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1、 ：微网可靠性评估指标研究罗奕，王钢，汪隆君（华南理工大学电力学院，广东省广州市 ）摘要：微网是充分发挥分布式电源综合效能的关键技术，其可靠性研究在微网应用中发挥了基础性作用，而可靠性指标研究是可靠性评估的先决条件。通过分析微网对可靠性指标的要求，说明仅仅引用配电系统的可靠性指标对微网进行评估分析具有其局限性，必须针对微网特性提出新的具体可行的可靠性评估指标。为此，从微网作为等值电源或负荷体现的特性、间歇性电源出力、储能装置特性、孤岛运行状态以及效益等方面提出了微网可靠性评估指标及其计算方法，并明确了各指标的具体含义。通过算例阐明了所提出的指标能有效反映微网在电源配置、运行状态、可再生电源应用
2、等方面的特性，为微网可靠性指标体系的建立进行了有益探索。关键词：微电网；分布式电源；可靠性评估；可靠性指标；间歇性收稿日期：；修回日期：。国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划（计 划）资 助 项 目（）；广东省高新技术产业化重点项目（工业攻关）（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助 项 目（）；粤 港 关 键 领 域 重 点 突 破 项 目（）；广东省教育部产学研结合重点重大项目（，）。引言当前电力系统承受着来自传统化石能源短缺和环境污染的双重压力，促使各种新能源发电技术（如风力发电、光伏发电、小型燃气轮机和燃料电池发电等）迅速发展。新能源发电的单机规模较小，适合以分布式电源（）的形
3、式接入中、低压系统，就近向负荷提供灵活、经济、环保的电能。由于不同 的特性差异显著，随着配电网中 渗透率的提高，传统电网在控制、保护、运行稳定性、可靠性和电能质量等方面受到了前所未有的挑战，微网为这些问题的有效解决提供了关键技术。微网是指由 、储能供能装置和负荷等组成的有机整体，通过智能化的静态开关与电网相连。微网可根据运行工况主动选择并网或孤岛运行状态，并能在种运行状态间平稳转换。由于微网具有功率调节和电能质量控制的能力，从主网角度来看，微网可等效为虚拟负荷或虚拟电源。可见，将 以微网的形式并入电网，不会显著影响主网的结构和运行，能最大限度地发挥 的综合效能。理论上，微网在接纳 和提高供电可
4、靠性、改善电能质量方面起到了积极作用，但其前提是一些重大科学问题得以攻克。否则，基于可再生能源 出力的间歇性和波动性等问题将导致其对供电可靠性产生负面影响，因此，微网的广泛应用必须建立在可靠性评估基础上。此外，微网的组网、控制策略和运行方式均不同于传统配电网，微网可靠性评估将在微网规划、及储能配置、控制策略制定及技术经济评价等方面发挥基础性作用。可见，微网可靠性研究是整个微网研究体系的重要组成部分，微网的可靠性水平又需要通过其可靠性指标实现描述和量度，不同的可靠性指标不仅可以从不同角度客观、定量地反映微网的可靠性水平，而且有利于探明微网的薄弱环节，以便有针对性地提出增强措施。因此，微网可靠性指
5、标研究是微网可靠性评估的先决条件。目前，微网的相关研究刚刚起步，主要涉及各类 及其接口、微网结构、微网控制策略和微网标准体系的研究等。例如：文献 对微网标准体系进行了初探；文献 提出微网的电能质量标准应高于主网，并以欧洲互联系统和孤立系统的相关标准为依据，讨论了微网在电压质量、孤岛状态的数量、状态转换时的电压陷落时间和承担负荷的能力等方面应满足的要求。针对微网可靠性评估指标的系统研究较为匮乏的现状，本文在分析微网可靠性指标要求的基础上，提出定量描述微网可靠性水平的若干特有指标，并通过算例验证是否满足不同场合微网可靠性评估的需求。第 卷第期 年月 日 ，微网可靠性指标要求微网一般以配电网为基础进
6、行组网，从用户和系统可靠性的角度来看，可引用传统配电网可靠性指标。例如：系统平均停电频率指标（）、用户平均停电频率指标（）、系统平均停电持续时间（）、用户平均停电持续时间（）、平均供电可用率指标（）、期望缺供电量（）等指标。但是，微网又具备异于配电网的特性。）对于配电网，其电源一般来自于高一级电网，电源模型可等效为两状态风险模型，其网络结构主要为较简单的辐射状无源网络，而对于微网，由于广泛引入了 ，其网络结构成为复杂的有源网络，既可视为主网的电源，向主网提供富余的电力，又可视为主网的负荷，吸收主网功率。因此，有必要针对微网呈现的等值电源负荷特性及其与主网间的功率交换进行定量评价。）虽然 具有就
7、近向负荷供电的优点，但受一次能源的影响而存在出力间歇性问题，而且为了平滑 出力的波动性，必要时还需接入储能装置加以补偿。这对微网可靠性指标研究、模型建立和定量评估提出了新的挑战，需要提出描述间歇性 特性及储能特性的可靠性指标。）微网能实现并网运行方式与孤岛运行方式的无缝切换。在并网运行方式时，能充分发挥 的发电能力，而当上游区域停运时，微网自动切换为孤岛运行状态，但 能继续保持向微网内负荷供电。可见，微网孤岛运行方式对于提高其自身负荷的供电可靠性具有重要作用，也需提出相应的体现微网孤岛运行方式下供电能力的指标。）微网经济和社会效益涉及建设投资、运行维护费用、电力市场交易收益和环境收益等 ，因此
8、也应提出指标来体现微网的效益情况。可见，仅仅引用配电系统可靠性指标进行微网可靠性评估分析具有局限性，必须根据微网的特性，从等值模型、间歇性 出力、储能装置特性、孤岛运行状态以及效益等方面，研究微网可靠性评估指标。微网可靠性指标的定义与分析 公共连接点等效停运率和微网等值电源负荷可靠性指标 公共连接点等效停运率指标 公共连接点（）是微网与配电主网联系的关键纽带，表示从 （含 ）观察某一侧电网时，该侧电网在时刻以前正常工作，而之后单位时间内发生停运的条件概率密度，即 （）式中：为求解概率指标；为 的正常工作时间。定义 有利于实现复杂系统可靠性问题的分层简化处理。具体分以下种等效情况。）将主网的影响
9、等效到 时，相当于将 视做微网的主电源。若设迫使微网转为孤岛运行的主网停运时间和 开关停运时间服从指数分布且停运率分别为和，则 等效停运率 为：（）可见，该指标可定量描述微网主电源的可靠性水平，是研究微网供电可靠性的重要基础。类似地，可将 恢复对微网供电的平均时间定义为 等效平均修复时间 。）将微网的影响等效到 时，的概率特性取决于微网内各种 和负荷的综合作用，通常不适合用指数分布描述，可通过蒙特卡洛模拟法仿真获得。微网等值电源负荷可靠性指标微网等值电源负荷年电量（）可反映评价周期（一般为）内微网与主网间电量交换的总体情况，其指标定义为：（）（）（）式中：（）为微网内部所有电源有功出力总和的曲
10、线；（）为微网内部总的有功负荷曲线。可见，当 时，表示时间内微网向主网净输出电量，反之则为主网向微网净输入电量。受到微网内一次动力分布、的配置、控制策略、功率输出特性和故障停运，以及负荷特性等因素影响。间歇性 可靠性指标间歇性 可用率（）指标定义为：（）（）式中：（）为 评价周期内的出力曲线；为 的额定出力。式（）的分子表示在时间内，间歇性 在一次能源条件、自身运行和故障特性等因素综合作用下的发电量，因此，该指标能直观反映 的发电能力。，（）间歇性 出力间断率（）指标定义为：（）式中：为 有功出力。描述了 出力间断的程度，反映了孤岛运行时 对微网内负荷可靠供电的能力，也是影响 和 的重要因素。
11、储能装置在微网中能有效补偿间歇性电源的出力波动，提高微网对负荷供电的可靠性，而将间歇性 和储能装置组成混合发电系统是一种有效形式。由于不同储能装置的工作机理不同，为了统一反映储能装置的供电能力，令其在额定工作电压下的容量为。定义储能装置持续出力等效时间（）以描述孤岛状态时发电单元维持稳定出力的能力，其指标定义为：（）式中：为混合发电系统中间歇性 的额定出力之和。相当于混合发电系统所配置的储能装置按 的额定功率释放电力的等效工作时间，是影响微网孤岛状态下持续供电能力的重要因素，也是储能装置优化配置的重要指标。微网孤岛运行可靠性指标能够实现并网和孤岛运行状态的无缝转换是微网的重要特征，当主网停运迫
12、使微网转为孤岛运行状态时，受各种因素的影响，微网可能会由于电力不足而削减负荷，此时其可靠性可采用以下个指标加以描述。孤岛电力不足期望值（）指标定义为：（）式中：和分别为孤岛运行时，状态的概率和削减负荷量。该指标表示微网孤岛运行状态时负荷削减量的平均值，除可用于评价微网孤岛运行状态下的供电可靠性外，也可用于计算含微网配电系统的 等指标。孤岛 供 电 不 足 累 积 概 率（）指 标 定义为：（）式中：为微网内所有电源的有功出力之和；为微网内负荷的需求量。该指标表示微网在孤岛运行状态时不能满足向给定的负荷水平供电的概率，能够反映微网孤岛运行状态下的供电不足风险。可通过种方法计算获得：若已知电源与负
13、荷整体的概率分布函数，则运用定义即可求解指标；若采用统计方式，设为统计总时间，为时间 内 满 足的 时 间 之 和，则 。微网效益指标微网效益系数（）指标定义为：（）式中：为应用微网获得的收益；为应用微网所需的费用；为微网减少从主网购电所节省的费用；为碳排放交易的收益；为微网向主网售电的收益；为微网建设投资；为微网运行维护费用。可 综 合 反 映 微 网 的 经 济 与 社 会 效 益，当 时，可反映出微网能获得正收益，且 值越大效益越好。算例分析以 系统 的母线 和馈线 为基础，接入微电源（）构成微网，如图所示。其中为 的进线开关，为 的出线开关，为负荷点，泛指、储能装置或两者的组合，主要数
14、据和参数见表表。图微网结构 表元件可靠性参数 元件编号停运率修复时间 微电源 注：的停运率是指将主网的影响等效到 的停运率（）。绿色电力自动化罗奕，等微网可靠性评估指标研究表负荷数据 微网分界（）负荷点节点负荷数节点负荷总容量微网总负荷 ，表几种风力发电机的类型及参数 风力发电机类型额定出力（台）切入风速（）额定风速（）切出风速（）计算条件说明如下。）根据文献 设定 的可靠性参数；接入微网 中 的 从 表 所 列 的 种 风 力 发 电 机（）中选择，根据文献 规定的标准估计 的可靠性参数，如表所示；根据文献 确定负荷数据（不考虑变压器的影响）列于表；设风速服从双参数威布尔（）分布，从 软件中
15、选择风速样本（），并将其应用于所述各指标的统计计算和比较分析，该样本采用逐小时平均风速的方式记录了 的风速数据，其对应的 分布的形状参数为 ，尺度参数为 。）主网相对于微网是一个无穷大系统。）计算 时，不计及微网内线路元件的停运，仅考虑 故障停运对指标的影响。）计算微网孤岛可靠性指标时，设当等效 停运时使微网由并网转为孤岛运行状态的时刻，储能装置已处于满容量状态；假设微网在孤岛运行状态下出现电力不足需要削减负荷时，按图中负荷点的编号顺序逐点进行切负荷操作，直到微网总的有功功率供给能够满足剩余负荷的需求。）储 能 装 置 采 用 阀 控 式 密 封 铅 酸 蓄 电 池（）。）根据文献 的公式，选
16、择微网采用新能源发电后的碳减排综合系数为 （），交易平均基准价格为 元，据此计算 ；根据文献，设 预期运行寿命为，发电运行成本为 元（），设计入贴现率后投建成本为 元，以计算 和；设忽略分时分质因素后的电网平均电价为 元（），用以计算和微网向主网售电的收益 。定量评估结果分别如表表所示。表比较了采用不同 参数时，微网作为等值电源或负荷时的可靠性指标；表计算了种 在不同参数条件下的可用率和出力间断率指标；表比较了负荷水平和储能装置的 指标不同时，微网孤岛运行可靠性指标的差异；表计算了采用不同 组合方案的微网效益系数。表微网等值电源可靠性指标 类型（接入节点）参数条件 （）（，）不改变 参数 （，
17、）倍切入风速 表间歇性 可靠性指标 类型 不改变 参数 倍切入风速不改变 参数 倍切入风速 表微网孤岛可靠性指标 分类 类型（接入节点）负荷水平 不接入储能 （，）（，）接入储能电池 （，）（，）接入储能电池 （，）（，）表微网效益系数 组合方案 类型（接入节点）总装机容量 （，），（）（，），（，）（，），（）从表可见，微网的 为负值，说明采用表中的 配置方案时，微网的年总输入电量大于其向主网输出的年总电量，微网相当于主网的等效负荷，也表明微网自身的实际发电能力不能满足微网内总负荷需求，还需要从主网补充所缺的电量。此外，当减小 的切入风速参数时，在同一风速样本的前提下，指标比改变 参数前增大
18、，这是由于 的可出力范围变得更宽，微网内各 的发电量也将相应增加。因此，指标能够直观反映微网作为等值电源或等值负荷时与主网间的电能交换特性。，（）表中，种类型的 相应的 指标都较小，说明这几类 在所给定的风速样本条件下工作，各自的实际发电量均与额定发电量存在较大差距。通过比较还可看出，指标越高时，对应的 指标数值越低；并且，当减小 的切入风速参数时，由于出力范围变宽，具有更好的出力连续性，因此 和 都得到改善，这印证了 作为一种典型的可再生发电电源，一次能源间歇性是影响其发电能力的重要因素。此外，类型和两种 的额定出力虽然不同，但相互之间的 和 指标均很接近，这是由于两者之间的切入风速和额定风
19、速均基本相同，因此在相同的风速条件下，由 和 描述的相对发电能力和出力间断特性也非常相似，而第类 对应的工作参数与前类有较大差别，因而所求得的指标存在明显不同。由表可见，随着储能条件和负荷水平的改变，微网的 和 也将发生变化，但它们的变化具有一致性。其中，在 配置和风速样本相同的前提下，如果微网在孤岛状态下需要满足供电的负荷水平越高，其 和 指标数值越大，即使接入储能电池与 组成混合发电系统，也能正确体现相同的规律。此外，对于相同的，当 越大（即储能装置的持续出力能力越强）时，所得的 和 指标越优。可见，所提出的指标既能有效反映微网孤岛运行时电力不足的风险，也能体现储能对提高微网供电可靠性的重
20、要作用。表比较了采用种不同 组合方案时微网的效益指标。从结果可看到：方案的装机容量最小，也最小；方案的装机容量居中，其 最大；方案装机容量最大，值却居中。这是因为，在给定的风速样本条件下，虽然装机容量较大的方案在设备投资、建设方面的费用较高，但若能从节能、环保和电力交易方面获得更好的收益，其 反而更优。说明 指标能够考虑影响微网投资维护费用与运行收益的主要因素，对微网效益进行综合评定，从而为微网的优化规划提供参考。此外，表中种 组合方案的 距离正收益还有较大差距，这也体现了目前风力发电的成本偏高，还有很大的改善和发展空间。结语在微网可靠性评估中不能仅仅引用配电网可靠性指标，必须在充分研究微网新
21、特性的基础上，从微网作为等值电源负荷体现的特性、微网内间歇性 出力状况、储能配置、孤岛运行状态和运行效益几个方面提出微网可靠性评估指标及其计算方法，明确各指标的具体含义。算例分析表明，本文所提出的指标能有效描述微网可靠性所具有的特性，为微网可靠性指标体系的建立进行了有益探索。参 考 文 献 ，李鹏，张玲，王伟，等 微网技术应用与分析 电力系统自动化，（）：，（）：王成山，李鹏 分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战电力系统自动化，（）：，（）：杨琦，马世英，唐晓骏，等 微电网规划评价指标体系构建与应用电力系统自动化，（）：，（）：韩奕，张东霞，胡学浩，等 中国微网标准体系研究 电力系统自动化
22、，（）：，（）：，：，：，：郭永 基电力系统可靠性 分析 北京：清华 大 学出版社，：谢莹华，王成山 基于馈线分区的中压配电系统可靠性评估 中国电机工程学报，（）：，（）：，绿色电力自动化罗奕，等微网可靠性评估指标研究 ，（）：梁才浩，段献忠 分布式发电及其对电力系统的影响 电力系统自动化，（）：，（）：，（）：程军照，李澍森，冯宇，等发达国家微网政策及其对中国的借鉴意义电力系统自动化，（）：，（）：，（）：，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 风力发电机组验收规范 康重庆，周天睿，陈启鑫，等电网低碳效益评估模型及其应用 电网技术，（）：，（）：谢建民，曾建成，邱毓昌风力发电成本主要影响因素分析与计算华东电力，（）：，（）：罗奕（），男，博士研究生，主要研究方向：电力系统可靠性。：王钢（），男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统控制保护与自动化、可靠性与规划。：汪隆君（），男，博士，讲师，主要研究方向：电力系统可靠性与规划。：编辑（）章黎 ，（，）：，（）（），（），（），（），（，）：；，（）