本發(fā)明屬于微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)帶來多方面的收益。囿于現(xiàn)階段微型電源制造工藝和技術(shù)水平的限制，微電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢并不能體現(xiàn)，提高供電可靠性方面的優(yōu)勢是推動(dòng)微電網(wǎng)研究的主要?jiǎng)恿?。微電網(wǎng)中高故障率電力電子器件以及不完善的保護(hù)方案會(huì)對系統(tǒng)供電可靠性產(chǎn)生消極影響。目前涉及網(wǎng)內(nèi)元件故障對微電網(wǎng)可靠性影響的評(píng)估方法，大多采用基于馬爾科夫鏈的序貫蒙特卡洛方法，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程來確定網(wǎng)內(nèi)元件的工作狀態(tài)，通過時(shí)序仿真獲得評(píng)估結(jié)果，而保護(hù)方案不完善導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作為供電可靠性帶來的不良影響通常被忽略。同時(shí)，現(xiàn)有的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型顯然忽略了運(yùn)行條件對元件故障概率帶來的影響。

微電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)與光伏系統(tǒng)的發(fā)電具有隨機(jī)性，儲(chǔ)能裝置可以工作在充電和放電兩種模式下，微電網(wǎng)存在并網(wǎng)和孤島兩類工作模式，因而微電網(wǎng)的運(yùn)行條件相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)更為多變。儲(chǔ)能裝置因其出力多樣可控的特點(diǎn)，在微電網(wǎng)中承擔(dān)重要的作用，對微電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行狀況具有重要的影響，因此其控制策略是可靠性評(píng)估中不可忽略的問題。此外，運(yùn)行條件的多變性為微電網(wǎng)繼電保護(hù)方案帶來了新的挑戰(zhàn)，常規(guī)的保護(hù)方法失效概率很高；微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了電力電子器件的大量使用，高故障率的電力變換電路成為可靠性評(píng)估中不可忽略的影響因素。

由此可見，考慮微電網(wǎng)運(yùn)行條件和微電源控制策略的可靠性評(píng)估方法，對微電網(wǎng)的可靠性評(píng)估具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)行條件相依的微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地評(píng)估微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種運(yùn)行條件相依的微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，包括以下步驟：

(1)處理原始數(shù)據(jù)，得到由至少一個(gè)數(shù)據(jù)變量表示的場景，確定各場景下微電源的出力值；

(2)求各場景下微電源的出力值與負(fù)荷需求之差，得到微電網(wǎng)的功率差值；再根據(jù)儲(chǔ)能裝置控制策略，確定儲(chǔ)能裝置的充放電功率；

(3)對各場景下的微電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到各場景下微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和電流分布；

(4)基于步驟(3)中潮流計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)微電網(wǎng)中電力電子器件故障模型、電力變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型，計(jì)算各類故障條件相依的發(fā)生概率；

(5)枚舉各類故障，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)切負(fù)荷策略，評(píng)估故障對可靠性指標(biāo)造成的影響；

(6)對所述步驟(5)所得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得微電網(wǎng)年度可靠性指標(biāo)。

所述原始數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)。

所述氣象數(shù)據(jù)包括溫度、光照強(qiáng)度和風(fēng)速。

所述處理原始數(shù)據(jù)包括采用網(wǎng)格法對以分鐘為單位的氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減；將溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速繪制為三維圖形，以小時(shí)為單位進(jìn)行采樣，選取三維空間幾何中心數(shù)據(jù)作為氣象數(shù)據(jù)的場景采樣值；選取各小時(shí)內(nèi)的負(fù)荷需求均值作為負(fù)荷需求的場景采樣值。

所述儲(chǔ)能裝置控制策略為：將儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)SOC分為不同的等級(jí)，設(shè)置對應(yīng)的最大充放電功率；在可再生微電源的出力值大于或等于負(fù)荷需求的情況下，由可再生微電源為負(fù)荷供電；在可再生微電源的出力值小于負(fù)荷需求的情況下，若當(dāng)前場景下，微電網(wǎng)的功率差值的絕對值小于對應(yīng)的最大充放電功率，則優(yōu)先使用可再生微電源出力為負(fù)荷供電，由儲(chǔ)能裝置填補(bǔ)負(fù)荷需求的剩余值，否則由儲(chǔ)能裝置按照當(dāng)前場景下的荷電狀態(tài)SOC對應(yīng)的最大充放電功率參與供電，不足部分由主網(wǎng)供給或進(jìn)行切負(fù)荷。

所述步驟(3)中對各場景下的微電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算采用的方法為前推回代法。

所述電力電子器件故障模型如下：

λ_I＝xλ_Diode+yλ_IGBT

其中：λ_i表示單個(gè)電力電子器件的故障率；

λ_b、R_ja分別表示電力電子器件的基礎(chǔ)故障率與結(jié)殼熱阻抗；

π_T(i)表示場景i中影響器件故障率的溫度因子；

c為其他不受場景變化影響的故障率影響因子；

T_j(i)、T_C(i)分別表示場景i下器件的結(jié)溫和環(huán)境溫度；

P_loss.i為場景i下器件的功率損耗；

λ_I、λ_Diode、λ_IGBT分別代表整個(gè)電力變換電路、電路中單個(gè)二極管和IGBT器件的故障概率；

x、y分別為電路中二極管與IGBT的個(gè)數(shù)。

所述保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型如下：

其中：λ(i)表示保護(hù)裝置動(dòng)作的概率；

P(I)表示保護(hù)裝置動(dòng)作的概率；

P(I_i)為場景i下保護(hù)裝置動(dòng)作的概率；

λ₀為保護(hù)裝置固有的故障概率；

Δt為采樣時(shí)間間隔；

γ表示由保護(hù)方案失效導(dǎo)致的保護(hù)裝置不正確動(dòng)作概率；

I為線路潮流值；

I_op表示保護(hù)裝置動(dòng)作值。

步驟(5)中所述經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)切負(fù)荷策略為：

其中：表示在微電網(wǎng)運(yùn)行場景i下，負(fù)荷點(diǎn)a與微電源b之間是否存在供求關(guān)系，取值1表示存在，取值0表示不存在；

Z_ab表示負(fù)荷點(diǎn)a與微電源b之間的線路阻抗值；

P_i表示微電源在場景i下的出力之和；

P_lda表示負(fù)荷點(diǎn)a的功率值；

m，n分別表示負(fù)荷點(diǎn)與微電源的個(gè)數(shù)。

步驟(6)中的所述年度可靠性指標(biāo)包括：系統(tǒng)年平均停運(yùn)頻率、系統(tǒng)年平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間和系統(tǒng)年平均缺電量。

由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明量化了運(yùn)行條件對微電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的影響；采用時(shí)序場景分析技術(shù)，從運(yùn)行條件對微電網(wǎng)內(nèi)元件停運(yùn)概率的影響出發(fā)，使評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確，具有更高的工程意義。

(2)本發(fā)明選擇網(wǎng)格法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行削減，在保證評(píng)估精度不減的前提下，大大減小了評(píng)估算法的計(jì)算量，提升了評(píng)估效率。

(3)本發(fā)明考慮儲(chǔ)能裝置對微電網(wǎng)運(yùn)行狀況的影響，根據(jù)線路中負(fù)荷需求、不可控微電源出力情況及儲(chǔ)能裝置使用壽命限制，依據(jù)儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)確定儲(chǔ)能裝置的充放電功率，使得可靠性評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確、全面。

(4)一旦元件發(fā)生故障，本發(fā)明根據(jù)儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)SOC值，采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的切負(fù)荷策略來評(píng)估故障對微電網(wǎng)供電可靠性的影響，全面考慮了能夠?qū)煽啃栽u(píng)估結(jié)果造成較大影響的各個(gè)方面，使評(píng)估方法更加完善，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中運(yùn)行條件相依的微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法的流程圖；

圖2為實(shí)施例中采用網(wǎng)格法進(jìn)行場景削減的原理圖；

圖3為一實(shí)施例中電力變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖4為實(shí)施例中保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明提出了一種運(yùn)行條件相依的微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法。風(fēng)機(jī)與光伏為微電網(wǎng)中典型的微電源，其存在使得微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)與氣象因素緊密相關(guān)，具有極大的不確定性，而微電網(wǎng)中元件的可靠性與運(yùn)行狀態(tài)緊密相依。為量化分析運(yùn)行條件變化對系統(tǒng)可靠性帶來的影響，本發(fā)明使用場景分析技術(shù)對微電網(wǎng)運(yùn)行條件進(jìn)行分析，為微電網(wǎng)內(nèi)元件建立運(yùn)行條件相依的故障概率模型，對微電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

本實(shí)施例中，該運(yùn)行條件相依的微電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法(圖1為其流程圖)包括以下步驟：

(1)處理已經(jīng)采集好的原始數(shù)據(jù)，得到由至少一個(gè)數(shù)據(jù)變量表示的場景，確定各場景下微電源的出力值。

該原始數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，該氣象數(shù)據(jù)包括溫度(E)、光照強(qiáng)度(S)和風(fēng)速(V)，負(fù)荷數(shù)據(jù)包括負(fù)荷需求(P_l)。本實(shí)施例中，采用網(wǎng)格法對海量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將以分鐘為單位的氣象數(shù)據(jù)與負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減，將溫度(E)、光照強(qiáng)度(S)、風(fēng)速(V)三類氣象數(shù)據(jù)繪制為三維圖形，以小時(shí)為單位進(jìn)行采樣，選取三維空間幾何中心數(shù)據(jù)作為氣象數(shù)據(jù)的場景采樣值，如圖2所示，圖2中Δ符號(hào)表示對應(yīng)物理量的變化值；負(fù)荷需求(P_l)選取各小時(shí)內(nèi)均值作為其場景采樣值。由此可見，本實(shí)施例中，每個(gè)場景由對應(yīng)的溫度(E)、光照強(qiáng)度(S)、風(fēng)速(V)和負(fù)荷需求(P_l)這四個(gè)數(shù)據(jù)變量表示。

(2)求各場景下微電源的出力值與負(fù)荷需求之差，得到微電網(wǎng)的功率差值；再根據(jù)儲(chǔ)能裝置控制策略，確定儲(chǔ)能裝置的充放電功率。

步驟(2)中，微電源(本實(shí)施例中包括風(fēng)機(jī)與光伏)的出力值由已知的場景數(shù)據(jù)(E,S,V)根據(jù)微電源出力模型算得到。為了滿足微電源發(fā)電優(yōu)先供給網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的原則，同時(shí)保證儲(chǔ)能裝置的SOC(荷電狀態(tài))不越限，以最大程度延長儲(chǔ)能裝置的壽命，降低儲(chǔ)能裝置的損耗成本，上述儲(chǔ)能裝置控制策略如下：

將儲(chǔ)能裝置的SOC分為不同的等級(jí)，設(shè)置各等級(jí)對應(yīng)的最大充放電功率，如表1所示。在可再生微電源的出力值大于或等于負(fù)荷需求的情況下，由可再生微電源為負(fù)荷供電；在可再生微電源的出力值小于負(fù)荷需求的情況下，若當(dāng)前場景下，微電網(wǎng)的功率差值的絕對值小于儲(chǔ)能裝置對應(yīng)的最大充放電功率，則優(yōu)先使用可再生微電源出力為負(fù)荷供電，由儲(chǔ)能裝置填補(bǔ)負(fù)荷需求的剩余值(即負(fù)荷需求與微電源出力之差)；否則，由儲(chǔ)能裝置按照當(dāng)前場景下的SOC對應(yīng)的最大充放電功率參與供電，不足部分由主網(wǎng)供電或進(jìn)行切負(fù)荷，以達(dá)到對儲(chǔ)能電池進(jìn)行保護(hù)的目的。

(3)采用前推回代法，對各場景下的微電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到各場景下微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和電流分布。

(4)基于步驟(3)中潮流計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)微電網(wǎng)中電力電子器件故障模型、電力變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型，計(jì)算各類故障條件相依的發(fā)生概率。

其中電力電子器件故障模型為式(1)和式(2)，本實(shí)施例中的電力變換電路拓?fù)潆娐啡鐖D3所示，保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型為式(3)。

表1

λ_I＝xλ_Diode+yλ_IGBT (2)

其中，公式(1)中λ_i表示單個(gè)電力電子器件(二極管或IGBT)的故障率；

λ_b、R_ja分別表示電力電子器件的基礎(chǔ)故障率與結(jié)殼熱阻抗(手冊中可查得)；

π_T(i)表示場景i中影響器件故障率的溫度因子；

c為其他不受場景變化影響的故障率影響因子；

T_j(i)、T_C(i)分別表示場景i下器件的結(jié)溫和環(huán)境溫度；

P_loss.i為場景i下器件的功率損耗；

公式(2)中λ_I、λ_Diode、λ_IGBT分別代表整個(gè)電力變換電路、電路中單個(gè)二極管和IGBT器件的故障概率；

x、y分別為電路中二極管與IGBT的個(gè)數(shù)，本實(shí)施例中，采用現(xiàn)有技術(shù)中的典型電力變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，因而本實(shí)施例中式(2)中x、y值均取為12；

式(3)中，I為線路潮流值，I_op表示保護(hù)裝置動(dòng)作值；

λ(i)表示保護(hù)裝置動(dòng)作的概率；

P(I)表示保護(hù)裝置動(dòng)作的概率，P(I_i)為場景i下保護(hù)裝置動(dòng)作的概率；

λ₀為保護(hù)裝置固有的故障概率；

Δt為采樣時(shí)間間隔；

γ表示由保護(hù)方案失效導(dǎo)致的保護(hù)裝置不正確動(dòng)作概率。

式(1)、(2)為運(yùn)行條件相依的變流電路故障模型，可以求出任意場景下微電網(wǎng)內(nèi)變流器電路的故障概率；式(3)為考慮了保護(hù)方案失效影響的保護(hù)裝置動(dòng)作模型，可以獲得任意場景下保護(hù)裝置的動(dòng)作概率。

式(1)-式(2)所建模型，通過結(jié)溫T_j(i)這一參數(shù)，將電力電子器件的故障率與微電網(wǎng)的運(yùn)行條件聯(lián)系在一起；式(2)中器件的功率損耗，可由步驟(3)中潮流計(jì)算結(jié)果運(yùn)算得到，計(jì)算公式可參照相關(guān)電力電子文獻(xiàn)。式(3)所搭建的保護(hù)裝置動(dòng)作概率模型，可結(jié)合圖4進(jìn)行說明(I_N與I_S分別表示保護(hù)裝置所在線路的額定電流與短路電流值)。圖4所示為保護(hù)裝置動(dòng)作值的概率分布曲線，概率分布函數(shù)為一截尾正態(tài)分布函數(shù)，表達(dá)式為：

式中：I_op、I_set分別表示保護(hù)裝置的動(dòng)作值與整定值；

δ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差；

是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

由概率論知識(shí)可以獲得P(I_i)的計(jì)算公式如式(3)中所述，考慮到微電網(wǎng)保護(hù)方案失效及保護(hù)裝置自身故障帶來的不正確動(dòng)作影響，式(3)中含有λ₀、γ兩項(xiàng)，二者可以由電網(wǎng)運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。

(5)枚舉各類故障，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)切負(fù)荷策略，評(píng)估故障對可靠性指標(biāo)造成的影響。

本實(shí)施例中，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)切負(fù)荷策略為：

式中，表示在微電網(wǎng)運(yùn)行場景i下，負(fù)荷點(diǎn)a與微電源b之間是否存在供求關(guān)系，取值1表示存在，取值0表示不存在；

Z_ab表示負(fù)荷點(diǎn)a與微電源b之間的線路阻抗值，P_i表示微電源在場景i下的出力之和；

P_lda表示負(fù)荷點(diǎn)a的功率值，m，n分別表示負(fù)荷點(diǎn)與微電源的個(gè)數(shù)；

式中s.t.是一種數(shù)學(xué)描述，是subject to的縮寫，表示“受約束于”的含義，這個(gè)公式即為切負(fù)荷策略。按照公式所示原則，在滿足不等式前提下，令min式最小，即為切負(fù)荷策略。

由式(5)可以看出，本實(shí)施例所指定的切負(fù)荷策略的目標(biāo)為，使微電源優(yōu)先為電氣距離近的負(fù)荷供電，以減少電能在線路上的損耗，保證經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

(6)判斷是否遍歷所有場景，如果否，則從步驟(2)開始對未評(píng)估的場景進(jìn)行步驟(2)到步驟(5)的運(yùn)算；在遍歷結(jié)束后，計(jì)算微電網(wǎng)的年度可靠性指標(biāo)。

本實(shí)施例中，年度可靠性指標(biāo)包括系統(tǒng)年平均停運(yùn)頻率(SAIFI)、系統(tǒng)年平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間(SAIDI)和系統(tǒng)年平均缺電量(ENS)。

對改進(jìn)的IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會(huì))可靠性測試算例應(yīng)用本可靠性評(píng)估方法，仿真計(jì)算結(jié)果表明，本發(fā)明在提高算法速度與評(píng)估結(jié)果高效性上具有顯著優(yōu)勢，對各種不同結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)，均可依據(jù)本發(fā)明對其進(jìn)行運(yùn)行條件相依的可靠性評(píng)估，證明了本發(fā)明的通用性。

本發(fā)明量化了運(yùn)行條件對微電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的影響；采用時(shí)序場景分析技術(shù)，從運(yùn)行條件對微電網(wǎng)內(nèi)元件停運(yùn)概率的影響出發(fā)，使評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確，具有更高的工程意義。本發(fā)明選擇網(wǎng)格法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行削減，在保證評(píng)估精度不減的前提下，大大減小了評(píng)估算法的計(jì)算量，提升了評(píng)估效率。本發(fā)明考慮儲(chǔ)能裝置對微電網(wǎng)運(yùn)行狀況的影響，根據(jù)線路中負(fù)荷需求、不可控微電源出力情況及儲(chǔ)能裝置使用壽命限制，依據(jù)儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)，確定儲(chǔ)能裝置的充放電功率，使得可靠性評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確、全面。一旦元件發(fā)生故障，本發(fā)明采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的切負(fù)荷策略來評(píng)估故障對微電網(wǎng)供電可靠性的影響，全面考慮了能夠?qū)煽啃栽u(píng)估結(jié)果造成較大影響的各個(gè)方面，使評(píng)估方法更加完善，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。