含分布式能源的醫院配電網可靠性評估體系研究

李 鵬，吳 湛，張詩建

（1.南方醫科大學南方醫院，廣州 510515；2.廣州南方電力集團電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

隨著節能降耗相關政策和標準的不斷推進，大型公立醫院內新建的光伏發電項目也逐漸增多。能源的多樣化和可靠性，是滿足大型公立醫院用能安全性的根本途徑［1－2］。分布式電源（Distributed Generation，DG）的應用是20 世紀末最受重視的高科技領域之一，具體指發電功率在千瓦至兆瓦級的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電單元［3－4］，大型公立醫院主要有以液體或氣體為燃料的內燃機（發電機）、太陽能發電（光伏電池、光熱發電）、UPS 電源等。隨著能源審計對大型公立醫院的要求不斷提高，上述分布式電源在醫療院區內的廣泛應用是可以預見的［5］。

DG 接入電網后對傳統電網的許多方面都產生了不可忽視的影響［6－8］。傳統配電網一般是給定配電網網架結構，考慮最嚴重工況的情形對線路的最大容量裕度進行規劃。所有運行情況都能夠得以統計與分析，并尋求最優解。而分布式能源接入后的配電網在進行預測時需要考慮負荷需求側響應和分布式電源注入容量的雙重影響，運行時需要考慮DG存在的主動管理模式以及DG的不確定性造成的影響，網架結構規劃時需要考慮DG 的不確定性帶來的影響［9－11］。對分布式接入電網的影響大多從可靠性、經濟性建立定量評估模型，定量評估分布式電源對配電網典型接線模式的影響，以及協調分布式電源及與配網網架建設之間的關系，確定最優的接入位置以及最優的配網接線方式。

光伏、柴油發電機等分布式能源接入配電網后，改變了配電網的電源結構、運行方式，同時分布式能源的多樣性、不確定性給配電網可靠性評估帶來了挑戰。醫院用電安全尤為重要，不僅影響設備安全，更有可能會影響到患者的生命安全，所以，醫院的安全用電十分重要［12－14］。在此背景下，本文結合光伏、柴油發電機的孤網運行方式，通過故障模式后果分析法分析了分布式能源接入對配電網可靠性的影響，建立了一套考慮分布式能源接入的配電網安全運行評估體系，通過關鍵指標對含分布式能源的配電網的可靠性進行定量評估，為醫院選址和醫院用電安全風險防控能力和可靠性水平提供參考。

1 配電網可靠性影響因素

所謂配電網可靠性評估，是對已運行的配電網，或是新設計的配電網，在所選用相關元器件在故障前提下對供電可靠性做出評價，從而得到配電網供電可靠性。

配電網的供電可靠性就是指供電系統對用戶持久供電能力的表現，它的質量直接體現了醫院能源保障部門等單位或企業的供電水平以及電能的質量［15］。評估如具有量化指標會使人對評估對象有直觀認識，電網可靠性評估也就是通過量化的可靠性指標進行評估，通過其指標也能知道影響配電網可靠性的相關主要因素，如圖1所示。

2 含分布式能源配電網可靠性評估體系

分布式能源的接入改變了院區傳統配電網的供電可靠性，為評估分布式能源的接入對配電網可靠性的影響，本文從負荷點供電可靠性和系統供電可靠性兩個維度選取可靠性評估指標，并建立可靠性評估模型。其中，負荷點可靠性指標用于描述接入分布式能源后單個負荷點的供電可靠性水平，系統可靠性指標用于描述接入分布式能源后整個系統的供電可靠性水平，系統可靠性指標由負荷點可靠性指標計算得到。通過對比分布式能源接入前后負荷點可靠性水平及系統可靠性水平的變化，即可評估分布式能源的接入對配電網可靠性的影響。

2.1 負荷點可靠性指標

負荷點可靠性指標從負荷點停電頻率、負荷點停電時間、負荷點缺供電量3 個維度來評估負荷點供電可靠性水平，其中負荷點可靠性指標包括故障可靠性指標和預安排可靠性指標。

（1）負荷點故障停電率期望值

某負荷點平均每年的故障停電次數，記作λLP－F，單位為次／年，可按下式計算：

式中：N為故障后會造成該負荷點停電的設施的集合；λef，i為設施i故障停運率。

（2）負荷點預安排停電率期望值

某負荷點平均每年的預安排停電次數，記作λLP－S，單位為次／年，可按下式計算：

式中：M為故障后會造成該負荷點停電的設施的集合；λeo，i為設施i預安排停運率。

（3）負荷點故障停電時間期望值

某負荷點平均每年的故障停電小時數，記作μLP－F，單位h／a，可按下式計算：

（4）負荷點預安排停電時間期望值

某負荷點平均每年的預安排停電小時數，記作μLP－S，單位h／a，可按下式計算：

式中：tef，i為設施i預安排停電時間。

（5）負荷點供電可靠率期望值

在單位年度內，對某負荷點有效供電總小時數期望值與單位年度總小時數的比值，記作RASAILP，可按下式計算：

（6）負荷點缺供電量期望值

某負荷點平均每年因停電缺供的總電量，記作WENSLP，單位為kW·h／a，可按下式計算：

式中：P為負荷點負荷容量，kW。

（7）負荷點等效系統停電小時數期望值

某負荷點平均每年停電的影響折成全系統停電的等效小時數，記作TSIEHLP，單位為h／a，可按下式計算：

式中：S為系統總負荷容量，kW。

2.2 系統可靠性指標

系統可靠性指標從系統停電頻率、系統停電時間、系統缺供電量3 個維度來評估負荷點供電可靠性水平，其中系統可靠性指標包括故障可靠性指標和預安排可靠性指標。

（1）系統平均故障停電頻率期望值

供電系統用戶在單位年度內的平均故障停電次數，記作NSAIFIF，單位為次／（戶·a），可按下式計算：

式中：n為負荷點用戶數；N為總用戶數。

（2）系統平均預安排停電頻率期望值

供電系統用戶在單位年度內的平均預安排停電次數，記作NSAIFIS，單位為次／（戶·a），可按下式計算：

（3）系統平均故障停電時間期望值

供電系統用戶在單位年度內的平均故障停電小時數，記作TSAIDIF，單位為h／（戶·a），可按下式計算：

（4）系統平均預安排停電時間期望值

供電系統用戶在單位年度內的平均預安排停電小時數，記作TSAIDIS，單位為h／（戶·a），可按下式計算：

（5）系統平均供電可靠率期望值

在單位年度內，對用戶有效供電總小時數期望值與單位年度總小時數的比值，記作RASAI，可按下式計算：

（6）系統平均缺供電量期望值

供電系統用戶在單位年度內因停電缺供的平均電量，記作WAENS，單位為kWh／（戶·a），可按下式計算：

3 含分布式能源配電網可靠性評估方法與流程

3.1 網絡模型簡化

網絡模型簡化處理后包含變電站母線、電纜線路、配電變壓器、斷路器、負荷開關和熔斷器等設施模型及其連接關系。

配電網網絡簡化原則：（1）網絡模型中的架空線路、電纜線路等設施模型均包括設施本體及其附屬設施；（2）線段中的多個設施可用串聯網絡法進行等效，在工程近似計算中，常忽略兩個及以上設施同時停運的情況，其網絡等效模型如圖2 所示，等效后的網絡元件可靠性參數計算方法如式（14）所示。

圖2 串聯網絡等效模型

式中：λ為設施停運率，次／a；r為設施平均修復時間；μ為設施停運修復率，即設施平均停運修復時間的倒數，次／a；各變量下標為設備編號。

3.2 設施停運模型

電力設施在日常運行中所處狀態常被分為正常運行狀態、故障停運狀態和預安排停運狀態，如圖3 所示的三狀態模型。圖中：λP為設施預安排停運率，次／a；μP為設施預安排停運的修復率，即設施平均預安排停運持續時間的倒數，次／a；λF為設施故障停運率，次／a；μF為設施故障停運的修復率，即設施平均故障修復時間的倒數，次／a。

圖3 三狀態模型

3.3 故障模式后果分析法

不管配電網是開環還是閉環運行，故障模式后果分析法均適用，也是評估可靠性的常用方法。該方法評估步驟如下所示。

（1）評估列舉每個設施故障的停電影響，確定負荷點的故障停電時間、停電率。

（2）根據單獨故障后的故障停電率和故障停電時間信息整理成故障模式后果分析表。設施集為N，設施集中第i個設施的故障停運率和故障修復時間分別為λi、ri。該負荷點的故障停電率和故障停電時間期望分別為λLP－F、μLP－F。則有：

（3）根據負荷點λLP－F、μLP－F計算其他可靠性指標。

（4）逐步計算所有負荷點的可靠性指標，根據此結果得到系統可靠性指標。

通過設施停運狀態可知，系統停電不僅包含故障停電，還包括預安排停電。在計算預安排停電的影響時，計算原理和過程與故障停電類似，只是停電過程及停電時間有所差別。

4 評估算例

分布式能源不同接入位置對配網可靠性影響不同，本文設置相關算例進行評估。簡化后仿真模型如圖4所示。

圖4 簡化仿真模型

4.1 算例參數設置

本文設置10 kV 線路線型為LGJ－240，根據載流量計算得到其最大供電能力為9.509 MW，設分段線路和分支線路長度均為2 km?？紤]到饋線主干線分段設置時遵循各分段負荷盡可能均勻的原則，本文結合饋線最大供電能力，設置每分段負荷最大值為1 MW，用戶數為300，饋線負載率在30%左右。在后續可靠性案例評估時，區域1、2、3 負荷大小和用戶數統一設置為分段負荷容量最大值1 MW，用戶數為300。

網絡元件可靠性參數如表1 所示。

表1 網絡元件可靠性參數

4.2 仿真結果分析

在圖3 中區域1、區域2、區域3 中分別接入分布式能源，并假設分布式能源支撐時間大于故障時間，計算負荷點可靠性指標和系統可靠性指標分別如表2和表3 所示。

表2 不同接入位置時負荷點可靠性指標

表3 不同接入位置時系統可靠性指標

從表2 可看出，在區域1 接入分布式能源時，負荷點1 的年平均停電時間明顯縮短了；在區域2 接入分布式能源時，負荷點2 的年平均停電時間明顯縮短了；在區域3 接入分布式能源時，負荷點3 的年平均停電時間明顯縮短了，這是因為含分布式電源的配電網在元件故障時會出現孤島，處于孤島范圍內的負荷點可由分布式電源恢復供電，停電時間將大大縮短；而孤島區域外的負荷點的年平均停電時間基本不變，可見分布式能源的接入對孤島區域外的負荷點的可靠性沒有改善作用，因此，院區靠近分布式電源位置選址或自身帶有分布式電源可大大提高醫院的工供電可靠性。

從表2～3 可看出，分布式能源接入點的不同會引起負荷點可靠性指標以及系統可靠性指標不同程度的變化，其中分布式電源接入區域3 時系統可靠性優于分布式能源接入其他區域，這是由于區域3 在饋線末端，在網絡元件出現故障造成停電事故時，區域3 最容易受到影響且停電時間最長，故在區域3 接入分布式能源時，負荷點可靠性指標以及系統可靠性指標改善程度最大，其次是區域2、區域1。因此在初期進行配電網規劃時，應合理選擇分布式電源的接入點，保證配電網可靠性最高。

5 結束語

隨著分布式能源的不斷發展，其對大型公立醫院的供電可靠性影響也隨之增大。用電安全是醫院能源保障的重中之重，分布式電源接入后如何保障電網的可靠性具有十分重要的地位。本文從負荷點供電可靠性和系統供電可靠性兩個維度選取可靠性評估指標，并建立可靠性評估模型。其中，負荷點可靠性指標用于描述接入分布式能源后單個負荷點的供電可靠性水平，系統可靠性指標用于描述接入分布式能源后整個系統的供電可靠性水平，系統可靠性指標由負荷點可靠性指標計算得到。通過對比分布式能源接入前后負荷點可靠性水平及系統可靠性水平的變化，即可評估分布式能源的接入對院區配電網可靠性的影響，其結果為醫院選址和醫院用電安全風險防控能力和可靠性水平可提供重要參考。