高滲透率間歇性分布式能源的接入，給配電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟和可靠運行帶來了一系列的問題，主動配電系統(tǒng)應(yīng)運而生。在主動配電系統(tǒng)中，間歇性分布式電源、響應(yīng)負荷、儲能裝置等分布式資源及其主動式協(xié)調(diào)控制與管理的引入，使得傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的可靠性評估理論與方法無法適應(yīng)，主動配電系統(tǒng)可靠性評估面臨一系列新的挑戰(zhàn)。從可靠性評估模型、評價指標及評估算法3個方面詳細介紹了主動配電系統(tǒng)的可靠性評估體系。最后，通過實際算例系統(tǒng)驗證了所提評估體系的有效性。

0引言

電力需求的持續(xù)增長、傳統(tǒng)能源的短缺，環(huán)境保護的需要以及電力市場的開放正驅(qū)動電網(wǎng)朝著高效、靈活、智能和可持續(xù)方向發(fā)展，以適應(yīng)未來的技術(shù)需求。可持續(xù)發(fā)展是未來電網(wǎng)的基礎(chǔ)特征，其本質(zhì)表現(xiàn)為分布式發(fā)電(distributedgeneration，DG)尤其是可再生能源發(fā)電的規(guī)模化接入與應(yīng)用。然而，分布式發(fā)電也給電力系統(tǒng)特別是配電系統(tǒng)帶來巨大影響。大量的分布式電源接入配電系統(tǒng)后，直接改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，其由輻射狀的無源網(wǎng)絡(luò)變成遍布中小型電源的有源網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地由變電站母線流向負荷。配電網(wǎng)的上述變化使得其繼電保護的機理和定值發(fā)生深刻的變化，并帶來電壓閃變、頻率波動及電壓和頻率的偏移等電能質(zhì)量問題，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來很大威脅。目前，微電網(wǎng)(簡稱微網(wǎng))技術(shù)在不斷發(fā)展成熟，給分布式發(fā)電的集成提供了可能的解決方案。

但是，由于容量限制以及控制目標不同，微網(wǎng)尚不能完全解決規(guī)模化分布式發(fā)電尤其是可再生能源發(fā)電集成到配電系統(tǒng)帶來的問題。隨著分布式發(fā)電的滲透率在電力系統(tǒng)各層級上的不斷提高，其對配電系統(tǒng)的影響成為配電系統(tǒng)規(guī)劃和運行中必須考慮的問題。針對這一現(xiàn)狀，主動配電系統(tǒng)(activedistributionsystem，ADS)技術(shù)應(yīng)運而生。

主動配電系統(tǒng)是利用先進的信息、通信以及電力電子技術(shù)對規(guī)模化接入分布式資源實施主動管理，自主協(xié)調(diào)控制分布式發(fā)電、分布式儲能裝置及響應(yīng)負荷等分布式資源單元，積極消納可再生能源并確保網(wǎng)絡(luò)的安全、經(jīng)濟運行的新型配電系統(tǒng)。主動配電系統(tǒng)的特征包括高度可觀可控性、靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓撲、主動協(xié)調(diào)優(yōu)化管理及與用戶的靈活互動等。由于在可再生能源消納方面具有顯著的優(yōu)勢，主動配電系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外的熱點，并在主動配電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計、運行控制與保護、優(yōu)化理論與方法等方面取得了初步的進展，主動配電系統(tǒng)可靠性評估的研究才剛剛起步。主動配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)有著明顯的區(qū)別，微網(wǎng)、需求響應(yīng)、儲能裝置及分層協(xié)調(diào)的主動管理等給主動配電系統(tǒng)的可靠性評估帶來一系列新的挑戰(zhàn)。

本文梳理和歸納了主動配電系統(tǒng)可靠性評估面臨的挑戰(zhàn)，提出了主動配電系統(tǒng)的可靠性評估體系，并從可靠性評估的模型、評價指標及評估算法3個方面進行了詳細的介紹。最后，通過美國東北地區(qū)某實際算例系統(tǒng)驗證了所提主動配電系統(tǒng)可靠性評估體系的有效性。

1主動配電系統(tǒng)可靠性評估面臨的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)“環(huán)網(wǎng)設(shè)計，開環(huán)運行”的特點，饋線由單一電源點供電，任何一條饋線上發(fā)生故障，都可能導(dǎo)致饋線后面的負荷全部停電。因此，在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估中，對系統(tǒng)狀態(tài)的評估相對容易實現(xiàn)。而在主動配電系統(tǒng)中，當(dāng)饋線上發(fā)生故障時，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)含微網(wǎng)的孤島運行方式。此外，微網(wǎng)中的可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)分布式電源相比，其輸出功率具有隨機性和間歇性，也更增加了主動配電系統(tǒng)可靠性評估的難度。同時，需求響應(yīng)，儲能裝置及其分層協(xié)調(diào)的

主動式管理等使得主動配電系統(tǒng)可靠性評估的理論和方法都將發(fā)生巨大的變化。

如圖1所示，主動配電系統(tǒng)可靠性評估將面臨可再生能源隨機特性、雙向隨機潮流、多微網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)及主動式協(xié)調(diào)控制與管理等帶來的一系列的挑戰(zhàn)。

1.1 可再生能源的隨機特性

主動配電系統(tǒng)的特征之一是系統(tǒng)中遍布光伏、風(fēng)力發(fā)電等間歇性分布式電源。這些間歇性電源的輸出功率具有顯著的不確定性，對主動配電系統(tǒng)的可靠運行具有顯著的影響。建立合理的可靠性評估模型，準確刻畫可再生能源輸出功率的隨機特性，并進一步定量評估這種不確定性對可靠性的影響，是主動配電系統(tǒng)可靠性評估首先需要解決的問題。

1.2 雙向不確定性潮流

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)具有“單電源、輻射狀”的運行特點，饋線中的潮流從單一電源流向負荷，是單向的確定性潮流。主動配電系統(tǒng)中，隨著間歇性分布式電源及微網(wǎng)的接入，負荷不再從單一的電源接受電能，饋線上的潮流不再是單向的。例如，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，若微網(wǎng)中的總發(fā)電容量大于總負荷需求，對配電網(wǎng)來說微網(wǎng)相當(dāng)于一個電源，注入電能;若微網(wǎng)中的總發(fā)電容量小于總負荷需求，對配電網(wǎng)來說微網(wǎng)相當(dāng)于一個負荷，吸收電能。此外，由于分布式電源出力的隨機性、響應(yīng)負荷及儲能裝置的引入等，系統(tǒng)中潮流具有了更強的不確定性特征。

雙向不確定性潮流使得單純基于電源到負荷聯(lián)通性判斷的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估理論與方法不再適應(yīng)，如何通過模型刻畫主動配電系統(tǒng)中的雙向不確定性潮流，并在評估中計及其影響成為主動配電系統(tǒng)可靠性評估面臨的挑戰(zhàn)之一。

1.3 多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

主動配電系統(tǒng)中遍布間歇性分布式電源，為平抑其不確定性，間歇性分布式電源通常與儲能裝置、響應(yīng)負荷等組成微網(wǎng)，作為整體運行。微網(wǎng)的運行具有一定的獨立性，多個微網(wǎng)的接入便形成了主動配電系統(tǒng)多微網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)。對含微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)進行可靠性評估時，考慮到微網(wǎng)有并網(wǎng)運行和孤島運行兩種狀態(tài)，在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，應(yīng)把含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)作為一個整體進行研究，而在微網(wǎng)孤島運行時，應(yīng)將微網(wǎng)和配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合起來求得總的系統(tǒng)指標。在一定的情況下還可將微網(wǎng)當(dāng)作一個小系統(tǒng)進行可靠性評估，以衡量微網(wǎng)孤島運行的可靠性。因此，主動配電系統(tǒng)的可靠性評估模型和算法需要適用于多微網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，定量評估微網(wǎng)本身的可靠性水平及微網(wǎng)與主動配電系統(tǒng)相互作用對可靠性的影響。

1.4 主動式協(xié)調(diào)控制與管理

對分布式電源、儲能裝置及響應(yīng)負荷等進行主動協(xié)調(diào)式控制與管理是主動配電系統(tǒng)的一大特征。主動式協(xié)調(diào)控 制與管理徹底改變了傳統(tǒng)配電系統(tǒng)被動接受電能的運行模式，對主動配電系統(tǒng)的可靠性有顯著的影響。主動協(xié)調(diào)式控制與管理徹底顛覆了傳統(tǒng)的用戶角色、促進了由 供方主導(dǎo)的電網(wǎng)向用戶參與的互動電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，同時引起網(wǎng)絡(luò)潮流的雙向流動。對響應(yīng)負荷協(xié)調(diào)控制與管理將改變負荷曲線，而實際負荷曲線的改變將直接影響用戶 可靠性的評估結(jié)論。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評估中通常采用無彈性的負荷模型，隨著需求響應(yīng)的引入，現(xiàn)有負荷可靠性模型已經(jīng)不再適用。因此，如何計及主動式協(xié)調(diào) 控制與管理的影響也是主動配電系統(tǒng)可靠性評估必須解決的問題。

綜述所述，如何建立準確的間歇性分布式電源的可靠性評估模型，解決網(wǎng)絡(luò)拓撲的 改變及潮流的不確定性給可靠性評估帶來的一系列問題，計及主動式協(xié)調(diào)控制與管理的影響，定量評估微網(wǎng)本身的可靠性水平及微網(wǎng)與主動配電系統(tǒng)相互作用對可靠 性的影響，都是主動配電系統(tǒng)可靠性評估中面臨的挑戰(zhàn)。

2 主動配電系統(tǒng)的可靠性評估體系

針對上述挑戰(zhàn)，本文作者基于已有研究基礎(chǔ)，提出了主動配電系統(tǒng)可靠性評估體系，以下分別從主動配電系統(tǒng)可靠性評估的模型、評價指標及評估算法3個方面對評估體系進行詳細介紹。

2.1 主動配電系統(tǒng)可靠性評估模型

可靠性評估模型是主動配電系統(tǒng)可靠性評估的基礎(chǔ)，主要包括基于通用停運表的分布式電源多狀態(tài)模型、基于虛擬電源的微網(wǎng)可靠性評估模型、響應(yīng)負荷與儲能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型等。

2.1.1 基于通用停運表的分布式電源多狀態(tài)模型

基于通用停運表的分布式電源多狀態(tài)模型主要考慮以下因素：①分布式發(fā)電機一次能源的隨機性和間歇性;②可再生能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的功率輸出特性;③分布式發(fā)電系統(tǒng)自身故障率與修復(fù)時間的影響，容量為2MW的風(fēng)力發(fā)電機停運表模型的示例如表1所示。

上述通用停運表模型反映了可再生資源變化引起的分布式電源功率輸出的不確定性。另一個方面，基于通用停運表的分布式電源多狀態(tài)模型具有較好的通用性。

當(dāng)分布式電源為不同類型時，其有不同的額定容量和強迫停運率，通過應(yīng)用通用停運表的并聯(lián)卷積計算，可以得到不同類型機組的綜合停運表。因此，該模型 可以很容易處理不同類型、不同額定容量機組的情況，從而為含多分布式電源的主動配電系統(tǒng)可靠性評估奠定基礎(chǔ)。此外，通過“兩步采樣”法，先對分布式電源狀 態(tài)進行采樣，如果機組處于運行狀態(tài)，再基于停運表模型對其輸出功率進行采樣，就可以同時計及分布式電源隨機故障和輸出功率的隨機性。

2.1.2 基于虛擬電源的微網(wǎng)可靠性評估模型

主 動配電系統(tǒng)中往往含有多個微網(wǎng)，這些微網(wǎng)具有并網(wǎng)運行和孤島運行兩種靈活的運行模式。并網(wǎng)運行時，由于內(nèi)部功率平衡情況的不確定性，微網(wǎng)既可以作為主動配 電系統(tǒng)的負荷運行，又可以作為電源運行。微網(wǎng)的這種特性可以用虛擬電源(virtual power plant，VPP)的概念來刻畫。對主動配電系統(tǒng)來說，微網(wǎng)接入相當(dāng)于在公共連接點(PCC)接入了VPP，它可以代表微網(wǎng)的運行方式，可作為微網(wǎng)的可 靠性評估模型。

文獻[10]以RBTS BUS6 F4饋線系統(tǒng)為例，給出了基于VPP的微網(wǎng)可靠性評估模型示意圖(見圖2)。利用VPP代表微網(wǎng)，它有兩種角色：電源和負荷。圖2中，圖(a)為RBTS BUS6 F4饋線示意圖。微網(wǎng)1作為電源，而微網(wǎng)2作為負荷時的情形，如圖(b)所示。

利用上述基于VPP的微網(wǎng)可靠性評估模型，可以很好地刻畫微網(wǎng)接入后給主動配電系統(tǒng)帶來的雙向隨機潮流，進而評估其對可靠性的影響。

.1.3 響應(yīng)負荷與儲能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

主動配電系統(tǒng)中引入了響應(yīng)負荷及儲能裝置，正是通過對響應(yīng)負荷及儲能裝置等的主動式協(xié)調(diào)控 制與管理，主動配電系統(tǒng)能夠有效地減少可再生能源隨機性的影響，實現(xiàn)可再生能源的消納。文獻[12]介紹了響應(yīng)負荷與儲能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化的實施框架，如圖3 所示。其中，微網(wǎng)中心控制器可以接收日前的天氣和電價預(yù)測信息。天氣信息隨后被應(yīng)用到風(fēng)力和光伏發(fā)電的輸出功率概率模型中，確定風(fēng)力和光伏的出力。結(jié)合電 價預(yù)測信息、分布式電源的出力、負荷及儲能的優(yōu)化模型，中心控制器求解協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，然后將得到的控制命令下發(fā)給負荷和儲能裝置，實現(xiàn)其協(xié)調(diào)優(yōu)化。

文獻[11]介紹了基于電價的需求響應(yīng)模型，文獻[12-13]則根據(jù)負荷的優(yōu)先級將負荷分為關(guān)鍵負荷、可轉(zhuǎn)移負荷及可中斷負荷，進而提出了基于激 勵的需求響應(yīng)模型。儲能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型主要考慮充放電約束及充放電策略[11-13]。基于需求響應(yīng)及儲能裝置模型，可以建立響應(yīng)負荷與儲能裝置的協(xié) 調(diào)優(yōu)化模型，模型的具體介紹可參見文獻[12]。值得注意的是，由于主動式協(xié)調(diào)控制與管理的引入，響應(yīng)負荷需要改變其用電行為，以響應(yīng)電價或者激勵機制， 這樣的響應(yīng)行為將直接影響用戶對供電的滿意度。文獻[13]基于用戶用電量的改變和用電費用的改變分別提出了兩種衡量用戶滿意度的指標。

基于用電量改變的滿意度指標定義如下：

式中：et是引入需求響應(yīng)前用戶t時刻用電量;etop引入需求響應(yīng)后的用電量。

基于用電費用改變的滿意度指標定義如下：

基于上述滿意度指標的定義，可以在協(xié)調(diào)優(yōu)化模型中增加用戶滿意度約束，即：

式中：M和S是滿意度指標的下限。

此外，負荷功率和儲能裝置輸出功率也有相應(yīng)的約束，分別由需求響應(yīng)模型和儲能裝置模型決定。分布式 風(fēng)力發(fā)電和光伏的受其一次能源限制難以調(diào)度，但其出力特性直接影響負荷與儲能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化，同時常規(guī)分布式電源出力對負荷與儲能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化也有重要的 影響。本文在協(xié)調(diào)優(yōu)化中考慮了分布式電源隨機故障及其輸出功率的隨機性，具體模型見2.1.1節(jié)。

2.2 主動配電系統(tǒng)可靠性評價指標

電力系統(tǒng)的可靠性水平需要通過其可靠性指標實現(xiàn)描述和度量，可靠性指標體系的研究是電力系統(tǒng)可靠性評估研究重要的方面。本節(jié)定義了一系列新的，針對主動配電系統(tǒng)可靠性評估的特有指標及其計算方法，并分析各指標的具體含義。

2.2.1 微網(wǎng)相關(guān)指標

微 網(wǎng)是相對獨立的小型配電網(wǎng)絡(luò)，主動配電系統(tǒng)及微網(wǎng)的運行和監(jiān)管人員往往需要了解微網(wǎng)整體的可靠性水平，因此需要定義新的反映微網(wǎng)整體可靠性水平的指標。此 外，由微網(wǎng)靈活的運行特性可知，其對于主動配電系統(tǒng)而言，可能運行于電源狀態(tài)，也可能運行與負荷狀態(tài)，因此本文還定義了微網(wǎng)等值電源/負荷指標，用以反映 微網(wǎng)的運行特性。

1)微網(wǎng)停電頻率指標(microgrid interruption frequency index，MIFI)，MIFI是指微網(wǎng)中的用戶在單位時間內(nèi)的平均停電次數(shù)，其計算公式如下：

2)微網(wǎng)供電可用率(microgrid supply available probability，MSAP)，MSAP表示研究周期內(nèi)用戶不停電的小時總數(shù)與用戶要求的總供電時間之比，其數(shù)學(xué)表達式如下：

3)微網(wǎng)缺供電量指標(microgrid energy shortage index，MESI)，MESI是指研究周期內(nèi)系統(tǒng)總供電量與負荷要求的總用電量之間的差額，其數(shù)學(xué)表達式如下：

4)微網(wǎng)等值電源/負荷指標(equivalent source/load index，ESLI)，ESLI反映研究周期內(nèi)微網(wǎng)與主動配電系統(tǒng)電量交換的總體情況，其計算公式如下：

2.2.2 用戶需求響應(yīng)指標

引入需求響應(yīng)后，用戶將根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)、電價、分布式電源出力以及儲能裝置運行狀態(tài)等調(diào)整用電需求，用戶的實際用電和原始的需求將產(chǎn)生偏差，通過定義如下的指標，可以很好的描述該偏差，從而定量評價需求響應(yīng)對用戶的影響。

1)負荷調(diào)整頻率指標(load change frequency index，LCFI)，LCFI反映用戶在研究周期內(nèi)(例如一天內(nèi)) ， 發(fā)生負荷調(diào)整的頻率。根據(jù)負荷調(diào)整的趨勢(減小或者增大)，LCFI又可以分為LCFIdown和LCFIup：

2)負荷調(diào)整的持續(xù)時間指標(load change duration index，LCDI)，LCDI反映研究周期內(nèi)，用戶用電功率處于減小或者增大狀態(tài)的持續(xù)時間， 可以分別用LCFIdown和LCFIup表示如下：

3)負荷調(diào)整電量指標(load change energy index，LCEI)，LCEI反映用戶在研究周期內(nèi)，用電量變化的總量

2.2.3 儲能裝置可靠性指標

主動配電系統(tǒng)中，儲能裝置的充放電策略受到分布式電源輸出功率、負荷需求以及微網(wǎng)運行狀態(tài)等多種因素的影響，進而影響其放電次數(shù)和放電深度，對其壽命產(chǎn)生直接影響。對此，本文定義了儲能裝置的放電次數(shù)及平均放電深度指標，用以反映儲能裝置可靠性受到的影響。

1)儲能裝置的放電次數(shù)指標(disge times index，DTI)，DTI反映儲能裝置在研究周期內(nèi)的放電次數(shù)。

2)儲能裝置的平均放電深度指標(disge depth index，DDI)，DDI是指儲能裝置在研究周期內(nèi)的平均每次放電釋放的電量，可以用如下公式表示：

2.3 主動配電系統(tǒng)可靠性評估算法

高效的可靠性評估算法是主動配電系統(tǒng)可靠性評估體系的核心。本文基于上述分布式電源和微網(wǎng)的可靠 性評估模型，針對主動配電系統(tǒng)的多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)特點，提出了基于區(qū)域劃分和最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評估方法。此外，通過時序蒙特卡羅模擬將響應(yīng)負荷與儲能裝置的 協(xié)調(diào)優(yōu)化過程與可靠性評估過程有機結(jié)合，實現(xiàn)了計及主動式協(xié)調(diào)控制與管理的主動配電系統(tǒng)可靠性評估。

2.3.1 基于區(qū)域劃分與最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評估方法

如圖2所示，基于區(qū)域劃分和最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評估方法首先以微網(wǎng)接入系統(tǒng)的公共接入點及自動開關(guān)(斷路器)為界，將系統(tǒng)劃分為微網(wǎng)與非微網(wǎng)的各個區(qū)域。基于上述區(qū)域劃分和最小路方法以及分層評估的思想，負荷節(jié)點最小路的形成可以分為以下兩個層次：

1) 主動配電系統(tǒng)層次。基于VPP概念，分別考慮微網(wǎng)作為電源和負荷的情況，形成最小路：當(dāng)微網(wǎng)作為電源時，形成含微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)中每個負荷節(jié)點的最小 路，此時，負荷節(jié)點往往有兩條以上的最小路，分別為其到配電系統(tǒng)的主電源和微網(wǎng)的最小路;將微網(wǎng)作為負荷時，微網(wǎng)與非微網(wǎng)區(qū)域的負荷節(jié)點一樣，形成微網(wǎng)到 配電系統(tǒng)主電源的最小路。

2)在微網(wǎng)內(nèi)部，形成每個負荷節(jié)點到該微網(wǎng)內(nèi)所有分布式電源的最小路，為評估微網(wǎng)的狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。與區(qū)域劃分和最小路確定相對應(yīng)，基于區(qū)域劃分與最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評估，由以下兩個層次組成：

1)對微網(wǎng)的狀態(tài)進行評估。此時，微網(wǎng)是一個含有分布式電源的多電源配電系統(tǒng)。

2)基于微網(wǎng)的狀態(tài)(負荷或者電源)，評估含多微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)的可靠性。通過對含微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)狀態(tài)和微網(wǎng)自身狀態(tài)兩個層次的評估，系統(tǒng)中所有負荷節(jié)點的供電狀態(tài)就可以確定，進而得到負荷節(jié)點以及系統(tǒng)的可靠性指標，實現(xiàn)含多微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)可靠性評估。

上 述區(qū)域劃分與最小路結(jié)合的可靠性評估算法充分發(fā)揮了微網(wǎng)“虛擬電源”的概念可靠性評估中的作用，結(jié)合“虛擬電源”的兩種狀態(tài)與分層評估的思想，使得含微網(wǎng) 的多電源配電系統(tǒng)可靠性評估易于實現(xiàn);另外，由于該算法針對微網(wǎng)狀態(tài)開展了評估，對進一步分析微網(wǎng)運行情況具有重要意義。

2.3.2 計及協(xié)調(diào)優(yōu)化的主動配電系統(tǒng)可靠性評估

隨著主動式協(xié)調(diào)控制與管理的引入，負荷以及儲能裝置的狀態(tài)隨著可再生能源出力、電 價等外部因素的變化而變化的，具有明顯的時序特性。如圖4所示，將系統(tǒng)的負荷與儲能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化過程與可靠性評估通過時序蒙特卡羅模擬有機結(jié)合，解決了在 可靠性評估中考慮需求響應(yīng)與儲能裝置充放電策略影響的難題，圖4中各個模塊的具體介紹參見文獻[12-13]。

3 算例分析

本節(jié)將提出主動配電系統(tǒng)可靠性評估體系用于美國東北地區(qū)某實際的配電系統(tǒng)，首先介紹系統(tǒng)的基本參數(shù)，然后從分布式電源及微網(wǎng)接入、需求響應(yīng)與儲能裝置、用戶滿意度等不同的側(cè)面對可靠性評估的結(jié)果進行分析并給出結(jié)論，驗證所提評估體系的有效性。

3.1 算例系統(tǒng)簡介

算 例系統(tǒng)包括兩條饋線，共計356個負荷節(jié)點，3804個用戶供電，總負荷功率為14.35MW，具體拓撲結(jié)構(gòu)、可靠性參數(shù)等信息參見文獻[14]。算例系 統(tǒng)中有兩個關(guān)鍵負荷，一個是避難所(Shelter)，另一個是應(yīng)急中心(Emergency Center)。以下的研究將主要圍繞系統(tǒng)整體以及這兩個關(guān)鍵負荷進行。

3.2 分布式電源及微網(wǎng)接入

首先，以算例系統(tǒng)中的 自動開關(guān)SR、MR和RR為邊界，可以將系統(tǒng)劃分為如圖5所示的8個區(qū)域。其中，關(guān)鍵負荷避難所在區(qū)域1中，應(yīng)急中心在區(qū)域2中。在關(guān)鍵負荷所在的節(jié)點分 別接入分布式電源將區(qū)域1和區(qū)域2配置成微網(wǎng)1和微網(wǎng)2。其中，分布式電源均為燃料電池，容量均為3MW，可靠性參數(shù)見文獻[14]。微網(wǎng)1、2的總平均 負荷功率分別為2.66MW和2.19MW，區(qū)域3、4與微網(wǎng)區(qū)域有直接的互動，因此，將引入?yún)^(qū)域可靠性指標(即微網(wǎng)可靠性指標)對它們進行定量評估，中 區(qū)域3、4的總平均負荷功率分別1.9MW和5.53MW。

采用基于蒙特卡羅模擬的主動配電系統(tǒng)可靠性評估算法對含微網(wǎng)的實際算例系統(tǒng)進行可靠性評估，表2、表3和表4分別給出關(guān)鍵負荷、不同區(qū)域和系統(tǒng)整體的可靠性指標。

由 表可知，關(guān)鍵負荷的故障率指標λ和停電時間指標U在微網(wǎng)引入后得到了有效的改善，以Shelter為例，其λ指標由3.23次/a減小到1.16次 /a，U指標由5.90 h/a減小到2.79 h/a，改善程度均在50%以上。每次故障的持續(xù)時間指標r有所上升，這是因為隨著微網(wǎng)接入，僅有少數(shù)嚴重的故障能造成關(guān)鍵負荷停電，其修復(fù)時間相對一般 故障往往更長，從而造成指標r上升。

以下進一步分析微網(wǎng)整體及微網(wǎng)臨近區(qū)域的可靠性，微網(wǎng)(區(qū)域)停電頻率MIFI、微網(wǎng)(區(qū)域)供電可用 率MSAP及微網(wǎng)(區(qū)域)缺供電量MESI的評估結(jié)果。從表3可以看到，引入微網(wǎng)對不同區(qū)域的可靠性具有顯著的改善效果，以MIFI指標為例，引入微網(wǎng) 后，微網(wǎng)1、2和區(qū)域3、4的MIFI指標分別減小了1.5614、2.1133，1.8651次/(戶˙a)和1.5583次/(戶˙a)，改善程度分 別達到57.36%、63.91%、43.75%和48.15%;可見，微網(wǎng)區(qū)域的改善程度更為明顯。此外， 通過對微網(wǎng)等值電源/ 負荷可靠性指標(ESLI ) 進行評估可知， 微網(wǎng)1 、2 的ESLI 分別為2946.21 MWh和7062.23 MWh，均遠大于0，即微網(wǎng)對外呈現(xiàn)等值電源狀態(tài)。區(qū)域3和區(qū)域4每年的總需求電量為Etotal=8.30×104 MWh，微網(wǎng)1、2的ESLI分別占Etotal的3.55%和8.51%，因此，微網(wǎng)能給區(qū)域3、4提供一定的支援，通過指標ESLI這種支援作用得以 定量化的評估。

從系統(tǒng)整體來看，微網(wǎng)對可靠性的改善效果也十分顯著。其中指標SAIFI、SAIDI和EENS分別由引入微網(wǎng)前的 3.3525次/(戶˙a)、6.63 h/(戶˙a)和94.94MWh減小到1.6955次/(戶˙a)、3.69 h/(戶˙a)和58.54 MWh，改善程度分別為49.43%、44.34%和38.34%。

綜上所示， 通過對關(guān)鍵負荷、不同區(qū)域及系統(tǒng)整體可靠性指標的評估及分析可知，通過配置微網(wǎng)可以顯著的提高微網(wǎng)區(qū)域的可靠性，同時微網(wǎng)還能為臨近區(qū)域提供支援，提高臨近區(qū)域的可靠性水平;較傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，含微網(wǎng)的主動配電系統(tǒng)可靠性水平顯著提高。

3.3 響應(yīng)負荷與儲能裝置及其協(xié)調(diào)優(yōu)化

為進一步考察需求響應(yīng)與儲能裝置及其協(xié)調(diào)優(yōu)化對主動配電系統(tǒng)可靠性的影響，上述算例系統(tǒng)做以 下修改：①將接入的分布式電源用風(fēng)機替代，風(fēng)機的額定功率為2MW;②為風(fēng)機配置容量為0.96MWh的儲能裝置，其充放電策略為滿足充放電約束的前提 下，微網(wǎng)內(nèi)發(fā)電大于負荷則放電，反之充電。以下基于上述計算條件，針對不同的方案進行計及需求響應(yīng)與儲能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化的主動配電系統(tǒng)可靠性評估。然后，分 別從傳統(tǒng)可靠性指標、微網(wǎng)指標、需求響應(yīng)相關(guān)指標等方面對評估結(jié)果進行分析。各評估方案定義如下：

方案1：不考慮負荷需求響應(yīng)，分布式電源供電優(yōu)先級由其到負荷的電氣距離決定;

方案2 ： 考慮負荷需求響應(yīng)， 將節(jié)點L106(Emergency center所在的節(jié)點)作為關(guān)鍵負荷節(jié)點，另外選取L104、L105、L107，L109及L115作為可轉(zhuǎn)移負荷，L131，L132及L133為可中斷負荷。

方案3：基于方案2，考慮儲能裝置充放電策略的優(yōu)化，儲能裝置充電優(yōu)先于可轉(zhuǎn)移和可中斷負荷，且僅在關(guān)鍵負荷供電無法得到保證時放電。

3.3.1 傳統(tǒng)可靠性指標

各評估方案下對系統(tǒng)可靠性指標的評估結(jié)果如表5所示。

對 比可知，由于將微網(wǎng)中的分布式電源改為風(fēng)機，同時減小了分布式電源容量，微網(wǎng)對系統(tǒng)可靠性指標的改善程度降低。其中，接入微網(wǎng)后的EENS指標由表中的 58.54 MWh增加到表中的89.06 MWh。此外，從表中可以看出，需求響應(yīng)和儲能裝置的充放電策略可以改善含微網(wǎng)主動配電系統(tǒng)的可靠性，以SAIFI指標為例，引入需求響應(yīng)后，其降低了 2.27%;引入需求響應(yīng)和儲能裝置充放電策略優(yōu)化后，其降低了3.51%。

綜上所述，需求響應(yīng)及儲能裝置充放電策略的優(yōu)化對傳統(tǒng)的系統(tǒng)可 靠性指標改善有限，以下基于負荷可靠性指標的評估結(jié)果進行進一步分析。圖6給出了直觀的比較結(jié)果，從圖中可以看到隨著需求響應(yīng)的引入(從方案1到方案 2)，關(guān)鍵負荷可靠性有顯著的提高，其次是可轉(zhuǎn)移負荷，而可中斷負荷的可靠性提升不明顯。儲能裝置充放電策略優(yōu)化引入(從方案2到方案3)后，可轉(zhuǎn)移負荷 與可中斷負荷的可靠性有所下降。

綜上所述，考慮需求響應(yīng)與儲能裝置充放電策略優(yōu)化后，負荷尤其是關(guān)鍵負荷的傳統(tǒng)可靠性指標明顯改善;可轉(zhuǎn)移負荷的可靠性也有一定程度的提升;儲能裝置充放電策略可以提高關(guān)鍵負荷的可靠性但可能造成可轉(zhuǎn)移負荷與可中斷負荷可靠性的降低。

3.3.2 微網(wǎng)相關(guān)指標

由上可知，本節(jié)的需求響應(yīng)及儲能裝置充放電策略優(yōu)化主要在圖5的微網(wǎng)2內(nèi)實施，基于本文定義的微網(wǎng)相關(guān)指標對微網(wǎng)2進行評估，評估結(jié)果如表6所示。

由表可知，需求響應(yīng)及儲能裝置對微網(wǎng)2的可靠性具有明顯的改善作用，其中引入需求響應(yīng)后，微網(wǎng)停電頻率指標MIFI降低了12.09%;引入需求響應(yīng)和儲能裝置充放電策略優(yōu)化后，其降低了16.85%，與表中SAIFI指標的改善程度相比更加明顯。

可 見，主動配電系統(tǒng)中接入微網(wǎng)，且基于微網(wǎng)實施需求響應(yīng)和儲能裝置充放電策略優(yōu)化后，僅僅依靠傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性指標，難以準確而全面的反映需求響應(yīng)和儲能 裝置充放電策略對主動配電系統(tǒng)可靠性的影響，需要引進微網(wǎng)停電頻率MIFI、微網(wǎng)供電可用度MSAP及微網(wǎng)缺供電量MESI等指標。

3.3.3 需求響應(yīng)及儲能裝置指標

如 前所述，需求響應(yīng)的引入將直接改變用戶的用電習(xí)慣，用戶需要根據(jù)需求響應(yīng)項目的規(guī)則將自己的用電需求向上(增大負荷需求)或者向下(減少負荷需求)調(diào)整。 與用戶的負荷調(diào)整類似，隨著儲能裝置的充放電策略的調(diào)整，其充放電頻率及放電深度會受到影響，進而影響儲能裝置的壽命。因此，計及需求響應(yīng)及儲能裝置的主 動配電系統(tǒng)可靠性評估中，需要定義并評估需求響應(yīng)及儲能裝置指標，評估結(jié)果如表7所示。

如 表7所示，方案1中不考慮負荷需求響應(yīng)，因此沒有LCFI和LCEI指標的評估結(jié)果;方案2、3下負荷調(diào)整頻率指標LCFI分別達到3.41次/天 (LCFIdown和LCFIup合計)和3.98次/天;負荷調(diào)整電量指標LCEI分別為0.91 MWh/天和0.67 MWh/天。引入儲能裝置充放電策略的優(yōu)化(由方案2到方案3)后，負荷調(diào)整頻率增加了16.80%，負荷調(diào)整電量指標減少了26.37%。而隨著需求響 應(yīng)的引入，儲能裝置的放電次數(shù)增加，平均放電深度降低。

由上述評估結(jié)果可知，需求響應(yīng)的引入對負荷尤其是關(guān)鍵負荷的故障率、停電持續(xù)時間等 傳統(tǒng)可靠性指標具有明顯的改善效果，但是付出的代價是系統(tǒng)中的可轉(zhuǎn)移與可中斷負荷對用電需求的調(diào)整及儲能裝置放電次數(shù)的增加。因此，計及需求響應(yīng)與儲能裝 置的主動配電系統(tǒng)可靠性評估中，只有給出用戶的需求響應(yīng)及儲能裝置。

3.4 用戶滿意度影響分析

響應(yīng)負荷與儲能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型中的用戶滿意度約束對響應(yīng)負荷的響應(yīng)行為有明顯的影響。圖7和圖8展示了不同指標(用電方式指標M和用電費用指標S)對日負荷曲線的影響。

從圖中可以看出，用戶滿意度越高，負荷調(diào)整的可能性越低;用戶滿意度指標提供了量化用戶需求響應(yīng)意愿的手段，為主動配電系統(tǒng)的需求響應(yīng)項目設(shè)計提供參考。圖9展示了主動配電系統(tǒng)在不同用戶滿意度約束下的年運行效益。

由圖可知，用戶滿意度的提高，將有可能使得主動配電系統(tǒng)的年運行效益顯著下降，因為高滿意度意味著用戶可能在電價高時用電。

4 結(jié)語

分布式電源、響應(yīng)負荷、儲能裝置及微網(wǎng)等分布式資源及其主動式協(xié)調(diào)控制和管理，給主動配電系統(tǒng)可靠性評估帶來了可再生能源隨 機特性、雙向不確定性潮流、多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)及主動式協(xié)調(diào)控制與管理等一系列的挑戰(zhàn)。本文提出主動配電系統(tǒng)的可靠性評估體系，從可靠性評估模型、評價指標及 評估算法3個方面，有針對性的給出了上述挑戰(zhàn)的解決方案，最后通過實際算例系統(tǒng)驗證了所提可靠性評估體系。本文的主要結(jié)論包括：

1)從分布式電源、微網(wǎng)和主動配電系統(tǒng)的層面分別建立了相應(yīng)的可靠性模型，并提出了適用于主動配電系統(tǒng)的高效可靠性評估方法，定義了一系列適用于主動配電系統(tǒng)的可靠性評價指標，提出了主動配電系統(tǒng)的可靠性評估體系。

2)建立起需求側(cè)資源與儲能裝置協(xié)調(diào)控制的模型，提出了用戶滿意度指標，并研究了主動協(xié)調(diào)控制對主動配電系統(tǒng)可靠性的影響，使得可靠性評估更準確反應(yīng)主動配電系統(tǒng)的運行實際。

未來，主動配電系統(tǒng)的可靠性評估研究將在計及規(guī)劃與運行一體化、考慮交直流混聯(lián)、物理與信息系統(tǒng)融合、多元用戶供需互動及多能源互補的分布式供能等方面迎來新的契機。