胡博，王昕，郑益慧，李立学，郎永波，郭远峰，徐清山

(1.上海交通大学 电工与电子技术中心, 上海 200240;2.国网吉林省电力有限公司延边供电公司，吉林 延边 133000;3.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021)

储能设备接入配电网的新运行方式及其可靠性计算

胡博1，王昕1，郑益慧1，李立学1，郎永波2，郭远峰2，徐清山3

(1.上海交通大学 电工与电子技术中心, 上海 200240;2.国网吉林省电力有限公司延边供电公司，吉林 延边 133000;3.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021)

随着越来越多的储能设备接入配电网，储能设备对配电网可靠性的影响引起人们的广泛关注。通过分析储能设备接入配电网后对配电网常用的两种保护系统的影响，提出了一种针对大量接入储能设备的、以断路器和隔离开关为保护系统的配电网的新的运行方式。当故障发生时，可以缩小故障影响范围和故障时间，从而提高配电网可靠性。文末采用混合法计算两种运行方式下IEEE-RBTS BUS 6系统不同位置负荷的可靠性参数，通过仿真运行数据可知，在储能设备接入配电网后，可以明显提升网络末端负荷的可靠性。

配电网；运行方式；可靠性；储能设备；网络等值算法

0 引 言

近年来，作为分布式发电设备的配套设施以及以powerwall、电动汽车等为代表的储能设备大量地接入配电网中，其对配电网可靠性和配电网的运行产生了越来越大的影响，因此对大量接入储能设备的配电网进行电力系统可靠性研究是一项具有巨大经济价值和重大社会意义的前沿性课题。

在配电网可靠性评估研究方面，主要方法有解析法[1]和蒙特卡洛模拟法[2]两大类。早期解析法逐个分析各故障及其后果形成可靠性指标。然而，对于现在的复杂配电网，其计算量太大，难以满足需求，因此各国学者又提出了多种简化算法，如最小路法[3]、最小割集法[4]，网络等值法[5]等。但是对于新型设备以及在利用不同概率模型求取可靠性指标时，解析法存在难以建模或无法求解的问题。模拟法是通过产生随机数模拟电网运行，并统计运行结果[6]来计算可靠性指标，对不同概率模型和含有新型设备的可靠性计算有良好的适应性，但是面对复杂配电网时，模拟法存在求解时间过长的缺点。

另一方面，随着储能设备的大量接入，在进行可靠性计算时，基于负荷完全无法自我供电的假设不复存在，因此，在计算配电网可靠性时，必须要计及接入的储能设备。为此，文献[7]针对风电场及储能设备出力的随机性，提出了风电场可靠性计算方法，但未就风机和储能设备的控制策略对风电场可靠性的影响展开进一步研究；文献[8]提出了几种考虑风机出力随机性的储能设备运行策略，并对比不同运行策略对风电场可靠性的影响，但是未考虑风机接入对配电网可靠性的影响。文献[9]提出了通过计算分布式发电设备接入不同位置所划定的孤岛运行最优范围，计算建立微网对系统可靠性的提升。但是，目前国内分布式发电设备接入容量有限，短期内电网也尚无法对分布式发电设备进行有效管理，分散接入的设备在故障条件下难以统一调控形成合理的微网。

为此，本文针对充分接入储能设备的配电网提出了一种运行方式，将储能设备作为故障发生时调整运行的临时保障措施，在故障发生时操作故障支路隔离开关和上级断路器，缩小配电网故障状态下的影响区域，减少非故障区域停电时间，提高配电网可靠性。本文采用混合法计算采用该运行策略后配电网相关节点的可靠性指标变化，验证该运行策略的合理性。

1 接入储能设备配电网新运行方式

在接入储能设备后，配电网原有的结构和运行方式将受到极大的改变。目前电网大量采用在负荷侧设置熔断器同上级断路器配合构成保护系统或是采用下级支路设置隔离开关上级设置断路器的保护系统。对于第一种保护系统，通过设置不同的动作时间在该负荷支路发生故障时，协调保护隔离故障区域。然而在接入储能设备后，这种保护系统除了有熔断器无法遥控操作、保护功能单一、智能性差等缺点，同时还会因储能设备的接入导致故障电流变化破坏重合器与熔断器之间的配合[10]，引起重合器误动或相邻线路的瞬时速断保护误动。

图1 示例配电网

以图1所示系统为例说明储能设备接入对熔断器和断路器构成的保护系统造成的影响，如在LP3处发生短路故障时，在母线上的重合器与LP3首端装设的熔断器D3配合，D1、D2、D3和重合器上流过相同的故障电流。重合器首先按照快速动作特性分闸，动作时间小于D1、D2、D3的熔断时间，熔断器D3不会熔断。随后重合器重合，如果故障为永久性故障则重合器动作，重合器按照慢速动作特性，其动作时间大于D3的熔断时间小于D2的熔断时间，因此D3先熔断，将故障隔离在LP3区域。

然而，在上游的LP1、LP2接入储能设备后，由于储能设备向短路点提供部分短路电流，因此重合器上的故障电流减少，D3上的故障电流增加。导致D3的熔断时间小于重合器的动作时间，失去配合。

如果在LP2处接入有储能设备， L3发生短路故障时，储能设备对故障处放电，D2上的故障电流减小，使保护灵敏度降低；如果在L1处发生故障时，将有反向故障电流通过D2，方向保护误动。

除了以上问题，储能设备的接入还会使故障支路持续带电，使熔断体无法更换，而将熔断器全部更换为带有方向性的断路器工程成本又太高。为此，本文提出了一种针对隔离开关和断路器组成的保护系统的运行方式，通过负荷侧隔离开关配合上级断路器，以较低成本缩小故障影响区域和故障时间。

在配电网充分接入储能设备后，储能设备可以为负荷短时供电。当大量接入储能设备时，可以采用以下运行方式缩小故障区域和故障时间。

当负荷发生故障时，断路器动作切断故障电流，储能设备为相邻未故障支路上的负荷短时供电，同时断开故障线路上的隔离开关，隔离故障支路。闭合断路器，系统恢复对未故障支路上负荷供电，故障修复后，闭合原故障支路隔离开关，系统恢复供电。如故障发生时，断路器动作失败，则受故障影响的区域和故障时间与原运行方式相同。

在此运行方式下，无故障馈线上负荷在前后两次断路器动作的短暂时间内由储能设备供电，均不发生断电情况。

2 配电网的可靠性计算

2.1 可靠性指标

负荷点可靠性指标表示配电网对负荷持续供电的能力，主要有故障率λ、故障时间r和年停电时间U，它们是某种概率分布下的期望值，反映长期的平均值。

故障率λ是一年中负荷点的故障次数，等于总故障次数除以统计年数。停电时间r是平均每次故障负荷点的停电时间，等于统计的停电时间总和除以总故障次数。年停电时间U是负荷点平均一年内的停电时间总和等于统计的总停电时间除以总年数，由概念可知λ、r、U三者满足公式(1)

(1)

2.2 复杂网络的简化

对于复杂结构的配电网，其接入的多级分支馈线可根据故障时该故障对相邻支路的影响，将下级分支馈线等效为一个负荷支路。因此可以对复杂结构的配电网逐级讨论，简化为一个等效的简单的链状网络。在求得等效网络的可靠性参数后，对于各支路，可通过讨论相邻支路故障时，故障对待求支路的影响，将相邻支路视为一个串接在待求支路首端的等效元件，逐级向下迭代，求出待求支路的负可靠性参数。

下级负荷支路等效元件的故障率,故障时间,修复时间,可根据其故障对上级支路元件的影响来求取：

(1)下级馈线首端设置有断路器，断路器有pb的可能性可靠动作，使该故障不影响上级支路，因此该下级分支的等效故障率为该分支馈线上所有元件等效故障率乘以(1-pb)如式(2)所示，下级支路的故障影响时间即为故障修复时间，断路器未可靠动作，故障修复时间即为断路器配套隔离开关的人工操作时间t1，式(2)、(3)、(4)分别为故障率λe、修复时间re、年故障时间Ue的求取公式。

(2)

(3)

(4)

(2)如果下级支路首端未设断路器，当下级分支发生故障将导致上级支路停运。因此，下级支路的等效故障率等于该支路上所有元件的故障率相加，修复时间即为隔离开关修复时间，此时故障率λe、故障修复时间re、年故障时间Ue的求取公式如式(5)、(6)、(7)。

(5)

(6)

(7)

其中当在第k个等效元件同上级支路之间设置有隔离开关时，rk0为隔离开关的人工操作时间t1，未设置隔离开关时rk0为第k个等效元件的故障修复时间rk；

2.3 复杂网络的可靠性指标求取

在完成对配电网的简化之后，可利用生成随机序列的方式模拟配电网的运行，通过统计模拟运行结果分析得各等效负荷的可靠性参数。本文认为元件的正常工作时间满足与其故障率相关的指数分布，即认为正常工作时间满足式(8)

tn=lnγ/λe

(8)

其中γ为计算机产生的随机数，用来模拟系统的实际运行。

对于首端未装设断路器的下级馈线，其故障时间即为故障支路的修复时间，其修复时间满足与其修复率相关的指数分布，即认为故障修复时间满足式(9)

t1=lnγ/μ1

(9)

其中μ1为分支馈线的等效修复率，满足式(10)

(10)

对于首端设置断路器支路，其故障时间为断路器未可靠动作时的修复时间，因此其故障时间满足式(11)

(11)

在得到各等效负荷的可靠性参数之后，可将相邻支路视为一个串接在待求支路首端的等效元件，该等效节点的可靠性参数由相邻支路故障导致待求支路停运的数据得到。再对该支路进行模拟，得到待求支路上所有节点的可靠性参数，重复模拟求取下级馈线各复合点的可靠性指标。

3 算例分析

以IEEE-RBTS Bus 6系统主馈线F4为基础[11]，线路接线如图2所示。

图2 配电网接线图

设线路的故障率取为0.05 f/a·km，每段线路修复时间均取为4 h；断路器故障率取0.002 f/a，修复时间取4 h；变压器故障率取为0.015 f/a，修复时间取为50 h；各设备的原始数据如表1、表2所示。

表1 线路参数

表2 负荷参数

经过10000年模拟，得到两种情况下的部分负荷点数据如图3、图4所示。

图3 两种运行方式故障率对比

图4 年故障时间对比

通过对图3和图4中数据分析可以发现，该运行方式下处于网络末端的22号和21号负荷的故障率和故障时间均显著减少，处于干路的2号和5号负荷故障率和故障时间有所下降但是下降不大。

4 结束语

本文通过分析储能设备接入对当前配电网常见的两种保护系统的影响，提出了一种针对储能设备充分接入情况下，由断路器和隔离开关构成的保护系统的运行方式，然后通过网络等值方法计算出新运行方式情况下的负荷点可靠性。

通过分析负荷在接入储能设备前后的可靠性数据变化，可以看出在接入储能设备后，采用前后两次操作断路器利用隔离开关减小故障区域的控制策略可以提高配电网可靠性。且该运行方式对处于网络末端的负荷的可靠性水平提高更为显著，对于干路负荷的可靠性参数的提升作用并不明显。

[ 1 ] 彭鹄，谢开贵，邵黎，等．基于开关影响范围的复杂配电网可靠性顺流评估算法[J]．电网技术，2007，31(9)：13-16．

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A New Operation Mode of Distribution Networks with Accessed Energy Storage Devices and Calculation of its Reliability

Hu Bo1, Wang Xin1, Zheng Yihui1, Li Lixue1, Lang Yongbo2, Guo Yuanfeng2, Xu Qingshan3

(1. Center of Electrical & Electronic Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Yanbian Power Supply Co., State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Yanbian Jilin 133000, China; 3. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun Jilin 130021, China)

With more and more energy storage devices accessed to distribution networks, their impact upon network reliability has aroused people's broad concern. On the basis of an analysis of the influence of energy storage devices accessed to distribution networks upon their two common protection systems, this paper presents a new operation mode for the distribution network with many accessed energy storage devices which utilizes breakers and isolating switches as its protection system. When a fault happens in this operation mode, the impact scope of faults and fault duration can be reduced to improve the reliability of the distribution network. This paper calculates reliability parameters of loads at different locations in the IEEE-RBTS BUS 6 system in the two operation modes. Simulation of operation data shows that, after connection of energy storage devices to the distribution network, the proposed operation mode can substantially improve the reliability of loads at network ends.

distribution network; operation mode; reliability; energy storage device; network equivalent algorithm

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.017

TM712

A

1000-3886(2017)04-0059-04

定稿日期: 2016-11-04

国家自然科学基金重点项目(61533012)，上海市自然科学基金(14ZR1421800)，流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金。

胡博( 1991-)，男，河南人，通信作者,硕士生，主要从事配电网可靠性计算，分布式发电设备运行和监测等方面的研究。 王昕( 1972-)，男，辽宁人, 博士，副教授，主要从事电能质量分析，负荷预测， 分布式发电设备运行和监测等方面的研究。 郑益慧( 1971-)，男,黑龙江人， 博士，教授，主要从事电能质量，智能控制技术在电力系统中应用等方面的研究。