龔小雪，程浩忠，陳 楷，李子韻

（1.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.南京供電公司，南京 210019）

微網(wǎng)（micro grid），也稱微電網(wǎng)，是將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶供給電能和熱能。微網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開孤島運(yùn)行[1，2]。按照范圍、大小和所有權(quán)不同，微網(wǎng)具有多種形式，可以分為單元級(jí)，多單元級(jí)、饋線級(jí)和變電站級(jí)[3]。

微網(wǎng)采用了大量先進(jìn)的現(xiàn)代電力技術(shù)，如快速的電力電子開關(guān)與先進(jìn)的變流技術(shù)、高效的新型電源及多樣化的儲(chǔ)能裝置等，可以提高重要負(fù)荷的供電可靠性、滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求、更好地發(fā)揮分布式電源的作用。微網(wǎng)通過一個(gè)公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）與大電網(wǎng)連接，它可以看作電網(wǎng)中一個(gè)可控的單元，可以在數(shù)秒內(nèi)反應(yīng)來滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求；對(duì)于用戶來說，微網(wǎng)可以滿足他們特定的需求，增加本地可靠性，降低饋線損耗，保持本地電壓，通過利用余熱提供更高的效率，保證電壓降的修正或者提供不間斷電源。目前對(duì)微網(wǎng)的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，其主要研究方向包括微網(wǎng)系統(tǒng)中的并網(wǎng)、保護(hù)與通信技術(shù)、微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制與能量管理、系統(tǒng)建模與仿真等[4]。隨著微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，它將成為可再生能源綜合利用最有效的方式。

文獻(xiàn) [5]針對(duì)不同負(fù)荷密度和不同變壓器容量、臺(tái)數(shù)的組合，對(duì)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性和經(jīng)濟(jì)性的定量分析比較研究；文獻(xiàn)[6]從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、網(wǎng)損率和母線電壓水平等方面對(duì)城市中壓10 kV配電網(wǎng)絡(luò)常用接線模式進(jìn)行了分析比較和研究；文獻(xiàn)[7]引入分布式電源以后，結(jié)合配電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式，對(duì)傳統(tǒng)可靠性計(jì)算中的最小路法進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于含分布式電源的配電網(wǎng)供電可靠性分析計(jì)算。文獻(xiàn)[8]建立了接線模式對(duì)比因素體系和研究思路，并構(gòu)建了理論分析模型。從可靠性、電壓質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性等角度全面分析和對(duì)比各類城市中壓配電網(wǎng)典型接線模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行人員提供了實(shí)際指導(dǎo)。

上述文獻(xiàn)通過建立評(píng)估模型，從不同角度比較了城市配電網(wǎng)接線模式的差異，并提出了不同接線模式適用的供電區(qū)域，但均未涉及微網(wǎng)的加入對(duì)接線模式的影響。微網(wǎng)作為配電網(wǎng)的一部分，隨著其數(shù)量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，會(huì)影響配電網(wǎng)的規(guī)劃，而其中對(duì)接線模式的影響將是一個(gè)非常重要的方面。為此，本文結(jié)合微網(wǎng)的特性，考慮基于微網(wǎng)的配電網(wǎng)接線模式研究，對(duì)典型接線模式進(jìn)行定量分析，提出符合微網(wǎng)供電要求的接線模式及微網(wǎng)接入方式的相關(guān)建議。

1 典型配電網(wǎng)接線模式分析

配電網(wǎng)接線模式類型多樣，各種結(jié)構(gòu)有其各自的使用條件、應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)要充分考慮安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、操作靈活性及可發(fā)展性等多個(gè)因素。常見的配電網(wǎng)接線模式包括輻射狀結(jié)構(gòu)、不同母線出線的環(huán)式接線、不同母線出線連接開關(guān)站接線、中介點(diǎn)放射狀、T型接線，“3-1”主備接線等多種模式[9]。本文考慮到微網(wǎng)用戶大多作為重要電力負(fù)荷往往處于城市中心，這里選取幾種典型中壓配電網(wǎng)的接線模式進(jìn)行分析。

1.1 單電源輻射接線

如圖1所示，單電源輻射接線的優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)，配電線路較短，投資小，新增負(fù)荷時(shí)連接也比較方便，但其缺點(diǎn)主要是線路故障會(huì)導(dǎo)致全線停電，當(dāng)電源故障時(shí)也將導(dǎo)致全線癱瘓。故障影響時(shí)間長、范圍較大，供電可靠性較差。

圖1 單電源輻射狀接線Fig.1 Radial connection mode of single power source

如果在含微網(wǎng)的配電網(wǎng)規(guī)劃中使用該接線結(jié)構(gòu)，那么微網(wǎng)的接入形式可以是圖1中所示的任意一個(gè)或多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)（圖中MG表示可以形成微網(wǎng)的負(fù)荷點(diǎn)）。此時(shí)該結(jié)構(gòu)不但具有傳統(tǒng)輻射狀接線模式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以通過微網(wǎng)的孤島運(yùn)行能力，提高微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的供電可靠性。

1.2 不同母線環(huán)式接線

圖2所示為不同母線（變電站）出線的環(huán)式接線，在兩回線路的末端設(shè)置一聯(lián)絡(luò)開關(guān)，每回線路的負(fù)載率為50%。這種接線模式適用于負(fù)荷密度較大且供電可靠性要求高的城區(qū)供電，其最大優(yōu)點(diǎn)是可靠性比單電源輻射接線模式大大提高，接線清晰，運(yùn)行比較靈活。

圖2 不同母線環(huán)式接線Fig.2 Ring connection of different bus

結(jié)合微網(wǎng)的接入及合理的控制，可靠性必然可以得到進(jìn)一步提升，但因?yàn)槠渚€路利用率較低，線路投資原本就比單電源輻射接線大的情況下，加上微網(wǎng)的相關(guān)投資費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，所以在具體選擇的時(shí)候需要視情況綜合考慮是否選擇該接線。

1.3 不同母線出線連接開關(guān)站接線

雙電源出線連接開關(guān)站接線，開關(guān)站兩回進(jìn)線互為備用，其出線可根據(jù)用戶的實(shí)際要求選擇是否采用雙電源供電。此接線主要應(yīng)用于負(fù)荷中心距電源較遠(yuǎn)、出線較多、線路走廊困難的情況。特殊情況下，開關(guān)站出線間也可以形成小環(huán)網(wǎng)，進(jìn)一步提高可靠性，如圖3所示。

如果在使用這一接線模式的供電區(qū)域中結(jié)合微網(wǎng)，可靠性進(jìn)一步提高，并且其投資相比不同母線出線的環(huán)式接線相差不大。由于開關(guān)站出線可以呈放射狀，也可以形成小環(huán)網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)簡單靈活，可靠性也能得到保障，因此該接線模式也具有廣闊的應(yīng)用空間。

圖3 不同母線出線連接開關(guān)站接線Fig.3 Switch substation connection of different bus

2 可靠性評(píng)估指標(biāo)及方法

2.1 可靠性評(píng)估指標(biāo)

常用的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)有：系統(tǒng)平均供電可用率（average service availability index，ASAI）、系統(tǒng)平均斷電頻率指標(biāo)（system average interruption frequency index，SAIFI）、系統(tǒng)平均斷電持續(xù)時(shí)間（system average interruption duration index，SAIDI）等[10，11]。傳統(tǒng)的指標(biāo)計(jì)算中若負(fù)荷點(diǎn)i故障，則該點(diǎn)的用戶數(shù)全部停電，然而若該處形成微網(wǎng)，由于其孤島運(yùn)行能力，保證一部分重要負(fù)荷繼續(xù)供電，則相應(yīng)的可靠性指標(biāo)計(jì)算公式如下。

（1）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間（h/（戶·a）），即一年中用戶的停電持續(xù)時(shí)間總和除以該年中由系統(tǒng)供電的用戶總數(shù)來估計(jì)，即

（2）系統(tǒng)平均供電可用率，即一年中用戶經(jīng)受的不停電時(shí)間總數(shù)與用戶要求的總供電時(shí)間之比，即

式中：Ui為負(fù)荷點(diǎn)i的平均停電時(shí)間；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)，ni為負(fù)荷點(diǎn)i由于微網(wǎng)接入，在i點(diǎn)故障時(shí)通過孤島運(yùn)行維持繼續(xù)供電的用戶數(shù)。那么此時(shí)負(fù)荷點(diǎn)i故障的實(shí)際停電用戶數(shù)為Ni-ni。若沒有接入微網(wǎng)，則ni=0，即為傳統(tǒng)計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的公式。

2.2 可靠性計(jì)算方法

本文基于負(fù)荷均勻分布建立模型，所分析的結(jié)構(gòu)及規(guī)模均不復(fù)雜，因此采用了解析法中的故障模式影響分析法。即以段作為負(fù)荷轉(zhuǎn)移的最小單位，以每一個(gè)線路元件為對(duì)象，分析每一個(gè)基本故障事件及其后果，然后結(jié)合元件的可靠性數(shù)據(jù)，如故障率、故障排除時(shí)間[12]等，求得所有的故障狀態(tài)，綜合形成系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。其基本步驟如下。

（1）產(chǎn)生（或枚舉）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可能的故障事件；

（2）每一個(gè)故障事件，進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的行為分析，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的失效事件集；

（3）根據(jù)所形成的“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的失效事件集”，結(jié)合元件的可靠性數(shù)據(jù)，累積形成系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

以圖1為例，假設(shè)負(fù)荷沿線路均勻分布，總用戶數(shù)為N，線路的分段數(shù)為k，則線路的用戶停電時(shí)間計(jì)算式為

式中：R為供電半徑，km；λL為線路的平均故障率，次/km·a；λb為分段開關(guān)的故障率，次/a；λMG為微網(wǎng)故障率；t0為線路的平均修復(fù)時(shí)間，h/次；t1為線路的倒閘時(shí)間h/次；t2為分段開關(guān)的修復(fù)時(shí)間，h/次；t3為微網(wǎng)故障的修復(fù)時(shí)間，h/次。

3 可靠性模型建立

為了實(shí)現(xiàn)各種接線模式并計(jì)算相應(yīng)的可靠性，實(shí)際中需要確定相應(yīng)的規(guī)劃區(qū)域及街道、負(fù)荷分布情況等。然而作為理論性分析，為計(jì)算的方便且不失一般性，做模型的以下邊界條件假設(shè)[13]。

（1）供電區(qū)域設(shè)為圓形且負(fù)荷均勻分布；

（2）電源容量及負(fù)載率。這里中壓配網(wǎng)的上級(jí)電源統(tǒng)一取110 kV變電站，容量取3×40 MVA，主變負(fù)載率為66.7%。同一方案中各個(gè)變電所的變壓器容量、臺(tái)數(shù)和負(fù)載率均相同；

（3）接線模式負(fù)載率。接線模式均取其最高負(fù)載率，單電源輻射狀接線負(fù)載率取為100%，不同母線出線的環(huán)式接線負(fù)載率取為50%，不同母線出線連接開關(guān)站接線中的開關(guān)站每回進(jìn)線負(fù)載率取為50%；

（4）變電站功率因數(shù)統(tǒng)一取為0.95；

（5）不考慮微網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，微網(wǎng)自身具有一定的故障率；各種接線模下，微網(wǎng)的容量、分布相同；

（6）不考慮微網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島運(yùn)行的時(shí)間，即可以無縫過渡；

（7）所有斷路器和聯(lián)絡(luò)開關(guān)均能成功動(dòng)作，不考慮拒動(dòng)情況；

（8）連接開關(guān)站接線中不考慮開關(guān)站出線后形成小環(huán)網(wǎng)的情況。

在以上假設(shè)條件下，形成各種接線的最優(yōu)布線，統(tǒng)一線路型號(hào)及各元件故障率，故障修復(fù)時(shí)間，通過故障模式影響分析法計(jì)算可靠性指標(biāo)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 微網(wǎng)接入容量不同

假設(shè)所有負(fù)荷點(diǎn)能均勻形成微網(wǎng)，且微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)能繼續(xù)供應(yīng)該負(fù)荷點(diǎn)15%和30%的用戶，即式（1）和式（2）中 ni分別為 15%Ni、30%Ni，根據(jù)故障后果模式分析法對(duì)上述接線模式計(jì)算結(jié)果（ASAI）如表1所示。

從表中可以看到形成微網(wǎng)后，不同接線模式的可靠性均有不同程度的提高，而且微網(wǎng)容量越大，可靠性提升越高。

保持線路和分段開關(guān)的故障率不變，如果考慮微網(wǎng)自身的故障率，則系統(tǒng)的可靠性反而可能降低，所以這就要求微網(wǎng)容量不能太小，也就是說微網(wǎng)加入后對(duì)可靠性的提升程度要大于因微網(wǎng)自身故障引起的可靠性的降低程度。

表1 不同微網(wǎng)容量下的ASAI對(duì)比Tab.1 Comparison of ASAI with different MG capacity%

假設(shè)每個(gè)微網(wǎng)綜合故障率為0.02次/a，每次修復(fù)時(shí)間為1 h，并以放射狀接線為例，帶入式（3）可以計(jì)算得出，當(dāng)ni=8.03%Ni時(shí)，其供電可用率指標(biāo)與不接入微網(wǎng)時(shí)相同?？梢姡尤胛⒕W(wǎng)的容量不能小于該值。不同接線模式的下限值不同，該值大小與微網(wǎng)數(shù)量，微網(wǎng)的故障率，修復(fù)時(shí)間相關(guān)。

4.2 微網(wǎng)接入位置不同

各種接線模式中，微網(wǎng)接入位置不同的可靠性計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中僅有MG1表示在且僅在距離母線或者開關(guān)站最近的負(fù)荷點(diǎn)形成微網(wǎng)，MG2和MG3分別表示在較遠(yuǎn)和最遠(yuǎn)處形成微網(wǎng)。

表2 微網(wǎng)接入位置不同下ASAI對(duì)比Tab.2 Comparison of ASAI with different MG position%

4.3 結(jié)果分析

從表1和表2得出以下結(jié)論。

（1）所計(jì)算的三種接線模式中放射狀接線模式可靠性最低，其次為不同母線環(huán)式接線，不同母線出線連接開關(guān)站最高。

（2）接入相同容量的微網(wǎng)，且微網(wǎng)分布方式相同的情況下，對(duì)放射狀接線的可靠性提高最為明顯。其原因是放射狀接線只能從一端獲得電源，一旦線路發(fā)生故障，其后面整條線路均失電，而微網(wǎng)接入后，通過它的孤島運(yùn)行能力使分布式電源成為了它的“備用”，從而很好地提高了其可靠性。

（3）微網(wǎng)接入容量越大，對(duì)可靠性提升越高。考慮微網(wǎng)自身的故障率，則微網(wǎng)的接入容量不能太小，從而保證其對(duì)系統(tǒng)可靠性提高程度大于因其自身故障率引起的可靠性降低程度；另外，實(shí)際中還要考慮微網(wǎng)接入的成本，同時(shí)要考慮分布式電源對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，即微網(wǎng)的滲透率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，確保配網(wǎng)的安全穩(wěn)定。最終通過綜合考慮以上因素來確定微網(wǎng)的接入容量。

（4）微網(wǎng)的接入位置對(duì)可靠性也有一定影響。對(duì)于放射狀接線，負(fù)荷均勻分布情況下，相同容量的微網(wǎng)接入距離母線較遠(yuǎn)的負(fù)荷點(diǎn)，其可靠性提高大，這是因?yàn)榉派錉罱泳€中越是線路末端故障率越高，前面任何一條線路的故障都會(huì)引起其停電。如果不考慮負(fù)荷的重要程度，那么將微網(wǎng)接入放射狀接線模式的末端性價(jià)比是最高的。

（5）同樣，在連接開關(guān)站的情況下，不考慮開關(guān)站出線形成小環(huán)網(wǎng)的情況，那么相同容量的微網(wǎng)接入距離開關(guān)站越遠(yuǎn)的負(fù)荷點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)可靠性提高越大。

（6）在環(huán)網(wǎng)接線中，微網(wǎng)的接入位置對(duì)整體可靠性影響并不明顯，其原因是任一負(fù)荷點(diǎn)均可通過聯(lián)絡(luò)線及開關(guān)倒閘從不同電源獲得供電，在這種情況下，不同位置的微網(wǎng)接入對(duì)可靠性的影響原因主要來自分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間的動(dòng)作時(shí)間差異，比如圖2中MG1處故障，MG2可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合繼續(xù)獲得供電，若MG2處故障，只需將它與MG1間的分段開關(guān)斷開，MG1可繼續(xù)獲得供電。兩者的動(dòng)作時(shí)間差相比線路修復(fù)時(shí)間小很多，固對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性影響很小。

5 結(jié)語

微網(wǎng)技術(shù)正在不斷的發(fā)展和成熟，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的接線模式是否仍然合適已經(jīng)成為配網(wǎng)規(guī)劃者備受關(guān)注的問題之一。本文從城市配網(wǎng)的接線模式出發(fā)，結(jié)合微網(wǎng)的特性，對(duì)比計(jì)算了放射狀接線、不同母線出線的環(huán)式接線和不同母線出線連接開關(guān)站的接線之間的差異。從計(jì)算結(jié)果看出盡管放射狀接線模式的可靠性最低，但其經(jīng)濟(jì)性最好，且加入微網(wǎng)后可靠性提升最明顯，其今后很可能成為含微網(wǎng)的配電網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注的接線模式。對(duì)于微網(wǎng)的接入容量，需要充分考慮微網(wǎng)自身的故障率、微網(wǎng)的造價(jià)、網(wǎng)絡(luò)安全以及期望達(dá)到的可靠性水平，共同確定微網(wǎng)的最終接入容量。同時(shí)，對(duì)于微網(wǎng)的接入位置，一方面需要考慮圍繞重要負(fù)荷來規(guī)劃，另一方面，可以考慮建在線路較長、可靠性較差的供電區(qū)域末端，從而獲得更高的性價(jià)比。

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