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1、含微网的新型配电系统可靠性评估综述别朝红，李更丰，王锡凡（西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安710049）摘要：简要介绍了分布式发电及微网的特点，总结了国内外微网技术的研究现状。指出微网的接入改变了配电网辐射状的结构，使得配网潮流双向流动，微网的孤岛运行以及微网内分布式电源输出功率的不确定性都将给配电系统的可靠性评估带来新的问题。对分布式电源建模较多地考虑自身特性而未能从微网角度考虑计及与配电系统的相互影响、孤岛划分策略以及负荷建模的研究无法适用于微网的特性和运行机理等现有研究工作的局限性进行了概括。在此基础上，提出微网以及含微网的新型配电系统可靠性评估中亟需研究的几个问题：含微网新型配电
2、系统的可靠性评价指标体系；微网的运行方式、运行特性及与配电系统相互影响的机理；分布式发电和储能装置运行特性的可靠性建模；多电源配电系统可靠性评估的模型和精确高效算法。关键词：分布式发电；微网；配电网；可靠性评估中图分类号：TM 732；TM 744；TM 61文献标识码：A文章编号：10066047（2011）01000106电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol31 No1Jan.2011第31卷第1期2011年1月0引言自20世纪90年代以来，由于能源危机和环境约束，世界各国十分重视发展可再生能源发电，如风电、光伏电池、燃料电
3、池和微型燃气轮机等。近20年来，美国新增发电量中超过50%是由非传统能源提供的；而在欧洲，法国可再生能源发电量在2010年达到约21%1-3。无疑，分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。21世纪初，美国学者首先提出微网的概念4-5。微网是将可再生能源发电装置、负荷、储能装置及控制装置等有机结合并接入到电网中的技术；微网一般接入到配电系统中，它既可与电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行，它的灵活运行方式可以实现分布式能源的接纳及与电网的互相支撑6-9。随着微网技术的发展和完善，它将成为可再生能源综合利用最有效的方式。随着微网的接入，传统
4、的单电源辐射状配电网变成了一个遍布电源和负荷的含多电源的新型配电系统，改变了配电网辐射状的结构，增加了配电网潮流的不确定性，从而对系统的运行和控制产生了一系列的影响，配电系统可靠性的评估理论与方法也将发生变化。本文将从微网接入后对配电系统的影响切入，着重分析分布式电源接入配电系统的可靠性评估研究现状及存在的问题，在此基础上，针对微网以及含微网的新型配电系统可靠性评估，给出进一步的研究方向。1分布式发电与微网1.1分布式发电所谓分布式发电就是指某些靠近用户侧安装的中小型发电装置，容量一般在10 MW以下。它既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可接入配电网络，与公共电网一起共同为用户提供电
5、能。它是以资源和环境效益最大化、以能源利用效率最优化确定方式和容量的新型能源系统10。尽管分布式发电具有投资小、环保以及灵活性高等优点，但它对大电网的影响却是不得不考虑的一个问题，如数量众多的分布式电源接入配电网后，传统辐射状的无源配电网络将变成一个遍布中小型电源和负荷的有源网络，潮流也不再单向地由变电站母线流向负荷。配电网根本性的变化使得电网各种保护定值和机理发生了深刻变化，同时分布式电源的并网运行可能会引起电网电压和频率的偏移、电压波动和闪变等电能质量问题，给电网安全运行带来很大威胁，所以尽管分布式发电技术具有极大的应用潜力，但仍然无法被电力部门所接受11。正是在这样的背景下，电力工作者提
6、出了微网的概念。1.2微网及其特性微网是指由分布式电源、负荷、储能装置、控制系统等组成的一个小型配电系统，按照范围、大小和所有权的不同，微网具有多种形式，可以分为单元级、多单元级、馈线级和变电站级。根据CERTS的定义5，12-14，微网是一个可以自治的单元，可以实现孤收稿日期：20100928；修回日期：20101110基金项目：国家自然科学基金资助项目（51077108）；2009年度 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 课 题（20090201110017）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET070660）；中国电机工程学会电力青年科技创新项目（200801）
7、第31卷电 力 自 动 化 设 备岛模式与并网模式间的无缝转换。每个微网都将本地的可再生能源或其他分布式能源发电单元与本地的负荷或储能装置组合起来，形成相对独立的供电子系统，以减少或避免系统大范围故障时对用户的影响。微网作为一个整体与外网联系，既可以与外网并网运行并从外网补足本地需要的电能，也可以在外网故障时，通过合理调配微网的独立运行来保证本地重要负荷的供电15-16。从上述微网的定义、性质及已有的研究工作可以看出17-22，微网具有以下一些重要特性。a.微网是接纳分布式电源的有效方式：通过引入储能技术和智能控制技术，能够弱化甚至消除分布式电源的波动性及间歇性对电网运行的影响，从而使得分布式
8、电源大规模接入电网成为可能。b.微网具有灵活的运行方式：通过智能化的自动控制装置，微网能够根据电网安全稳定运行以及用户可靠供电等要求，在不同的运行状态间平滑切换；微网可能处于孤岛运行状态，也可能与大电网并网运行，可能是作为负荷从大电网吸收功率，也可能作为电源向大电网注入功率。c.微网的相关技术还有待完善：微网的接入也给配电网带来了一系列运行规划、控制与保护等方面的问题；国内外微网技术相关的研究还处在起步阶段，也还没有较为完善的微网接入标准，对于微网自身以及微网给传统配电网带来的问题仍需进一步研究。1.3微网技术的研究现状微网在接纳可再生能源方面的优越性，已使得其相关技术成为国内外电力行业的研究
9、热点。一些国家纷纷开展微电网研究，立足于本国电力系统的实际情况与国家的可持续发展能源目标，提出了各自的微电网概念和发展目标。欧盟实施了“可再生能源和分布式发电在欧洲电网中的集成应用”项目12-13，美国实施了“智能配电系统”研究计划14，23，目标是构建内嵌微网的新一代配电系统。我国在微网的研究方面也已经起步，特别地，科技部2008年新立项了“分布式发电供能系统相关基础研究”的973研究项目，以天津大学王成山教授为首席科学家的研究团队已经将微网及相关系统的相互作用机理、保护和控制以及规划等作为该项目的主要研究内容24。目前，微网技术的研究主要是集中在以下几个方面25-27：a.微网的概念及基本
10、结构；b.微网的并网方式、运行方式及相关控制技术；c.稳定性和电能质量分析；d.微网的保护。然而，对于微网接入配电系统供电的充分性、连续性以及可靠性的定量评估等问题，尽管已经引起电力工作者的关注，但进入实质研究阶段的却不多，尤其是微网自身的可靠性以及结合微网接入后配电系统特征的改变，专门针对含微网的新型配电系统开展可靠性评估研究，目前在国内外还鲜有所见。2含微网的新型配电系统可靠性评估传统配电系统一般不含大电源，并且辐射状运行。微网的接入，完全改变了配电系统辐射状的拓扑特征；微网中分布式电源的输出功率具有随机性，因为它依赖于风、室外气温、光照和水流量等，而与负荷需求无关；含微网的新型配电系统中
11、潮流可能会由于微网的运行状态不同而流向不同，即潮流双向流动，配电系统运行状态的不确定性大为增加。这些都使得含微网的新型配电系统的稳态和动态特性发生质的变化。在传统的配电网可靠性评估中，由于配电系统“环网设计，开环运行”的特点，馈线由单一电源点供电，任何一条馈线上发生故障，都可能导致馈线后面的负荷全部停电，而微网接入配电系统后，电网变为一个多电源与多用户相连的网络，当馈线上发生故障时，配电系统可能会出现含微网的孤岛运行方式。因此，含微网的配电系统可靠性评估从评估的理论和方法上都将发生巨大的变化，如何定量评估微网本身的可靠性水平，如何评估微网对配电系统可靠性的影响，这些都是迫切需要回答的问题。目前
12、，已有国内外学者针对上述问题开展了一系列的研究工作，归纳起来，现有研究所关注的问题主要集中在以下几个方面。2.1分布式电源的可靠性评估模型分布式发电的一次能源多样，各种分布式电源输出功率特性不尽相同；与传统电源相比，分布式电源输出功率一般较小，同时具有间歇性和随机性；另外，分布式电源的运行方式、接入位置等十分灵活。因此，对含分布式电源的配电系统进行可靠性评估时，首先要解决的就是分布式电源的建模问题。文献28首先建立分布式电源的状态空间模型，然后应用故障状态枚举和后果分析的方法在配电系统可靠性评估中计入了分布式电源的影响。文献29-30研究了分布式电源作为等效电源的可靠性模型及其对配电网供电可靠
13、性的影响。文献31认为应根据一次能源的不同分别对分布式电源建立可靠性评估模型，基于此提出3种不同的分布式电源可靠性评估模型，指出分布式电源输出功率、负荷特性的表达以及保护装置的可用性对含分布式电源的配网可靠性评估至关重要。文献32对分布式电源采用具有降额状态的三状态模型，并结合短期分析方法来进行可靠性评估。文献33基于简化等效网络，利用序贯蒙特卡罗仿真法对含风力、光伏电池等分布式电源的配电系统可靠性进行评估，考虑了一次能源不同分布式电源模型不同的因素。但上述研究大多只集中关注分布式电源本身，而计及分布式电源与配网间的相互影响，将分布式发电、负荷以及保护控制装置作为整体以微网形式建立可靠性评估模
14、型的研究还未见报道。因此，在分布式电源可靠性模型基础上建立能够准确表述微网特性的模型，还需要开展进一步的工作。2.2分布式电源的孤岛划分分布式电源的一大特点就是能够在主网发生故障或者安全稳定运行需要时进入孤岛状态，孤岛运行对于孤岛内的负荷供电可靠性有重要的意义。但孤岛的划分需要考虑分布式电源功率输出的随机性、负荷的不确定性以及保护开关的配置等因素的影响，同时，孤岛状态的存在对于现有配网可靠性指标体系的适用性也提出了质疑。文献29根据配电网中负荷的重要程度，以等值有效最大负荷为目标函数，建立配电网孤岛划分的模型。文献30，32研究了孤岛的形成策略，并在此基础上给出了孤岛形成概率的计算方法。文献3
15、4详细讨论了分布式电源的计划孤岛运行对可靠性的影响，同时考虑了不同自动化水平、开关元件配置以及恢复供电过程等因素的影响。文献35指出由于孤岛运行，微网内部存在多向、多路径能量流动与传输，因此，需要建立适合该特点的网络结构规划、设计及运行等相关方面的理论。可见，孤岛划分的策略以及孤岛内可靠性指标的计算得到广泛的关注，但目前采用的孤岛划分策略只简单地考虑功率平衡，考虑到微网控制技术的发展以及微网运行状态的平滑过渡，这样的划分策略过于粗略，而且也并不总是有效。在指标计算上，计及微网和分布式电源的影响，现有配电网可靠性指标是否仍然适用还值得商榷。2.3负荷及元件可靠性参数的不确定性负荷的特性对可靠性评
16、估有着重要的影响，传统的可靠性评估中往往将负荷处理为定值，取平均负荷或者尖峰负荷；对于元件的可靠性参数根据一定的函数分布取相应的期望值；分布式电源加入系统以后，确定性的负荷和元件参数将无法适应分布式电源的动态特性，尤其在孤岛运行方式下，负荷特性的研究对孤岛安全稳定运行尤为重要。因此，需要考虑对负荷随机性以及元件参数的不确定性进行处理。文献36提出一种可靠性评估的解析法，应用历史数据统计得到的一年中每小时分布式发电的发电量和用户负荷量，利用负荷持续时间曲线对含分布式电源的配网进行可靠性评估；文献37分析了孤岛状态下含分布式电源的配电系统可靠性，并提出了相应可靠性分析的复合随机性负荷模型、可靠性计
17、算方法和衡量指标。文献38进行了基于区间计算的配电网可靠性评估研究，分析了参数不确定对配电系统可靠性的影响，通过网络简化等值计算分布式电源接入配电系统可靠性评估的各项区间指标，验证了作为备用电源的分布式电源可以改善配电网可靠性。文献39用常见的概率分布函数来描述居民负荷的轮廓曲线，应用负荷统计模型计算配电系统可靠性；文献40基于统计工作构建了以min为单位的单个用户负荷模型。现有研究对于负荷的随机波动，多采用统计学或者启发式的预测方法来处理，依赖负荷的历史数据；随着微网以及智能配电网技术的发展，负荷与电网的互动将更为密切，信息的实时采集将更加容易，这种情况下，负荷的建模将产生新的变化。此外，仅
18、仅采用区间概念来解决元件参数的不确定性问题还不够全面。2.4现有研究的局限上述研究将在分布式电源和负荷的建模、孤岛的划分策略及可靠性指标的计算等方面，为含微网的新型配电系统可靠性评估提供有益的参考，但是需要注意的是，与单纯的分布式发电单元接入配电系统不同，微网是作为一个整体与外网联系，既可以与外网并网运行并从外网补足本地需要的电能，也可以在外网故障时，通过合理调配微网的独立运行来保证本地重要负荷的供电；系统的潮流可能双向流动，使传统的单电源辐射状配电网变成了一个遍布电源和负荷的含多电源的配电系统，改变了配网辐射状的结构，增加了配网潮流的不确定性。因此，仅从分布式电源对配电网可靠性影响的角度来展
19、开研究是不够的。文献41采用解析法对含微网的配电系统进行可靠性评估，重点研究了不同发电负荷率（微网内发电功率与负荷的比值）下，微网对配电系统可靠性指标的改善程度；指出发电负荷率大于1时，微网不仅能提高其内部节点的可靠性指标，对其外部节点同样也有贡献，在计及配电网馈线的容量限制时这种效果尤为明显。文献42介绍了一种由光伏电池、风力发电机以及UPS互联形成的微网结构，并采用蒙特卡罗法模拟了微网中重要负荷的停电次数，验证了该微网结构能有效减少重要负荷的停电次数。上述研究明确地以含微网的配电系统作为研究对象，但是其研究或者针对某一因素（如发电负荷率），或者针对某一种结构（光伏电池、风力发电机以及UPS
20、互联），显然还不够全面。对含微网的新型配电系统进行可靠性分析，不仅要考虑分布式电源的随机性和不确定性，还要针别朝红，等：含微网的新型配电系统可靠性评估综述第1期对微网的运行方式以及它与外网的相互作用机理，建立能够解决多输入多输出的新型配电系统可靠性评估的模型和算法。另外，结合微网的不同运行方式，对微网本身可靠性评价指标和含微网的新型配电系统的可靠性评价指标体系的研究工作也尚未见报道。但这些又是含微网的新型配电系统可靠性评估所无法回避的问题，是保证微网高效、可靠运行必须解决的问题。3研究前景展望含微网的新型配电系统将具有双向潮流；配电系统中的微网将根据需要在不同运行方式间平滑切换；微网中分布式电
21、源的输出功率具有随机性和间歇性。这些问题都将给含微网的配电系统可靠性评估带来巨大的挑战。因此，亟需在现有研究的基础上，针对含微网的新型配电系统可靠性评估的理论与方法开展以下4个方面的研究。a.含微网的新型配电系统的可靠性评价指标体系研究。定义合理的可靠性指标是评估系统可靠性的前提。目前，尚无针对微网可靠性评估的指标体系，而借用原有配电系统可靠性评估的指标无法对微网的运行特性及对系统可靠性的影响进行定量的评估，另外，定义合理的可靠性评估新指标，有利于运行人员针对性地提出改善含微网的新型配电网可靠性的措施。因此，要对含微网的新型配电网进行可靠性评估，必须提出能准确衡量其可靠性水平的新指标体系。b.
22、微网的运行方式、运行特性及与配电系统相互影响的机理研究。含微网的新型配电系统包含有多种能源输入和多种能源转换单元，并且有多种运行方式。微网的运行特性既与其内部的分布电源特性以及负荷特性有关，也与其内部的储能系统运行特性密切相关，同时还与外网相互作用有关，这种相互作用将直接影响到电网的运行可靠性。因此，必须进行微网的运行方式、运行特性及与配电系统相互影响的机理研究。c.分布式发电和储能装置运行特性的可靠性建模研究。微网中的分布式电源，如光伏电池、风力发电等属于间歇式电源，所产生的电能具有显著的不确定性特征，微网中各类负荷的变化也存在一定的随机性。当微网独立运行时，分布式储能环节（如蓄电池、超级电
23、容器、飞轮储能系统等）成为支持微网自主稳定运行不可或缺的重要组成部分。因此，含微网的新型配电系统的可靠性评估必须对形式多样分布式发电和储能装置在微网中的运行特性进行深入研究并进行可靠性建模。d.多电源配电系统可靠性评估的模型和精确高效算法研究。新型配电系统中，分布式电源以微网形式接入到电网中并网运行，与配电网互为支撑，最大限度地发挥分布式电源的效能。微网的存在，完全改变了配电系统的特征。微网的接入，使传统的单电源辐射状配电网变成了一个遍布电源和负荷的含多电源的新型配电系统，含有微网的新型配电系统可靠性评估必须突破传统配电系统可靠性评估基于配电网单电源辐射型结构的局限，研究多输入多输出新型配电系
24、统可靠性评估的算法，从而建立一整套含有微网的新型配电系统可靠性评估理论与方法，实现对含微网的新型配电系统运行安全水平的严格模拟。4结语分布式电源、负荷以及储能装置以微网的形式接入到配电系统中，使得传统配电网发生了本质的变化，微网以及含微网的新型配电系统可靠性评估成为亟需解决的问题。本文简要介绍了分布式发电及微网的特点，总结了国内外微网技术的研究现状。着重分析了微网的接入对配电系统可靠性评估的影响，对现有研究工作关注的主要问题以及存在的局限进行了概括，并在此基础上，从评价指标体系，微网运行特性及可靠性建模、精确高效的评估算法等角度指出微网以及含微网的新型配电系统可靠性评估进一步的研究方向。参考文
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