基于運行優化的含儲能電力系統可靠性評估方法

張黎明，李浩，吳亞雄，高崇，張俊瀟，劉涌

(1. 廣東電網有限責任公司 電網規劃研究中心，廣東 廣州 510080；2. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著分布式電源（distributed generation，DG）、儲能不斷并入電網，配電網潮流逐漸轉變成雙向潮流[1-3]。DG容易受環境因素影響，其出力存在間歇性和不確定性。傳統可靠性評估方法主要適用于中壓配電網，在雙碳背景下，新型電力系統亟需新的可靠性評估方法。

文獻[4-15]建立了DG出力的概率模型，并通過抽樣形成DG出力的時序曲線。文獻[16-18]提出概率可靠性評估方法，探討了隨機波動對系統可靠性的影響。文獻[19-25]準確區分了故障后的孤島負荷以及故障區負荷，其中島內負荷可以由DG繼續供電。文獻[20]提出了以DG為中心的區域供電模式和功率匹配策略，其根據事先劃分好的供電區域進行系統內功率劃分，但功率匹配沒有達到最優。文獻[21]通過廣度優先搜索算法得到最大的孤島范圍以確保較小的停電損失，但該方法沒有考慮多個有源元件接入不同位置導致的孤島間重合問題。

本文提出考慮運行優化的新型電力系統可靠性評估方法?；谕負涞墓收细綦x方法，根據故障位置、拓撲結構細化故障隔離區域。同時，在故障隔離范圍引入考慮網絡重構的運行優化方法。采用序貫蒙特卡洛模擬法進行系統可靠性分析。

1 新型電力系統元件概率模型

風電機組功率主要取決于風速的大小。風速一般服從威布爾概率分布，其中c和k為威布爾概率分布的形狀、尺度參數。實時風速與風電機組輸出功率PWT之間的關系為

式中：v、vN、vci、vco分別為實際風速、額定風速、切入風速、切出風速；PWN為機組額定功率。

光伏機組出力取決于光照強度。光照強度近似服從Beta分布，α和β分別為Beta分布的形狀參數。光伏機組的出力PPV與光照強度E之間的關系為

式中：PMN為光伏額定功率；EM為光照強度飽和值。

分時電價機制如圖1所示。儲能電池荷電狀態（state of charge，SOC）變化曲線如圖2所示，其中Smax、Smin分別為儲能的最大、最小SOC；分別為儲能的最大充、放電功率；S(t)為時刻t儲能SOC的期望值。要保證在系統故障時有較多剩余電量且實現利益最大化，本文制定的策略為：在谷段以最大充電功率充電，在谷段前的平段不充電，其余平段以最大充電功率充電。同一峰段或尖峰段內，以同樣的功率放電，力求本峰段放電電量最大。與此同時，考慮到隨機充放電因素的影響，本文參考文獻[21]對儲能SOC進行隨機建模。

圖1 分時電價機制Fig. 1 Time-of-use price mechanism

圖2 儲能SOC變化曲線Fig. 2 Curve of energy storage SOC

2 可靠性評估方法

在故障隔離中，本文根據主饋線上的斷路器將系統分為不同主區域，并基于隔離開關的位置，將各區域再細分成不同的子區域。主饋線和負荷支路發生故障的一次故障隔離范圍為所處主區域除內部電源部分。電源支路發生故障的一次故障隔離范圍為發生故障的電源支路。一次故障隔離會造成大量負荷失電，因此系統需要根據故障位置重新判斷故障隔離范圍，進行二次故障隔離。主饋線和負荷支路故障時的二次故障隔離范圍為故障所處的子區域。電源支路故障沒有二次故障隔離問題。

2.1 故障后系統運行優化模型

本文采用考慮網絡重構的運行優化方法對故障隔離范圍外的系統進行孤島劃分和功率匹配，從而減少失電范圍。在故障隔離過程中，每次拓撲改變后均考慮網絡重構的運行優化，即在非故障范圍進行孤島劃分和功率匹配，優先保障重要負荷供電，減少失電影響。饋線分區示意如圖3所示。為方便表述故障區域，在圖3中用紅點表示斷路器和隔離開關兩端增加的節點，用黑點表示每條支路通過相應節點接入的主饋線。

圖3 饋線分區示意Fig. 3 Schematic diagram of feeder zone

故障后的系統運行優化目的為系統失負荷影響最少，則本文的目標函數為

式中：i為節點編號；NL為負荷支路節點的集合；xi為節點i處切負荷的變量，其中0表示切除負荷，1表示不切除負荷；Pi為節點i所連接支路的功率；λi為節點i處負荷的重要性系數。

目標函數對應的功率平衡約束為

式中：M為同節點i相鄰節點的集合；Nall為系統所有節點的集合；Pij為節點i到j的傳輸功率。

主饋線有一定傳輸功率限制，即

式中：Pij,max為節點ij間的最大傳輸功率；yij為節點ij間是否有功率流動的狀態變量，其中0表示無功率流動，1表示有功率流動。

若節點ij之間沒有斷路器和隔離開關，直接通過導線連接，其功率流動狀態由節點ij是否處在故障隔離范圍確定；若節點ij之間有斷路器和隔離開關，其功率流動狀態由斷路器或隔離開關的閉合和斷開狀態決定，即

式中：zij為節點ij是否處在故障隔離范圍的狀態變量，其中0表示處在故障隔離范圍，1表示未在故障隔離范圍；αij為節點ij是否通過斷路器或者隔離開關進行連接的狀態變量，其中1表示節點通過斷路器或者隔離開關相連，0表示未相連。

2.2 影響分析及可靠性評估流程

對于故障隔離區域內的負荷，如果系統只發生一次故障隔離，則故障隔離區域內的負荷停電時間為故障元件修復時間。如果系統發生兩次故障隔離，那兩次皆位于故障隔離范圍的負荷停電時間為故障元件修復時間。只有第一次位于故障隔離范圍，第2次不在故障隔離范圍的負荷失電時間不少于故障隔離與網絡重構時間。

對于不位于故障隔離區域的負荷，若負荷始終不位于故障隔離區域，則負荷停電時間等于切負荷時間；若負荷曾經位于故障隔離范圍，其后離開故障隔離范圍，則負荷停電時間等于故障隔離與網絡重構時間加切負荷時間。故障隔離與網絡重構優化流程如圖4所示，其中tout為負荷停電時間；Tf為故障隔離與網絡重構時間；Tr為故障元件修復時間。

本文采用基于序貫蒙特卡洛模擬法進行可靠性評估，具體步驟如下。

（1）輸入配電網拓撲、用戶數、儲能參數等與可靠性評估有關的原始數據。

（2）根據DG、儲能、負荷歷史數據結合對應的概率模型獲得相應時序功率曲線。

（3）計算元件m正常工作持續時間和故障修復時間。

（4）將所有元件中最小的正常工作持續時間設為系統的正常工作持續時間，并累加仿真時間。

（5）基于故障后系統運行優化模型得到負荷停電情況。通過負荷停電次數和時間確定系統停電損失。

（6）重復步驟（2）～（5）直到達到設定的仿真時間。

（7）計算負荷點可靠性指標和系統可靠性指標。

3 案例分析

本文以改進IEEE RBTS Bus6的F4主饋線為算例進行可靠性分析。其中DG風機額定功率為1 MW，形狀、尺度參數分別為13.16和3.76。儲能額定容量為1 MW·h，額定功率為0.16 MW。負荷功率預測誤差期望為0 MW，標準差為0.005 MW。通過本文方法可以得到IEEE RBTS Bus6的F4主饋線的可靠性指標，其中系統供電可靠率為99.53%。

目前，系統中的有源元件主要包括DG和儲能。有源元件的參數將對系統可靠性產生一定影響。分析DG滲透率對系統可靠性的影響，如圖5所示。在圖5中，紅點為不同DG額定功率下的系統缺供電量，藍線為三階Hermite插值。由圖5可見，隨著DG功率的增加，系統缺供電量減少。當系統發生故障后，以非故障隔離區域DG為主要電源形成孤島，減少了負荷失電。同時隨著DG額定功率增加，系統缺供電量的下降幅度呈現變小趨勢，故當DG額定功率達到一定值時，通過增加DG功率提高可靠性的效果不佳，反而會造成較大的經濟負擔。

圖5 DG滲透率對系統可靠性的影響Fig. 5 The influence of DG penetration rate on system reliability

分析儲能功率和容量對系統可靠性影響。儲能容量對系統可靠性的影響如圖6所示。在圖6中，2條曲線分別描述了儲能充放電功率不變時，儲能容量發生變化對系統缺供電量的影響以及儲能充放電功率隨儲能容量等比例變化時，儲能容量發生變化對系統缺供電量的影響。由圖6可見，系統缺供電量隨著儲能容量變大而降低，即系統可靠性上升；當儲能充放電功率不變時，系統可靠性隨容量增大而上升的幅度較??；當儲能充放電功率同比例變化時，系統可靠性隨容量增大而上升的幅度較大。這是因為本算例中的儲能原始充放電功率較小，即使增加儲能容量，在停電時間較短的故障中儲能對失電負荷的供電也有限。同時，隨著儲能容量的不斷增加，可靠性上升幅度逐漸降低。通過配置儲能提升系統可靠性時需謹慎選擇儲能容量。通過增加不同儲能容量下邊際停電損失收益如圖7所示。

圖6 儲能容量對系統可靠性的影響Fig. 6 The influence of energy storage capacity on system reliability

圖7 不同儲能容量下邊際停電損失收益Fig. 7 Marginal outage loss benefit under different energy storage capacities

基于此算例，將故障后非故障隔離區域的DG和儲能改為只為本供電區域內的負荷供電，則系統停電頻率比原始算例增加了12.59%，停電時間增加了12.65%，供電可靠率降低了0.07%，缺供電量增加了6.68%。由此可見，故障隔離后的網絡重構優化方案會直接影響系統供電可靠性，采取本文方法能使資源配置更合理，避免各個區域供電不平衡問題，從而提高了系統的供電可靠性。

4 結語

本文提出了基于運行優化的新型電力系統可靠性評估方法，對考慮網絡重構的最優運行方案進行可靠性評估，在每次故障中根據故障隔離范圍實時計算非故障隔離范圍的失電情況，有利于減少故障后的失負荷影響，從而提升系統可靠性。通過算例分析可得，DG和儲能參數可以影響系統可靠性。隨著DG的額定功率和儲能額定容量配置增加，系統可靠性增加，但增加幅度逐漸減小。因此，可以通過配置DG和儲能增加系統可靠性，但須注意成本回報率。