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(jì)和可靠運(yùn)行帶來了一系列的問題，主動(dòng)配電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在主動(dòng)配電系統(tǒng)中，間歇性分布式電源、響應(yīng)負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置等分布式資源及其主動(dòng)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(píng)估理論與方法無法適應(yīng)，主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估面臨一系列新的挑戰(zhàn)。從可靠性評(píng)估模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估算法3個(gè)方面詳細(xì)介紹了主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系。最后，通過實(shí)際算例系統(tǒng)驗(yàn)證了所提評(píng)估體系的有效性。

0引言

電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)、傳統(tǒng)能源的短缺，環(huán)境保護(hù)的需要以及電力市場(chǎng)的開放正驅(qū)動(dòng)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?fù)浣Y(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(fù)荷。配電網(wǎng)的上述變化使得其繼電保護(hù)的機(jī)理和定值發(fā)生深刻的變化，并帶來電壓閃變、頻率波動(dòng)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(yùn)行帶來很大威脅。目前，微電網(wǎng)(簡(jiǎn)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(biāo)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(jí)上的不斷提高，其對(duì)配電系統(tǒng)的影響成為配電系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中必須考慮的問題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，主動(dòng)配電系統(tǒng)(activedistributionsystem，ADS)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

主動(dòng)配電系統(tǒng)是利用先進(jìn)的信息、通信以及電力電子技術(shù)對(duì)規(guī)模化接入分布式資源實(shí)施主動(dòng)管理，自主協(xié)調(diào)控制分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能裝置及響應(yīng)負(fù)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(jì)運(yùn)行的新型配電系統(tǒng)。主動(dòng)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?fù)洹⒅鲃?dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理及與用戶的靈活互動(dòng)等。由于在可再生能源消納方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，主動(dòng)配電系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)，并在主動(dòng)配電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制與保護(hù)、優(yōu)化理論與方法等方面取得了初步的進(jìn)展，主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的研究才剛剛起步。主動(dòng)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(chǔ)能裝置及分層協(xié)調(diào)的主動(dòng)管理等給主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估帶來一系列新的挑戰(zhàn)。

本文梳理和歸納了主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估面臨的挑戰(zhàn)，提出了主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系，并從可靠性評(píng)估的模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估算法3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后，通過美國(guó)東北地區(qū)某實(shí)際算例系統(tǒng)驗(yàn)證了所提主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系的有效性。

1主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估面臨的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)“環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”的特點(diǎn)，饋線由單一電源點(diǎn)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(fù)荷全部停電。因此，在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。而在主動(dòng)配電系統(tǒng)中，當(dāng)饋線上發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)含微網(wǎng)的孤島運(yùn)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(jī)性和間歇性，也更增加了主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的難度。同時(shí)，需求響應(yīng)，儲(chǔ)能裝置及其分層協(xié)調(diào)的

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

如圖1所示，主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估將面臨可再生能源隨機(jī)特性、雙向隨機(jī)潮流、多微網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)及主動(dòng)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(jī)特性

主動(dòng)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(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有顯著的影響。建立合理的可靠性評(píng)估模型，準(zhǔn)確刻畫可再生能源輸出功率的隨機(jī)特性，并進(jìn)一步定量評(píng)估這種不確定性對(duì)可靠性的影響，是主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)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(yùn)行特點(diǎn)，饋線中的潮流從單一電源流向負(fù)荷，是單向的確定性潮流。主動(dòng)配電系統(tǒng)中，隨著間歇性分布式電源及微網(wǎng)的接入，負(fù)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(yùn)行時(shí)，若微網(wǎng)中的總發(fā)電容量大于總負(fù)荷需求，對(duì)配電網(wǎng)來說微網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)電源，注入電能;若微網(wǎng)中的總發(fā)電容量小于總負(fù)荷需求，對(duì)配電網(wǎng)來說微網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)負(fù)荷，吸收電能。此外，由于分布式電源出力的隨機(jī)性、響應(yīng)負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置的引入等，系統(tǒng)中潮流具有了更強(qiáng)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(fù)荷聯(lián)通性判斷的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估理論與方法不再適應(yīng)，如何通過模型刻畫主動(dòng)配電系統(tǒng)中的雙向不確定性潮流，并在評(píng)估中計(jì)及其影響成為主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估面臨的挑戰(zhàn)之一。

1.3 多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

主動(dòng)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(chǔ)能裝置、響應(yīng)負(fù)荷等組成微網(wǎng)，作為整體運(yùn)行。微網(wǎng)的運(yùn)行具有一定的獨(dú)立性，多個(gè)微網(wǎng)的接入便形成了主動(dòng)配電系統(tǒng)多微網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)。對(duì)含微網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，考慮到微網(wǎng)有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種狀態(tài)，在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)把含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，而在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，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(biāo)。在一定的情況下還可將微網(wǎng)當(dāng)作一個(gè)小系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，以衡量微網(wǎng)孤島運(yùn)行的可靠性。因此，主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)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(píng)估微網(wǎng)本身的可靠性水平及微網(wǎng)與主動(dòng)配電系統(tǒng)相互作用對(duì)可靠性的影響。

1.4 主動(dòng)式協(xié)調(diào)控制與管理

對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能裝置及響應(yīng)負(fù)荷等進(jìn)行主動(dòng)協(xié)調(diào)式控制與管理是主動(dòng)配電系統(tǒng)的一大特征。主動(dòng)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(dòng)接受電能的運(yùn)行模式，對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性有顯著的影響。主動(dòng)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(jìn)了由 供方主導(dǎo)的電網(wǎng)向用戶參與的互動(dòng)電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)引起網(wǎng)絡(luò)潮流的雙向流動(dòng)。對(duì)響應(yīng)負(fù)荷協(xié)調(diào)控制與管理將改變負(fù)荷曲線，而實(shí)際負(fù)荷曲線的改變將直接影響用戶 可靠性的評(píng)估結(jié)論。傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中通常采用無彈性的負(fù)荷模型，隨著需求響應(yīng)的引入，現(xiàn)有負(fù)荷可靠性模型已經(jīng)不再適用。因此，如何計(jì)及主動(dòng)式協(xié)調(diào) 控制與管理的影響也是主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估必須解決的問題。

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

2 主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文作者基于已有研究基礎(chǔ)，提出了主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系，以下分別從主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估算法3個(gè)方面對(duì)評(píng)估體系進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型

可靠性評(píng)估模型是主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)，主要包括基于通用停運(yùn)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(píng)估模型、響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型等。

2.1.1 基于通用停運(yùn)表的分布式電源多狀態(tài)模型

基于通用停運(yùn)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(jī)一次能源的隨機(jī)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(shí)間的影響，容量為2MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)停運(yùn)表模型的示例如表1所示。

上述通用停運(yùn)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(gè)方面，基于通用停運(yùn)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(shí)，其有不同的額定容量和強(qiáng)迫停運(yùn)率，通過應(yīng)用通用停運(yùn)表的并聯(lián)卷積計(jì)算，可以得到不同類型機(jī)組的綜合停運(yùn)表。因此，該模型 可以很容易處理不同類型、不同額定容量機(jī)組的情況，從而為含多分布式電源的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估奠定基礎(chǔ)。此外，通過“兩步采樣”法，先對(duì)分布式電源狀 態(tài)進(jìn)行采樣，如果機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，再基于停運(yùn)表模型對(duì)其輸出功率進(jìn)行采樣，就可以同時(shí)計(jì)及分布式電源隨機(jī)故障和輸出功率的隨機(jī)性。

2.1.2 基于虛擬電源的微網(wǎng)可靠性評(píng)估模型

主 動(dòng)配電系統(tǒng)中往往含有多個(gè)微網(wǎng)，這些微網(wǎng)具有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種靈活的運(yùn)行模式。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，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(dòng)配 電系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行，又可以作為電源運(yùn)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(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)來說，微網(wǎng)接入相當(dāng)于在公共連接點(diǎn)(PCC)接入了VPP，它可以代表微網(wǎng)的運(yùn)行方式，可作為微網(wǎng)的可 靠性評(píng)估模型。

文獻(xiàn)[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(píng)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(fù)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(fù)荷時(shí)的情形，如圖(b)所示。

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

.1.3 響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

主動(dòng)配電系統(tǒng)中引入了響應(yīng)負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置，正是通過對(duì)響應(yīng)負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置等的主動(dòng)式協(xié)調(diào)控 制與管理，主動(dòng)配電系統(tǒng)能夠有效地減少可再生能源隨機(jī)性的影響，實(shí)現(xiàn)可再生能源的消納。文獻(xiàn)[12]介紹了響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化的實(shí)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(jià)預(yù)測(cè)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(jià)預(yù)測(cè)信息、分布式電源的出力、負(fù)荷及儲(chǔ)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(fù)荷和儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)其協(xié)調(diào)優(yōu)化。

文獻(xiàn)[11]介紹了基于電價(jià)的需求響應(yīng)模型，文獻(xiàn)[12-13]則根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)將負(fù)荷分為關(guān)鍵負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷及可中斷負(fù)荷，進(jìn)而提出了基于激 勵(lì)的需求響應(yīng)模型。儲(chǔ)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(chǔ)能裝置模型，可以建立響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)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(xiàn)[12]。值得注意的是，由于主動(dòng)式協(xié)調(diào)控制與管理的引入，響應(yīng)負(fù)荷需要改變其用電行為，以響應(yīng)電價(jià)或者激勵(lì)機(jī)制， 這樣的響應(yīng)行為將直接影響用戶對(duì)供電的滿意度。文獻(xiàn)[13]基于用戶用電量的改變和用電費(fèi)用的改變分別提出了兩種衡量用戶滿意度的指標(biāo)。

基于用電量改變的滿意度指標(biāo)定義如下：

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

基于用電費(fèi)用改變的滿意度指標(biāo)定義如下：

基于上述滿意度指標(biāo)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(biāo)的下限。

此外，負(fù)荷功率和儲(chǔ)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(chǔ)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(fù)荷與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化，同時(shí)常規(guī)分布式電源出力對(duì)負(fù)荷與儲(chǔ)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(jī)故障及其輸出功率的隨機(jī)性，具體模型見2.1.1節(jié)。

2.2 主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

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

2.2.1 微網(wǎng)相關(guān)指標(biāo)

微 網(wǎng)是相對(duì)獨(dú)立的小型配電網(wǎng)絡(luò)，主動(dòng)配電系統(tǒng)及微網(wǎng)的運(yùn)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(biāo)。此 外，由微網(wǎng)靈活的運(yùn)行特性可知，其對(duì)于主動(dòng)配電系統(tǒng)而言，可能運(yùn)行于電源狀態(tài)，也可能運(yùn)行與負(fù)荷狀態(tài)，因此本文還定義了微網(wǎng)等值電源/負(fù)荷指標(biāo)，用以反映 微網(wǎng)的運(yùn)行特性。

1)微網(wǎng)停電頻率指標(biāo)(microgrid interruption frequency index，MIFI)，MIFI是指微網(wǎng)中的用戶在單位時(shí)間內(nèi)的平均停電次數(shù)，其計(jì)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(shí)總數(shù)與用戶要求的總供電時(shí)間之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

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

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

2.2.2 用戶需求響應(yīng)指標(biāo)

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

1)負(fù)荷調(diào)整頻率指標(biāo)(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(fù)荷調(diào)整的頻率。根據(jù)負(fù)荷調(diào)整的趨勢(shì)(減小或者增大)，LCFI又可以分為L(zhǎng)CFIdown和LCFIup：

2)負(fù)荷調(diào)整的持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(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(shí)間， 可以分別用LCFIdown和LCFIup表示如下：

3)負(fù)荷調(diào)整電量指標(biāo)(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(chǔ)能裝置可靠性指標(biāo)

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

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

2)儲(chǔ)能裝置的平均放電深度指標(biāo)(disge depth index，DDI)，DDI是指儲(chǔ)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(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估算法

高效的可靠性評(píng)估算法是主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)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(píng)估模型，針對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)的多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于區(qū)域劃分和最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估方法。此外，通過時(shí)序蒙特卡羅模擬將響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置的 協(xié)調(diào)優(yōu)化過程與可靠性評(píng)估過程有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了計(jì)及主動(dòng)式協(xié)調(diào)控制與管理的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估。

2.3.1 基于區(qū)域劃分與最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)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(píng)估方法首先以微網(wǎng)接入系統(tǒng)的公共接入點(diǎn)及自動(dòng)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(gè)區(qū)域。基于上述區(qū)域劃分和最小路方法以及分層評(píng)估的思想，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)最小路的形成可以分為以下兩個(gè)層次：

1) 主動(dòng)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(fù)荷的情況，形成最小路：當(dāng)微網(wǎng)作為電源時(shí)，形成含微網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)中每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的最小 路，此時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(fù)荷時(shí)，微網(wǎng)與非微網(wǎng)區(qū)域的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)到該微網(wǎng)內(nèi)所有分布式電源的最小路，為評(píng)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(duì)應(yīng)，基于區(qū)域劃分與最小路的系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估，由以下兩個(gè)層次組成：

1)對(duì)微網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。此時(shí)，微網(wǎng)是一個(gè)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(fù)荷或者電源)，評(píng)估含多微網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性。通過對(duì)含微網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)狀態(tài)和微網(wǎng)自身狀態(tài)兩個(gè)層次的評(píng)估，系統(tǒng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的供電狀態(tài)就可以確定，進(jìn)而得到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)以及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)含多微網(wǎng)的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估。

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

2.3.2 計(jì)及協(xié)調(diào)優(yōu)化的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估

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

3 算例分析

本節(jié)將提出主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系用于美國(guó)東北地區(qū)某實(shí)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(chǔ)能裝置、用戶滿意度等不同的側(cè)面對(duì)可靠性評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行分析并給出結(jié)論，驗(yàn)證所提評(píng)估體系的有效性。

3.1 算例系統(tǒng)簡(jiǎn)介

算 例系統(tǒng)包括兩條饋線，共計(jì)356個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，3804個(gè)用戶供電，總負(fù)荷功率為14.35MW，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可靠性參數(shù)等信息參見文獻(xiàn)[14]。算例系 統(tǒng)中有兩個(gè)關(guān)鍵負(fù)荷，一個(gè)是避難所(Shelter)，另一個(gè)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(gè)關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)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(dòng)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(gè)區(qū)域。其中，關(guān)鍵負(fù)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(fù)荷所在的節(jié)點(diǎn)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(xiàn)[14]。微網(wǎng)1、2的總平均 負(fù)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(dòng)，因此，將引入?yún)^(qū)域可靠性指標(biāo)(即微網(wǎng)可靠性指標(biāo))對(duì)它們進(jìn)行定量評(píng)估，中 區(qū)域3、4的總平均負(fù)荷功率分別1.9MW和5.53MW。

采用基于蒙特卡羅模擬的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估算法對(duì)含微網(wǎng)的實(shí)際算例系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，表2、表3和表4分別給出關(guān)鍵負(fù)荷、不同區(qū)域和系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo)。

由 表可知，關(guān)鍵負(fù)荷的故障率指標(biāo)λ和停電時(shí)間指標(biāo)U在微網(wǎng)引入后得到了有效的改善，以Shelter為例，其λ指標(biāo)由3.23次/a減小到1.16次 /a，U指標(biāo)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(shí)間指標(biāo)r有所上升，這是因?yàn)殡S著微網(wǎng)接入，僅有少數(shù)嚴(yán)重的故障能造成關(guān)鍵負(fù)荷停電，其修復(fù)時(shí)間相對(duì)一般 故障往往更長(zhǎng)，從而造成指標(biāo)r上升。

以下進(jìn)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(píng)估結(jié)果。從表3可以看到，引入微網(wǎng)對(duì)不同區(qū)域的可靠性具有顯著的改善效果，以MIFI指標(biāo)為例，引入微網(wǎng) 后，微網(wǎng)1、2和區(qū)域3、4的MIFI指標(biāo)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(dá)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(duì)微網(wǎng)等值電源/ 負(fù)荷可靠性指標(biāo)(ESLI ) 進(jìn)行評(píng)估可知， 微網(wǎng)1 、2 的ESLI 分別為2946.21 MWh和7062.23 MWh，均遠(yuǎn)大于0，即微網(wǎng)對(duì)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(biāo)ESLI這種支援作用得以 定量化的評(píng)估。

從系統(tǒng)整體來看，微網(wǎng)對(duì)可靠性的改善效果也十分顯著。其中指標(biāo)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(duì)關(guān)鍵負(fù)荷、不同區(qū)域及系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)的評(píng)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(shí)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(dòng)配電系統(tǒng)可靠性水平顯著提高。

3.3 響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置及其協(xié)調(diào)優(yōu)化

為進(jìn)一步考察需求響應(yīng)與儲(chǔ)能裝置及其協(xié)調(diào)優(yōu)化對(duì)主動(dòng)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(jī)替代，風(fēng)機(jī)的額定功率為2MW;②為風(fēng)機(jī)配置容量為0.96MWh的儲(chǔ)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(fù)荷則放電，反之充電。以下基于上述計(jì)算條件，針對(duì)不同的方案進(jìn)行計(jì)及需求響應(yīng)與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)優(yōu)化的主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估。然后，分 別從傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)、微網(wǎng)指標(biāo)、需求響應(yīng)相關(guān)指標(biāo)等方面對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析。各評(píng)估方案定義如下：

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

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

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

3.3.1 傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)

各評(píng)估方案下對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果如表5所示。

對(duì) 比可知，由于將微網(wǎng)中的分布式電源改為風(fēng)機(jī)，同時(shí)減小了分布式電源容量，微網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的改善程度降低。其中，接入微網(wǎng)后的EENS指標(biāo)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(chǔ)能裝置的充放電策略可以改善含微網(wǎng)主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性，以SAIFI指標(biāo)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(chǔ)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(chǔ)能裝置充放電策略的優(yōu)化對(duì)傳統(tǒng)的系統(tǒng)可 靠性指標(biāo)改善有限，以下基于負(fù)荷可靠性指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行進(jìn)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(fù)荷可靠性有顯著的提高，其次是可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，而可中斷負(fù)荷的可靠性提升不明顯。儲(chǔ)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(fù)荷 與可中斷負(fù)荷的可靠性有所下降。

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

3.3.2 微網(wǎng)相關(guān)指標(biāo)

由上可知，本節(jié)的需求響應(yīng)及儲(chǔ)能裝置充放電策略優(yōu)化主要在圖5的微網(wǎng)2內(nèi)實(shí)施，基于本文定義的微網(wǎng)相關(guān)指標(biāo)對(duì)微網(wǎng)2進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表6所示。

由表可知，需求響應(yīng)及儲(chǔ)能裝置對(duì)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(biāo)MIFI降低了12.09%;引入需求響應(yīng)和儲(chǔ)能裝置充放電策略優(yōu)化后，其降低了16.85%，與表中SAIFI指標(biāo)的改善程度相比更加明顯。

可 見，主動(dòng)配電系統(tǒng)中接入微網(wǎng)，且基于微網(wǎng)實(shí)施需求響應(yīng)和儲(chǔ)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(biāo)，難以準(zhǔn)確而全面的反映需求響應(yīng)和儲(chǔ)能 裝置充放電策略對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性的影響，需要引進(jìn)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(biāo)。

3.3.3 需求響應(yīng)及儲(chǔ)能裝置指標(biāo)

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(xiàng)目的規(guī)則將自己的用電需求向上(增大負(fù)荷需求)或者向下(減少負(fù)荷需求)調(diào)整。 與用戶的負(fù)荷調(diào)整類似，隨著儲(chǔ)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(huì)受到影響，進(jìn)而影響儲(chǔ)能裝置的壽命。因此，計(jì)及需求響應(yīng)及儲(chǔ)能裝置的主 動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，需要定義并評(píng)估需求響應(yīng)及儲(chǔ)能裝置指標(biāo)，評(píng)估結(jié)果如表7所示。

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

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

3.4 用戶滿意度影響分析

響應(yīng)負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型中的用戶滿意度約束對(duì)響應(yīng)負(fù)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(biāo)(用電方式指標(biāo)M和用電費(fèi)用指標(biāo)S)對(duì)日負(fù)荷曲線的影響。

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

由圖可知，用戶滿意度的提高，將有可能使得主動(dòng)配電系統(tǒng)的年運(yùn)行效益顯著下降，因?yàn)楦邼M意度意味著用戶可能在電價(jià)高時(shí)用電。

4 結(jié)語

分布式電源、響應(yīng)負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及微網(wǎng)等分布式資源及其主動(dòng)式協(xié)調(diào)控制和管理，給主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估帶來了可再生能源隨 機(jī)特性、雙向不確定性潮流、多微網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)及主動(dòng)式協(xié)調(diào)控制與管理等一系列的挑戰(zhàn)。本文提出主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系，從可靠性評(píng)估模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)及 評(píng)估算法3個(gè)方面，有針對(duì)性的給出了上述挑戰(zhàn)的解決方案，最后通過實(shí)際算例系統(tǒng)驗(yàn)證了所提可靠性評(píng)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(dòng)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(dòng)配電系統(tǒng)的高效可靠性評(píng)估方法，定義了一系列適用于主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系。

2)建立起需求側(cè)資源與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)控制的模型，提出了用戶滿意度指標(biāo)，并研究了主動(dòng)協(xié)調(diào)控制對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)可靠性的影響，使得可靠性評(píng)估更準(zhǔn)確反應(yīng)主動(dòng)配電系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際。

未來，主動(dòng)配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估研究將在計(jì)及規(guī)劃與運(yùn)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(dòng)及多能源互補(bǔ)的分布式供能等方面迎來新的契機(jī)。