第31卷第2期 四川水力发电 Vo1.31,No.2 2 0 1 2年4月 Sichuan Water Power Apr.,2 0 1 2 计及气候、含风力发电的配电系统 可靠性评估研究 李翔, 李华强 (四JII大学电气信息学院,四川成都610065) 摘要:分布式电源(distributed generation,DG)的接人使配电系统从辐射型的网络变为遍布中小电源和用户的互联网络, 将对传统配电系统产生巨大的影响。而风力发电机(wind turbine generation,WTG)凭借其无污染、建造费用低、发电灵活等 优势越来越多地被作为分布式电源接人配电网。但由于其自身功率输出随机性强的特点,对传统的分布式电源接入配电网 带来了一定的影响。在充分考虑了气候因素对WTG功率输出和配电网馈线故障率的影响的同时,结合WTG的多状态模型 与配电网孤岛运行方式,对含有气候因素并以风力发电机作为分布式电源的配电系统的可靠性评估情况进行了阐述,希望 电网规划人员在选择最优方案时能够考虑由上述因素带来的影响。 关键词:分布式电源;风力发电机;恶劣气候;孤岛;可靠性;配电网 中图分类号:TM72;N945.17 文献标识码: B 文章编号:1001-2184(2012)02-0217-04 分布式电源(distributed generation,DG)是指 考虑风速对WTG输出的影响。而文献[8~11] 某些中小型发电装置能够靠近用户侧安装,它既 则采用了蒙特卡罗法(Monte Carlo)模拟了天气因 可于公共电网,直接为少量用户提供电能,也 素对配电网可靠性的影响。 可将其接人配电网络,与公共电网一起共同为用 笔者通过比较各种分布式电源的特点及优 户提供电能。现今,随着分布式发电技术的日趋 劣,重点分析了WTG作为DG加入配电系统的情 成熟,分布式电源凭借其发电方式灵活、环境友好 况,并对气候因素对配电系统可靠性指标的影响 等优点而越来越多地被接人配电网,对配电系统 进行了说明,希望电网规划人员在选择最优方案 的结构和运行产生了重大影响 。 时能够考虑由上述因素带来的影响。 在分布式电源的选择中,风力发电机由于其 1 配电网可靠性指标 具有可以分散设置,接近负载端而可以降低输配 文献[12]指出了配电系统最基本的可靠性 电损失等特性而被广泛应用。但风力发电受气候 指标有3个:负荷点平均故障率A、平均停电时间 尤其是风速的影响较大,随时都有切人或者切出 t,以及年平均停电时间t 系统可靠性常规计算 的可能,从而导致在配电系统中加入风力发电机 指标如系统平均停电频率(system average inter— 可能对系统的安全运行带来一些不安因素。目 ruption ̄equency indices,SAIFI)、系统平均停电 前,国内外学者对于以WTG作为分布式电源的 持续时间(system average interruption duration indi- 配电网的可靠性评估进行了一定的研究。文献 ces,SAIDI)、用户平均停电持续时间(costumer [2]量化分析了各种参数下WTG的数量和风电 average interruption duration indices,CAIDI)和平 场对系统可靠性增益的影响。文献[3]建立了以 均供电可用率指标(average service availability in. 风电场作为分布式电源的概率模型,能够计算系 dices,ASAI)可以由上述3种可靠性指标计算得 统可靠性的SAIDI指标,但在计算负荷点的可靠 到。可靠性成本/效益指标,如期望缺电量(ex- 性方面仍有欠缺。文献[4]深入讨论了分布式电 pected energy not supply)、期望停电成本(expected 源在配电网中的接入位置和注入容量问题。 interruption cost)和缺电损失评价率(interruption 文献[5]采用区间算法计算了分布式电源接人后 energy assessment rate)也可以从这3个指标计算 的配电网可靠性指标。文献[6、7]提出了几种接 得到。 入WTG后对配电系统可靠性评估的方法,但未 2分布式电源具有的特点及分类 收稿日期:2012-01.11 分布式电源是区别于传统集中发电、远距离 Sichuan Water Power圈 李翔等:计及气候、含风力发电的配电系统可靠性评估研究 2012年第2期 传输和大互联网络的发电形式,它与传统电源相 比,具有以下特点¨引:节能效果好;环保性能好; 节省管网和输配电投资;能够满足用户的多样化 需求;供电可靠性好等。就我国目前的情况而言, 随着我国燃料结构的变化和高峰期电力负荷越来 越大,有必要加快发展分布式电源、优化供电模式 和保障供电安全。 DG按容量分类可以分为总容量为数十兆瓦 的微型电厂和数千瓦至数兆瓦的分布式电源;按 使用能源分类可以分为可再生能源、清洁的不可 再生能源和氢气化学反应等;可再生能源包括太 阳能、水力、风能、地热和生物质能等;清洁的不可 再生能源如天然气、氢气化学反应如燃料电池等; 按使用发电机类型分类可以分为同步发电机和异 步发电机;按接入电网方式可以分为旋转型接入 和通过逆变器接人;按是否反送功率可以分为经 电网接人点向电网反送功率和不经电网接入点向 电网反送功率。 根据我国国情,“小机组”、“小火电”和“小热 0 A ., 电”也可以属于分布式电源的范畴,但与现代分 + 8 布式发电技术不在同一层面上,由于其技术经济 × 性能与环境性能不好将逐渐被淘汰,取而代之的 + 是在新能源领域相对成熟、经济指标逐渐接近清 C × 洁煤发电的风力发电技术。 \, 3风力发电机的可靠性模型 P 随着风力发电技术的不断发展,发电成本大 幅降低,风力发电已经成为水电和火电的有力补 充,已成为目前新能源开发中最成熟、最具规模化 商业开发前景的发电方式之一。 在标准空气密度条件下,风电机组的输出功 率与风速的关系曲线称为风机的标准功率特性曲 线,而在实际安装后,风电机组的输出功率与风速 的关系曲线被称为风电机组的实际输出功率特性 曲线¨ ,如图1所示。 由图1可以看出,在切入风速(约介于2.5~ 4 m/s)以下时,风力发电机保持在停机状态,一旦 开始运行,输出功率在达到额定值前与风速近似 成一次函数关系直到额定风速(约介于12~15 m/s)。超过额定风速后,基于空气动力学设计的 风轮被设定成能够从风中析取的机械功率, 从而降低传动轴系的机械负载;最后,在非常高的 风速下,风力发电机停机,该风速即为切出风速 圆Sichuan Water Power (约介于20—25 m/s)。 输出功率 额定功率 切入风速 / 额定风速 切出风速 风速 图1 风电机组标准功率特性曲线图 风电机组的实际输出功率特性曲线关系可 由式(1)近似表示 : 0≤ £≤ Vci< ‘≤ r P = (1), 、 Vr<V£≤VcD t> ∞ 式中P 为t时刻机组出力; 为t时刻风速; V,、Yco分别表示风电机组的切入风速、额定风速和 切出风速;P,为风电机组额定功率;A、B和c为 参数,其值可由式(2)表达: A= Vei+Vr)-4 [ n B= {4(Vci+Vr)[ 『_(3Vci@Vr)) (2) c= {2-4[ 】 ) 4含有DG的配电网孤岛划分算法 DG的接入改变了配电网辐射状的结构,同 时也改变了配电网的潮流,它使得传统的单电源 辐射状配电网变成了一个遍布电源和负荷的多电 源系统。当包含DG的配电网与主配电网分离 后,仍可继续向其所在的配电网供电,就成为 孤岛。 配电网故障后的孤岛划分方案是根据故障点 的位置和故障前配电网的实际运行情况动态生成 的。根据负荷重要程度的不同,我们对负荷赋予 不同的权重系数,并根据负荷的不同重要性确定 各负荷的权重系数 (i)。由此可以定义等值有 效负荷为负荷大小与负荷权重系数的乘积。在形 成孤岛后,需要孤岛划分的目标是使岛内所包含 O 第31卷总第151期 四川水力发电 2012年4月 负荷点的有效负荷之和最大,并可以用式(3)表 望持续时间;s为恶劣天气的期望持续时间;A 为 示其数学模型: maxL =max 边界条件为: 考虑了气候因素的平均故障率[18]。因此,元件 ( )Ln(i) (3) 的故障率可以表示为: L (i)≤PDG I∈上, A =( )A+( )A (5) 设:恶劣天气下发生故障的几率0≤F≤1,则 ∈D (4) 区域D连通 i∈D 式中 为DG所在馈线的编号;D为孤岛内所有 负荷点 。(i)组成的区域;P叩为DG的额定容量; 。(i)为负荷点i处负荷的大小; (i)为负荷的重 要程度系数,一类、二类和三类负荷的重要程度系 数分别为0.5、0.3和0.2。 对于模型的求解,文献[16]提出了功率圆的 概念。功率圆的定义为:以DG所在馈线的负荷 点为圆心,沿着网络拓扑方向,以DG的额定容量 为半径搜索负荷,该圆内包含的负荷点集合称为 功率圆。因此,只要负荷点沿着网络拓扑线路到 圆心的负荷值之和小于DG的额定容量,则该负 荷点必在功率圆内。笔者在文中采取文献[16] 中采用的广度优先搜索法来确定功率圆的范围。 从DG所在馈线的负荷点 (i)出发,首先访问与 负荷点L (i)相连的所有支路,然后访问下层支 路,在满足边界条件的范围内,遍历功率圆图,这 样可以快速进行复杂配电网的功率圆确定。确定 功率圆之后,在满足孤岛对区域D连通性的要求 的前提下,首先从DG所在馈线的负荷点 (i)出 发,访问此顶点,然后依次从 。(i)的未被访问的 邻接点出发,在满足边界条件的范围内,遍历功率 圆图,直至目标函数达到最大值。 5气候模型的建立 配电线路长期在户外运行,而风电机也处于 露天环境中工作,因此,气候变化对于暴露于户外 的元件故障率影响非常大。按IEEE346标准¨ , 将天气分为三类:正常天气(norma1)、恶劣天气 (adverse)、大灾害天气(major storm disaster)。由 于大灾害天气出现的机会极小,而且系统的建模、 数据收集、数据处理等困难,我们可以将三类情况 合并为正常和恶劣两种情况,并用随机的持续时 间期望进行描述。令A和A 分别为元件在正常 天气和恶劣天气时的故障率;N为正常天气的期 由式(5)可知: A ( )F A ( )(1_F) (6) 考虑到维修工作人员的安全,假设恶劣天气 条件下不进行维修,则折算后的系统等效故障率 A。和等效停运时间r 公式如下: [ z +r2)+ ( A2r r2)] 日 =‘ [2A 1A 2Js+A1A 2.s+A1A 2rl+A 1A,21 A =A +曰 rP = ×× ++ I( +5)J 式中A 、曰 分别为正常与恶劣天气下孤岛内第 k段主馈线的故障率;A 、r 分别为DG的故障率 和平均停电持续时间;A 、r:分别为第k段主馈线 的故障率与平均停电持续时间。 6结语 随着常规能源的衰竭、环境污染的加剧和全 球气候的变暖,人们越来越多的认识到清洁能源 的重要性。风力发电凭借其无污染、发电灵活等 优势迅速崭露头角。然而,如何安全、可靠地接入 分布式电源亦是电网发展面临的一大挑战。在考 虑气候因素的情况下,为配电系统接入WTG作 为分布式电源不仅需要考虑风机性能特性、DG 接人后的孤岛作用,还需要计算气候因素对配电 系统元件故障率的影响。 笔者在文中只是简单地将气候类型分为正常 和恶劣两种,但气候的形式多种多样,许多都能导 致配电系统元件故障率增大,综合考虑各种气候 因素的相互作用将使问题变得十分复杂。事实 上,在线路参数受气候条件影响的同时,风机的输 入输出也遭遇到气候变化的影响,两者的可靠性 模型应当是以气候条件为共同变量的复杂模型。 因此,对以风力发电机作为分布式电源的配电系 统的可靠性评估研究可以在这个方向上做进一步 Siehuan Water Power皿 李翔等:计及气候、含风力发电的配电系统可靠性评估研究 2012年第2期 of distribution systems incorporating time—-varying weather con 的深入。 参考文献: [1]钱科军,袁[2]越,分布式发电对配电网可靠性的影响研究 [J].电网技术,2008,32(11):74—78. Peng Wang,Roy Billinton.Reliability benefit analysis of adding WTG to a distirbution system[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2001,16(2):134—139. ditions and restoration resources[J],IEEE Transactions on Power Delivery,2002,17(1):260—265. [11]Y.J.Zhou,A.Pahwa,S.S.Yang,Modeling Weather— related failures of overhead distirbution lines[J],IEEE Trans actions on Power Systems,2006,21(4):1683—1690. [12]Allen R N,Billonton R.Sjariel I,et al A relibilaity test sys— tem for educational proposes basic distibutrion system data and [3] Yasser M A,Ehab F E.Reliability evaluation for distirbution system with renewable distirbuted generation during islanded results[J].IEEE Transactions On Power System,1991,6 (2):813—820. mode of operation[J].IEEE Trans on Power Systems,2009, 24(2):572—581. [13]杨素萍,赵永亮,奕风奎,等.分布式发电技术及其在国 外的发展状况[J].电力需求侧管理,2006,8(2):57— 6o. [4] 王志群,朱守真,分布式发电接入位置和注入容量的 研究[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(1):53— 58. [14]王承煦.风力发电实用技术[M].北京:金盾出版社, 北,张鸿雁,杨丽徙.基于区间数和价值理 1999. [5]郑彦芹,娄论的配电网可靠性评估[J].电力系统保护与控制,2008, 36(18):19—23. [15]Givelberg M,Lysenko F,Zelichonok R.Zero sequence direc— tional earth—fault protection with improved characteristics for [6]Ehsani A,Fotuhi M,Abbaspour A,et a1.An analytical meth- 0d for the reliability evaluation of wind energy systems[c]. IEEE TENCON 2005.Melbourne,Australia:IEEE,2005. compensated distribution networks[J].Electirc Power Systems Research,1999,51(3):217—222. [16]刘传铨,张焰.计及分布式电源的配电网供电可靠性 [7] Suehitra G,Jangamshetti S H.Reliability evaluation of wind power in noah Karnataka,India—a case study[C].Interna— tional Conference on Sustainable Energy Technologies.Singa- [J].电力系统自动化.2007,31(22):46—49. [17]IEEE Std 346—1973 Terms for reporting and analyzing outa— ges of electrical transmission and distribution facilities and nter- ruptions to customer service.1973. pore:IA/PELS Joint Chapter,IEEE Singapore Section,2008. [8]Charles W R,Richard D C,Vito J L,distirbution system relia— bility assessment due to lightning storms[J],IEEE Transac・ tions on Power Delivery,2005,20(3):2153—2159. [18]朱金花.含风力发电的配电系统可靠性评估研究[D].浙 江大学电气工程学院,2006.35—37. 作者简介: [9] R.Billinton and J.R.Acharya,Weather—based distribution system relibiality evaluation[J],IEE Proceedings—Genera— tion,Trnsmiassion and Distirbution,2006,153(5):499— 506. 李翔(1987-),男,四川成都人,在读硕士研究生,研究方向:配 电系统可靠性评估; 李华强(1965一),男,北京市人,教授,博士,从事电压稳定及无功 优化问题研究. (责任编辑:李燕辉) [10]P.Wang and R,Billinton,Reliability cost/worth assessment .;IL.1‘ ‘ .‘IL 龇.S止 —; .址 . L .址 (上接第213页) 4结语 [1] 劳丽,展锦程.电厂标识系统KKS编码工程实施[M] 北 京:中国水利水电出版社,2009. 对于电厂编码系统的设计,KKS编码自身具 有很多优点,灵活性也较强,便于后续添加和维 护,是一种很好的编码方式。KKS编码规范可以 [2] 电厂标识系统编码标准,GB/T 50549—2010[S]. [3] 方涛,董军,全玲玲.发电厂标识系统的应用[J].热力 发电,2009,38(5):104—107. [4] 任振伟.KKS电厂标识系统的应用[J].山东电力高等专科 学校学报,2004,7(3):22—24. 在标准规范的基础上制定切合实际的标准,但必 须设计一套统一的编码标准。KKS编码工作是 一[5] 胡向岚.KKS编码在水电厂点检管理中的应用[J].中国农 村水利水电,2007,3(2):75—77. 作者简介: 项庞大而复杂的过程,在实施过程中,需要设计 单位、电厂、第三方通力合作才能完成。KKS编 码系统在电厂信息化建设方面极为方便,随着时 间的推移,将会有越来越多的电厂应用KKS编码 系统。 参考文献: 焦学林(1987一),男,四川广元人,助理工程师,学士,研究方向:水 电厂自动化; 玄利鹏(1979一),男,黑龙江佳木斯人,工程师,工程硕士,研究方 向:水电厂自动化. (责任编辑:李燕辉) 圃Sichuan Water Power