考虑边缘电源接入的煤改电台区供电可靠性分析方法.pdf

第6 0 卷第7 期2023年7 月15 日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.7Jul.15,2023考虑边缘电源接入的煤改电台区供电可靠性分析方法张洋瑞，赵俊鹏，史轮，张冰玉（国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄0 5 0 0 0 0）摘要：随着煤改电进程的进行，煤改电台区的供电可靠性评估已成为一门重要课题。考虑煤改电台区在功率紧张时期接入边缘电源建立其供电可靠性评估模型。文中采用平均供电可用率指标建立煤改电台区计及边缘电源的供电可靠性评估指标模型；构建煤改电台区供电可靠性评估流程，建立边缘电源并网时间概率分布模型，在建立基于蒙特卡洛模拟法的煤改电台区运行状态概率评估方法的基础上给出供电可靠性评估步骤；针对一个含边缘电源接入的煤改电配电台区进行供电可靠性评估,通过两种评估场景进行供电可靠性指标评估和对比,验证了文中方法的有效性和合理性。关键词：煤改电；配电台区；供电可靠性；平均供电可用率；蒙特卡洛模拟D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.07.009中图分类号：TM93Reliability analysis method of power supply in coal-to-electricitystation considering the access of edge power supplyZhang Yangrui,Zhao Junpeng,Shi Lun,Zhang Bingyu(Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)Abstract:With the progress of coal-to-electricity project,power supply reliability evaluation of coal-to-electricity stationhas become an important topic.The power supply reliability evaluation model is established considering that the coal-to-e-lectricity station is connected to the edge power supply during the power shortage period.The evaluation index model ofpower supply reliability considering the edge power supply is established by using the average power supply availability in-dex.The evaluation process of power supply reliability in the coal-to-electricity station is constructed,and the probabilitydistribution model of the grid-connected time of the edge power supply is established.On the basis of Monte Carlo simula-tion method,the assessment steps of power supply reliability are given based on the probability evaluation method for theoperation state of the coal-to-electricity station.Finally,power supply reliability evaluation is carried out for a coal-to-e-lectricity distribution station with edge power supply access.The effectiveness and rationality of the proposed method areverified by two evaluation scenarios for power supply reliability index evaluation and comparison.Keywords:coal-to-electricity,distribution station,power supply reliability,average power supply availability,MonteCarlo simulation0引言随着能源和环境问题的日益突出，在北方地区推行煤改电进程对于提升能源利用率，降低雾霾率等指标至关重要15。在煤改电过程中，配电网台区的供电可靠性会受到何种影响是一门重要课题。随着对配电台区的煤改电进程，配电台区的供电可靠性将受到多方面的影响。一方面，电负荷的提升将增加配电台区的供电压力，短期内更容易出现功率紧张状态。另一方面，冬季负荷存在明显的高峰特性，这也将对配电台区的供电可靠性提出挑战。这些问题可以通过配电网的长期规划得到根本解决，在今后的一5 8 一文献标识码：B文章编号：10 0 1-139 0(2 0 2 3)0 7-0 0 5 8-0 5配电网台区规划中需要考虑到该区域内在未来可能发生的煤改电过程。然而在短期内，供电企业可以通过调派发电车在负荷高峰时提供供电，降低功率紧张状态提升供电可靠性。目前已有较多文献针对配电网供电可靠性评估提出模型。文献6 从多个方面对目前应用较为广泛的几个供电可靠性指标进行对比，分别分析了其优势和缺点。文献7 基于概率统计方法对低压配电网系统进行供电可靠性评估。文献8 提出的供电可靠性评估模型考虑到了系统内并网运行的分布式发电。文献9基于场景削减技术建立供电可靠性模型，主要分析(3)第6 0 卷第7 期2023年7 月15 日了风电出力不确定性对可靠性指标的影响。文献10 构建了计及微网非预定孤岛运行的配电网可靠性评估模型。文献11采用马尔科夫方法，针对含微网群并网的主动配电网可靠性评估模型。文献12 建立的供电可靠性模型还计及了不同负荷的重要程度。文献13则是采用蒙特卡洛模拟法对光伏出力和用户负荷水平进行模拟,进而求解供电可靠性指标。然而目前还很少有文献在建立配电网供电可靠评估模型时针对包含煤改电台区的配电网，也很少有文献计及边缘电源的并网接人对可靠性指标的影响。文中以配电系统的可靠性参数为参考，分析煤改电过程的加入对于配电网用户和系统可靠性的改善程度，并计及包括发电车在内的边缘电源的接入对配电台区的供电可靠性的影响。针对煤改电台区在边缘电源并网之后的年故障停运率，年平均停运持续时间以及平均停电持续时间指标进行建模。接着基于平均供电可用率指标，提出考虑边缘电源的煤改电台区综合评估模型。最后针对一个含边缘电源接入的煤改电配电台区进行负荷重构分析和供电可靠性评估，验证了文中方法的有效性和合理性。1煤改电台区供电可靠性评估煤改电台区的负荷包含原来的电负荷以及改造后的电热负荷，其中煤改电负荷需要采用热负荷曲线进行表征14-5。当不考虑包括发电车包括的边缘电源并网接入时，煤改电台区用户的可靠性指标如式（1)所示：=Z.入+Z入;iefjefupZ.入:+Z入TiiefjefupT=入。(U。=入rc式中为煤改电配电台区用户所在馈线集合；fp为煤改电配电台区馈线集合；入，和r分别表示年故障停运率和年平均停电持续时间；下标c表示与用户相关的可靠性；入。、r。和U。分别表示煤改电配电台区用户负荷的年故障停运率、用户年平均停运持续时间和用户平均停电持续时间。在配电网正常运行时，假设配电网的供电容量在规划设计时已经保障了合理的足够容量则可以认为煤改电台区不会出现功率紧张现象，煤改电台区需要的供电容量都可以通过公共耦合点进行补充。当煤改电台区出现失电负荷时一般有两种情况：一种时配电网系统发生故障导致煤改电台区进人孤岛运行状态，孤岛内进行了中断负荷处理，此时边缘电源的接入时间对失电负荷以及其恢复程度至关重要也直接影响到了电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation供电可靠性指标；另一方面则是由于煤改电台区内部由于原件故障导致的失电负荷。在故障情况下考虑边缘电源时煤改电台区的供电可靠性指标计算如式(2)所示：入。=Z入;-Z入i,DCiEfieT=LU=入.rc式中入;,Dc为馈线i由于边缘电源接人而降低的年故障停运率；ri,Dc为馈线i由于边缘电源接人而降低的年平均停电时间。然而由于孤岛运行检测和运行装置本身也存在着故障停运率，所以在配电网系统发生故障时也无法保障孤岛运行实现能够每一次成功。这种情况就是孤岛失效率,考虑到孤岛失效率的含边缘电源接入的煤改电台区供电可靠性指标计算如式(3)所示：入。=Z入;-PMZ入i,DGiEfZ入,T;-PMZADcTDEJiefr=入。LU。=入re式中PM为孤岛失效率。通过以上指标的计算，继而采用平均供电可用率指标(Average Service Availability Index,ASAI)16-7 对煤改电台区接人边缘电源情况下的供电可靠性指标进行评估，该供电可靠性指标计算如式(4)所示：(1)Z,N;+(1-PM)Z,G,N;+PMZ入,N;ieCmtISAIFI=式中Cm为配电网煤改电台区的用户；Cm为配电网所有台区的用户;G,为节点i所能并网的边缘电源的发载比；N，为节点i的供电容量。2煤改电台区供电可靠性评估流程煤改电台区内能够并网运行的边缘电源并不是实时接入的，而是在特殊的运行条件下再接入，形式主要包括发电车、临时搭接电缆等。因此接入时间直接影响到供电可靠性指标。通过统计煤改电台区内发电车到达节点i的时间波动性发现可用正态分布加以描述，针对节点i的边缘电源接入时间满足的概率密度函数如式(5)所示：f(T,)=12T0;Vol.60 No.7Jul.15,2023ief(2)ief入。iefZN.(T,-M;)2expl20ieCmieCm一5 9 一(4)(5)第6 0 卷第7 期2023年7 月15 日式中；为节点i时间正态分布模型均值；为节点i时间正态分布模型的标准差。2.1煤改电台区运行状态概率评估在含煤改电台区的配电网运行状态进行评估之前需要对设备的故障停运率进行历史数据修正。假定含煤改电台区的配电网中第i个设备的历史统计故障率为f，为一个百分比。设备故障率的计算方法为设备发生故障的时间除以设备运行时间。那么在第j种天气状况下第i个设备的实际故障率如式（6）所示：fij=kif式中f.，为第j种天气状况下第i个设备的实际故障率;k,为第j种天气状况下故障率修正系数。k,的制定可以依据相关的配电网运行指导文件进行，也可以根据含煤改电台区的该配电网的实际运行经验制定，修正后的设备故障率为：Jf=Zfui式中J为天气类别数；j为第j种天气发生的概率。采用蒙特卡洛随机模拟法对含边缘电源接人的煤改电台区的供电可靠性指标进行评估1-19。假设煤改电台区中有N个设备，第i个设备的状态用x，来表示，当x；=1时表示系统发生故障，当x；=0 时表示系统运行正常。供电可靠性的计算需要针对各种故障停运情况以及孤岛运行情况进行计算。首先对于煤改电台区每个运行状态X。=（x，x 2，x m），采用以下步骤对其发生的概率进行评估：(1)初始化计数器nsum=0,模拟次数s=1,初始化最大模拟次数N。电网设备故障发生率与天气情况直接相关，因此还需初始化当前天气状况为第j种天气；(2)针对每个xi,在第i种天气下其故障发生率为Jj,生成一个0,1区间内的随机数 rand,对x;进行以下方式的置数：o,rand Jf,x=l1,rand fis(3)根据步骤（2)得到的结果生成随机模拟状态判断其是否在,的范围之内,如果在则说明该设备发生了故障置计数器nsum=nsum+1,进行下一步骤；否则，直接进行下一步骤；(4)判断模拟次数约束sN。是否成立,如果成立那么令s=s+1,并返回步骤（2）；如果不成立则进人步骤(5);(5)输出nsum/N。即为所求的运行状态X。=（x i，X2，,x ）发生概率。一6 0 一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation2.2供电可靠性评估步骤事实上，当建立了以上含边缘电源接入的煤改电台区电网运行状态的概率模型，就可以得到每一种状态下的系统运行时间以及失电负荷情况，进而通过改概率进行加权则可以得到系统的供电可靠性指标2 0。含边缘电源接人的煤改电台区供电可靠性指标评估过程为：（1)导人含边缘电源接入的煤改电台区拓扑结构，运行数据，包括节点电压，支路潮流，节点注人功率，发电车并网时间概率分布等参数。以上数据可以通过煤(6)改电台区系统的能源管理系统中的数据库读取得到；(2)采用枚举法进行设备的评估状态集确认，生成含边缘电源接人的煤改电台区中两阶故障以内的所有故障状态集；(3)根据历史数据生成煤改电台区设备初始故障停运率,并计及天气因素对该故障停运率进行修正；（4）采用蒙特卡洛随机模拟法对含边缘电源接人(7)的煤改电台区对系统待分析、待评估的状态进行选取，得到电力系统在所有故障状态集内的综合故障发生率；(5)针对各种故障发生情况,设计得到煤改电台区的孤岛运行计划以及相应的负荷中断计划。通过模拟边缘电源的并网时间计算得到平均供电可用率指标，得到该方案下煤改电台区能够增加的平均供电可用率指标；(6)对所有故障状态集内的故障评估得到的煤改电台区失电负荷情况结果进行综合，通过各种运行状态的概率指标进行加权得到煤改电台区的供电可靠性指标。3算例分析以图1所示的河北省某地典型配电网系统为例进行供电可靠性分析。44.45.46.47.48.497891011122.13141516618(8)2212324125！图1含煤改电台区的典型配电网网架结构Fig.1 Typical distribution grid structure in thecoal-to-electricity station图1中计划对可能的四个台区进行煤改电改活动。整个系统通过公共耦合点与上级外网进行功率交换。评估中同时计及了系统进行的负荷重构以及边缘Vol.60 No.7Jul.15,2023上级配电网1！24353226煤改电129煤改33台区230+电台27342835区13637*387139311煤改电40台区34241433.99 2021煤改电台区4第6 0 卷第7 期2023年7 月15 日电源的接人。其中配电网线路的故障率为0.0 6 5，修复时间5 h；煤改电台区的故障率为0.0 46，修复时间为5h。公共耦合点故障率为0.0 15，修复时间为2 0 h；煤改电台区的馈线载流量限制为18 0 kW，设定孤岛失效率为0.3。系统在进行煤改电活动前不计及边缘电源，在煤改电活动之后同步配置了边缘电源。文中算例中对四个可能的配电网节点进行煤改电活动分析在煤改电下的系统供电可靠性指标。假设含煤改电台区的配电网所在地区天气类型分为不良天气和良好天气两类，按照气象数据统计，该地区一年不良天气比例ri为0.14，良好天气比例r2为0.86，所以令不良天气概率和良好天气概率分布为0.14和0.8 6；此外，不良天气故障率修正系数取为2，良好天气故障率修正系数为0.8 3。经天气因素修正后的设备故障停运率，则有得到基于天气因素修正的配电网历史设备故障停运率如表1所示。表1基于天气因素修正的配电网历史设备故障停运率Tab.1 Outage rate of historical equipment in distributionnetwork based on weather modification设备配电网馈线历史故障停运率0.000 345 7正常天气停运率0.000 216 0不良天气故障停运率0.0 0 0 5 5 2 6系统中各个煤改电台区的并网容量如表2 所示。表2 煤改电台区并网容量分析Tab.2(Grid-connected capacity analysis ofcoal-to-electricity station煤改电台区并网节点煤改电台区133煤改电台区126煤改电台区131煤改电台区140假设该配电网配备有四台边缘电源即发电车，各个发电车的并网运行时间概率分布情况如表3所示。表3达边缘电源并网时间概率分布参数Tab.3 Probability distribution parameters ofedge power grid-connected time并网时间概率正态指标分布均值/h煤改电台区10.5煤改电台区21煤改电台区30.8煤改电台区40.6电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation算例中设置两种供电可靠性评估场景,场景一为不计及边缘电源的接入并网，场景二为计及边缘电源的接入并网。在两种场景下分别对四个待规划的台区进行煤改电活动，得到其改造后配电网供电可靠性参数的情况如表4所示。表4煤改电台区供电可靠性参数对比Tab.4 Comparison of power supply reliability parametersin coal-to-electricity station评估场景一负荷点入煤改电台区10.315 2 5 3.8 45 36 1.2 12 2 5 0.315 2 5 3.8 45 36 1.2 12 2 5煤改电台区2 0.32 5 0 0 4.36 0 0 0 1.417 0 0 0.32 5 0 0 2.36 5 0 0 0.7 6 8 6 3煤改电台区30.315 2 5 2.5 10 310.7 9 138 0.0 9 45 8 2.5 10 310.2 37 41煤改电台区40.3445 0 3.37 7 36 1.16 35 0 0.3445 0 3.37 7 36 1.16 35 0基于以上如表4所示的配电网供电可靠性参数的情况,进一步计算可以得到四种改造活动下系统的供电可靠性指标。在是否包含边缘电源并网情况下的平均供电可用率指标如表5 所示。煤改电台区公共耦合点0.001 765 20.000 013 00.001 099.70.000 008 10.002 824 40.000 020 8单个节点并网容量/kW130120250120并网时间概率正态分布方差/h0.20.20.250.15Vol.60 No.7Jul.15,2023评估场景二Tu表5 两种场景下的煤改电活动下系统平均供电可用率指标对比Tab.5 Comparison of system average power supply availabilityindex under two scenarios of coal-to-electricity activities煤改电台区煤改电台区1煤改电台区2煤改电台区3煤改电台区4从表5 中可以看出，当配电网进行煤改电活动时如果不计及边缘电源的并网接人，则供电可靠性指标相比于场景二计及边缘电源并网时的要低，说明通过边缘电源能够使得配电网在发生故障时支撑煤改电台区形成孤岛运行,并降低失电负荷功率,提升平均供电可用率指标。为了比较对配电网供电区域内原本的热负荷进行煤改电的效果，考虑到原本热负荷本身的供能可靠性指标,分别在场景一和场景二下对系统进行煤改电活动前后的综合供能指标进行对比可以得到如表6 和表7 所示的结果。从表7 中可以看出，无论是在场景一还是在场景二下，当对配网供电区域内原本的热负荷进行煤改电改造之后，煤改电台区和配电网的综合平均供能可用率指标均得到了显著提升，说明通过煤改电活动能够提升系统的供电可靠性。从表6 和表7 的对比中可以一6 1 一入场景一0.999 550.999 470.999 430.999 70u场景二0.999 640.999 560.999 61 0.999 85第6 0 卷第7 期2023年7 月15 日看出，通过边缘电源的并网接入，能够提升配电网的供电可靠性,验证了所建立模型的有效性和正确性。表6 场景一下煤改电台区改造前后综合供能指标对比Tab.6Comparison of comprehensive energy supply indexbefore and after the coal-to-electricity station under scenario I改造后系统煤改电台区10.999 44煤改电台区20.998 69煤改电台区30.999 16煤改电台区40.999 27表7 场景二下煤改电台区改造前后综合平均供能可用率指标对比Tab.7(Comparison of comprehensive average energy supplyavailability index before and after coal-to-electricitystation under scenario II煤改电台区改造前台区改造后台区改造前系统改造后系统煤改电台区10.999 44煤改电台区20.998 69煤改电台区30.999 16煤改电台区40.999 274结束语针对配电网进行煤改电活动，计及边缘电源的接入对供电可靠性的影响，文中建立了含煤改电台区的配电网供电可靠性评估模型。主要完成以下工作：(1)基于平均供电可用率指标建立煤改电台区供电可靠性指标计算模型，所建立的模型通过煤改电台区供电可靠性参数得到平均供电可用率指标，能够客观合理地对系统供电可靠性进行评估；(2)基于蒙特卡洛随机模拟技术建立煤改电台区运行状态概率评估，并基于此建立含边缘电源接人的煤改电台区供电可靠性指标评估过程；（3)仿真算例表明，当对配网供电区域内原本的热负荷进行煤改电改造之后，煤改电台区和配电网的综合平均供能可用率指标均得到了显著提升，同时在计及边缘电源地情况下系统供电可靠性相比于不计及地情况下提升得更加显著。参考文献1黄莉，卫志农，韦延方，等智能用电互动体系和运营模式研究J电网技术，2 0 13，37（8）：2 2 30-2 2 37.Huang Li,Wei Zhinong,Wei Yanfang,et al.A survey on interactivesystem and operation patterns of intelligent power utilization J.PowerSystem Technology,2013,37(8):2230-2237.2闫华光，陈宋宋，钟鸣，等。电力需求侧能效管理与需求响应系统的研究与设计J电网技术，2 0 15，39 1)：42 47.Yan Huaguang,Chen Songsong,Zhong Ming,et al.Research and de-62一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentationsign of demand side energy efficiency management and demand responsesystemJ.Power System Technology,2015,39(1):42-47.3】张增强，王祺，许叶林，等“煤改电”工程节能减排潜力分析方法研究J电测与仪表，2 0 2 0，5 7（8）：2 0-2 4.4史常凯，张波，盛万兴，等.灵活互动智能用电的技术架构探讨J.电网技术，2 0 13，37（10)：2 8 6 8-2 8 7 4.Shi Changkai,Zhang Bo,Sheng 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