系统的可靠性评估，此后，不少 学者对混合法进行了进一步的研究，提出了不少新的方法。例如文献 2 6 1 综合利 用了解析法和蒙特卡罗模拟法，该文献中首先用解析法对状态进行判断，减少评 估的计算时间，能很好的与蒙特卡罗方法结合，既提高了速度又提高了精度。 由于人们对混合法的研究刚刚起步不久，所以在这一领域还有许多亟待人们 去解决的问题，探索出更为实用的可靠性评估方法是很有意义的，将混合法应用 于配电系统的可靠性评估，必将是一个很有前途的研究方向1 2 引。 2 2 4 人工智能方法 由于解析法和模拟法对复杂多变的系统进行可靠性评估时存在着精度和计算 速度方面的问题，近年来，人们逐渐尝试将人工智能的方法应用于电力系统可靠 9 计及分布式电源的配电网可靠性评估 性评估的研究中。于是人工神经网络算法，模糊可靠性评估算法等新兴方法也应 运而生。 人工神经网络方法利用神经网络的非线性、容错性、具有大规模并行结构和 并行处理的能力等优势，在许多问题上可以快速、准确的做出判断、决策和处理。 如文献【2 4 】中提出了基于人工神经网络的发输电系统可靠性模型，该模型为一个 三层前向神经网络。文中用实例证明了该方法在计算效率方面的有效性和正确性。 该算法克服了以往可靠性分析方法的精度低、建模复杂和计算量大的缺点。 人工神经网络方法虽然能够考虑网络结构变化等多种实际运行条件的影响， 但由于其神经网络的设计比较困难，隐含层中的节点数的选取不能很好解决，因 此进展速度比较缓慢。 因信息收集不完全或统计误差以及设备运行条件、运行环境难以确切估计等 原因，使得电气设备的参数具有模糊性，通常的可靠性评估方法都是将其当作确 定的数据进行计算处理，这必然会导致计算结果同实际有较大偏差。所以学者们 转向开始研究模糊性的可靠性评价指标，这具有相当的现实意义。 模糊可靠性评估方法的实质，就是应用模糊集合论里的模糊数表示设备的参 数数值上的模糊不确定性，并通过相应的模糊集合运算得出系统的模糊可靠性指 标1 2 引。文献 2 9 】以发输电组合系统为研究对象，首次提出了对电力系统模糊可靠 性评估的新方法。该方法可同时分析随机和模糊两种不确定的事件对电力系统可 靠性的影响，弥补了常规可靠性评估技术处理随机事件影响的不足。 l o 工程硕士学位论文 第3 章含有分布式电源的配电网运行 分布式发电技术在逐渐的渗入配电网中，它的主要优点有：投资少，灵活 性高。有助于提高配电网可靠性。对环境污染小，能量利用率高。能最 大限度惠及用户。但是配电网由于大量的d g 并入，使得其结构和运行方式发生 了很大的变化。 d g 可以使某一部分配电网络在与主配电网断开后，仍然可以独立的向其供 电，这就形成了孤岛。不加规划形成的孤岛可能会对系统、生产、设备、维修人 员等带来危害，还可能影响电能质量，比如电压降低等，这样反而降低了配电网 的供电可靠程度。目前，大都数国内外现行的d g 并网运行规程规定：配电网发 生故障时，d g 必须迅速退出以保证配电网继电保护正确动作，这是以d g 占系 统容量的比重很小为假定前提的。这些规程在一定程度上局限甚至破坏了d g 的 正常运行，损害了d g 发电商的利益，不利于d g 技术的发展。 本章对孤岛进行了划分，建立了以等值有效负荷最大的目标函数，以满足一 定的安全约束的数学模型，并对其采用合适的搜索算法进行搜索，以确定合理的 孤岛范围。 3 1 分布式发电技术的介绍 3 1 1 分布式发电技术的分类 分布式发电d g 技术是一种新型的，很有发展前途的发电和能源综合利用方 式，但是分布式发电技术到目前为止并没有一个统一的严格的定义。一般认为， 分布式发电指的是在用户端或靠近用户端，配置功率为数k w 到5 0 m w 的小型的、 与环境兼容的发电机组，满足用户特定的需要或者支持现存配电网的运行。 根据分布式电源使用的能源可将分布式发电种类分为：1 ) 利用可再生能源的 分布式发电，主要包括太阳能、风能、水能、生物能、地热能、海洋能等发电形 式，这是符合可持续发展要求的未来型发电形式；2 ) 利用不可再生能源直接经过 化学反应的分布式发电，主要是指燃料电池，这是未来需重点发展的发电形式； 3 1 利用天然气等清洁化石能源的分布式发电，如内燃机、燃动机、微型燃气轮机， 它比较清洁，通过冷热电联产的形式和能源梯级利用提高能源利用效率。下面对 目前比较受关注的几种分布式发电技术做简单的介绍。 太阳能光伏电池发电技术。目前，技术比较成熟、应用最广泛的是太阳能光 伏发电技术。它是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。由于技 术条件的限制，光伏电池发电的成本太高，不能与传统电力竞争，但由于它不消 计及分布式电源的配电网可靠性评估 耗燃料、不受地域限制，规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点，故其 前景仍被广泛看好。 风力发电技术。风力发电技术是通过天然风吹转叶片带动发电机转子旋转， 从而将风能转化为电能的发电技术。全球的风能资源丰富，地球上可开发利用的 风能是可开发利用的水能的1 0 倍之多。由于风力发电环保可再生、成本低，技术 成熟，单机容量大，建设周期短，且规模效益显著，所以发展风力发电是中国电 力实行可持续发展战略的重要选择。目前，风电在全球已发展为年产值超过5 0 亿美元的庞大产业。 燃料电池发电技术。它是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不 断地转化为电能的电化学装置。燃料电池可直接将化学能转化为电能，因为不受 卡诺循环限制，所以其发电效率可达到6 5 ，是集中式发电的两倍。它的燃料范 围广泛，可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等。另外，燃料电池 能灵活地适应季节性和地域性的电力需求变化，适应负荷变化的能力极强，当负 荷变化在2 5 1 0 0 范围内时，电池效率不受影响，实行联合循环后的电厂综 合能源效率可达8 0 。 生物质能发电系统。生物能是太阳能以化学能形式储存在生物体内的一种能 量形式。它是第四大能源，蕴含量非常丰富，生物质遍布世界各地，是唯一一种 可再生的碳源。我国政府及相关部门对生物质能源利用极为重视，已经涌现出了 产用沼气池、禽畜粪便沼气技术、生物质气化发电和集中供气等一大批优秀的科 研成果和成功的应用典型范例，并且取得了可观的社会效益和经济效益。 3 1 2 分布式发电接入配电网的影响 目前，我国城郊和农村的配电网主要是辐射形网络。随着全球范围内的分布 式发电( d g ) 技术越来越受到世界各国的重视，分布式发电已进入实用化阶段， 分布式电源凭借其发电方式灵活、环境友好等优点越来越多的被接入配电网中， 对配电系统的结构和运行产生了重大的影响，给大电网带来了很多好处，比如提 高供电质量、改善峰荷、帮助实现资源优化配置等。从可持续发展、国家能源战 略、降低环境污染和建设和谐社会的观点来看，发展分布式电源技术是我国的必 然选择。 但是，分布式电源接入以后，由于分布式电源与传统电源相比，其输出功率 更具有随机性，所以对配电网的规划和运行会产生影响，