考虑负荷转供区特性的双花瓣式配电网可靠性指标解析计算模型与方法

《Energies》：Analytical Model and Method for Reliability Indices Calculation of Dual-Petal Distribution Networks Considering Load Transfer Zone Characteristics

　　

随着社会经济发展和城巿供电需求增长，电力用户对供电可靠性的期望显著提升。为应对这一挑战，双花瓣式配电网（dual-petal distribution network）凭借多联络线结构和跨区域负荷转供路径的特点，显著增强了故障恢复能力，正逐步取代传统辐射式结构，成为现代配电系统的关键形态。然而，其多区域耦合特性带来了负荷转供路径动态变化、孤岛运行等复杂问题，导致现有可靠性评估方法在准确性和适应性方面存在显著局限。为此，研究人员提出了一种考虑负荷转供区特性的双花瓣式配电网可靠性指标解析计算方法。首先，提取双花瓣式配电网的典型运行模式，建立时序化元件可靠性分析模型；其次，基于配电网故障对不同区域负荷节点的影响，构建负荷转供区矩阵；第三，依据分布式电源（distributed generation, DG）的故障穿越能力，制定考虑负荷转供区特性的负荷恢复策略，并推导DG孤岛恢复矩阵（DG Island Recovery Matrix, DGIRM）；最后，通过对各类矩阵及可靠性参数向量进行代数运算，实现含不同DG配置的双花瓣式配电网可靠性指标的显式解析计算。采用典型双花瓣网络验证所提方法的有效性，结果表明该方法具有较高的计算效率和精度，能够有效量化DG对双花瓣式配电网供电可靠性的影响，为复杂配电系统的可靠性评估与规划提供理论与方法支撑。

研究背景与问题提出

配电系统作为电力系统的末端环节，直接面向终端用户，其运行状态直接影响用电质量。传统辐射式配电网受限于单电源供电路径，在供电能力和故障恢复效率方面存在不足，已难以满足日益提升的高可靠性需求。在此背景下，双花瓣式配电网结构应运而生，该结构以雄安新区部署的"双花瓣"配电网为代表，通过引入多联络开关和跨区域负荷转供路径，显著提升了供电可靠性。然而，这种多区域耦合特性也带来了复杂的故障转移行为，不同区域在故障影响范围和负荷转供策略方面呈现显著异质性，动态变化的负荷转供路径和DG孤岛运行使得现有可靠性评估方法面临准确性和适应性不足的难题。现有可靠性评估方法主要分为解析法和仿真法两类：解析法通过构建元件数学模型计算可靠性指标，物理意义明确、结果准确，但随着网络规模增大和元件数量增加，计算效率趋于下降，且难以对含DG的复杂配电系统在各种运行工况下的孤岛场景和负荷转供路径动态变化进行统一显式表征；仿真法通过随机数模拟元件运行状态，计算速度相对较快，但精度依赖于收敛精度，且对网络规模敏感，在双花瓣配电网中多变的负荷转供策略下难以稳定反映局部区域的真实可靠性水平。因此，迫切需要建立能够表征负荷转供区特征的新型可靠性评估模型。

研究目标与核心贡献

研究人员针对双花瓣式配电网可靠性指标解析计算开展了系统研究。该研究旨在解决现有方法无法显式解析表达含DG孤岛运行及多联络区域负荷转供路径动态变化的可靠性指标的难题，为现代城市配电系统提供高效准确的可靠性分析工具。研究论文发表于《Energies》期刊。

主要技术方法

研究人员采用的技术路线包括：提取双花瓣式配电网典型结构特征与运行机理，分析正常运行模式及故障后继电保护策略；基于分支故障对负荷节点的影响构建负荷转供区矩阵（Transfer Supply Region Matrix, TSRM），将系统划分为A、B、C三类转供区域；建立考虑孤岛容量约束和负荷转供区特性的最优负荷恢复策略，推导DG孤岛恢复矩阵（DGIRM）；采用时序化元件建模方法建立风力发电机组（wind turbine, WT）、光伏发电（photovoltaic, PV）及储能系统（energy storage system, ESS）的输出功率模型；通过矩阵代数运算与可靠性参数向量相结合，实现可靠性指标的显式解析计算。所用案例包括IEEE RBTS Bus 6系统的F1和F2馈线，以及含85节点、137节点、417节点和1080节点的不同规模系统。

研究结果

网络拓扑与运行模式：双花瓣式配电网的网络拓扑特征。研究人员分析了双花瓣式配电网的结构特点，每个"花瓣"由两个供电组构成，每组形成环网结构，通过开关站实现互联。正常运行时各环网闭环运行，10kV电缆线路I段和II段独立运行于双环模式；故障时通过自动母线联络投切（automatic bus-tie transfer, ABTT）实现负荷转移。继电保护方面，变电站与开关站及开关站之间的电缆线路配置光纤电流差动保护，另配置相过流和零序过流保护；开关站内母线采用母线差动保护，动作时瞬时断开所有进出线并闭锁母联开关自动转移。

时序化元件建模：WT、PV和ESS的功率输出模型。研究人员建立了三类DG的时序化输出功率模型。WT输出功率取决于风速，采用分段函数描述：风速超过切入风速V_in时开始发电；超过额定风速V_rs后输出恒定额定功率P^WT_d；超过切出风速V_out时停机。PV系统输出功率计算考虑了模块效率、辐射表面总面积、接线效率系数、功率调节系统效率、倾斜面太阳辐射量等因素，并引入温度修正系数。ESS以荷电状态（state of charge, SOC）表征其运行状态，建立了考虑充放电功率约束和SOC上下限的时序模型。

负荷转供区矩阵构建与负荷恢复策略：基于区域特性的矩阵定义与DG孤岛恢复矩阵推导。研究人员将系统划分为三类转供区域：A类区域为故障后只能等待修复、无替代路径的节点；B类区域为故障隔离后可通过原供电路径复电的节点；C类区域为故障隔离后可通过联络开关或其他备用路径实现跨区域转供的节点。据此定义了TSRM A、TSRM B和TSRM C三个转供区矩阵。在此基础上，考虑DG的故障穿越能力，建立了多DG协调的负荷恢复优化模型，目标为最大化恢复高优先级负荷，约束条件包括功率平衡约束、负荷权重约束、孤岛连通性约束、节点电压约束和线路热稳定约束，进而推导得到DGIRM。将评价时段离散化为T个时间区间，在每个时间区间内基于WT、PV、ESS可用出力及负荷需求求解DG孤岛恢复模型，得到时变的DGIRM_t。

可靠性指标矩阵解析计算方法：显式计算公式的建立与系统级指标获取。研究人员基于TSRM和DGIRM，结合支路故障率向量、故障修复时间向量、负荷需求向量、分段开关操作时间t_ss、联络开关操作时间t_ts和孤岛形成时间t_is等参数，建立了负荷级和系统级可靠性指标的显式计算公式，实现了SAIFI（system average interruption frequency index）、SAIDI（system average interruption duration index）和EENS（expected energy not supplied）的矩阵解析计算。

算例验证：算法正确性、计算效率与不同DG配置下的可靠性评估。研究人员采用IEEE RBTS Bus 6系统进行算法正确性验证，结果表明所提方法计算结果与文献报道一致，验证了TSRM可通过传统故障后果分析方法推导，保证了算法准确性。在计算效率对比中，选取85节点、137节点、417节点和1080节点四种不同规模系统，与基于线性规划的评估方法、蒙特卡洛仿真法以及基于网络拓扑的解析法进行比较。结果表明：线性规划方法随系统规模增大决策变量和约束增多，求解时间显著增加；蒙特卡洛仿真法存在精度与时间的权衡；网络拓扑解析法仅能描述单条供电路径的解析关系，复杂多馈线系统需重复计算。而所提方法通过TSRM表征分支故障对不同区域失电负荷节点的影响，利用矩阵运算的固有并行性，在保证精度的同时显著提升计算效率，且规模越大优势越明显。在含DG的双花瓣配电网可靠性评估中，设置无DG接入和有PV、WT、ESS接入两种对比场景。结果表明：各节点年停电频率在两场景下相同，因DG或ESS仅影响转供区特性和孤岛恢复范围，不能减少故障次数；DG接入后部分原需等待修复的节点可通过孤岛运行供电，停电持续时间从故障修复时间缩短至孤岛形成时间。与无DG场景相比，SAIDI降低约8.1%，EENS降低约10.23%。时序参数灵敏度分析表明，分段开关操作时间对可靠性指标影响最显著，DG孤岛形成时间影响相对较小，因其仅影响满足DG容量约束和孤岛恢复条件的有限节点。

讨论与结论总结

研究人员在讨论部分深入分析了不同DG类型对双花瓣配电网可靠性的影响机制及投资合理性问题。从投资合理性角度，虽然DG/ESS集成可提升供电可靠性，但需综合考虑可靠性效益和投资成本进行经济可行性评估。对于负荷密度高、重要客户占比大或供电可靠性要求严格的城巿配电区域，DG/ESS投资具有显著工程应用价值；而对于负荷水平较低或供电可靠性已较高的区域，DG/ESS带来的边际可靠性效益可能相对有限。所提解析计算方法不仅能量化DG/ESS集成带来的可靠性提升，还可为后续配电网可靠性增强措施的投资合理性分析提供重要依据。此外，分段开关操作时间、联络开关操作时间和DG孤岛形成时间三类时序参数对可靠性指标呈现不同灵敏度，工程中应优先提升分段开关和联络开关的自动化水平，缩短故障隔离和转供操作时间，以更直接地降低SAIDI和EENS。

研究结论指出：（1）构建了负荷转供区矩阵框架，显式表征了不同区域故障影响范围和恢复路径的差异，为后续可靠性指标解析计算奠定了矩阵化基础；（2）提出了考虑转供区特性和DG孤岛能力的负荷恢复策略，通过构建和求解DGIRM，可有效量化DG集成对供电可靠性的影响；（3）开发了基于矩阵的可靠性指标解析计算方法，避免了传统方法所需的故障场景枚举和迭代计算，在含高渗透率DG的复杂配电网中仍保持高计算效率和适用性。未来工作将聚焦于纳入DG输出的不确定性和时序波动性，开发随机解析可靠性评估模型，并研究双向潮流和多源协同恢复场景下的保护定值协调与转控策略，以提升故障恢复的准确性和鲁棒性。